KR20070076360A - 상변화 구조물 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
상변화 구조물 형성 방법이 개시된다. 하부 전극으로 매립된 개구를 갖는 절연막을 형성한다. 절연막 상에 칼코겐 화물을 포함하고 하부 전극과 전기적으로 접촉하는 상변화막을 형성한다. 상변화막 상에 금속을 포함하는 도전막을 형성한다. 불소를 갖는 제1 성분을 포함하는 제1 물질로 상기 도전막을 식각하여 상부 전극을 형성한다. 상변화막을 염소를 포함하지 않는 제2 물질로 식각하여 상변화막 패턴을 상부 전극 및 상기 하부 전극의 사이에 형성한다. 따라서 상변화막 패턴은 결함들이 거의 없는 측면부 및 상면부를 갖는다.
Description
도 1은 종래의 상변화 구조물에 포함된 상변화막 패턴이 갖는 결함들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 구조물 형성 방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 제2 실험예에서 형성된 상변화 구조물의 전자 현미경 사진이다.
도 6은 제2 실험예에서 형성된 상변화막 패턴으로 공급되는 전류에 대한 상변화막 패턴의 저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 염소를 사용하여 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 실험에서 형성된 상변화 구조물의 전자 현미경 사진이다.
도 8은 염소를 사용하여 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 실험에서 형성된 상변화막 패턴으로 공급되는 전류에 대한 상변화막 패턴의 저항을 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 10은 불소 화합물 제거 관련 실험에서 형성된 실리콘 산화막을 나타내는 전자 현미경 사진들이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 홀 100 : 절연막
200 : 하부 전극 300 : 상변화막
310 : 상변화막 패턴 400 : 도전막
410 : 상부 전극 500 : 마스크막 패턴
본 발명은 상변화 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 스위칭 기능을 갖는 상변화 구조물의 형성 방법에 관한 것이다.
상변화 구조물은 하부 전극, 상변화막 패턴 및 상부 전극을 포함한다. 상변화막 패턴은 하부 전극 및 상부 전극 사이에 위치한다. 상변화막 패턴은 칼코겐 화물을 포함한다.
하부 전극과 상부 전극 사이에서 발생하는 전압차에 의에서 상변화막 패턴에 소정양의 전류가 공급될 경우, 상변화막 패턴의 상(phase)이 저항이 상대적으로 낮은 단결정 상태에서 저항이 상대적으로 높은 비정질 상태로 변화된다. 또한 상변화막 패턴에 공급되는 전류가 줄거나 제거될 경우, 상변화막 패턴의 상은 비정질 상태에서 단결정 상태로 변화한다.
상변화막 패턴의 상이 변하기 때문에, 하부 전극, 상변화막 패턴 및 상부 전극을 포함하는 상변화 구조물은 스위칭 기능을 가질 수 있다.
일반적으로 상부 전극은 도전성을 갖는 금속 질화물을 사용하여 형성한다. 그리고 상부 전극은 금속 질화막에 제1 식각 공정을 수행하여 형성된다. 또한, 상 변화막 패턴은 상변화막에 제2 식각 공정을 수행하여 형성된다.
상부 전극을 형성하기 위한 제1 식각 공정에서 종래의 식각 물질을 사용하는 경우, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부에서 결함들이 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 상변화막 패턴을 형성하기 위한 제2 식각 공정에서 종래의 식각 물질을 사용하는 경우, 상변화막 패턴의 측면부에서 결함들이 발생한다는 문제점이 있다.
예를 들면, 한국 공개 특허 제2005-053255호에는 상변화 메모리를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에서, 하부 전극막, 상변화막, 상부 전극막 및 절연막을 순차적으로 형성한다. 이어서 하부 전극막, 상변화막, 상부 전극막 및 절연막을 테트라플루오르메탄, 염소 및 아르곤을 포함하는 식각 물질을 사용하여 순차적으로 식각한다. 따라서 하부 전극, 상변화막 패턴, 상부 전극, 절연막 패턴이 형성된다. 그러나 상기 방법은 상변화막 패턴에 염소에 기인한 결함들이 발생한다는 점에서 문제점이 있다.
