KR101466487B1 - LOW-DAMAGE ATOMIC LAYER ETCHING METHOD TO BeO - Google Patents

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염근영
민경석
강승현
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성균관대학교산학협력단
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    • H01L21/32136—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only using plasmas

Abstract

Disclosed is an atomic layer etching method for beryllium oxide (BeO). According to the present invention, a BeO atomic layer etching method includes: a first step of injecting etching gas into a reaction chamber to adhere the gas to a layer to be etched; a second step of discharging residual gas, which is not adhered to the layer to be etched, to the outside of the reaction chamber; a third step of desorbing the layer to be etched to which the etching gas is adhered, by emitting energy, which is larger than combination energy of the layer to be etched and a first sub Be-O layer and is smaller than combination energy of the first sub Be-O layer and a second sub Be-O layer, to a surface of the layer to be etched; and a fourth step of discharging an desorbed mixture to the outside of the reaction chamber.

Description

산화 베릴륨에 대한 저손상 원자층 식각 방법{LOW-DAMAGE ATOMIC LAYER ETCHING METHOD TO BeO}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a low-damage atomic layer etch method for beryllium oxide,

본 발명은 3-5족 화합물 반도체의 Passivation Layer 물질로 사용되는 산화 베릴륨(BeO)에 대한 저손상 원자층 식각 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 식각가스와 중성빔 또는 이온빔을 이용하여 흡착 및 탈착의 과정을 반복 수행하여 한 사이클(cycle)당 하나의 원자층을 균일하게 식각할 수 있는 산화 베릴륨에 대한 저손상 원자층 식각 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a low-damage atomic layer etching method for beryllium oxide (BeO) used as a passivation layer material of a group III-V compound semiconductor, and more particularly, The present invention relates to a low-damage atomic layer etching method for beryllium oxide which is capable of uniformly etching one atomic layer per cycle.

금속 산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor, MOS)는 가공횟수가 적고 고밀도로 집적이 되어있어 경제성이 높기 때문에 대규모 집적회로 메모리에 널리 사용된다.Metal oxide semiconductors (MOS) are widely used in large-scale integrated circuit memories because of their small number of processing cycles and high integration density, which is economical.

특히, 3-5족 화합물 반도체는 실리콘에 비하여 높은 전자 이동도를 갖기 때문에 채널 형성 물질로 주목받고 있다. 그러나 3-5족 화합물 반도체의 경우 규소(Si)에 비하여 보호막 역할을 하는 안정적인 산화물(native oxide)가 부족하기 때문에 보호막 역할을 할 수 있는 보호막층(Interface Passivation Layers, IPLs)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Particularly, a group III-V compound semiconductor has attracted attention as a channel forming material because it has higher electron mobility than silicon. However, in the case of 3-5 group compound semiconductors, there is a lack of native oxide that acts as a protective layer compared to silicon (Si), so studies on interface passivation layers (IPLs) .

한편, 이러한 보호막층에 대한 식각공정은 주로 플라즈마를 이용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)을 사용하고 있으나, 공정간 기형성된 구조물이 플라즈마 또는 플라즈마에 의해 유도된 전하들에 의하여 손상되는 이른바, 플라즈마 유도손상(Plasma Induced Damage, PID)이 발생하여 반도체 장치의 동작특성 및 신뢰성을 저하시키는 문제점을 유발한다.The reactive ion etching (RIE) using plasma is mainly used for the etching process for the protective film layer. However, the so-called reactive ion etching (RIE) Plasma Induced Damage (PID) is generated to lower the operating characteristics and reliability of the semiconductor device.

따라서, 다양한 고유전물질을 보호막층으로 사용하기 위한 원자층 식각 방법에 대한 연구 및 개발이 필요하게 되었다.
Therefore, it is necessary to study and develop an atomic layer etching method for using various high-k materials as a protective film layer.

공개특허공보 제10-2011-0097193호 '원자층 식각 장치'Open Patent Publication No. 10-2011-0097193 'Atomic Layer Etching Device'

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 매우 얇은 두께를 갖는 보호막층(IPLs)인 산화 베릴륨(BeO)의 정교한 원자층 식각 방법을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a sophisticated atomic layer etching method of beryllium oxide (BeO), which is an IPLs having a very thin thickness.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법은, 피식각층이 노출된 피식각 기판에 대한 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서, 반응챔버 내부에 식각가스를 주입하여 상기 피식각층에 흡착시키는 제1 단계; 상기 식각가스 중 상기 피식각층에 흡착되지 않고 남은 가스를 상기 반응챔버 외부로 배출하는 제2 단계; 상기 식각가스가 흡착된 피식각층과 제1 서브 Be-O 층과의 결합 에너지보다 크고 상기 제1 서브 Be-O 층과 제2 서브 Be-O 층과의 결합 에너지보다 작은 에너지를 식각가스가 흡착된 피식각층 표면에 조사하여 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시키는 제3 단계; 및 탈착된 혼합물을 상기 반응챔버 외부로 배출하는 제4 단계; 를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for etching a beryllium atomic layer on a substrate to be patterned, the method comprising the steps of: A first step of adsorbing the gas to the etching layer; A second step of discharging the remaining gas of the etching gas not adsorbed on the etching layer to the outside of the reaction chamber; The etch gas is adsorbed by an energy that is greater than the bonding energy between the etching gas and the first sub-Be-O layer and less than the bonding energy between the first sub-Be-O layer and the second sub- A third step of irradiating the surface of the etching layer to desorb the etching layer on which the etching gas is adsorbed; And a fourth step of discharging the desorbed mixture to the outside of the reaction chamber; .

