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가설 설정
- 그림에 나타난 바와 같이, Cl species에서 방출된 스펙트럼은 2개의 피크로 나누어짐을 알 수 있다. 본 실험에서, OES 스펙트럼 deconvolutione 위해 피크 세기는 Gaussian 분포로 가정하였다. 2개의 피크는 각각 251.
제안 방법
- Ar 가스 혼합비 변화에 따른 플라즈마내에서 형성되는 Cl species의 방출 세기의 변화를 조사하였다. 그림 2의 (a)는 Ar 43 %인 경우의 OES 스펙트럼을 나타낸 것이다.
- 그림 1. Cl2 가스의 유량변화에 따른 GST 박막, SiO2 및 감광막의 식각 속도 비교.
- PRAM의 구조에서 SiO2층은 GST 박막의 하부 물질로 사용되고, 감광막의 식각 마스크 재료로 사용되므로, 이들의 식각 특성을 추출하였다. 이들의 식각 선택비를 추출하기 위하여, 2 cm X 2 cm 크기의 GST, SiO2 및 감광막 시료를 동시에 식각하였으며 식각된 GST 박막의 두께는 Tencor Instrument의 Alpha step 500 surface profiler 및 Nanospec 3000 spectroscopic reflectometer를 이용하였다.
- 이때 사용된 OES는 Princeton Applied Resear 사■의 EG&G 1460 optical multichannel analyzer (OMA)이며, 1024 channel linear diode array# °1 용하여 광 방출 스펙트럼을 추출하였다. Stray light 및 검출기 잡음에 기인한 background spectrum을 제거한 후, 특정 원자나 분자에 의해 방출되는 피크 크기를 추출하였다.
- 그림 2에서 나타난 C1 라디칼 농도의 변화가 GST 박막의 표면 반응에 미치는 영향을 조사하기 위하여 XPS 분석을 실시하였다. 그림 3은 식각 전의 GST 박막과 식각된 GST 박막 표면의 상대적 원소 비를 나타낸 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 optical emissio spectroscopy (OES) 분석을 통해 Cl radical 특성 변화를 추출하고, X-ray photoemission spectroscopy (XPS) 분석을 통해 식각 표면 반응을 조사하였으며, 이들 결과를 토대로, 식각 기구를 해석하였다.
- 이러한 습식 식각 기술은 나노 사이즈의 GST 박막의 패터닝이 불가능 할 뿐만이 아니라, GST 박막이 결정 구조인 경우, 습식 식각의 균일성을 확보할 수 없는 문제가 있다. 또한 Ik Hyun Parke CleAr 가스를 이용하여, GST 박막을 ICP 식각 장비를 활용하여 식각 하고 그 결과를 발표하였다[8]. 이들은 주로 공정 변수에 따른 식각 속도와 식각 단면의 변화를 고찰하였으나, 플라즈마 특성 혹은 표면 반응에 대한 분석은 수행되지 않았다.
- 식각에 사용되는 C12와 Ar 가스의 총 유량은 70 seem 으로 고정하엿으며, Ar 가스의 혼합비는 43 %에서 86 %까지 변화시켰다. 또한 유도코일에 인가되는 소스 전력, 하부 척에 인가되는 바이어스 전력과 공정 압력은 각각 500 W, 200 W, 4 mTorr로 고정하였다.
- 본 실험에서 XPS 분석을 위하여 각각의 시료를 1분 동안 식각 후 XPS 분석을 실시하였다. 이는 그림 1에 나타난 식각 속도를 감안하면 약 50 -270 nm이상의 GST 박막이 제거되었음을 의미한다.
- 본 연구에서, ICP 식각 장치를 이용하여 Ge2Sb2Te5 박막을 C1 丿Ar 가스 플라즈마로 식각하였으며, OES 및 XPS 분석장치를 이용하여 식각기구를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 GST 박막을 식각하기 위해 고진공 하에서 고밀도 플라즈마를 형성하는 ICP 식각 장비를 사용하였다[9]. 플라즈마 생성을 위해 챔버 상부에 유도 코일이 감겨져 있으며, 13.