도 1은 종래의 상변화 구조물에 포함된 상변화막 패턴이 갖는 결함들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부에서 결함들이 발생한다. 또한, 상변화막 패턴의 측면부에서 결함들이 발생한다. 따라서 상변화막 패턴의 상면부 및 측면부의 사이즈들이 감소한다.
본 발명의 목적은 결함들을 거의 갖지 않는 상변화막 패턴을 포함하는 상변 화 구조물을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 하부 전극으로 매립된 개구를 갖는 절연막을 형성한다. 절연막 및 하부 전극 상에 칼코겐 화물을 포함하는 상변화막을 형성한다. 상변화막 상에 금속을 포함하는 도전막을 형성한다. 불소를 갖는 제1 성분을 포함하는 제1 물질로 도전막을 식각하여 상부 전극을 형성한다. 상변화막을 염소를 포함하지 않는 제2 물질로 식각하여 상부 전극 및 하부 전극의 사이에 상변화막 패턴을 형성한다.
칼코겐 화물은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함할 수 있다. 도전막은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다.
제1 성분은 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 제2 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하여 플라즈마 상태를 가질 수 있다. 제2 물질은 불소를 더 포함할 수 있다. 불소는 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물로부터 제공될 수 있 다.
상부 전극을 형성한 후 상변화막 패턴을 형성하기 전에, 상부 전극 및 상변화막 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초 동안 제거될 수 있다.
상변화막 패턴을 형성한 후, 절연막, 상부 전극 및 상변화막 패턴 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초간 제거될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 하부 전극으로 매립된 개구를 갖는 절연막을 형성한다. 절연막 및 하부 전극 상에 칼코겐 화물을 포함하는 상변화막을 형성한다. 상변화막 상에 금속을 포함하는 도전막을 형성한다. 불소를 갖는 제1 성분 및 제2 성분을 포함하는 제1 물질로 도전막을 식각하여 상부 전극을 형성한다. 상변화막을 염소를 포함하지 않는 제2 물질로 식각하여 상부 전극 및 하부 전극의 사이에 상변화막 패턴을 형성한다.
칼코겐 화물은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함할 수 있다. 도전막은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르 코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성할 수 있다.
제1 성분은 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 제2 성분은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 제1 물질은 플라즈마 상태를 가질 수 있다.
제1 식각 공정은 소스 전극 및 바이어스 전극을 갖는 챔버 내에서 수행될 수 있다. 바이어스 전극에 인가되는 제2 전력에 대한 소스 전극에 인가되는 제1 전력의 비는 2.5:1 내지 10:1일 수 있다. 챔버의 압력은 1mTorr 내지 10mTorr일 수 있다. 제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비는 약 1:4 내지 약 3:2일 수 있다.
제2 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하여 플라즈마 상태를 가질 수 있다. 제2 물질은 불소를 더 포함할 수 있다. 불소는 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물로부터 제공될 수 있다.
상부 전극을 형성한 후 상변화막 패턴을 형성하기 전에, 상부 전극 및 상변화막 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초 동안 제거될 수 있다.
상변화막 패턴을 형성한 후, 절연막, 상부 전극 및 상변화막 패턴 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초간 제거될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 하부 전극으로 매립된 개구를 갖는 절연막을 형성한다. 절연막 및 하부 전극 상에 칼코겐 화물을 포함하는 상변화막을 형성한다. 상변화막 상에 금속을 포함하는 도전막을 형성한다. 불소를 갖는 제1 성분, 제2 성분 및 제3 성분을 포함하는 제1 물질로 도전막을 식각하여 상부 전극을 형성한다. 상변화막을 염소를 포함하지 않는 제2 물질로 식각하여 상부 전극 및 하부 전극의 사이에 상변화막 패턴을 형성한다.
