KR20150014434A - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 처리 방법은, 플라즈마가 생성되는 처리 공간(S)을 구획 형성하는 처리 용기(12)와, 처리 공간(S) 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부(44)를 구비하는 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여, 제 1 자성층(105) 및 제 2 자성층(103)이 절연층(104)을 개재하여 적층된 적층 구조를 포함하는 다층막 재료를 에칭하는 플라즈마 처리 방법으로서, 처리 용기(12)로 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층(105)을 에칭하고, 절연층(104)의 표면에서 에칭을 종료하는 제 1 에칭 공정과, 처리 용기(12)로 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 에칭 공정에서 생성된 잔류물(Z)을 제거하는 제 2 에칭 공정을 구비하고, 제 1 자성층(105) 및 제 2 자성층(103)은 CoFeB를 포함하고, 제 1 처리 가스는 Cl2를 포함하고, 제 2 처리 가스는 H2를 포함한다.
Description
본 발명의 다양한 측면 및 실시예는, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 일종의 플라즈마 처리 방법이 기재되어 있다. 이 플라즈마 처리 방법에서는, 절연층이, 하부 자성층 및 상부 자성층에 의해 개재된 자기 터널 접합(MTJ)을 포함하는 다층막 기체(基體)를 처리하여 MRAM 소자를 형성하고 있다. 여기서, 절연층의 재료로서는 Al2O3가 이용되고 있다. 하부 자성층은 자화 방향이 고정되어 있고, 상부 자성층은 외부 자계에 의해 자화 방향이 변화한다. 구체적으로, 특허 문헌 1에 기재된 방법에서는, (a) 상부 전극층 상에 제 1 마스크를 형성하고, (b) 상부 전극층, 상부 자성층 및 절연층을 플라즈마 에칭하고, (c) 제 1 마스크를 제거하고, (d) 상부 전극층 상에 제 2 마스크를 형성하고, (e) 하부 전극층을 에칭하여, MRAM 소자를 형성하고 있다.
특허 문헌 1에 기재된 장치에서는, 다층막 기체를 에칭할 시, 절연층의 측벽에 도전성 물질을 포함하는 잔류물이 부착하는 경우가 있다. 절연층의 측벽에 잔류물이 부착하면, MTJ에서 리크 전류가 발생하여, MRAM 소자의 특성이 열화된다. 이러한 과제를 해결하기 위하여, 절연층의 상면에서 일단 에칭을 정지함으로써, 절연층의 측벽에의 잔류물의 부착을 억제하는 것이 고려된다. 이러한 처리 방법을 행할 경우에는, 자성층과 절연층과의 에칭 레이트의 선택비를 높게 할 필요가 있다.
그런데, MTJ 소자의 절연층의 재료로서 MgO를 채용하면 높은 MR비를 실현할 수 있는 것이 알려져 있다. 그러나, MgO는 MTJ 소자의 절연층의 재료로서는 신규의 재료이기 때문에, 자성층과 MgO로 구성되는 절연층과의 사이에서 높은 선택비를 실현하는 에칭 조건은 알려져 있지 않다. 이 때문에, 당기술 분야에서는, 절연층에 MgO를 이용했을 경우에도, 절연층의 상면에서 일단 에칭을 정지하는 방법을 이용할 수 있는 것이 요망되고 있고, 이에 의해 리크 전류를 방지하여, MRAM 소자의 특성을 향상시키는 것이 요청되고 있다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 방법은, 플라즈마가 생성되는 처리 공간을 구획 형성하는 처리 용기와, 처리 공간 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 제 1 자성층 및 제 2 자성층이 절연층을 개재하여 적층된 적층 구조를 포함하는 다층막 재료를 에칭하는 플라즈마 처리 방법으로서, 처리 용기로 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층을 에칭하고, 절연층의 표면에서 에칭을 종료하는 제 1 에칭 공정과, 처리 용기로 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 에칭 공정에서 생성된 잔류물을 제거하는 제 2 에칭 공정을 구비하고, 제 1 자성층 및 제 2 자성층은 CoFeB를 포함하고, 제 1 처리 가스는 Cl2를 포함하고, 제 2 처리 가스는 H2를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 방법에서는, 제 1 에칭 공정에서, Cl2를 포함하는 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층을 에칭하고, 절연층의 표면에서 에칭을 종료한다. Cl2는 제 1 자성층에 포함되는 CoFeB에 반응하고, 절연층에 포함되는 MgO에 반응하지 않기 때문에, CoFeB를 포함하는 자성층과 MgO를 포함하는 절연층과의 에칭 레이트의 선택비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 플라즈마 처리 방법에 의하면, 제 2 에칭 공정에서, H2를 이용한 에칭 가스에 의해, 제 1 자성층의 측면 및 절연층의 상면에 부착한 잔류물이 제거되므로, 제 1 자성층의 수직성을 향상시키면서, 후술하는 절연층의 에칭 시에 잔류물이 비산하여 절연층의 측벽에 잔류물이 부착하는 것을 회피할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 방법에 의하면, 리크 전류를 방지하여, MRAM 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
일실시예에서는, 제 2 처리 가스는 적어도 N2, Ar 및 He 중 어느 일종의 가스를 더 포함해도 된다. 이 경우에는, 제 1 자성층의 측면 및 절연층의 상면에 부착한 잔류물을 확실히 제거할 수 있다.
일실시예에서는, 제 2 에칭 공정보다 후에, 다층막 재료의 표면을 절연막으로 피복하는 피복 공정을 더 포함해도 된다. 이 경우에는, 후단의 처리에서, 절연층의 측벽에 잔류물이 부착하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
일실시예에서는, 피복 공정보다 후에, 처리 용기로 제 3 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 절연층 및 제 2 자성층을 에칭하는 제 3 에칭 공정을 더 구비하고, 제 3 처리 가스는 CH4를 포함해도 된다. 이 경우에는, 다층막 재료로부터 MRAM 소자를 형성할 수 있다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치가, 처리 용기 내에 배치되는 제 1 전극과, 제 1 전극에 대하여 대향하여 배치되는 제 2 전극과, 제 1 전극에 제 1 주파수의 전력을 공급하는 제 1 전원부와, 제 2 전극에 제 2 주파수의 전력을 공급하는 제 2 전원부를 구비하고, 제 2 전원부로부터 제 2 주파수로서 1 MHz 이하의 주파수의 전력을 제 2 전극에 공급하여, 처리 용기에 플라즈마를 발생시켜도 된다. 이 경우에는, 제 2 전극에 비교적 낮은 주파수가 공급됨으로써, 피처리 기체에 대하여 이간된 위치에 플라즈마가 생성된다. 이에 의해, 제 2 전극에 의해 인입되는 이온의 수직성이 향상되고, 그 결과, 피처리 기체의 측벽의 수직성을 향상시킬 수 있다.
