KR101739989B1 - 티탄산 바륨 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법 - Google Patents

티탄산 바륨 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

티탄산 바륨(BaTiO3) 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 티탄산 바륨(BaTiO3) 박막은 표면 거칠기에 대한 제곱평균제곱근(RMS)이 18nm이상 20nm이하로 형성된다.

Description

티탄산 바륨 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법 {BARIUM TITANATE THIN FILM AND BARIUM TITANATE THIN FILM MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 티탄산 바륨 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 메모리 응용 분야에서는 소형 MOSFET의 게이트(gate) 절연 물질과 MIM(metal-insulator-metal) 캐패시터의 절연 물질이 중요한 이슈가 되고 있다.
즉, MOSFET이 소형화됨에 따라 게이트 누설 전류가 증가하여 게이트 절연물질이 중요해지고 있으며, MIM 캐패시터의 경우에는 높은 전기용량 밀도와 낮은 누설 전류의 요건을 충족시킬 수 있는 절연체가 요구되고 있다.
이러한 요구에 부응하기 위해서는, 높은 유전율을 가지는 물질이 MOSFET의 게이트 절연체 또는 MIM 캐패시터의 절연체로 사용되어야 한다.
현재까지, 높은 유전 상수값을 가지는 물질로 이산화 티타늄(TiO2), 질화 티타늄(TiN), 알루미늄산 하프늄 (HfAlO3), 바륨 스트론튬 티탄산염 (BaSeTiO3) 및 티탄산바륨 (BaTiO3) 등이 폭넓게 연구되고 있다. 이 중 BaTiO3는 높은 유전 상수, 낮은 누설 전류, 높은 압전 특성 및 강유전 특성으로 인해 유망한 물질로 인식되고 있다.
한국공개특허 제10-2008-0002656호 (2008. 01. 04. 공개)
본 발명은 에칭 후 표면의 거칠기가 향상된 티탄산 바륨 박막을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 에칭 속도가 향상되는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 표면 거칠기에 대한 제곱평균제곱근(RMS)이 18nm이상 20nm이하인 티탄산 바륨 박막이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판의 일면 상에 BaTiO3층을 성막하는 단계; BaTiO3층의 표면 중 적어도 일부 상에 에칭 마스크(etching mask)를 형성하여 대상물을 형성하는 단계; SF6가스와 O2가스를 혼합한 에칭 가스(etching gas)의 플라즈마(plasma)를 대상물의 일면 측에 형성하여 BaTiO3층을 에칭하는 단계; 를 포함하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법이 제공된다.
여기서, BaTiO3층은 BaTiO3분말을 에어로졸 증착(aerosol deposition)하여 형성될 수 있다.
BaTiO3층은 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
에칭 마스크는 전자빔 증착(e-beam evaporation)으로 형성될 수 있다.
에칭 마스크는 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
에칭 마스크는 BaTiO3층 상에 형성되는 티타늄층 및 티타늄층 상에 형성되는 크롬층을 포함할 수 있다.
티타늄층은 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
크롬층은 790nm의 두께로 형성될 수 있다.
에칭 가스에서 SF6가스와 O2가스의 유량(sccm)비는 50:5일 수 있다.
BaTiO3층을 에칭하는 단계는 7.5mTorr의 압력으로 진행될 수 있다.
그리고, BaTiO3층을 에칭하는 단계는 293K의 온도에서 진행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 티탄산 바륨 박막의 표면 거칠기가 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 티탄산 바륨층에 대한 에칭 속도가 향상될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 표면 거칠기 및 표면 형상을 비교한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 에칭 속도 및 에칭 선택비를 비교한 도면.
