KR100377509B1 - 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법 - Google Patents

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Abstract

아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 반응기 내의 서셉터 상에 아연산화물 반도체가 증착된 기판을 안착시키고, 반응기 내에 수소를 포함하는 플라즈마를 형성하여 반응기 내의 압력이 1 mTorr ~ 1 Torr이고 온도가 0∼400℃인 조건에서 아연산화물 반도체의 표면을 플라즈마에 노출시킨 다음에, 금속 배선을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 수소를 포함하는 기체에 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 및 라돈(Rn)으로 이루어진 불활성기체 군으로부터 선택된 어느 하나를 더 포함시키거나, 또는 적어도 이들 중의 어느 하나를 포함하는 혼합기체를 더 포함시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 간단한 방법으로 낮은 비접촉저항을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 우수한 광학적 특성도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 고온 공정이 필요치 않으므로 기존의 화합물 반도체에서 사용되는 고온 열처리에 의해 야기될 수 있는 소자의 성능저하도 피할 수 있다.

Description

아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법{Method of forming metal interconnects of ZnO semiconductor}
본 발명은 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법에 관한 것으로서, 특히 아연산화물 반도체가 금속과 서로 오믹 접촉(ohmic contact)될 수 있도록 아연산화물 반도체의 표면을 플라즈마로 처리하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
아연산화물 반도체는 기존에 투명전극(transparent electrode), 태양전지의 윈도우 물질(window materials), 바리스터(varistor) 등 여러 소자 분야에 쓰여져 왔으며, 최근에는 아연산화물 반도체의 넓은 에너지 금지대역과, 반도체 성장(growth)의 편이성 및 경제적인 장점으로 인하여 질화갈륨(GaN)을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 김(kim) 등은 스퍼터링법을 이용하여 양질의 아연산화물 반도체를 성장시킴으로써 광소자로의 응용을 가속화시켰으며(참고문헌: J. Appl. Phys. 87, 3573, 2000), 아오키(Aoki) 등은 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용하여 p-n 다이오드를 제작하여 광소자 제작에 대한 가능성을 배가시켰다(참조문헌: Appl. Phys. Lett. 76, 3257, 2000).
아연산화물 반도체와 금속간의 오믹 접촉에 대한 연구로서는 아케인(Akane) 등이 엑시머 레이저를 이용하여 아연산화물을 열처리한 후 인듐을 증착하여 비접촉 저항(specific contact resistivity)을 7×10-1Ωcm2까지 감소시킨 결과가 있으나(참조문헌: J. Vac. Sci. Technol. B18, 1406, 2000), 이는 다른 반도체를 이용한 여러 소자에서 보고되고 있는 비접촉 저항에 비해 아직 실제 소자에 적용하기에는 상당히 높은 저항값이다. 따라서, 낮은 비접촉 저항을 갖는 효율적인 오믹 접촉을 위한 아연산화물의 처리 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
반도체의 도핑농도가 1017/cm3보다 작을 때에는 열전자 방출(Thermionic emission)만이 일어나지만, 반도체의 도핑농도가 1017/cm3보다 크고 1018/cm3보다 작을 때에는 열전자 필드 방출(thermionic field emission)이, 그리고 반도체의 도핑농도가 1018/cm3보다 클 때에는 필드 방출(Field emission)이 일어날 수 있다는 것이 일반적인 사실이다. 따라서, 금속과 반도체간의 오믹 접촉은 주로 반도체의 도핑농도에 따라 좌우되게 된다. 즉, 낮은 도핑농도에서는 금속-반도체 접촉장벽(contact barrier)을 넘어 캐리어가 흐르다가, 도핑농도가 증가하게 되면 금속-반도체 접촉장벽에 관계없이 접촉장벽을 터널링(tunneling)하여 캐리어가 흐르게 되어 오믹접촉이 이루어진다.
일반적으로, 스퍼터링법에 의해 성장된 아연산화물 반도체에는 수많은 결함(defect)이 존재하며, 도핑(doping)에 의해 생성된 전자들은 이러한 결함에 의해 보상(compensation) 및 포획(trapping)되기 때문에 도핑의 효과가 감소하게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 아연산화물 반도체의 표면을 수소를 포함하는 플라즈마로 처리하여 아연산화물 반도체내의 결함들을 비활성화(passivation)시킴으로써 도핑의 효과가 잘 나타나도록 하여, 아연산화물 반도체와 금속이 서로 오믹접촉될 수 있도록 하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 아연산화막에 플라즈마 처리하지 않은 경우와 플라즈마 처리를 한 경우에 대해서 광학적 특성을 상온 광발광법으로 측정한 결과를 나타내는 그래프;
도 2는 본 발명에 의해 플라즈마로 표면처리된 아연산화막의 표면전자농도를 수소 및 아르곤 기체의 유입량에 따라 나타낸 그래프;
도 3은 아연산화막에 플라즈마 처리하지 않은 경우와 플라즈마 처리를 한 경우에 대한 전류-전압 특성 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 반응기 내의 서셉터 상에 아연산화물 반도체가 증착된 기판을 안착시키고, 상기 반응기 내에 수소를 포함하는 플라즈마를 형성하여 상기 반응기 내의 압력이 1 mTorr ~ 1 Torr이고 온도가 0∼400℃인 조건에서 상기 아연산화물 반도체의 표면을 상기 플라즈마에 노출시킨 다음에, 금속 배선을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 수소를 사용하는 이유는, 수소에 의해 아연산화물 반도체 내에 존재하는 여러 결함들이 비활성화 됨으로써 전자들이 보상 또는 포획되는 확률이 줄어들게 되어 도핑의 효과가 크게 나타나기 때문이다. 따라서, 수소를 포함하는 플라즈마로 아연산화물 반도체의 표면을 처리한 후에 아연산화물 반도체와 금속을 접촉시키게 되면 비접촉저항이 훨씬 감소하게 된다.
한편, 아연산화물 반도체의 표면을 예컨대 아르곤 플라즈마에 노출시키면, 플라즈마에 존재하는 아르곤 이온(Ar+)이 아연산화물 반도체의 표면에 물리적으로 충돌하게 되어 아연산화물의 구성성분중 질량이 작고 증기압(vapour pressure)이 높은 산소가 우선적으로 표면으로부터 탈착(desorption)되게 된다. 따라서, 아연산화물 반도체의 표면에 국부적인(localized) 산소 공공(vacancy)이 발생하게 된다.