일실시예에서는, 제 2 전원부로부터 제 2 주파수로서 400 kHz 이하의 주파수의 전력을 제 2 전극에 공급하여, 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜도 된다. 이 경우에는, 제 2 전극에 400 kHz라고 하는 비교적 낮은 주파수가 공급됨으로써, 피처리 기체에 대하여 이간된 위치에 플라즈마가 생성된다. 이에 의해, 에칭되는 다층막 재료의 측벽의 수직성을 향상시킬 수 있다.
일실시예에서는, 제 1 전원부로부터 100 W ~ 300 W의 전력을 제 1 전극에 공급하여, 처리 용기에 플라즈마를 발생시켜도 된다. 이 경우에는, 제 1 전극에 비교적 낮은 전력이 공급됨으로써, 플라즈마 착화 마진의 저한계에서 저밀도의 플라즈마가 생성되고, 예를 들면 에칭된 절연층 또는 제 2 자성층을 큰 분자 구조를 가지는 유기 금속 착체의 상태로 외부로 배출할 수 있다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치가, 처리 공간을 원하는 기압까지 감압할 수 있는 배기부와, 배기부를 제어하는 제어부를 더 구비하고, 제어부가 처리 공간의 압력을 10 mTorr ~ 30 mTorr(1.33 Pa ~ 4.00 Pa)가 되도록 배기부를 제어해도 된다. 이 경우에는, 처리 공간(S)의 압력을 낮게 설정함으로써, 처리 공간에 발생하는 플라즈마의 밀도를 저하시켜, 이온 평균 자유 행정을 길게 함으로써, 에칭의 수직성을 향상시킬 수 있다.
일실시예에서는, 처리 공간은 20 mm ~ 30 mm의 갭을 가지고 있어도 된다. 이러한 형태에 의하면, 스퍼터 효과가 강해져, 낮은 레지던스 타임(짧은 체류 시간)에 의한 배기를 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 제 1 자성층 및 제 2 자성층이 절연층을 개재하여 적층된 적층 구조를 포함하는 다층막 재료를 에칭하는 플라즈마 처리 장치로서, 플라즈마가 생성되는 처리 공간을 구획 형성하는 처리 용기와, 처리 공간 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 가스 공급부를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 처리 용기로 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층을 에칭하고, 절연층의 표면에서 에칭을 종료하고, 처리 용기로 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 처리 가스에 의한 에칭으로 생성된 잔류물을 제거하고, 제 1 자성층 및 제 2 자성층은 CoFeB를 포함하고, 제 1 처리 가스는 Cl2를 포함하고, 제 2 처리 가스는 H2를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치에서는, 제어부가, Cl2를 포함하는 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층을 에칭하고, 절연층의 표면에서 에칭을 종료한다. Cl2는 제 1 자성층에 포함되는 CoFeB에 반응하고, 절연층에 포함되는 MgO에 반응하지 않기 때문에, CoFeB를 포함하는 자성층과 MgO를 포함하는 절연층과의 에칭 레이트의 선택비를 향상시킬 수 있다. 또한 제어부는, H2를 이용한 에칭 가스에 의해, 제 1 자성층의 측면 및 절연층의 상면에 부착한 잔류물이 제거되므로, 제 1 자성층의 수직성을 향상시키면서, 후술하는 절연층의 에칭 시에 잔류물이 비산하여 절연층의 측벽에 잔류물이 부착하는 것을 회피할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하면, 리크 전류를 방지하여, MRAM 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 측면 및 일실시예에 따르면, 리크 전류를 방지하여, MRAM 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법으로 제조되는 MRAM 소자의 일례를 모식적으로 도시한 도이다.
도 2는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 5는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 6은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 7은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 8은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 9는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 10a 및 도 10b는 실험예 1 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 11은 실험예 1에서 얻어진 피처리 기체의 TEM 이미지의 모식도이다.
도 12a 및 도 12b는 실험예 2 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 13a 및 도 13b는 실험예 3 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 14는 실험예 3에서 얻어진 피처리 기체의 TEM 이미지의 모식도이다.
도 2는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 5는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 6은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 7은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 8은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 9는 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 MRAM 소자의 제조 공정을 도시한 도이다.
도 10a 및 도 10b는 실험예 1 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 11은 실험예 1에서 얻어진 피처리 기체의 TEM 이미지의 모식도이다.
도 12a 및 도 12b는 실험예 2 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 13a 및 도 13b는 실험예 3 및 비교예에서 얻어진 피처리 기체의 SEM 이미지의 모식도이다.
도 14는 실험예 3에서 얻어진 피처리 기체의 TEM 이미지의 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 다양한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하는 것으로 한다.
도 1은, 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법으로 제조되는 MRAM 소자(100)의 단면도이다. 도 1에 도시한 MRAM 소자(100)는 기판(B) 상에 배치되어 있고, 하층으로부터 차례로 하부 전극층(101), 핀 고정층(102), 제 2 자성층(103), 절연층(104), 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)가 적층되어 있다. 또한, MRAM 소자(100)의 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)의 측벽에는 절연막(108)이 형성되어 있다.
하부 전극층(101)은 기판(B) 상에 형성되는 전기 전도성을 가지는 전극 부재이다. 하부 전극층(101)의 두께는 예를 들면 약 5 nm이다. 핀 고정층(102)은 하부 전극층(101) 및 제 2 자성층(103)의 사이에 배치된다. 핀 고정층(102)은 반강자성체에 의한 핀 고정 효과에 의해 하부 전극층(101)의 자화의 방향을 고정한다. 핀 고정층(102)으로서는, 예를 들면 IrMn(이리듐 망간), PtMn(플라티나 망간) 등의 반강자성체 재료가 이용되고, 그 두께는 예를 들면 약 7 nm이다.
제 2 자성층(103)은 핀 고정층(102) 상에 배치되는 강자성체를 포함하는 층이다. 제 2 자성층(103)은 핀 고정층(102)에 의한 핀 고정 효과에 의해, 자화의 방향이 외부 자계의 영향을 받지 않고 일정하게 보지(保持)되는 이른바 핀드층으로서 기능한다. 제 2 자성층(103)으로서는 CoFeB가 이용되고, 그 두께는 예를 들면 약 2.5 nm이다.
절연층(104)은 제 2 자성층(103) 및 제 1 자성층(105)에 의해 개재되어 배치된다. 제 2 자성층(103)과 제 1 자성층(105)의 사이에 절연층(104)이 개재됨으로써, 제 2 자성층(103)과 제 1 자성층(105)의 사이에는 터널 자기 저항 효과가 발생한다. 즉, 제 2 자성층(103)과 제 1 자성층(105)의 사이에는, 제 2 자성층(103)의 자화 방향과 제 1 자성층(105)의 자화 방향과의 상대 관계(평행 또는 반평행)에 따른 전기 저항이 발생한다. 절연층(104)으로서는 MgO가 이용되고, 그 두께는 예를 들면 1.3 nm이다.
