[논문]할로겐 플라즈마에 의한 Ge2Sb2Te5 식각 데미지 연구

장윤창; 유찬영; 유상원; 권지원; 김곤호

[국내논문] 할로겐 플라즈마에 의한 Ge2Sb2Te5 식각 데미지 연구
Investigation of Ge2Sb2Te5 Etching Damage by Halogen Plasmas 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.4, 2019년, pp.35 - 39

장윤창 (서울대학교 에너지시스템공학부) , 유찬영 (서울대학교 재료공학부) , 유상원 (서울대학교 에너지시스템공학부) , 권지원 (서울대학교 에너지시스템공학부) , 김곤호 (서울대학교 에너지시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Effect of Ge2Sb2Te5 (GST) chalcogen composition on plasma induced damage was investigated by using Ar ions and F radicals. Experiments were carried out with three different modes; the physical etching, the chemical etching, and the ion-enhanced chemical etching mode. For the physical etching by Ar ions, the sputtering yield was obtained according to ion bombarding energy and there was no change in GST composition ratio. In the plasma mode, the lowest etch rate was measured at the same applied power and there was also no plasma induced damage. In the ion-enhanced chemical etching conditions irradiated with high energy ions and F halogen radicals, the GST composition ratio was changed according to the density of F radicals, resulting in higher roughness of the etched surface. The change of GST composition ratio in halogen plasma is caused by the volatility difference of GST-halogen compounds with high energy ions over than the activation energy of surface reactions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 3D구조의 PRAM 제조 공정을 대비하여, 불활성 이온의 물리적 특성과 할로겐 라디칼에 의한 GST물질의 식각 손상 메커니즘을 연구한다. 블랭킷 웨이퍼(Blanket wafer)에 고에너지이온/저에너지 이온 + 할로겐 라디칼/고에너지 이온 + 할로겐 라디칼을 조사하여 각각 물리적 식각 (physical etching), 화학적 식각 (chemical etching), 이온 강화 화학적 식각 (ion enhanced chemical etching) 메커니즘을 조사한다.
블랭킷 웨이퍼(Blanket wafer)에 고에너지이온/저에너지 이온 + 할로겐 라디칼/고에너지 이온 + 할로겐 라디칼을 조사하여 각각 물리적 식각 (physical etching), 화학적 식각 (chemical etching), 이온 강화 화학적 식각 (ion enhanced chemical etching) 메커니즘을 조사한다. 이를 통해서 GST 식각 공정에서 PID 제어가능성에 대한 기반 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

이온 강화 화학적 식각 조건에서 SF6 몰분율에 따라 식각을 진행하여 F 라디칼 밀도 증가에 따른 식각 표면의GST 원소 구성비 변화를 Fig. 4에 정리하였다, 실험은 동일 인가 전력 (700 W)에서 수행하여 SF₆몰분율의 변화에 따라 F의 증가를 가정할 수 있었다. 표면 구성비는 Ge/Te와 Sb/Te로 측정하였으며 Fig.

