강유전체 메모리 소자를 위한 Ir 박막의 고밀도 플라즈마 식각

임동규, 정지원

삼성종합기술원 반도체소자 연구실

High Density Plasma Etching of Iridium Thin Film for Ferroelectric

Random Access Memory

Dongkyu Lim, Chee Won Chung

Microelectronics Laboratory, Material and Device Sector, Samsung Advanced Institute of Technology

서론

최근에 복잡한 구조와 어려운 집적공정이 요구되는 기존의 DRAM 소자와 SRAM 등의 비휘발성 메모리소자를 대체할 목적으로, 강유전체 물질을 이용한 ferroelectric random access memory(FeRAM) 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-2

일반적으로 메모리소자는 트랜지스터와 커패시터의 조합으로 구성되며 커패시터는 유전체와 전극으로 형성된다. 이때 사용되는 유전체의 종류에 따라서 여러 가지의 전극들이 사용되는데 강유전체나 고유전체 물질들이 사용되어질 때는 고온에서 이들 유전체들의 결정화공정이 필요하기 때문에 고온에서 산화되지 않는 전극물질들이 필요하다. 이때 사용되는 전극은 주로 귀금속인 platinum(Pt), ruthenium(Ru), iridium(Ir), palladium(Pd) 등과 이들의 산화물 전극이 사용되며 또는 이들 금속과 산화물 전극의 조합으로 구성된다.

최근에 강유전체 메모리 소자의 피로도 현상을 개선하는 이리듐과 산화이리듐의 복합전극의 응용이 활발히 연구되고 있다. 백금(platinum)과 마찬가지로 이리듐(iridium)의 식각시에도 식각속도가 느리고, 식각잔류물이 존재하고, 식각경사도가 낮은 식각특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 전극물질인 Ir 박막을 high density plasma를 이용하는 inductively coupled plasma RIE(ICP RIE)를 사용하여 Cl2/Ar, SiCl4/Ar, C2F6/Ar 및 (C2F6+Cl2)/Ar 등의 여러 가지 가스들에 따라 건식식각하고, 그에 따른 식각속도 및 etching profile 등에 대한 영향을 조사하여 최적의 식각가스와 식각조건을 찾고자 하였다.3-4

실험

본 연구에서는 Ir 박막을 식각하는 방법으로 저압 하에서의 high density plasma를 이용하는 고밀도 플라즈마 ICP 건식식각 장비를 사용하여 실험하였다. ICP system은 크게 load lock chamber, process chamber와 substrate susceptor로 구성되어 있으며, 장치의 개략적인 구조는 그림 1에 나타내었다.

기판은 chiller에 의하여 냉각되어진 He 가스를 매개체로 하여 substrate susceptor에 밀착되어진다. ICP를 위하여 반응챔버 주위에 감겨진 코일은 13.56MHz RF power supply에 연결되어 있으며 이에 의해 high density plasma가 유도된다. Self bias voltage는 또 하나의 13.56MHz의 RF power가 연결되어 유도되고 독립적으로 ion energy를 조절한다.

그림 1. Schematic diagram of the ICP RIE

본 실험에서의 공정변수로는 식각가스, coil RF power, dc-bias voltage, gas pressure, gas flow rate 등이 있다.

본 실험에 사용되어진 샘플은 TiO2(500Å)/SiO2/Si 기판 위에 Ir 박막을 두께 1200Å으로 증착하고, photoresist(PR)을 두께가 2.0□되게 패터닝하여 mask로 사용하였다. 식각가스로는 Cl2/Ar, SiCl4/Ar, C2F6/Ar 및 (C2F6+Cl2)/Ar 혼합가스를 사용하였고 가스 농도에 따른 식각특성이 조사되었다.

식각속도는 Dektak surface profilometer를 사용하여 측정되었으며, etch profile은 field emission scanning electron microscopy(FESEM)을 사용하여 관찰되었다.

결과 및 고찰

본 연구에서는 Ir 박막의 건식식각시 Cl2/Ar, SiCl4/Ar의 염소계 가스와 C2F6/Ar의 불소계 가스 또는 (C2F6+Cl2)/Ar의 혼합가스를 선택해서 사용하였다.

그림 2에는 Cl2/Ar, SiCl4/Ar, C2F6/Ar 및 (C2F6+Cl2)/Ar 혼합가스의 농도변화에 따른 Ir 박막의 식각속도를 나타내었다.

