KR100269649B1

KR100269649B1 - 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형플라즈마 식각공정방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100269649B1
Application number: KR1019980035288A
Authority: KR
Inventors: 김근주; 전성란
Original assignee: 조장연; 나리지 온
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR20000015407A

Abstract

본 발명은 질화갈륨계의 반도체 박막을 표면손상없이 효율적으로 식각하여 높은 고경도의 질화갈륨계의 식각율을 얻게하는 개량된 유도 결합형 플라즈마 식각공정방법 및 그 장치에 관한 것으로 이온을 가속시키는 RIE 방식과 고밀도 플라즈마를 형성한 ICP방식을 결합한 RIE/ICP 방식을 고안하였다.

GaN DH/Al₂0₃구조에서 N면 전극을 형성할수 있도록 N-GaN층까지 식각하는 공정은 먼저 보호막으로서 SI0₂산화막을 증착하고 포토레지스트 코팅하여 베이킹한후 RIE모드에서 SI0₂보호막을 식각하고 이어서 GaN층을 RIE/ICP모드에서 식각하는 공정을 포함한다. 이러한 N면 전극을 형성하기 위한 식각공정 뿐만 아니라 후 공정에서 필요한 칩 분리공정에 이용할수 있다.

특히 스크리빙/브레이킹 공정에서 다이어몬드 스크리빙 니들이 고경도의 GaN 박막에 줄을 그을 경우 쉽게 마모되고 LED칩의 박막에 하중이 전달되어 크랙이 발생되고 소자의 신뢰성을 저하시킨다.

이를 건식각으로 GaN 에피층을 제거하여 사파이어 표면에 줄을 긋거나 사파이어 기판속까지 홈을 만든후 브레이킹 하는 공정을 적용하여 소자의 신뢰성 향상을 가져온다. 또한 진공챔버내에 레이져 다이오드를 이용한 식각종점 표시 모니터를 설치하여 식각정도를 인지할수 있는 공정을 정립하므로서 많은 부가가치를 지닌 고품질의 소자를 지향할 수 있는 효과가 제공된다.

Description

질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각공정 방법 및 그 장치

본 발명은 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각공정 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 질화갈륨계의 반도체박막을 표면손상없이 효율적으로 식각하여 높은 고경도의 질화갈륨계의 식각율을 얻게 하는 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 질화갈륨계 화합물 반도체박막은 모어(Mohr) 경도가 10으로 매우 단단한 물질이어서 재래의 정전압에 의한 Ar 이온의 충격량만을 이용하는 RIE(reactive ion etching)이나 화학적인 반응만을 고려한 플라즈마 건식식각이 어려울 뿐만 아니라, 에너지밴드갭이 비교적 높아 KOH용액과 같은 pH가 높은 염기성용액에서 습식식각을 수행할 경우에도 자외선의 조사에 의한 에너지 천이없이는 수용액 속의 이온이 반도체표면에서 정공(hole)을 교환할 수 없는 에너지 밀도분포함수를 갖고 있다.

이러한 질화갈륨계 광전자소자의 공정상의 특이성 때문에 식각기술의 확립은 해결되어야 할 시급한 문제이다.

재래의 식각방법인 RIE방식은 도 1에 구성되어 있다. 도 1은 종래에 사용하는 RIE방식의 시스템을 개략적으로 도시한 도면으로서, 도 1에서와 같이 진공용기(1)내의 가스유입구(2)로 반응가스를 주입하고 기판지지대 음극(3)에 주로 13.56 MH_Z라디오주파수(RF) 영역의 전력을 공급하고 양극(4)을 접지시켜 발생되는 플라즈마(5)내 이온이 음극위의 기판에 수직으로 입사되어 이온의 충격에 의한 운동량(momentum)으로 식각되는 장치이다. 그런데 공정압력을 100m Torr 이하로 낮게 유지하여 플라즈마 중의 양이온이 시이스 퍼텐셜(sheath potential)를 통해 가속하여 식각하지만 충격에 의한 표면 손상과 열이 발생된다. 또한 RIE는 고경도의 질화갈륨계 건식식각에는 낮은 식각율로 인해 부적합하고, 최근에 사파이어기판위에 청색발광다이오드 등을 실용화하기 위하여 다층의 질화갈륨계 화합물을 화학적인 반응가스와 RIE을 조합한 CAIBE(chemically assisted ion beam etching)방식으로 시도하고 있으나 역시 낮은 식각율을 보이고 있다.