제 1 자성층(105)은 절연층(104) 상에 배치되는 강자성체를 포함하는 층이다. 제 1 자성층(105)은 자기 정보인 외부 자장에 자화의 방향이 추종하는, 이른바 프리층으로서 기능한다. 제 1 자성층(105)으로서는 CoFeB가 이용되고, 그 두께는 예를 들면 약 2.5 nm이다.
상부 전극층(106)은 기판(B) 상에 형성되는 전기 전도성을 가지는 전극 부재이다. 상부 전극층(106)의 두께는 예를 들면 약 5 nm이다. 에칭 마스크(107)는 상부 전극층(106) 상에 형성된다. 에칭 마스크(107)는 MRAM 소자(100)의 평면 형상에 따른 형상으로 형성된다. 에칭 마스크(107)로서는, 예를 들면 Ta(탄탈), TiN(티탄 나이트라이드) 등이 이용되고, 그 두께는 예를 들면 50 nm이다.
이어서, MRAM 소자(100)의 제조 방법에 대하여 설명한다. MRAM 소자(100)는 플라즈마 처리 장치 및 성막 장치를 구비하는 처리 시스템을 이용하여 제조된다. 이하에서는, 플라즈마 처리 장치의 상세를 설명한다. 도 2는 MRAM 소자(100)를 제조하기 위한 플라즈마 처리 장치의 단면을 도시하고 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(12)를 구비하고 있다. 처리 용기(12)는 대략 원통 형상을 가지고 있고, 그 내부 공간으로서 처리 공간(S)을 구획 형성하고 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(12) 내에, 대략 원판 형상의 베이스(14)를 구비하고 있다. 베이스(14)는 처리 공간(S)의 하방에 설치되어 있다. 베이스(14)는 예를 들면 알루미늄제이며, 제 2 전극을 구성하고 있다. 베이스(14)는 프로세스에서 후술하는 정전 척(50)의 열을 흡열하여, 정전 척(50)을 냉각하는 기능을 가진다.
베이스(14)의 내부에는 냉매 유로(15)가 형성되어 있고, 냉매 유로(15)에는 냉매 입구 배관, 냉매 출구 배관이 접속된다. 그리고, 냉매 유로(15) 내에 적당한 냉매, 예를 들면 냉각수 등을 순환시킴으로써, 베이스(14) 및 정전 척(50)을 소정의 온도로 제어 가능한 구성으로 되어 있다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는, 통 형상 보지부(16) 및 통 형상 지지부(17)를 더 구비하고 있다. 통 형상 보지부(16)는 베이스(14)의 측면 및 저면의 가장자리부에 접하여, 베이스(14)를 보지하고 있다. 통 형상 지지부(17)는 처리 용기(12)의 저부로부터 수직 방향으로 연장되고, 통 형상 보지부(16)를 개재하여 베이스(14)를 지지하고 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는, 이 통 형상 보지부(16)의 상면에 재치(載置)되는 포커스 링(18)을 더 구비하고 있다. 포커스 링(18)은 예를 들면 실리콘 또는 석영으로 구성될 수 있다.
일실시예에서는, 처리 용기(12)의 측벽과 통 형상 지지부(17)의 사이에는 배기로(20)가 형성되어 있다. 배기로(20)의 입구 또는 그 도중에는 베플판(22)이 장착되어 있다. 또한, 배기로(20)의 저부에는 배기구(24)가 형성되어 있다. 배기구(24)는 처리 용기(12)의 저부에 감입된 배기관(28)에 의해 구획 형성되어 있다. 이 배기관(28)에는 배기 장치(배기부)(26)가 접속되어 있다. 배기 장치(26)는 진공 펌프를 가지고 있고, 처리 용기(12) 내의 처리 공간(S)을 소정의 진공도까지 감압할 수 있다. 처리 용기(12)의 측벽에는 피처리 기체(기판)(W)의 반입출구를 개폐하는 게이트 밸브(30)가 장착되어 있다.
베이스(14)에는 플라즈마 생성용의 제 2 고주파 전원(제 2 전원부)(32)이 정합기(34)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 고주파 전원(32)은 제 2 주파수(예를 들면 400 KHz)의 고주파 전력을 제 2 전극, 즉 베이스(14)에 인가한다.
플라즈마 처리 장치(10)는 또한 내부에 샤워 헤드(38)를 구비하고 있다. 샤워 헤드(38)는 처리 공간(S)의 상방에 설치되어 있다. 샤워 헤드(38)는 전극판(40) 및 전극 지지체(42)를 포함하고 있다.
전극판(40)은 대략 원판 형상을 가지는 도전성의 판이며, 제 1 전극을 구성하고 있다. 전극판(40)에는 플라즈마 생성용의 제 1 고주파 전원(제 1 전원부)(35)이 정합기(36)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(35)은 제 1 주파수(예를 들면 60 MHz)의 고주파 전력을 전극판(40)에 인가한다. 제 2 고주파 전원(32) 및 제 1 고주파 전원(35)에 의해 베이스(14) 및 전극판(40)에 고주파 전력이 각각 부여되면, 베이스(14)와 전극판(40) 사이의 공간, 즉 처리 공간(S)에는 고주파 전계가 형성된다.
전극판(40)에는 복수의 가스 환기홀(40h)이 형성되어 있다. 전극판(40)은 전극 지지체(42)에 의해 착탈 가능하게 지지되어 있다. 전극 지지체(42)의 내부에는 버퍼실(42a)이 설치되어 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는 가스 공급부(44)를 더 구비하고 있고, 버퍼실(42a)의 가스 도입구(25)에는 가스 공급 도관(46)을 개재하여 가스 공급부(44)가 접속되어 있다. 가스 공급부(44)는 처리 공간(S)으로 처리 가스를 공급한다. 가스 공급부(44)는 복수 종류의 에칭 가스를 공급할 수 있다. 전극 지지체(42)에는 복수의 가스 환기홀(40h)에 각각 연속하는 복수의 홀이 형성되어 있고, 당해 복수의 홀은 버퍼실(42a)에 연통하고 있다. 따라서, 가스 공급부(44)로부터 공급되는 가스는 버퍼실(42a), 가스 환기홀(40h)을 경유하여, 처리 공간(S)으로 공급된다. 또한, 라디칼 분포를 제어하기 위하여, 피처리 기체(W)의 중심 영역에서의 처리 가스의 유량(FC)과 피처리 기체(W)의 주위 영역에서의 처리 가스의 유량(FE)을 제어해도 된다.
일실시예에서는, 처리 용기(12)의 천장부에 환 형상 또는 동심 형상으로 연장되는 자장 형성 기구(48)가 설치되어 있다. 이 자장 형성 기구(48)는 처리 공간(S)에서의 고주파 방전의 개시(플라즈마 착화)를 용이하게 하여 방전을 안정적으로 유지하도록 기능한다.
