KR100234363B1 - 강유전막의 식각 가스 - Google Patents

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Abstract

아르곤 가스(Ar), 브롬화 수소 가스(HBr) 및 사불화 탄소 가스(CF4)를 포함하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스에 있어서, CHF3가스를 더 포함하여 강유전막과 내열성 금속에 대해 높은 식각 선택비를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스가 개시된다.
본 발명에 의하면, 강유전막의 과도 식각에 따른 전극 박막의 손상과 절연 산화막의 피팅(pitting)현상 및 두께 불균일을 방지할 수 있으므로 신뢰성 높은 반도체 소자를 제조할 수 있다.

Description

강유전막의 식각 가스
DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 집적도가 증가함에 따라, 제한된 셀 면적내에서 캐패시턴스를 증가시키기 위한 많은 방법들이 제안되고 있는데, 보통 다음의 세 가지로 나뉘어질 수 있다. 즉, ① 유전막을 박막화하는 방법, ② 커패시터의 유효면적 증가를 위해 커패시터 구조를 입체화시키는 방법, 및 ③ 유전 상수가 큰 물질을 사용하는 방법이 그것이다.
이 중, 첫 번째 방법은 유전막의 두께를 100Å 이하로 박막화하는 경우 파울러 노드하임(Fowler-Nordheim) 전류에 의해 신뢰성이 저하되므로 대용량 메모리 소자에 적용하기가 어렵다는 단점이 있다.
두 번째 방법은, 실린더 및 핀(Fin)형과 같은 3차원 구조의 커패시터를 제조하기 위하여 공정이 복잡해지고 공정 단가가 증가하게 되는 단점이 있다.
따라서, 최근에는 세 번째 방법, 즉, 기존의 실리콘 산화막이나 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 적층구조로 형성된 유전막과는 달리 자발 분극(spontaneous polarization) 현상을 갖고, 이들 보다 유전 상수가 보통 수백에서 1,000배 이상인 페로브스카이트(perovskite) 구조의 강유전 물질(ferroelectric material), 예컨대 PZT (Pb(Zr,Ti)O3)이나 BST (Ba(Sr,Ti)O3), STO((Sr,Ti)O3)등을 유전막으로 사용하는 방법이 채택되고 있다. 이때, 강유전막 커패시터의 전극은 고온의 산소 분위기에서도 산화되지 않고, 특성이 우수한 페로브스카이트 구조의 유전막 형성을 가능하게 하는 백금족 원소 예를 들면, 백금 (Pt: platinum)으로 형성된다.
강유전막 예를 들어 PZT는 일반적으로 졸-겔 스핀 온 코팅(SOL-GEL Spin On Coating) 방법으로 증착되는데, 졸-겔 스핀 온 코팅법에 의하면 하부 막질의 단차 구조(topography)와는 상관없이 평탄하게 막이 형성된다.
도 1은 졸-겔(SOL-GEL) 스핀 온 코팅(Spin On Coating)법에 의하여 백금 하부 전극상에 형성된 PZT층의 단면을 도시한다. 여기서, 참조 번호 10과 12는 각각 절연 산화막과 게이트 전극을 나타내며, 참조 번호 14와 16은 각각 백금막과 PZT막을 나타낸다.
따라서 졸-겔 스핀 온 코팅(SOL-GEL Spin On Coating)법으로 형성된 PZT 강유전막을 식각하는 경우에, 단차가 깊은 부위의 PZT를 제거하기 위해서는 과도 식각을 해야 하며 이때 PZT와 하부 막질과의 식각 선택비가 나쁘면 장시간의 과도 식각에 의해 하부 막질이 손상된다.
종래의 식각 가스는 백금족 원소 예를 들어, 백금(Pt)로 이루어진 박막과 강유전막 예를 들어, PZT에 대해서 거의 동일한 식각율을 가지므로 PZT막의 식각 공정에서 하부에 존재하는 백금막과 절연 산화막이 상당량 식각되었으며, 이로 인해서 피팅(pitting) 현상이나 하부 막질의 두께 불균일 현상이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명의 기술적 과제는 강유전막과 백금족 금속 박막에 대해 높은 식각 선택비를 갖는 식각 가스를 제공하는 것이다.