그리고 플라즈마 식각방식에는 전자회전공명(ECR) 플라즈마방식과 Helicon 플라즈마방식, TCP(transformer coupled plasma)방식과 ICP(inductively coupled plasma) 방식등이 있다. 여기서 ECR방식은 진공용기 외벽에 자석을 설치하여 마그네트론에서 공급하는 2.45 GH_Z의 주파수와 공명을 이르키고 전자를 회전운동시켜 고밀도 플라즈마를 형성한 다음 기판쪽에 RF장치로 DC 전압을 인가시켜 시이스 퍼텐셜을 형성하여 이온을 가속시킨다. 또한 이온이 나선운동을 하여 식각의 균일성이 저하되고 낮은 식각율의 단점이 있다. Helicon 방식은 플라즈마를 200-300 KH_Z로 발생시켜 용기외벽에 안테나와 코일을 구성하여 전자의 속도와 일치하는 Helicon 파동을 가하여 고밀도 플라즈마를 형성시켜 기판쪽에 13.56 MH_Z의 부하를 인가하지만 균일성과 낮은 식각율의 단점이 있다.

TCP나 ICP 방식은 도 2에서와 같이 진공용기(10)상부 또는 측면에 코일(14)을 설치하여 13.56 MH_Z의 RF전력을 가하여 플라즈마(15)내에 유도성 인덕턴스(inductance) 성분을 발생시킨다. 이 성분에 의해 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장을 따라 전자를 회전시키고 가스입자와 충돌시켜 고밀도의 플라즈마를 형성하지만 이러한 종래의 유도결합형 플라즈마방식도 질화갈륨계의 고경도의 박막 식각에는 낮은 식각율의 문제점이 있다.

또한 포토레지스트를 베이킹(baking)하여 마스크로 사용할 경우 장시간의 낮은 질화갈륨박막의 식각율로 인해 견디지 못하고 포토레지스트가 식각되는 현상을 야기시켜 질화갈륨박막을 식각할수 없게 된다. 이를 위하여 플라즈마 식각 방식을 개선한 유도결합형 식각방식등 많은 시도가 있었지만 종래의 ICP형 식각장치도 질화갈륨계 반도체박막의 식각 공정에 적합하도록 재개발되어야할 필요성이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 그 목적은 사파이어 기판위에 유기금속화합물 기상증착방법으로 성장시킨 질화갈륨계의 반도체박막을 이온을 가속시키는 RIE방식과 고밀도 플라즈마를 발생시키는 ICP 방식을 결합하므로서 기판에서 야기되는 어떠한 물리적 변형응력(stress)없이 박막을 식각함으로써 고품질의 결정성과 전기적, 광학적특성을 지닌 질화갈륨계의 반도체소자를 제작하고 높은 고경도의 질화갈륨계의 식각율을 얻게 하는 RIE/ICP 형으로 개량된 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 유도결합형 플라즈마 식각공정 방법은, GaN DH/Al₂O₃기판위에 고진공의 챔버상부에서 SiO₂박막을 일정 온도로증착하고 그 두께는 ㎛으로 하는 제 1 공정과, 상기 제 1공정 수행후 SiO₂/GaN DH/Al₂O₃기판위에 포토레지스터를 일정한 두께로 코팅하고 일정한 온도로 베이킹하여 노광 및 현상하는 제 2 공정과, 상기 제 2 공정 수행후 다시 일정한 온도로 포스트 베이킹하고 식각시료를 준비한후 P/R층의 단차를 형성하는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정 수행후 식각된 표면을 H₂분위기의 플라즈마에서 최종처리하여 식각중에 남아 있는 원자를 탈착시키는 제 4 공정과, 상기 제 4 공정 수행후 안정된 표면 본드에 수소를 흡착하여 포화시키는 제 5 공정과, 상기 제 5 공정 수행후 건식 식각에 따른 표면손상을 줄여 전극형성시 접촉저항을 줄이는 제 6 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 증착된 SiO₂박막은, CF₄/Ar 혼합가스 분위기 또는 ICP 전원을 오프한 상태에서 RIE 방식으로 식각하여 단면성이 양호한 마스크로 사용하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 GaN 박막은, CI₂/Ar 혼합가스 분위기에서 RIE/ICP 방식으로 모두 식각하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 ICP 식각 챔버상부에, Cu 플레이트 코일을 자기력선으로 유도하여 양극 또는 기판지지대에 음극으로 동작시키는 구조를 가진 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 Cu 플레이트 코일을, Au로 코팅하여 전도율을 증가시키고, 기판지지대에 칠러를 부착하여 오일을 순환시킴으로서 기판온도를 일정하게 유지시키고 식각율을 일정하게 조절 또는 가열시킴으로서 반응생성물의 재결합을 방지시키는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 상부의 음극부위와 하부 기판지지대의 양극부위에 13.56 MHz의 주파수를 일정한 kW까지 공급하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 13.56 MHZ의 주파수를, 약 1.25 kW까지 공급하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 챔버상부내에서 반도체층을 식각하는 동안 식각두께를 모니터링할 수 있는 종점 검출기로 레이저 다이오드 간섭계를 제작하여 신호를 처리하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 고진공 챔버의 크기와 터보펌프의 용량과의 디자인 룰은 일정 sec로 하고, 상부의 음극과 기판사이의 플라즈마층의 두께는 일정한 cm로 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 디자인 룰은 0.03 sec로 하고(예를들면 30〔ℓ〕챔버크기에 1000〔ℓ/sec〕의 터보용량이 필요하다.), 상기 플라즈마층의 두께는 약 7 cm인 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 박막을 증착하는 증착온도는 약 120도로 하고, 그 두께는 0.3-0.5 ㎛인 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 포토레지스터의 두께를 1.2-1.6 ㎛하고, 그 온도는 약 100도인 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 칩 패턴간의 간격을 다이어먼드 니들로 스크리빙하기 위해 스크리빙 폭인 5 마이크론과 깊이 3-5 마이크론에 대해 7-10 마이크론의 폭으로 다소 허용 오차를 주고, 상기 스크리빙용 홈을 ICP방식으로 식각할 경우 폭을 4-7 마이크론으로 하고 깊이를 5-10 마이크론으로 하여 사파이어 기판위의 GaN DH구조를 식각하는 것을 그 특징으로 한다.

