반도체 기술 변화 짚어보기 - 7) 어닐링공정: 고유전율 절연막의 계면 전하 특성 개선 위한 저온 어닐링수요 증가

어닐링 장비 시장은 국산화율이 낮으나 High-K 유전막이 도입되면서 절연막의 개면 전하 특성 개선을 위한 저온 고압 수소 어닐링 장비가 주목 받고 있다. 현재 고압 수소(100%) 어닐링 장비를 생산 가능한 업체는 국내의 HPSP 가 유일하며 반도체 소자 집적도가 향상될수록 고압 수소 어닐링 장비 시장도 함께 성장할 것으로 전망된다.

 

 

(1) 어닐링 장비 트랜드

 

2021 년 기준, 어닐링 장비 시장 규모는 약 12 억달러이며 Applied Materials, Mattson, Veeco 가 91% 점유율을 차지하고 있다.

 

 

국내 업체로는 삼성전자의 비상장 자회사인 SEMES, 이오테크닉스, HPSP 가 있으나 글로벌 점유율은 미미한 수준이다.

 

 

반도체 제조 업체들의 CAPEX 가 개선되면서 어닐링 장비 시장도 반등할 것으로 전망한다. 다만 선단 공정에 쓰이는 고압 수소 어닐링 장비 시장은 고유전율 유전막 채택율이 높아지고 있기 때문에 높은 성장률을 보여줄 전망이다.

 

 

 

 

(2) 어닐링 공정 소개

 

진성 상태의 Si 는 부도체의 성질을 가지고 있어 이온 주입을 통해 전도성을 높여준다.

 

어닐링 공정은 주로 단결정 실리콘에 도펀트(Dopant, 불순물)가 주입되면서 생긴 격자 손상을 회복시킴으로써 계면 특성을 개선하고 주입된 이온을 활성화 시켜주는 공정이다.

 

원자의 최외각 전자가 8 개인 진성 반도체는 부도체처럼 전류가 거의 통하지 않아 도펀트를 첨가해 전기전도도를 늘려야 한다. Si 의 경우 최외각에 4 개의 전자가 존재하며 이웃하는 전자끼리 공유결합해 8 개의 전자를 만들어 안정적인 상태를 유지한다. 진성 상태의 Si 에 3 족 또는 5 족 물질을 첨가하면 전자나 정공의 수가 증가하여 전기전도도를 조절할 수 있다. 3 족 물질이 첨가되면 p 형 반도체, 5 족 물질이 첨가되면 n 형 반도체라고 불린다.

 

 

도펀트 주입 방법은 열 확산과 이온 주입 두가지 방법으로 나뉜다.

 

열 확산 방법은 실리콘 기판 위에 불순물 막을 형성하거나 가스를 주입한 후 실리콘 결정에 확산하는 방식이다. 열 확산은 배치식으로 한번에 대량의 웨이퍼를 처리할 수 있다. 다만 열 확산으로 주입된 도펀트는 등방성 성질을 가지기 때문에 제어가 어렵고 공정 온도가 높다는 단점이 있어 최근에는 이온을 가속화시켜 실리콘 단결정에 부딪쳐 주입시키는 이온 주입 공정이 주로 쓰인다.

 

이온 주입 과정에서 발생하는계면 손상을 치유해주고 주입된 이온을 활성화시키는게 어닐링의 목적

 

이온 주입의 원리는 가스를 플라즈마화 시켜 이온을 발생시킨 후, 질량 분석기에 통과시키고 원하는 이온을 전기장으로 가속해 웨이퍼에 주사하는 것이다.

 

이온 주입 공정 변수로는 도펀트의 종류, 가속 에너지량, 도즈량이 있다. 더 많은 에너지와 도즈량이 가해질수록 반도체 격자 손상도가 높아진다. 이온 주입 공정 시 손상된 격자를 회복시키고 끊어진 공유결합을 이어주는 역할을 하는 것이 바로 어닐링이란 공정이다.

 

배치식 어닐링: 여러장의 웨이퍼를 한번에 처리 가능하나 열 노출 시간이 길다는 단점이 있음

 

기존 어닐링 공정은 배치식 열 처리 방법과 RTA(Rapid Thermal Annealing)으로 나뉜다.

 

배치식 열 처리 방법은 웨이퍼를 핫웰(Hot well)에 넣어 외부 히터로 가열하는 방식이다. 배치식은 여러장의 웨이퍼를 한번에 처리 가능하지만 웨이퍼를 단번에 고온 처리할 수 없어 적정 온도까지 올라오는 시간(Soak time)이 30 분 가량 소요된다. 반도체의 적층수가 증가하고 고집적화가 진행될수록 열로 인한 불량 발생률이 높아진다. 이에 따라 반도체의 열 노출 시간을 줄이고자 도입된 어닐링 방법이 RTA 다.

