— CVD·PVD·ALD로 이해하는 박막 증착(Deposition) 공정
Etching이 불필요한 물질을 정밀하게 깎는 기술이라면 이번에는 정반대입니다.
웨이퍼 위에 절연막, 금속막, 반도체막 등을 필요한 두께만큼 쌓아야 합니다.
바로 Deposition, 박막 증착 공정입니다.
현대 반도체에서는 이 막의 두께가 수 nm 수준까지 내려가기 때문에 단순히 물질을 올려놓는 것으로는 부족합니다.
얼마나 얇게, 얼마나 균일하게, 그리고 복잡한 3차원 구조 안쪽까지 얼마나 정확하게 증착할 수 있는가?
이것이 Deposition 기술의 핵심입니다.
1. Deposition이란 무엇인가?
Deposition은 웨이퍼 표면에 원하는 물질의 **Thin Film(박막)**을 형성하는 공정입니다.
구조를 단순화하면 다음과 같습니다.
Before Deposition
Surface
────────────────────
Wafer
After Deposition
████████████████████ ← Thin Film
────────────────────
Wafer겉으로 보기에는 단순해 보입니다.
하지만 반도체에는 여러 종류의 막이 필요합니다.
- Insulator — SiO₂ 등
- Dielectric — 절연 및 capacitor 구조
- Semiconductor — Si, SiGe 등
- Metal — 배선 및 contact
- Barrier / Liner — 확산 방지 및 계면 제어
따라서 Deposition은 특정 공정 하나라기보다 반도체의 3차원 구조를 구성하는 기본 제조 기술이라고 이해하는 편이 좋습니다.
2. 반도체 제조의 본질은 '쌓고 깎는 것'
지금까지 살펴본 공정을 연결해보면 재미있는 구조가 보입니다.
Deposition
↓
Thin Film
↓
Lithography
↓
Pattern
↓
Etching
↓
Structure
↓
Deposition
↓
New Layer
↓
Repeat...즉 반도체는 거대한 블록을 정밀 가공해서 만드는 제품이 아닙니다.
얇은 막을 만들고 → 패턴을 그리고 → 선택적으로 제거하고 → 다시 막을 만드는 과정을 반복하면서 복잡한 구조를 만들어갑니다.
그래서 #05에서 이야기했던
“쌓고 → 그리고 → 깎는다.”
라는 표현이 여기서 다시 등장합니다.
3. Deposition의 대표적인 세 가지 기술
박막을 만드는 방법은 다양하지만 기초 단계에서는 다음 세 가지를 먼저 이해하면 좋습니다.
PVD — Physical Vapor Deposition
CVD — Chemical Vapor Deposition
ALD — Atomic Layer Deposition
이름만 보면 비슷해 보이지만 막을 만드는 원리 자체가 다릅니다.
4. PVD — 물리적으로 날려서 붙인다
PVD는 Physical Vapor Deposition, 즉 물리적 기상 증착입니다.
대표적인 방법이 Sputtering입니다.
개념적으로 보면 다음과 같습니다.
Plasma Ions
↓ ↓ ↓
[ TARGET ]
● ● ● ●
↙ ↓ ↓ ↘
Metal Atoms
↓ ↓ ↓
────────────────────
Wafer플라즈마 이온이 Target에 충돌하면 Target의 원자들이 튀어나옵니다.
이 원자들이 이동해 웨이퍼 표면에 도달하면서 박막을 형성합니다.
핵심은 이름 그대로 Physical입니다.
즉 화학반응을 이용해 새로운 막을 만드는 것이 아니라 물리적으로 원자를 이동시켜 표면에 증착합니다.
PVD의 특징
장점
- 비교적 단순한 원리
- 금속 박막 형성에 유용
- 높은 증착 속도를 얻기 용이
한계
- 복잡한 3D 구조의 내부까지 균일하게 증착하기 어려움
특히 이 마지막 특성이 중요합니다.
5. 왜 깊은 구조에서는 PVD가 어려울까?
평평한 웨이퍼라면 큰 문제가 없습니다.
하지만 이런 구조라면 어떨까요?
↓ ↓ ↓ Material Flux
████ ████
████ ████
████ ████
████ ████
████ ████
████______████위에서 내려오는 원자는 구조 상단에는 쉽게 도달하지만 깊은 구조의 측면과 바닥까지 동일하게 도달하기 어렵습니다.
따라서 막 두께가 이렇게 달라질 수 있습니다.
Thick ████ ████ Thick
███ ███
██ ██
█ █
└────────────┘
Thin여기서 등장하는 중요한 개념이 Step Coverage입니다.
6. Step Coverage란?
Step Coverage는 복잡한 구조 위에서 얼마나 균일한 두께로 막을 형성할 수 있는가를 나타내는 개념입니다.
평면 구조에서는 큰 문제가 아니지만 반도체가 3차원화될수록 중요성이 커집니다.
예를 들어,
- 3D NAND
- FinFET
- GAA Nanosheet
- Deep Contact
- TSV
같은 구조에서는 깊은 내부까지 균일하게 막을 만들어야 합니다.