일실시예에서는, 베이스(14)의 상면에 정전 척(50)이 설치되어 있다. 이 정전 척(50)은 전극(52) 및 한 쌍의 절연막(54a 및 54b)을 포함하고 있다. 절연막(54a 및 54b)은 세라믹 등의 절연체에 의해 형성되는 막이다. 전극(52)은 도전막이며, 절연막(54a)과 절연막(54b)의 사이에 설치되어 있다. 이 전극(52)에는 스위치(SW)를 개재하여 직류 전원(56)이 접속되어 있다. 직류 전원(56)으로부터 전극(52)에 직류 전압이 부여되면, 쿨롱력이 발생하고, 당해 쿨롱력에 의해 피처리 기체(W)가 정전 척(50) 상에 흡착 보지된다. 정전 척(50)의 내부에는 가열 소자인 히터(53)가 매립되고, 피처리 기체(W)를 소정 온도로 가열할 수 있도록 되어 있다. 히터(53)는 배선을 개재하여 히터 전원에 접속된다. 베이스(14) 및 정전 척(50)은 재치대(70)를 구성하고 있다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 가스 공급 라인(58 및 60) 및 전열 가스 공급부(62 및 64)를 더 구비하고 있다. 전열 가스 공급부(62)는 가스 공급 라인(58)에 접속되어 있다. 이 가스 공급 라인(58)은 정전 척(50)의 상면까지 연장되어, 당해 상면의 중앙 부분에서 환 형상으로 연장되어 있다. 전열 가스 공급부(62)는 예를 들면 He 가스와 같은 전열 가스를, 정전 척(50)의 상면과 피처리 기체(W)의 사이로 공급한다. 또한, 전열 가스 공급부(64)는 가스 공급 라인(60)에 접속되어 있다. 가스 공급 라인(60)은 정전 척(50)의 상면까지 연장되어, 당해 상면에서 가스 공급 라인(58)을 둘러싸도록 환 형상으로 연장되어 있다. 전열 가스 공급부(64)는 예를 들면 He 가스와 같은 전열 가스를, 정전 척(50)의 상면과 피처리 기체(W)의 사이로 공급한다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(66)를 더 구비하고 있다. 이 제어부(66)는 배기 장치(26), 스위치(SW), 제 2 고주파 전원(32), 정합기(34), 제 1 고주파 전원(35), 정합기(36), 가스 공급부(44) 및 전열 가스 공급부(62 및 64)에 접속되어 있다. 제어부(66)는 배기 장치(26), 스위치(SW), 제 2 고주파 전원(32), 정합기(34), 제 1 고주파 전원(35), 정합기(36), 가스 공급부(44) 및 전열 가스 공급부(62 및 64)의 각각에 제어 신호를 송출한다. 제어부(66)로부터의 제어 신호에 의해, 배기 장치(26)에 의한 배기, 스위치(SW)의 개폐, 제 2 고주파 전원(32)으로부터의 전력 공급, 정합기(34)의 임피던스 조정, 제 1 고주파 전원(35)으로부터의 전력 공급, 정합기(36)의 임피던스 조정, 가스 공급부(44)에 의한 처리 가스의 공급, 전열 가스 공급부(62 및 64) 각각에 의한 전열 가스의 공급이 제어된다.
이 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 가스 공급부(44)로부터 처리 공간(S)으로 처리 가스가 공급된다. 또한, 전극판(40)과 베이스(14) 사이, 즉 처리 공간(S)에서 고주파 전계가 형성된다. 이에 의해, 처리 공간(S)에서 플라즈마가 발생하고, 처리 가스에 포함되는 원소의 라디칼 등에 의해 피처리 기체(W)의 에칭이 행해진다.
이하, 상술한 플라즈마 처리 장치(10)를 이용한 플라즈마 처리 방법의 일실시예에 대하여 설명한다. 도 3은, 일실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타낸 순서도이다. 일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 우선 공정(S1)에서 피처리 기체(W)가 준비되고, 피처리 기체(W)가 처리 용기(12)의 정전 척(50)에 재치된다. 도 4에는, MRAM 소자(100)를 제조 방법의 중간 공정에서 생성되는 피처리 기체(W)의 일례가 도시되어 있다. 이 피처리 기체(W)는 하부 전극층(101), 핀 고정층(102), 제 2 자성층(103), 절연층(104), 제 1 자성층(105) 및 상부 전극층(106)이 기판(B) 상에 적층된 다층막 재료이다. 상부 전극층(106) 상에는, 소정의 평면 형상을 가지는 에칭 마스크(107)가 배치되어 있다. 이하, 도 4에 도시한 피처리 기체(W)를 예로 들어 일실시예의 플라즈마 처리 방법에 대하여 설명한다.
공정(S2)(제 1 에칭 공정)에서는, 우선 상부 전극(106)을 에칭한다. 이 때 이용되는 에칭 가스가 임의인데, 예를 들면 Cl2, CH4, He, N2, Ar 등을 이용할 수 있다. 이어서, 가스 공급부(44)로부터 처리 용기(12)로 염소(Cl2)를 포함하는 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 피처리 기체(W)를 에칭한다. 제 1 처리 가스로서는 He, N2, Ar 등의 불활성 가스, H2를 포함할 수 있다. 공정(S2)에서 제 1 처리 가스에 의해, 제 1 자성층(105) 중, 에칭 마스크(107)로 덮여 있지 않은 영역은 염소와 반응하여 에칭되지만, MgO는 염소에 대하여 반응하지 않기 때문에 절연층(104)은 에칭 되지 않는다. 이 때문에, 공정(S2)에서는 절연층(104)의 표면에서 에칭이 종료된다.
공정(S2)에서 제 1 자성층(105)이 제 1 처리 가스를 이용하여 에칭될 시에는, 피에칭 재료가 제 1 처리 가스와 반응하여 부생성물이 발생한다. 이 부생성물은 하기 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 제 1 자성층(105)의 CoFeB와 제 1 처리 가스에 포함되는 Cl2가 반응함으로써 생성된다.
CoFeB ＋ Cl2 → CoCl2 ··· (1)
이 부생성물은 도 5에 도시한 바와 같이 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106), 및 에칭 마스크(107)의 측벽에 잔류물(Z)로서 부착하게 된다. 잔류물(Z)은 도전성 물질을 포함하기 때문에 MRAM 소자에 리크 전류를 발생시키는 원인이 된다.
여기서, 공정(S2)을 플라즈마 처리 장치(10)에서 실시할 경우의 처리 조건의 일례를 이하에 나타낸다.
(공정(S2))
처리 공간(S)의 압력 : 10 mTorr(1.33 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 100 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 250 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 10 초
일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 이어지는 공정(S3)(제 2 에칭 공정)에 서, 가스 공급부(44)로부터 처리 용기(12)로 수소(H2)를 포함하는 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 공정(S2)에서 생성된 잔류물(Z)을 제거한다. 제 2 처리 가스로서는 He, N2, Ar 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
공정(S3)에서, 처리 용기(12) 내에서는 잔류물(Z)의 CoCl2와 제 2 처리 가스에 포함되는 H2에 의해, 식 (2)에 나타낸 반응이 발생한다.
