Ru-MOCVD 공정의 CFD해석

최길호, 윤도영, 김재정*

광운대학교 공과대학 화학공학과, 서울대학교 응용화학부*

CFD Analysis of Ru-MOCVD Process

K.-H. Choi, D.-Y. Yoon & J.J. Kim*

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

*School of Chemical Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742

서론

DRAM칩이 점점 고집적화 됨에 따라 capacitor의 유전막이 점차적으로 Ta2O5, (Ba,Sr)TiO3로 바뀌고 있다.  이는 (Ba,Sr)TiO3는 강유전성인 BaTiO3와 상유전성인 SrTiO3의 고용체로서 페로브스카이트 구조를 가지는 물질로서, SrTiO3가 일정량 이상이 되면 상온에서 상유전성을 띠어 우수한 신뢰성이 보장되고, 유전상수도 높은값을 갖기 때문이다.  결국 capacitor의 상-하부의 전극이 산화되지 않거나, 산화되어도 전도성을 잃지 않는 물질이어야 보다 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 이와같은 특성을 만족하는 전극물질 중에서 Ru은 산화되어도 전도성을 잃지 않고, 산소를 아래층으로 투과시키지 않고, 또한 에칭이 가능하다.  반면에 표면이 거칠어서 후속공정인 BST유전막을 증착했을 때 누설전류가 크기 때문에, 이를 극복하기 위한 할로겐 원소들의 첨가가 효과적이며, 여기에는 MOCVD공정이 적합하다.   MOCVD공정은 유기금속을 source로 사용하여 증착하는 데 융점이 높아서 제조하기 어려운 재료를 융점보다 낮은 온도에서 용이하게 제조 가능하고 저온 성장이 가능하며 고순도의 결정 생산물을 제조하기 쉬우며 다양한 특성의 박막을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 높은 반응 온도와 복잡한 반응경로에 따른 공정변수, 유기 금속의 위험성 때문에 반응기 내에서의 이동현상  및 반응 속도에 대한 전산 모사가 필요하다.  따라서 본 연구에서는 전산유체기법(Computational Fluid Dynamics)을 활용하여 MOCVD공정에서 핵심은 CVD반응기내의 유동 및 반응을 포함한 CFD 해석을 도모하고자 한다.  따라서 본 연구에서는 Ru의 표면거칠기를 개선하기 위하여 첨가물을 사용하고, 이에 적합한 MOCDV 공정을 확립하기 위하여 반응기내에서의 유동현상을 해석하여 이를 실험에 적용하고자 한다.  특히 shower head부근에서의 유동현상을 해석함으로서, 첨가물을 비롯한 투입물질의 주입조건 및 표면특성을 추산하게 될 것이다.