도 1은 백금 하부 전극상에 졸-겔(SOL-GEL) 스핀 온 코팅(Spin On Coating)법에 의하여 형성된 PZT 유전층의 단면을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 종래의 강유전막 식각 가스의 식각 선택비 (selectivity)를 보이는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따르는 강유전막 식각 가스의 식각 선택비를 보이는 그래프이다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여 아르곤 가스(Ar), 브롬화 수소 가스(HBr) 및 사불화 탄소 가스(CF4)를 포함하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스에 있어서, CHF3가스를 더 포함하여 강유전막과 백금족 금속 박막에 대해 높은 식각 선택비를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스가 제공된다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
강유전막, 예를 들어 PZT의 건식 식각 공정에서, 식각 선택비에 영향을 미치는 요소는 크게 식각 가스의 종류, 식각 가스량, 챔버내의 압력, KHz 파워(KHz power) 및 MHz 파워(MHz power) 등을 들 수 있다.
본 발명에서는, 백금족 금속 박막과 강유전막의 식각 선택비에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 무엇인지를 찾기 위해 몇 가지 실험을 실시하였다.
먼저, 소정의 패턴이 형성된 반도체 기판상에 졸-겔 스핀 온 글래스법으로 PZT를 도포하여 강유전막을 형성한다. 이어서, 상기 결과물상에 유기 포토레지스트(organic photoresist)로 식각 마스크를 형성하여 제1 시료를 준비한다.
여기서, 상기 강유전막은 PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3) 또는 PNZT(Pb(Nb)(Zr,Ti)O3)로도 형성할 수 있다. 또한, 상기 식각 마스크 패턴은 내열성 금속(refractory metal), 내열성 금속의 실리사이드(silicide), 내열성 금속의 산화물(refractory metal oxide), 또는 폴리실리콘(polysilicon) 등으로도 형성할 수 있다.
다음에, 또 다른 반도체 기판상에 스퍼터링(sputtering)에 의해 백금(Pt)을 증착한 후, 상기 결과물상에 유기성 포토레지스트로 식각 마스크를 형성하여 제2 시료를 준비한다.
여기서, 상기 전극은 이리듐(Ir) 또는 산화 이리듐(IrO2)으로 형성할 수도 있다. 또한, 제1 시료와 마찬가지로, 상기 제2 시료의 식각 마스크도 내열성 금속(refractory metal), 내열성 금속의 실리사이드(silicide), 내열성 금속의 산화물(refractory metal oxide) 또는 폴리실리콘(polysilicon) 등으로 형성할 수 있다.
이어서, 다음과 같은 실험 조건하에서 상기 제1 및 제2 시료를 반응성 이온 식각으로 60초 동안 식각한 후 상기 유기 포토레지스트 마스크를 각각 제거한다. 그후에, 스타일러스 계측기(stylus gauge) α-step을 이용하여 백금막과 PZT막의 식각율을 측정한다.
〈제1 실험예〉
아르곤 가스의 주입량과 MHz 파워(MHz power)를 고정한 상태에서 식각 가스의 조성, 식각 챔버내의 압력 및 KHz 파워(KHz power)의 변화에 따른 식각 선택비의 변화를 관찰하였다.
식각 가스의 일 구성 성분인 아르곤 가스의 주입량을 10sccm로 하고 MHz 파워(MHz power)를 500W로 고정한 다음, CF4가스와 HBr 가스의 조성비, 식각 챔버내의 압력 및 KHz 파워(KHz power)를 각각 변화시키면서 상기 제1 및 제2 시료의 PZT막과 백금막을 식각하여 표 1과 같은 결과를 얻었다.
표 1
전체가스 주입량 (sccm) CF4:HBr (sccm) 압 력 (mTorr) KHz파워 (W) 식각 선택비 (PZT/Pt) 균일도(%) (uniformity)
제1 조건 20 15:5 5 300 1.13 4.3
제2 조건 20 5:15 5 100 0.67 4.9
제3 조건 40 10:30 30 100 0.6 5.1
제4 조건 20 15:5 30 100 0.54 5.4
제5 조건 20 5:15 30 300 1.04 3.6
제6 조건 40 30:10 5 100 1.03 8.4
제7 조건 40 30:10 30 300 0.55 12.3
제8 조건 40 10:30 5 300 1.97 4.9
제1 비교예
CF4가스와 HBr 가스의 조성비에 따른 PZT막과 백금막의 식각 선택비 변화를 알아보기위해 상기 제2 조건과 제6 조건에서의 식각 선택비 및 제5 조건과 제7 조건에서의 식각 선택비를 각각 비교해 본다.