또한, 상기 제1 단계에서 주입되는 식각가스는 BCl3 가스 또는 CCl4 가스인 것을 특징으로 하며, 상기 제3 단계에서는 중성빔 또는 이온빔을 조사하여 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시킨다.The etching gas injected in the first step may be a BCl 3 gas or a CCl 4 gas. In the third step, a neutral beam or an ion beam is irradiated to desorb the etching gas layer on which the etching gas is adsorbed.

또한, 상기 중성빔은 아르곤 중성빔 또는 네온 중성빔, 상기 이온빔은 아르곤 이온빔 또는 네온 이온빔인 것을 특징으로 한다.The neutral beam may be an argon neutral beam or a neon neutral beam, and the ion beam may be an argon ion beam or a neon ion beam.

또한, 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 한 주기로 하여 2회 이상 반복하여 수행하며 각 주기마다 하나의 산화 베릴륨 원자층을 식각한다.
Further, the first to fourth steps are repeated twice or more, and one layer of beryllium oxide is etched in each period.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법은, 매우 얇은 두께를 갖는 보호막층(IPLs)인 산화 알루미늄(BeO)에 대한 정교한 원자층 식각 방법을 제공하여, 3-5족 금속 화합물 반도체의 특성 저하를 방지할 수 있다.
According to the present invention, there is provided a method for etching a beryllium atomic layer of aluminum oxide (BeO) having a very thin protective layer (IPLs) -5 group metal compound semiconductor can be prevented from deteriorating.

도 1은 본 발명에 따른 원자층 식각 방법을 사용하기 위한 중성빔을 이용한 원자층 식각 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 개시된 원자층 식각 장치의 중성빔 공급부의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서, 제1 그리드 전압에 따른 식각율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서, BCl3의 gas flow rate 에 따른 식각율과 표면 거칠기를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법과 부분 층 식각(Partial Layer Etching) 및 기준(reference) 기판에서의 베릴륨(Be)과 산소(O) 원자의 비율을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view of an atomic layer etch apparatus using a neutral beam for using the atomic layer etching method according to the present invention.
2 is a schematic view of a neutral beam supply of the atomic layer etch apparatus shown in FIG.
FIGS. 3A through 3E are process cross-sectional views illustrating a method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the etching rate according to the first grid voltage in the method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention. FIG.
5 is a graph showing the etching rate and surface roughness according to the gas flow rate of BCl 3 in the method of etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the ratio of beryllium (Be) and oxygen (O) atoms in the method of etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention, a partial layer etching and a reference substrate .

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a beryllium atomic layer etching method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.In the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the embodiment of the present invention will be described, and descriptions of other parts may be omitted so as not to disturb the gist of the present invention.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.In addition, terms and words used in the following description and claims should not be construed to be limited to ordinary or dictionary meanings, but are to be construed in a manner consistent with the technical idea of the present invention As well as the concept.

도 1은 본 발명에 따른 원자층 식각 방법을 사용하기 위한 중성빔을 이용한 원자층 식각 장치의 개략도이다.1 is a schematic view of an atomic layer etch apparatus using a neutral beam for using the atomic layer etching method according to the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 중성빔을 이용한 원자층 식각 장치(100)는 내부에 피식각 기판(12)이 안착될 수 있는 스테이지(11)를 구비하는 반응챔버(10)와 중성빔 공급부(20), 상기 중성빔 공급부(20)의 하단에서 상기 반응챔버(10)로 중성빔의 공급을 조절하는 셔터(30) 및 원자층 식각에 사용되는 가스의 공급을 제어하고 상기 셔터의 개폐를 제어하는 제어부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the atomic layer etching apparatus 100 using the neutral beam includes a reaction chamber 10 having a stage 11 on which a substrate 12 can be placed, and a neutral beam supplier 20 A shutter 30 for controlling the supply of the neutral beam from the lower end of the neutral beam supply unit 20 to the reaction chamber 10 and a control unit for controlling supply of gas used for atomic layer etching and controlling opening and closing of the shutter And a control unit 40.

도 2는 도 1에 개시된 원자층 식각 장치의 중성빔 공급부의 개략도이다.2 is a schematic view of a neutral beam supply of the atomic layer etch apparatus shown in FIG.

도 2를 참조하면, 상기 중성빔 공급부(20)는 소스 가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 챔버와 상기 플라즈마 챔버 외부를 감싸며 전기장을 발생시키는 유도 코일, 상기 플라즈마 챔버 하부에 위치하여 이온빔을 추출하는 제1, 제2, 제3 그리드(21a, 21b, 21b)로 이루어지는 그리드 어셈블리 및 상기 그리드 어셈블리 하부의 반사체(22)를 구비한다.Referring to FIG. 2, the neutral beam supplier 20 includes a plasma chamber for receiving a source gas and generating a plasma, an induction coil for surrounding the plasma chamber and generating an electric field, A grid assembly including first, second, and third grids 21a, 21b, and 21b, and a reflector 22 under the grid assembly.

