반도체 공정에서의 패턴 붕괴 및 입자 제거력의 관계

Abstract

다층구조의 gate stack 구조물의 붕괴기구 및 붕괴력과 입자 제거력을 원자주사현미경 (AFM)을 이용하여 연구하였다. 또한 고 에너지 레이저 충격파 세정 공정에서 레이저 유기 충격파의 특성과 입자 제거기구와 입자제거능력을 이해하기 위해 연구하였다. 무 손상 세정기술을 이루기 위해 측정된 구조물 붕괴력과 입자 제거력과 레이저 충격파 세정 사이의 관계를 연구하였다. 반도체 구조물의 크기가 작아지고 단위면적당 집적도가 높아지면서 집적회로제조에서 세정공정의 중요성은 점차 증가하고 있다. 차세대 반도체 세정공정에서 요구하는 무 손상 입자 오염물 제거 공정 개발을 위해서는 세정 공정가능범위(cleaning process window)를 정확히 알고 있어야 한다. 이러한 이유로 구조물 붕괴력 및 입자 제거력의 정량적 측정이 필요하다. Siliconoxynitride (SiON)/amorphous Si (aSi)/SiO₂ hard mask (HM)와 SiO₂/ polycrystalline Si (polySi)/SiO₂ HM의 gate stack 구조물로 이뤄진 선폭 80~120 nm의 gate stack 구조물의 붕괴현상 및 붕괴력을 AFM을 이용하여 측정하였다. AFM probe로 SiON/aSi/SiO₂ HM과 SiO₂/polySi/SiO₂ HM 구조물에 힘을 가하면, SiON/aSi/SiO₂ HM구조물은 적은 힘으로 큰 파편으로 붕괴되고 불규칙적인 파편위치 특성을 보여주었으며 Si/SiON 경계면에서 구조물 분리가 관찰되었다. 이에 반해 SiO₂/polySi/SiO₂ HM 구조물은 SiO₂/polySi 경계면에서 구조물이 작은 파편으로 기존 선형 구조물과 평행하게 파괴되어 있음을 관측하였다. SiO₂/polySi/SiO₂ HM과 SiO₂/polySi/SiO₂ HM 파편의 형태 및 균열각도를 조사하여 이들의 붕괴기구를 규명하였다. SiON/aSi/SiO₂ HM 구조물의 경우 Si/SiON 경계면에서 접촉파괴가 발생한 후 두 단계에 걸쳐 파괴되었다. 이에 반해 높은 탄성계수와 부착력 특성을 가지는SiO₂/polySi/SiO₂ HM 구조물은 선형 구조물이 우선 파괴된 후 구조물 분리가 발생하였다. 이와 함께 측정된 구조물들의 붕괴력은 선폭이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였으며 SiO₂/polySi/SiO₂ HM 붕괴력이 SiON/aSi/SiO₂ HM 붕괴력보다 2배 큰 특성이 나타났다. 이들 gate stack 구조물의 붕괴특성과 붕괴력을 비교하기 위해 60~100 nm의 선폭을 가지는 선형 photoresist 구조물과 높이 255 nm와 폭 160 nm의 Si 선형 구조물에 대해 연구하였다. Photoresist의 경우 AFM probe가 구조물을 자르고 가는 형태를 보이고 있으며 SiON/aSi/SiO₂ HM 보다 작은 붕괴력이 측정되었다. 이와 달리 Si 구조물은 접촉면이 없는 하나의 재료로 이루어진 특성을 가지고 있어 파괴가 어려웠다. 따라서, 구조물의 부착력 향상을 통해 세정공정 중에 발생하는 구조물 붕괴를 줄일 수 있음을 알 수 있었다. 친수성 Si 표면 위에 2일 동안 aging된 지름 100 nm인 polystyrene latex (PSL) 입자를 제거하기 위해 180 nN의 힘이 필요하였다. 측정된 측면 제거력과 비교하기 위해 지름 10 μm의 PSL 입자와 Si 표면간의 부착력을 AFM의 힘-거리 측정 방법을 이용하여 측정한 결과 29 nN 이었다. 따라서 2일 동안 aging된 입자 제거력이 입자 접착력 보다 큰 값을 보여주고 있다. 고 에너지 레이저 유기 충격파 세정공정의 특성을 평가하기 위해 레이저 유기 충격파의 특성과 입자 제거기구 규명 그리고 그의 세정능력에 대해 평가를 하였다. 플라즈마의 크기 및 충격파의 속도 측정을 위해 레이저 광 굴절 기법(laser beam deflection method)을 이용하였다. 시편과 초점 거리를 3 mm 이상 띄울 경우 시편의 표면 거칠기 변화가 없었다. 레이저 유기 충격파의 속도는 초점으로부터 멀어질수록 기하급수적으로 감소하였다. 측정된 충격파속도를 Blast wave 이론을 이용하여 충격파의 전달압력 및 온도를 계산하였다. 계산된 충격파의 압력과 입자 부착력과의 상관관계를 통해 rolling 제거 메커니즘을 바탕으로 레이저 유기 충격파 세정의 입자제거기구를 제시하였으며 입자제거 실험결과와 비교하여 입자 제거기구의 적합성을 확인하였다. 1 μm 이하 입자의 높은 입자제거율을 확보하기 위해 습도 및 입자가 aging되는 것을 피하기 위한 공정시간 관리의 필요성을 확인하였다. 극 자외선 리소그라피 마스크 위에 오염된 50 nm의 실리카 입자를 마스크표면 손상 없이 제거하였다. 또한, 충격파에 의한 표면의 입자부착력 변화를 살펴봤으면 충격파의 압력과 조사 횟수가 증가할수록 표면 입자부착력이 감소하였다. 측정된 구조물 붕괴력과 입자 제거력 그리고 레이저 유기 충격파의 세정력 사이의 관계를 이해하기 위해서, 구조물 붕괴 운동력과 레이저 유기 충격파 운동력의 비를 계산하였고 입자 접착 운동력과 레이저 유기 충격파 운동력의 비를 계산하여 이들의 비교를 통해 구조물 붕괴가 없는 레이저 유기 충격 파 세정공정 기술을 이론적으로 예측하였다. 1 μm 실리카 입자가 오염된 선폭 80 nm 의 SiON/aSi/SiO₂ HM 구조물 시편에 레이저 유기 충격파 세정을 수행하여 구조물 붕괴 없이 입자가 효과적으로 제거됨을 실험적으로 확인하였으며 이를 통해 이론적으로 예측이 적합하다는 것을 확인하였다. AFM을 이용하여 측정된 구조물 붕괴력과 입자 제거력과 세정 공정 특성의 이해를 통해 본 연구의 목표인 무 손상 세정공정을 확립할 수 있었다.; The collapse mechanism and collapse force of the gate stack pattern as a multistack pattern and the particle removal force were investigated by an atomic force microscope (AFM) to develop and optimize the semiconductor cleaning process. Also, high-energy laser shock wave cleaning (LSC) process was investigated to understand the properties of laser induce plasma shock wave, particle removal model, and cleaning performance. The relationship between the measured forces of pattern collapse and particle removal and the LSC force was investigated to achieve damage-free cleaning process. As feature size decreases and integration density increases continuously, the cleaning process is important more and more on the integrated circuit (IC) manufacturing. To develop the optimized damage-free cleaning process which is one of main demands in next generation cleaning process, cleaning process window should be well understood. For this reason, the pattern collapse and particle removal forces should be measured quantitatively. The collapse behavior of siliconoxynitride (SiON)/amorphous Si (aSi)/SiO₂ hard mask (HM) and SiO₂/polycrystalline Si (polySi)/SiO₂ HM gate stack patterns with the line width of 80 to 120 nm were investigated by an AFM. When an AFM probe pushed these patterns, SiON/aSi/SiO₂ HM pattern showed a longer and more irregular