제안 방법

Ar 이온과 F 라디칼의 GST 식각 특성 (식각률, GST 구성비 변화) 해석을 위해 Table 1과 같이 세가지 조건 (물리적 식각 (physical etching), 화학적 식각 (chemical etching), 이온강화 화학적 식각 (ion-enhanced chemical etching)으로 GST 블랭킷 웨이퍼 시편에 Ar 이온과 F 라디칼을 조사하였다. 각 운전 모드에 대한 공정 조건은 Table 2와 같다.
Ar 이온과 F 라디칼의 GST 식각 특성을 해석하기 위해물리적 식각, 화학적 식각, 이온 강화 화학적 식각 조건으로 GST 블랭킷 웨이퍼 시편을 처리하였다. Ar 이온의 물리적 식각을 통해 GST 물질의 스퍼터링 수율을 측정하였으며, 각 원소에 대한 스퍼터링 수율의 원소 비율에 따른 내분비로 나타났다.
Ar 이온과 F 라디칼의 GST 식각 특성을 해석하기 위해물리적 식각, 화학적 식각, 이온 강화 화학적 식각 조건으로 GST 블랭킷 웨이퍼 시편을 처리하였다. Ar 이온의 물리적 식각을 통해 GST 물질의 스퍼터링 수율을 측정하였으며, 각 원소에 대한 스퍼터링 수율의 원소 비율에 따른 내분비로 나타났다. 플라즈마 모드를 통해 이온에 의한 영향을 최소화한 공정 조건 (화학적 식각)에서 동일 인가전력 대비 가장 낮은 식각률이 측정되었고, GST 구성비의변화도 나타나지 않았다.
표면의 Ge, Sb, Te 간 성분비 변화는 동일 SEM 장비의 EDS촬영으로 측정하였다. GST 시편의 표면 미세 형상은 비접촉 3차원 미세 형상 측정기 (NANO view-E1000)로 측정하였다.
2의 검은색 네모 점이다. Ge, Sb, Te로 각각의 단일원소로 구성된 타겟에 이온을 입사하여 구한 스퍼터링수율의 문헌값 [11]으로부터 Ge/Sb/Te 구성비로 내분하여 구한 스퍼터링 수율을 비교하였다. 이때 Sb의 경우에는 Ar 이온으로 조사한 스퍼터링 수율 데이터를 찾지 못해Kr 이온 조사 결과로 대체하였다.
RIE 모드, Ar 플라즈마를 GST에 조사하여 Ar 이온에 의한 GST 물질의 스퍼터링 수율을 측정하였다. 스퍼터링수율 (Sputtering yield, SY)은 다음 식과 같이 식각률 (ER)로부터 계산하였다
장비의 구조는 선행 논문에서 자세히 서술되어본 논문에서는 생략하였으며, 본 연구에서는 소스 전원과 바이어스 전원을 모두 60 MHz 전원을 사용하였다. 고에너지 이온이 웨이퍼에 조사되지 않는 플라즈마 모드로 운전하기 위해 60 MHz 전원을 상부 전극에 인가했으며, 고에너지 이온을 이용하는 Reactive Ion Etching (RIE) 모드로 운전하기 위해 60 MHz 전원을 하부전극에 인가했다.
본 연구에서는 3D구조의 PRAM 제조 공정을 대비하여, 불활성 이온의 물리적 특성과 할로겐 라디칼에 의한 GST물질의 식각 손상 메커니즘을 연구한다. 블랭킷 웨이퍼(Blanket wafer)에 고에너지이온/저에너지 이온 + 할로겐 라디칼/고에너지 이온 + 할로겐 라디칼을 조사하여 각각 물리적 식각 (physical etching), 화학적 식각 (chemical etching), 이온 강화 화학적 식각 (ion enhanced chemical etching) 메커니즘을 조사한다. 이를 통해서 GST 식각 공정에서 PID 제어가능성에 대한 기반 자료를 제공하고자 한다.
식각 공정은 반도체 식각 공정에서 일반적으로 사용되고 있는 용량성 결합 플라즈마 (CCP) 장치에서 수행하였다 [8-9]. 장비의 구조는 선행 논문에서 자세히 서술되어본 논문에서는 생략하였으며, 본 연구에서는 소스 전원과 바이어스 전원을 모두 60 MHz 전원을 사용하였다.
1의 비율로 약 260 nm의 두께로 증착하였다. 식각률은 식각전후 시편의 단면을 SEM (FE-SEM 7800F Prime) 촬영으로 측정한 GST 층의 두께를 공정 시간으로 나누어 계산하였다. 표면의 Ge, Sb, Te 간 성분비 변화는 동일 SEM 장비의 EDS촬영으로 측정하였다.
Ge, Sb, Te로 각각의 단일원소로 구성된 타겟에 이온을 입사하여 구한 스퍼터링수율의 문헌값 [11]으로부터 Ge/Sb/Te 구성비로 내분하여 구한 스퍼터링 수율을 비교하였다. 이때 Sb의 경우에는 Ar 이온으로 조사한 스퍼터링 수율 데이터를 찾지 못해Kr 이온 조사 결과로 대체하였다. 이온에너지가 약 24 eV인 조건에서 약 0.
식각 공정은 반도체 식각 공정에서 일반적으로 사용되고 있는 용량성 결합 플라즈마 (CCP) 장치에서 수행하였다 [8-9]. 장비의 구조는 선행 논문에서 자세히 서술되어본 논문에서는 생략하였으며, 본 연구에서는 소스 전원과 바이어스 전원을 모두 60 MHz 전원을 사용하였다. 고에너지 이온이 웨이퍼에 조사되지 않는 플라즈마 모드로 운전하기 위해 60 MHz 전원을 상부 전극에 인가했으며, 고에너지 이온을 이용하는 Reactive Ion Etching (RIE) 모드로 운전하기 위해 60 MHz 전원을 하부전극에 인가했다.
식각률은 식각전후 시편의 단면을 SEM (FE-SEM 7800F Prime) 촬영으로 측정한 GST 층의 두께를 공정 시간으로 나누어 계산하였다. 표면의 Ge, Sb, Te 간 성분비 변화는 동일 SEM 장비의 EDS촬영으로 측정하였다. GST 시편의 표면 미세 형상은 비접촉 3차원 미세 형상 측정기 (NANO view-E1000)로 측정하였다.