상기 반사체(22)는 다수의 슬릿(22a)을 구비하여 상기 그리드 어셈블리를 지나온 이온빔에 전자를 공급하여 중성빔으로 전환시킨다.The reflector 22 has a plurality of slits 22a to supply electrons to the ion beam passing through the grid assembly and convert the ion beam into a neutral beam.

상술한 도 1 및 도 2의 장치는 본 발명에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에서 각각의 원자층을 균일하게 식각하기 위한 에너지를 공급하기 위한 장치로서, 본 발명의 명세서에서는 중성빔 공급부를 갖는 식각 장치를 예로써 설명하고 있으나, 이온빔 또는 열 소스를 이용하여 피식각 기판의 원자층에 대한 에너지를 공급하는 것도 가능하다.The apparatus of FIGS. 1 and 2 described above is an apparatus for supplying energy for uniformly etching each atomic layer in the beryllium atomic layer etching method according to the present invention. In the specification of the present invention, Although an apparatus is described as an example, it is also possible to supply energy to an atomic layer of a substrate to be patterned by using an ion beam or a heat source.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.FIGS. 3A through 3E are process cross-sectional views illustrating a method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법은 식각가스의 피식각층에의 흡착 및 흡착된 피식각층의 탈착 단계로 구성되며, 구체적으로는 식각가스를 주입하여 피식각층의 표면에 흡착시키는 제1 단계, 피식각층에 흡착되지 않고 남은 식각가스를 반응챔버 외부로 배출하는 제2 단계, 중성빔을 이용하여 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시키는 제3 단계 및 탈착된 혼합물을 반응챔버 외부로 배출하는 제 4단계로 구성된다.The method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention comprises adsorption of an etching gas on a substrate and desorption of the substrate on which the substrate is adsorbed. Specifically, an etching gas is injected into the surface of the substrate, A second step of discharging the etching gas left unadsorbed on the etching layer to the outside of the reaction chamber, a third step of desorbing the etching layer on which the etching gas is adsorbed by using a neutral beam, And a fourth step of discharging the gas to the atmosphere.

한편, 후술할 도 3a 및 도 3b의 공정은 상기 제1 단계를 구성한다.Meanwhile, the processes of FIGS. 3A and 3B to be described later constitute the first step.

먼저, 도 3a를 참조하면, 피식각층이 노출된 피식각 기판을 원자층 식각 장치의 스테이지에 안착시킨다.First, referring to FIG. 3A, the substrate to be etched is exposed to the stage of the atomic layer etching apparatus.

이때, 상기 피식각 기판의 상부에는 식각을 위한 식각 마스크(110)가 형성되어 있으며, 이에 따라 상기 피식각층의 일부, 즉, 식각하기 위한 부분이 노출되어 있다. 본 발명에서 상기 피식각 기판은 고유전 물질인 산화 베릴륨(BeO)이다.At this time, an etching mask 110 for etching is formed on the upper portion of the substrate, thereby exposing a part of the etching layer, that is, a portion to be etched. In the present invention, the substrate is a beryllium oxide (BeO), which is a high dielectric material.

또한, 상기 식각 마스크(110)는 포토레지스트로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서는 이를 한정하지 않으며, 피식각층과는 달리 식각 가스가 흡착되지 않는 물질이면 족하다.The etch mask 110 may be formed of a photoresist. However, the etch mask 110 is not limited thereto and may be a material that does not adsorb etch gas unlike the etching layer.

상기 피식각 기판을 스테이지에 안착시킨 후에는 상기 제어부(40)의 제어를 통하여 식각가스 공급밸브를 개방하여 피식각 기판의 피식각층을 향해 식각가스(120)가 공급될 수 있도록 한다.After the etching substrate is placed on the stage, the etching gas supply valve is opened through the control of the controller 40 so that the etching gas 120 can be supplied toward the etching layer of the substrate.

이때, 상기 식각가스는 BCl3 가스가 사용되며, 식각가스가 상기 피식각층 표면에 고르게 흡착될 수 있을 정도의 농도를 갖도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층에 대한 식각 공정에서는 반응챔버 내부의 식각가스의 밀도는 50 sccm(standard cubic centimeter per minute) 이상 100 sccm 이하로 유지하며, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 75 sccm 이상 100 sccm 이하로 유지한다.At this time, BCl 3 gas is used as the etching gas, and the etching gas has a concentration such that the etching gas can be evenly adsorbed on the surface of the etching layer. In the etching process for the beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention, the density of the etching gas in the reaction chamber is maintained at 50 sccm (standard cubic centimeter per minute) or more and 100 sccm or less, It is maintained at 75 sccm or more and 100 sccm or less.

도 3b를 참조하면, 식각가스로서 공급되는 상기 BCl3 가스(120)는 상기 피식각층의 표면에 반응하여 흡착된다.Referring to FIG. 3B, the BCl 3 gas 120 supplied as an etching gas is adsorbed on the surface of the etching layer.