다른 특징을 가진 본 발명의 유도결합형 플라즈마 식각공정 장치는, Al을 산화하여 알루미나 막을 내벽에 형성한 진공용기(21)와, 상기 진공용기에 장착된 가스유입구(22)와, 석영판(23)으로 격리된 진공용기 상부에 설치된 Cu 플레이트로 만든 나선형 코일(24)과, 상기 나선형 코일과 기판지지대(31)에 연결된 RF매칭 네트워크(25),(32)와, 상기 나선형 코일과 RF매칭 네트워크에 연결되어 13.56 MHz의 RF 주파수를 발생시키는 RF발생기(26),(33)와, 상기 13.56MHz의 주파수를 1.25kW RF 전력으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(27)와, 상기 나선형 코일에 흐르는 전류에 의해 플라즈마내에서도 인덕턴스성분이 유도되고 이 성분에 의해 형성되는 수직방향의 자기력선(28) 및 수평방향의 전기력선(29)과, 상기 기판지지대(31)에 부착되어 일정한 온도로 조절하는 칠러(34)와, 도면에 도시 생략된 터보펌프와 로타리펌프와 연결되어 배기가스를 누출시키는 가스배출구(35)를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

도면에 도시한 부호중 36은 접지판, 37은 종점 표시 모니터를 각각 나타낸다.

바람직하게, 상기 기판지지대에 온도를 20-100도 내에서 조절하는 것을 그 특징으로 한다.

도 1은 종래에 사용하는 RIE(reactive ion etching)방식의 시스템을 개략적으로 도시한 도면

도 2는 종래의 방식으로 구현한 ICP(inductively coupled plasma)방식의 시스템을 개략적으로 도시한 도면

도 3은 본 발명에서 구현된 GaN 박막전용 ICP방식의 시스템을 개략적으로 도시한 도면

도 4는 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 GaN박막의 식각율을 챔버 압력변화에 따라 표시한 상관도

도 5는 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 비교되어진 Cl₂/Ar 혼합 플라즈마속에 Ar(%)비율에 따른 GaN박막의 식각율을 표시한 상관도

도 6은 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 비교되어진 기판온도에 따른 GaN박막의 식각율을 표시한 상관도

도 7은 CF-MOCVD(counter flow-metallorganic chemical vapor deposition)로 사파이어기판위에 성장시킨 DH(double heterostructure) GaN박막 구조의 단면을 나타낸 도면

도 8은 도 7의 구조위에 SiO₂박막을 열증착하고 다시 P/R(photoresist)을 도포하여 노광 및 현상으로 P/R 패턴과 본 발명의 ICP장치로 SiO₂를 RIE방식으로 GaN 구조는 ICP방식으로 반응가스를 바꾸어 식각하는 단면을 나타낸 도면

도 9는 도 8의 평면도로서, P/R과 SiO₂막을 제거한 상태에서 후공정으로 스크리빙 (scribing)하는 칩(chip)간의 간격을 표시한 도면

도 10은 후공정인 스크리빙 공정을 식각공정으로 대체한 경우의 디프 트렌치(deep trench)하는 식각단면을 나타낸 도면

도 11은 도 10의 디프 트렌치후 다시 P/R 및 SiO₂마스크를 형성한 상태에서 n-면 전극을 형성하기위해 식각한 단면을 나타낸 도면

도 12는 도 11의 평면도로서, n-면 전극 부위와 스크리빙용 디프 트렌치된 간격을 나타낸 도면

도 13은 SiO₂마스크없이 P/R만으로 보호막을 한 경우에 본 발명에 의한 ICP장치로 식각된 GaN박막의 SEM 이미지(image) 사진

도 14는 P/R 및 SiO₂박막으로 보호막을 한 경우에 본 발명에 의한 ICP장치로 식각된 GaN박막의 SEM 이미지 사진

도 15는 레이저다이오드 간섭계를 이용한 종점 모니터링(end point monitoring)을 개략적으로 도시한 도면

도 16은 레이저간섭계에서 나타난 회절간섭무늬 이미지의 사진

도 17은 광전류를 증폭하여 전압으로 모니터링된 식각두께변화에 따른 변위의 상관관계를 나타낸 파형도

* 도면 주요 부위에 대한 부호의 설명 *

1,10:진공용기 2,11,22:가스유입구 3,12,31:기판지지대 음극(cathode)