칼코겐 화물은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함할 수 있다. 도전막은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다.
제1 성분은 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 제2 성분은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 제3 성분은 염소일 수 있 다. 제1 물질은 플라즈마 상태를 가질 수 있다. 제2 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하여 플라즈마 상태를 가질 수 있다. 제2 물질은 불소를 더 포함할 수 있다. 불소는 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물로부터 제공될 수 있다.
상부 전극을 형성한 후 상변화막 패턴을 형성하기 전에, 상부 전극 및 상변화막 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초 동안 제거될 수 있다.
상변화막 패턴을 형성한 후, 절연막, 상부 전극 및 상변화막 패턴 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거할 수 있다. 불소 화합물은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하여 제거될 수 있다. 불소 화합물은 약 10초 내지 약 120초간 제거될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하부 전극 및 상부 전극의 사이에 위치하는 상변화막 패턴은 결함들이 거의 없는 측면부를 갖는다. 또한, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부도 결함을 거의 갖지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 상변화 구조물 형성 방법들에 대하여 상세하게 설명하겠지만, 본 발명이 하기의 실시예 들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 구성 요소들이 "제1", "제2"," 제3" 및/또는 "제4"로 언급되는 경우, 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성 요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "제4"는 구성 요소들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 "상"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 위에 직접 형성되는 경우뿐만 아니라 제1 구성 요소 및 제2 구성 요소 사이에 제3 구성 요소가 개제될 수 있다.
제1
실시예
도 2 내지 4는 제1 실시예에 따른 상변화 구조물 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 홀(10)을 갖는 절연막(100)을 형성한다. 절연막(100)은 산화물 또는 질화물을 사용하여 형성된다. 예를 들면, 절연막(100)은 PSG(Phosphor Silicate Glass), BPSG(Boro-Phosphor Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate), PE-TEOS(Plasma Enhanced-TEOS), FOX(Flowable Oxide), HDP-CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) 산화물 또는 실리콘 질화물을 사용하여 형성된다.
이어서, 홀(10) 내에 하부 전극(200)을 형성한다. 하부 전극(200)은 금속, 금속 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(200)은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 이와 다르게 하부 전극(200)은 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 절연막(100)의 상면은 하부 전극(200)의 상면과 실질적으로 동일한 평면상에 위치한다.
이어서, 절연막(100) 및 하부 전극(200) 상에 상변화막(300)을 형성한다. 상변화막(300)은 칼코겐 화물(calcogenide)을 포함한다. 칼코겐 화물은 게르마늄(Ge : germanium), 안티몬(Sb : antimony) 및 텔루르(Te : tellurium)를 포함할 수 있다.
그 후, 상변화막(300) 상에 금속을 포함하는 도전막(400)을 형성한다. 도전막(400)은 금속, 금속 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전막(400)은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀 질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다.
도전막(400)은 스퍼터링(sputtering) 공정, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition : CVD) 공정, 전자 빔 증착(electron beam deposition) 공정, 원자층 적층(atomic layer deposition : ALD) 공정 또는 펄스 레이저 증착(pulse laser deposition : PLD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
이어서, 도전막(400) 상에 마스크막 패턴(500)을 형성한다. 마스크막 패턴(500)은 도전막(400) 및 상변화막(300)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 마스크막 패턴(500)은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 다른 예로, 마스크막 패턴(500)은 실리콘 질화물과 같은 질화물을 사용하여 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 마스크막 패턴(500)을 식각 마스크로 사용하여 도전막(400)에 제1 식각 공정을 수행하여 상부 전극(410)을 형성한다. 제1 식각 공정은 불소(F : fluorine)를 포함하는 제1 성분(component)을 갖는 제1 물질을 사용한다. 예를 들어, 제1 성분은 테트라플루오르메탄(CF4 : tetraflouromethan), 트리플루오르메탄(CHF3 : trifluoromethane), 디플루오르메탄(CH2F2 : difluoromethane), 모노플루오르메탄(CH3F : monofluoromethane) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
비록 도 3에 도시하지는 않았지만, 제1 식각 공정에 의해서 상변화막(300)의 일부가 부분적으로 제거될 수 있다. 이는 제1 물질에 대한 상변화막(300)의 식각 속도가 제1 물질에 대한 도전막(400)의 식각 속도보다 실질적으로 크기 때문이다.
