ECR 플라즈마를 이용한 $RuO_2$ 박막의 건식 식각특성에 관한 연구

Abstract

1G-bit scale DRAM으로 가기 위해 필요한 기술중의 하나가 capacitor 형성기술이다. capacitor 형성시 고유전율 상수값을 갖는 $BaSrTiO_3$ (BST), $SrTiO_3$ (STO), $Pb(Zr,Ti)O_3$ (PZT), (Pb,La)(Zr,Ti)$O_3$ (PLZT) 등을 사용하면 매우 간단한 cell structure를 구현할 수 있다. 초고집적 소자의 capacitor용 고유전율 박막제조를 위해서는 안정된 특성을 갖는 전극의 개발이 필요하다. 전극재료의 후보 물질로 Pt, $RuO_2$, $IrO_2$, superconductor 등이 있다. 현재까지 널리 연구된 Pt 전극의 경우 perovskite 고유전 박막형성이 용이하고 누설전류 특성이 우수한 장점이 있다. 그러나 Pt 전극위에 강유전체 박막을 증착한 경우 그 고온공정 또는 후속고온 열처리 공정시 Pt 전극의 변형에 의한 강유전체 박막에 가해지는 damage 문제, 그리고 계면 defect에 의한 열악한 피로특성의 문제가 있다. 또한 그 화학적 안정성 때문에 고온 식각공정이 요구되며 anisotropic etch profile 형성이 잘 안되는 등 미세패턴 형성을 위한 식각 공정에 어려움이 크다. 이에 비해 RuO2는 누설전류 특성이 Pt 전극에 비해 우수하지 못한 점은 있으나, 높은 전기전도도를 가지며, 고유전율 박막에 대해 lattice mismatch가 작고, work function 차이가 작으며, polarization loss를 감소시키며, hillock 형성의 문제를 해결할 뿐만 아니라 강유전체 capacitor의 피로특성을 매우 향상시킬 수 있고, 방향성 있게 식각할 수 있는 우수한 장점을 가지고 있다. Capacitor 형성용 전극재료 물질로 $RuO_2$ 박막이 사용되기 위해서는 식각기술에 대한 종합적인 연구가 필요하나 아직까지는 식각속도에 대한 일부 보고 이외에는 $RuO_2$ 박막에 대한 플라즈마 식각연구는 매우 초보적인 단계이다. 최근의 연구결과들에서 $RuO_2$ 박막은 RF 플라즈마를 이용한 RIE (Reactive Ion Etching)법으로 $O_2$ 플라즈마를 이용하여 휘발성이 높은 기체 상태의 물질인 $RuO_4$로 휘발시키는 방법이 주 식각기구로 보고되고 있다. 그런데 $O_2$ 플라즈마를 이용하여 $RuO_2$ 박막을 건식식각할 경우에는 etch mask 재료로서 photoresist (PR)를 사용하기 어려우므로, SOG (spin on glass) 같은 hard mask를 etch mask로 사용하는 연구가 보고되고 있다. 또한 식각속도 향상을 위해 산소가스에 $CF_4, Cl_2, CF_3CFH_2$ 가스를 첨가하는 연구가 보고되고 있는데, 이 중 $Cl_2$ 가스를 사용하면 F-계열의 가스에 비해 hard mask 재료로서 가장 유망한 SOG에 대해 선택비가 우수한 장점이 있다. RF 플라즈마를 이용한 RIE 연구에서 문제점은 플라즈마 특성을 변화시키지 않으면서 여러 식각 변수에 대해 이온에너지를 독립적으로 조절할 수 없는 것이다. 이에 반해 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마는 저압에서 고밀도 플라즈마 유지가 가능하므로 high directionality를 얻을 수 있으며, 기판에 bias를 인가하여 플라즈마 특성을 변화시키지 않고 이온에너지를 독립적으로 조절하는 것이 가능하므로 식각기구 연구에 적합하다. 본 연구에서 수행한 연구의 주 내용은 다음과 같다. 첫째, ULSI의 Capacitor형성용 전극재료의 물질로 RuO2 박막을 적용하기 위해 제반 공정기술 중 식각에 관해 현재까지 발표된 논문을 조사하여 향후 연구방향에 대한 이론적인 기초를 마련하였고, 둘째, $O_2/CF_4, O_2/Cl_2, O_2/N_2$ 플라즈마에서 식각실험을 수행하여 식각가스 성분비, 기판온도, 충돌 이온에너지, 압력, 유량 등의 공정변수가 $RuO_2$ 식각속도에 미치는 영향과 식각에 따른 식각층의 표면과 식각 형상 및 표면에 잔류한 by-product의 성