하드마스크와 반사방지막, 정재파와 식각 한계를 잡는 역할

안경 알에 반사 방지 코팅이 되어 있지 않으면 뒤쪽이나 옆에서 들어온 불빛이 유리에 어른거려 앞이 또렷하게 보이지 않습니다. 또한 목공소에서 얇은 종이 도안을 나무판 위에 바로 붙이고 전기톱질을 하면 종이가 먼저 찢어져 버리므로, 얇은 종이 도안은 단단한 철판 본에 먼저 옮긴 뒤 그 철판을 대고 나무를 깎아야 반듯한 모양이 나오죠.

반도체 미세 패터닝에서도 감광액(포토레지스트) 혼자서는 빛의 반사도, 거친 플라즈마 식각도 온전히 버텨 낼 수 없습니다. 오늘은 감광액 아래위에서 광학적 반사를 잠재우고 식각 전사를 책임지는 하드마스크와 반사방지막의 원리와 다층 구조를 살펴보겠습니다.

하부 반사광이 만드는 정재파(Standing Wave)와 선폭 흔들림

노광기에서 쏜 자외선이 감광액을 뚫고 내려가면 그 아래에는 실리콘 기판이나 금속 배선, 폴리실리콘처럼 빛을 거울처럼 잘 반사하는 하부막이 기다리고 있습니다. 위에서 내려오는 입사광과 바닥에서 튕겨 올라오는 반사광이 감광액 내부에서 서로 만나면, 높이에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 반복되는 정재파(Standing Wave)가 만들어집니다.

그 결과 현상을 마친 감광액 기둥의 옆면을 전자현미경으로 보면, 매끄러운 일자 벽이 아니라 물결처럼 올록볼록하게 파인 계단 무늬가 나타납니다. 더 심각한 문제는 웨이퍼 위에 이미 형성된 단차(Topography) 때문에 감광액 두께가 위치마다 조금씩 달라질 때입니다.

감광액 두께가 파장의 4분의 1(λ / 4n)만큼만 바뀌어도 감광액 안에 갇히는 빛 에너지 총량이 크게 출렁이면서, 똑같은 노광량을 주었는데도 단차 위와 아래에서 회로 선폭(CD)이 주기적으로 굵어졌다 가늘어지는 스윙 커브(Swing Curve) 현상이 발생합니다. 게다가 경사진 단차 면에서 빛이 옆으로 비스듬히 튕기면 원치 않는 곳의 감광액이 파여 나가는 노칭(Notching) 불량까지 겹치게 됩니다.

반사방지막(BARC·TARC)이 빛을 흡수하고 상쇄하는 원리

이 골치 아픈 반사광을 뿌리 뽑기 위해 감광액과 하부 기판 사이에 얇게 깔아 주는 층이 바로 하부 반사방지막(BARC, Bottom Anti-Reflective Coating)입니다. 경우에 따라 감광액 맨 위 표면에서 일어나는 다중 반사를 줄이기 위해 상부 반사방지막(TARC, Top Anti-Reflective Coating)을 덧입히기도 하죠.

BARC가 하부 반사광을 없애는 메커니즘은 소재에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫째는 흡수형(유기물 스핀 코팅 BARC)으로, 노광 파장의 빛을 잘 흡수하는 발색단(Chromophore) 분자를 고분자에 섞어 감광액을 뚫고 내려온 빛을 BARC 내부에서 열로 흡수해 소멸시키는 방식입니다. 동시에 평탄화 역할까지 겸해 하부 단차를 매끄럽게 덮어 줍니다.

둘째는 간섭 상쇄형(무기물 증착 BARC, SiON 등)입니다. 박막의 굴절률(n)과 흡광 계수(k), 그리고 두께를 정밀하게 맞추어 BARC 윗면에서 반사된 빛과 BARC 아랫면(기판 경계)에서 반사되어 올라온 빛이 180도 위상차를 이루어 스스로 상쇄 간섭을 일으키게 설계합니다. 앞서 든 안경 코팅 비유가 가시광선 투과율을 높여 눈을 편하게 해 주는 목적이라면, 노광 공정에서는 반사율을 1% 미만으로 눌러 감광액 측벽의 정재파를 지우고 선폭 균일도(CDU)를 지키는 치수 제어 장치라는 점이 다릅니다.

얇아진 감광액의 한계와 하드마스크와 반사방지막 다층 구조

선폭이 수십 나노미터 이하로 줄어들면서 감광액은 또 다른 벽에 부딪혔습니다. 초점 심도(DOF)가 얕아지고 현상 시 기둥이 쓰러지는 패턴 붕괴를 막으려면 감광액 두께를 수십 나노미터 수준으로 아주 얇게 발라야 합니다. 흔히 감광액에 회로 모양만 잘 찍혀 있으면 그 상태로 바로 아래쪽 두꺼운 절연막이나 금속을 깊게 식각할 수 있을 것이라고 생각하기 쉽지만, 얇고 무른 유기물 감광액은 플라즈마 이온 포격을 맞으면 하부막이 다 파이기 전에 먼저 깎여 사라져 버립니다.

