이번 장에는 Gap Fill과 Hard Mask - Void 발생 원리에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[복습 3-1] 반도체 공정에서 Gap Fill의 정의와 Void 발생 메커니즘을 설명해주세요.
Gap Fill은 배선과 배선 사이, 또는 Trench 구조 내부를 절연막으로 빈틈없이 채우는 공정 능력입니다. Void가 발생하는 근본 원인은 박막 증착 시 상부 방향과 측면 방향에서의 증착 속도의 차이가 발생하면서 생성됩니다. Pattern의 입구 상단 Edge 부분은 반응 Gas가 많이 도달하면서 빠르게 두꺼워지고, Sidewall과 Bottom은 상대적으로 반응 Gas의 도달 속도가 느리기에 증착속도 역시 낮습니다. 이 속도 차이로 입구에 Overhang이 형성되어 Pattern의 입구가 점점 좁아지다가 결국 입구가 막히게 되면서 Void가 발생하게 됩니다. 이 Void는 후속 CMP나 식각 공정에서 불균일한 연마나 Etch Profile를 만들어 소자 불량의 원인이 됩니다.
[ 3-1-1] Void가 발생하면 어떤 이슈가 발생할 수 있죠?
Void는 빈공간이기 때문에, 후속 공정에서 Void 발생 영역의 절연 특성이 저하됩니다. CMP 공정에서는 Void 위의 박막이 다른 부분보다 빠르게 깎여 나가기 때문에 표면 균일도가 저하되는 것으로 알고 있습니다. 더 심한 경우, Void가 배선 층까지 노출되면서 인접 배선 간의 Short 불량을 유발할 수 있습니다. 이러한 Void는 Aspect Ratio가 클수록 Void 발생 가능성이 급격히 증가하기에, Fine Pitch의 Pattern의 미세공정일수록 Gap Fill 기술의 중요성이 커지고 있습니다.
[꼬리 3-1-2] 반응 Precursor 유형에 따라 Gap Fill 성능이 달라지는데, 관련해서 설명해주실 수 있나요?
Oxide를 예로 설명드리겠습니다. ① Silane(SiH4) Gas의 경우 Sticking Coefficient가 높기 때문에 Overhang이 심하여 Void가 생기기 쉽습니다. ② TEOS Oxide의 경우 Gas 물성 자체가 Silane 대비 상대적으로 낮은 Sticking Coefficient로 인해 측면과 바닥까지 잘 도달하여 상대적으로 Gap Fill 특성이 우수하나 완전하지는 않습니다. ③ BPSG는 Boron(B)과 Phosphorus(P) 도핑으로 녹는점이 낮기에 후속 열처리 과정에서 유동성을 가지기에 Void를 자연스럽게 매워주어 Gap Fill 성능이 우수합니다. ④ HDP Oxide의 경우 Depo와 Ar Sputtering을 Cylce로 진행할 수 있기에 Overhang을 제거하는 방식으로 좁은 Gap도 채울 수 있습니다. 마지막으로 ⑤ SOD(Spin of Dielectric)은 Liquid 액상 형태로 도포하기 때문에 좁은 Gap에도 자연스럽게 채워져 가장 우수한 Gap Fill 성능을 가집니다.
[딴딴's T.M.I] BPSG의 Flow 특성 여러분들 반도체 증착 공정을 공부하시다 보면 Oxide 막에서 BPSG를 접해보셨을 겁니다. BPSG는 보통 ILD / IMD Oxide 막질로 사용되는데, Boron(B)과 Phosphorus(P)가 도핑된 Oxide입니다. BPSG는 순수 SiO2 대비 훨씬 낮은 온도에서 점성이 있는 상태로 유동성을 갖게 됩니다. 이를 Flow 특성이라고 하죠. 증착 직후에는 Void가 발생했다 하더라도, 후속 Annealing 공정(질소나 H2O 분위기, 고온 등)을 진행하면 BPSG가 Flow되면서 Void를 메우고 표면을 평탄화합니다. BP의 농도와 Annealing 온도가 높을수록, 그리고 Annealing 분위기가 N2 보다는 H2O일수록 Flow 특성이 향상됩니다!
