고집적 메모리 소자를 위한 Pt 전극의 Etching 특성

임동규, 김종성, 정지원*

경원대학교 화학공학과, 삼성종합기술원 반도체소자 연구실*

Etching Characteristics of Platinum Electrode for High Density Memory Devices

Dongkyu Lim, Jongsung Kim, Chee Won Chung*

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University,

Samsung Advanced Institute of Technology, Microelectronics Laboratory*

서론

최근 유전체 재료의 Dynamic Ramdom Access Memory(DRAM) 및 Ferroelectric  Ramdom Access Memory(FRAM) device에 대한 응용이 활발히 진행되고 있는 가운데, device 크기의 감소와 메모리 밀도의 증가 필요성으로 인하여 고정전용량을 가지는 ferroelectric 재료 및 이에 사용되는 전극의 패턴을 위한 식각공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-2

특히 유전체로서 Ferroelectric 물질을 사용하는 강유전체 커패시터를 위한 전극재료로는 Pt, Ir, Ru 또는 그 산화물인 IrO2, RuO2등이 있는데, 이중에서 Pt는 내열성이 강하고, 내산화성이 우수하며, 낮은 resistivity를 가지고 있어 가장 대표적인 전극재료로 사용되고 있다. 그러나 Pt는 화학반응성이 부족하여 습식식각을 하는데 어려움이 있고 고집적소자의 제조에 필수적인 건식식각시에는 패턴되는 측벽에 식각부산물이 재증착되어 깨끗한 이방성 식각이 어려운 단점이 있다.

Pt 전극의 건식식각 방법으로는 Reactive Ion Etching(RIE), Magnetically Enhanced RIE3, High-Density ECR4과 Inductively Coupled Plasma(ICP)5 등이 있다.

고밀도 DRAM과 FRAM의 커패시터용 Pt 전극을 건식식각할 때 요구되는 특성으로는 재증착이 없는 깨끗한 etching profile, 높은 식각 속도와 선택도 그리고 적은 식각 damage 등이 있다.

본 연구에서는 현재 가장 활발한 응용이 고려되고 있는 Pt 박막을 high density plasma를 이용하는 Inductively Coupled Plasma(ICP) RIE를 사용하여 건식식각하고, 식각가스로 사용되는 Cl2/Ar, Cl2/SiCl4/Ar 농도를 변화시켜 식각속도, etching profile 등에 대한 영향을 조사하여 최적의 식각가스를 찾고자 하였다.

실험

본 연구에서는 Pt 박막을 식각하는 방법으로 저압 하에서의 고밀도 plasma를 사용하는 ICP 건식식각법을 사용하여 실험하였다. ICP system은 크게 load lock chamber, process chamber와 substrate susceptor로 구성되어 있으며, 장치의 개략적인 구조는 그림 1에 나타내었다.

기판은 He 가스에 의하여 냉각되어진 substrate susceptor에 밀착되어진다. 감겨진 코일은 13.56MHz RF power supply에 연결되어 있으며 이에 의해 고밀도 plasma가 유도된다. Self bias voltage는 또 하나의 13.56MHz의 RF power가 연결되어 유도되고 독립적으로 ion energy를 조절한다.

그림 1. Schematic diagram of the ICP etcher

본 실험에 사용되어진 Pt 박막의 두께는 2000∼4000Å이며, D.C. magnetron sputter를 사용하여 Ti/SiO2/Si 기판위에 증착하였다. 또한 모든 식각 샘플들은 mask로서 두께가 1.8□인 일반적인 photoresist(PR)을 사용하였다. 식각가스로는 Cl2/Ar 및 SiCl4/Cl2/Ar 혼합가스를 사용하였고 가스 농도에 따른 식각특성이 조사되었다.

Etch rate는 Dektak surface profilometer를 사용하여 측정되었으며, etch profile은 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FESEM)을 사용하여 관찰되었다.

결과 및 고찰

PR mask를 사용한 Pt 박막의 건식식각에는 고밀도 plasma ICP RIE를 사용하여 Cl2/Ar 혼합가스를 이용하여 연구되었다. Pt 박막의 건식식각시 fluorine을 함유한 가스와 chlorine을 함유한 가스가 더 효과적이라는 것이 이미 보고되었기 때문에 본 연구에서는 식각가스로서 Cl2/Ar을 사용하였다.

그림 2에는 Cl2/Ar 혼합가스를 사용했을 때의 Pt 및 PR의 etch rate와 PR mask에 대한 Pt 박막의 식각선택도를 나타내었다.

그림 2. Etch rates of Pt and photoresist films as a function of etch gas concentration;total flow rate:30sccm;coil RF power:600W;dc-bias voltage to substrate:300V;and gas pressure:5mTorr

그림 3은 Cl2/Ar 혼합가스를 사용하여 Pt 박막을 식각한 FESEM 사진을 보여주고 있다.