대상 데이터

전자 밀도 및 온도/ F 라디칼 밀도/ 이온에너지 분포는 각각 랑뮤어 프로브, OES 광량 측정법 (actinometry),Retarding Field Energy Analyzer (RFEA)를 이용하였다. 측정된 입사 이온 에너지는 플라즈마 전위와 웨이퍼 표면의 전위차로 정의되며 실험 조건은 약 20~100 eV이다.

이론/모형

전자 밀도 및 온도/ F 라디칼 밀도/ 이온에너지 분포는 각각 랑뮤어 프로브, OES 광량 측정법 (actinometry),Retarding Field Energy Analyzer (RFEA)를 이용하였다. 측정된 입사 이온 에너지는 플라즈마 전위와 웨이퍼 표면의 전위차로 정의되며 실험 조건은 약 20~100 eV이다.

성능/효과

앞서 언급한 Ar 기체 - RIE 모드와 Ar+SF6 기체-플라즈마 모드에서 식각 공정한 결과, Ge/Sb/Te 구성비 변화가 거의 없었다. SEM-EDS로 표면의 Ge/Sb/Te 분포를 측정한 결과 전면적에서 균일한 분포를 가지는 매끄러운 표면을 유지하였다. 반면 고에너지 이온과 F 라디칼을 동시에 조사한 Ar+SF6 기체-RIE 모드에서 식각한 결과, Fig.
점선은 기준점인 식각 전 시편 (Pristine) 조건을 표기하였다. SF6 몰분율에 관계없이 식각률은 일정하게 측정되었고, 동일 인가 RF 전력에서 물리적 식각률의 약 1/5로 측정되었다. 식각 후 Ge/Sb/Te 원소 구성비도 식각 전 시편(pristine)과 큰 차이가 없다.
플라즈마 모드를 통해 이온에 의한 영향을 최소화한 공정 조건 (화학적 식각)에서 동일 인가전력 대비 가장 낮은 식각률이 측정되었고, GST 구성비의변화도 나타나지 않았다. 고에너지 이온과 F 할로겐 라디칼을 조사한 이온 강화 화학적 식각 조건에서 F 라디칼의 밀도에 따른 GST 구성비 변화가 나타났고, 표면에 미세패턴을 형성하여 거칠기가 증가하였다. 할로겐 플라즈마에서 Ge/Sb/Te 구성비 변화는 이온이 활성화 에너지를 제공하여 Ge/Sb/Te와 F 화합물을 형성한 후 휘발성 차이에 의해 나타난다.
이때 Sb의 경우에는 Ar 이온으로 조사한 스퍼터링 수율 데이터를 찾지 못해Kr 이온 조사 결과로 대체하였다. 이온에너지가 약 24 eV인 조건에서 약 0.5 atoms/ion의 스퍼터링 수율로 예상보다 높게 측정되었다. 이는 Ge/Sb/Te 단일 원소 타겟을 조사한 경우보다 낮은 에너지 조건에서 스퍼터링이 일어날 수있다는 것을 보여준다.
Ar 이온의 물리적 식각을 통해 GST 물질의 스퍼터링 수율을 측정하였으며, 각 원소에 대한 스퍼터링 수율의 원소 비율에 따른 내분비로 나타났다. 플라즈마 모드를 통해 이온에 의한 영향을 최소화한 공정 조건 (화학적 식각)에서 동일 인가전력 대비 가장 낮은 식각률이 측정되었고, GST 구성비의변화도 나타나지 않았다. 고에너지 이온과 F 할로겐 라디칼을 조사한 이온 강화 화학적 식각 조건에서 F 라디칼의 밀도에 따른 GST 구성비 변화가 나타났고, 표면에 미세패턴을 형성하여 거칠기가 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원 구조의 PRAM 소자 제조를 위한 필수 공정은?	3차원 구조의 PRAM 소자 제조를 위해서 대표적인 PCM 물질인 칼코겐 화합물 (Ge2Sb2Te5, GST)의 식각 공정은 필수적이다 [5]. GST 식각 공정은 Ar 플라즈마 기반의 Cl/F/Br 등의 할로겐 라디칼에 의한 식각 반응을 이용하고 있다 [5-6].
	PRAM 메모리 소자의 집적도를 향상시킬 수 있는 방법은?	위상 변화 물질 (Phase Change Material, PCM)의 저항 가열(Ohmic heating)을 이용하는 PRAM 메모리 소자는 수 nm 선폭의 미세 구조로 설계/제작 시 구동 전류의 최소화가 가능하며 전류 공급 및 스위칭 기능의 CMOS 혹은 FET 회로의 크기를 줄임으로써 집적도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다 [1-3]. 또한 DRAM과 Flash 메모리 소자 제작 기술 개발 과정과 같이 PRAM 소자 역시 집적도를 향상시키기 위해 X-point array, Vertical-chain-cell (VCC) type등의 3차원의 구조로 설계/제작하는 연구가 진행되고 있다 [4-5].