[기초 3-2] 기존 PR 방식의 한계와 Hard Mask가 필요한 이유를 설명해주세요?
Advanced Tech일수록 공정이 미세해지고, 동시에 PR의 두께는 더욱 얇아져야 정밀한 Pattern 구현이 가능해집니다. 그런데, PR이 얇아지게 되면 하부 Film을 식각하는 동안 PR도 함께 소모되면서 Mask 성능이 저하됩니다. 즉, Etch Selectivity가 충분하지 않으면 PR이 먼저 제거되면서 원하는 Pattern을 얻을 수 없게 됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 식각에 대한 저항성(Selectivity)이 훨씬 강한 다른 막질을 PR 패턴으로 먼저 전사 한 뒤 이 Film을 Mask로 사용하여 아래 층을 식각하는 Hardmask 방식이 필요해졌습니다.
[딴딴's T.M.I] 왜 미세 공정일수록 PR의 두께가 얇아져야 하는가. 이건 뭐 당연한 얘기죠. Fine Pitch의 Pattern이 두껍다고 생각해보세요. 두꺼운 PR은 미세 Aspect Ratio이 크기 때문에 쉽게 Pattern이 붕괴되는 Risk를 가지고 있습니다. 또한, 빛의 Pattern Top Corner에서 쉽게 회절이 일어나기 때문에 Resolution이 저하되어 명확한 Pattern을 얻기 제한됩니다. 그리고 후속 공정에서 (ex. 이온공정) 주입된 이온의 Shadow Effect가 발생하여 원하는 Doping Profile을 얻을 수가 없죠.(LDD나 Halo는 Channeling이나, Doping Uniformity를 향상시키기 위해 Tilt를 주어 이온을 입사함) 이러한 이유로 Pattern이 미세해질수록 PR Pattern도 얇아져야 하는 것입니다.
[꼬리3-2-1] 말씀하신 논리대로면 공정이 미세화됨에 따라 Hardmask도 얇아져야 하는데, 같은 이슈가 있는 거 아닌가?
아닙니다. PR은 유기 박막이기 때문에, 충분한 두께를 확보하지 않으면 Etch 저항성이 낮아 후속 식각 공정에서 원하지 않는 Etch Profile을 얻게 됩니다. Hardmask의 경우 대부분 Nitride와 같은 단단한 무기 박막을 사용하기 때문에 얇은 두께에도 높은 에치 저항성을 가지게 되면서 미세공정에서 Hardmask 적용은 필수가 되었습니다.
[기출 3-3] ACL(Amorphous Carbon Layer) Hardmask 최적화 경험이 있으시네요. Carbon Film이 Hardmask로 선호되는 이유(or 장점)에 대해서 설명해주세요.
초기 Hardmask로는 단단한 Nitride 무기박막이 주로 사용됐습니다. Oxide Etching 시 Oxide와 Nitride 사이의 높은 Etch Selectivity가 우수했기 때문입니다. 그러나 선폭이 미세해지면서 대부분의 공정은 Hardmask 적용이 필수적이게 되었고, 공정 후 쉽게 제거가 용이한 Carbon Film이 일반적인 Hardmask로 자리잡게 되었습니다.
ACL의 핵심적인 장점은 두 가지를 말씀드리고 싶습니다. 첫 번째, Etch Selectivity가 매우 우수합니다. 비정질 탄소는 대부분의 Oxide와 Nitride 식각 조건에서 높은 저항성을 보이기 때문에 HAR Profile 구조를 식각하는 공정에서 Mask 성능이 매우 우수합니다.두 번째는 O2 Ashing으로 쉽게 제거가 된다는 점입니다. PR과 마찬가지로 탄소 기반의 물질이기 때문에 O2 Plasma에 의해 쉽게 반응하여 CO2로 변환되면서 제거되는 장점을 가지고 있습니다.