CoCl2 ＋ H2 → HCl ＋ Co ··· (2)
공정(S3)에서는, 상기 식 (2)에 나타낸 바와 같이, 잔류물(Z)을 구성하는 CoCl2와 제 2 처리 가스에 포함되는 H2가 반응하여 HCl 및 Co가 생성된다. 공정(S3)에서의 생성물 중, HCl는 휘발하여 외부로 배출된다. 또한, 공정(S3)에서 생성되는 Co는 포러스 형상을 이루고 있고, 예를 들면 N2 또는 Ar에 의해 스퍼터되고 이산되어 제거된다. 이러한 공정(S3)에 의해, 도 6에 도시한 바와 같이, 상부 전극층(106), 제 1 자성층(105) 및 에칭 마스크(107)의 측벽으로부터 잔류물(Z)이 제거된다.
여기서, 공정(S3)을 플라즈마 처리 장치(10)에서 실시할 경우의 처리 조건의 일례를 이하에 나타낸다. 이하의 처리 조건에서는, 공정(S3)을 2 개의 공정(S3A 및 S3B)으로 더 분할하고 있다.
(공정(S3A))
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 0 W
제 2 처리 가스의 유량
H2 가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(공정(S3B))
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 1000 W
제 2 처리 가스의 유량
H2 가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 10 초
일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 이어지는 공정(S4)(피복 공정)에서, 도 7에 도시한 바와 같이, 피처리 기체(W)의 표면을 절연막(108)으로 피복한다. 예를 들면, 피처리 기체(W)를 성막 장치(예를 들면 RLSA 장치 또는 CVD 장치)로 이동시켜 성막한다. 이 절연막(108)으로서는, 예를 들면 SiN 또는 SiO2가 이용된다. 이 후, 피처리 기체(W)를 도 2에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)로 되돌려, 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)의 측벽에 절연막(108)이 남도록 절연막(108)을 에칭한다.
일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 이어지는 공정(S5)(제 3 에칭 공정)에서, 가스 공급부(44)로부터 처리 용기(12)로 메탄(CH4)을 포함하는 제 3 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 절연층(104) 및 제 2 자성층(103)을 에칭한다. 공정(S5)에서, 에칭된 피처리 기체(W)를 도 8에 도시한다. 제 3 처리 가스로서는 He, N2, Ar 등의 불활성 가스 또는 카르보닐기를 함유하는 가스, H2 등, 메탄 이외의 가스를 포함할 수 있다. 공정(S5)에서 제 3 처리 가스에 의해, 절연층(104), 제 2 자성층(103) 및 핀 고정층(102) 중, 에칭 마스크(107) 및 절연막(108)으로 덮여 있지 않은 영역이 에칭된다. 이 때, 피에칭층에 포함되는 금속은 유기 금속이 되어, 휘발하여 배기된다. 이에 의해, 핀 고정층(102), 제 2 자성층(103) 및 절연층(104)은, 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)보다 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)의 측벽 형성된 절연막(108)의 폭의 분만큼, 폭이 넓어지도록 형성된다.
일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 이어지는 공정(S6)에서, 가스 공급부(44)로부터 처리 용기(12)로 제 4 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 하부 전극층(101)을 에칭한다. 공정(S6)에서, 에칭된 피처리 기체(W)를 도 9에 도시한다. 제 4 처리 가스로서는, 제 3 처리 가스와 동일한 처리 가스를 이용할 수 있다. 즉, 제 4 처리 가스로서는 He, N2, Ar 등의 불활성 가스 또는 카르보닐기를 함유하는 가스, CH4, H2 등의 가스를 포함할 수 있다. 공정(S6)에서 제 4 처리 가스에 의해, 하부 전극층(101) 중, 에칭 마스크(107) 및 절연막(108)에 덮여 있지 않은 영역이 에칭된다. 이 때, 피에칭층에 포함되는 금속은 유기 금속이 되고, 휘발하여 배기된다. 이에 의해, 하부 전극층(101)은 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)보다 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)의 측벽에 형성된 절연막(108)의 폭의 분만큼, 폭이 넓어지도록 형성된다.
공정(S6)이 종료되면, 도 3에 나타낸 플라즈마 처리가 종료된다. 이와 같이 하여, 다층막 구조를 가지는 피처리 기체(W)로부터 원하는 형상의 MRAM 소자가 형성된다. 이어서, 플라즈마 처리 장치(10)에서 실시할 경우의 처리 조건에 대하여 상세히 설명한다.
일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 공정(S2, S3, S5, S6)에서의 에칭 처리에서, 제 2 고주파 전원(32)으로부터 제 2 주파수로서 1 MHz 이하의 주파수의 전력을 제 2 전극에 공급해도 된다. 특히, 제 2 고주파 전원(32)으로부터 제 2 주파수로서400 kHz 이하의 주파수의 전력을 베이스(14)로 공급해도 된다. 이와 같이, 베이스(14)에 비교적 낮은 주파수의 전력을 공급하면, 베이스(14)에 고주파 전력을 공급할 경우보다, 처리 공간(S)의 상부 공간, 즉 피처리 기체(W)에 대하여 이간된 위치에 플라즈마가 생성된다. 이에 의해, 음극 강하 전압(Vdc)이 높아져, 제 2 전극에 의해 인입되는 이온의 수직성이 향상되고, 그 결과 에칭의 수직성이 향상된다. 또한, 피처리 기체인 W의 직상(直上)에서는 플라즈마가 발생되지 않기 때문에, 공정(S5, S6)에서 피처리 기체(W)로부터 분리된 유기 금속 착체가 해리하는 것을 방지할 수 있다.
또한 일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 공정(S2, S3, S5, S6)에서의 에칭 처리, 특히 공정(S5, S6)에서, 제 1 고주파 전원(35)이 100 W ~ 300 W의 전력을 전극판(40)에 공급하여, 처리 용기에 플라즈마를 발생시켜도 된다. 이에 의해, 저괴리 영역에서의 플라즈마를 발생시켜, CoFeB를 포함하는 제 2 자성층(103)을 플라즈마 에칭함으로써, 큰 분자 구조의 유기 금속 착체 상태로 배기할 수 있다.
또한 일실시예의 플라즈마 처리 방법에서는, 공정(S2, S3, S5, S6)에서의 에칭 처리에서, 처리 공간(S)의 압력을 10 mTorr ~ 30 mTorr(1.33 Pa ~ 4.00 Pa)로 해도 된다. 이와 같이, 처리 공간(S)의 압력을 30 mTorr(4.00 Pa) 이하로 설정함으로써, 처리 공간(S)에 발생하는 플라즈마의 밀도를 저하시키고, 이온 평균 자유 행정을 길게 함으로써, 에칭의 수직성을 향상시킬 수 있다. 한편, 처리 공간(S)의 압력을 10 mTorr(1.33 Pa) 이상으로 함으로써 절연막(108)과 절연층(104)과의 에칭 레이트의 선택비를 적절히 취할 수 있다.