이때, 상기 식각가스와 피식각층의 화학반응은 아래의 반응식 1과 같다.At this time, the chemical reaction between the etching gas and the etching layer is expressed by the following reaction formula 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

BCl3(g) + BeO(s) → BeClx(ad) + BOCly(ad)BCl 3 (g) + BeO (s)? BeCl x (ad) + BOCl y (ad)

상기 반응식 1과 같은 반응을 통하여 상기 식각가스가 상기 피식각층에 흡착되면, 제어부(40)를 통하여 상기 식각가스(120) 공급을 차단하게 된다.When the etching gas is adsorbed to the etching layer through the reaction as shown in the reaction scheme 1, the etching gas 120 is cut off through the control unit 40.

또한, 상기 식각가스로는 BCl3 가스 이외에도 CCl4 가스가 사용될 수 있으며, CCl4 가스를 식각가스로 사용하는 경우 피식각층에서의 화학반응은 아래의 반응식 2와 같다.As the etching gas, BCl 3 The CCl 4 gas may be used in addition to gas and, in the case of using a CCl 4 gas as an etching gas chemical reaction in the etching layer is shown in Scheme 2 below.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

CCl4 + BeO → BeClx + COy CCl 4 + BeO - > BeCl x + CO y

식각가스로 상기 CCl4 가스를 사용하는 경우에도 전체적인 식각 과정은 동일하며, 단지 gas flow rate 와 같은 구체적인 공정 조건에서 차이가 있을 수 있다. 이하에서는 BCl3 가스를 식각가스로서 사용하는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.Even when the CCl 4 gas is used as the etching gas, the overall etching process is the same, but there may be differences in the specific process conditions such as the gas flow rate. Hereinafter, the case where BCl 3 gas is used as the etching gas will be described as an example.

한편, 상기 피식각층에 흡착되지 않고 남은 식각가스는 상기 반응챔버(10)의 일측에 구비되는 가스 배출구(14)를 통하여 외부로 배출되고, 이때 반응챔버(10) 내부의 부산물이 완전히 배출될 수 있을 만큼의 내부 압력과 시간 동안 배출하여야 한다.On the other hand, the etching gas left unadsorbed on the etching layer is discharged to the outside through the gas outlet 14 provided at one side of the reaction chamber 10, and the by-product in the reaction chamber 10 can be completely discharged It should be discharged at a level of internal pressure and time.

도 3c 및 도 3d를 참조하면, 상기 중성빔 공급부(20) 하단의 셔터(30)를 개방하여 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 향하여 중성빔(140)을 조사하여, 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시킨다.3C and 3D, the shutter 30 at the lower end of the neutral beam supplying unit 20 is opened to irradiate the neutral beam 140 toward the etching gas layer on which the etching gas is adsorbed, Desorption of the etching layer is carried out.

이는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 식각 방법에서 제3 단계의 탈착(desorption)에 해당하는데, 매우 얇은 두께를 갖는 산화 베릴륨 단일층을 정교하게 식각하려는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 조사되는 중성빔이 갖는 에너지 역시, 정교하게 조절되어야 한다.This corresponds to the desorption of the third step in the atomic layer etching method according to one embodiment of the present invention. In order to achieve the object of the present invention to finely etch a single layer of beryllium oxide having a very thin thickness, The energy of the neutral beam must also be precisely controlled.

상기 식각기판은 여러개의 산화 베릴륨 단일층(monolayer)의 적층 구조로 이루어져 있으며, 식각가스(120)가 흡착된 피식각층만 식각하기 위해서는 상기 식각가스가 흡착된 피식각층과 상기 피식각층 하부의 제1 서브 Be-O 층(130a)과의 결합 에너지(Ea) 보다 큰 에너지가 필요하다.In order to etch only the etching layer on which the etching gas 120 is adsorbed, the etched substrate may be formed of a layer of the etching gas on which the etching gas is adsorbed and a layer of the first layer on the bottom of the etching layer An energy greater than the coupling energy E a with the sub-Be-O layer 130a is required.

그러나, 중성빔의 에너지가 너무 크면 상기 제1 서브 Be-O 층(130a) 하부의 제2 서브 Be-O 층(130b) 및 그 하부의 서브 Be-O 층까지 식각될 수 있기 때문에 적당한 에너지의 범위를 조절할 필요가 있다.However, if the energy of the neutral beam is too large, the second sub-Be-O layer 130b under the first sub-Be-O layer 130a and the sub-Be- It is necessary to adjust the range.

따라서, 중성빔의 에너지는 상기 결합 에너지(Ea) 보다는 크되, 상기 제1 서브 Be-O 층(130a)과 상기 제2 서브 Be-O 층(130b)과의 결합 에너지(Eb) 보다는 작은 에너지를 갖도록 한다.Thus, the neutral beam energy is less than the binding energy (E a) than keudoe, the first sub-Be-O layer (130a) and the second coupling between the sub-Be-O layer (130b) the energy (E b) Have energy.