도 4은 본 발명에 사용되는 에칭 장비의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 표면 조성을 분석한 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산 바륨 박막의 제조 방법을 나타내는 순서도.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 티탄산 바륨 박막 및 티탄산 바륨 박막의 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
<BaTiO3박막의 구조>
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 표면 거칠기 및 표면 형상을 비교한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 BaTiO3박막은, 표면 거칠기에 대한 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS)이 18nm이상 20nm이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 BaTiO3박막은 BaTiO3층을 형성하고, 에칭 가스의 플라즈마를 이용하여 BaTiO3층을 에칭하여 제조될 수 있다.
<에칭 장비>
도 4는 본 발명에서 사용하는 유도 결합 플라즈마(ICP)원을 탑재한 에칭 장비를 나타내고 있다.
에칭 장비(100)는 진공조(10), 플라즈마용 교류 전원(20), 인덕티브 코일(30), 가스 공급부(40) 및 진공 배기부(50)를 포함할 수 있다.
진공조(10)의 내부에는 대상물을 배치하기 위한 스테이지(11)가 형성될 수 있다.
진공조(10)의 상방에는 개구가 형성될 수 있고, 개구에는 석영(quartz) 등의 세라믹스판(12)이 배치될 수 있다.
세라믹스판(12)의 진공조(10) 외부측 표면 상에는, 인덕티브 코일(30)이 배치되어 있다. 인덕티브 코일(30)은, 플라즈마용 교류 전원(20)에 전기적으로 접속되고 있고, 진공조(10) 내에 공급된 에칭 가스를 플라즈마화할 수 있다.
스테이지(11)의 내부에는 전극(13)이 결합되어 있다. 스테이지(11)상에 대상물을 배치했을 때에는, 전극(13)은 대상물의 이면측에 위치하도록 되어 있다.
전극(13)에는 스퍼터용 교류 전원(60)이 전기적으로 접속되어 있고, 플라즈마 중의 이온을 가속하고 대상물에 충돌시켜 에칭할 수 있도록 되어 있다.
가스 공급부(40)와 진공 배기부(50)는 모두 진공조(10)의 외부에 배치되어 있다. 진공 배기부(50)는 진공조(10)와 결합되어, 진공조(10) 내부를 배기할 수 있다. 즉, 진공 배기부(50)는 에칭 공정 시 진공조(10) 내부에서 발생되는 휘발성 물질들을 진공조(10) 외부로 배출할 수 있다. 가스 공급부(40)는 진공조(10)와 결합되어, 진공조(10) 내부에 에칭 가스를 공급할 수 있다.
<티탄산 바륨(BaTiO3) 박막의 제조 방법>
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 티탄산 바륨 박막의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산 바륨 박막의 제조 방법은, 기판의 일면 상에 BaTiO3층을 성막하는 것으로부터 시작된다(S100).
기판은 규소, 갈륨비소(GaAs), 탄화규소(SiC) 또는 사파이어 기판일 수 있다. 또한, 기판은 산화규소(SiO2)층, 백금(Pt)층 및 티타늄(Ti)층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
BaTiO3층은 증착 또는 스크린 프린팅 등 다양한 방법으로 형성될 수 있고, 증착법을 이용할 경우 BaTiO3분말을 이용할 수 있다. 이 때, 300nm의 입자 크기를 가지는 BaTiO3분말을 에어로졸 증착(Aerosol Deposition)하여 BaTiO3층을 형성할 수 있다.
여기서, BaTiO3층은 기판의 일면 상에 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로, BaTiO3층의 표면 중 적어도 일부 상에 에칭 마스크(etching mask)를 형성해 대상물을 형성한다(S200).
에칭 마스크는 BaTiO3층의 표면 중 일부 상에 형성되어, 에칭 마스크가 형성된 영역이 에칭되지 않도록 에칭 스토퍼 역할을 할 수 있다. 즉, BaTiO3층을 에칭 시 BaTiO3층의 표면 중 에칭 마스크가 형성된 일부 영역은 나머지 영역과 비교하여 상대적으로 에칭률이 낮을 수 있다.