즉, 감광액과 하부 피식각층 사이의 식각 선택비(Etch Selectivity)가 턱없이 부족한 것입니다. 이를 해결하기 위해 현대 선단 공정에서는 하드마스크와 반사방지막을 하나로 결합한 3층(Tri-layer) 또는 다층 패터닝 구조를 표준으로 사용합니다.

이처럼 서로 식각 가스가 정반대인 실리콘 층(불소에 약하고 산소에 강함)과 탄소 층(산소에 약하고 불소에 강함)을 징검다리처럼 번갈아 배치하면, 아무리 얇고 약한 감광액 패턴이라도 릴레이 바통을 넘기듯 깊은 하부막까지 오차 없이 모양을 옮겨 심을 수 있습니다.

SOC·Si-ARC와 금속·무기물 하드마스크의 소재 선택 기준

다층 구조에서 중간 다리 역할을 하는 Si-ARC는 광학적으로는 굴절률과 흡광 계수를 조절해 하부 반사를 막는 BARC의 역할을 수행하면서, 식각 단계에서는 아래쪽 SOC를 깎기 위한 1차 하드마스크 역할을 동시에 해내는 일석이조 소재입니다. 그 아래 깔리는 SOC(또는 CVD로 증착한 비정질 탄소막 ACL)는 기존 울퉁불퉁한 하부 패턴 사이를 빈틈없이 메워 평탄화해 주고 깊은 식각을 버텨 줍니다.

한편 구리 배선 다마신 공정이나 극미세 멀티 패터닝(SADP, SAQP)처럼 패턴을 여러 번 쪼개고 컷 마스크까지 겹쳐야 하는 곳에서는, 식각 도중 모양이 변하지 않고 끝까지 버텨 줄 질화티타늄(TiN), 질화실리콘(SiN), 산화실리콘(SiO2) 같은 무기물·금속 하드마스크를 함께 씁니다. 특히 TiN 같은 금속 하드마스크는 얇은 두께로도 유전체에 대해 압도적인 식각 선택비를 내며, 식각이 모두 끝난 뒤에는 하부 소자에 손상을 주지 않는 습식 세정이나 애싱(Ashing)으로 깔끔하게 벗겨 낼 수 있어야 한다는 점까지 고려해 소재를 결정합니다.

패터닝 보조 박막(BARC·SOC·SiON·금속 하드마스크) 비교

구분	유기물 BARC	Si-ARC / 무기 SiON	SOC / 비정질 탄소(ACL)	금속 하드마스크 (TiN 등)
주요 기능	하부 반사광 흡수 및 정재파 제거	간섭 상쇄 반사 방지 + 중간 식각 마스크	하부 단차 평탄화 + 주 식각 하드마스크	초박막 고선택비 최종 식각 방패
형성 방식	스핀 코팅 및 베이크	스핀 코팅(Si-ARC) 또는 PECVD(SiON)	스핀 코팅(SOC) 또는 PECVD(ACL)	PVD 스퍼터링 또는 CVD/ALD 증착
식각 특성	O2/N2 계열 플라즈마로 식각	불소(F) 가스에 식각, O2 플라즈마에 강한 내성	O2 플라즈마에 식각, 불소(F) 가스에 강한 내성	염소(Cl)계 식각, 유전체 식각 시 최고 내성
제거(Strip) 방법	감광액 애싱(Ashing) 시 동시 제거	불산(HF) 계열 습식 또는 건식 제거	산소 플라즈마 애싱으로 쉽게 제거	과산화수소(SC-1 등) 습식 식각으로 제거

핵심 정리

안경의 반사 방지 코팅과 목공소의 철판 본처럼, 하드마스크와 반사방지막은 빛이 튕기며 만드는 정재파를 잠재우고 얇은 감광액의 부족한 식각 저항성을 릴레이 전사로 보완해 주는 패터닝의 숨은 주역입니다. 감광액 바로 아래에 Si-ARC와 SOC를 겹쳐 쌓는 3층(Tri-layer) 구조 덕분에 우리는 나노미터 두께의 얇은 감광액으로도 깊고 반듯한 3차원 회로를 깎아 낼 수 있습니다.

결국 미세 공정의 완성도는 노광기에서 찍는 감광액 한 층뿐만 아니라, 빛의 간섭과 플라즈마 화학 반응을 층별로 설계한 다층 박막 스택 엔지니어링에서 판가름 납니다.

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