[논문]공정 조건에 따른 비정질 탄소막 표면 물성분석

김광표; 최정은; 홍상진

공정 조건에 따른 비정질 탄소막 표면 물성분석
Surface Properties of ACL Thin Films Depending on Process Conditions 원문보기

김광표 (명지대학교 공과대학 전자공학과) , 최정은 (명지대학교 공과대학 전자공학과) , 홍상진 (명지대학교 공과대학 전자공학과)

Amorphous carbon layer (ACL) is actively used as an etch mask. Recent advances in patterning ACL requires the next level of durability of hard mask in high aspect ratio etch in near future semiconductor manufacturing, and it is worthwhile to know the surface property of ACL thin film to enhance the property of etch hard mask. In this research, ACL are deposited by 6 inch plasma enhanced chemical vapor deposition system with $C_3H_6$ and $N_2$ gas mixture. Surface properties of deposited ACL are investigated depending on gas flow, pressure, RF power. Fourier transform infrared is used for the analysis of surface chemistry, and X-ray photoemission spectra is used for the structural analysis with the consideration of the contents of $sp^2$ and $sp^3$ through fitting of C1s. Also mechanical properties of deposited ACL are measured in order to evaluate hardness.

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문제 정의

본 연구의 목적은 공정 조건에 따른 ACL 박막 분석을 통해 표면 특성을 이해하는 것이다. FTIR 및 XPS 분석을 통해 박막의 sp³ 함유량이 많은 것을 확인했지만, 본 실험 조건에서 sp³함유량의 차이가 크지 않았다.

제안 방법

장래의 반도체 제조HARC 식각 공정에서 금속 도핑 된 ACL은 하드 마스크 다음 수준의 내구성이 요구될 것이며, 식각용 하드 마스크의 특성을 향상시키기 위해서 ACL 박막의 표면 특성을 이해하는 것은 중요하다. 본 논문에서는 ACL을 증착하기 위해 6-inch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD) 장비를 사용했으며, Box-Behnken 실험계 획법(Design of Experient, DOE)를 적용하여 RF 전력, 압력, C₃H₆및 ܰN₂ 유량을 조절하여 박막의 특성을 조사했다. ACL 박막의 특성은 Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)과 X-ray photoemission spectra(XPS)를 사용하여 분석했다.

대상 데이터

1과 같이 샤워헤드와 히터 사이에서 발생된다. 박막 증착을 위해 총 4가지의 공정변수를 선정하여 실험계획법을 이용한 총 27회의 공정을 수행하였다.

데이터처리

정량적인 함유량을 계산하기 위해 XPS 분석을 진행했 다. Figure 4는 기본원소의 XPS 결과를 나타낸다.
DOE의 BoxBehnken 방법을 적용하여 4요인(압력, 전력, C₃H_6,N₂)과 3레벨(최저 값, 중간 값, 최대 값)로 27회 실험을 진행했다. 증착 된 ACL의 두께는 Reflectometer를 사용해 측정됐으며, 표면 특성 분석은 FTIR을 사용하여 C=C 및 C-Hx 결합을 확인했다. 또한 X-ray photoemission spectra(XPS)는 C1s의 fitting을 통해 sp³, sp^{이론/모형

본 논문에서는 ACL을 증착하기 위해 6-inch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD) 장비를 사용했으며, Box-Behnken 실험계 획법(Design of Experient, DOE)를 적용하여 RF 전력, 압력, C₃H₆및 ܰN₂ 유량을 조절하여 박막의 특성을 조사했다. ACL 박막의 특성은 Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)과 X-ray photoemission spectra(XPS)를 사용하여 분석했다. 이 후 박막의 기계적 특성을 확인하기 위해 Nanoindenter를 사용했다.

