메탈 및 유전체 박막은 트랜지스터 게이트 스택, 메모리 셀 형성, 디바이스 금속 배선 및 격리층과 같은 다양한 반도체 디바이스 애플리케이션에 사용된다. 증착 공정은 이미 성숙 단계에 들어서 특성이 잘 정의되어 있으며 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 통한 PVD(물리 기상 증착), CVD(화학 기상 증착) 및 ALD(원자층 증착) 등이 이에 해당한다. 하지만 이제는 메모리 및 로직 디바이스의 혁신은 현재의 성능 수준을 뛰어넘는 박막 증착 장비가 요구되고 있어 새로운 세대의 공정 장비가 필요한 상황이다.

MRAM 및 CMOS 메탈 게이트 애플리케이션을 위한 StratIon fxP 이온 빔 공정 시스템

자료제공│Aviza Technology, Inc.

비휘발성 메모리의 경우, 확장 한계에 가까워진 플래시를 능가하도록 MRAM(Magneto-resistive Random Access Memory) 같은 차세대 아키텍처가 개발되고 있는 중이다. MRAM 저장 셀은 하드 디스크 드라이브 읽기 헤드의 핵심 기술에도 사용되는 MTJ(자기 터널 접합) 기술을 기반으로 한다. MTJ에는 메탈층과 유전체층이 모두 포함되어 있으며, 10Å 미만으로 가장 얇은 두께에 해당한다. 이러한 층은 1Å 이하의 재현성 과 평활도, 1% 미만의 산포를 바탕으로 300mm 웨이퍼에 증착해야 한다.

로직에서 High-k 유전체 및 메탈 게이트는 SiON 및 폴리 실리콘을 각각 대체하여 ‘무어의 법칙’에 따른 디바이스의 확장을 유지한다. 메탈 게이트의 경우 이원 및 삼원 합금이 Work-function튜닝에 사용되며, 이러한 합금은 다시 내재된 반도체 Junction을 손상시키지 않는 범위 내에서 1Å 이하의 두께 재현성과 높은 균일성으로 증착되어야 한다.
이러한 두 기술을 통해 차세대 성능 은 인터페이스가 극도로 부드러운 나노 스케일 필름을 통해 얻게 된다는 점을 알 수 있다. 기존 IC시스템은 이러한 새로운 요구에 맞게 디자인되지 않았으므로 증착 기술의 변화가 필요하다.

본 자료에서는 새로운 MTJ(MRAM 및 하드 디스크 드라이브) 및 메탈 합금 게이트(고급 CMOS)를 증착하기 위한 새로운 200mm/300mm 이온 빔 공정 시스템에 대해 설명한다. 또한 현재 사용 가능한 증착 기법의 제한 사항에 대해 설명하였으며, 이온 빔 공정의 이점도 요약해 설명하였다.

MRAM 및 하드 디스크 드라이브 읽기 헤드를 위한 자기 터널 접합

MRAM은 DRAM, SRAM 및 플래시 메모리 같은 기존 휘발성 및 비휘발성 기술을 대체할 수 있는 비휘발성 메모리 기술이다. 표 1에서는 다양한 메모리 기술의 속성을 비교하고, MRAM에만 비휘발성과 빠른 읽기/쓰기속도, 무제한에 가까운 내구성 및 작은 셀 크기가 통합되어 있음을 보여준다. MRAM은 CMOS 구리 인터커넥트에 손쉽게 통합할 수 있으므로 임베디드 구현은 물론 디스크리트 구현에도 적합하다.

표 1. 메모리 기술 비교

플래시 메모리와 DRAM은 전하 저장을 기반으로 하지만 MRAM 저장 소자는 TMR(Tunnelling Magneto-Resist-ance)이라는 현상인 프로그래머블 자기 정렬을 기반으로 한다. 저장 셀 자체는 MTJ라고 하며 개념상 얇은 유전체 ‘터널’ 장벽으로 구분되어 있는 ‘고정층’과 ‘자유층’의 두 자기층으로 구성되어 있다. 하등 디스크 드라이브 읽기 헤드에도 이와 동일한 MTJ 기술이 사용된다.

실제로 표 2에서처럼 자기 터널 접합에는 12개 또는 그 이상의 서로 다른 층과 7개 또는 그 이상의 소재가 포함되어 있다. 스택에서 가장 얇은 막은 10Å 미만이며 300mm 웨이퍼에 뛰어난 균일성과 재현성을 가지고 증착되어야 한다. 산화 마그네슘(MgO) 터널 장벽의 경우에는 절대 두께, 결정학적 조직 및 유전체 품질이 중요하며 1Å 이하의 두께 재현성도 필수적이다. 또한 양호한 디바이스의 성능을 위해서는 층이 부드러워야 하며, 스택의 각 층이 순차적으로 증착되도록 원자적으로 부드러운 인터페이스를 유지해야 한다. 뿐만 아니라 강자성 박막이 증착 시 정렬되도록 프로세스 챔버 내에 자기장 소스가 제공되어야 한다.