에칭 마스크는 BaTiO3층 상에 PR등을 도포하고 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 또한, 에칭 마스크는 전자빔 증착법(e-beam evaporation)으로 형성될 수도 있다.
여기서, 에칭 마스크는 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)을 포함할 수 있다. 또한, 에칭 마스크는, BaTiO3층 상에 형성되는 티타늄층과 티타늄층 상에 형성되는 크롬층을 포함할 수 있다. 이 때 티타늄층은 10nm의 두께로 형성되고, 크롬층은 790nm의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로, SF6가스와 O2가스를 혼합한 에칭 가스(etching gas)의 플라즈마(plasma)를 대상물의 일면 측에 형성하여 BaTiO3층을 에칭한다(S300).
에칭 가스는 SF6가스와 O2가스를 혼합한 것으로, 도 4에 도시된 에칭 장비(100)의 진공조(10) 내부로 공급되어, 플라즈마 교류 전원(20) 및 인덕티브 코일(30)에 의해 플라즈마화될 수 있다. 플라즈마 중 불소 이온(F-)은 전기장 하에서 가속되어 BaTiO3와 반응하므로, 대상물의 일면에 형성되어 있는 BaTiO3층을 에칭할 수 있다.
이 때, 에칭 가스에서 SF6가스와 O2가스의 유량(sccm)비는 50:5일 수 있다.
BaTiO3층을 에칭한 후 BaTiO3층 상에 잔류하는 에칭 마스크를 제거하면 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3층 박막이 완성될 수 있다. 이 때, 에칭 마스크를 제거하기 위해 불산(HF) 및 부식액를 이용한 습식 에칭법이 이용될 수 있다. 부식액은 에칭 마스크를 형성하는 물질의 종류에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
<실시예와 비교예의 비교>
실시예
먼저, 300nm의 입자 크기를 가지는 BaTiO3분말을 이용한 에어로졸 증착법(Aerosol Deposition)을 통해 기판 상에 BaTiO3층을 형성시켰다. 이 때, 기판 상에 증착된 BaTiO3층은 약 300nm의 두께로 형성되었다.
다음으로, BaTiO3층의 표면 중 적어도 일부 상에 에칭 마스크를 형성하였다. 이 때, 에칭 마스크는 BaTiO3층 상에 형성되는 10nm의 두께로 형성되는 티타늄층과 티타늄층 상에 790nm의 두께로 형성되는 크롬층의 이중층 구조로 형성되었다. 여기서, 에칭 마스크는 전자빔 증착법(e-beam evaporation)에 의해 형성되었다.
이 후, 도 4에 도시된 에칭 장비(100)를 이용해 대상물의 표면을 플라즈마 에칭하여 BaTiO3박막을 제조하였다.
에칭 시, SF6가스와 O2가스를 혼합한(SF6/O2, 이하 동일한 방식으로 표현함) 에칭 가스를 사용하여 에칭이 진행되었고, 에칭 가스에서 SF6가스와 O2가스의 유량비(standard cubic centimeters per minute, sccm)는 50:5로 설정하였다. 여기서, RF 및 ICP는 각각 150W 및 1000W의 전력이 인가되었다. 또한, 진공조 내부 압력은 7.5mTorr, 진공조의 온도는 293K로 설정하였다.
비교예
상술한 방법으로 형성된 BaTiO3층, 즉 에칭되지 않은 BaTiO3층을 비교예 1로 하였다.
그리고, 실시예와 동일한 조건으로 대상물을 에칭하되, SF6가스를 각각 CF4가스 또는 C4F8가스로 대체하여 진행한 실험을 비교예 2 및 비교예 3으로 하였다. 즉, CF4/O2의 에칭 가스를 사용한 것을 비교예 2로, C4F8/O2의 에칭 가스를 사용한 것을 비교예 3으로 한다.
비교 및 분석
실시예와 비교예의 비교 및 분석을 위해 모든 샘플은 1*1cm2로 제작되었다.