4:양극(anode) 5,15,27:플라즈마 발생기

6,17,25,32:RF 매칭 네트워크(matching network) 7,18,26,33:RF 발생기

8,19,36:접지 9,20,35:가스배출구 13:히터

14:코일 16:기판 21:진공용기

23:석영판 24:나선형 코일 28:자기력선

29:전기력선 34:칠러(Chiller)

37:식각 종점 표시 모니터 38:사파이어(Al₂O₃)기판

39:GaN 버퍼층 40:n-GaN층(Si doping)

41:n-Al_0.15Ga_0.85N층(Si doping) 42:In_0.1Ga_0.9N층(Si Zn codoping)

43:p-Al_0.15Ga_0.85N층(Mg doping) 44:p-GaN층(Mg doping)

45:SiO₂섀도(shadow) 마스크층 46:P/R(photoresist)층

47:마스크로 보호된 GaN DH 구조부분 48:식각된 n-GaN 층

49:스크리빙으로 식각된 사파이어층 49¹:GaN DH 구조

49¹¹:식각된 n-GaN층 50:전원

51:레이저다이오드 52,56:볼록렌즈

53:비임 분할기(beam splitter) 54:미러(mirror)

55:식각된 GaN 표면 57:Si 핀 포토 다이오드 58:모니터

이 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법 및 그 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

질화갈륨계 반도체박막을 식각하는 Ar이온의 충격량과 유도결합형 플라즈마를 이용하는 RIE/ICP 식각장비를 설계 제작하였다. 도 3은 본 발명에서 제작한 RIE/ICP 식각장치의 개략적인 부분 단면도로서, 도 3에서와 같이 Al을 산화하여 알루미나 막을 내벽에 형성한 진공용기(21)와, 상기 진공용기에 장착된 가스유입구(22)와, 석영판(23)으로 격리된 진공용기 상부에 설치된 Cu 플레이트로 만든 나선형 코일(24)과, 상기 나선형 코일과 기판지지대(31)에 연결된 RF매칭 네트워크(25),(32)와, 상기 나선형 코일과 RF매칭 네트워크에 연결되어 13.56 MHz의 RF 주파수를 발생시키는 RF발생기(26),(33)와, 상기 13.56MHz의 주파수를 1.25kW RF 전력으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(27)와, 상기 나선형 코일에 흐르는 전류에 의해 플라즈마내에서도 인덕턴스성분이 유도되고 이 성분에 의해 형성되는 수직방향의 자기력선(28) 및 수평방향의 전기력선(29)과, 상기 기판지지대(31)에 부착되어 일정한 온도로 조절하는 칠러(34)와, 도면에 도시 생략된 터보펌프와 로타리펌프와 연결되어 배기가스를 누출시키는 가스배출구(35)로 구성된다.

도면에 도시한 부호중 36은 접지판, 37은 종점 표시 모니터를 각각 표시한다.

도 4는 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 GaN박막의 식각율을 챔버 압력변화에 따라 표시한 상관도, 도 5는 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 비교되어진 Cl₂/Ar 혼합 플라즈마속에 Ar(%)비율에 따른 GaN박막의 식각율을 표시한 상관도이고, 도 6은 본 발명의 개량된 A(RIE/ICP) 방식과 종래의 B(ICP) 방식, 종래의 C(RIE) 방식에서 비교되어진 기판온도에 따른 GaN박막의 식각율을 표시한 상관도이다.

도 7은 CF-MOCVD(counter flow-metallorganic chemical vapor deposition)로 사파 이어기판위에 성장시킨 DH(double heterostructure) GaN박막 구조의 단면을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 구조위에 SiO₂박막을 열증착하고 다시 P/R(photoresist)을 도포하여 노광 및 현상으로 P/R 패턴과 본 발명의 ICP장치로 SiO₂를 RIE방식으로 GaN 구조는 ICP방식으로 반응가스를 바꾸어 식각하는 단면을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 평면도로서, P/R과 SiO₂막을 제거한 상태에서 후공정으로 스크리빙(scribing)하는 칩(chip)간의 간격을 표시한 도면이다.

도 7, 도 8, 도 9에서와 같이 GaN 에피층(39-44)위에 고진공의 챔버상부에서 섀도 마스크층인 SiO₂박막(45)을 일정 온도로 증착하고 그 두께는 ㎛으로 하는 제 1 공정과, 상기 제 1공정 수행후 SiO₂/GaN DH/Al₂O₃기판위에 포토레지스트(Photresist)를 일정한 두께로 코팅하고 일정한 온도로 베이킹하여 노광 및 현상하는 제 2 공정과, 상기 제 2 공정 수행후 다시 일정한 온도로 포스트 베이킹하고 식각시료를 준비한후 P/R층(46)의 단차를 형성하는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정 수행후 식각된 표면을 H₂분위기의 플라즈마에서 최종처리하여 식각중에 남아 있는 원자를 탈착시키는 제 4 공정과, 상기 제 4 공정 수행후 안정된 표면 본드에 수소를 흡착하여 포화시키는 제 5 공정과, 상기 제 5 공정 수행후 건식 식각에 따른 표면손상을 줄여 전극형성시 접촉저항을 줄이는 제 6 공정으로 이루어져 있다.