불소는 할로겐 그룹의 원소이기 때문에 화학적 반응성이 강하다. 따라서 제1 식각 공정을 통해 상부 전극(410)을 형성하는 경우, 불소 화합물(fluoride)이 상변화막(300), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)의 표면에 잔류할 수 있다.
일 예로, 마스크막 패턴(500)이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, 불소 화합물은 실리콘 불화물일 수 있다. 다른 예로, 도전막(400)이 티타늄을 포함하는 경우, 불소 화합물은 티타늄 불화물일 수 있다.
상변화막(300), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)에 제1 표면 처리를 수행하여 불소 화합물을 제거할 수 있다. 제1 표면 처리는 불활성 가스를 사용하여 수행된다. 불활성 가스는 헬륨(He : helium), 네온(Ne : neon), 아르곤(Ar : argon), 크립톤(Kr : krypton), 크세논(Xe : Xenon) 또는 라돈(Rn : radon)을 포함할 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
제1 표면 처리는 소스(source) 전극 및 바이어스(bias) 전극을 갖는 챔버 내에서 수행된다. 바이어스 전극은 챔버의 하부에 위치한 척(chuck)에 설치된다. 소스 전극은 챔버의 상부에 위치한다. 소스 전극과 바이어스 전극 사이에 인가되는 전압차는 불활성 가스의 가스 상태를 플라즈마로 변화시킨다.
제1 표면 처리를 수행하는 시간이 약 10초 미만인 경우, 불소 화합물이 효과적으로 제거되지 않는다는 문제점이 있다. 반면에 제1 표면 처리를 수행하는 시간이 약 120초를 초과하는 경우, 상변화막(300), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)이 손상을 입는다는 문제점이 있다. 따라서 제1 표면 처리를 수행하는 시간 은 약 10초 내지 약 120초일 수 있다.
상변화막(300), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)에 수행되는 제1 표면 처리는 제1 표면 처리는 임의적인 공정이다. 따라서 제1 표면 처리를 수행하지 않을 수 있다.
도 4를 참조하면, 상변화막(300)에 염소를 포함하지 않는 제2 물질을 사용하는 제2 식각 공정을 수행한다. 따라서 상부 전극(410) 및 하부 전극(200)의 사이에 상변화막 패턴(310)이 형성된다.
제2 물질이 염소를 포함하는 경우, 염소가 상변화막(300)과 화학적으로 반응하여 결함들을 발생시킨다. 즉, 상변화막 패턴(310)의 측면부에 결함들을 발생시킨다. 따라서 측면부의 사이즈가 줄어든다.
구체적으로 상변화막(300)이 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함하는 경우, 염소는 안티몬과 과도하게 반응하여 안티몬의 원자 백분율(atomic percentage)을 감소시킨다. 따라서 제2 물질은 염소를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
제2 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 라돈을 포함할 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 이 경우, 제2 물질은 플라즈마 상태를 갖는다.
제2 식각 공정은 소스 전극 및 바이어스 전극을 갖는 챔버 내에서 수행된다. 바이어스 전극은 챔버의 하부에 위치한 척에 설치된다. 소스 전극은 챔버의 상부에 위치한다. 소스 전극과 바이어스 전극 사이에 인가되는 전압차는 제2 물질의 상태를 플라즈마로 변화시킨다.
제2 물질은 불소를 더 포함할 수 있다. 불소는 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물로부터 제공될 수 있다.
불소는 할로겐 그룹의 원소이기 때문에 화학적 반응성이 강하다. 따라서 불소를 포함하는 제2 물질을 사용하는 제2 식각 공정을 통해 상변화막 패턴(310)을 형성하는 경우, 불소 화합물이 절연막(100), 상변화막 패턴(310), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴의 표면에 잔류할 수 있다.
