KR100780404B1 - Dry Etching Method for Phase Change Materials - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상변화 물질 (GexSbyTez)에 대한 건식 식각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클로린계 가스 또는 브로민계 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마하여 상기 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 GexSbyTez 합금을 식각하는 단계를 포함하는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법에 대한 것으로서, 본 발명의 건식 식각에 따른 상변화 물질은 종래 화학용액을 사용하는 습식식각에 비해 그 결과로서 매우 빠른 식각속도와 재증착이 없는 깨끗한 이방성 식각 프로파일을 보이는 등 우수한 식각 특성을 나타낸다.The present invention relates to a dry etching method for a phase change material (Ge x Sb y Te z ), and more particularly, using the chlorine gas or bromine gas as an etching gas, the etching gas is plasma A dry etching method for a phase change material including etching a Ge x Sb y Te z alloy by ions and radicals, wherein the phase change material according to the dry etching of the present invention is wet etching using a conventional chemical solution. As a result, it shows excellent etching characteristics such as very fast etching rate and clean anisotropic etching profile without redeposition.

상변화 물질, 건식 식각, 플라즈마 식각법 Phase Change Materials, Dry Etching, Plasma Etching

Description

상변화 물질 (GexSbyTez)에 대한 건식 식각 방법{Dry Etching Method for Phase Change Materials}Dry Etching Method for Phase Change Materials

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 GST 박막의 X-선 회절 분석도; 1 is an X-ray diffractogram of a GST thin film deposited according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화 그래프; 2 is a graph illustrating etching rate change of a GST thin film for a Cl 2 / Ar etching gas according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 GST 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 주사전자현미경 (SEM; scanning electron mcrography) 사진; 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the change in the etching profile of the GST thin film with respect to the change in the concentration of Cl 2 / Ar etching gas according to an embodiment of the present invention;

도 4a ~ 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정 변수의 변화에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화 그래프; 4A to 4C are graphs showing changes in etching speed of a GST thin film with respect to changes in etching process parameters according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프; 5 is a graph showing an etching profile of a GST thin film according to a change in coil high frequency power according to an embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프; 6 is a graph showing an etching profile of a GST thin film according to a dc-bias voltage change according to an embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 압력 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프. 7 is a graph showing an etching profile of a GST thin film according to a change in gas pressure according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 시간 경과에 따른 GST 박막 표면의 조성 변화를 XPS (X-ray Photoelectron Spectrometer) 스펙트럼으로 측정하여 나타낸 그래프; 및 FIG. 8 is a graph illustrating a change in composition of the surface of a GST thin film with an etch time according to an embodiment of the present invention using an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) spectrum; And

도 9a ~ 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 있어서 특정 식각 시간에 따른 GST 막의 XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프. 9A to 9B are graphs showing XPS spectra of GST films according to specific etching times in one embodiment of the present invention.

본 발명은 상변화 물질 (GexSbyTez)에 대한 건식 식각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클로린계 가스 또는 브로민계 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마하여 상기 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 GexSbyTez 합금을 식각하는 단계를 포함하는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a dry etching method for a phase change material (Ge x Sb y Te z ), and more particularly, using the chlorine gas or bromine gas as an etching gas, the etching gas is plasma It relates to a dry etching method for a phase change material comprising etching the Ge x Sb y Te z alloy by ions and radicals.

휴대형 기기의 보급이 확산됨에 따라 비휘발성 메모리 소자의 수요가 급증하고 있는 추세이다. 비휘발성 메모리 소자로는 현재 널리 쓰이고 있는 플래시 메모리 이외에도 강유전체 메모리, 자기 메모리 및 상변화 메모리가 차세대의 비휘발성 메모리로 주목받고 있다. 특히, 상변화 메모리는 플래시 메모리가 가지고 있는 단점인 느린 접근속도, 사용횟수의 제한 (105 ~ 106 회) 및 작동 시 고전압이 필요하다는 문제점 등을 해결할 수 있는 새로운 메모리 소자로서 연구 개발되고 있다.With the spread of portable devices, the demand for nonvolatile memory devices is increasing rapidly. In addition to flash memory which is widely used as a nonvolatile memory device, ferroelectric memory, magnetic memory, and phase change memory are attracting attention as a next generation nonvolatile memory. In particular, phase change memory is being researched and developed as a new memory device that can solve the disadvantages of flash memory, such as slow access speed, limit on the number of times of use (10 5 to 10 6 times) and high voltage required during operation. .