- 식각 전후의 GST 박막 조성비와 식각 특성을 알아보기 위하여 XPS 분석을 하였으며 XPS 분석을 위하여 VG scientific의 ESCALab 220-IXL을 사용하였으며 X-ray source로는 Mg Ka 1253.6 eV를 이용하였다. 식각이 완료된 GST 샘플에서 C1 은 공기중에 노출되면 쉽게 휘발되므로 C1 의 특성 피크를 검출하기 위해 식각 후에 샘플 주위를 진공 상태로 유지하였다.
- 이들의 식각 특성을 추출하였다. 이들의 식각 선택비를 추출하기 위하여, 2 cm X 2 cm 크기의 GST, SiO2 및 감광막 시료를 동시에 식각하였으며 식각된 GST 박막의 두께는 Tencor Instrument의 Alpha step 500 surface profiler 및 Nanospec 3000 spectroscopic reflectometer를 이용하였다.
- 플라즈마내에서 chemical species의 특성을 조사하기 위하여, 식각 공정 중 OES 분석을 실시하였다. 이때 사용된 OES는 Princeton Applied Resear 사■의 EG&G 1460 optical multichannel analyzer (OMA)이며, 1024 channel linear diode array# °1 용하여 광 방출 스펙트럼을 추출하였다.
대상 데이터
- GST 박막의 식각 가스로는 C12와 Ar 의 혼합가스를 이용하였다. 식각에 사용되는 C12와 Ar 가스의 총 유량은 70 seem 으로 고정하엿으며, Ar 가스의 혼합비는 43 %에서 86 %까지 변화시켰다.
성능/효과
- 본 실험에서, OES 스펙트럼 deconvolutione 위해 피크 세기는 Gaussian 분포로 가정하였다. 2개의 피크는 각각 251.6 및 255.2 nm의 파장에서 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 각각 C1 5S°2 - 节3 및 Cl 5S°2 - 3F2 천이에 해당한다[10].
- Ar 가스의 양이 늘어날수록 GST 박막의 식각 속도는 감소되었으며, Ar 가스의 혼합비가 43 - 86 %인 범위에서, 식각 속도가 278 - 51 nm/min로 단조 감소하였다. 한편 self de bias의 경우에는 -234 V 에서 -150 V로 감소함을 확인하였다.
- GST 박막의 식각 속도는 Ar 가스의 혼합비가 증가함에 따라 감소하였으며, Ar 가스의 혼합비가 43 %인 조건에서 278 nm/min의 식각 속도를 얻었다. SiCh의 식각 선택비는 12:1 이상의 높은 선택 비를 얻었으며, 감광막의 선택비는 Ar 가스 혼합비가 증가함에 따라 감소함을 확인하였다.
- SiCh의 식각 선택비는 12:1 이상의 높은 선택 비를 얻었으며, 감광막의 선택비는 Ar 가스 혼합비가 증가함에 따라 감소함을 확인하였다. 한편 XPS 분석 결과로부터 Ge 및 Sb와 Te의 식각 기구가 다름을 확인하였다.
- 이는 그림 1에 나타난 식각 속도를 감안하면 약 50 -270 nm이상의 GST 박막이 제거되었음을 의미한다. 또한 O KLL Auger peak를 살펴본 결과, 식각된 시료에서는 거의 산소가 존재하지 않음을 확인하였다. 따라서 1220.
- 산화막의 경우에는, GST 박막의 식각 속도 변화와 거의 유사한 경향을 보임을 알 수 있다. 본 실험 범위내에서 SiO2의 대해 12:1이상의 높은 식각 선택비를 얻었다. 한편 감광막의 식각 속도는 Ar fraction이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다.
- 이상의 결과를 요약하면, GST 박막의 구성 요소인 Ge 및 Sb의 경우에는 spontaneous reaction mechanism에 의해 식각되고, Te의 경우에는 Te halide# 형 성 하고, °] 러 한 Te halide가 inobombardment desportion되어 식각이 진행되는 것으로 판단된다.
- SiCh의 식각 선택비는 12:1 이상의 높은 선택 비를 얻었으며, 감광막의 선택비는 Ar 가스 혼합비가 증가함에 따라 감소함을 확인하였다. 한편 XPS 분석 결과로부터 Ge 및 Sb와 Te의 식각 기구가 다름을 확인하였다. 즉 Ge 및 Sb의 경우에는 이들의 halide가 높은 증기압을 갖고, 그 결과 spontaneous reaction mechanism에 의해 식각이 진행되었다.
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