일 예로, 마스크막 패턴(500)이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, 불소 화합물은 실리콘 불화물일 수 있다. 다른 예로, 상부 전극(410)이 티타늄을 포함하는 경우, 불소 화합물은 티타늄 불화물일 수 있다.
불소 화합물은 절연막(100), 상변화막 패턴(310), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)에 제2 표면 처리를 수행함으로서 제거될 수 있다. 제2 표면 처리는 불활성 가스를 사용하여 수행된다. 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 라돈을 포함할 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
제2 표면 처리는 소스 전극 및 바이어스 전극을 갖는 챔버 내에서 수행된다. 바이어스 전극은 챔버의 하부에 위치한 척에 설치된다. 소스 전극은 챔버의 상부에 위치한다. 예를 들어, 제2 표면 처리는 제2 식각 공정이 수행된 챔버에서 수행될 수 있다. 소스 전극과 바이어스 전극 사이에 인가되는 전압차는 불활성 가스의 가스 상태를 플라즈마로 변화시킨다.
제2 표면 처리를 수행하는 시간이 약 10초 미만인 경우, 불소 화합물이 효과 적으로 제거되지 않는다는 문제점이 있다. 반면에 제2 표면 처리를 수행하는 시간이 약 120초를 초과하는 경우, 절연막(100), 상변화막 패턴(310), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)이 손상을 입는다는 문제점이 있다. 따라서 제2 표면 처리를 수행하는 시간은 약 10초 내지 약 120초일 수 있다.
절연막(100), 상변화막 패턴(310), 상부 전극(410) 및 마스크막 패턴(500)에 수행되는 제2 표면 처리는 임의적인 공정이다. 따라서 제2 표면 처리를 수행하지 않을 수 있다.
제2
실시예
제2 실시예에 따른 상변화 구조물 형성 방법은 제1 물질이 제2 성분을 포함하는 것을 제외하고 제1 실시예에 따른 상변화 구조물 형성 방법과 실질적으로 동일하다. 따라서 반복되는 설명은 생략한다.
제2 성분은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 라돈일 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다. 제1 물질은 플라즈마 상태를 갖는다.
제1 식각 공정은 소스(source) 전극 및 바이어스(bias) 전극을 갖는 챔버(chamber) 내에서 수행된다. 바이어스 전극은 챔버의 하부에 위치한 척(chuck)에 설치된다. 척은 제1 식각 공정이 수행될 도전막(400)을 지지한다. 소스 전극은 챔버의 상부에 위치한다. 여기서 소스 전극 및 바이어스 전극은 제1 물질의 상태를 플라즈마로 만들기 위하여 사용된다.
구체적으로 소스 전극 및 바이어스 전극에 제1 전력(electric power) 및 제2 전력이 각각 인가된다. 제2 전력에 대한 제1 전력의 비가 약 2.5:1 미만인 경우, 제1 식각 공정의 효율이 낮다는 문제점이 있다. 반면에 제2 전력에 대한 제1 전력의 비가 약 10:1을 초과하는 경우, 제1 식각 공정을 효과적으로 제어하기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 제2 전력에 대한 제1 전력의 비는 약 2.5:1 내지 약 10:1일 수 있다. 예를 들어, 제2 전력에 대한 제1 전력의 비는 약 5:1일 수 있다. 즉, 제1 전력 및 제2 전력은 각각 약 1,000Watt 및 약 200Watt일 수 있다.
챔버의 압력이 약 1mTorr 미만인 경우, 제1 식각 공정의 효율이 낮다는 문제점이 있다. 반면에 챔버의 압력이 10mTorr를 초과하는 경우, 제1 식각 공정을 효과적으로 제어할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 챔버의 압력은 약 1mTorr 내지 약 10mTorr일 수 있다. 예를 들어, 챔버의 압력은 약 5mTorr일 수 있다.