orientation of collapsed line fragments and the delamination at the Si/SiON interface. On the other hand, SiO₂/polySi/SiO₂ HM pattern was broken at the SiO₂/polySi interface with collapsed fragments of shorter and parallel orientation to the line pattern. The pattern collapse behavior of both patterns could be deduced from these results and the shape of fragments. When an AFM probe pushed the SiON/aSi/SiO₂ HM pattern, the Si/SiON interface was broken first and then two-step fractures occurred. On the other hand, the SiO₂/polySi/SiO₂ HM pattern with higher elastic modulus and adhesion force was broken at the pattern line first and then the delamination at the interface was occurred. The collapse force of these patterns increased linearly as a function of line width. The collapse force of SiO₂/polySi/SiO₂ HM pattern was 2 times larger than that of SiON/aSi/SiO₂ HM. To compare the collapse force of gate stack patterns, photoresist line patterns with line widths of 60 to 100 nm and Si line pattern with the thickness of 255 nm and the width of 160 nm were investigated. An AFM probe cut the photoresist line pattern when the lateral force was applied. The collapse force of photoresist line pattern was smaller than that of SiON/aSi/SiO₂ HM pattern. On the other hand, it was hard to break Si line pattern because of the absence of the interface between pattern and substrate as one body. Therefore, improving adhesion between structure and substrate might reduce the pattern damage during cleaning process. The lateral removal force of two days aged polystylene latex (PSL) particle on hydrophilic Si surface was 180 nN by an AFM. Particle adhesion force between a 10 μm PSL particle and a Si surface was measured to be 29 nN by the AFM force-distance (F-D) spectroscopy. It was known that the lateral removal force of two days aged PSL particle on hydrophilic Si surface was much higher than the adhesion force. To characterize LSC process with high-energy laser pulse energy, the properties of LIP shock wave and its cleaning performance were investigated. The size of LIP plume and the velocity of shock wave were measured by a laser beam deflection method (LBD). The size of LIP plume increased as a function of laser pulse energy and the relative position of LIP plume was changed at different laser pulse energies. The change of surface roughness was not observed at gap distances of over 3 mm from the focal point. The velocity of LIP shock wave decreased exponentially as a function of distance from the focal point. Also, the pressure and temperature of shock wave were calculated from the measured velocity of shock wave by the Blast wave theory. The particle removal model of LSC was studied based on the rolling removal mechanism and it was confirmed with the experimental result of particle removal. The effects of particle size, aging time, and humidity on particle removal were also investigated. The humidity and process time window to avoid the aging of particles should be controlled to achieve high particle removal efficiency (PRE) for particles smaller than 1 μm. Silica particles with a diameter of 50 nm on a multistack extreme ultraviolet lithography (EUVL) mask were successfully removed without the surface damage. Furthermore, the change of particle adhesion force was investigated due to LIP shock wave and it decreased as a function of laser pulse energy, distance from the focal point, and number of LIP shock wave irradiations. To understand the relationship between the measured pattern collapse and particle removal forces and the LSC force, the pattern collapse moment ratio and the particle removal moment ratio were calculated. The pattern collapse moment ratio for the SiON/aSi/SiO₂ HM with a line width of 80 nm was below 1, but the particle removal moment ratio exceeded 1. The silica particles with a diameter of 1 μm on the SiON/aSi/SiO₂ HM with a line width of 80 nm were successfully removed by the high-energy LSC without the pattern collapse. In this study, the pattern collapse and particle removal forces were measured quantitatively using an AFM which would lead to the optimization and development of the damage-free wet and dry cleaning processes.