자성 박막의 건식 식각

송영수, 정지원*

인하대학교 화학공학과

*e-mail: cwchung@inha.ac.kr

Dry etching of magnetic materials

Young Soo Song and Chee Won Chung*

Department of Chemical Engineering, Inha University

*e-mail: cwchung@inha.ac.kr

서론

최근에 DRAM을 대체할 수 있는 차세대 반도체 메모리소자에 대한 개발이 다각도로 개발되고 있다. 그러한 연구의 일환으로 고속 읽기/쓰기가 가능하며, DRAM과 같이 고집적화 할 수 있는 새로운 불휘발성 메모리인 magnetoresistive random access memory(MRAM)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[1,2]. MRAM이란 자기저항효과라는 특성을 가진 소자를 이용하여 집적한 메모리이다. 자기저항효과를 가진 소자 중 tunneling magnetoresistance(TMR)를 나타내는 박막 재료가 실용화에 가장 근접한 재료로 알려져 있다. 그러나 TMR stack을 구성하는 물질 중에서 자성물질은 일반적으로 식각이 어려운 것으로 알려져 있으며, 현재 이 물질들의 건식 식각에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[3-5].

본 연구에서는 inductively coupled plasma reactive ion etcher(ICP RIE)를 사용하고 Cl2/Ar와 C2F6/Ar 식각 가스들을 선택하여 자성 박막들에 건식 식각이 연구되었다.  제안된 두가지 식각 가스의 농도에 따라 건식 식각하고 그에 따른 식각속도를 조사하였다. 또한 field emission scanning electron microscopy(FESEM)를 이용하여 식각 profile을 관찰함으로써 최적의 식각 가스와 식각 조건을 찾고자 하였다.

실험

본 연구에서는 자성 박막을 식각하는 방법으로 저압 하에서 high density plasma를 이용하는 고밀도 유도 결합 플라즈마(ICP) 건식 식각 장비를 사용하여 실험하였다. ICP 시스템은 크게 load lock chamber, process chamber와 substrate susceptor로 구성되어 있으며, 장치의 개략적인 구조는 그림 1에 나타내었다.

Substrate susceptor는 chiller에 의하여 냉각 되어지며 그 위에 helium 가스가 주입되고 기판이 substrate susceptor에 밀착되어 냉각된다. ICP 생성을 위하여 반응 chamber 주위에 감겨진 코일은 13.56 MHz rf power supply에 연결되어 있으며 이에 의해 high density plasma가 유도된다. Self bias voltage는 또 하나의 13.56 MHz의 rf power가 연결되어 유도되고 독립적으로 ion energy를 조절한다.

본 실험에 사용되어진 시료는 Si 기판 위에 자성 박막인 NiFe과 IrMn을 각각 두께 2000 Å으로 증착하고, 증착된 자성 박막은 photoresist(PR)를 mask로 사용하여 1.2 □의 두께로 도포된 후 lithography 공정에 의해서 패터닝 되었다. 식각 가스로는 Cl2/Ar과 C2F6/Ar을 사용하였고 식각 조건은 가스 flow rate 30 sccm, coil-rf power 700 W, dc-bias 300 V 그리고 gas pressure 5 mTorr로 고정한 후 가스 농도를 변화시켜 식각 특성이 조사되었다.

본 실험에서의 공정변수로는 식각가스의 종류와 식각가스의 농도가 선택되었다. 식각 속도는 dektak surface profilomer를 이용하여 식각 전후 박막의 두께를 측정함으로써 평가되었으며, 식각 profile은 field emission scanning electron microscopy(FESEM)을 사용하여 관찰되었다.

그림 1. Schematic diagram of the ICP RIE

결과 및 토론

본 연구에서는 NiFe과 IrMn 박막의 식각 가스로써, Cl2/Ar의 염소계 가스와 C2F6/Ar의 불소계 가스를 선택하여 사용하였다.

그림 2에는 Cl2/Ar의 농도변화에 따른 NiFe과 IrMn 박막의 식각 속도를 나타내었다.

그림 2. Etch rate of NiFe and IrMn thin films as a function of chlorine gas concentration; total gas flow rate: 30 sccm; coil-rf power: 700 W; dc-bias voltage: 300 V; gas pressure: 5 mTorr.

Cl2의 농도가 증가함에 따라서 NiFe 박막의 식각 속도는 IrMn 박막의 식각 속도에 비해서 더 크게 감소하는 모습이 보인다. NiFe 박막의 식각 속도가 Cl2 농도의 증가에 따라 큰폭으로 감소하는 것은 식각 메커니즘이 화학반응보다는 ion의 sputtering 효과에 의존하고 있음을 나타낸다. 상대적으로 IrMn 박막의 식각은 Cl2 농도에 대하여 크게 의존적이지는 않지만, NiFe 박막에 비해서 chlorine 라다칼에 의한 영향을 어느 정도 받고 있음을 알 수 있다.

식각 가스로 C2F6/Ar을 사용하여 NiFe과 IrMn 박막을 식각한 경우의 식각 속도가 그림 3에 보여진다.

그림 3. Etch rate of NiFe and IrMn thin films as a function of fluorine gas concentration; total gas flow rate: 30 sccm; coil-rf power: 700 W; dc-bias voltage: 300 V; gas pressure: 5 mTorr.

