PEALD 내용 정리 01

1. PEALD 기본 원리 및 공정 절차
- 대표적 공정 사례
2. 공정 결과에 영향을 주는 주요 인자
3. 인자 변화에 따른 공정 결과 변화
4. 내용 요약

1. PEALD 기본 원리 및 공정 절차

Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition(PEALD)는 Thermal ALD와 달리 플라즈마를 반응 단계에 활용하여 저온에서 고품질의 박막 증착을 가능하게 한다. 일반적인 공정 단계는 다음과 같다.

전구체 주입: 기판 표면에 금속 전구체(예: TMA, TiCl₄)가 흡착
퍼징: 잔류 전구체 및 부산물을 제거
플라즈마 반응 단계: 반응 가스(예: O₂, NH₃)를 플라즈마로 활성화시켜 화학 반응을 유도
퍼징: 반응 부산물을 제거

Perplexity를 활용해서 다양한 PEALD 공정에 대해서 검색해보고 정리한 내용이다.

대표적 공정 사례

Al₂O₃ 증착: TMA(Al(CH₃)₃) + O₂ 플라즈마 → 100°C에서 0.11 nm/cycle 성장률
TiN 증착: TiCl₄ + NH₃ 플라즈마 → 250°C에서 0.07 nm/cycle, Cl 잔류 <1 at.%
Co 증착: Co(Cp)₂ + NH₃ 플라즈마 → 150°C에서 0.45 Å/cycle, RMS 거칠기 0.8 nm

2. 공정 결과에 영향을 주는 주요 인자

인자	영향 범위	변화 시 효과	최적화 사례
플라즈마 파워	50–400W (13.56 MHz 기준)	↑파워 → 플라즈마 밀도 ↑ → 불순물 ↓, 밀도 ↑	TiN 공정: 200W 시 Cl 잔류 0.8 at.% 7
플라즈마 가스	O₂, N₂, NH₃, H₂ 등	가스 종류 → 박막 조성 변경 (예: O₂→SiO₂, NH₃→SiNₓ)	N₂O 플라즈마로 SiO₂ 내 N 함유 → 절연막 신뢰성 ↑ 13
주파수	2 MHz (저에너지) – 100 MHz (고밀도)	↑주파수 → 전자 밀도 ↑ → 표면 반응 균일성 개선	Co 증착: 100MHz에서 C 잔류 3 at.% 3
기판 온도	RT–400°C	↑온도 → 결정화 촉진, 밀도 ↑	HfO₂ 300°C에서 유전율 25 달성 11
전구체 펄스 시간	0.1–5초	↑시간 → 과포화 흡착 → CVD 모드 전환 위험	Al₂O₃에서 TMA 0.5초 → Self-limiting 유지
플라즈마 노출 시간	1–30초	↑시간 → 리간드 제거 완성 but 에칭 가능성 ↑	SiO₂ 증착: 10초 노출 시 WER 2 nm/min 6

3. 인자 변화에 따른 공정 결과 변화

3.1 플라즈마 파워 증가

긍정적 영향:
- 플라즈마 밀도 증가로 전구체 분해 효율 ↑ → 불순물(C, Cl) 감소
- 박막 밀도 ↑ → 전기적 특성(유전율, 저항률) 개선
부정적 영향:
- 과도한 이온 에너지로 기판 손상 또는 표면 거칠기 증가
- 예시: 400W에서 TiN 박막의 RMS 거칠기 1.2 nm → 200W 시 0.5 nm 7

3.2 플라즈마 가스 변경

O₂ → N₂O 전환:
- SiO₂ 절연막에 N 0.4 at.% 도입 → 누설 전류 30% 감소 13
NH₃ → H₂/N₂ 혼합 가스:
- Co 박막의 C 잔류량 5 → 2 at.% 감소 7

3.3 기판 온도 상승

Al₂O₃ 100 → 300°C:
- 박막 밀도 3.0 → 3.4 g/cm³ 증가, 유전율 7 → 9.2 향상 11
한계점:
- 400°C 이상에서 TMA 열분해 시작 → CVD 모드 전환

3.4 전구체 펄스 시간 연장

TiCl₄ 0.5 → 2초:
- TiN 두께 0.07 → 0.12 nm/cycle 증가 but Cl 잔류 1 → 3 at.% 7
Self-limiting 위반:
- 과포화 시 island 성장 발생 → 균일성 ↓

4. 내용 요약

PEALD 공정의 최적화는 플라즈마 에너지와 열적 에너지의 균형을 통해 이뤄진다. 플라즈마 파워, 가스 종류, RF frequency 등은 박막의 화학적 조성과 물성을 결정하며, 기판 온도와 전구체 조건은 증착 메커니즘을 제어한다. 인자 간 상호작용을 체계적으로 분석하여 필요조건에 맞는 공정 윈도우를 확보해야 합니다.

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