상변화 메모리는 칼코제나이드 (chalcogenide) 계열의 상변화 물질을 사용하는 메모리 소자로서, Ge-Sb-Te 합금, 특히 Ge2Sb2Te5 (GST) 등이 사용되고 있다. 상변화 물질은 결정질 (crystalline)과 비정질(amorphous) 상태 사이에서 가역성 상변화 특성을 갖는 재료이며, 비정질일 때는 비저항(resistivity)이 높아지는 특성이 있으며, 결정질일 때에는 비저항이 낮아진다. 이러한 상변화 시의 비저항 변화를 이용하여 CD-RW, DVR 및 DVD-RAM 등에 디지털 데이터가 저장될 수 있게 된다. Phase change memory is a memory device using a chalcogenide-based phase change material, Ge-Sb-Te alloy, in particular Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) is used. The phase change material is a material having a reversible phase change characteristic between crystalline and amorphous states, and has a property of increasing resistivity when amorphous, and decreasing resistivity when crystalline. By using the resistivity change during the phase change, digital data can be stored in a CD-RW, a DVR and a DVD-RAM.

최근, 이러한 상변화 특성을 이용한 상변화 메모리 (PRAM; Phase-change Random Access Memory)에 대한 연구가 광범위하게 이루어지고 있다. PRAM의 장점은 비휘발성 메모리 소자라는 점과 읽기/쓰기 속도가 빠르고, 저전압에서 동작이 가능하며 고밀도의 집적도를 갖는다는 점이다. PRAM 장치는 강유전체 메모리 (FeRAM) 및 자기 메모리 (MRAM)와 함께 차세대 신규 메모리 소자로 주목을 끌고 있다. Recently, research on phase-change random access memory (PRAM) using such phase change characteristics has been extensively performed. The advantages of the PRAM are that it is a nonvolatile memory device, and it has high read / write speed, low voltage operation, and high density. PRAM devices, along with ferroelectric memory (FeRAM) and magnetic memory (MRAM), are attracting attention as next-generation new memory devices.

PRAM의 원리는 열처리에 의한 결정질 및 비정질 상태 간의 상변화에 따른 저 항차에 근거한다. 이러한 3 원 시스템의 화학양론적인 구성 중에서 상술한 바와 같은 Ge2Sb2Te5 (GST) 박막이 본 기술의 적용에 있어서 가장 적합한 재료 중 하나인 것으로 알려져 있다. The principle of PRAM is based on the resistance difference according to the phase change between crystalline and amorphous states by heat treatment. Among the stoichiometric configurations of such ternary systems, Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) thin films as described above are known to be one of the most suitable materials for the application of the present technology.

GST 박막 증착으로 화학용액을 이용하는 습식 식각 기술이 사용되어 왔으나, 이는 잔류물 등의 불순물 등에 쉽게 영향을 받는다는 점 및 등방성으로 식각이 이루어지는 등의 단점이 있다. Although wet etching technology using a chemical solution has been used for the deposition of GST thin films, it has disadvantages such as being easily affected by impurities such as residues and etching isotropically.

이를 극복하기 위해 여러 가지 GST 박막 증착 및 그 특성에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔지만, 건식 식각에 의한 패턴 전이 기술은 현재까지는 알려져 있지 않다.In order to overcome this problem, various GST thin film depositions and their characteristics have been extensively studied, but the pattern transfer technique by dry etching is not known until now.

이에 본 발명자들은 Cl2/Ar 가스 혼합의 고밀도 플라즈마 상에서 포토레지스트 마스크를 갖는 GST 박막의 반응성 이온 식각 기술에 대해 연구하던 중, 매우 빠른 식각속도와 우수한 식각 프로파일을 갖는 등의 우수한 식각 특성을 얻을 수 있는 최적의 건식 식각 공정변수들을 발견하고 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have been studying the reactive ion etching technology of the GST thin film having a photoresist mask on a high density plasma of Cl 2 / Ar gas mixture, and can obtain excellent etching characteristics such as very fast etching rate and excellent etching profile. Optimum dry etching process parameters were found and the present invention was completed.