샘플 표면의 거칠기 및 형상은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)으로 측정하여 비교하였다.
샘플의 에칭 속도 및 에칭 선택비는 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 장비를 이용해 측정하였다.
샘플 표면의 화학 조성을 분석하기 위해 X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)기를 이용하였다. 소스로 Al Kα(1486.6 eV)가 사용되었으며, 서베이 스펙트럼들(survey spectra)은 1.1*10-7Pa의 압력 하에서 취득하였다. 내로우 스캔 스펙트럼들(narrow-scan spectra)은 샘플 표면의 조성을 정량화하고 화학 결합 상태를 규명하도록 패스 에너지를 23.5 eV로 하였다.
1. 표면 거칠기 및 표면 형상
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 샘플의 표면 거칠기 및 표면 형상을 비교한 도면이다. 편의를 위해 샘플 중 10*10μm2에 해당하는 영역을 AFM으로 비교하였다.
구체적으로 도 1(a) 및 도 2(a)는 비교예 1에 따른 BaTiO3층의 표면을 나타내고, 도 1(b) 및 도 2(b)는 비교예 2에 따른 BaTiO3박막의 표면을 나타낸다. 도 1(c) 및 도 2(c)는 비교예 3에 따른 BaTiO3박막의 표면을 나타내고, 도 1(d) 및 도 2(d)는 실시예에 따른 BaTiO3박막의 표면을 나타낸다.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 AFM에 의한 3차원 영상인데, 이를 참고하면, 비교예 1, 즉 에칭 전 BaTiO3층은 표면 거칠기(rms)가 25.69nm이다. BaTiO3층을 에칭한 BaTiO3박막, 즉 비교예 2, 3 및 실시예의 경우 표면 거칠기(rms)가 각각 19.03nm, 23.12nm 및 19.43nm이다. 따라서, 에칭 전후를 비교하였을 때 에칭에 의해 샘플의 표면 거칠기가 양호해진다는 것을 알 수 있다.
한편, 비교예 2와 실시예는 표면 거칠기 수치에서 거의 차이가 없으나, 비교예 3은 비교예 2 및 실시예와 비교할 때 표면 거칠기 수치가 높아 상대적으로 표면 형상이 좋지 않다. 이것은 비교예 3에 따라 에칭을 하는 동안, 대상물의 표면에 CxFy 폴리머가 재증착하여 성장하기 때문일 수 있다.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 샘플의 상면을 나타내는 AFM 영상이고, 도 2(a-1) 내지 도 2(d-1)은 도 2(a) 내지 도 2(d)의 지시선에 따른 단면도이다.
도 2(a-1) 내지 도 2(d-1)를 참고할 때, 에칭에 의해 샘플 표면에 형성된 크레이터(crater)의 직경 및 깊이 모두가 변하는 것을 알 수 있다. 즉, 비교예 1은, 1.85㎛의 깊이와 60.7 nm의 직경을 가지는 크레이터가 샘플 표면에 형성되나(도 2(a-1)), 비교예 2, 3 및 실시예의 경우는 비교예 1과 비교하였을 때, 샘플 표면에 형성된 크레이터의 직경 및 깊이 모두가 작아진다(도 2(b-1) 내지 도 2(d-1)).
한편, 비교예 3의 경우는 비교에 2 및 실시예와 비교하였을 때, 그 직경 및 깊이가 상대적으로 큰 크레이터가 샘플 표면에 형성되었다.
2. 에칭 속도
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 에칭 속도 및 에칭 선택비를 비교한 도면이다.
에칭 선택비란, 동일 조건 하에서 에칭 마스크(Ti/Cr)가 에칭되는 비율과 BaTiO3이 에칭되는 비율을 비교한 값으로, 에칭 마스크(Ti/Cr)의 에칭률에 대한 BaTiO3의 에칭률을 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예의 경우, 에칭 속도는 비교예 2 및 3과 비교하였을 때 최대값인 46.7 nm/min이고, 에칭 선택비는 2.53이다.
