[논문]유도결합형 BCl3/Ar 플라즈마를 이용한 Al2O3 박막의 식각 특성

김용근; 권광호

doi:10.4313/jkem.2011.24.6.445

[국내논문] 유도결합형 BCl3/Ar 플라즈마를 이용한 Al2O3 박막의 식각 특성
A Study of Al2O3 Thin Films Etching Characteristics Using Inductively Coupled BCl3/Ar Plasma 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.6, 2011년, pp.445 - 448

김용근 (고려대학교 제어계측공학과) , 권광호 (고려대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the etching characteristics of $Al_2O_3$ thin films were investigated using an ICP (inductively coupled plasma) of $BCl_3$/Ar gas mixture. The etch rate of $Al_2O_3$ thin films as well as the $SiO_2/Al_2O_3$ etch selectivity were measured as functions of $BCl_3$/Ar mixing ratio (0~100% Ar) at a constant gas pressure (10 mTorr), total gas flow rate (40 sccm), input power (800 W) and bias power (100 W). The behavior of the $Al_2O_3$ etch rate was shown to be quite typical for ion-assisted etch processes with a dominant chemical etch pathway. To analyze the etching mechanism using DLP (double langmuir probe), OES (optical emission spectroscopy) and surface analysis using XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) were carried out.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Al₂O₃ 박막을 BCI₃/Ar 가스 플라즈마를 이용하여 식각하였고 또한, Al₂O₃ 박막의 하드 마스크로 사용되는 SiO₂의 식각 선택비를 조사 하였다.
Negative self dc bias는 이온들이 기판표면에 충돌할 때의 ion bombardment energy를 알아보기 위해 측정하였다. negative self dc bias는 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 (170∼130 V)까지 감소하였다.

제안 방법

또한 식각 메커니즘을 규명하기 위해 DLP (double langmuir probe) 및 OES (optical emission spectroscopy) 을 이용하여 플라즈마 진단을 수행하여 플라즈마 내의 하전입자와 라디칼의 거동을 조사 하였으며, XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통하여 식각 메커니즘을 분석하였다.
(q) 40 sccm, ICP 파워 800 W 그리고 바이어스파워 100 W로 고정하였으며 BCI3/Ar 혼합가스를 사용하여 Ar가스유량을 0∼100(%) 로 변화시켰다.
식각 전후의 Al2O3 박막 표면분석을 하기 위해 VG scientific의 ESCALab 220-IXL 장비를 사용하여 XPS 분석하였으며 ｘ-ray source로는 Mg Kα 1,253.6(eV)를 이용하였다.
Al₂O₃ 박막과 하드 마스크 물질인 SiO₂ 의 식각 선택비를 조사하였다. 조사과정에서 사용된 SiO₂ 는 Al₂O₃ 박막 식각 실험 중 하드마스크로 사용되는 SiO₂와 같은 조건으로 실리콘(Si) 위에 약 300 (nm) 성장시켰고, 동시에 실험하여 식각 선택비를 조사 하였으며 Al₂O₃ 박막의 사용되는 SiO₂ 하드 마스크는 식각 실험 후 Al₂O₃ 의 박막의 식각속도를 측정하기 위해 잔여물을 BOE（buffer oxide etchant) 를 사용하여 스트립(strip)하였다.
의 식각 선택비를 조사하였다. 조사과정에서 사용된 SiO₂ 는 Al₂O₃ 박막 식각 실험 중 하드마스크로 사용되는 SiO₂와 같은 조건으로 실리콘(Si) 위에 약 300 (nm) 성장시켰고, 동시에 실험하여 식각 선택비를 조사 하였으며 Al₂O₃ 박막의 사용되는 SiO₂ 하드 마스크는 식각 실험 후 Al₂O₃ 의 박막의 식각속도를 측정하기 위해 잔여물을 BOE（buffer oxide etchant) 를 사용하여 스트립(strip)하였다.
식각된 Al₂O₃ 박막, SiO₂의 두께는 Tencor Instrument의 alpha step 500 surface profiler를 사용하여 조사하였다. 식각 메커니즘을 도출하기 위하여 DLP　(DLP2,000, Plasmart Inc.
의 두께는 Tencor Instrument의 alpha step 500 surface profiler를 사용하여 조사하였다. 식각 메커니즘을 도출하기 위하여 DLP　(DLP2,000, Plasmart Inc.)를 사용하여 이온 전류 밀도를 조사하였고, BCI₃/Ar 플라즈마 내에서 화학종들의 특성을 조사하기 위하여 OES (FC-UV600-2 JiNYOUNG Inc.) 분석을 하였다. 식각 전후의 Al₂O₃ 박막 표면분석을 하기 위해 VG scientific의 ESCALab 220-IXL 장비를 사용하여 XPS 분석하였으며 ｘ-ray source로는 Mg Kα 1,253.
negative self dc bias는 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 (170∼130 V)까지 감소하였다. BCI₃/Ar 플라즈마 특성이 Al₂O₃ 박막의 식각속도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 DLP를 사용하였다.
이것은 BCI₃/Ar 플라즈마의 이온 전류 밀도가 감소함을 알 수 있으며 이에 따라 주 식각 메커니즘이 물리적, 화학적 식각이 아니라 이온보조 식각 메커니즘이라 추론할 수 있다. 우리는 Al₂O₃ 박막의 식각 속도에 중요한 활성종인지 알아보기 위해 OES에서 광세기 변화를 Cl 과 Ar 라디칼의 광세기 변화를 조사하였다.
우리는 그림 1에서 ion bombardment energy가 Ar 유량이 증가함에 따라 감소하는 것을 조사하였다. 이와 같은 현상이 Al₂O₃ 박막표면 미치는 영향을 알아보기 위하여 XPS 분석을 하였다.
본 연구에서는 ICP 식각 장비를 이용하여 Al₂O₃ 박막을 BCI₃/Ar 플라즈마로 식각하였다. Al₂O₃ 박막 구조에서 SiO₂층은 하부물질로 사용되어, 이 둘의 식각 특성을 추출하여 식각 선택비를 조사하였다.
/Ar 플라즈마로 식각하였다. Al₂O₃ 박막 구조에서 SiO₂층은 하부물질로 사용되어, 이 둘의 식각 특성을 추출하여 식각 선택비를 조사하였다. BCI₃/Ar 가스 혼합비에서 Ar 가스의 비율이 20% 인 조건에서 110 (nm/min) 으로 가장 높은 식각 속도를 보였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Al₂O₃ 박막은 SiO₂ 위에 O₂ 와 트리메틸 알루미늄 (trimethylaluminum)을 공정가스로 이용하여 PEALD (plasma enhaced atomic layer deposition) 장비를 사용하여 약 290(nm)를 증착 하였으며 그 위에 식각 실험 중 하드마스크로 사용 되는 SiO₂는 O₂ 가스를 공정 가스로 화학기상증착 (chemical vapor deposition, CVD) 를 이용하여 약 300(nm) 성장하였다.