도 10은 후공정인 스크리빙 공정을 식각공정으로 대체한 경우의 디프 트렌치(deep trench)하는 식각단면을 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10의 디프 트렌치후 다시 P/R 및 SiO₂마스크를 형성한 상태에서 n-면 전극을 형성하기위해 식각한 단면을 나타낸 도면이며, 도 12는 도 11의 평면도로서, n-면 전극 부위와 스크리빙용 디프 트렌치된 간격을 나타낸 도면이다.

도 13은 SiO₂마스크없이 P/R만으로 보호막을 한 경우에 본 발명에 의한 RIE/ICP장치로 식각된 GaN박막의 SEM 이미지(image) 사진이고, 도 14는 P/R 및 SiO₂박막으로 보호막을 한 경우에 본 발명에 의한 RIE/ICP장치로 식각된 GaN박막의 SEM 이미지 사진이며, 도 15는 레이저다이오드 간섭계를 이용한 종점 모니터링(end point monitoring)을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 16은 레이저간섭계에서 나타난 회절간섭무늬 이미지의 사진이고, 도 17은 광전류를 증폭하여 전압으로 모니터링된 식각두께변화에 따른 변위의 상관관계를 나타낸 파형도이다.

이와 같이 고경도의 재질을 식각하기 위해서 상부에 나선형 코일을 설치하여 13.56 MH_Z의 RF 전력으로 발생된 플라즈마내의 인덕턴스성분에 의해 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장으로 전자를 가속시켜 고밀도플라즈마를 형성한 다음, 도 1의 RIE에서와 같이 기판쪽에 부하를 13.56 MH_Z의 RF 전력으로 가한 방식이다. 즉, 종래의 ICP방식에 RIE방식의 강한 충격량을 기판에 가함으로써 GaN 격자간의 진동모드를 여기시키고 원자간 결합을 파괴하는 고밀도 양이온을 박막표면에 접촉시킴으로써 표면에서 정공(hole)의 교환을 원활하게 하고, 파괴된 표면에 화학반응가스인 Cl₂가스가 플라즈마상태에서 화학반응에 참여하게 하여 다음과 같은 화학적인 식각반응식에서 GaCl₃가스를 형성함으로써 고경도의 질화갈륨의 높은 식각율을 얻을 수 있다.

Ar+e^-→Ar⁺+ hν(plasma 파)........(1)

GaN+Ar⁺→Ga-N(격자진동)...........(2)

Cl₂(g)+e^-→2Cl^-....................(3)

1

Ga-N(격자진동)+3Cl^-→GaCl₃(g)+― N₂(g)..........(4)

2

염소(chlorine)계 플라즈마를 이용한 Ⅲ족 원소와의 화합물가스을 형성하며 특히Cl₂가스를 식각 가스로 사용하여 생성되는GaCl₃가스는 201℃의 끓는점을 갖고 있어 식각생성물의 탈착보다는 강한 질소화합물 반도체(Ⅲ-N)의 결합에너지로 인해 Ⅲ-N결합의 파괴여부에 따라 식각율이 결정된다. 즉, 초기결합상태를 RIE방식의 강한 인가부하를 기판쪽에 인가함으로써 Ar 양이온으로 격자간 결합력을 섭동시켜 약화시킨 다음, 염소계의 플라즈마를 이용하여 화학반응을 유도하고 식각생성물을 형성한다. 또한 두께가 매우 얇은 GaN박막을 식각하기 위해서는 인 시튜 모니터링(in situ monitoring)이 가능해야 하며, 레이저다이오드의 간섭계를 구성하여 식각되는 두께의 변위에 따른 식각종점을 설계하였다.

식각반응가스로는 Ar,Cl₂,H₂,N₂,CF₄,O₂가스 등을 이용하고 유량조절기(MFC)를 통하여 진공용기(21)내로 가스유입구(22)를 통해 유입된다. 진공용기(21)는 Al을 산화하여 알루미나(Al₂O₃)막을 내벽에 형성하였다. 석영판(23)으로 격리된 진공용기 (21)상부에 Cu 플레이트로 만든 나선형 코일(24)을 Au 코팅하여 장착시킨다. 이 나선형 코일(24)은 4회 감은수를 갖고 있으며 양극(anode)으로 작용할 수 있고, RF 매칭 네트워크(25)를 통해 RF 발생기(26)에 연결되어 있고, 13.56 MH_Z의 주파수를 1.25 kW RF 전력으로 플라즈마(27)를 발생시킨다.