비교예 2 및 3은 에칭 속도가 각각 41.8 nm/min, 27.0 nm/min으로 실시예와 비교하여 에칭 속도가 감소한다.
이는, 다음과 같이 두 가지 이유로 설명될 수 있다.
첫째, 실시예에 사용된 SF6은, 비교예 2 및 비교예 3에 각각 사용된 CF4 및 C4F8와 비교하여, 이온 에너지의 총량이 가장 낮기 때문이다. 따라서, 실시예의 플라즈마(SF6-based plasma)는, 비교예 2 및 3과 비교하여 동일 조건 하에서 높은 운동 에너지를 가질 수 있다. 이로 인해, 화학 반응과 이온 충격이 가속화될 수 있다.
둘째, 에칭 시 발생하는 불화탄소 폴리머(fluorocarbon polymer)가 낮은 휘발성으로 인해 샘플의 표면에서 충분히 휘발되지 못하기 때문이다. 이로 인해, 비교예 3의 에칭 속도는 가장 느리다.
3. 표면 화학 조성 분석
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 BaTiO3층 및 BaTiO3박막 샘플의 표면 조성을 분석한 도면이다. 구체적으로 도 5는 실시예와 비교예에 따른 샘플의 표면을 서베이(survey) 스캔한 스펙트럼이고, 도 6 내지 도 10은 실시예와 비교예에 따른 샘플의 표면을 각각 F 1s, Ba 3d, Ti 2p, O 1s 및 F 1s에 대해 내로우(narrow) 스캔한 스펙트럼이다.
도 5 내지 도 10에 도시된 (1) 내지 (4)의 부호는 각각 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 실시예에 해당한다.
도 5에 도시된 비교예 1에서, 결속에너지(binding energy)가 285 eV인 C 1s 피크는 대상물 표면이 탄화 수소에 의해 오염(hydrocarbon contamination) 되었음을 나타낸다. 이러한 C 1s 는 오염된 탄화 수소로 인한 285.0 eV의 피크를 가지는 에너지 스펙트럼을 보정하는 기준으로 사용된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 2, 3 및 실시예에 따른 샘플 표면의 XPS 스펙트럼에는 Ba, Ti, O, C 및 F의 광전자선이 존재한다.
구체적으로, Ba 4d (89.7 eV, 비교예 2), Ba 4p (178.8 eV, 비교예 2), Ba 3d 5/2 (780.16 eV, 비교예 2), Ba 3d 3/2 (795.75 eV, 비교예 2), Ti 3p (73.5 eV, 비교예 2), Ti 2p (458.1 eV, 비교예 2), C 1s (285.0 eV, 비교예 2), O 1s (529.5 eV, 비교예 2), F 1s (684.1 eV, 비교예 2); Ba 4d (89.4 eV, 비교예 3), Ba 4p (178.2 eV, 비교예 3), Ba 3d 5/2 (780.55 eV, 비교예 3), Ba 3d 3/2 (795.8 eV, 비교예 3), Ti 3p (74.1 eV, 비교예 3), Ti 2p (459.1 eV, 비교예 3), C 1s (285.0 eV, 비교예 3), O 1s (531.4 eV, 비교예 3), F 1s (683.8 eV, 비교예 3); Ba 4d (89.4 eV, 실시예), Ba 4p (178.7 eV, 실시예), Ba 3d 5/2 (779.1 eV, 실시예), Ba 3d 3/2 (795.35 eV, 실시예), Ti 3p (73.2 eV, 실시예), Ti 2p (458.0 eV, 실시예), C 1s (285.0 eV, 실시예), O 1s (529.85 eV, 실시예), F 1s (684.1 eV, 실시예)의 광전자선이 존재한다.
