프리커서(Precursor)

 

1. 프리커서란?

프리커서(Precursor)는 우리말로 전구체라는 뜻이며, 반도체 분야에서는 반도체 소자를 제조하기 위한 공정 중 박막을 증착하기 위한 용도로 사용되는 물질이다.
화학적인 관점에서 보면 유기금속 화합물로 분류할 수 있는 물질에 해당한다.
프리커서는 특정한 화합물을 합서하기 위해 필요한 소재로서 특별한 단계를 거치기 이전 상태의 소재라는 의미를 갖고 있다. 일반적으로 CVD공정을 진행할 때 주입하는 gas는 reactant와 precursor가 있다. 두가지 gas를 주입하여 박막을 형성하는 반응을 일으키는 것이다.

2. 프리커서에 대해 편하게 이해해보자.

일반인에게 ”박막을 증착한다”는 말은 너무 어렵다. 보다 쉽게 알아보도록 하자. 반도체 제조공정은 마리 집을 짓는 과정과 같다. 설계를 하고 바닥을 다지고 집의 구조를 쌓아 올려 집을 완성한다고 할 수 있다.
이와 같이 집을 짓기 위해 벽돌을 쌓아 올리는 과정을 박막증착이라고 하고, 프리커서는 벽돌과 같이 쌓아 올리는 재료로 이해하면 좋을 것이다.

3. 유전율이란?

저유전율(low-k)과 고유전율(high-k)의 경우 단순하게 보면 k값=4를 기준으로 하여 구분한다.  즉 4이하의 k값을 갖는 물질을 저유전율을 갖는 물질이라고 하고, 4이상의 k값을 갖는 물질을 고유전율을 갖는 물질이라고 한다.
k값에 따라서 구분을 한다고 하지만, 두 물질 모두 다 절연막이라는 측면에서는 동일한 특징을 갖는 물질이다.  다만 k값에 따라 물질이 전하를 저장할 수 있는 정도가 다르다는 특징을 갖고 있다는 점을 이해하고 있으면 된다.
현재 DRAM의 capacitor물질로는 당연히 고유전율을 갖는 물질이 사용된다. 이는 k값의 수치가 높을수록 전하를 더 많이 저장할 수 있는 특성을 갖기 때문이다.

4. Capacitor이란?

전기를 저장할 수 있는 소자, 일명 축전기라고 한다. 배터리와는 다르게 전기 용량이 작아 충방전 시간이 짧다. Capacitor는 이러한 특성을 이용해 전기적 신호를 주거나 데이터를 저장하는데 활용된다.

5. 저유전율을 갖는 물질은 어디에 사용되는가?

저유전율 물질은 주로 배선사이의 절연막 증착을 위해 사용된다고 이해하면 좋겠다. 왜냐고? 절연막은 배선과 배선 사이에 위치한다. 따라서 그 자체가 capacitor와 같은 현상을 야기시켜 배선에서의 전하 이동속도를 저하시키는 원인이 되기 때문이다. 따라서 저유전율을 갖는 물질이 필요하다.
반도체 공정이 미세화 될수록 capacitor의 구동을 위하 ㄴ정전용량을 확보하고 누설전류를 줄여야 하기 때문에 특성이 좋은 전구체를 사용해야 한다.

6. 특성이 좋은 프리커서란?

1) 상온에서 액상이어야 한다.
상온에도 보관해야 하기 때문에 안정성을 갖춘 물질이어야 한다.

2) 낮은 위험성과 유해성을 갖어야 한다.
공정에 활용되어야 하기 때문에 위험성/유해성이 낮은 물질이어야 한다.

3) 우수한 열안정성을 갖고 있어야 한다.
공정온도의 다양성을 위해 열적 안정식도 갖춘 물질이어야 한다..

4) 증착시 우수한 박막의 특성을 갖어야 한다.

5) 고휘발성, 저점도를 갖어야 한다. 휘발성과 점소와는 Trade-off관계를 갖는 물성이기 때문에 동시에 개선을 하는 것이 어렵다.
Gas상태로 주입을 해야 하고 Substrate표면에 도달해서 반응을 할 때까지 gas상태로 유지가 되어야 하기 때문에 ‘휘발성’을 갖춘 물질이어야 한다. 즉 초기 상태가 고체이면 승화하기 어렵기 때문에 액체/기체 상태이어야 한다.

6) 간단한 구조와 쉬운 합성 sheme를 갖어야 한다.

7) 순도높은 박막을 얻기 위해서 고순도 물질이라는 조건을 갖추어야 한다.

7. 예제

대표적으로 ALD에서 설명을 드렸던 A가스와 B가스가 있다고 하자. 1차로 주입하는 A가스가 precursor(전구체)이고, 2차로 주입하는 B가스가 reactant이다.