따라서, 본 발명은 매우 빠른 식각속도 및 재증착이 없는 깨끗한 이방성 프 로파일을 보이는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a dry etching method for a phase change material exhibiting a clean anisotropic profile without very fast etching rate and redeposition.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 클로린계 가스 또는 브로민계 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마하여 상기 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 GexSbyTez 합금 (식 중, x, y 및 z는 정수)을 식각하는 단계를 포함하는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention uses a chlorine-based gas or bromine-based gas as an etching gas, and plasmas the etching gas to form a Ge x Sb y Te z alloy by ions and radicals in the plasma. , x, y, and z are integers), and provides a dry etching method for a phase change material.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 상변화 물질인 GexSbyTez 합금 (식 중, x, y 및 z는 정수)을 건식 식각하는 방법을 포함한다.The present invention includes a method of dry etching a Ge x Sb y Te z alloy, wherein x, y and z are integers.

본 발명에 있어서, 상기 식각 가스는 식각 물질과 화학적 반응에 의하여 식각이 일어나도록 하는 것으로 바람직하게는 클로린 계열의 가스를 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 Cl2, BCl3, SiCl4 등을 들 수 있다.In the present invention, the etching gas is to cause the etching by the chemical reaction with the etching material may be preferably used a chlorine-based gas, specific examples thereof include Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 and the like. have.

이 때, 클로린 계열의 식각 가스로서 Cl2를 사용하는 경우, 그 농도는 40 ~ 100 부피%이 바람직하며, 잔부는 He, Ne, Ar 및 N2 가스로부터 선택되는 불활성 가스로 보충하여 100 부피%로 만들어 사용할 수 있다. At this time, in the case of using Cl 2 as the chlorine-based etching gas, the concentration is preferably 40 to 100% by volume, and the balance is 100% by volume with an inert gas selected from He, Ne, Ar, and N 2 gases. Can be made and used.

또한, 상기 식각 가스로는 브로민 계열의 가스를 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 Br2, HBr 등을 들 수 있다.In addition, a bromine-based gas may be used as the etching gas, and specific examples thereof may include Br 2 and HBr.

본 발명에 있어서, 식각시키고자 하는 상변화 물질과 화학적 반응을 일으켜 식각을 수행할 수 있도록 하는 상기 식각 가스를 플라즈마 상태로 활성화시키는 방법을 특히 제한하는 것은 않으나, 바람직하게는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법 (ICPRIE; inductively coupled plasma reactive ion etching)을 포함하는 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법, 자기 증강 반응성 이온 식각법 (MERIE; magnetically enhanced reactive ion etching) 및 반응성 이온 식각법 (RIE; reactive ion etching) 중에서 선택된 고밀도 플라즈마 식각 방법을 사용하여 식각 공정을 수행할 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on a method of activating the etching gas to a plasma state by causing a chemical reaction with a phase change material to be etched so as to perform etching, but preferably an inductively coupled plasma reactive ion etching. Selected from high density plasma reactive ion etching (ICPRIE), magnetically enhanced reactive ion etching (MERIE) and reactive ion etching (RIE) The etching process may be performed using a high density plasma etching method.

상기 고밀도 플라즈마 식각법에 있어서, 재증착이 없는 깨끗한 이방성 프로파일을 나타내는 주요 공정 변수들로는 식각 가스 (etch gas), 코일 고주파 전력 (coil rf power), 기판에 인가되는 dc-바이어스 전압 (dc-bias voltage), 가스 압력 (gas pressure) 등이다. 이때, 본 발명에 있어서 우수한 식각 프로파일을 얻기 위한 가장 바람직한 식각 공정 변수들의 범위는 코일 고주파 전력이 200 ~ 400 W, dc 바이어스 전압이 100 ~ 200 V, 및 가스 압력이 1 ~ 10 mTorr의 범위이다. In the high-density plasma etching method, the main process parameters showing a clean anisotropy profile without redeposition include etch gas, coil high frequency power, and dc-bias voltage applied to the substrate. ), Gas pressure and the like. At this time, the range of the most preferable etching process parameters for obtaining an excellent etching profile in the present invention is a coil high frequency power of 200 ~ 400 W, dc bias voltage of 100 ~ 200 V, and gas pressure of 1 ~ 10 mTorr.

