[논문]반도체 나노 패터닝 구현 재료: Spin 코팅 Hardmask용 유기실리콘 및 고탄소 물질

조현모; 전환승; 김상균; 장두원; 김종섭

[국내논문] 반도체 나노 패터닝 구현 재료: Spin 코팅 Hardmask용 유기실리콘 및 고탄소 물질
Materials for Nano Patterning in Semiconductor Fabrication; Organosilicon and High Carbon-containing Materials for Spin Coating Hardmask 원문보기

조현모 (제일모직 전자재료연구소) , 전환승 (제일모직 전자재료연구소) , 김상균 (제일모직 전자재료연구소) , 장두원 (제일모직 전자재료연구소) , 김종섭 (제일모직 전자재료연구소)

반도체 미세화가 진행되면서, 이를 성공하기 위해 많은 재료물질이 요구되어진다. 이 중 미세 패턴의 붕괴를 막고 깊은 패턴을 새기기 위해서 필요한 hardmask 재료가 있다. Hardmask는 유기실리콘 재료와 탄소 함량이 높은 재료로 주로 구성되고, 이들은 193 nm 빛과 관련된 광학적 특성을 가지면서 특정 플라즈마에 대한 에치 저항성을 가지는 물성을 가지도록 디자인/합성/배합되어져 있다. 또한, 접합되는 다른 박막과의 compatibility및 용매에 대한 solubility 등이 적절해야만 나노미터 수준의 defect 없는 패턴을 구현할 수 있다.

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문제 정의

즉 k 값을 증기시키면서 n 값을 감소시킬 방법이 없어 요구물성을 만족시킬 수 없게 된다. 따라서, 본 연구팀에서는 새로운 흡광 단량체를 사용하여 n, A를 독립적으로 조절할 수 있는 기술을 개발하였다.

제안 방법

이용하여 패터닝한 경우와 (b) spin 코팅 공정을 이용하여 각각 SOC (spin on carbon=C-hardmask, 200 nm) 와 optical 기능고} mask 기능을 겸비한 MFHM(multi-function hardmask=Si-hardmask, 100 nm) 막을 쌓아서 PR(200nm)로 패터닝한 경우를 비교하였다.
코팅 후 열경화시 crosslinking 정도를 높이기 위해 trifunctional Si 단량체를 주골격으로 하는 레진을 합성하였고 유기치환그룹(그림 10에서 회색 구형 부분)의 크기에 따라 물성은 변화한다. 유기치환 그룹이 작을수록 (같은 의미로 si 함유량이 커질수록) 에치 내성은 커지고, 반대로 보관 안정성은 떨어지게 된다.
한편, 유기BARC와의 compatibility 문제로 그림 18에서 보여지는 바와 같이 Si-SOH(=Si-hardmask) 위의 BARC가 터져서 Si-SOH가 드러나는 defect이 발생하였는데, 이를 해결하는 방법으로 본 연구팀에서는 hardmask의 친수도를 조절하여 유기BARC와 spin 코팅 Si-hardrmask사이의 defect을 제거하였다.

대상 데이터

그림 16. PR/BARC/Si-ARC/SOC의 4층 적층 구조.

성능/효과

이런 입자들은 defect의 원인이 되는데, particle이 내부에 있기 때문에 detection도 어렵다. 두번째로, CVD 공정은 진공상태에서 진행되기 때문에 독립된 설비를 사용해야 하므로 신속하게 진행되기가 힘들다. 이 두 가지 문제로 인해 수율과 생산성이 떨어지게 된다.
노광 이후의 그림3과 표 1의 결과를 볼 때, 전통적인 CVD stack process에 비해 BARC layer를 생략한 spin coating을 통한 process 의 결과가 기존 공정에 견줄만한 것이라는 것과 spin 코팅 Si-hard-mask가 효과적인 반사방 지 역할을 하는 것을 알 수 있다.
같은 단량체를 사용하더라도 합성법을 달리하면 에치 내성과 보관 안정성은 변화하게 되는데, 그림 11과 12에서 보여주는 결과를 통해 레진의 Si-O-Si connectivity7} 커질수록 에 치 내성이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 레진의 Si-O-Si connectivity?} 열경화 후의 crosslinking 정도와 관련이 있기 때문에 발생하는 현상이다.
reactive한 성질을 가지고 있다. 표 3의 데이터를 보면 분자량 증가가 상온에서 발생함을 알 수 있고 수분 함량의 변동이 일어남을 알 수 있다. 그러나, 적은 양의 분자량의 증가가 곧바로 박막의 두께를 증가시키거나 표면의 친수도를 변화시키지는 않는다.
사용하여 crosslinking을 더 유도흐!였다. 화학적 구조는 FT-IR 에 의해서 검증되었는데, 축합이 덜된 Si-OR/축합이 된 Si-0-Si의 비율이 아민 촉매하에서 더 감소하였고, 결과적으로는 vertical SEM 이미지를 통해 footing이 감소한 것을 발견할 수 있었다. 또한, 표면의 roughness# 감소시키기 위해서 첨가제로 silsesquioxane (SSQ) 을 추가하였고, 이를 AFM을 통해 분석한 결과, roughness 및 footing의 감소를 SEM 이미지로 관찰할 수 있었다 그림 15).
화학적 구조는 FT-IR 에 의해서 검증되었는데, 축합이 덜된 Si-OR/축합이 된 Si-0-Si의 비율이 아민 촉매하에서 더 감소하였고, 결과적으로는 vertical SEM 이미지를 통해 footing이 감소한 것을 발견할 수 있었다. 또한, 표면의 roughness# 감소시키기 위해서 첨가제로 silsesquioxane (SSQ) 을 추가하였고, 이를 AFM을 통해 분석한 결과, roughness 및 footing의 감소를 SEM 이미지로 관찰할 수 있었다 그림 15).
본 연구팀에서 제조한 hardmask를 이용해 유기 BARC 박막을 없애고 PR과의 접합성이 양호하고, PR의 footing이 거의 존재하지 않는 결과를 DRAM 제조공정의 평가를 통해 얻을 수 있었다. DOF, EL, LWR 데이터를 비교해보면 (표 4) BARC를 사용한 기존공정과 견줄만한 노광결과를 얻었다.
앞서 밝힌 바와 같이 BARC-skip 공정은 공정시간 단축 및 공정 재료 절감뿐만 아니라 에치에서의 효율도 증가되는 장점이 있다. 또한 system LSKWge scale integration) 제조 공정 평가에서 n, k, 친수도 두께를 새롭게 조절한 Si-hardmask< 이용하여 패턴의 형성(그림 19) 및 에치를 통한 전사(그림 20)7} 성공적으로 일어남을 확인할 수 있었다.

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