또한, 비교예 2, 3 및 실시예의 XPS 스펙트럼에는 F (KLL, 838.2 eV), Ba (MNN, 902.7 eV) 및 O (KLL, 990.3 eV)의 베일런스 타입 오제 라인(the valence-type Auger lines)이 나타난다.
도 6을 참조하면, 비교예 1의 경우는 F에 해당하는 광전자선이 없다. 하지만, 에칭된 샘플에 해당하는 비교예 2, 3 및 실시예는 각각의 F 1s XPS 스펙트럼이 682-686 eV의 범위를 가지는 와이드한 피크로 나타난다. 비교예 2, 3 및 실시예는 684.1, 683.86, 및 684.02 eV의 결속에너지에서 최고 강도를 나타낸다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 불소 기반 플라즈마(fluorine-based plasma)로 BaTiO3층을 에칭하면 그 표면에서 화학 반응이 발생함을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 비교예 1에서는, 2개의 피크로 나타나는 이중항(doublet)이 779.9 eV 및 795.1 eV에서 측정된다. 이러한 2개의 피크는 주로 Ba-O 결합에 의한 것이다. 보정된 Ba 3d 5/2 및 Ba 3d 3/2 의 서브 피크는 BaCO3와 관련이 있거나, 양이온 결함(cation defects)과 O 빈자리 (O vacancies)으로 인한 이완된 Ba 상과 관련이 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 비교예 2, 3 및 실시예의 경우는, 에칭으로 인해 Ba 3d 5/2 및 Ba 3d 3/2 피크가 높은 결속에너지 방향으로 이동되는 화학적 천이(chemical shift)가 일어난다. 이 때, Ba 3d 5/2 및 Ba 3d 3/2 피크 각각은 비교예 2에서 0.26 eV와 0.255 eV, 비교예 3에서 0.65 eV와 0.70 eV 및 실시예에서 0.1 eV 와 0.25 eV의 최대 편차를 가지고 비교예 1에 비해 높은 결속에너지 방향으로 이동된다.
Ba-F 결합의 결합에너지가 Ba-O 결합의 결합에너지 보다 높기 때문에, 이러한 피크의 이동은 BaTiO3의 Ba가 F를 함유하는 종과 화학적으로 결합하는 것을 나타낸다. 즉, BaTiO3 중 Ba-O결합이 일부 끊어지고 Ba-F 결합이 생성된다.
도 8을 참조하면, 비교예 1은 Ti-O결합으로 인해 Ti 2p 3/2 (457.8 eV) 및 Ti 2p 1/2 (463.57 eV)로 구성되는 2개의 와이드한 피크를 가진다. Ti 2p 3/2 피크와 Ti 2p 1/2 피크는 에칭으로 인해 비교예 1에서 보다, 비교예 2에서 0.05 eV와 0.23 eV, 비교예 3에서 1.35 eV와 0.98 eV, 실시예에서 0.2 eV와 0.43 eV 높은 결속에너지 방향으로 이동된다.
비교예 3의 경우, Ti 2p 3/2 피크와 Ti 2p 1/2 피크의 강도가 감소하는데, 이는 에칭 부산물인 TiFx의 높은 휘발성 때문이다.
비교예 2, 3 및 실시예의 경우, Ti 2p 3/2 피크와 Ti 2p 1/2 피크가 높은 결속에너지 방향으로 화학적 천이되는데, 이는 TiFx 와 에칭된 BaTiO3박막 사이의 결합 천이 보상 이론으로 설명될 수 있다.
도 9를 참조하면, 비교예 1은 각각 529.65, 531.2 및 532.4 eV에 위치하는 3개의 서브 피크로 구성된 O 1s (531.24 eV)피크를 가진다. 3개의 서브 피크는 Ba-(O 1s) (780 eV), Ti-(O 1s) (529 eV) 그리고 C-(O 1s) (532.3 eV) 결합에 의해 주로 영향을 받은 것이다. BaTiO3층 또는 BaTiO3박막은 주로 BaO및 TiO2로 구성되어 있으나, 탄화수로에 의한 표면 오염으로 인해 C-O 결합이 추가되었다.