상기와 같이 제조되는 상변화 물질은 상변화 (광)디스크 및 상변화 저장 장치의 생산에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 차세대 반도체 메모리로서 활발히 연구되고 있는 상변화 반도체 메모리 소자의 제조에 적용될 수 있다. The phase change material manufactured as described above can be applied not only to the production of phase change (optical) disks and phase change storage devices, but also to the production of phase change semiconductor memory devices that are being actively studied as next generation semiconductor memories.

이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로 본 발명의 내용이 하기 도면의 일 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않음은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the accompanying drawings. However, the following examples and drawings are provided to aid the understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited or limited by the embodiments of the following drawings.

<< 실시예Example 1>  1> 상변화Phase change 물질의 제조 Manufacture of substances

Pt/Ti가 피복된 SiO2/Si 기판 상에 GST 박막을 rf 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착시켰다. 세라믹 타겟 조성은 Ge:Sb:Te가 14.1:23.7:62.2 (중량%)가 되게 조성하였다. 기판을 타겟 중심축으로부터 70 mm 거리에 배치하였다. 균일한 막 증착을 위해 기판을 실온에 방치하고, 12 회전/분의 속도로 회전시켰다. 증착된 GST 박막을 고온로 내 N2 가스 분위기하에서 150 ~ 400℃의 온도 범위에서 열처리하였다. 온도 변화에 따른 상변화는 X-선 회절 (XRD; X-ray diffraction) 분석을 통 해 확인하였다. 400 nm 두께의 GST 필름을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판 상에 증착시킨 다음, GST 막 상에 직접적으로 포토레지스트 마스킹을 수행하였다. 사용된 식각 장비로는 고밀도 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 시스템 (ICPRIE; inductively coupled plasma reactive ion etch system)을 사용하였다. A GST thin film was deposited by rf magnetron sputtering on a Pt / Ti coated SiO 2 / Si substrate. The ceramic target composition was made such that Ge: Sb: Te was 14.1: 23.7: 62.2 (% by weight). The substrate was placed at a distance of 70 mm from the target central axis. The substrate was left at room temperature for uniform film deposition and spun at a rate of 12 revolutions / minute. The deposited GST thin film was heat-treated in a temperature range of 150 to 400 ° C. under N 2 gas atmosphere in a high temperature furnace. Phase change with temperature change was confirmed by X-ray diffraction (XRD) analysis. A 400 nm thick GST film was deposited on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate, followed by photoresist masking directly on the GST film. The etching equipment used was an inductively coupled plasma reactive ion etch system (ICPRIE).

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 GST 박막의 X-선 회절 분석도이다. 1 is an X-ray diffractogram of a GST thin film deposited according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 GexSbyTez (GST) 박막은 진공 박막증착법 중 하나인 스퍼터링법 (sputtering)을 사용하여 증착되었다. GST 타겟과 Ar 가스를 이용하여 Ge2Sb2Te5 박막을 증착하고, X-선 회절 분석법 (X-ray diffraction)을 이용하여 GST 박막의 상변화 특성을 확인하였다. 그 결과, 150도와 200도, 300도와 35O도 사이에서 GST 박막이 온도의 변화에 대하여 상변화를 일으키는 것이 관찰되었다.Referring to FIG. 1 , a Ge x Sb y Te z (GST) thin film according to an embodiment of the present invention was deposited using sputtering, which is one of vacuum thin film deposition methods. A Ge 2 Sb 2 Te 5 thin film was deposited using a GST target and an Ar gas, and the phase change characteristics of the GST thin film were confirmed by X-ray diffraction. As a result, it was observed that the GST thin film caused a phase change with temperature change between 150 degrees and 200 degrees, 300 degrees and 35 degrees.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화 그래프이다. FIG. 2 is a graph illustrating etching rate variation of a GST thin film with respect to a Cl 2 / Ar etching gas according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 2를 참조하면, 도 1에서와 같이 증착된 GST 박막 위에 포토레지스트 (photoresist)를 이용하여 리소그래피 공정에 의하여 마스크 패턴을 형성한 후에 클로린 계열의 대표적인 식각 가스인 Cl2 가스를 이용하고 400 W의 코일 고주파 전력 (coil rf power), 200 V의 dc-바이어스 전압 (dc-bias voltage), 5 mTorr의 공정압력에서 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법 (ICPRIE; inductively coupled plasma reactive ion etching) 장비를 사용하여 GST 박막을 식각하여 얻은 결과이다.Referring to FIG. 2 , after forming a mask pattern by a lithography process using a photoresist on a deposited GST thin film as shown in FIG. 1 , a Cl 2 gas, which is a representative chlorine-based etching gas, is used. Using inductively coupled plasma reactive ion etching (ICPRIE) equipment at coil rf power, 200 V dc-bias voltage, and 5 mTorr process pressure The result obtained by etching the GST thin film.