먼저, 제2 조건과 제6 조건에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 챔버내의 압력 및 KHz 파워(KHz power)를 각각 5 mTorr와 100W로 고정했을 때, CF4가스 주입량과 HBr가스 주입량의 비가 1:3인 제2 조건하에서 Pt에 대한 PZT의 식각 선택비는 0.67이며 CF4가스 주입량과 HBr가스 주입량이 3:1인 제6 조건하에서 식각 선택비는 보다 높은 1.03으로 나타났다.
한편, 제5 조건과 제7 조건에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 챔버내의 압력 및 KHz 파워(KHz power)를 각각 30mTorr와 300W로 고정했을 때, CF4가스 주입량과 HBr가스 주입량의 비가 1:3인 제5 조건하에서 식각 선택비는 1.04였으며, CF4가스 주입량과 HBr가스 주입량의 비가 3:1인 제6 조건하에서 식각 선택비는 보다 낮아진 0.55였다.
상기 결과로부터, CF4가스와 HBr가스의 조성비는 식각 선택비에 큰 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다. 동일한 결론을 제1 조건과 제8 조건을 비교함으로써 얻을 수 있다.
또한, 이러한 사실은 도2에 나타난 그래프에서도 보여진다.
제2 비교예
식각 챔버내의 압력 변화에 따른 식각 선택비의 변화를 알아보기 위해서 상기 제1 조건과 제7 조건, 그리고 제2 조건과 제3 조건하에서의 식각 선택비를 각각 비교해 본다.
먼저, 제1 조건과 제7 조건하에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 챔버내의 CF4:HBr의 조성비와 KHz 파워는 각각 3:1과 300W로 고정된다. 이때, 식각 챔버내의 압력이 5mTorr인 제1 조건하에서 식각 선택비는 1.13인 반면, 식각 챔버내의 압력이 30mTorr로 보다 높은 제7 조건하에서의 식각 선택비는 0.55로 보다 낮아졌다.
이어서, 제2 및 제3 조건에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 가스중의 CF4:HBr의 조성비와 KHz 파워는 각각 1:3 과 100W로 고정한다. 이때, 식각 챔버내의 압력이 5 mTorr인 제2 조건에서는 식각 선택비가 0.67 이었으며 식각 챔버내의 압력이 30mTorr로 보다 높아진 제3 조건에서는 식각 선택비가 0.6로서 보다 낮아졌다.
상기 결과로부터, 식각 챔버내의 압력이 낮을수록 백금막에 대한 PZT막의 식각 선택비가 커짐을 알 수 있다.
동일한 결론을 제4 조건과 제6 조건에서의 식각 선택비를 비교함으로써 얻을 수 있다.
제3 비교예
KHz 파워의 변화에 따른 식각 선택비의 변화를 알아보기 위해서 제2 조건과 제8 조건하에서의 식각 선택비를 비교하고, 제1 조건과 제6 조건에서의 식각 선택비를 비교해 본다.
먼저, 제2 및 제8 조건에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 가스중의 CF4:HBr의 조성비와 식각 챔버내의 압력을 각각 1:3 및 5 mTorr로 고정한다. 이때, KHz 파워가 100W인 제2 조건하에서 식각 선택비는 0.67로 나타났으며 KHz 파워가 300W로서 보다 높아진 제8 조건에서는 식각 선택비 또한 0.97로 높게 나타났다.
이어서, 제4 조건과 제7 조건하에서의 식각 선택비를 비교한다.
식각 가스중의 CF4:HBr의 조성비와 챔버내의 압력을 각각 3:1 및 30mTorr로 고정한다. 이때, KHz 파워가 100W인 제4 조건하에서 식각 선택비는 0.54로 나타났으며, KHz 파워가 300W로 보다 높아진 제7 조건하에서는 식각 선택비가 0.55로 높아졌다.