피식각층과 제1 서브 Be-O 층 사이의 결합 에너지(Ea)가 제1 서브 Be-O 층(130a)과 제2 서브 Be-O 층(130b) 사이의 결합 에너지(Eb) 보다 작은 이유는, 상기 BCl3 가스의 흡착으로 인하여 산화 알루미늄인 피식각층 표면에 Be-Cl/BCl-O 형태의 단일층이 형성되고, 제1 서브 Be-O 층(130a)으로부터 Be-Cl/BCl-O 층으로 전자가 이동하게 되어 피식각층과 제1 서브 Be-O 층(130a) 사이의 결합 에너지(Ea)가 약해지기 때문이다.Etching layer and the first sub-Be-O layer is less than the binding energy (E a) a first sub-Be-O layer bond between (130a) and a second sub-Be-O layer (130b) the energy (E b) between This is because a single layer of Be-Cl / BCl-O type is formed on the surface of the polycrystalline layer which is aluminum oxide due to the adsorption of the BCl 3 gas, and Be-Cl / BCl- O layer, and the binding energy (E a ) between the crystallization layer and the first sub-Be-O layer (130a) becomes weak.

한편, 도 1의 원자층 식각 장치(100)를 이용한 원자층 식각 방법에서, 조사되는 중성빔이 갖는 에너지의 크기는 제1 내지 제3 그리드 전압의 크기에 의하여 조절되는데, 본 발명에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서는, 상기 제1 그리드(21a) 전압의 크기는 115V 이상 135V 이하의 범위에 있어야 한다.Meanwhile, in the atomic layer etching method using the atomic layer etching apparatus 100 of FIG. 1, the energy level of the neutral beam to be irradiated is controlled by the magnitude of the first to third grid voltages. In the atomic layer etching method, the voltage of the first grid 21a should be in the range of 115 V or more and 135 V or less.

또한, 제2 그리드 전압의 크기는 -250V 이하이고, 제3 그리드는 접지된다.Also, the magnitude of the second grid voltage is -250V or less, and the third grid is grounded.

본 발명에서는 상기 중성빔은 식각공정에서 발생할 수 있는 전자 충전으로 인하여 발생할 수 있는 문제를 피하기 위하여 아르곤(Ar) 중성빔을 이용하였으며, 탈착 단계인 제3 단계에서는 식각가스가 흡착된 표면 원자층을 균일하게 탈착할 수 있을 만큼의 시간 동안 중성빔을 조사한다.In the present invention, the neutral beam uses an argon (Ar) neutral beam to avoid the problems that may occur due to the electron charging that may occur in the etching process. In the third step of desorption, the surface atomic layer on which the etching gas is adsorbed The neutral beam is irradiated for a time sufficient to desorb uniformly.

한편, 상기 중성빔은 아르곤 중성빔 뿐만 아니라, 네온(Ne) 중성빔을 이용할 수도 있으며, 이온빔을 조사하여 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착하는 것도 가능하다.The neutral beam may be a neon (Ne) neutral beam as well as an argon neutral beam. It is also possible to detach the etching layer on which the etching gas is adsorbed by irradiating an ion beam.

이온빔을 이용하여 피식각층을 탈착하는 것은 다음과 같은 과정을 통하여 이루어진다. 상기 중성빔 공급부(20)는 상기 반응챔버(10) 내부에 발생한 플라즈마로부터 양이온을 상기 제1 내지 제3 그리드를 이용하여 가속시키고, 반사체(22)는 상기 제1 내지 제3 그리드를 통과한 양이온에 전자를 공급하여 중성빔을 공급하게 된다.The ion implantation process is performed through the following process. The neutral beam supplier 20 accelerates positive ions from the plasma generated in the reaction chamber 10 using the first to third grids, and the reflector 22 accelerates positive ions passing through the first to third grids To supply the neutral beam.

이온빔을 공급하는 과정은 상기 중성빔을 공급하는 과정에서 반사체(22)를 이용하여 상기 양이온에 전자를 공급하는 과정을 생략한 과정으로 이해할 수 있다.The process of supplying the ion beam may be understood as a process of omitting the process of supplying electrons to the cation by using the reflector 22 in the process of supplying the neutral beam.

한편, 상기 이온빔은 상기 중성빔의 경우와 마찬가지로 아르곤 이온빔 또는 네온 이온빔을 이용할 수 있다.The ion beam may be an argon ion beam or a neon ion beam, as in the case of the neutral beam.

상기 제3 단계에서, 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 하나의 원자층 단위로 정교하게 탈착할 수 있는지 여부는 상기 중성빔이 갖는 에너지의 크기에 의존적인 것이지, 상기 각 그리드 전압의 크기에 의존하는 것은 아니다.Whether or not the etching layer on which the etching gas is adsorbed can be precisely detached in one atomic layer depends on the energy of the neutral beam. In the third step, depending on the size of each grid voltage It does not.

다만, 도 1에 개시된 식각 장치를 이용하는 경우에는 상술한 바와 같이 제1 그리드 전압의 크기가 115V ~ 135V 의 범위에 있어야 하는 것이다.However, in the case of using the etching apparatus disclosed in FIG. 1, the size of the first grid voltage should be in the range of 115V to 135V as described above.

따라서, 상기 식각 장치(100)가 아닌 다른 장치를 이용하여 원자층 식각을 하는 경우에는 상기 중성빔이 하나의 원자층 단위로 식각할 수 있는 에너지를 갖도록 하는 어떠한 방법도 사용될 수 있다.Therefore, when performing an atomic layer etching using an apparatus other than the etching apparatus 100, any method may be used so that the neutral beam has an energy capable of etching in one atomic layer unit.