532.4 eV에 위치하는 숄더 부분은 표면의 수증기와 이산화탄소로 설명될 수 있다. 즉, 비교예 1 내지 3 및 실시예는 에어로졸 증착법을 이용하여 BaTiO3층을 형성하였으므로 수증기와 이산화탄소가 불가피하게 발생하게 된다.
비교예 2, 3 및 실시예의 경우, 에칭에 의해 높은 결속에너지 영역으로 화학적 천이가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이것은, 에칭 시 발생되는 CFm + 이온과 SFn + 이온에 의한 물리적 스퍼터링 및 활성 불화물과의 화학 반응으로 인해, Ba-O 및 Ti-O 결합이 끊어지고 Ba-F 와 Ti-F의 결합이 일어나기 때문이다.
532.4 eV에 위치하는 서브 피크는 비교예 2, 3 및 실시예에서 사라졌음을 알 수 있다. 이것은 에칭 시 표면 오염물질(이산화탄소)로부터 제거된 이온들이 물리적으로 충돌하고, 에칭이 2차 오염이 일어나지 않는 진공 조건에서 진행되기 때문이다. 따라서, 비교예 1의 532.4 eV에 위치하는 서브 피크는 비교예 2, 3 및 실시예에서 사라진다.
도 10에 도시된 바와 같이, 비교예 1은 불소를 함유하는 물질에 대한 신호가 나타나지 않는다. 비교예 2 및 실시예에서는 에칭 가스로 각각 CF4/O2 및 SF6/O2를 사용하였기 때문에, 비교예 2 및 실시예는 각각 684.1 eV 및 684.02 eV의 F 1s 피크를 가진다. 비교예 2는 684.1/686.1 eV, 실시예는 684.02/686.2 eV의 서브 피크를 각각 가지는데, 이것은 에칭 반응물인 Ba-F 와 잔류물인 Ti-F로 인한 것이다.
비교예 3의 경우, F 1s 는 3개의 서브 피크(683.86, 686.01, and 688.15 eV)를 가진다. 이것은, 비교예 2 및 실시예와 달리, Ba-F, Ti-F 및 잔류물로써 C-F 복합물에 의한 것이다.
10: 진공조
11: 스테이지
12: 세라믹스판
13: 전극
20: 플라즈마용 교류 전원
30: 인덕티브 코일
40: 가스 공급부
50: 진공 배기부
100: 에칭 장비

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 에어로졸 증착(aerosol deposition)으로 기판의 일면 상에 BaTiO3층을 성막하는 단계;
    상기 BaTiO3층의 표면 중 적어도 일부 상에 에칭 마스크(etching mask)를 형성하여 대상물을 형성하는 단계;
    SF6가스와 O2가스를 혼합한 에칭 가스(etching gas)의 플라즈마(plasma)를 상기 대상물의 일면 측에 형성하여 상기 BaTiO3층을 에칭하는 단계;
    를 포함하고,
    에칭된 상기 BaTiO3층은 표면 거칠기에 대한 제곱평균제곱근(RMS)이 18nm이상 20nm이하인 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 BaTiO3층은, 300nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 에칭 마스크는 전자빔 증착(e-beam evaporation)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 에칭 마스크는, 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)을 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에칭 마스크는,
    상기 BaTiO3층 상에 형성되는 티타늄층, 및 상기 티타늄층 상에 형성되는 크롬층을 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 티타늄층은 10nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크롬층은 790nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 에칭 가스에서,
    상기 SF6가스와 상기 O2가스의 유량(sccm)비는 50:5인 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  11. 제2항, 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 BaTiO3층을 에칭하는 단계는,
    7.5mTorr의 압력으로 진행되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 BaTiO3층을 에칭하는 단계는,
    293K의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 티탄산 바륨 박막의 제조 방법.
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