상기 결과로부터, KHz 파워가 높을수록 백금막에 대한 PZT막의 식각 선택비가 커짐을 알 수 있으며, 제3 조건과 제5 조건하에서의 식각 선택비를 비교하는 경우에도 동일한 결론을 얻을 수 있다.
이상의 결과들을 정리하면, 비록 각 조건의 변화에 따라 얻어진 최대 식각 선택비는 1.13으로서 만족한 결과를 얻을 수는 없었으나 챔버내의 압력이 낮을수록, KHz 파워가 높을수록 식각 선택비가 향상된다는 경향성을 파악할 수 있었다.
〈제2 실험예〉
전체 주입 가스량의 변화가 식각 선택비에 미치는 영향을 알아보기 위해 아르곤 가스를 10sccm로, 챔버내의 압력을 5mTorr로, KHz 파워를 250W로, MHz 파워를 500W로 고정시킨 후에 전체 주입 가스량을 변화시켰다.
도2 는 전체 주입 가스량을 20sccm으로 설정한 경우와 40sccm으로 설정한 경우에 식각 선택비의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 전체 가스 주입량이 20sccm에서 40sccm으로 2배 만큼 늘어났음에도 불구하고 식각 선택비는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
〈제3 실험예〉
제1 및 제2 실험예에서는 CF4와 HBr의 혼합 가스 및 일정량의 아르곤(Ar) 가스가 포함된 식각 가스를 사용한 반면, 제3 실시예에서는 상기의 식각 가스에 CHF3가스를 더 첨가하여 상기 제1 및 제2 시료에 대한 식각 공정을 실시하고 그에 따른 식각 선택비의 변화를 관찰하였다.
도 3은 KHz 파워와 MHz 파워를 각각 100W와 500W로 고정하고 HBr가스와 Ar가스의 주입량을 각각 10sccm로 하고 CF4가스의 주입량을 10sccm로 하는 식각 챔버내에 CHF3가스를 각각 0, 10, 30, 또는 50sccm 만큼 첨가한 경우에 Pt에 대한 PZT의 식각 선택비를 나타낸다.
도 3으로부터, CHF3가스의 첨가량이 증가할수록 Pt에 대한 PZT의 식각 선택비도 증가함을 알 수 있다. 또한 CHF3가스의 첨가량이 50sccm인 경우에는 식각 선택비가 2.25로서 상당히 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 이때, 상기 강유전막의 식각 가스중에 포함된 CHF3가스는 전체 가스의 30∼60%임이 바람직하다. 또, 상기 반응성 이온 식각은 KHz파워가 50∼500W이고, MHz파워가 50∼1200W이며, 반응 챔버내의 전체 압력이 1∼10mTorr인 것이 바람직하다.
상기의 실시예들로부터 CF4와 HBr가스에 첨가된 CHF3가스는 Pt에 대한 PZT의 식각 선택비를 높이는데 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, 식각 선택비는 식각 챔버내의 압력이 낮을수록, KHz 파워가 높을수록 보다 높아짐을 알 수 있다.
따라서, CHF3을 포함하는 식각 가스를 사용하여 강유전막을 식각하면, 강유전막의 하부에 존재하는 백금족 금속 박막과 산화막의 손상을 막을 수 있으므로 신뢰성 높은 반도체 소자를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형될 수 있다.

Claims (5)

  1. 아르곤 가스(Ar), 브롬화 수소 가스(HBr) 및 사불화 탄소 가스(CF4)를 포함하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스에 있어서, CHF3가스를 더 포함하여 강유전막과 백금족 금속막에 대해 높은 식각 선택비를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 CHF3가스의 주입량은 전체 식각 가스의 30%∼60% 인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강유전막은 PZT, PLZT(Pb(La,Zr)TiO3) 및 PNZT(Pb(Nb)(Zr, Ti)O3)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나임을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 백금족 금속막은 백금(Pt),이리듐(Ir) 및 산화 이리듐(IrO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어진 것임을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스.
  5. 제1항에 있어서, 유기 포토레지스트(organic photoresist), 내열성 금속(refractory metal), 내열성 금속의 실리사이드(refractory metal silicide), 내열성 금속의 산화물(refractory metal oxide) 및 폴리실리콘(polysilicon)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 마스크로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전막 식각 가스.
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