Semicon Process 솔루션을 사용한 원자층 증착 공정의 모니터링 및 특성화

벤 벤사울라
TOFWERK 스위스

소개

원자층 증착(ALD)은 다양한 박막 재료에 대한 표준 기술로 빠르게 자리 잡고 있으며 반도체 분야에서 필수적인 도구입니다. ALD는 복잡한 3D 형상을 가진 기판에서도 박막의 두께와 적합성을 나노미터 이하로 제어하기 위해 두 가지 기체 반응물의 자기 제한적 표면 반응을 순차적으로 사용합니다. 증착된 필름의 물리화학적 특성은 주로 표면 분해 반응과 성장 메커니즘에 따라 달라집니다. 따라서 이러한 공정을 완전히 특성화하고 이해하는 것이 중요하며, 공정 최적화 주기를 단축하고 생산 환경에서 실시간 모니터링 및 제어를 제공하는 계측 툴을 활용하는 것이 중요합니다.

ALD를 위한 Semicon Process 솔루션

이 애플리케이션 노트에서는 박막 제조 공정의 실시간 모니터링을 위해 원자층 증착 시스템(SC-1, 스위스 툰의 Swiss Cluster AG)에 TOFWERK Semicon Process 솔루션을 통합하는 방법을 소개합니다. Semicon Process 분석기는 동위원소 분해능이 10% 이상인 모든 이온화된 분자를 동시에 감지합니다.⁵ 동적 범위 및 최대 1kHz의 질량 스펙트럼 수집 속도를 지원합니다. 화학 데이터 수집이 현장에서 이루어지기 때문에 적용된 증착 파라미터의 결과를 즉시 모니터링할 수 있어 온도 및 펄싱/퍼징 시간과 같은 공정 실험 조건을 즉시 수정할 수 있습니다. 또한 최적의 조건에서 벗어난 공정 이탈이나 장비 오작동도 감지할 수 있습니다. Semicon Process 분석기를 사용한 이러한 현장 수집은 상당한 지연이 발생하는 사후(현장) 화학 및 구조 특성화 방법에 비해 큰 장점이 있습니다.

실험 설정

ALD 공정은 ALD와 PVD를 결합한 새로운 소형 클러스터 시스템인 SC-1을 사용하여 수행되었습니다. 이 연구에서는 SC-1의 ALD 모듈만 사용했습니다. 기판 온도는 120°C로 설정했습니다. 트리메틸알루미늄, Al(CH₃)₃ (TMA, 98 % 순도, Strem 제공) 및 DI H₂O가 사용되었습니다. 이 두 가지 가스 전구체는 일반적으로 Al₂O₃, 모델 ALD 시스템입니다. 이 공정의 화학적 특성은 수많은 연구에서 광범위하게 분석되었으며 이 연구에서 제시된 결과를 평가하는 데 사용되었습니다. 두 전구체는 실온에서 증착 챔버로 전달되었고 순도 99.9995% 아르곤(에어리퀴드 공급)이 퍼징 가스로 사용되었습니다.

실험은 20번의 ALD 주기로 구성되었습니다. 각 사이클에는 50밀리초의 TMA 펄스와 30밀리초의 H₂O를 사용하여 관심 가스만 챔버로 유입되도록 했습니다. 가스 전구체 펄스 사이에 30초 동안 50ccm의 아르곤 가스 퍼지가 제공되었습니다.

결과

ALD에서는 순차적으로 도입된 가스 전구체와 표면 사이의 반응으로 인해 그림 1에 설명된 대로 부산물이 방출됩니다. 이러한 부산물의 화학적 특성과 양은 근본적인 반응 메커니즘에 대한 중요한 정보를 제공하고 산업 규모에서 안정적이고 재현 가능한 프로세스를 위한 모니터링 프로토콜을 개발하는 데 통찰력을 제공합니다.

우리는 Al₂O₃  TMA 및 H를 사용한 증착₂O는 주로 다음에서 측정된 신호 분포를 기반으로 특성화할 수 있습니다. m/Q = 16 Th, 18 Th, 27 Th, 40 Th에 해당하며, TMA Al(27 Th), H₂O (18 일), 부산물 CH₄ (16 Th)와 아르곤 운반 기체(40 Th). 그러나 그림 2와 같이 모든 질량을 동시에 감지할 수 있는 기능 덕분에 이전에는 감지되지 않았던 추가 부산물을 관찰할 수 있었으며, Semicon Process 분석기의 높은 질량 분해능과 정확도가 없었다면 식별하기 어려웠을 것입니다.

Semicon Process 솔루션이 제공하는 또 다른 중요한 기능은 그림 3에서 볼 수 있듯이 원자로에 존재하는 모든 종의 시간 변화를 모니터링할 수 있는 기능입니다. 그림 4는 측정된 특성 값을 보여줍니다. ²⁷Al 신호 분포, 즉 ²⁷TMA 밸브가 열려 있을 때의 Al 신호 피크 진폭과 최대 절반(FWHM)의 전체 폭입니다. 이 두 값의 변화는 사이클마다 전달되는 TMA의 양이 달라졌음을 나타냅니다. ALD 공정은 자체 제한이 있고 TMA 전구체의 과잉이 층 두께의 증가를 유도하지는 않지만 전구체 소비를 최적화할 수 있습니다. 반대로 전구체 양이 적으면 부분적인 단층 증착이 발생하고 이종 구조의 증착이 목표인 경우 표면 형태가 거칠어지고 인터페이스가 이상적이지 않게 됩니다. 따라서 Semicon Process 분석기를 통해 가능한 사이클 간 ALD 공정 재현성의 실시간 정량화는 공정 최적화(R&D)와 생산 모두에서 중요합니다.

결론

이 애플리케이션 노트에 제시된 바와 같이 Semicon Process 분석기를 ALD 시스템 내에 통합하면 모든 이온화된 분자와 조각을 실시간으로 동시에 감지할 수 있습니다. 따라서 최적의 공정 편차 또는 오작동을 조기에 감지할 수 있으며, 결과적으로 전구체 온도, 펄스 지속 시간, 압력 등의 증착 파라미터를 즉시 수정하여 의도한 박막 화학 구조의 증착을 보장할 수 있습니다.

ALD 공정을 위한 현장 Semicon Process 솔루션의 장점은 화학 기상 증착과 같은 다른 증착 기술과 공정 최적화, 모니터링 및 제어를 위한 식각 응용 분야로 확장될 것입니다. 엔드포인트 감지는 2원, 3원, 4원 합금을 포함하는 전이와 같은 복잡한 인터페이스에 대해 구현될 수 있습니다. 또한 빠른 획득 속도는 펄스 모드에서 작동하는 소스와 나노층 스택의 증착 및 식각과 관련된 공정에 매우 중요합니다. Semicon Process 솔루션은 복잡한 가스 환경의 화학 종을 정확하게 할당하고 시간 변화를 측정해야 하는 다른 반도체 공정의 모니터링 도구로 광범위하게 적용될 수 있습니다.   

승인
이 애플리케이션 노트에 데이터 수집 및 분석에 기여해 주신 EMPA Eidg(툰)과 스위스 클러스터(툰)에 감사의 말씀을 전합니다.