이때 나선형 코일(24)에 흐르는 전류에 의해 플라즈마내에서도 인덕턴스성분이 유도되고 이 성분에 의해 수직방향의 자기력선(28)과 수평방향의 전기력선(29)이 형성된다. 따라서 스킨 뎁스(Skin depth)내에서 전기력선(29)에 의해 전자가 회전운동을 함으로써 가속되어지고 가스입자와 충돌하여 고밀도의 플라즈마를 형성한다.

또한 GaN기판(30)이 장착된 기판지지대(31)에 13.56 MH_Z의RF전력을 RF매칭 네트워크(32)를 통해 RF발생기(33)에서 1.25 kW까지 전력을 인가할 수 있도록 하여 기판지지대(31)음극에 양이온을 강하게 구동하여 충격량을 줄일 수 있게 하였다. 또한 기판지지대(31)에 온도를 20-100℃내에서 조절할수 있는 칠러(34)를 부착하여 반응생성물의 가스상태를 유지케하여 재결합을 줄임으로써 식각율을 향상시키고, 가스 배출구 (35)를 도면에 도시 생략된 터보펌프와 로타리펌프 및 가스 스크러버에 연결하고, 또한 진공챔버의 크기와 터보펌프의 용량과의 디자인 룰은 0.03 sec 이고, 상부의 음극과 기판사이의 플라즈마(27)층의 두께는 7cm로 하였다.

한편, GaN 식각특성은 식각공정변수에 따라 민감하다. 도 4는 상부의 음극에 1.25 kW의 RF 전력을 인가하고, Cl₂/Ar의 혼합가스의 비율을 25/5 sccm, ICP power를 1.25 kW, 바이어스(bias)를 600 W로 인가한 경우 기판의 온도를 25℃로 고정하면 GaN 식각율은 30m Torr에서 최대를 보이며, 챔버압력이 상승함에 따라 감소하는 경향을 보인다. 식각율은 본 발명의 RIE/ICP방식에서는 150-500 nm/min의 분포를 보이고, 재래의 순수 ICP방식에서는 식각율이 50-150 nm/min이고 상부 ICP power를 OFF한 상태인 RIE방식에서는 20-70 nm/min로 매우 낮다. Cl₂/Ar 혼합가스의 Ar 함량비율을 증가시킴에 따라 도 5에서처럼 감소하지만, 순수 Cl₂가스의 식각조건에서보다Ar의 함량이 10-20%정도일 때 GaN 식각율이 향상됨을 알 수 있다. 이는 Ar 양이온의 Ga-N 격자간의 결합력에 진동모드를 제공하고 Cl이온의 Ga원자와의 화학결합을 촉진함을 의미한다. Ar함량이 상대적으로 증가함에 따라 Cl 플라즈마의 GaN 박막내로 확산제한이 일어남으로써 식각율의 저하를 가져옴이 확인되어 식각방식에 따라 식각율의 현격한 차이를 나타내고 있다. 도 6은 기판지지대(31)에 칠러(34)를 설치하여 기판의 온도가 상승함에 따라 식각율이 증가되고 이는 GaCl₃의 가스가 30m Torr의 압력하에서 60-100 ℃ 사이에서 기화되는 율이 급상승함을 보여주고 있다.

도 7은 사파이어 기판(38)위에 질화갈륨계 박막을 역유동 방식 유기금속 기상증착(CF-MOCVD)방법으로 성장시킨 AlGaN/InGaN 청색발광다이오드 더블헤테로구조(DH:double heterostructure)의 상태를 개략적으로 도시한 단면도로서, GaN DH/Al₂O₃구조위에10^-4Torr의 고진공의 챔버에서 SiO₂박막을 증착하였다. 증착온도는120℃이고 두께는 0.3-0.5 μm이다. 다시 SiO₂/GaN DH/Al₂O₃위에 포토레지스트를1.2-1.6μm 두께로 코팅하여 100℃로 베이킹하고 노광 및 현상한 다음 다시 100℃ 로 포스트 베이킹한 후 식각시료를 준비하여 도 8에서와 같이 P/R층(46)의 단차를 형성한다.

그리고 ICP 진공챔버내에 P/R층(46)으로 포토 리소그래프(photolithography)패턴을 형성한 기판을 장착한 후 도 8에서와 같이 먼저 섀도 마스크(shadow mask)용 SiO₂박막(45)을 상부RF 전력을 오프한 상태의 RIE방식에서 400-600 W의 부하를 기판에 인가하면서 CF₄/Ar 혼합가스상태에서 건식식각을 수행하였고, 다시 상,하부 RF전력을 사용한 RIE/ICP방식의 Cl₂/Ar 혼합가스 분위기상태에서 GaN 박막을 건식식각하였다.

한편 도 9는 도 8의 평면도로서 p, n면 전극을 준비하기 위해 p, n면 박막층을 위쪽방향으로 노출시키게 만들었고, 칩(chip)간 간격은 후공정시 스크리빙/브레이킹(scribing/breaking)공정에 필요하며 5-10 μm정도이다.