그림 2. Etch rates of Ir films as a function of etch gas concentration; total gas flow rate:30sccm; coil RF power:700W; dc-bias voltage to substrate:300V; and gas pressure:5mTorr

그림 2를 보면, Ir 박막의 식각속도는 반응성가스의 농도가 증가함에 따라 전체적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 특히, C2F6/Ar 혼합가스 사용시 Ir 박막의 식각속도가 급격하게 감소하는 반면 Cl2/Ar 혼합가스 사용시 상대적으로 큰 식각속도를 나타낸다.

반응성가스의 농도가 증가함에도 불구하고 Ir 박막의 식각속도가 감소하는 이유는 Ir 박막의 식각 메카니즘이 화학반응에 의존하지 않고 물리적인 충격에 크게 의존하는 것을 나타낸다. 따라서, 식각시에 Ir 박막의 표면에서 Ar 가스에 의한 sputtering 효과를 반응성가스가 방해하기 때문에 반응성가스의 농도가 증가할수록 식각속도는 더욱 감소하게 된다.

그림 3∼6은 Ir 박막을 Cl2/Ar, SiCl4/Ar, C2F6/Ar 및 (C2F6+Cl2)/Ar 혼합가스를 사용하여 건식식각한 패턴의 FESEM 사진을 보여주고 있다.

그림 3. SEM photograph of Ir film etched by 30%Cl2/70%Ar gas	그림 4. SEM photograph of Ir film etched by 20%SiCl4/80%Ar gas

그림 5. SEM photograph of Ir film etched by 30%C2F6/70%Ar gas	그림 6. SEM photograph of Ir film etched by 30%(C2F6+Cl2)/70%Ar gas

그림 3과 그림 4는 30%Cl2/70%Ar, 20%SiCl4/80%Ar 가스 사용시 패턴의 측벽상에 식각부산물이 증착되어 있음을 관찰할 수 있으며, 식각경사도가 40°정도로 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.

그림 5는 30%C2F6/Ar 가스 사용시 패턴에 식각부산물이 생성되지 않음을 보여주고 있다. 그러나, C2F6/Ar 가스 사용시 Ir 박막의 식각속도가 Cl2/Ar, SiCl4/Ar 가스에 비하여 크게 저하되는 문제점을 가지고 있다.

따라서, Ir 박막의 식각속도를 높이고 패턴의 측벽상에 나타나는 식각부산물이 증착되지 않게 하기 위하여 Cl2 가스와 C2F6 가스를 혼합하여 사용하였다. 그림 6은 30%(C2F6+Cl2)/70%Ar 혼합가스를 사용하여 Ir 박막을 식각한 패턴의 모습을 나타내고 있다. 그림을 보면 패턴의 측벽상에 식각부산물이 형성되지 않았음을 관찰할 수 있으며 식각속도도 C2F6/Ar 가스 사용시 보다 빠르게 나타남을 알 수 있다.

결론

Ir 박막의 식각 메카니즘은 반응성가스의 농도가 증가함에도 불구하고 식각속도가 감소하는 것으로 보아 화학반응에 의존하기 보다는 물리적인 충격에 크게 의존하는 것을 알 수 있다.

Cl2/Ar, SiCl4/Ar 가스 사용시에 식각속도는 빠르게 나타나지만 패턴의 측벽상에 식각부산물이 형성되고 식각경사도가 40°정도로 낮아지는 것을 볼 수 있다.

C2F6/Ar 가스 사용시에 식각부산물의 형성은 없으나 식각속도가 Cl2/Ar, SiCl4/Ar 가스에 비하여 상당히 떨어지는 것을 관찰할 수 있다.

따라서, 본 실험에서는 C2F6 가스와 Cl2 가스를 혼합하여 건식식각함으로써 Ir 박막의 빠른 식각속도를 얻음과 동시에 패턴의 측벽상에 식각부산물을 제거할  수 있었다. 특히, 30%(C2F6+Cl2)/70%Ar 혼합가스에서 식각부산물이 거의 형성되지 않음을 관찰하였고, Ir 박막의 식각속도는 690Å/min으로 나타났다.

그러나, 현재 식각경사도가 약 45∼50°정도이기 때문에 식각부산물이 없이 식각경사도를 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. 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.

4. 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.