또한 일실시예의 플라즈마 처리 방법에서 이용하는 플라즈마 처리 장치(10)는, 예를 들면 20 mm ~ 30 mm의 갭을 가지고 있어도 된다. 여기서 갭이란, 처리 용기(12)에 구획 형성되는 처리 공간(S)의 높이를 나타내고 있다. 이러한 비교적 낮은 갭을 가지는 플라즈마 처리 장치(10)에 의해, 스퍼터 효과가 강해져, 낮은 레지던스 타임에 의한 배기가 촉진된다.
이상 설명한 플라즈마 처리 방법에 의하면, 제 1 에칭 공정에서, Cl2를 포함하는 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 제 1 자성층(105)을 에칭하고, 절연층(104)의 표면에서 에칭을 종료한다. Cl2는, 제 1 자성층(105)에 포함되는 CoFeB에 반응하고, 절연층(104)에 포함되는 MgO에 반응하지 않기 때문에, CoFeB를 포함하는 제 1 자성층(105)과 MgO를 포함하는 절연층(104)과의 에칭 레이트의 선택비를 향상시킬 수 있다. 또한 이 플라즈마 처리 방법에 의하면, 제 2 에칭 공정에서, H2를 이용한 에칭 가스에 의해, 제 1 자성층(105)의 측면 및 절연층(104)의 상면에 부착한 잔류물(Z)이 제거되므로, 제 1 자성층(105)의 수직성을 향상시키면서, 후술하는 절연층(104)의 에칭 시에 잔류물(Z)이 비산하여 절연층(104)의 측벽에 잔류물(Z)이 부착하는 것을 회피할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 방법에 의하면, 리크 전류를 방지하여, MRAM 소자(100)의 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 2 처리 가스는 적어도 N2, Ar 및 He 중 어느 일종의 가스를 더 포함하고 있으므로, 제 1 자성층(105)의 측면 및 절연층(104)의 싱면에 부착한 잔류물(Z)을 확실히 제거할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 처리 방법은 제 2 에칭 공정보다 후에, 피처리 기체(W)의 표면을 절연막(108)으로 피복하는 피복 공정을 더 포함하고 있으므로, 후단의 처리에서, 절연층(104)의 측벽에 잔류물(Z)이 부착하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 처리 방법은 피복 공정보다 후에, 처리 용기(12)로 CH4를 포함하는 제 3 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 절연층(104) 및 제 2 자성층(103)을 에칭하는 제 3 에칭 공정을 더 구비하고 있으므로, 피처리 기체(W)로부터 MRAM 소자를 형성할 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)가, 처리 용기(12) 내에 배치되는 전극판(40)과, 전극판(40)에 대하여 대향하여 배치되는 베이스(14)와, 전극판(40)에 60 MHz의 전력을 공급하는 제 1 고주파 전원(35)과, 베이스(14)에 400 kHz의 전력을 공급하는 제 2 고주파 전원을 구비하고, 제 2 고주파 전원(32)에서 400 kHz의 주파수의 전력을 베이스(14)에 공급하여, 처리 용기(12)에 플라즈마를 발생시키고 있다. 이 경우에는, 베이스(14)에 비교적 낮은 주파수가 공급됨으로써, 피처리 기체(W)에 대하여 이간된 위치에 플라즈마가 생성된다. 이에 의해, 베이스(14)에 의해 인입되는 이온의 수직성이 향상되고, 그 결과, 피처리 기체(W)의 측벽의 수직성을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 방법은, 제 1 고주파 전원(35)에서 100 W ~ 300 W의 전력을 전극판(40)에 공급하여, 처리 용기(12)에 플라즈마를 발생시키고 있다. 이 때문에, 전극판(40)에 비교적 낮은 전력이 공급됨으로써, 플라즈마 착화 마진의 저한계에서 저밀도의 플라즈마가 생성되고, 예를 들면 에칭된 절연층(104) 또는 제 2 자성층(103)을 큰 분자 구조를 가지는 유기 금속 착체 상태로 외부로 배출할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 방법은, 플라즈마 처리 장치(10)가, 처리 공간(12)을 원하는 기압까지 감압할 수 있는 배기 장치(26)와, 배기 장치(26)를 제어하는 제어부(66)를 더 구비하고, 제어부(66)가 처리 공간의 압력을 10 mTorr ~ 30 mTorr(1.33 Pa ~ 4.00 Pa)가 되도록 배기 장치(26)를 제어하고 있다. 이와 같이, 처리 공간(S)의 압력을 낮게 설정함으로써, 처리 공간(S)에 발생하는 플라즈마의 밀도를 저하시켜, 이온 평균 자유 행정을 길게 함으로써, 에칭의 수직성을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 방법에서는, 처리 공간(S)은 20 mm ~ 30 mm의 갭을 가지고 있다. 이 때문에, 스퍼터 효과가 강해져, 낮은 레지던스 타임(짧은 체류 시간)에 의한 배기를 촉진시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 그 실시예에 기초하여 상세하게 설명했다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명은, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시예의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 전극판(40)이 플라즈마 처리 장치(10) 상부에 배치되고, 제 1 고주파 전원(35)에 의해 처리 공간(S)의 상방으로부터 고주파 전력이 공급되고 있지만, 전극판(40)을 플라즈마 처리 장치(10) 하부에 배치하여, 제 1 고주파 전원(35)에 의해 처리 공간(S)의 하방으로부터 고주파 전력이 공급되어도 된다.
또한, 하부 전극층(101), 핀 고정층(102), 제 2 자성층(103) 및 절연층(104)은, 제 1 자성층(105), 상부 전극층(106) 및 에칭 마스크(107)는 다층 구조를 이루고 있어도 된다.
(실험예)
이하, 실험예 및 비교예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이하의 실험예에 한정되지 않는다.
(에칭 레이트의 선택비 및 잔류물(Z) 제거의 확인)
실험예 1에서는, 도 2에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)에 의해, 제 1 처리 가스를 이용하여 피처리 기체(W)를 에칭했다. 피처리 기체(W)는, 기판(B)의 상면으로부터 절연층(104)의 상면까지의 두께가 70.8 nm인 것을 이용했다. 그리고, 에칭 후의 피처리 기체(W)의 표면을 전자 현미경으로 관찰했다. 실험예 1에서는, 에칭을 4 단계로 나누어 행했다. 각 단계의 에칭은 이하에 나타낸 처리 조건으로 했다.
(제 1 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 0 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 2 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 3 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 20 mTorr(2.67 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 70 초
(제 4 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 10 mTorr(1.33 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 100 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 250 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 10 초
실험예 1에 의해 에칭된 피처리 기체(W)의 표면의 SEM 이미지의 모식도를 도 10a에 도시한다. 도 10a에 도시한 바와 같이, 실험예 1의 에칭 후의 피처리 기체(W)의 표면에는 잔류물(Z)이 부착하고 있는 것이 확인되었다. 실험예 1에서 에칭 후의 피처리 기체(W)의 두께는 78.1 nm였다.
