KR100485498B1 - 양자선 채널 ｆｅｔ의 양자선 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 희생층과 일반 사진 기법을 이용하여 접촉식 리소그래피(Contact Aligner) 장비에 의하여 양자선을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 기판(Substrate) 위에 식각 정지층, 희생층 및 식각 마스크층을 순서대로 성장시키는 단계; 상기 식각 마스크층을 패터닝한 후 식각하는 단계; 격자 방향에 따른 물질 특성을 이용하여 상기 희생층을 사다리꼴의 짧은 변을 아래로 뒤집어 놓은 형태로 식각하는 단계; 및 양자선의 마스크 역할을 수행하도록 상기 희생층의 바닥과 동일한 폭으로 상기 식각 정지층을 식각하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자선 채널 FET의 양자선 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 양자선 채널 FET의 양자선 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 희생층과 일반 사진 기법을 이용하여 접촉식 리소그래피(Contact Aligner) 장비에 의하여 양자선을 제조하는 방법에 관한 것이다.
트랜지스터는 전자 제품 전반에 걸쳐 없어서는 아니되는 필수불가결한 부품이다. 최근 광통신과 이동 통신이 발달함에 따라, 이러한 트랜지스터의 성능 지수 역시 계속 상승하는 추세이다. 이렇게 트랜지스터의 성능을 높이기 위해서 사용하는 방법 중에 하나가 바로 양자역학(Quantum Mechanics)적인 특성을 이용하는 것이다. 현재 가장 특성이 좋은 트랜지스터는 화합물 반도체를 이용하여 만들고 있으며, 여기에 양자 우물(Quantum Well)이라는 것을 만들어 사용하고 있다.
양자 우물 구조의 개념은 양자선(Quantum Wire) 및 양자점(Quantum Dot)으로 확장되어 최근에는 양자점 레이저의 제작 및 발진이 보고되고 있고, 이론적으로 매우 낮은 발진 문턱 전류와 매우 높은 양자 효율을 갖는 것으로 밝혀져 있다.
양자선은 양자 우물 및 양자점과 같이 양자역학적인 현상을 이용하는 것이다. 양자 효과를 이용하는 구조는 벌크 형태에 비하여 전기 전도적인 특성, 광학적 특성이 우수하다. 특히, FET(Field Effect Transistor)의 경우에는 채널층에서의 전하의 이동도가 크게 작용을 하는데, 이 채널층을 양자선으로 대체하게 되면, 기존의 양자 우물을 이용한 FET보다 우수한 특성을 얻을 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 양자선 FET를 도시한 개념도이다. 도 1에 도시되어 있듯이, 양자선은 채널 역할을 수행하고, 그 위에 게이트 전극이 올라가는 형태를 취하는 것이 일반적인 양자선 FET의 구조이다.
양자선을 제작하기 위해서는 일반적으로 전자선 묘화 방법을 이용하여 패터닝을 한다.
전자선 묘화 장치(EBLS : Electron Beam Lithography System)는 문자 그대로 전자선을 이용하여 원하는 형상을 기판위에 전이시키는 장비이다. 소스(Source)로서 포커스트 전자 빔(Focused Electron Beam)을 이용하기 때문에 광 묘화(Optical Lithography) 기술에 비해서 최소 피쳐 사이즈(Minimum Feature Size)를 대폭 줄일 수 있다. 즉, 기존의 광학 묘화 기술로는 0.5∼1.0 um의 최소 피쳐 사이즈가 가능하지만 전자선 묘화 장치를 사용할 경우 0.1 um 이하의 패터닝도 가능하게 된다.
이러한 종래의 기술을 간략하게 소개하면, 대한민국에서 등록된 특허 1998-021302 '고밀도 양자세선 제조 방법'에 관한 특허가 있다.