[기출 3-3-1] ACL도 Photoresist처럼 Carbon 계열인데, 어떤 물성의 차이가 있는지 설명해주세요.
음.. ACL이 PR 유기막 대비 높은 Etch 저항성의 물성을 가지는 이유는 결정구조 때문이며, 다이아몬드를 떠올리면 이해가 쉽습니다. ACL은 탄소 원자들이 Diamond 결합(sp3), Graphite 결합 (sp2), 수소 결합의 조합으로 이루어진 구조입니다. sp3 결합의 비율이 높을수록 다이아몬드의 가까운 성질을 가지기에 높은 경도와 높은 저항성을 가집니다.
[기출 3-3-2] ACL Film 조건 최적화 때, 온도에 따른 ACL 막질의 특성은 어땠나요 ?
네. 증착 온도가 높아질수록 ACL 박막 내 H2 함유량이 낮아지면서 Etch 저항성이 증가하는 경향을 확인했습니다. 하지만, 증착 온도가 과도하게 높아지게 될 경우 빛의 흡수율이 증가하게 되면서 Photo Mask의 Alignment가 어려워집니다. 이러한 Trade-off를 고려하여 약 500℃ 내외의 온도 범위로 최적화 시킬 수 있었습니다.
[기초 3-4] Hardmask를 사용한 전체 Patterning 공정의 Process Sequence를 설명해주세요..
Hardmask를 이용한 Patterning 공정은 크게 다섯 단계로 진행됩니다. 먼저 식각 Target 박막 위에 ACL을 증착합니다. 그 위에 PR을 Coating하고 노광, 현상 순으로 PR Pattern을 형성합니다. 이어서 PR Pattern을 mASK로 Hardmask를 식각하여 HM에 회로 Pattern을 전사합니다. 이때, PR은 얇지만, 하부 HM의 두께가 얇기 때문에 Etch 시간이 충분히 짧아 PR은 충분히 유지됩니다. 이후 HM Pattern을 Mask로 하부 Target 박막을 식각합니다. 이 단계가 Main Etch 단계로, 깊고 미세한 식각이 진행되는 동안 HM이 높은 저항력으로 Mask 역할을 지속합니다. 마지막으로 O2 Ashing을 통해 Carbon HM을 제거하면 원하는 Pattern을 Wafer상에 전사할 수 있습니다.
[꼬리 3-4-1] O2 Ashing 공정의 원리를 설명해주세요.
O2 Ashing 공정은 O2 Plasma를 통해 PR, Carbon 계열 Film과 같은 유기박막을 제거하는 공정입니다. Wafer 표면 위에 쌓인 Carbon을 제거하기 위해 Cleaning 공정에서도 적용됩니다. O2 Radical이 Carbon 원자와 반응하여 CO2와 H2O로 변환시켜 기화되면서 제거됩니다. Silicon이나 Metal 계열 박막에는 반응하지 않아 선택적으로 Organic 계열만 쉽게 제거할 수 있습니다. Carbon HM이 Patterning 이후 후속 공정으로 O2 Ashing이 필수적인 것도 이러한 원리 때문입니다.
[기초 3-5] 반도체 공정에서 ARC(Anti-Reflection Coating) 막질이 필요한 이유와 반사 억제의 원리를 설명해주세요.