도 3e을 참조하면, 상기 제3 단계를 통하여 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시키고, 본 발명의 일 실시예에 따른 제4 단계를 통하여 탈착된 가스를 상기 반응챔버 외부로 배출시키면 상기 피식각층에 대한 원자층 식각이 완료된다.Referring to FIG. 3E, when the etching layer on which the etching gas is adsorbed is desorbed through the third step and the desorbed gas is discharged to the outside of the reaction chamber through the fourth step according to an embodiment of the present invention, The atomic layer etching for each layer is completed.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법을 수행하기 위한 각 단계를 설명하고 있는바, 상기 제1 내지 제4 단계를 정리하면 다음과 같다.FIGS. 3A to 3E illustrate respective steps for performing the method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention. The first to fourth steps are summarized as follows.

먼저, 피식각 기판이 놓여진 반응챔버 내부에 식각가스를 주입하여 상기 식각가스를 노출된 피식각층 표면에 흡착시키는 제1 단계, 상기 노출된 피식각층 표면에 흡착되지 않은 잉여 식각가스(120)를 배출하는 제2 단계, 제1 그리드(21a) 전압이 115 ~ 135V 인 중성빔 공급부(20)에서 발생시킨 중성빔 또는 이온빔(140)을 상기 식각가스가 흡착된 피식각층에 조사하여 이를 탈착시키는 제3 단계, 그리고 탈착된 가스를 배출하는 제4 단계로 구성된다.First, a first step of injecting an etching gas into the reaction chamber in which the etching substrate is placed, thereby adsorbing the etching gas onto the surface of the exposed etching layer, and discharging the excess etching gas 120 not adsorbed on the exposed etching layer surface A third step of irradiating the neutral beam or ion beam 140 generated by the neutral beam supply unit 20 having the first grid 21a voltage of 115 to 135 V to the etching gas layer to which the etching gas has been adsorbed, And a fourth step of discharging the desorbed gas.

상기 제1 내지 제4 단계는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법의 한 사이클(cycle)을 구성하며, 한 사이클을 수행할 때마다 식각 대상 기판의 노출된 피식각층이 하나의 원자층 단위로 식각되게 된다.The first to fourth steps constitute one cycle of the beryllium atomic layer etching method according to an embodiment of the present invention, and each time one cycle is performed, And is etched in atomic layer units.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서, 제1 그리드 전압에 따른 식각율을 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the etching rate according to the first grid voltage in the method for etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention. FIG.

상기 제3 단계에 대한 설명에서 기술한 바와 같이, 산화 베릴륨 단일 피식각층에 대한 정교한 식각을 위해서는 조사되는 중성빔의 에너지의 크기가 가장 중요하고, 중성빔의 에너지의 크기는 상기 중성빔 공급부의 제1 내지 제3 그리드 전압의 크기에 의하여 결정된다.As described in the description of the third step, in order to finely etch the beryllium oxide single crystal layer, the energy of the neutral beam to be irradiated is the most important, and the energy of the neutral beam is the same as that of the neutral beam supplier 1 to the third grid voltage.

도 4를 참조하면, 상기 제1 그리드 전압의 크기에 따른 식각율을 알 수 있는데, 도 4는 BCl3 식각가스를 흡착시키는 경우와 흡착시키지 않는 경우에, 상기 제1 그리드 전압의 크기를 50V 에서 150V 까지 증가시키면서 측정한 식각율을 나타낸다. 단, 공급되는 BCl3 식각가스의 농도는 100 sccm 으로 유지하였다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the etching rate depends on the magnitude of the first grid voltage. In FIG. 4, when the BCl 3 etch gas is adsorbed or not adsorbed, Lt; RTI ID = 0.0 > 150V. ≪ / RTI > However, the concentration of BCl 3 etching gas supplied was maintained at 100 sccm.

먼저, BCl3 식각가스를 흡착시키지 않은 경우의 그래프를 살펴보면, 제1 그리드 전압이 135V 이하인 경우에는 중성빔에 의한 스퍼터링이 일어나지 않지만, 135V 보다 높은 전압을 인가하게 되면 상기 제1 그리드 전압의 증가에 따라 선형적으로 스퍼터링 비율이 증가하는 것을 알 수 있다.First, referring to a graph of the case that is not adsorbed BCl 3 etching gas, the first case is a grid voltage less than 135V there does not occur sputtering by the neutral beam, When applying a voltage higher than 135V to the increase in the first grid voltage It can be seen that the sputtering ratio increases linearly.

또한, BCl3 식각가스를 흡착시키는 경우의 그래프를 살펴보면, 제1 그리드 전압이 50V 이상 115V 미만인, 낮은 범위에서 천천히 식각율이 상승하는 제1 구간(Region 1), 제1 그리드 전압이 115 ~ 135V 인, 일정한 식각율을 갖는 제2 구간(Region 2) 및 제1 그리드 전압이 135V 보다 높은, 전압의 증가에 따라 선형적으로 식각율이 증가하는 제3 구간(Region 3)으로 구분할 수 있다.In the case of etching the BCl 3 etching gas, a first region (Region 1) in which the first grid voltage is slowly increased to less than 115 V, a first region (Region 1) in which the etching rate is slowly increased, a first grid voltage is 115 to 135 V (Region 2) having a constant etching rate, and a third region (Region 3) having a first grid voltage higher than 135V and a linearly increasing etching rate with an increase in voltage.