 

 

RTA: 적외선을 이용한 어닐링 방식으로 웨이퍼 처리 시간이 짧으나 슬립 현상이 발생

 

RTA 는 램프(텅스텐 할로겐 램프 등)로 적외선을 웨이퍼에 조사해 급격하게 가열하는 방식이다.

 

실리콘은 적외선을 쉽게 흡수하는 성질을 가지고 있어 약 10~20 초면 적정 온도까지 가열 가능하고 한장의 웨이퍼 처리 시간은 1 분 이내인 것으로 파악된다. 다만 이온의 활성도는 온도와 공정 시간에 정비례하기 때문에 RTA 의 온도는 배치식 열 처리 방식 대비 높다. 이로 인해 웨이퍼의 중심과 엣지에서 온도 차이가 생겨 뒤틀리는 슬립(Slip) 현상이 발생하여 온도를 다점 측정하는 장치가 추가된다.

 

 

 

열에 의한 불량을 최소화하기 위해 Millisecond RTA, 레이저 어닐링, 고압 수소 어닐링 등의 방법이 출현

 

최근에는 soak time 을 줄이기 위해 Millisecond RTA, 레이저 어닐링, 고압 수소 어닐링 기술이 등장했다. Millisecond RTA 는 기존 RTA 에서 사용되던 램프를 Xe(제논)플래시램프로 바꾼 어닐링 방법이며 플래시 RTA 라고도 불린다.

 

Millisecond RTA 의 soak time 은 0.8ms 이내로 기존 RTA 대비 승온 효율과 노출 시간을 최소화할 수 있어 도펀트 확산을 억제하고 활성도를 효율적으로 높일 수 있다.

 

레이저 어닐링은 400nm 이하의 단파장 광원인 자외선을 사용하여 계면 특성을 개선하는 방법이다. 대표적으로 엑시머 레이저가 사용되며 soak time 을 micro second 단위로 줄일 수 있다. 또한 레이저는 실리콘의 아주 작은 표면에만 흡수되기 때문에 미세화에 따른 초박막 접합에 적합하다고 평가 받고 있다.

 

Millisecond RTA 와 레이저 어닐링 방식은 soak time 을 획기적으로 줄일 수 있으나 온도가 상대적으로 높다는 단점을 가지고 있다. 금속 회로 선폭이 20nm 이하로 얇아지면서 고온에 녹는 문제가 발생한 것이다. 또한 HKMG 구조가 채용됨에 따라 게이트 구조가 금속으로 대체되기 시작하면서 유전막의 계면 특성 개선을 위한 저온 어닐링 수요가 증가했다.

 

 

High-k 유전막의 산소가 게이트와 반응하면서 생긴 산소 공공을 제거하기 위해 고압 수소 어닐링 채택

 

기존 사용되던 SiO2 유전막이 얇아지면서 전류 누설 문제가 발생했다. 이에 반도체 소자 업체들은 높은 유전율을 가진 High-k 유전막을 도입하였으나 High-k 유전막의 산소가 게이트와 웨이퍼를 산화시켜 산소 공공(Oxygen Vacancy)과 잉여 전자가 생산하는 문제가 발생했다.

 

산소 공공은 페르미레벨 고정 현상을 일으켜 전류가 한 방향으로만 흐르게 하여 계면 특성을 저하시키고 전자이동도를 낮춘다. 이에 반도체 소자 업체들은 수소 어닐링을 통해 산소 공공을 제거하여 계면 특성을 개선하는 방법을 채택했다.

 

최초의 수소 어닐링은 6%미만의 저농도 수소를 사용하였으며 600 도 이상의 고온 환경 하에서 공정이 진행됐다. 16nm 이하로 스케일링이 진행되면서 450 도 이상에서 금속이 녹는 문제가 발생해 반도체 공정 상의 공정 온도 제한이 생겼으며, 이에 400 도 이하의 환경에서 공정 진행 가능한 고압 수소 어닐링 장비가 도입됐다.

 

고압 수소 어닐링 장비는 400 도 이하의 저온 온도를 구현하기 위해 20 기압에 이르는 초고압과 100%수소 농도의 환경에서 작동된다. 수소는 보통 4~75% 농도에서 폭발성을 가지게 되기 때문에 압력과 온도 제어 난이도가 높다.

 

 

현재 고압 수소 장비를 생산할 수 있는 기업으로는 현재 국내 HPSP 사가 유일하며 광범위한 공정 특허를 보유한 HPSP 가 한동안 독점 체제를 유지할 것으로 예상된다.

 

 

출처: 하이투자증권, HPSP

 

뜨리스땅

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/683

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