실험계획법은 존재하는 변수로부터 정보를 수집하는 실험 방법을 계획하는 것이며, 실험의 특성에 영향을 미치는 인자를 알아내고 서로의 상관관계를 알아보는 방법이다. DOE의 BoxBehnken 방법을 적용하여 4요인(압력, 전력, C₃H_6,N₂)과 3레벨(최저 값, 중간 값, 최대 값)로 27회 실험을 진행했다. 증착 된 ACL의 두께는 Reflectometer를 사용해 측정됐으며, 표면 특성 분석은 FTIR을 사용하여 C=C 및 C-Hx 결합을 확인했다.

박막의 표면 특성에 많은 영향을 미치는 변수를 찾기 위해 모든 공정 변수를 하나씩 변경하는 것은 비효율적이며 의미 없는 변수 를 포함할 수 있다. 따라서 최소한의 실험으로 공정 변수 변화에 따른 박막의 표면 특성을 분석하기 위해 실험계획법(Design of Experiment, DOE)이 사용됐다 [6]. 실험계획법은 존재하는 변수로부터 정보를 수집하는 실험 방법을 계획하는 것이며, 실험의 특성에 영향을 미치는 인자를 알아내고 서로의 상관관계를 알아보는 방법이다.}

성능/효과

본 연구의 목적은 공정 조건에 따른 ACL 박막 분석을 통해 표면 특성을 이해하는 것이다. FTIR 및 XPS 분석을 통해 박막의 sp³ 함유량이 많은 것을 확인했지만, 본 실험 조건에서 sp³함유량의 차이가 크지 않았다. 경도 측정을 통해 300℃의 저온 공정에서 증착 된 ACL은 soft aC:H 특성에 충족되는 것을 확인했다.

후속연구

경도 측정을 통해 300℃의 저온 공정에서 증착 된 ACL은 soft aC:H 특성에 충족되는 것을 확인했다. 따라서 위 연구를 통해 PECVD 장비에서 a-C:H hard 같은 특성을 가진 단단한 박막을 증착하기 위해서는 공정 온도에 따른 박막 분석 연구가 필요할 것으로 보인다.
결과적으로 이 실험은 300℃의 저온 공정에서 이루어졌기 때문에 수소 함유량이 높을 수 있다. 추후 연구에서 300℃ 이상의 고온 공정에 따 른 박막 분석 연구가 필요할 것으로 보인다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

비정질 탄소 층의 특성은?

비정질 탄소 층(Amorphous Carbon Layer, ACL)은 불소계 식각에 대해 우수한 선택비를 갖는 기계적 성질과 화학적 불활성 특성이 있고, 식각 공정 후 마스크 제거에 용 이한 특성을 갖고 있다 [2-3]. 특히 sp3 결합은 기계적 성질 및 화학적 불활성 특성에 강한 영향을 미치기 때문에 하드 마스크로 사용 될 ACL 박막의 특성은 가스 흐름, 압력, 전력 그리고 온도와 같은 공정 조건에 따라 매우 다른 양상을 나타낸다 [4-5].

실험계획법이란?

따라서 최소한의 실험으로 공정 변수 변화에 따른 박막의 표면 특성을 분석하기 위해 실험계획법(Design of Experiment, DOE)이 사용됐다 [6]. 실험계획법은 존재하는 변수로부터 정보를 수집하는 실험 방법을 계획 하는 것이며, 실험의 특성에 영향을 미치는 인자를 알아내 고 서로의 상관관계를 알아보는 방법이다. DOE의 BoxBehnken 방법을 적용하여 4요인(압력, 전력, C3H6, N2) 과 3 레벨(최저 값, 중간 값, 최대 값)로 27회 실험을 진행했다.

PECVD 장비 구성은?

반도체 산업에서ACL 박막 증착을 위한 보편적인 방법으 로 PECVD 장비가 사용되고 있고, 본 연구에서도 PECVD를 이용하여 ACL 박막을 증착 하였다. Chamber 상부에 설치된 샤워헤드(Showerhead)를 통해 ACL 증착을 위한 공정가스를 균일하게 공급하였으며, 하부에는 기상 증착이 될 수 있도록 웨이퍼의 가열을 위해 히터(Heater)가 설치됐다. 주파수 는 13.

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