4차 산업혁명의 시대가 도래하면서 반도체 공정의 기술은 새로운 차원으로의 도약이 요구되고 있다. 전통적인 컴퓨팅 시스템부터 모바일, 자동차, 가전 등 다양한 응용분야로 반도체에 대하여 저전력, 고성능 그리고 신뢰성에 대한 높은 수준의 기술이 요구되고 있다.
저전력, 고성능 반도체를 구현하기위해서는 집적기술의 고도화가 요구되며 지난세기부터 리소그래피의 파장을 줄여 해상도를 높이는 종방향으로의 집적도 향상이 이루어져왔다. 리소그래피 광원의 파장을 줄임으로써 집적도를 향상시킬 수 있으나 광원의 파장을 줄임에 따라 포토레지스트에 상이 맺히는 초점심도가 얕아지면서 포토레지스트의 두께가 얇아져야하는 물리적 한계가 존재한다. 따라서 이러한 기술적 한계를 극복하기 위하여 포토레지스트 하부에 희생막인 하드마스크가 도입되게 되었다. 하드마스크는 건식식각간 etchant 로 부터의 내화학적 성능과 더불어 플라즈마 데미지로부터 식각되지 않는 우수한 기계적 성능이 요구되어 다양한 박막형태로 코팅 및 증착 가능한 소재들을 적용하고자 하는 시도가 있어왔다.
비정질 탄소막은 높은 생산성, 패터닝 공정 후 제거가 용이하면서 포토레지스트와 유사한 조성을 가지고 있어 최근 고집적 반도체 공정에서 하드마스크 물질로 널리 사용되어왔다. 하지만 비정질 탄소막의 제작과 평가는 CVD 방식에 집중되어 있었으며 CVD 방식에서 사용하는 CH계열 전구체에 포함되는 수소는 비정질 탄소막의 물성을 열화시키며, 전구체의 조성을 다변화하기 어려워 그동안 비정질 탄소막의 결합구조와 하드마스크 성능과의 상관관계에 대한 이해가 부족하였다.
따라서 본 연구는 차세대 반도체 공정의 집적도를 향상시키기 위하여 비정질 탄소기반의 하드마스크를 도핑과 공정 조건 조절을 통한 결합구조를 제어하고자 하였으며, DC sputtering 방식을 이용하여 전구체의 제약을 뛰어넘는 비정질 탄소막을 제작하여 적합한 구조와 공정조건을 명확히 하는 연구를 진행하였다.
먼저, 주요 etchant 인 플루오르 침투를 저지하는 것으로 알려져 있으나 전구체내 함유된 수소에 의한 부작용으로 그동안 명확하게 입증되지 못한 질소와 탄소간의 결합구조와 하드마스크 성능과의 상관관계를 규명하고자 하였다. 이를 위하여 비정질 탄소막 증착간 질소 가스의 flow 양을 조절하였으며, 비정질 탄소막내 질소 도핑농도를 다변화 할 수 있었다. 질소 도핑에 따라 플루오르 침투는 저지될 수 있음을 확인하였으나, 상대적으로 밀도가 낮고 탄소와의 결합간 defective 한 형태인 pyridinic 과 pyrrolic 결합이 낮은 formation energy 로 인하여 우선적으로 형성되면서 기계적 성능이 감소되었으며, 이에 따른 하드마스크 성능이 열화됨을 확인하였다.
그리고 플루오르에 대한 내화학적 성능은 질소에 비해 다소 떨어지나 B-C 결합에 의하여 탄소내 다이아몬드 상인 sp³ 결합비율이 증가하는 것으로 알려져 있는 붕소의 도핑 농도를 다변화하기 위해서, graphite에 붕소를 혼합한 타겟을 사용하였으며 기존의 보고들 보다 높은 붕소 도핑 농도를 가진 비정질 탄소막을 제작할 수 있었다. 예측한 바와 같이 도핑농도 증가에 따라 B-C 결합비율이 증가함과 동시에 탄소의 sp³ 결합비율도 증가하면서, 매우 높은 성능향상을 확인할 수 있었으며, 그동안 알려진 붕소 도핑된 비정질 탄소막보다 뛰어난 성능을 가짐을 확인하였다. 하지만, 공정간 챔버내 잔존한 대기와 그리고 가스내 미량으로 존재하는 산소와의 반응으로 인하여 형성된 B-O 결합은 하드마스크 성능을 열화시킴을 보였으며, 이를 STEM-SI 와 XPS 분석을 통하여 증착 초기에 계면에서부터 우선적으로 형성된다는 사실을 확인하였다. 이를 열역학적 계산을 통하여 B-O 결합의 열역학적 에너지가 매우 낮아 증착단계에서 우선적으로 형성됨을 입증하였다.
마지막으로, 앞의 두 연구를 통하여 붕소와 질소는 탄소와 적절한 결합형태를 가질 수 있다면 하드마스크의 성능이 향상됨을 보였고, B-N 결합시 형성되는 boron nitride 또한 diamond 만큼 높은 hardness 를 가지는 재료로 널리 알려져있어, 이를 이용하여 붕소와 질소가 함께 도핑된 비정질 탄소막을 제작하였으나 밀도와 하드마스크 성능에서 괄목할만한 성능향상을 보이지 않았다. 하지만 co-doping 된 비정질 탄소막을 plasma treatment를 이용하여 결합구조 변화를 시켰을 때 성능이 개선됨을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 보다 심도있는 연구를 통하여 물성과 특성을 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 DC sputtering 방식을 통하여 비정질 탄소막내 도핑을 통한 결합구조 다변화와 제어를 효과적으로 함과 동시에 하드마스크 성능과 미세구조와의 상관관계를 입증함으로써 향후 차세대 고집적 반도체 구현을 위한 탄소 재료 기반의 하드마스크의 재료적 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다.