이와 같은 결과를 종합적으로 고려해보면, 상기 제1 그리드 전압이 115V 이상 135V 이하인 구간에서, 중성빔에 의한 스퍼터링 없이 일정한 식각율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.Taken together, it can be seen that a constant etching rate can be obtained without sputtering by a neutral beam in a region where the first grid voltage is 115 V or more and 135 V or less.

상기 제3 구간에서는 BCl3 식각가스에 의한 식각 이외에도 중성빔에 의한 스퍼터링이 발생하며, 제1 그리드 전압의 변화에 따라 식각율이 함께 변화하므로 일정한 식각율을 얻기 어렵다.In the third section, besides the etching by the BCl 3 etching gas, sputtering by the neutral beam occurs, and since the etching rate varies with the change of the first grid voltage, it is difficult to obtain a constant etching rate.

따라서, 단일 원자층 단위로 식각을 하기 위해서는 115V 이상 135V 이하의 전압을 상기 제1 그리드에 인가하는 것이 바람직하며, 후술할 도 5 및 도 6 그래프는 상기 제1 그리드에 인가되는 전압을 125V로 한 것이다.Therefore, it is preferable to apply a voltage of not less than 115 V and not more than 135 V to the first grid in order to perform etching in units of a single atom layer. In the graphs of FIGS. 5 and 6 described later, the voltage applied to the first grid is set to 125 V will be.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서, BCl3의 gas flow rate 에 따른 식각율과 표면 거칠기를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the etching rate and surface roughness according to the gas flow rate of BCl 3 in the method of etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention.

도 5에서 BCl3 식각가스의 gas flow rate을 100 sccm 까지 변화시키면서 식각율과 rms(root means square) 표면 거칠기를 측정하였다.In FIG. 5, etching rate and rms (root means square) surface roughness were measured while changing the gas flow rate of the BCl 3 etching gas to 100 sccm.

먼저 식각율을 살펴보면, BCl3 식각가스의 gas flow rate이 75 sccm 에 도달할때까지 증가하다가 75 sccm 이후로는 약 0.75Å/cycle 의 일정한 식각율을 보이는 것을 알 수 있다.First, the etch rate of BCl 3 The gas flow rate of the etching gas increases until it reaches 75 sccm, and after 75 sccm, the etching rate is about 0.75 Å / cycle.

한편, 표면 거칠기를 나타내는 그래프를 보면, BCl3 식각가스의 gas flow rate이 25 sccm 일때 가장 큰 값을 갖고, 50 sccm 이후로 서서히 감소하여 75 sccm 이후로는 식각되기 전 기판의 거칠기와 비슷한 값을 갖는다.On the other hand, in the graph showing the surface roughness, BCl 3 The gas flow rate of the etching gas has the greatest value at 25 sccm and gradually decreases after 50 sccm, which is similar to the roughness of the substrate before the etching after 75 sccm.

이는 75 sccm 이상의 gas flow rate을 갖는 BCl3 식각가스를 주입할 때에 피식각층 표면에 균일하게 BCl3 식각가스가 흡착되는 것을 의미한다.This means that the uniform etching BCl 3 gas is adsorbed on the surface of etching layer when injecting a BCl 3 etch gas having at least 75 sccm gas flow rate.

따라서, BCl3 식각가스의 gas flow rate은 75 sccm 이상인 것이 일정한 식각율을 얻고 균일한 흡착이 되도록 하는 바람직한 조건임을 알 수 있다.Thus, BCl 3 The gas flow rate of the etching gas is more than 75 sccm, which is a desirable condition for obtaining a uniform etching rate and uniform adsorption.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 베릴륨 원자층 식각 방법과 부분 층 식각(Partial Layer Etching) 및 기준(reference) 기판에서의 베릴륨(Be)과 산소(O) 원자의 비율을 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the ratio of beryllium (Be) and oxygen (O) atoms in the method of etching a beryllium atomic layer according to an embodiment of the present invention, a partial layer etching and a reference substrate .

도 6에서 부분 층 식각(Partial Layer Etching)은 BCl3 식각가스가 피식각층 표면에 균일하게 흡착되지 않아, 피식각층 일부 영역에서는 중성빔에 의한 스퍼터링이 일어나는 경우를 의미한다.In FIG. 6, Partial Layer Etching refers to a case where the BCl 3 etching gas is not uniformly adsorbed on the surface of the etching layer, and sputtering due to the neutral beam occurs in a part of the etching layer.

한편, ALET은 원자층 식각(Atomic Layer Etching)을 의미하며, 도 6의 ALET 공정은 제1 그리드 전압 125V 이며, BCl3 식각가스의 gas flow rate은 100 sccm 이다.ALET refers to atomic layer etching, the ALET process in FIG. 6 is the first grid voltage 125V, and the gas flow rate of the BCl 3 etching gas is 100 sccm.