그러나, 이러한 방법은 소자의 생산 속도가 늦을 뿐만 아니라, 가격이 비싸기 때문에 범용 소자로 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전자선 묘화 기법을 사용하지 아니하고, 희생층과 일반 사진 기법을 이용하여 양자선을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판(Substrate) 위에 식각 정지층, 희생층 및 식각 마스크층을 순서대로 성장시키는 제 1 단계; 상기 식각 마스크층을 패터닝한 후 식각하는 제 2 단계; 격자 방향에 따른 물질 특성을 이용하여 상기 희생층을 사다리꼴의 짧은 변을 아래로 뒤집어 놓은 형태로 식각하는 제 3 단계; 및 양자선의 마스크 역할을 수행하도록 상기 희생층의 바닥과 동일한 폭으로 상기 식각 정지층을 식각하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자선 채널 FET의 양자선 제조 방법을 제공한다.
또한, 보다 더 양호하게는, 상기 제 3 단계에서 사용되는 식각 용액은 상기 희생층이 상하의 상기 식각 정지층 및 식각 마스크층을 제거하는 식각 용액에 반응하지 않도록 한다.
또한, 보다 더 양호하게는, 상기 희생층은 InP, 상기 식각 용액은 H3PO4 : HBr 혼합 용액, 상기 식각 마스크층 및 식각 정지층은 InGaAs 또는 InGaAsP 또는 InAlAs 중 어느 하나인 것을 선택한다.
본 발명은 양자선을 제조하는데 가장 간단한 사진 공정인 접촉식 정렬기를 이용할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 희생층을 이용한 양자선 제조 방법을 사용하여 제조한 FET의 채널층을 도식화한 사시도이다.
최상층은 희생층을 벗겨낸 후에 나타나는 식각 정지층(Etch Stop Layer)을 나타낸다. 아래의 기판(Substrate)은 양자선 FET의 에피택셜층을 가지는 기판이며, 상기 식각 정지층을 마스크로 하여 양자선을 정의한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자선 채널 FET 제조 방법을 도식화시킨 단면도로서, 이를 상세히 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시되어 있듯이, FET를 제조하려고 하는 소자의 박막 구조(기판, 301)위에 정지층(302), 희생층(303) 및 식각 마스크층(304)을 성장시킨다.
그리고, 상기 성장된 식각 마스크층(304)을 도 3a에 도시된 바와 같이 식각을 수행한다. 만일 상기 식각 마스크층(304)으로 InGaAs 물질, 상기 희생층(303)으로 InP 물질을 사용한다면, 식각 용액으로는 H3PO4 : H2O2 : D.I 혼합 용액을 사용한다. 이때, 상기 식각 마스크층(304)의 폭이 약 1 마이크론 정도가 되도록 패터닝한 후에 식각하며, 양자선의 길이 방향은 기판 위에서 볼 때, <110> 방향이 되도록 한다.
한편, 상기 희생층(303)의 두께와 식각 마스크층(304)에 형성시키는 직선 패턴의 폭이 최후의 양자선의 폭을 결정한다. 여기서 상기 희생층(303)은 위, 아래에 있는 상기 식각 정지층(302) 및 식각 마스크층(304)을 제거하는 화학 용액에 반응하지 않아야 하며, 상기 희생층(303)을 제거하는 화학 용액에 상기 식각 정지층(302) 및 식각 마스크층(304)이 반응해서는 안된다.
이러한 특성을 만족시키는 조합으로 본 실시예에서는 상기 희생층(303)으로는 InP, 상기 식각 마스크층(304) 및 식각 정지층(302)으로는 InGaAs 또는 InGaAsP 또는 InAlAs 물질을 이용한다.
상기 희생층(303)을 InP로 하는 경우에는 식각 용액으로 H3PO4 : HBr 혼합 용액을 사용한다. 상기 식각 마스크층(304)인 InGaAs가 마스크층 밑으로 식각 용액이 들어가 식각되는 일반적인 습식 식각 특성이 나타나지 않도록 하기 위하여 식각 후, 상기 희생층(303) InP는 도 3b에서처럼 사다리 꼴의 짧은 변을 아래로 뒤집어 놓은 형태가 된다. 본 발명에서는 이러한 특성을 '선폭 축소 과정'이라고 지칭하겠다.
한편, InP는 H3PO4 : HBr 혼합 용액에서 식각 특성에 따라 평면과 약 55도의 기울기를 가지는 <111> 면과 <111> 면을 드러내면서 식각된다.