스크리빙 니들(Scribing needle)이 경도 12의 다이아먼드 칩(diamond chip)이지만 경도 10의 GaN박막에 줄을 긋을 경우 마모가 매우 심하기 때문에 소모율이 크고 제품에 손상을 가져와 수율 저하를 초래한다. 이러한 스크리빙공정을 건식식각으로 대체한 경우, 도 10, 11, 12에서처럼 공정을 수행하였다. 이 경우는 식각공정이 두 번인 경우로 스크리빙할 자리를 5-10μm 폭으로, 깊이는 5-10 μm를 갖는 홈을 만든 식각공정이 첨가되었다.

한편 고경도의 GaN박막을 건식식각하기 위해 제작된 RIE/ICP 유도결합형 플라즈마 식각장치로 최적화된 공정을 확립하고, 도 13은 P/R 마스크만을 이용한 경우의 식각한 GaN 박막의 SEM 사진이다.

따라서 애스팩트 비(aspect ratio)가 4-5로 매우 낮고 경사도는 60-80。로 매우 크다. 도 14는 SiO₂산화막위에 P/R 마스크를 보호막으로 사용한 경우이며, P/R 마스크의 선택도가 1.5 이상이고, SiO₂마스크의 선택도는 10 이상으로 양호하고, 애스팩트 비는 20 이상으로 거의 수직면 (85-90。)을 보였다. 또한 2인치 기판내의 식각깊이의 균일성이 3%이하로 양산조건에 매우 양호하다. 그리고 식각된 표면의 손상을 줄이기 위해 H₂분위기의 플라즈마에서 최종 식각처리하여 식각중에 불안정한 화학결합(dangling bond)으로 남아 있는 원자를 탈착시킨 후 안정된 표면 본드에 수소를 흡착하여 포화시킴으로써 식각후 오염을 방지하고, 건식 식각에 따른 표면손상으로 인한 전극형성시 접촉저항을 줄이는 공정을 수행하였다.

이에 따라 식각되는 GaN 두께를 인 시튜 모니터링하기 위해 레이저다이오드 (LD) 간섭계를 도 15와 같이 구성 제작하였다. 전원(50)에 연결된 750 nm Al GaAs 에지 에미팅(edge emitting) 레이저 다이오드 (51)에서 나온 빛이 볼록렌즈 (52)를 통과한 후 평행광를 형성하여 빔 분열기(53)에서 반은 반사되고 반은 투과하여 각각 미러(54)와 ICP챔버내의 식각되는 기판표면 (55)에서 반사되어 되돌아오고, 각각 반은 투과되고 반사되어 볼록렌즈 (56)에서 다시 집광되어 Si 핀 포토다이오드 (57)에서 광전류로 변환된다. 이 전류신호를 일정한 저항(R)을 통과시켜 전압신호로 바꾼 다음 모니터(58)에서 식각되는 두께의 변위로 환원된다. 두 개의 광선이 위상차이를 갖고 서로 겹치게 되면 도 16과 같은 간섭무늬를 형성하는데 기판표면의 GaN 박막의 식각됨에 따라 변위가 달라지고 위상에 변화를 주게되어 간섭무늬가 식각되어지는 시간에 따라 변화하게 된다. 작은 원형의 구형파(spherical wave)의 회절상은 챔버내에 발생하는 플라즈마파(plasma wave)가 광원을 제공하여 형성된 무늬로 노이즈를 형성한다. 하지만 이런 플라즈마파의 노이즈는 도 17에서와 같이 식각두께의 모니터링에는 큰 영향을 주지 않는다.

상술한 설명으로부터 분명한 것은, 본 발명의 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법 및 그 장치에 의하면, 기존의 RIE식각장치와 재래의 ICP 플라즈마 장치의 원리를 조합하여, 특수한 고경도의 GaN계 박막을 식각할 수 있도록 SiO₂박막을ICP방식에서 섀도 마스크로 이용하고, 산화막의 식각은 RIE방식으로 GaN막은 RIE/ICP방식으로 식각하여 단일식각공정을 구현하였으며, 이러한 N면 전극을 형성하기 위한 N-GaN 박막의 식각뿐만 아니라, 후공정시 칩을 분리하기 위한 스크리빙/브레이킹 공정에도 이용 할 수 있다. 특히 scribing 공정은 다이어몬드 스크리빙 니들이 고경도 GaN 박막에 줄을 긋어 쉽게 마모되고 LED 칩의 박막에 하중이 전달되어 크랙이 발생되고 소자의 신뢰성을 저하시킨다. 이를 건식식각으로 GaN 에피층을 제거하여 사파이어 표면에 줄을 긋거나, 사파이어기판속까지 스크리빙 홈을 만든 후 브레이킹하는 공정으로 소자의 신뢰성의 향상을 가져온다.