표 2. MRAM에 사용되는 일반적인 MTJ 메모리 셀 구조

CMOS용 메탈 게이트

CMOS 기술에서 이온 주입된 폴리 실리콘 대신 메탈 게이트가 도입되면서 메탈 증착 장비에 대한 새로운 수요가 발생하게 되었다. n-mos 및 p-mos 트랜지스터에 원하는 work function을 제공하려면 서로 다른 이원 또는 삼원 메탈 합금을 사용해야 한다. 이에 대한 예로는 TiC, TiCN, TiAlN, TiLaN 등이 있다.  Work function은 합금 조성 및 두께에 따라 달라지며, 민감한 하지 층을 손상시키지 않으면서 높은 균일성으로 극도로 매끄러운 박막(ultra-smooth film)을 증착해야 한다.

기존 박막 증착 장비의 제한 사항

마그네트론 스퍼터(magnetron sputter) 기술을 기반으로 하는 기존의 PVD 시스템은 MTJ 스택을 구축하는 데 필요한 수만큼의 Target장착을 할 수 없다. 각 증착 챔버에는 대개 단일 Target이 장착되어 있으며, 일반적으로 시스템당 챔버는 5개 내지 6개뿐이다. 또한 기존 300mm 시스템의 PVD 스퍼터 Target은 대개 웨이퍼 보다 큰 크기를 가진다. 따라서 플라티늄 망간(PtMn) 같은 MTJ 소재의 Target 비용은 상당히 비싸다.

이러한 실용적인 고려 사항 외에도 마그네트론 작업의 최소 증착 압력은 약 1mT로, 그 이하로 내려가면 스퍼터링 플라즈마가 소멸된다. 이는 MTJ 및 메탈 게이트 증착에 문제가 발생하는데, 매끄러운 박막 증착은 증착 압력과 깊은 함수 관계를 맺고 있으며, 즉, 압력이 낮아지면 더 매끄러운 박막을 얻을 수 있다.

마그네트론 스퍼터링에 대한 압력 관련 측면은 이뿐만이 아니다. 스퍼터링되는 유속의 에너지가 압력과 함수 관계를 맺고 있어 압력이 낮으면 대개 스퍼터링되는 유속의 에너지가 높아진다. 초박막의 경우 에너지가 높아질수록 층의 인터페이스 거칠기가 증가하고, 접점 스택 내의 초박막 유전체 터널 장벽층을 손상시킬 수 있다.

마지막으로, 마그네트론 시스템에 플라스마 스트라이크가 발생하는 동안 전압 및 전류가 평형 상태에 도달하기 위한 안정화 시간이 존재한다. 증착되는 박막과 하지 층은 박막의 성장을 방해 할 수 있는 플라즈마 불안정 상태에 노출된다.

ALD에 사용되는 복합 합금의 CMOS 메탈 게이트 증착은 속도가 느리고, 전구 기체(precursor gas)는 값이 비싸다. 기존의 PVD는 필요한 매끄러운 표면을 간신히 만들어 내는 수준이므로 합금 혼합물 제어는 문제로 남아 있다.

이온 빔 처리의 장점

이온 빔 처리는 초박막 증착에 사용할 경우 다양한 이점을 제공한다. 이온 빔 소스는 RF 플라즈마와 하나 이상의 DC 액셀러레이터 그리드의 조합으로 간주할 수 있으며, 이는 그림 1에 도식을 통해 나와 있다.

그림 1. 플라즈마 및 이온 빔 생성을 보여 주는 개요도 (a) (b) (c) RF 플라즈마 OFF RF 플라즈마 ON RF 플라즈마 ON DC 액셀러레이터 OFF DC 액셀러레이터 OFF DC 액셀러레이터 ON

이온 소스는 불활성 기체를 통해 공급되며 RF 파워 서플라이는 플라즈마를 발생시킨다. 이 단계에는 이온 빔이 존재하지 않는다. 이온 빔은 액셀러레이터 그리드가 DC 파워 서플라이에 의해서 에너지를 공급 받았을 경우에 발생한다. 이를 통해 양 전하 불활성 기체 빔이 소스에서 추출되어 스퍼터링 되는 대상 재료에 집중된다. 대상의 스퍼터링은 이온 빔이 추출될 때만 시작된다. 스퍼터링에 필요한 모든 에너지는 액셀러레이터 그리드를 통해 공급되므로 target에는 파워 서플라이가 연결되어 있지 않다. 그리드 전압에 따라 결정되는 빔의 에너지는 소스(플라즈마 집적도)에 공급되는 RF 전력에 따라 결정되는 빔 전류와 관계없이 변할 수 있다.