성능/효과

가스 혼합비중 Ar 100% 비율에서는 화학 반응 없이 Ar라디칼 및 이온의 스퍼터링에 의한 물리적 식각 효과만 있게 되어 식각 속도가 가스혼합비 중에서 가장 낮은 것으로 해석된다. 따라서 우리는 Al₂O₃ 박막의 식각속도와 플라즈마 진단인 OES 및 DLP를 분석한 결과, 주 식각 메커니즘은 이온보조식각 메커니즘이라 해석할 수 있다.
BCI₃/Ar 가스 혼합비에서 Ar 가스의 비율이 20% 인 조건에서 110 (nm/min) 으로 가장 높은 식각 속도를 보였다. Ion bombardment energy와 DLP 측정결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 전체 플라즈마 이온전류 밀도는 감소하였고, 식각 속도는 Ar 가스 유량이 20% 까지는 반대의 경향을 이후에는 같은 경향이 조사되었다. OES 측정 결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 Cl 라디칼은 증가, Ar 라디칼은 감소하였으며, Cl 라디칼은 Al₂O₃ 박막의 식각속도와 유사한 경향을 보였다.
Ion bombardment energy와 DLP 측정결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 전체 플라즈마 이온전류 밀도는 감소하였고, 식각 속도는 Ar 가스 유량이 20% 까지는 반대의 경향을 이후에는 같은 경향이 조사되었다. OES 측정 결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 Cl 라디칼은 증가, Ar 라디칼은 감소하였으며, Cl 라디칼은 Al₂O₃ 박막의 식각속도와 유사한 경향을 보였다. XPS 분석 결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 Al-O 결합이 낮은 결합력으로 이동하였으며 이에 따라 Cl 원자가 Al-O 결합에 침투하여 Al₂O₃ 박막 표면에 AlCl_x의 식각 부산물이 표면에 남아 있는 것으로 사료할 수 있다.
OES 측정 결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 Cl 라디칼은 증가, Ar 라디칼은 감소하였으며, Cl 라디칼은 Al₂O₃ 박막의 식각속도와 유사한 경향을 보였다. XPS 분석 결과 Ar 가스 비율이 증가함에 따라 Al-O 결합이 낮은 결합력으로 이동하였으며 이에 따라 Cl 원자가 Al-O 결합에 침투하여 Al₂O₃ 박막 표면에 AlCl_x의 식각 부산물이 표면에 남아 있는 것으로 사료할 수 있다.
이와 같은 결과를 종합하여 우리는 Al₂O₃ 박막을 BCI₃/Ar 플라즈마를 이용한 식각 메커니즘은 이온 보 조식각 메커니즘이라 결론내릴 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al2O3 박막은 어떤 응용 분야를 가지고 있는가?	그 중에서도 강유전체 물질인 Al2O3 박막은 기존에 SiO2보다 높은 유전상수(∼10), 높은 밴드갭(∼6.5 eV) 낮은 누설전류 등의 장점을 가지고 있으며, 이 물질은 메모리소자 뿐만 아니라 액정 표시장치(LCD), 발광 소자(LED) 등 많은 응용 분야를 가지고 있다 [3,4].
	Al2O3 박막에서 자발적으로 Cl 원자가 Al-O 결합에 침투하기 위해서는 무엇이 필요한가?	그러나 Al2O3 박막은 Al 과 O 사이의 강한 결합력{Al-O (511±3 KJ/mol)}를 가지고 있다 [10]. 그러므로 자발적으로 Cl 원자가 Al-O 결합에 침투하지 못하며 침투하기 위해서는 ion bombardment energy 가 필요하다.
	Al2O3 박막의 장점은?	급격한 현대사회에서 다양한 정보 기억 장치 및 각종 휴대용 정보기기의 수요가 증대하고 있으며, 또한 고속화, 고집적화 및 절전화가 가능하며 저장된 정보가 휘발되지 않는 박막형 강유전체 메모리 반도체 소자에 대한 많은 연구가 진행되고 있다 [1,2]. 그 중에서도 강유전체 물질인 Al2O3 박막은 기존에 SiO2보다 높은 유전상수(∼10), 높은 밴드갭(∼6.5 eV) 낮은 누설전류 등의 장점을 가지고 있으며, 이 물질은 메모리소자 뿐만 아니라 액정 표시장치(LCD), 발광 소자(LED) 등 많은 응용 분야를 가지고 있다 [3,4].

참고문헌 (11)

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