Fluent CFD와 MOCVD

본 CFD해석에서는 널리 활용되고 있는 Fluent라는 상업용 모사기를 적용하였다.  Fluent는□유한 체적법에 기초한 GUI방식이고, 열유체의 이동현상을 해석, 질량, 운동량, 에너지 그리고 화학종의 보존 방정식, 비 압축성, 압축성 유동에 상관없이 층류, 난류, 다상 유동과 자유표면 및 화학반응이 있는 유동들을 해석하는데 유용하다.  본 연구에서는 NT기반의 PC(1G Hz CPU, 1024MB RAM)에서 Fluent을 운영하였다.  또한 CVD반응기내에서는 운동량, 열에너지, 다성분계의 물질이 복합적으로 전달될 뿐아니라, 기체상과 wafer 표면에서의 화학반응 등이 동시에 고려되어야 하므로, 이에 적절한 이동 현상, 지배방정식, 경계조건, 화학반응식들을 적용하였다.  본 연구에서는 이러한 공정변수를 고려하고 MOCVD내 온도 및 압력에 따른 속도 분포를 simulation하여 MOCVD 반응기내 유체 흐름의 특성을 알아 보았다. 본 연구에서 사용된 MOCVD의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.  Hot-wall type으로 DRAM capacitor의 하부전극에 적용되는 Ru과 RuO2 박막을 TiN/Ti/Si substrate에 Ar carrier gas와 O2 reaction gas, N2 Purge gas, 그리고 Ru(EtCp)2를 source gas로 사용하여 MOCVD 반응기에서 증착하고 있다. Chamber는 6 inch wafer용 substrate와 2중으로 구성된 showerhead, substrate와  showerhead는 최소 3cm까지 간격이 조정 가능하다. Heater는 Sub heater을 사용하여 약500℃까지, Showerhead heater 약200℃까지, Line heater 200 ℃까지, 그리고 Bubbler heater 200 ℃까지 각각 가열이 가능하다.  반응기는 showerhead를 통한 source gas의 주입식이며, 본 연구에서 실험한 Ru 박막 증착에 부합되도록 전산모사 조건으로는 showhead와 substrate간의 거리(3, 5, 7cm), heater 온도(300℃), source gas 유량(Ar, 200sccm), 반응가스유량(O2, 100sccm), 그리고 압력(3, 5torr)을 각각 변화시켰다.  이와같은 실험조건에 부합되는 경계조건하에서 CFD해석시 axial pressure drop, temp profile, radial heat transfer 측면에서 적합한 2-D로 설정하였으며, 반응기내의 유속이 매우 낮기 때문에 유체는 층류이며, 반응기로 유입되는 MO source 및 반응 gas의 속도를 계산하기 위하여 반응기는 shower head에서의 속도를 질량 보존식에 의하여 계산하였다.  이때 Reynolds 수를 환산해보면 대략 108 으로 산출된다.  또한 반응기내의 유체는 이상기체법칙에 따르며, 유속이 매우 낮기 때문에 기체의 밀도는 반응기내의 압력과 무관한 비압축성기체이고, 반응기는 axisymmetric 이며, 정상상태로 가정하였다.  또한  Ru(EtCp)2 는  carrier gas인 Ar에 희석되어 들어가는 미량이라고 가정한다. Susceptor 내부의 heater는 균일한 온도분포를 갖는다고 가정하였다.  이와같은 상황하에서 결정의 성장속도, 균일도, 압력에 대한 조성비율, showerhead 와 wafer 거리, 위치 반응기내 온도 등을 전산모사시 공정변수로 고려하였다.

