이동 웨이퍼 기반 Spatial Atomic Layer Deposition 공정에서의 HfAlOx 박막 증착 최적화를 위한 유동 해석 연구 = Computational Fluid Dynamics-Based Optimization of HfAlOx Thin Film Deposition in Spatial Atomic Layer Deposition with a Moving Wafer

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자의 미세화가 가속되면서 고유전율 박막의 두께·조성·계면 특 성을 정밀하게 제어하는 기술이 필수 요소로 자리 잡고 있다. 이러한 공정적 요구는 기존 박막 증착 기술의 한계를 분명히 드러내고 있으며, 특히 원자 단 위 수준의 제어 능력을 갖춘 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 의 중요성을 더욱 부각시키고 있다. ALD는 전구체의 주입과 반응을 순차적 으로 수행하는 자기제한적(self-limiting) 표면 반응을 기반으로 하여, 우수 한 형상 적합성과 두께의 원자 단위 제어가 가능하다는 특징을 갖는다. 산업 현장에서 요구되는 높은 생산성을 충족하기 위해, 전구체 공급 영역을 공간적으로 분리하여 웨이퍼의 이동을 통해 연속적으로 반응을 유도하는 공 간분할형 ALD(Spatial Atomic Layer Deposition, Spatial ALD)가 빠르게 확산되고 있다. Spatial ALD는 기존 시분할 방식 대비 cycle time을 대폭 단축할 수 있어 대면적 증착에 유리하지만, 경계 구역에서의 혼합, nozzle– wafer 간 gap, 이동 속도 등 다양한 유동 인자가 박막 특성에 민감하게 영향 을 미친다. 특히 복합 고유전막인 HfAlOx는 HfO2와 Al2O3의 조성을 조절하여 높은 유 전율과 우수한 전기적 안정성을 동시에 확보할 수 있어 차세대 DRAM 및 3D NAND 등에서 핵심적인 역할을 담당한다. 그러나 Hf, Al 전구체의 반응 속도 및 확산 특성 차이로 인해, 단일 산화물 ALD보다 조성 균일도 확보가 훨씬 복잡한 문제로 남아 있다. 이러한 문제를 정량적으로 규명하기 위해, 본 연구에서는 이동 웨이퍼 기반 Spatial ALD에서의 유동 거동과 반응 특성을 분석하기 위해 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 을 기반으로 한 수치해석을 수행하 였다. CFD는 복잡한 유동장, 농도 분포, 경계 구역에서의 mixing 현상을 정 밀하게 예측할 수 있어, 실제 장비 내부에서 발생하는 전구체 전달 및 반응 메커니즘을 해석하는 데 매우 효과적이다. 본 연구에서는 주요 공정 변수 변화가 박막 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해, 하나의 ALD 슈퍼 cycle에서 생성되는 박막 두께 증가량을 나타내는 성장률(Growth Per Cycle, GPC)을 기반으로 증착 특성을 해석하였다. 더불 어 top/bottom purging 구조의 차이가 경계 구역 혼합 억제 및 조성 균일도 에 미치는 영향을 비교함으로써, Spatial ALD 기반 복합 산화막 증착의 공정 최적화 방향을 제시하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• 표목차 iii
• 그림목차 iv
• 초록 vi
• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 반도체 공정 고도화와 ALD 기술 동향 1
• 2.1. ALD 공정의 중요성 및 주요 특징 4
• 2.2. ALD 공정의 장단점 5
• 2.3. Spatial ALD 연구 동향 7
• 3. Spatial ALD의 필요성 및 장점 9
• 4. HfAlOx 고유 특성과 응용 분야 11
• 5. 기존 연구의 한계 13
• 6. 본 연구의 목적 및 구성 14
• II. 이론적 배경 및 연구 방법 15
• 1. ALD 및 SALD 이론적 배경 15
• 1.1. ALD 표면 반응 메커니즘 15
• 1.2. TMA, H2O 기반 Al2O3 반응 경로 16
• 1.3. TEMAHf, H2O 기반 HfO2 반응 경로 17
• 1.4. HfAlOx 박막 개념 및 조성 의존 특성 19
• 2. Spatial ALD 시스템 구조 20
• 2.1. 인라인 SALD 공정 개념 20
• 2.2. top-purging 구조 21
• 2.3. bottom-purging 구조 23
• 3. CFD 기반 수치해석 모델 24
• 3.1. 지배 방정식(Navier-Stokes, Species Transport) 25
• 3.2. 해석 영역 및 격자(mesh) 생성 27
• 3.3. 경계 조건 설정 28
• 3.4. 반응 속도식 및 활성화 에너지(Ea) 적용 30
• 3.5. UDF(User-Defined Function) 설정 31
• III. 결과 및 분석 32
• 1. purging 구조에 따른 전구체 분포 및 분리 성능 분석 32
• 1.1. TMA, H2O mass fraction 분포 비교 (top vs. bottom) 32
• 1.2. TEMAHf, H2O mass fraction 분포 비교 (top vs. bottom) 41
• 2. ALD 반응 메커니즘 검증: 부산물 생성 특성 분석 50
• 2.1. TMA-H2O 반응에서 CH4 생성 특성 분석 및 반응 메커니즘 검증(Al2O3) 50
• 2.2. TEMAHf-H2O 반응에서 NH(CH3)(C2H5) 생성 특성 분석 및 반응 매커니즘 검증(HfO2) 53
• 3. 성장률(GPC) 및 누적 두께 분석 57
• 3.1. Al2O3 ALD 공정에서의 전구체 농도 변화 및 증착률 분석 57
• 3.2. HfO2 ALD 공정에서의 전구체 농도 변화 및 증착률 분석 59
• 3.3. Al2O3-HfO2 연속 성장에서의 누적 두께 변화 61
• IV. 결론 63
• 참고문헌 65
• Abstract 70