실험예 2에서는, 도 2에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)에 의해, 실험예 1에서 에칭된 피처리 기체(W)에 대하여, 제 2 처리 가스를 이용하여 피처리 기체(W)를 더 에칭했다. 그리고, 에칭 후의 피처리 기체(W)의 표면을 전자 현미경으로 관찰했다. 실험예 2에서는 에칭을 2 단계로 나누어 행했다. 각 단계의 에칭은 이하에 나타낸 처리 조건으로 했다.
(제 1 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 0 W
제 2 처리 가스의 유량
H2 가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 2 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 1000 W
제 2 처리 가스의 유량
H2 가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 10 초
실험예 2에 의해 에칭된 피처리 기체(W)의 표면의 SEM 이미지의 모식도를 도 10b에 도시한다. 또한 도 11은, 실험예 2에서 얻어진 MRAM 소자(100) 중, 도 10b의 점선으로 나타난 영역의 TEM 이미지의 모식도이다. 도 10b 및 도 11에 도시한 바와 같이, 실험예 2에서는, 피처리 기체(W)의 표면으로부터 잔류물(Z)이 제거되어 있는 것이 확인되었다. 실험예 2의 에칭 후의 피처리 기체(W)의 두께는 70.8 nm였다. 이에 의해, 절연층(104)의 표면에서 에칭이 종료되어 있는 것이 확인되었다.
(저바이어스 주파수의 효과의 확인)
이어서, 제 2 고주파 전원(32)으로부터 공급되는 제 2 주파수를 변화시켰을 경우의 실험예에 대하여 설명한다. 실험예 3에서는, 도 2에 도시한 플라즈마 장치에 의해, 제 1 고주파 전원(35)으로부터 60 MHz를 가지는 전력을 전극판(40)에 공급하고, 제 2 고주파 전원(32)으로부터 400 kHz를 가지는 전력을 베이스(14)에 공급하여 에칭을 행했다. 실험예 3에서는 처리 시간을 120 초로 했다. 에칭 가스로서는 H2, Ar, CH4를 포함하는 가스를 이용했다.
비교예 1에서는, 도 2에 도시한 플라즈마 장치에서, 제 1 고주파 전원(35)으로부터 60 MHz를 가지는 고주파 전력을 전극판(40)에 공급하고, 제 2 고주파 전원(32)으로부터 13 MHz를 가지는 고주파 전력을 베이스(14)에 공급하여 에칭을 행했다. 비교예 1에서는 처리 시간을 100 초로 했다. 그 외의 조건은 실험예 3과 동일하게 했다.
실험예 3 및 비교예 1에 의해 에칭된 피처리 기체(W)의 표면의 SEM 이미지의 모식도를 각각 도 12a, 도 12b에 도시한다. 도 12a에 도시한 바와 같이, 실험예 3에서의 피처리 기체(W)에서는, MRAM 소자(100)의 측벽의 테이퍼각이 85.7°였다. 또한, 실험예 3에서의 피처리 기체(W)의 두께는 60.8 nm이며, 높이는 140 nm였다. 한편, 도 12b에 도시한 바와 같이, 비교예 1에서의 피처리 기체(W)에서는, MRAM 소자(100)의 측벽의 테이퍼각이 76.0°였다. 또한, 실험예 3에서의 피처리 기체(W)의 두께는 56.9 nm이며, 높이는 136 nm였다. 이와 같이, 제 2 주파수로서 400 kHz의 고주파 전력이 공급된 실험예 3에서는, 대략 동일 높이로 에칭할 경우에, 제 2 주파수로서 13 MHz의 고주파 전력이 공급된 비교예 1보다 수직성이 높은 에칭을 할 수 있는 것이 확인되었다.
(저압력의 효과의 확인)
이어서, 처리 공간(S)의 압력을 변화시켰을 경우의 실험예에 대하여 설명한다. 실험예 4에서는, 도 2에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)에 의해, 제 1 처리 가스를 이용하여 피처리 기체(W)를 에칭하고, 또한 제 2 처리 가스를 이용하여 피처리 기체(W)를 에칭했다. 그리고, 에칭 후의 피처리 기체(W)의 표면을 전자 현미경으로 관찰했다. 실험예 4에서는, 에칭을 6 단계로 나누어 행했다. 각 단계의 에칭은 이하에 나타낸 처리 조건으로 했다.
(제 1 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 0 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 2 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 3 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 20 mTorr(2.67 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 200 sccm
CH4 가스 : 50 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 70 초
(제 4 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 10 mTorr(1.33 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 100 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 300 W
제 1 처리 가스의 유량
N2 가스 : 250 sccm
Cl2 가스 : 50 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 10 초
(제 5 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 0 W
제 2 처리 가스의 유량
H2 가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 2 초
(제 6 단계)
처리 공간(S)의 압력 : 30 mTorr(4.00 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 200 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 1000 W
제 2 처리 가스의 유량
H2가스 : 400 sccm
N2 가스 : 100 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 20 초
비교예 2는, 실험예 4의 제 4 단계의 처리 공간(S)의 압력을 30 mTorr(4.00 Pa)로 하고, 제 6 단계의 처리 시간을 10 초로 한 점만이 상이하며, 그 외의 처리 조건은 실험예 4와 동일하게 하여 피처리 기체(W)를 에칭했다.
실험예 4 및 비교예 2에 의해 에칭된 피처리 기체(W)의 표면의 SEM 이미지의 모식도를 각각 도 13a, 도 13b에 도시한다. 도 14는 실험예 4 및 비교예 2에 의해 에칭된 피처리 기체(W)의 표면의 TEM 이미지의 모식도이다. 도 13a, 도 14에 도시한 바와 같이, 실험예 4의 에칭 후의 피처리 기체(W)의 두께는 76.7 nm였다. 한편, 도 13b에 도시한 바와 같이, 비교예 2의 에칭 후의 피처리 기체(W)에서는, 실험예 3의 에칭 후의 피처리 기체(W)의 두께는 70.1 nm였다. 또한 도 13b에 도시한 바와 같이, 비교예 2에서는, 에칭에 의해 MRAM 소자(100)가 끝이 좁아지도록 형성되어 있는 것이 확인되었다. 이에 대하여 실험예 4에서는, MRAM 소자(100)가 끝이 좁아지는 형상을 이루지 않고, 에칭의 수직성이 좋은 것이 확인되었다.
(저갭의 효과의 확인)
이어서, 플라즈마 처리 장치(10)의 갭을 변화시켰을 경우의 실험예에 대하여 설명한다. 실험예 5에서는, 갭 25 mm의 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 피처리 기체(W)를 에칭했다. 실험예 5에서는 이하에 나타낸 처리 조건으로 피처리 기체(W)를 에칭했다.