C2F6/Ar을 사용한 NiFe 박막과 IrMn 박막의 식각은 모두 Cl2/Ar을 사용한 식각과 비교하여 비교적 낮은 식각 속도를 보여준다. 특히 NiFe 박막의 식각 속도는 Cl2/Ar의 경우와 비교하여 현저하게 낮은 식각 속도를 보이는데, 이것은 NiFe 박막을 위한 식각 가스로써 fluorine 계열보다는 chlorine 계열의 가스가 더 적합하다는 것을 나타낸다. C2F6를 사용한 식각에서 IrMn 박막의 식각 속도는 Cl2를 사용한 식각과 다르게 C2F6의 농도가 증가함에 따라서 점진적으로 감소하고 있다. 따라서, Cl2/Ar 가스에 비해서 C2F6 가스가 사용된 식각이 IrMn 박막에 대하여 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

(a) NiFe - 20%Cl2    (b) NiFe - 20%C2F6    (c) IrMn - 20%Cl2    (d) IrMn - 20%C2F6

그림 4. FESEM photograph of NiFe and IrMn film etched

by Cl2/Ar and C2F6/Ar gas.

그림 4는 NiFe 박막을 Cl2/Ar과 C2F6/Ar 가스를 사용하여 건식 식각한 패턴의 FESEM 사진을 보여주고 있다. 그림 4(a)에서는 식각 profile이 45도 정도의 경사도를 가지는 것이 보여진다. 그러나, 그림 4(b)에서는 PR에 대한 NiFe 박막의 낮은 선택비 때문에 PR이 다 식각이 된 후 IrMn 박막의 가장자리 부분이 식각되어 패턴이 손상된 모습이 관찰된다. 그림 4(c)와 그림 4(d)에 보여진 IrMn 박막 역시 NiFe 박막과 비슷한 경향의 profile을 나타내고 있다.

식각 가스로 Cl2/Ar을 사용할 경우 NiFe과 IrMn 박막에 대한 photoresist(PR)의 식각 선택도는 0.1~0.3으로 상당히 작은 값을 나타내었다. 그리고 C2F6/Ar을 사용한 식각에서는 NiFe 박막에 대해서는 0.02~0.05, IrMn 박막에 대해서는 0.05~0.15의 값으로 Cl2/Ar의 식각 가스보다 더 낮은 식각 선택비를 보였다. 식각 선택비가 1이하라는 사실은 이들 두가지 식각 가스가 PR mask를 사용하는 자성박막의 식각에 있어서 문제점으로 지적 될 수 있는 부분이다. 즉, NiFe과 IrMn의 건식 식각이 일반적인 photoresist mask의 사용으로는 어렵다는 것을 나타낸다. 따라서, 향후 이들 자성박막의 건식 식각은 hard mask의 사용이 기대되어 진다.

결론

NiFe 박막과 IrMn 박막의 식각 메커니즘은 사용하는 식각 가스의 종류에 따라 다르게 나타났다. NiFe의 경우, Cl2/Ar 가스를 사용한 경우에는 Cl2의 농도가 증가함에 따라 식각 속도가 점진적으로 감소하였다. 즉, 화학반응이 주요한 식각 메카니즘에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 해석된다. C2F6/Ar 가스를 사용한 경우는 Cl2/Ar 가스를 사용한 경우보다 현저히 식각 속도가 감소 한 것으로 나타났다. 이것은 NiFe 박막에 대해서 선택적인 식각 가스로써 C2F6/Ar 보다는 Cl2/Ar 가스가 더욱 적합하다는 것을 보여준다.

IrMn 박막의 경우는 NiFe 박막과 같이 Cl2/Ar 가스가 식각 가스로 사용되었을 때 C2F6/Ar 가스보다 높은 식각 속도를 보였다. 그리고 NiFe 박막에서와는 다르게 C2F6/Ar 가스를 사용하여 식각한 경우, IrMn 박막은 Cl2 가스의 농도 변화보다 C2F6 가스의 농도 변화에 의해서 영향을 더 받는 것으로 관찰되었다.

두가지 식각 가스에 의해 식각된 박막들의 FESEM을 관찰한 결과, Cl2/Ar 가스에 의해서 식각된 profile이 C2F6/Ar 가스를 사용하여 식각한 경우보다 더 나은 패턴을 형성하는 것으로 관찰되었다. 이것은 Cl2/Ar 가스가 두가지 박막에 대한 식각 가스로서 더 적합하다는 것을 나타낸다.

NiFe과 IrMn 박막의 photoresist에 대한 식각 선택비는 0.3이하로 상당히 낮은 값이 얻어졌다. 이것은 photoresist에 대한 자성박막의 건식 식각에 있어서 문제점으로 지적될 수 있으며 앞으로 이 부분에 대한 선택비를 높일 수 있는 공정 개발이 필요함을 확인하였다.

감사

이 논문은 인하대학교 청정기반기술연구소에 의해서 지원되었음.

참고문헌

1. Miyazaki, T. and Kummagai, S., J. Appl. Phys., 81, 3753(1997).

2. Tehrani, S., Engel, B., Slaughter, J. M., Chen, E., Deherrera, M., Durlam, Naji, P., Wing, R., Janesky, J. and Calder, J., IEEE, 36, 2752(2000).

3. Jung, K. B., Lambers, E. S., Childress, J. R., Pearton, S. J., Jenson, M. and Hurst, A. T., J. Vac. Sci. Technol., A 16, 1697(1998).

4. Jung, K. B., Lambers, E. S., Childress, J. R., Pearton, S. J., Jenson, M. and Hurst, A. T., J. Appl. Phys. Lett., 71, 1255(1997).

5. Hong, J., Caballero, J. A., Lambers, E. S., Childress, J. R. and Pearton, S. J., J. Vac. Sci. Technol., A 16, 3349(1998).