Thin film Deposition(증착 공정) -(3) CVD(Chemical Vapor Deposition) - deposition rate(증착 속도), growth rate, Grove model

저번 PVD 공정에 이어 오늘은 CVD 공정입니다.

2024.09.01 - [반도체 연구하기/Semiconductor processing(반도체 공정)] - Deposition process(증착 공정) -(2) PVD(Physical Vapor Deposition) - Sputtering, Reactive Sputtering, Evaporation, PLD, MBE (PVD(Physical Vapor Deposition)

Deposition process(증착 공정) -(2) PVD(Physical Vapor Deposition) - Sputtering, Reactive Sputtering, Evaporation, PLD, MBE

PVD는 보통 금속 물질을 증착할 때 사용하는 공정이었습니다.

 

CVD는 반응을 하면서 증착하는 공정이기 때문에 유전체를 증착할 때 많이 사용됩니다.

 

그런데 반도체에서 유전체 하면 gate oxide의 SiO2가 생각납니다.

이때는 Thermal Oxidation을 사용한다고 했습니다.

사실 Deposition으로도 SiO2를 증착할 수 있습니다.

하지만 CVD를 사용하는 경우 불순물이 많기 때문에

신뢰성이 아주 중요한 gate oxide에는 고순도의 SiO2를 Thermal Oxidation으로 길러야 합니다.

CVD는 보통 ILD layer를 증착할 때 사용됩니다.

 

오늘의 본론으로 들어갑시다!

PVD의 경우 증착 속도가 비교적 느리며 따로 계산할 수 없었습니다.

하지만 CVD공정의 경우 Grove model을 통해 증착 속도를 구해볼 수 있습니다.

 

그래서 오늘은 CVD 공정의 증착속도(Deposition rate)와 Sticking coeffients에 관해 알아보겠습니다.

 

1. Deposition rate(증착속도) = Growth Rate(V)

Grove Model을 사용해서 유도하겠습니다.

Thermal Oxidation과 비교해서 보시면 좋아요!

https://univ-life-record.tistory.com/entry/Oxidation-Deal-Grove-Model%EC%82%B0%ED%99%94-%EB%94%9C-%EA%B7%B8%EB%A3%A8%EB%B8%8C-%EB%AA%A8%EB%8D%B8-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0

Oxidation - Deal-Grove Model(산화, 딜 그루브 모델) 쉽게 이해하기!

이는 유전체를 기르는 것이 아니라 가져다 붙이기 때문에

두 개의 Flux를 사용할 것입니다.

(Thermal Oxidation의 경우 세 개의 Flux존재, 확산 flux 유무의 차이)

F1 : 농도 차이로 인해 움직이는 Flux

F2 : 표면과 반응하는 Flux

hg = gas phase mass transfer coefficient (cm/s)

농도 차이로 인한 Flux이므로 농도 상수 hg와 곱해준 Flux입니다.

 

ks = surface reaction rate constant(cm/s)

반응 Flux이므로 반응 상수 ks와 곱해줍니다.

 

Steady state를 가정하면 Flux가 같기 때문에

위와 같이 표현 가능합니다.

 

우리가 구하고자 하는 것은 표면에서 박막이 얼마나 빠르게 증착되는지 입니다.

따라서 Cs(표면 농도) = ~~라는 식으로 정리하고

Growth rate(얼마나 빠르게 증착되는지)에 관한 식을 세워보겠습니다.

그리고 마지막에 이 두 식을 합치겠습니다.

 

(1) Cs에 관한 식 정리

 

(2) Growth Rate(V) 식 정의하기

Growth Rate(V)를 구하려면

Flux를 단위 부피 당 number density로 나눠줍니다.

식으로 보겠습니다!

 

(3) 1,2 식을 합치기

자, 이제 F2는 위에서 ksCs로 정의했고, Cs는 구해놨기 때문에 F2자리에 이를 대입하겠습니다.

 

최종적으로 위와 같은 식이 나옵니다!

 

위 식을 두 가지로 해석해 볼 수 있습니다.

V (Growth Rate)에서 (1)은 hg를, (2)는 ks를 무한대로 보내보면 이해하기 쉽습니다.

 

결론은!

(1)의 경우 ks(reaction rate constant)가 증착속도를 결정합니다.

(2)의 경우 hg(gas transfer coefficient)가 증착속도를 결정합니다.

즉 표면 반응 속도(ks)와 반응물의 확산속도(hg)에 따라서 증착되는 속도(Growth rate)가 달라지는 겁니다.

 

쉽게 말하면

(1)은 아무리 Gas가 많이 날아와도 reaction이 느리면 증착속도가 reaction에 영향을 받아 느려집니다.

(2)는 아무리 reaction이 빨라도 Gas가 충분히 날아오지 못한다면 이에 영향을 받아 증착속도가 느려집니다.

 

온도와의 관계를 생각해 봅시다.

온도가 높음 → 반응속도는 빠름 →  (2) case에 해당

온도가 낮음 → 반응속도는 느림 →  (1) case에 해당

 

그래프로 그려보면 다음과 같습니다.

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오늘은 CVD공정에서 증착 속도에 관해서 배워보았습니다!

다음 포스팅에서는 PVD에서 했던 것처럼 CVD공정의 종류에 대해 배워보겠습니다.

 

오늘도 행복한 하루 보내세요 :)