제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비가 약 1:4 미만인 경우, 금속 불화물(metal fluoride)과 같은 부산물이 발생한다는 문제점이 있다. 반면에 제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비가 약 3:2를 초과하는 경우, 제1 식각 공정의 효율이 낮아진다는 문제점이 있다. 따라서 제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비는 약 1:4 내지 약 3:2일 수 있다. 예를 들어, 제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비는 약 2:3일 수 있다.
실시예
3
제3 실시예에 따른 상변화 구조물 형성 방법은 제1 물질이 제3 성분을 더 포함하는 것을 제외하고 제2 실시예에 따른 상변화 구조물 형성 방법과 실질적으로 동일하다. 따라서 반복되는 설명은 생략한다.
제3 성분은 염소일 수 있다. 제3 성분이 염소일 경우, 도전막(400)은 제1 물질에 의해서 비교적 낮은 온도에서 식각될 수 있다.
제1 물질에 포함된 제2 성분은 염소가 상변화막(300)과 화학적으로 반응하는 것을 방지한다. 또한, 제1 물질에 포함된 제2 성분은 염소가 상변화막(300)과 상부 전극(410) 사이의 계면(interface)으로 침투하는 것을 방지한다. 따라서 상부 전극(410)과 접하는 상변화막(300)의 상면부에 결함들이 발생하지 않을 수 있다.
티타늄
질화막
식각
관련 실험
챔버를 준비하였다. 챔버의 하부에는 바이어스 전극이 설치된 척이 위치하였다. 챔버의 상부에는 소스 전극이 위치하였다. 이어서 척에 티타늄 질화막을 위치시켰다.
챔버의 압력은 약 5mTorr이었다. 제1 성분 및 제2 성분을 갖는 제1 물질이 챔버에 유입되었다. 제1 성분은 테트라플루오르메탄이었다. 제2 성분은 아르곤이었다. 이 때, 제2 성분에 대한 제1 성분의 유량비는 약 2:3이었다.
소스 전극 및 바이어스 전극에 제1 전력 및 제2 전력이 각각 인가되었다. 제2 전력에 대한 제1 전력의 비는 약 5:1이었다. 구체적으로 제1 전력 및 제2 전력은 각각 약 1,000Watt 및 약 200Watt이었다. 여기서, 제1 및 2 전력들 때문에, 제1 물질은 플라즈마 상태를 가졌다.
상술한 조건들 하에서 티타늄 질화막이 식각되었다. 티타늄 질화막의 식각율(etch rate)은 약 11.4Å/sec이었다. 즉, 식각율이 양호하였다. 또한, 감소된 양의 티타늄 불화물(titanium fluoride)이 생성되었다.
염소를 사용하지 않고 티타늄
질화막
및
상변화막을
식각하는
실험
홀을 갖는 절연막을 형성하였다. 절연막은 실리콘 질화물을 포함하였다. 이어서, 홀 내에 하부 전극을 형성하였다. 하부 전극은 티타늄 질화물을 포함하였다. 여기서, 절연막의 상면은 하부 전극의 상면과 실질적으로 동일한 평면상에 있었다.
이어서, 절연막 및 하부 전극 상에 상변화막을 형성하였다. 상변화막은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함하였다. 여기서 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율(atomic percentage)들은 각각 약 24.8%, 약 24.5% 및 약 50.6%이었다.
그 후, 상변화막 상에 티타늄 질화막을 형성하였다. 이어서, 티타늄 질화막에 제1 식각 공정을 수행하여 상부 전극을 형성하였다. 제1 식각 공정은 제1 성분, 제2 성분 및 제3 성분을 포함하는 제1 물질을 사용하여 수행하였다. 구체적으로 제1 성분, 제2 성분 및 제3 성분은 각각 테트라플루오르메탄, 아르곤 및 염소이었다. 제1 물질은 플라즈마 상태를 가졌다.