처리 공간(S)의 압력 : 6 mTorr(0.80 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 500 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 100 W
처리 가스의 유량
CO2 가스 : 34 sccm
CH4 가스 : 26 sccm
H2 가스 : 150 sccm
Ar 가스 : 50 sccm
He 가스 : 10 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 600 초
비교예 3에서는, 갭 35 mm의 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 피처리 기체(W)를 에칭했다. 비교예 3에서는 이하에 나타낸 처리 조건으로 피처리 기체(W)를 에칭했다.
처리 공간(S)의 압력 : 6 mTorr(0.80 Pa)
제 1 고주파 전원(35)의 전력 : 500 W
제 2 고주파 전원(32)의 전력 : 100 W
처리 가스의 유량
CO2 가스 : 30 sccm
CH4 가스 : 25 sccm
H2 가스 : 150 sccm
Ar 가스 : 50 sccm
He 가스 : 10 sccm
라디칼 분포 제어(RDC) FC / FE : 50
처리 시간 : 600 초
상기 처리 조건으로 에칭 후, 실험예 5 및 비교예 3에 의해 얻어진 피처리 기체(W)의 SEM 이미지를 관찰하여, 피처리 기체(W)의 치수를 측정했다. 실험예 5에서 얻어진 MRAM 소자(100)에서의, 제 1 자성층(105)의 폭과 하부 전극층(101)의 폭의 편차(CD)는 1.9 nm이며, 에칭 마스크(107)의 폭과 하부 전극층(101)의 폭의 편차(CD) 9.2 nm였다. 한편, 비교예 3에서 얻어진 MRAM 소자(100)에서의, 제 1 자성층(105)의 폭과 하부 전극층(101)의 폭의 편차(CD)는 9.3 nm이며, 에칭 마스크(107)의 폭과 하부 전극층(101)의 폭의 편차(CD) 25.6 nm였다. CD가 작을수록 MRAM 소자(100)의 측벽이 수직으로 형성되어 있는 것을 나타내고 있는 점에서, 실험예 5에서는 비교예 3보다 잔류물(Z)이 제거되어 있고, 수직성이 높은 에칭이 실현되어 있는 것이 확인되었다.
10 : 플라즈마 처리 장치
12 : 처리 용기
14 : 베이스(제 2 전극)
26 : 배기 장치
32 : 제 2 고주파 전원(제 2 전원부)
35 : 제 1 고주파 전원(제 1 전원부)
40 : 전극판(제 1 전극)
100 : MRAM 소자
101 : 하부 전극층
102 : 핀 고정층
103 : 제 2 자성층
104 : 절연층
105 : 제 1 자성층
106 : 상부 전극층
107 : 에칭 마스크
108 : 절연막
S : 처리 공간
W : 피처리 기체
Z : 잔류물
12 : 처리 용기
14 : 베이스(제 2 전극)
26 : 배기 장치
32 : 제 2 고주파 전원(제 2 전원부)
35 : 제 1 고주파 전원(제 1 전원부)
40 : 전극판(제 1 전극)
100 : MRAM 소자
101 : 하부 전극층
102 : 핀 고정층
103 : 제 2 자성층
104 : 절연층
105 : 제 1 자성층
106 : 상부 전극층
107 : 에칭 마스크
108 : 절연막
S : 처리 공간
W : 피처리 기체
Z : 잔류물
Claims (10)
- 플라즈마가 생성되는 처리 공간을 구획 형성하는 처리 용기와, 상기 처리 공간 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 제 1 자성층 및 제 2 자성층이 절연층을 개재하여 적층된 적층 구조를 포함하는 다층막 재료를 에칭하는 플라즈마 처리 방법으로서,
상기 처리 용기로 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 제 1 자성층을 에칭하고, 상기 절연층의 표면에서 에칭을 종료하는 제 1 에칭 공정과,
상기 처리 용기로 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 제 1 에칭 공정에서 생성된 잔류물을 제거하는 제 2 에칭 공정을 구비하고,
상기 제 1 자성층 및 상기 제 2 자성층은 CoFeB를 포함하고,
상기 제 1 처리 가스는 Cl2를 포함하고,
상기 제 2 처리 가스는 H2를 포함하는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 처리 가스는 적어도 N2, Ar, 및 He 중 어느 일종의 가스를 더 포함하는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 에칭 공정보다 후에, 상기 다층막 재료의 표면을 절연막으로 피복하는 피복 공정을 더 포함하는 플라즈마 처리 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 피복 공정보다 후에, 상기 처리 용기로 제 3 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 절연층 및 상기 제 2 자성층을 에칭하는 제 3 에칭 공정을 더 구비하고,
상기 제 3 처리 가스는 CH4를 포함하는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 처리 장치가, 상기 처리 용기 내에 배치되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극에 대하여 대향하여 배치되는 제 2 전극과, 상기 제 1 전극에 제 1 주파수의 전력을 공급하는 제 1 전원부와, 상기 제 2 전극에 제 2 주파수의 전력을 공급하는 제 2 전원부를 구비하고,
상기 제 2 전원부로부터 제 2 주파수로서 1 MHz 이하의 주파수의 전력을 상기 제 2 전극에 공급하여, 상기 처리 용기에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 전원부로부터 제 2 주파수로서 400 kHz 이하의 주파수의 전력을 상기 제 2 전극에 공급하여, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 방법. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전원부로부터 100 W ~ 300 W의 전력을 상기 제 1 전극에 공급하여, 상기 처리 용기에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 처리 장치가, 상기 처리 공간을 원하는 기압까지 감압할 수 있는 배기부와, 상기 배기부를 제어하는 제어부를 더 구비하고,
상기 제어부가 처리 공간의 압력을 10 mTorr ~ 30 mTorr(1.33 Pa ~ 4.00 Pa)가 되도록 상기 배기부를 제어하는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 공간이 20 mm ~ 30 mm의 갭을 가지는 플라즈마 처리 방법. - 제 1 자성층 및 제 2 자성층이 절연층을 개재하여 적층된 적층 구조를 포함하는 다층막 재료를 에칭하는 플라즈마 처리 장치로서,
플라즈마가 생성되는 처리 공간을 구획 형성하는 처리 용기와,
상기 처리 공간 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
상기 가스 공급부를 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 처리 용기로 제 1 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 제 1 자성층을 에칭하고, 상기 절연층의 표면에서 에칭을 종료하고,
상기 처리 용기로 제 2 처리 가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 제 1 처리 가스에 의한 에칭으로 생성된 잔류물을 제거하고,
상기 제 1 자성층 및 상기 제 2 자성층은 CoFeB를 포함하고,
상기 제 1 처리 가스는 Cl2를 포함하고,
상기 제 2 처리 가스는 H2를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
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| KR20190122523A (ko) * | 2018-04-20 | 2019-10-30 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | 누설을 감소시키고 접착을 향상시키기 위한 프로세스들 |
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