순수한 Ar 가스를 이용할 경우에 약 340 nm/min의 식각 속도를 얻었으며, 염소가 첨가됨에 따라 GST 박막의 식각 속도가 점진적으로 증가하는 경향을 보였으며, 60%Cl2/40%Ar의 식각 가스에서 무려 500 nm/min의 매우 빠른 식각 속도를 나타내었다. 특히, Cl2 가스의 증가에 대한 GST 박막의 식각 속도가 증가하는 것은 GST 박막이 잘 선택된 식각 가스와 식각 조건에서 반응성 이온 식각이 최대화되는 것을 의미하며, 식각 속도가 지속적으로 증가함을 알 수 있었다.When pure Ar gas was used, an etching rate of about 340 nm / min was obtained, and the etch rate of the GST thin film gradually increased as chlorine was added, and an etching gas of 60% Cl 2 /40% Ar was used. The etching rate was very fast at 500 nm / min. In particular, increasing the etching rate of the GST thin film with increasing Cl 2 gas means that the reactive ion etching is maximized under the well-selected etching gas and etching conditions, and the etching rate is continuously increased. .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 GST 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 주사전자현미경 (SEM; scanning electron mcrography) 사진이다. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a change in etching profile of a GST thin film with respect to a change in concentration of Cl 2 / Ar etching gas according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 도 2에서 얻어진 식각 속도 결과를 토대로 각 Cl2 농도에서 식각된 GST 박막의 식각 프로파일을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 결과이다. 순수한 Ar 가스를 이용하여 식각된 GST 박막은 식각된 박막의 측면에 미량의 재증착물질 (redeposited materials)이나 식각 잔류물 (etch residue)이 형성된 것이 관찰되었다. 그러나, 20% Cl2로부터 80%Cl2 가스를 사용한 GST 박막의 식각 결과는 식각된 측면에 재증착이나 식각 잔류물이 없는 깨끗한 식각 프로파일이 관찰되었다. 특히, Cl2 가스의 농도가 증가함에 따라 GST 박막의 식각 경사는 점점 더 개선되어서 80% Cl2 가스를 사용했을 경우에 가장 우수한 수직적인 이방성 (anisotrophy) 식각 프로파일을 보여주었다. Referring to FIG. 3 , the etching profile of the GST thin film etched at each Cl 2 concentration based on the etching rate result obtained in FIG. 2 is observed using a scanning electron microscope. GST thin films etched using pure Ar gas were observed to have trace amounts of redeposited materials or etch residues on the side of the etched thin films. However, the etching results of GST thin films using 20% Cl 2 to 80% Cl 2 gas showed a clean etching profile with no redeposition or etch residue on the etched side. In particular, as the concentration of Cl 2 gas was increased, the etch gradient of the GST thin film was gradually improved, showing the best vertical anisotrophy etching profile with 80% Cl 2 gas.

고밀도 플라즈마 식각법 중의 하나인 유도결합 반응성 이온 식각법 (ICPRIE)에서 식각의 주요 공정 변수들은 식각 가스 (etch gas), 코일 고주파 전력 (coil rf power), 기판에 인가되는 dc 바이어스 전압 (dc-bias voltage), 가스 압력 (gas pressure) 등이다. In inductively coupled reactive ion etching (ICPRIE), one of the high density plasma etching methods, the main process parameters of etching are etch gas, coil rf power and dc bias voltage applied to the substrate (dc-bias). voltage, gas pressure, and the like.