Photo 공정에서 빛이 PR에 조사될 때, 빛의 일부는 PR을 투과해 아래 Film 계면에서 반사되어 다시 PR로 돌아옵니다. 이 반사광은 원래의 입사광과 간섭을 일으켜 PR 내부에 불균일한 광 Intensity 분포를 만들고, 결과적으로 패턴 선폭이 불균일해지거나 원하지 않는 부분이 노광되어 Patterning 불량이 발생하게 됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 PR을 도포하기 전에 ARC Film을 선 증착합니다. 이때 ARC 막 표면에서 반사된 빛과 ARC 하부(Si)에서 반사된 빛이 서로 180도의 위상차이가 나도록 ARC 층의 두께와 굴절률을 적절하게 설계함으로써 상쇄간섭을 일으켜 반사광을 최소화 시킵니다.
[기초 3-6] ARC 층의 요구되는 물성은 무엇입니까.
ARC층이 완전히 반사광을 억제하기 위해서는 두 가지 핵심 조건이 필요합니다. 첫 번째는, 노광 빛에 대해서 상쇄간섭 조건을 만족하는 적절한 두께와 굴절률(RI) 조합이 필요합니다.두 번째는, 흡수율(k, extinction coefficient)도 조절 가능해야 합니다. 반사를 완전히 억제하려면 상쇄 간섭 뿐만 아니라 ARC Film 자체의 빛 흡수도 활용해야 합니다.
[딴사관 T.M.I] 굴절률이 서로 다른 두 매질에서 반사와 투과가 결정된다! 여러분들도 아시다시피 물리학 시간에 배우셨을 거에요. 굴절률이 서로 다른 두 매질의 경계면에서 입사광의 입사각도에 따라 반사와 투과가 결정된다는 점이죠. 이 원리를 이용해서 반사를 극대화시킨 것이 바로 EUV의 Mask인 Bragg's Mirror입니다.반대로 반사를 억제시킨 것이 바로 ARC 층이죠. Bragg's Mirror는 반사를 극대화시키기 위해서 서로 다른 굴절률을 가지는 두 박막의 막질의 두께를 조절하여 입사광과 반사광 사이의 보강간섭이 일어나도록 설계한 것이고, ARC 층은 상쇄간섭이 일어나도록 두께를 설계한 것이죠. 더 나아가 서로 다른 굴절률을 가지는 막질의 배치에 따라서도 반사가 극대화 되는지, 투과가 극대화되는 지 결정한답니다. 이 부분은 추후 노광공정에서 더 심도 있게 다루도록 하겠습니다.
[기초 3-7] 대표적인 ARC층의 물질은 무엇인지 알고 있나요.
제가 알고 있는 대표적인 ARC 층은 Silicon Oxynitride(SiOxNy)입니다. SiOxNy은 ShH4, H2O, NH3 가스를 Source로 사용하는 PECVD 공정으로 주로 증착합니다. SiOxNy 막의 장점은 Oxygen과 Nitrogen의 비율을 조절함으로써 굴절률을 SiO2(1.46)와 Si3N4(2.0) 사이에서 연속적으로 조절할 수 있다는 점입니다. 이 유연성이 상쇄간섭 조건을 정확하게 맞추는데 유리합니다. 또한, SiH4 기반의 PECVD 공정을 사용하기 때문에 Carbon-free하고 SiH4/N2O 가스 비율 조절로 RI를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
[딴사관 T.M.I] 굴절률과 흡수계수!! 학부시절 광학이 정말 어려웠습니다. 그래서 쌩까고 버티고 버텼는데, 박막 공정을 하면 할수록 광학은 땔래야 땔 수 없는 학문이 되어 버렸죠. 반도체 박막 광학에서는 복소 굴절률은 n+ik 로 표현됩니다. n은 굴절률이고, 허수부의 k는 빛이 물질을 통과하면서 얼마나 흡수되는지 (감쇠)를 나타냅니다. ARC Film 설계에서 n은 상쇄간섭 조건을 충족시키는데 적용되고, k는 반사를 추가적으로 줄이기 위해 흡수 특성을 최적화 하는 데 활용됩니다.이 두 값을 동시에 조절 가능한 것이 PECVD 공정의 SiOxNy가 ARC Film으로 적합한 이유입니다.
