자화 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 빔 식각 장치 설계 및 MTJ layer 물질들의 식각 특성에 관한 연구

Abstract

최근에 전자 산업이 발달함에 따라 전자 기기들 막대한 정보를 처리할 뿐만 아니라 저장하는 기능이 요구되고 있다. 이러한 추세에 따라서 앞으로 사용될 메모리는 빠른 스피드와 대용량, 낮은 파워 소비와 비휘발성의 특징이 필수적으로 요구된다. 그러나 현재 가장 널리 사용되고 있는 DRAM 과 flash 메모리는 한계성을 가지고 있으므로 이를 대체할 새로운 메모리 소자인 PRAM, MRAM, ReRAM 등의 연구가 지속되고 있다. 새롭게 개발중인 다양한 메모리 소자중에서도 특히 STT-MRAM 은 high density, high speed, low power consumption, non-volatile 등의 다양한 장점을 가지고 있다. 그래서, STT-MRAM 은 컴퓨터 구조의 메모리 hierarchy 구조를 바꿀 수 있는 잠재적인 가능성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 이러한 이유로 궁극의 메모리라고 불리고 있는 STT-MRAM 의 개발을 위해 MTJ layer 물질들의 최적화에 대한 연구, 전기적 특성에 대한 연구, MTJ layer 식각 공정에 대한 연구등이 진행되고 있다. STT-MRAM 에 대한 다양한 연구 중에서도 본 논문은 식각 공정에 초점을 맞춰 연구를 진행하였다. STT-MRAM 에서 read/writhe 의 핵심역할을 하는 것은 MTJ layer 로써 CoFeB, W, Ru, Ta, FePt, TiN 등의 다양한 금속물질들로 구성이 되어있다. 일반적은 RIE type 식각 장비에서는 식각후에 생기는 byproducts 들이 측면에 붙게 된다. 이처럼 식각된 물질들이 패턴의 sidewall 에 redeposition 되는 현상으로 인해 소자는 동작하지 않게 되며 이를 해결하는 것이 가장 큰 이슈이다. 이를 해결하고자 기존의 RIE type 식각 장치가 아닌, ion beam etcher (IBE) 를 사용하여 패턴 식각에 대한 연구가 지속되고 있다. 그러나 IBE 는 낮은 식각률로 인해 패턴 식각에 오랜시간이 걸리고 이온에너지와 식각률을 독립적으로 제어할 수 없으며 식각 균일도 또한 좋지 않아 양산화에 어려움을 겪고 있다. 본 논문에서는 기존의 IBE 에서의 단점을 해결하고자 다양한 연구들이 진행되었다. 우선, 낮은 etch rate 의 문제점과 이온에너지와 ion flux 를 독립적으로 제어하기 위해, 자화 유도 결합 플라즈마 소스를 이용하여 새롭게 이온 빔 식각 장치를 설계하였다. 자화 유도 결합 플라즈마는 특정 조건을 만족할 때 R-wave 가 전파되며 이로 인해 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이에 대한 설계를 위해서는 전자석의 위치와 자기장의 구배 및 크기가 중요한데 상용 소프트웨어인 FEMM 을 이용하였다. MICP-IBE 의 설계를 한 후에 자기장, 소스파워, 그리드 전압 등의 가변에 따라 플라즈마의 방전특성 및 이온 빔의 특성에 대하여 살펴보았다. 자기장의 가변에 따라 플라즈마 밀도는 증가하는 것으로 측정되나, R-wave 로 인한 방전 mechanism 으로 인하여 특수한 조건에서 maximum 의 플라즈마 밀도를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 플라즈마 밀도와 전자온도의 증가에 따라 ion flux 또한 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 소스파워가 증가할때는 플라즈마 밀도가 지속적으로 증가하지만, ion flux 는 특정 소스파워에서 maximum 값을 가지는 것을 확인하였다. 이는 플라즈마 밀도와 스크린 그리드에서 형성되는 sheath 모양과의 관계에 따른 것으로써 적절하게 sheath 가 형성되어야만 beam focus 가 원활하게 되는 것임을 확인하였다. Screen grid 와 Acceleration grid 의 절대적인 전압 차이에 의해서도 sheath 두께와 모양이 결정되기 때문에 인가되는 그리드 전압역시도 매우 중요하다. 다시 말하면, 그리드 전압의 크기는 최적의 ion beam 의 효율을 극대화 시키기 위해 매우 중요한 요소이며, screen grid 와 acceleration grid 는 ion energy 와 ion flux 를 각각 제어하게 된다. 본 연구에서는 새로운 MICP-IBE 의 설계뿐만 아니라 균일도 특성 개선에 대한 연구도 진행하였다. 우선, 자기장의 구배를 다양화 시키기 위하여 전자석을 추가적으로 셋업을 하였다. 플라즈마 밀도, ion flux, etch rate 의 non-uniformity value 를 다양한 자기장 구배 조건에서 모두 측정하였다. 플라즈마 내에서 flute instability 현상이 억제되는 특성이 만족되어야만 균일도 특성이 향상되는 것으로 확인되어졌다. 그러나, 자기장의 구배를 flute instability 를 억제하는 조건으로써 균일도를 개선하는 것에는 한계점을 보이고 있었다. 이러한 관점에서 추가적으로 균일도 특성을 개선을 하기 위하여 그리드의 반경방향이 증가함에 따라 그리드 구멍의 밀도가 증가하는 형태의 새로운 그리드를 새롭게 설계하였다. 그리드 구멍의 밀도가 균일한 Conventional grid 와 반경방향에 따라 구멍의 밀도가 다른 proposed grid 를 사용하여 ion flux 와 etch rate 균일도 특성에 대한 실험이 진행되었다. CoFeB 물질의 non-uniformity values 를 측정하였을 경우, proposed grid 를 사용할 경우가 (11.65%) conventional grid 를 사용할 경우 (17.50%) 보다 더 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 한 편, MTJ layer 를 구성하는 다양한 물질들의 식각 특성도 살펴보았다. CoFeB, Ta, TiN, W, SiO2 등의 물질들을 line and space 패턴을 가지는 샘플로 직접 만들었으며 각 물질들을 기존의 RIE type etcher 와 새롭게 설계한 MICP-IBE 에서 식각 실험을 진행하였다. 기존의 RIE type etcher 에서는 MICP 식각 장치와 ICP 의 식각 장치에서의 식각 특성이 비교되었다. 특히, facet 각도 차이가 상이하게 측정되었는데 각도 특성을 분석해 본 결과, MICP 식각 장치가 패턴 측면에 재증착되는 물질들을 감소시키는 것에 유리하다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나, 완벽하게 제거하는 것은 불가능하였고 이에 대한 특성을 살펴보고자 앞서 설계된 MICP-IBE 를 이용하여 식각 실험을 진행하였다. 기본적으로 이온에너지 가변에 따른 식각특성을 살펴보았고 측면에 재증착되는 물질들을 제거하기 위하여 기판의 tilt angle 변화에 따른 식각 특성 또한 살펴보았다. 기판의 tilt 변화에 따라 etch rate 도 변하였으며 maximum 값을 가지는 것을 확인할 수 있었고 측면에 재증착된 물질이 제거되는 현상 또한 확인 할 수 있었다.