따라서 반도체가 3D화될수록 단순한 Deposition Rate보다 Conformality가 중요해집니다.
7. CVD — 화학반응으로 막을 만든다
CVD는 Chemical Vapor Deposition입니다.
PVD가 원자를 물리적으로 이동시켰다면 CVD는 기체 상태의 원료를 공급한 후 웨이퍼 표면에서 화학반응을 일으켜 박막을 형성합니다.
Precursor Gas
↓↓↓
┌───────────────────┐
│ Chamber │
│ │
│ Chemical │
│ Reaction │
│ ↓↓↓ │
│ █████████████ │ ← Film
│ ───────────── │
│ Wafer │
└───────────────────┘공정을 단순화하면
Gas
↓
Transport
↓
Surface Reaction
↓
Thin Film
↓
By-product Removal이라고 볼 수 있습니다.
PVD보다 화학반응의 역할이 커졌다는 점이 핵심입니다.
8. CVD에도 여러 종류가 있다
CVD 역시 하나의 기술이 아닙니다.
대표적으로 다음과 같이 나뉩니다.
LPCVD
Low Pressure CVD
낮은 압력에서 증착하여 비교적 균일한 막을 형성합니다.
PECVD
Plasma Enhanced CVD
플라즈마를 이용해 화학반응을 활성화합니다.
지난 #06에서 플라즈마가 왜 중요한지 살펴봤는데 여기에서도 다시 등장합니다.
Gas
↓
Plasma Energy
↓
Reactive Species
↓
Surface Reaction
↓
Thin Film플라즈마를 사용하면 열에너지만 사용하는 경우보다 상대적으로 낮은 온도에서도 반응을 활성화할 수 있습니다.
이것은 반도체 공정에서 상당히 중요합니다.
9. 왜 공정 온도가 중요할까?
웨이퍼는 한 번만 가열되는 것이 아닙니다.
수많은 공정을 반복해서 거칩니다.
따라서 후속 공정에서 지나치게 높은 온도를 사용하면 이미 만들어진 구조와 물질에 영향을 줄 수 있습니다.
여기서 Thermal Budget이라는 개념이 중요해집니다.
Process #1
↓ Heat
Process #2
↓ Heat
Process #3
↓ Heat
↓
Accumulated
Thermal Budget즉 개별 공정의 최고 온도만 보는 것이 아니라 전체 제조 과정에서 웨이퍼가 경험하는 열 이력을 관리해야 합니다.
이 부분은 기계공학의 열역학·열전달과 직접 연결됩니다.
10. 그런데 CVD도 한계가 있다
반도체 구조가 점점 복잡해지면서 또 다른 문제가 생깁니다.
예를 들어 매우 깊고 좁은 구조의 내부 전체에 정확히 같은 두께의 막을 만들어야 한다고 생각해봅시다.
████│ │████
████│ │████
████│ │████
████│ │████
████│__________│████이 구조의
- 상단
- 측벽
- 바닥
모두에 거의 동일한 두께의 막이 필요합니다.
이 요구가 극단적으로 높아지면서 등장한 핵심 기술이 바로 ALD입니다.
11. ALD — 원자층 단위로 막을 만든다
ALD는 Atomic Layer Deposition입니다.
이름 그대로 원자층 수준으로 박막 두께를 제어하는 기술입니다.
하지만 ALD의 진짜 특징은 단순히 **“아주 천천히 증착한다”**가 아닙니다.
핵심은 Self-Limiting Surface Reaction입니다.
하나의 ALD cycle을 단순화하면 다음과 같습니다.
① Precursor A
↓
Surface Reaction
② Purge
↓
Remove Excess Gas
③ Precursor B
↓
Surface Reaction
④ Purge
↓
= One ALD Cycle그리고 이를 반복합니다.
Cycle 1 → Atomic Layer
Cycle 2 → Atomic Layer
Cycle 3 → Atomic Layer
Cycle 4 → Atomic Layer
↓
Desired Thickness즉 막을 한꺼번에 만드는 것이 아니라 표면 반응을 순차적으로 반복하여 두께를 정밀하게 증가시키는 방식입니다.
12. ALD가 3D 반도체에서 중요한 이유
ALD의 가장 큰 장점 가운데 하나는 뛰어난 Conformality입니다.
복잡한 구조를 비교해보겠습니다.
PVD
████ ████
███ ███
██ ██
│ │
└────────────┘
Poor Step CoverageALD
█│ │█
█│ │█
█│ │█
█│ │█
█└──────────┘█
Highly Conformal Film3D NAND처럼 깊은 구조나 GAA처럼 복잡한 3차원 구조에서는 이런 특성이 매우 중요합니다.
13. PVD vs CVD vs ALD 한 번에 이해하기
| 구분 | PVD | CVD | ALD |
| 기본 원리 | 물리적 증착 | 화학반응 | 순차적 표면반응 |
| 두께 제어 | 보통 | 우수 | 매우 우수 |
| Conformality | 상대적으로 낮음 | 우수 | 매우 우수 |
| 증착 속도 | 빠른 편 | 빠른 편 | 느린 편 |
| 복잡한 3D 구조 | 제한적 | 가능 | 매우 유리 |
| 대표 이미지 | 날려서 붙임 | 반응시켜 만듦 | 한 층씩 성장 |
다만 이 표를 보고 ALD가 무조건 가장 좋은 기술이라고 생각하면 안 됩니다.