도 3에서 얻은 식각 결과로부터 식각 가스의 농도를 60%Cl2/40%Ar으로 고정하여 400 W 코일 고주파 전력, 200 V dc-바이어스 전압, 5 mTorr 가스 압력을 표준 식각 조건으로 고정하여 각각의 공정 변수들을 변화시켜 GST 박막의 식각 속도 및 식각 프로파일을 조사하였다. From the etching results obtained in FIG. 3 , the concentration of the etching gas was fixed at 60% Cl 2 /40% Ar, and each process was fixed at 400 W coil high frequency power, 200 V dc-bias voltage, and 5 mTorr gas pressure at standard etching conditions. Variables were varied to investigate the etch rate and etch profile of the GST thin film.

도 4a ~ 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정 변수의 변화에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화 그래프이다. 4A to 4C are graphs showing changes in etching speed of a GST thin film with respect to changes in etching process parameters according to an embodiment of the present invention.

도 4a는 코일 고주파 전력의 변화에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4a를 참조하면, 코일 고주파 전력이 200 W에서 600 W로 변화함에 따라 GST 박막의 식각 속도는 대략 330에서 600 nm/min으로 증가하였다. 이는 코일 전력이 증가함에 따라서 플라즈마 밀도가 증가하여 식각 속도가 증가한 결과이다. 4A is a graph illustrating a change in etching speed of a GST thin film with respect to a change in coil high frequency power. Referring to FIG. 4A , as the coil high frequency power is changed from 200 W to 600 W, the etching rate of the GST thin film is increased from approximately 330 to 600 nm / min. This is the result of increasing the plasma density and the etching rate as the coil power increases.

도 4b는 dc-바이어스 전압의 변화에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4b를 참조하면, dc-바이어스 전압이 100 V에서 300 V로 증가함에 따라 GST 박막의 식각 속도는 대략 330에서 640 nm/min으로 증가하였다. 이는 기판 (substrate)에 인가되는 dc-바이어스의 증가에 따라서 플라즈마 내의 양이온들이 더 큰 에너지를 가지고 GST 박막으로 끌려오기 때문이다. 4B is a graph showing a change in etching rate of a GST thin film with a change in a dc-bias voltage. Referring to FIG. 4B , as the dc-bias voltage was increased from 100 V to 300 V, the etching rate of the GST thin film increased from approximately 330 to 640 nm / min. This is because as the dc-bias applied to the substrate increases, the cations in the plasma are attracted to the GST thin film with greater energy.

도 4c는 가스 압력의 변화에 대한 GST 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4c를 참조하면, 반응기 내의 가스 압력이 1 mTorr에서 10 mTorr로 증가함에 따라 GST 박막의 식각 속도는 대략 420에서 600 nm/min로 증가하였다. 이는 반응성 이온 식각 메카니즘이 우세하여 높은 압력에서 더 많은 라디칼 (radical)이 발생하여 GST 박막의 식각 속도를 증가시키는 것으로 해석된다. 4C is a graph showing a change in etching rate of a GST thin film with a change in gas pressure. Referring to FIG. 4C , as the gas pressure in the reactor increased from 1 mTorr to 10 mTorr, the etching rate of the GST thin film increased from approximately 420 to 600 nm / min. It is interpreted that the reactive ion etching mechanism prevails, generating more radicals at high pressure, thereby increasing the etching rate of the GST thin film.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph illustrating an etching profile of a GST thin film according to a change in coil high frequency power according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 도 4에서 나타낸 바와 같이 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법에서 주요 공정 변수들 중의 하나인 코일 고주파 전력을 200, 400, 600 W로 변화시켜 GST 박막을 식각하고 식각 프로파일을 관찰하였다. 세 조건에서 모두 식각된 측면들은 깨끗하고 재증착이 없이 대략 80~85도의 식각 경사를 보였다. 특히, 400, 600 W에서 보다 가장 낮은 전력인 200 W의 코일 고주파 전력에서 식각된 GST 박막의 식각 프로파일이 거의 85도 이상의 가장 우수한 이방성 (anisotropy) 식각 프로파일을 보였다. Referring to FIG. 5 , as shown in FIG . 4 , the GST thin film was etched and the etch profile was observed by changing coil high frequency power, which is one of the main process variables, to 200, 400, and 600 W in the high density plasma reactive ion etching method. In all three conditions, the etched sides showed clean and no redeposition and showed an etch slope of approximately 80 to 85 degrees. In particular, the etch profile of the GST thin film etched at 200W coil high frequency power, which is lower than 400, 600W, showed the best anisotropy etch profile of more than 85 degrees.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프이다. FIG. 6 is a graph illustrating an etching profile of a GST thin film according to a dc-bias voltage change according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 기판에 인가되는 dc-바이어스 전압을 100, 200, 300 V로 변화시켜 식각한 후에 GST 박막의 식각 프로파일을 관찰하였다. 세 조건에서 GST 박막의 식각 경사는 75~90도의 범위를 보였으며, 특히 가장 낮은 dc-바이어스 전압인 100 V에서 90도의 매우 우수한 식각 프로파일을 보였다.Referring to FIG. 6 , the etching profile of the GST thin film was observed after etching by changing the dc-bias voltage applied to the substrate to 100, 200, and 300 V. Referring to FIG. The etching slope of the GST thin film was in the range of 75 to 90 degrees under three conditions, and showed a very good etching profile of 90 degrees at 100 V, the lowest dc-bias voltage.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 압력 변화에 따른 GST 박막의 식각 프로파일을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing an etching profile of a GST thin film according to a change in gas pressure according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 반응기 내의 가스 압력을 1, 5, 10 mTorr로 변화시켜 가면서 GST 박막을 식각하여 식각 프로파일을 관찰하였다. 세 조건에서 GST 박막의 식각 경사는 비슷하였으며 대략 80~85도를 나타내었다. Referring to FIG. 7 , the GST thin film was etched while the gas pressure in the reactor was changed to 1, 5, and 10 mTorr, and the etching profile was observed. The etching slopes of the GST thin films were similar under the three conditions, and were approximately 80 to 85 degrees.

