As one of promising candidates for the ideal memory, Spin Transfer Torque MRAM(STT-MRAM) based on Magnetic Tunnel Junction(MTJ) shows several important features such as the nonvolatility and fast writing speed (2~4ns). It is very challenging to develop reactive ion etching for the magnetic metals in MTJ due to its nonvolatility of etching byproduct and the corrosion with conventional halogen gases at practical processing temperatures. Recently, noncorrosive CH_3OH plasma was introduced in MTJ etch. However, the etch mechanism of magnetic films using CH_3OH plasma has not been clearly understood.
In this study, we investigate the etching characteristics of magnetic metals with CH_3OH as a function of substrate temperature in Inductively Coupled Plasma (ICP) etching system. The etched surface of magnetic metals(CoFe, PtMn) and hard mask metals(Ta, W) are carefully analyzed by High Resolution Transmission Electron Microscope(HR-TEM), Electron Energy Loss Spectroscopy(EELS) and X-ray Photo-electron Spectroscopy(XPS). Based on these analysis results, we discuss the etch mechanism of magnetic metals and selectivity between magnetic metals and hard mask. Analysis for etched surface with XPS and TEM-EELS shows that the characteristic etching byproducts are formed on the each etched surface during etching in CH_3OH plasma. W carbide and Ta oxide single layer are formed respectively on the each etched surface regardless of substrate temperature. Whereas, on etched PtMn surface, three phases such as metallic Mn, Pt and Mn oxide are observed. And the ratio of metallic Mn to Mn oxide increases as temperature increases. On the etched CoFe surface, metal carbide is observed as an etching byproduct in addition to pure metal and metal oxide. According to these results, we think that the etch mechanism of magnetic metal using CH_3OH plasma is basically physical sputtering rather than reactive ion etching that forms volatile etching byproduct such as metal carbonyl. The etch rate depends on the kinds of etching byproduct formed on the etched surface in CH_3OH plasma. The etch rate increase in PtMn and CoFe would be caused by the hydrogen reduction from metal oxide to pure metal in CH_3OH plasma. The reduced pure metal could be removed more easily by ion sputtering compared to metal oxide. In the case of Ta, only Ta oxide is formed on the etched surface. So the etch rate of Ta becomes much slower than that of PtMn and CoFe in CH_3OH plasma.
STT-MRAM의 메모리소자인 magnetic tunnel junction은 자성박막의 복합층으로 이루어진다. 식각가스로 CH_3OH를 이용하여 유도결합 플라즈마 방식으로 자성박막 (CoFe, PtMn)과 하드마스크 메탈층(Ta, W)의 건식식각 특성을 연구하였다. CH_3OH 가스는 플라즈마 내에서 carbon, oxygen, hydrogen을 함유한 라디칼로 해리되며 식각 되는 금속의 종류에 따라 식각표면에 metal oxide와 metal carbide 층과 같은 특징적인 식각부산물을 형성시킨다. Ar sputtering rate에 비해 상대적으로 매우 낮은 CH_3OH gas의 식각 속도로 판단해 볼 때, 식각표면에 노출된 금속을 제거하는 식각기구는 휘발성이 있는 메탈 카르보닐 화합물을 형성하는 RIE라기 보다는 ion sputtering에 의한 물리적 식각인 것으로 판단 된다. 그러나 CH_3OH 플라즈마를 이용한 CoFe, PtMn과 같은 자성물질 식각의 특징은 낮은 식각속도 임에도 불구하고 기판온도의 증가에 따라 식각속도가 증가하는 RIE의 식각특징을 보인다는 점이다. 식각된 자성물질의 표면을 분석한 결과 기판온도의 증가에 따라 CoFe, PtMn 자성박막의 표면에는 metal oxide와 metal carbide에 비해 pure metal의 분율이 증가한다. 이온에 의한 sputtering yield가 상대적으로 낮은 금속화합물에 비해 물리적식각이 용이한 pure metal의 분율이 기판온도에 따라 증가함으로써 식각속도가 기판온도에 영향을 받게 된다. 이와 같이 pure metal 분율이 증가하는 이유는 기판온도 증가에 따라 oxygen radical에 의한 산화 반응보다는 hydrogenradical에 의한 환원반응이 우세하게 나타난 결과로 풀이된다. 자성박막층과는 달리 기판온도에 무관하게 균일한 단일 금속화합물이 생성되는 Ta, W 등의 하드마스크 메탈층은 기판온도와 관계없이 거의 일정하며 약간 감소하는 식각속도를 나타낸다.
CH_3OH의 자성체 식각특성은 휘발성 높은 식각부산물을 형성하는 것이 아니라 식각표면에 특징적인 식각부산물을 금속화합물로 형성시킴으로써 온도에 따른 식각특성과 식각선택비를 나타내는 것으로 판단된다. 이와 같은 특성은carbon, hydrogen, oxygen으로 구성된 CH_3OH 가스가 플라즈마 내에서 해리되어 발생되는 현상으로 유사한 식각가스의 구성을 갖는다면 자성층 식각특성 또한 유사한 특성을 보일 것으로 판단된다. CH_3OH 가스와 함께 자성층 식각에 주로 사용되는 CO/ NH_3 가스로 이용하여 동일한 방식으로 식각특성을 관찰하였다. CO/ NH_3 가스를 이용할 경우 자성층의 식각속도가 CH_3OH 가스에 비해 감소하였으며 식각표면은 전체적으로 금속산화물이 생성되었다. CH_3OH 가스에 oxygen 가스를 첨가하여 CoFe박막을 식각한 결과 CO/ NH_3 가스를 이용한 식각과 유사한 식각속도와 표면특성이 관찰되었다. 결론적으로 비록 서로다른 식각가스를 사용하더라도 carbon, oxygen, hydrogen함유 가스로 식각가스를 구성할 경우 이들 식각가스의 식각특성과 식각기구는 매우 유사한 것으로 보이며, 이와 같은 연구결과를 바탕으로 식각가스와 공정조건의 변화를 통해 플라즈마 내 carbon, oxygen, hydrogen 함유 라디칼의 구성을 변화시켜 자성박막에 대해 원하는 식각속도의 구현과 하드마스크에 대한 식각선택비 조절이 가능할 것으로 판단된다.