이러한 산소 공공은 도너(donor)로 작용하기 때문에 실질적으로 아연산화물 반도체의 도핑농도를 증가시킨 것과 동일한 효과가 나타난다. 즉, 낮은 농도로 도핑된 아연산화물 반도체인 경우라도 예컨대 아르곤 플라즈마로 표면을 처리하면 산소 공공이 표면 부근에 형성되어 실질적으로는 높은 농도로 도핑된 경우와 같이 전자의 농도가 커지게 된다. 따라서, 필드 방출에 의한 오믹 접촉 특성이 더 쉽게 나타나게 된다.
이와 같은 이유로, 상기 수소를 포함하는 기체에 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 및 라돈(Rn)으로 이루어진 불활성기체 군으로부터 선택된 어느 하나를 더 포함시키거나, 또는 적어도 이들 중의 어느 하나를 포함하는 혼합기체를 더 포함시키는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마는 유도결합(inductively coupled) 방식, 용량성 결합(capacitive coupled) 방식, 또는 전자공명(electron cyclotron resonance) 방식으로 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 플라즈마는 유도결합 방식과 용량성 결합 방식을 서로 결합시켜 형성시킬 수도 있다. 이 경우에는 상기 반응기 둘레에 ICP 코일 안테나를 설치하고, 상기 ICP 코일 안테나에는 10 ~ 20 MHz의 주파수를 갖는 ICP 전력을 1~3000W로 인가하고, 상기 서셉터에는 10 ~ 20 MHz의 주파수를 갖는 RF 전력을 1~500W로 인가함으로써 상기 플라즈마를 형성한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
(0001) 사파이어 기판 상에 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetronsputtering) 방법으로 아연산화막을 형성하였다.
[실시예 2]
실시예 1에 의하여 만들어진 시편을 유도결합 플라즈마(ICP) 반응기에 장입한다. 반응기의 둘레에는 유도결합형 플라즈마를 형성시키기 위한 ICP 코일 안테나가 설치되어 있으며, 효율적인 식각을 위하여 시편이 안착되는 서셉터에도 RF 주파수를 인가할 수 있도록 되어 있다. 위와 같이 시편을 장입한 후에, 아르곤 또는 수소 기체를 반응기로 유입시켜 플라즈마를 형성한 후에 이 플라즈마를 이용하여 아연산화막의 표면을 처리한다. 이 때, 아연산화막의 플라즈마 처리과정은 반응기의 압력이 약 12 mtorr이고, 기판의 온도가 약 20℃인 상태에서 진행된다. ICP 코일 안테나에는 13.56 MHz의 ICP 전력이 1500W로 인가되고, 서셉터에는 13,56 MHz의 RF 전력이 50W로 인가된다.
도 1은 아연산화막에 플라즈마 처리하지 않은 경우와 플라즈마 처리를 한 경우에 대해서 광학적 특성을 상온 광발광법으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마로 처리되지 않은 시편(①)과 아르곤 플라즈마로 처리된 시편(②)은 모두 낮은 발광강도를 나타내고 있으며, 378nm 파장의 벤드에지(band-edge)발광과 더불어 결함에 관계되는 600nm 파장의 옐로우 발광이 관찰됨을 볼 수 있다. 반면, 수소 플라즈마로 처리된 시편(③)의 경우는 밴드에지 발광강도가 플라즈마 처리되지 않은 시편(①)보다 커짐과 동시에 옐로우 발광강도는 감소하고 있음을 볼 수 있다. 이러한 광학적 특성의 향상으로부터 수소 플라즈마 처리에 의해 아연산화물 반도체의 결함이 감소되었음을 확인할 수 있다.
[실시예 3]
아르곤 또는 수소의 유입량을 변화시키는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건에서 아연산화막을 플라즈마에 노출시켰다. 이 경우, 아연산화막 표면의 전자농도를 홀(Hall) 측정방법으로 측정한 결과가 도 2에 그래프로써 제시되었다.
도 2를 참조하면, 수소 유입량이 증가할수록 표면전자농도(sheet carrier concentration)가 크게 증가하여 유입량이 80sccm일 때 약 10배 정도로 표면전자농도가 증가하였음을 볼 수 있다. 이것은 수소의 유입량이 증가함에 따라 박막 내에 존재하는 결함들이 더 많이 비활성화됨으로써 전자의 보상 및 포획 확률이 감소되어 결국 전자의 농도가 실질적으로 증가하였음을 보여주는 결과이다. 반면에, 아르곤 플라즈마로 처리된 경우에는 플라즈마로 처리되지 않은 시편에 비해 아연산화막 표면의 전자농도가 약간만 증가하였음을 볼 수 있으며, 그 증가량은 수소 플라즈마로 처리한 경우에 비해 대단히 미미하다는 것을 볼 수 있다.
[실시예 4]
아연산화물 반도체와 금속 접촉간의 전류-전압특성을 살펴보기 위하여, 실시예 2와 같이 아연산화막을 플라즈마 처리한 후에, 플라즈마 처리된 아연산화막 상에 티타늄(Ti) 및 금(Au) 박막을 각각 30nm 및 50nm의 두께로 순차적으로 증착한 다음에, 리프트 오프(lift-off)공정을 거쳐 티타늄 및 금이 순차적으로 적층된 전극을 형성하였다.
도 3은 아연산화막에 플라즈마 처리하지 않은 경우와 플라즈마 처리를 한 경우에 대한 전류-전압 특성 그래프이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마로 처리되지 않은 시편(①')의 경우는 인가된 전압에 대해 미세량의 전류가 흘러 오믹 접촉 특성이 좋지 않음을 볼 수 있다.
반면에, 아르곤 플라즈마로 처리된 시편(②')의 경우는 플라즈마로 처리되지 않은 시편(①')에 비해 더욱 많은 전류가 흐름을 볼 수 있다. 이는 표면의 산소 공공의 증가로 인하여 표면전자밀도가 증가하였기 때문이다.
그리고, 수소 플라즈마로 처리된 시편(③')의 경우는 플라즈마로 처리되지 않은 시편(①')이나 아르곤 플라즈마로 처리된 시편(②')에 비하여 인가된 전압에 대해 전류가 크게 증가함을 볼 수 있다. 이는 수소에 의해 아연산화막 내의 결함이 비활성화되어 전자농도가 실질적으로 증가되었기 때문이다.
표 1은 도 3의 시편에 대한 비접촉저항을 나타낸 것이다.
시편 종류 비접촉저항 (Ωcm2)
플라즈마로 처리되지 않은 시편(①') 1. 3 ×10-3
아르곤 플라즈마로 처리된 시편(②') 1. 0 ×10-4
수소 플라즈마로 처리된 시편(③') 4.3 ×10-5
표 1을 참조하면, 플라즈마로 처리된 시편(②' ③')이 플라즈마로 처리되지 않은 시편(①')에 비해 비접촉저항이 작으며, 수소 플라즈마로 처리된 시편(③')의 비접촉저항이 제일 작음을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법에 의하면, 간단한 방법으로 낮은 비접촉저항을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 우수한 광학적 특성도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 고온 공정이 필요치 않으므로 기존의 화합물 반도체에서 사용되는 고온 열처리에 의해 야기될 수 있는 소자의 성능저하도 피할 수 있다. 따라서, 아연산화물 반도체를 이용하는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 등과 같은 소자의 상업화가 본 발명에 의하여 가속될 것으로 기대되며, 특히 아연산화물 반도체를 차세대 청색 발광 물질로 적용할 수 있는 가능성이 더 높아졌다고 볼 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (5)