GST 막은 3개 성분, 즉 Ge, Sb 및 Te로 구성되어 있기 때문에 식각에 따른 각 성분의 상대적인 조성을 비교하는 것이 식각 메커니즘의 이해를 위해서 의미가 있다. Since the GST film is composed of three components, that is, Ge, Sb, and Te, it is meaningful to understand the etching mechanism by comparing the relative composition of each component by etching.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 시간 경과에 따른 GST 박막 표면의 조성 변화를 XPS (X-ray Photoelectron Spectrometer) 스펙트럼으로 측정하여 나타낸 그래프이다. FIG. 8 is a graph illustrating a change in composition of the surface of a GST thin film with an etch time according to an embodiment of the present invention using an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) spectrum.

도 8을 참조하면, 식각 조건으로 60% Cl2, 400 W의 코일 고주파 전력, 200 V의 dc-바이어스 전압 및 5 mTorr의 가스 압력을 사용하였다. 식각 가스로 Cl2/Ar 가스 혼합을 사용하였기 때문에 본 식각 결과물은 염소 화합물일 것으로 예상되었다. 식각 공정이 진행됨에 따라, Ge의 상대적인 원자 농도는 점차 감소하엿으나 Te의 원자 농도는 증가하였다. Sb의 경우, 상대적인 원자 농도는 처음에는 감소하였으나 시간이 경과함에 따라 일정하게 나타났다. 이는 Sb 및 Te 보다는 Ge 가 Cl 라디칼과 쉽게 반응하여 GeClx 화합물을 형성하였기 때문이다.Referring to FIG. 8 , 60% Cl 2 , a coil high frequency power of 400 W, a dc-bias voltage of 200 V, and a gas pressure of 5 mTorr were used as etching conditions. Since the Cl 2 / Ar gas mixture was used as the etching gas, this etching result was expected to be a chlorine compound. As the etching process proceeded, the relative atomic concentration of Ge gradually decreased, but the atomic concentration of Te increased. In the case of Sb, the relative atomic concentration initially decreased but remained constant over time. This is because Ge rather than Sb and Te reacted easily with the Cl radical to form a GeCl x compound.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서 특정 식각 시간에 따른 GST 막의 XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프로서, (a)는 GST 식각 표면의 Ge 2p 피크 변화를 식각 시간에 따라 관찰한 것이고; (b)는 GST 식각 표면의 Sb 3d 및 Te 3d 피크 변화를 식 각 시간에 따라 관찰한 것이다. 식각 조건으로는 60% Cl2, 400 W의 코일 고주파 전력, 200 V의 dc-바이어스 전압 및 5 mTorr의 가스 압력을 사용하였다. 9 is a graph showing the XPS spectrum of a GST film according to a specific etching time according to an embodiment of the present invention, (a) shows the Ge 2p peak change of the GST etching surface according to the etching time; (b) shows the change of the Sb 3d and Te 3d peaks of the GST etching surface according to the etching time. Etching conditions were 60% Cl 2 , a coil high frequency power of 400 W, a dc-bias voltage of 200 V and a gas pressure of 5 mTorr.