또한 챔버내에 레이저다이오드를 이용한 종점 모니터링을 할 수 있도록 설계함으로써 MEMS용 리소그래피를 용이하게 할 수 있다. 또한 고경도의 재료에 대한 식각공정을 정립함으로써 많은 부가가치를 지닌 고품질의 소자를 지향할 수 있는 효과가 있다.

Claims

GaN DH/Al₂O₃기판위에 고진공의 챔버상부에서 SiO₂박막을 일정 온도로증착하고 그 두께는 ㎛으로 하는 제 1 공정과;

상기 제 1공정 수행후 SiO₂/GaN DH/Al₂O₃기판위에 포토레지스터를 일정한 두께로 코팅하고 일정한 온도로 베이킹하여 노광 및 현상하는 제 2 공정과;

상기 제 2 공정 수행후 다시 일정한 온도로 포스트 베이킹하고 식각시료를 준비한후 P/R층의 단차를 형성하는 제 3 공정과;

상기 제 3 공정 수행후 식각된 표면을 H₂분위기의 플라즈마에서 최종처리하여 식각중에 남아 있는 원자를 탈착시키는 제 4 공정과;

상기 제 4 공정 수행후 안정된 표면 본드에 수소를 흡착하여 포화시키는 제 5 공정과;

상기 제 5 공정 수행후 건식 식각에 따른 표면손상을 줄여 전극형성시 접촉저항을 줄이는 제 6 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 공정에서 증착된 SiO₂박막은,

CF₄/Ar 혼합가스 분위기 또는 ICP 전원을 오프한 상태에서 RIE 방식으로 식각하여 단면성이 양호한 마스크로 사용하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 공정에서 GaN 박막은,

CI₂/Ar 혼합가스 분위기에서 RIE/ICP 방식으로 모두 식각하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 공정에서 ICP 식각 챔버상부에, Cu 플레이트 코일을 자기력선으로 유도하여 양극 또는 기판지지대에 음극으로 동작시키는 구조를 가진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 4항에 있어서, 상기 Cu 플레이트 코일을, Au로 코팅하여 전도율을 증가시키고, 기판지지대에 칠러를 부착하여 오일을 순환시킴으로서 기판온도를 일정하게 유지시키고 식각율을 일정하게 조절 또는 가열시킴으로서 반응생성물의 재결합을 방지시키도록 한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 4항에 있어서, 상기 상부의 음극부위와 하부 기판지지대의 양극부위에, 13.56 MHz의 주파수를 일정한 kW까지 공급하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 6항에 있어서, 상기 13.56 MHZ의 주파수를, 약 1.25 kW까지 공급하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1공정에서 챔버상부내에서 반도체층을 식각하는 동안 식각두께를 모니터링할 수 있는 종점 검출기로 레이저 다이오드 간섭계를 제작하여 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 고진공 챔버의 크기와 터보펌프의 용량과의 디자인 룰은 일정 sec로 하고, 상부의 음극과 기판사이의 플라즈마층의 두께는 일정한 cm로 한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 9항에 있어서, 상기 디자인 룰은, 0.03 sec로 하고, 상기 플라즈마층의 두께는, 약 7 cm인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 공정에서 박막을 증착하는 증착온도는, 약 120도로 하고, 그 두께는, 0.3-0.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 2공정에서 포토레지스트의 두께를 1.2-1.6 ㎛하고, 그 온도는 약 100도인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 칩 패턴간의 간격을 다이어몬드 니들로 스크리빙하기 위해 스크리빙 폭인 5 마이크론과 깊이 3-5 마이크론에 대해 7-10 마이크론의 폭으로 다소 허용 오차를 주고, 상기 스크리빙용 홈을 ICP방식으로 식각할 경우 폭을 4-7 마이크론으로 하고, 깊이를 5-10 마이크론으로 하여 사파이어 기판위의 GaN DH구조를 식각하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 방법.
AI을 산화하여 알루미나 막을 내벽에 형성한 진공용기와;

상기 진공용기에 장착된 가스유입구와;

석영판으로 격리된 진공용기 상부에 설치된 Cu 플레이트로 만든 나선형 코일과;

상기 나선형 코일과 기판지지대에 연결된 RF매칭 네트워크와;

상기 나선형 코일과 RF매칭 네트워크에 연결되어 13.56 MHz의 RF 주파수를 발생시키는 RF발생기와;

상기 13.56MHz의 주파수를 1.25kW RF 전력으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기와;

상기 나선형 코일에 흐르는 전류에 의해 플라즈마내에서도 인덕턴스성분이 유도되고 이 성분에 의해 형성되는 수직방향의 자기력선 및 수평방향의 전기력선과;

상기 기판지지대에 부착되어 일정한 온도로 조절하는 칠러와;

터보펌프와 로타리펌프와 연결되어 배기가스를 누출시키는 가스배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 장치.
제 14항에 있어서, 상기 기판지지대에 온도를, 20-100⁰C 내에서 조절하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형 플라즈마 식각 공정 장치.