이어서, 상변화막에 테트라플루오르메탄 및 아르곤을 포함하는 제2 물질을 사용하여 제2 식각 공정을 수행하였다. 제2 물질은 플라즈마 상태를 가졌다. 제2 식각 공정에 의해서 상부 전극 및 하부 전극의 사이에 상변화막 패턴이 형성되었다. 따라서 하부 전극, 상변화막 패턴 및 상부 전극을 포함하는 상변화 구조물이 형성되었다.
상변화막 패턴에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들은 각각 약 20%, 약 24.7% 및 약 55%이었다. 즉, 상변화막 패턴에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들은 상변화막에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들과 실질적으로 유사하였다.
도 5는 염소를 사용하지 않고 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 실험에서 형성된 상변화 구조물의 전자 현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부에 결함들이 실질적으로 존재하지 않았다. 또한, 상변화막 패턴의 측면부에 결함들이 실질적으로 존재하지 않았다. 이는 상변화막 및 상변화막 패턴 간에 조성의 차이가 실질적으로 없었기 때문이다.
도 6은 제2 실험예에서 형성된 상변화막 패턴으로 공급되는 전류에 대한 상변화막 패턴의 저항을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상변화막 패턴으로 공급되는 전류가 약 1.0mA이하인 경우, 상변화막 패턴의 상(phase)은 저항이 상대적으로 낮은 단결정 상태(single crystalline state)이었다. 반면에 상변화막 패턴으로 공급되는 전류가 약 1.5mA이상인 경우, 상변화막 패턴의 상은 저항이 상대적으로 낮은 비정질 상태(amorphous state)이었다. 즉, 제2 실험예에서 형성된 상변화막 패턴을 포함하는 상변화 구조물은 스위칭(switching) 기능을 가질 수 있었다.
염소를 사용하여 티타늄
질화막
및
상변화막을
식각하는
실험
홀을 갖는 절연막을 형성하였다. 절연막은 실리콘 질화물을 포함하였다. 이어서, 홀 내에 제2 실험예 하부 전극을 형성하였다. 하부 전극은 티타늄 질화물을 포함하였다. 여기서, 절연막의 상면은 하부 전극의 상면과 실질적으로 동일한 평면상에 있었다.
이어서, 절연막 및 하부 전극 상에 상변화막을 형성하였다. 상변화막은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함하였다. 여기서 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들은 각각 약 24.8%, 약 24.5% 및 약 50.6%이었다.
그 후, 상변화막 상에 티타늄 질화막을 형성하였다. 이어서, 티타늄 질화막 및 상변화막을 순차적으로 식각하여 상부 전극 및 상변화막 패턴을 각각 형성하였다. 식각 공정은 염소를 사용하였다.
상변화막 패턴에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들은 각각 약 22.5%, 약 3.8% 및 약 73.7%이었다. 즉, 상변화막 패턴에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들은 상변화막에 포함된 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 원자 백분율들과 실질적으로 달랐다.
구체적으로 상변화막에 포함된 안티몬의 원자 백분율은 약 24.5%이었다. 반 면에 상변화막 패턴에 포함된 안티몬의 원자 백분율은 약 3.8%이었다. 즉, 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 동안 안티몬의 원자 백분율이 감소하였다.
도 7은 염소를 사용하여 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 실험에서형성된 상변화 구조물의 전자 현미경 사진이다.
도 7을 참조하면, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부에 결함들이 실질적으로 존재하였다. 또한, 상변화막 패턴의 측면부에 결함들이 실질적으로 존재하였다. 이는 상변화막 및 상변화막 패턴 간에 조성의 차이가 실질적으로 있었기 때문이다.
도 8은 염소를 사용하여 티타늄 질화막 및 상변화막을 식각하는 실험에서 형성된 상변화막 패턴으로 공급되는 전류에 대한 상변화막 패턴의 저항을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상변화막 패턴으로 전류가 공급되지 않는 경우에도 상변화막 패턴의 상은 저항이 상대적으로 높은 비정질 상태이었다. 따라서 비교 실험예에서 형성된 상변화막 패턴은 스위칭(switching) 기능을 가질 수 없었다.