도 9a를 참조하면, 게르마늄 화합물 (즉, GeClx)이 2 분 및 3 분에서 형성되었음을 알 수 있다. 반면, 도 9b를 참조하면, 어떠한 염소 화합물도 형성되지 않d았음을 알 수 있다. Referring to FIG. 9A , it can be seen that the germanium compound (ie GeClx) was formed at 2 and 3 minutes. On the other hand, referring to Figure 9b , it can be seen that no chlorine compound was formed.

GST 식각 표면 성분인 Ge, Sb 및 Te의 상대적인 원자 농도를 비교한 결과, Ge의 식각 속도가 가장 빨랐고, Te의 식각 속도가 가장 느렸음을 알 수 있었다. 따라서, GST 막에 있어서 Te 식각이 본 발명의 식각 공정에 있어서 속도 제한 단계 (rate limiting step)임을 알 수 있었다.As a result of comparing the relative atomic concentrations of Ge, Sb and Te, which are the GST etching surface components, it was found that the etching speed of Ge was the fastest and that of Te was the lowest. Accordingly, it was found that Te etching in the GST film was a rate limiting step in the etching process of the present invention.

본 발명의 건식 식각 공정에 따라 제조되는 상변화 물질은 종래 화학용액을 사용하는 습식식각에 비해 그 결과로서 매우 빠른 식각속도와 재증착이 없는 깨끗한 이방성 식각 프로파일을 보이는 등 우수한 식각 특성을 나타냄으로써 상변화 디스크나 저장장치는 물론 최근에 활발히 연구되고 있는 상변화 메모리에 사용될 수 있는 유용한 효과를 제공한다.The phase change material prepared according to the dry etching process of the present invention exhibits excellent etching characteristics as compared to wet etching using a conventional chemical solution, and thus exhibits excellent etching characteristics such as a very fast etching rate and a clean anisotropic etching profile without redeposition. It provides a useful effect that can be used for change disks and storage devices as well as phase change memory which is being actively studied recently.

Claims (7)

60 ~ 100 부피% Cl2/40 ~ 0 부피% Ar 를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마화하여 상기 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 GexSbyTez 합금 (식 중, x, y 및 z는 정수)을 200 ~ 400 W 의 코일 고주파 전력, 100 ~ 200 V 의 dc-바이어스 전압, 및 1 ~ 10 mTorr 의 가스 압력에서 식각하는 단계를 포함하는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법.60 to 100 vol% Cl 2/40 ~ using 0 vol% Ar as an etching gas, in the etching gas to plasma and Ge x Sb y Te z alloy by ions and radicals in the plasma (wherein, x, y And z is an integer) at a coil high frequency power of 200 to 400 W, a dc-bias voltage of 100 to 200 V, and a gas pressure of 1 to 10 mTorr. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 식각 가스의 플라즈마화는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법을 포함하는 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법, 자기 증강 반응성 이온 식각법 및 반응성 이온 식각법 중에서 선택된 방법에 의해 수행됨을 특징으로 하는 상변화 물질에 대한 건식 식각 방법.The method of claim 1, wherein the plasma of the etching gas is performed by a method selected from high density plasma reactive ion etching, self-enhanced reactive ion etching, and reactive ion etching including inductively coupled plasma reactive ion etching. Dry etching method for phase change material. 삭제delete 제 1항에 따라 제조되는, GexSbyTez 합금 (식 중, x, y 및 z는 정수)을 포함하는 상변화 물질.A phase change material comprising a Ge x Sb y Te z alloy, wherein x, y and z are integers, prepared according to claim 1.
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