선폭 축소 공정은 격자 방향에 따른 물질의 식각 특성을 이용하는 것이다. 그렇기 때문에 초기에 양자선의 길이 방향이 <110> 방향으로 놓이지 아니하면, 이러한 특성을 얻을 수 없다. 또한, 상기 희생층(303)을 식각하는 용액의 특성에도 의존하기 때문에 InP의 경우에는 H3PO4 : HBr 용액처럼 역메사 식각 정지층이 표면에 드러나게 된다. 여기서, 재차 상기 식각 정지층(302)을 제거하면, 도 3c에서처럼 상기 식각 정지층(302)이 상기 희생층(303)의 바닥과 동일한 폭의 양자선 패턴이 되고, 이는 소자의 양자선을 위한 마스크 역할을 하게 된다.
예로서, 상기 식각 마스크층(304)의 폭이 1 마이크론이고, 상기 희생층(303)의 두께를 6000 옹스트롬으로 한 경우에는 바닥에 생성되는 식각 정지층(302)은 폭이 200 나노미터인 양자선이 형성된다. 더 작은 양자선을 만들기 위해서는 상기 희생층(303)의 두께를 늘리거나, 초기의 패턴 폭을 줄이는 방법으로 원하는 양자선의 폭을 얻을 수 있다.
도 2는 이러한 양자선 패터닝의 응용으로 양자선을 채널로 하는 FET의 모양을 나타내고 있다. 먼저, 식각 정지층을 마스크로 하여 소자의 양자 우물 구조 에피층을 식각하고, 양자선을 만들어 소자의 드레인(Drain)과 소스(Source)를 연결한 모습을 나타내고 있다. 여기서 채널은 1개가 아니라 복수의 양자선을 만들 수도 있다. 그리고, 양자선에 수직 방향으로 게이트(Gate) 전극을 인가하면, 양자선을 채널로 하는 FET로 작동한다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙력자들에게는 이 발명의 기술 사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서 한정될 것이나, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 종래에 사용하던 양자선 제조 방법에 비하여 보다 간단하며, 생산 속도를 늦추는 재결정 성장이나 전자선 묘화 기술을 사용하지 않기 때문에 생산 속도를 보다 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 양자선 FET를 도시한 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 희생층을 이용한 양자선 제조 방법을 사용하여 제조한 FET의 채널층을 도식화한 사시도이고,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자선 채널 FET 제조 방법을 도식화시킨 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
301 : 기판 302 : 식각 정지층
303 : 희생층 304 : 식각 마스크층
Claims (7)
- 양자선(Quantum Wire) 채널 FET(Field Effect Transistor)의 양자선 제조 방법에 있어서,기판(Substrate) 위에 식각 정지층, 희생층 및 식각 마스크층을 순서대로 성장시키는 제 1 단계;상기 식각 마스크층을 패터닝한 후 식각하는 제 2 단계;격자 방향에 따른 물질 특성을 이용하여 상기 희생층을 사다리꼴의 짧은 변을 아래로 뒤집어 놓은 형태(리버스 메사 구조 : Reversed Mesa)로 식각하는 제 3 단계; 및양자선의 마스크 역할을 수행하도록 상기 희생층의 바닥과 동일한 폭으로 상기 식각 정지층을 식각하는 제 4 단계; 를 포함하고,상기 희생층이 상하의 상기 식각 정지층 및 식각 마스크층을 제거하는 식각 용액에 반응하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 희생층은 InP, 상기 식각 용액은 H3PO4 : HBr 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 식각 마스크층 및 식각 정지층은 InGaAs 또는 InGaAsP 또는 InAlAs 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 2 단계는,H3PO4 : H2O2 : D.I 혼합 용액을 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계는,상기 식각 마스크층의 식각 방향은 기판 위에서 바라볼 때, <110> 방향인 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 3 단계는,상기 희생층이 식각되어 [111] 및 [111] 면을 형성하는 것을 특징으로 하는 접촉식 리소그래피 장비(Contact Alligner)를 이용하여 양자선 채널 FET의 양자선을 제조하는 방법.
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