반도체 공정에서 중요한 것은 최고 성능의 기술을 사용하는 것이 아니라 목적에 맞는 기술을 선택하는 것입니다.
14. ALD가 좋은데 왜 전부 ALD를 사용하지 않을까?
이 질문이 엔지니어링 관점에서 상당히 중요합니다.
답은 Productivity입니다.
ALD는
Dose
↓
Purge
↓
Dose
↓
Purge
↓
Repeat라는 순차적 cycle을 반복해야 합니다.
따라서 매우 정밀하지만 생산성 측면에서는 불리할 수 있습니다.
결국 공정 기술의 선택은 다음과 같은 Trade-off 문제입니다.
Precision
↑
│ ALD
│
│ CVD
│
│ PVD
└────────────→ Productivity실제 공정에서는 재료, 구조, 필요한 막 특성, 공정 온도, throughput, 비용 등을 함께 고려해야 합니다.
⚙️ 기계공학 관점에서 Deposition 장비를 보면?
Deposition은 화학공정처럼 보이지만 장비 관점에서는 상당히 기계공학적인 시스템입니다.
| 유체역학 | Gas Flow Distribution |
| 열전달 | Wafer Temperature Uniformity |
| 진공공학 | Chamber Pressure Control |
| 열역학 | Gas Reaction & Energy |
| 재료공학 | Film·Chamber Material |
| 제어공학 | MFC·Pressure·Temperature Control |
| 기계설계 | Chamber·Showerhead·ESC |
특히 중요한 것이 Gas Distribution입니다.
300 mm 웨이퍼 전체에 동일한 막을 만들려면 모든 위치에서 비슷한 반응 환경을 만들어야 합니다.
Showerhead
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
──────────────────────
300 mm Wafer
Center Edge가스 유량이나 온도 분포가 균일하지 않다면,
Center Film ≠ Edge Film이 되고 결국 Thickness Uniformity → Device Variation → Yield 문제로 연결됩니다.
따라서 박막 장비는 단순한 진공 챔버가 아니라 유동장 + 온도장 + 화학반응장을 동시에 제어하는 시스템이라고 볼 수 있습니다.
🏭 FAB 관점에서 보면 결국 '균일성' 싸움이다
좋은 Deposition 공정의 목표는 단순히 막을 만드는 것이 아닙니다.
Thickness
원하는 두께인가?
Uniformity
300 mm 전체가 균일한가?
Conformality
3D 구조 내부까지 동일하게 형성되는가?
Film Quality
막의 밀도와 조성이 원하는 수준인가?
Defect
Particle이나 불필요한 잔류물이 없는가?
그리고 양산에서는 한 가지 조건이 더 붙습니다.
Repeatability
Wafer #1과 Wafer #10,000이 같은 결과를 내는가?
결국 첨단 반도체 장비에서 가장 어려운 문제 중 하나는 정밀도와 생산성을 동시에 확보하는 것입니다.
🔬 Etching과 Deposition은 사실 서로 반대가 아니다
#08과 #09를 연결하면 반도체 공정의 본질이 조금 더 명확해집니다.
SEMICONDUCTOR FABRICATION
Deposition Etching
↓ ↓
Add Material Remove Material
↘ ↙
Lithography
↓
Pattern Control
↓
3D Device StructureEtching은 깎고 Deposition은 쌓습니다.
하지만 둘의 목적은 같습니다.
원하는 위치에 원하는 물질을 원하는 형상으로 만드는 것.
따라서 첨단 반도체 제조는 결국 Material Control 기술이라고 볼 수도 있습니다.
💡 오늘의 핵심 Insight
반도체 박막 공정의 발전 방향을 한 문장으로 정리하면 다음과 같습니다.
From Film Deposition to Atomic-Level Material Control
과거에는 단순히 균일한 박막을 만드는 것이 중요했다면, 3D NAND와 GAA 같은 복잡한 구조에서는 원자 수준의 두께와 계면을 제어하는 능력이 중요해지고 있습니다.
그리고 여기에서 ALD의 가치가 커집니다.
결국,
반도체 미세화는 더 작게 그리는 기술만의 경쟁이 아니라, 더 정확하게 쌓고 더 정확하게 깎는 기술의 경쟁입니다.
🎯 다음 글
[#10] 이온주입(Ion Implantation)은 왜 필요할까?
— 실리콘에 전기적 성질을 만드는 Doping 기술
다음 글에서는 지금까지와 조금 다른 질문으로 넘어갑니다.
지금까지는 반도체의 형상을 만들었다면 이제 그 구조에 전기적 성질을 만들어야 합니다.
Pure Silicon
↓
Ion Implantation
↓
Doping
↓
P-type / N-type
↓
Transistor즉 다음 편부터는 **“실리콘이 어떻게 실제 반도체 소자가 되는가”**를 본격적으로 살펴보겠습니다.
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