  1. 반응기 내의 서셉터 상에 아연산화물 반도체가 증착된 기판을 안착시키고, 상기 반응기 내에 수소를 포함하는 플라즈마를 형성하여 상기 반응기 내의 압력이 1 mTorr ~ 1 Torr이고 온도가 0∼400℃인 조건에서 상기 아연산화물 반도체의 표면을 상기 플라즈마에 노출시킨 다음에, 금속 배선을 형성하는 것을 특징으로 하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 수소를 포함하는 기체가 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 및 라돈(Rn)으로 이루어진 불활성기체 군으로부터 선택된 어느 하나를 더 포함하거나, 또는 적어도 이들 중의 어느 하나를 포함하는 혼합기체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 상기 플라즈마가 유도결합 방식, 용량성 결합 방식, 또는 전자공명 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 반응기 둘레에 ICP 코일 안테나를 설치하고, 상기 ICP 코일 안테나에는 10 ~ 20 MHz의 주파수를 갖는 ICP 전력을 1~3000W로 인가하고, 상기 서셉터에는 10 ~ 20 MHz의 주파수를 갖는 RF 전력을 1~500W로 인가함으로써, 상기 플라즈마를 유도결합 방식과 용량성 결합 방식이 혼합된 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 아연산화물 반도체의 금속배선 형성방법.
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