불소 화합물 제거 관련 실험
반도체 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하였다. 그 후, 실리콘 산화막에 테트라플루오르메탄을 제공하여 실리콘 산화막 표면에 실리콘 불소화합물을 형성하였다.
그 후, 소스 전극 및 바이어스 전극을 갖는 챔버내에서 실리콘 산화막에 대한 표면 처리를 수행하였다. 구체적으로 소스 전극 및 바이어스 전극에 각각 1,000Watt 및 0 W의 전력을 인가하였다. 챔버 내로 아르곤 가스가 유입되었다.
도 9는 실리콘 산화막에 표면 처리를 수행하지 않았을 경우 촬영한 실리콘 산화막의 전자 현미경 사진이다.
도 9을 참조하면, 실리콘 산화막의 표면이 평탄하지 않았다. 이는 실리콘 산화막의 표면에 실리콘 불화물이 잔류하기 때문이었다.
도 10은 실리콘 산화막에 30초간 표면 처리를 수행한 후 촬영한 실리콘 산화막의 전자 현미경 사진이다.
도 10을 참조하면, 실리콘 산화막의 표면이 실질적으로 평탄하였다. 이는 실리콘 산화막의 표면에 잔류하는 실리콘 불화물이 제거되었기 때문이다. 이 때 실리콘 불화물의 제거율은 약 300Å/min이었다.
본 발명에 따르면, 하부 전극 및 상부 전극의 사이에 위치하는 상변화막 패턴은 결함들이 거의 없는 측면부를 갖는다. 또한, 상부 전극과 접하는 상변화막 패턴의 상면부에 실질적으로 결함이 발생하지 않는다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 하부 전극으로 매립된 개구를 갖는 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 상에 칼코겐 화물을 포함하고 상기 하부 전극과 전기적으로 접촉하는 상변화막을 형성하는 단계;상기 상변화막 상에 금속을 포함하는 도전막을 형성하는 단계;불소를 갖는 제1 성분을 포함하는 제1 물질로 상기 도전막을 식각하여 상부 전극을 형성하는 단계; 및상기 상변화막을 염소를 포함하지 않는 제2 물질로 식각하여 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 사이에 상변화막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 칼코겐 화물은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도전막을 형성하는 단계는 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 탄탈 륨 알루미늄 질화물 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 성분은 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 갖는 제2 성분을 더 포함하고, 상기 제1 물질은 플라즈마 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제1 식각 공정은 소스 전극 및 바이어스 전극을 갖는 챔버 내에서 수행되고,바이어스 전극에 인가되는 제2 전력에 대한 소스 전극에 인가되는 제1 전력의 비는 2.5:1 내지 10:1이고,상기 챔버의 압력은 1mTorr 내지 10mTorr이고,상기 제2 성분에 대한 상기 제1 성분의 유량비는 약 1:4 내지 약 3:2인 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제1 물질은 염소를 포함하는 제3 성분을 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제2 물질은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 상기 제2 물질은 플라즈마 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제2 물질은 불소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 불소는 테트라플루오르메탄, 트리플루오르메탄, 디플루오르메탄, 모노플루오르메탄 또는 이들의 혼합물로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 전극을 형성한 후 상기 상변화막 패턴을 형성하기 전에, 상기 상부 전극 및 상기 상변화막 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 불소 화합물을 제거하는 단계는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 불소 화합물을 제거하는 단계는 10초 내지 120초 수행되는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상변화막 패턴을 형성한 후, 상기 절연막, 상기 상부 전극 및 상기 상변화막 패턴 상에 잔류하는 불소 화합물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 불소 화합물을 제거하는 단계는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 플라즈마 상태를 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 불소 화합물을 제거하는 단계는 10초 내지 120초 수행되는 것을 특징으로 하는 상변화 구조물 형성 방법.
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