	Ar 이온과 F 라디칼의 GST 식각 특성상 표면의 거칠기를 높이는 요인은?	플라즈마 모드를 통해 이온에 의한 영향을 최소화한 공정 조건 (화학적 식각)에서 동일 인가전력 대비 가장 낮은 식각률이 측정되었고, GST 구성비의변화도 나타나지 않았다. 고에너지 이온과 F 할로겐 라디칼을 조사한 이온 강화 화학적 식각 조건에서 F 라디칼의 밀도에 따른 GST 구성비 변화가 나타났고, 표면에 미세패턴을 형성하여 거칠기가 증가하였다. 할로겐 플라즈마에서 Ge/Sb/Te 구성비 변화는 이온이 활성화 에너지를 제공하여 Ge/Sb/Te와 F 화합물을 형성한 후 휘발성 차이에 의해 나타난다. GST 식각 공정에서 PID로 인한 구성비 변화는 식각면에서 불균일하게 형성되며 거칠기를 높인다.

참고문헌 (11)

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Pirovano, A. et al., "Elecronic Switching in Phase-Change Memories," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 51, pp. 452-459, 2004.

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Kang, S.-K., "Effect of Halogen-Based Neutral Beam on the Etching of Ge2Sb2Te5," J. of the Electrochemical Society, Vol. 158, pp. H768-H771, 2011.

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Li, J. et al., "Direct evidence of reactive ion etching induced damages in Ge2Sb2Te5 based on differenct halogen plasmas," Applied Surface Science, Vol. 378, pp. 163-166, 2016

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Choi, M.-S., Jang, Y., Lee, S.-H., and Kim, G.-H., "Electrode Charging Effect on Ion Energy Distribution of Dual-Frequency Driven Capacitively Coupled Plasma Etcher," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 13, pp. 39-43, 2014.
Kim, H.-C., "Effects of Phase Difference between Voltage Waves Applied to Primary and Secondary Electrodes in Dual Radio Frequency Plasma Chamber," J. of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 4, pp. 11-14, 2005
Cho, E. et al., "Atomic and electronic structures of amorphous Ge2Sb2Te5; melt-quenched versus ideal glasses, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 22, pp. 20554-205510, 2010.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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