결과 및 검토

반응기 해석의 순서로는 반응기내의 속도변화를 구하는데 있어, 우선 showerhead에서의 속도변화 계산하여 CVD chamber에서의 속도를 계산하고, Substrate에서의 온도분포(복사)와 chamber 내부에서의 온도분포 및 속도를 도시하였다.  우선 showeehead부근에서 속도분포를 모사하여 도시하면 Fig. 2와 같다.  기체의 주이동관으로부터 showerhead에 도달하게 되면 유체의 연속성으로 하여 유속은 작아지게 되며, substrate기판의 중심부에서 그 속도가 제일 크며 이를 중심으로 대칭의 형태를 보여주고 있다.  그림에 보이는 바와 같이 제2완충지역을 통과하면서 거의 균일한 형태의 속도분포를 보이는 것으로보아 본 연구에서 채택하고 있는 showerhead는 거의 균일한 유량을 하부방향으로 제공하고 있는 것으로 나타나고 있다.  Showerhead에서 하부로 균일하게 주입되고 있으나, wafer부근에서는 radial방향으로 속도가 굴곡되어 wafer의 중심에 비하여 테두리쪽으로 그 속도장이 점차 거세지지만 다시 테두리 말단에서는 그 속도가 감소되고 있음을 볼 수 있다.  이와같은 결과는 Fig. 3에서도 확인할 수 있으며, 그림에서는 wafer주변에서의 속도가 최초 주입된 것보다 1/3가량 낮은 평균값을 보여준다.  또한 중심부에서는 평평한 wedge유동이 되어 stagnation point가 형성되고 있음을 볼 수 있다.  따라서 균일한 박막의 형성을 위하여는 이 부근에서의 유동제어가 중요한 요인이 될 것임을 짐작할 수 있다.  Fig. 4. 에는 가열되고 있는 substrate에서의 온도의 영향으로 인해 chamber 내부에서 형성된 온도분포를 나타내고 있다.  MOCVD 반응기에서의 열전달은 기체와 반응기의 벽면, 그리고 기판에서 생기는 전도와 기상에서의 대류, 그리고 고상 표면에서의 열방사 현상과 같은 복합적인 요소로 이루어지고 있다. 그림에 보이는 바와같이, 저온의 주입가스가 가열판부근에서 급격하게 가열되어 가열판의 상부면이 가장 높은 온도를 보이고 있으며 이 온도장은 하류로 유동하는 기체의 온도를 상승시키는 역할을 하고 있다.  Showerhead를 통해 유입되는 가스는 강제대류의 영향이 크게 나타나고, 반면에 가열판 상부에는 자연대류에 의한 상승기류가 서로 작용하게 되므로 이 부근에서의 유동제어가 Fig. 2,3에서 보이는 속도분포의 결정에 중요한 역할을 하게 될 것이다.  즉, 유동장이 수직으로 만나게 되는 stagnation point를 중심으로 선대칭의 형태로 유동이 자라나게 되며 그 유동의 형태는 자연대류와 강제대류의 복합적인 요인들로 인하여 결정될 것이다.  이와같은 유동특성을 조사하기 위하여 다양한 압력조건에 대하여 전산모사를 실시하였다.  그결과가 Fig. 5-7에 나타나 있다.  Fig.5 와 6은 showerhead 와 기판간의 거리를 3cm로 고정하고 압력을 3torr과 5torr로 변경시킨 경우이다.  전반적으로 유사한 유동장의 형태를 보이고 있으나 압력이 강할 경우는 하부로의 강제대류의 영향이 상대적으로 큰 경우이므로, 하부로의 유동이 거세게 나타나고 있다.  즉, 압력이 낮은 경우에 상부로의 자연대류의 영향이 강하게 고려되고 있음을 짐작할 수 있다.  이를 비교적 구체화하기 위하여 압력이 3torr인 경우에 대하여 거리를 5cm로 증가시킨 결과를 Fig.6에 나타내었다.  즉, 거리가 증가되는 경우 거리의 요인이 강제대류보다는 자연대류에 크게 작용하고 있으므로, 그 량을 정량적으로 감안할 경우 여전히 강제대류가 지배적임을 알 수 있다.  결국 압력이 낮아지면 wafer 표면에서 속도가 증가하여, 경계층두께가 감소하고  표면에서 물질전달이 증가하여,  growth rate 가 증가하는 것으로 나타났다.  즉, Fig. 5.에서 반응기의 압력이 3torr 일 때 1.91m/s에서 5torr일 때 0.36m/s로 낮아진다. 또한 showerhead와 wafer 간의 거리가 가까울수록  유사한 현상이 나타났는데, Fig. 6.에서 보면 거리가 3cm일때보다 5cm일 때 susceptor 위 1cm위의 속도가 1.60m/s에서 0.14m/s로 작아지는 것으로 나타났다. 이는 출구가 edge에 더 가까워 속도가 중심에서보다 빨라 wafer 중심과 edge에서 gas의 잔류 시간이 다르기 때문에 연속적인 반응이 일어나기 힘들다는 것을 알 수 있다.  기판 위에서 일어나는 표면 반응과 같은 화학반응에 있어서 박막의 균일성을 유지시키기 위해서는 기판 위로의 고른 온도 분배가 매우 중요한 것으로 고려된다.

Fig. 1. Schematic diagram of MOCVD.

Fig. 2. Showerhead velocity.      Fig. 3. Velocity magnitude(x-y plot).

Fig. 4. Temperature distribution.    Fig. 5. Velocity(5torr, 3cm)

Fig. 6. Velocity(3torr, 3cm)         Fig. 7. Velocity(3torr, 5cm)