플라즈마를 유지하기 위해 DC 대신 RF를 사용하면 공정 압력이 크게 줄어들게 되므로 DC 마그네트론 스퍼터링보다 낮은 압력으로 이온 빔 처리를 수행할 수 있다.

플라즈마 및 이온 빔 생성은 증착 과 상관없이 발생하므로 RF 플라즈마는 웨이퍼의 이동이 시작되기 전에 발생 되어 안정화 될 수 있다. 웨이퍼는 플라즈마 방전에 노출되지 않아 박막이 손상 없이 균질화한 박막을 얻을 수 있도록 한다.

Aviza Stration fxP 이온 빔 처리 시스템

StratIon fxP는 탁월한 정밀도, 균일성 및 매끄러운 메탈 및 유전체 박막을 증착하도록 설계된 이온 빔 처리 클러스터 시스템이다. StratIon fxP는 300mm 웨이퍼를 위해 설계된 유일한 이온 빔 시스템으로, 실리콘 웨이퍼 팹의 생산성 요건을 충족한다.

그림 2에서는 Pre-clean 챔버, 산화 챔버 및 두 개의 증착 챔버가 포함된, 완전한 구성으로 된 StratIon fxP 시스템을 보여준다.

그림 2. Pre-clean, 두 개의 증착 챔버 및 산화 챔버로 구성된 Stration fxP 이온 빔 처리 시스템

각 증착 챔버는 최대 8개의 스퍼터 Target을 장착할 수 있으며 완전한 구성의 시스템에는 생산성을 극대화하도록 16개의 Target이 포함되어 있다. Target은 직사각형이므로 CoO비용을 낮추도록 Target 영역 및 챔버 풋 프린트를 모두 최소화할 수 있다. 툴 풋프린트는 동급 제품 중 가장 낮다.

반응성 증착 모드에서 여러 개의 Target을 사용하면 TiAlN 및 TiLaN 같은 이원 및 삼원 합금을 손쉽게 증착할 수 있다. 이러한 합금은 모두 CMOS 메탈 게이트로 사용하기에 적합한 소재들이다. 합금 혼합물 및 저항성은 박막의 메탈 비율과 질소 성분을 변화시켜 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있다.

각 챔버 유형에는 Aviza의 낮은 압력, 고밀도 플라즈마 M0RI 기술을 기반으로 하는 이온 빔 소스가 들어 있다. Pre-clean, 증착 및 산화에는 공통적인 소스 디자인이 사용된다. 소스의 고유한 특징은 저압력 증착을 가능하게 해주는 저압 공정이며 이를 통해 더욱 매끄러운 박막의 형성이 가능하다.

정상적인 작동 중에 이온 소스의 RF 플라즈마는 일정한 상태를 유지하며 이온 빔은 고속 DC 파워 서플라이를 통해 온/오프 상태로 전환된다. 안정 상태 전류에 도달하는 데 걸리는 시간은 4mS 미만(그림 3참조)으로, 일반적인 플라즈마 안정화 시간보다 10배 정도 낮다. 이처럼 빠른 응답 시간으로 인해 증착의 초기 단계에서 증착 조건의 변동이 최소화되므로 박막의 균일성이 매우 뛰어나다.

그림 3. 4mS 미만의 이온 빔 전류 상승 시간을 나타내는 스코프 트레이스

StratIon fxP 시스템에서는 웨이퍼가 RF 플라즈마 방전 단계에 전혀 노출되지 않으므로 이와 관련된 전하 손상이 발생하지 않는다. 이는 민감한 반도체 junction이 노출되는 CMOS 메탈 게이트 애플리케이션에서 중요한 요소이다.
표 3에는 메탈 및 합금에 대한 StratIon fxP 300mm 박막 사양과 함께 실현 가능한 균일성, 재현성 및 매끄러움이 나와 있다.

표 3. StratIon fxP 박막 사양

결론

메모리 및 로직의 새로운 디바이스 아키텍처가 나타나면서 절대 두께, 균일성, 재현성, 매끄러움 및 혼합물 제어 측면에서 박막 증착 장비에 전례 없는 수요가 발생하고 있다.

Aviza Technology의 StratIon fxP는 이온 빔 기술을 기반으로 하는 업계 최초의 300mm 증착 시스템으로, MRAM, 하드 디스크 드라이브 읽기 헤드 및 CMOS 메탈 게이트 애플리케이션을 위한 뛰어난 박막 성능을 제공한다.

그림 4. 그림4에서는 모든 박막이 StratIon fxP 이온 빔 증착 시스템을 통해 증착되는 자기 터널 접합 스택의 TEM 단면 이미지를 보여준다.