그림 3. SEM photograph of Pt film etched by 20%Cl2/80%Ar gas

그림에서 보듯이 pattern 측벽상에 식각부산물이 증착되어 있음이 발견된다. 이러한 재증착된 물질들은 Ar 이온의 sputtering 효과에 의한 Pt와 Cl 원자가 Pt와의 반응에 의하여 생긴 Pt 화합물 형태의 식각부산물로 추정된다.

Cl2 가스를 기본으로 한 Pt 박막의 etching mechanism은 다음과 같이 추정할 수 있다. 먼저, Ar가스에 의하여 sputtering되어진 Pt 원자는 Cl radical이나 이온들과 반응하여 Pt 화합물을 형성하고, Pt 표면에 형성되어진 Pt 화합물들은 진공 하에서 탈착되거나 또는 그 밖의 영향으로 인하여 pattern 측벽으로 증착되어 식각부산물을 형성하는 것으로 볼 수 있다.6

따라서 Pt 화합물의 생성을 최대화하기 위하여 SiCl4/Cl2/Ar 혼합가스를 사용하여 Pt 및 PR의 etch rate와 selectivity(Pt/PR)가 조사되었다(그림 4).

그림 4. Etch rates of Pt and photoresist films as a function of etch gas concentration;total flow rate:30sccm;coil RF power:800W;dc-bias voltage to substrate:300V;and gas pressure:1mTorr

그림 2와 4에서 나타나듯이 Cl2와 (SiCl4+Cl2) 혼합가스의 농도가 증가함에 따라서 Pt 박막의 etch rate는 서서히 감소하였고, PR의 etch rate는 급격히 증가하였다.

Cl2/Ar 혼합가스와 SiCl4/Cl2/Ar 혼합가스를 사용할 때의 식각 경향은 서로 비슷하게 나타나고 있음을 관찰할 수 있다. 이는 두 경우의 etching mechnism이 거의 같음을 나타내는 것이다.

그림 5는 SiCl4/Cl2/Ar 혼합가스를 사용하여 최적화시킨 식각 조건에서 Pt 박막을 식각한 FESEM 사진을 보여주고 있다.

그림 5. SEM photograph of etched Pt film by SiCl4/Cl2/Ar gas.

; 60% (SiCl4+Cl2) / 40% Ar

그림에서 알 수 있듯이 Cl2/Ar 혼합가스에 SiCl4 가스를 첨가함으로써 pattern 측벽상에 etch residues가 급격히 감소하여 깨끗한 etching profile이 나타나는 것을 볼 수 있다.

결론

본 실험에서는 Cl2/Ar 가스를 사용하여 식각할 때 식각부산물이 남아있는 것이 관찰되었고, 이를 제거하기 위하여 SiCl4 가스를 첨가하여 etch rate와 etching profile이 조사되었다. (SiCl4+Cl2) 혼합가스가 60% 이상 첨가될 때 Pt나 Pt 화합물의 재증착이 없이 깨끗한 etching profile이 관찰되었고 빠른 식각속도를 얻을 수 있었다. 그러나 식각경사가 약 50°정도이기 때문에 재증착이 없이 식각 경사를 높이는 연구가 현재 진행중이다.

참고문헌

1. Yuichi Matsui, Mitsuo Suga, Masahiko Hiratani, Hiroshi Miki, and Yoshihisa Fujisaki, □Oxygen Diffusion in Pt Bottom Electrodes of Ferroelectric Capacitors,□ Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, pp. L1239-L1241, 1997.

2. P. C. Fazan, □Trends in the development of ULSI DRAM capacitors,□ Integr. Ferroelectrics, vol. 4, pp. 247-256, 1994.

3. W. J. Yoo, J. H. Hahm, H. W. Kim, C. O. Jung, Y. B. Koh, and M. Y. Lee, □Control of etch slope during etching of Pt in Ar/Cl2/O2 plasmas,□ Jpn. J. Appl. Phys., vol. 35, pt. 1, no. 4B, pp. 2501-2504, 1996.

4. S. Yokoyama, Y. Ito, K. Ishihara, K. Hamada, S. Ohnoshi, J. Kudo, and K. Sakiyama, □High-temperature etching of PZT/Pt/TiN structure by high-density ECR plasma,□ Jpn. J. Appl. Phys., vol. 34, pt. 1, no. 2B, pp. 767-770, 1995.

5. C. W. Chung, W. I. Lee, and J. K. Lee, □Dry etching of Pt/PbZrxTi1-xO3/Pt thin film capacitors in an inductively coupled plasma(ICP),□ Integr. Ferroelectric, vol. 11, pp. 259-267, 1995.

6. C. W. Chung, H. G. Song, □Study on fence-free platinum etching using chlorine-based gases in Inductively Coupled Plasma,□ J. Electrochem. Soc., vol. 144, No. 11, pp. L294-L296, 1997.