기준(reference) 기판의 원자 비율을 상기 ALET 에 의한 원자 비율과 비교하면, 거의 동일한 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 원자층 식각(ALET)을 한 이후에도 베릴륨과 산소의 원자 비율이 동일함을 의미하며, 한 사이클(cycle)의 원자층 식각을 통하여 정확히 하나의 산화 베릴륨 원자층만 식각되었음을 나타낸다.It can be seen that the atomic ratio of the reference substrate is substantially the same as that of the ALET atomic ratio. This means that even after atomic layer etching (ALET), the atomic ratios of beryllium and oxygen are the same, indicating that only one layer of beryllium oxide is etched through one cycle of atomic layer etching.

반면에 부분 층 식각(Partial Layer Etching)이 일어난 경우에는, 기준 기판의 원자 비율에 비하여, 베릴륨의 비율이 현저하게 떨어지는바, 산화 베릴륨 원자층에서 베릴륨이 중성빔에 의하여 스퍼터링 되었음을 알 수 있다.On the other hand, when the partial layer etching is performed, the ratio of beryllium is remarkably lower than the atomic ratio of the reference substrate, so that beryllium in the beryllium oxide layer is sputtered by the neutral beam.

종래 3-5족 반도체의 보호막층(IPLs) 재료로 주로 사용되는 HfO2 보다 산화 베릴륨(BeO)의 경우에는 원자의 반지름이 작고 결합 에너지가 강하기 때문에, 스퍼터링이 일어나지 않으면서 Be-O 간의 결합을 끊을 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 공급하여 원자층을 식각하는데에 어려움이 있었다.In the case of beryllium oxide (BeO), since the radius of the atom is small and the binding energy is stronger than HfO 2 , which is mainly used as the protective layer (IPLs) material of the 3-5 group semiconductor, sputtering does not occur and bonding between Be- There was a difficulty in etching the atomic layer by supplying enough energy to break it.

그러나 본 발명에 따른 원자층 식각 방법을 이용함으로써 베릴륨과 산소의 비율 및 화학적 구성을 유지하면서 원자층(atomic layer) 별로 식각할 수 있음을 알 수 있다.However, by using the atomic layer etching method according to the present invention, it can be seen that the atomic layer can be etched while maintaining the ratio and chemical composition of beryllium and oxygen.

따라서, 3-5족 반도체 장치를 구현하는 경우에 보호막층의 가장자리(edge) 부분에 발생할 수 있는 산소 결핍으로 인한 누설경로(leakage path)를 줄일 수 있으며, 결과적으로 소모되는 대기전력이 적은 소자를 구현하는데 적용할 수 있다.Accordingly, in the case of implementing a semiconductor device of a group 3 to 5, the leakage path due to oxygen deficiency that may occur at the edge portion of the passivation layer can be reduced, and as a result, Can be applied to implement.

또한, 규소(Si)에 비하여 GaAs, InGaAs 등의 3-5 족 화합물 반도체의 경우에는 보호막층의 균일한 식각이 어려워 실제 소자의 전자 이동도를 떨어뜨릴 가능성이 있었으나, 본 발명에 따른 원자층 식각 방법은 정확한 원자층 식각으로 소자의 특성을 개선시킬 수 있다.In addition, in the case of a Group III-V compound semiconductor such as GaAs or InGaAs, it is difficult to uniformly etch the passivation layer compared to silicon (Si), which may degrade the electron mobility of an actual device. However, The method can improve the characteristics of the device by accurate atomic layer etching.

상기의 결과를 종합하면, 125V 의 제1 그리드 전압 및 100 sccm 의 BCl3 식각가스 gas flow rate 공정 조건으로 원자층 식각 공정을 수행하는 경우, 식각 이전의 표면과 같이 식각 공정 이후에도 균일한 표면을 얻을 수 있으며, 식각 사이클(cycle)이 반복되어도 각 사이클(cycle) 마다 하나의 원자층만이 식각되어짐을 알 수 있다.
As a result, when the atomic layer etching process is performed under the first grid voltage of 125 V and the BCl 3 etching gas flow rate of 100 sccm, a uniform surface is obtained even after the etching process as before the etching process And even if the etching cycle is repeated, only one atomic layer is etched in each cycle.

10 : 반응챔버 20 : 중성빔 공급부
120 : 식각가스 130a : 제1 서브 Be-O 층
130b : 제2 서브 Be-O 층 140 : 중성빔, 이온빔10: reaction chamber 20: neutral beam supplier
120: etching gas 130a: first sub-Be-O layer
130b: second sub-Be-O layer 140: Neutral beam, ion beam

Claims (5)

피식각층이 노출된 피식각 기판에 대한 산화 베릴륨 원자층 식각 방법에 있어서,
반응챔버 내부에 식각가스를 주입하여 상기 피식각층에 흡착시키는 제1 단계;
상기 식각가스 중 상기 피식각층에 흡착되지 않고 남은 가스를 상기 반응챔버 외부로 배출하는 제2 단계;
상기 식각가스가 흡착된 피식각층과 제1 서브 Be-O 층과의 결합 에너지보다 크고 상기 제1 서브 Be-O 층과 제2 서브 Be-O 층과의 결합 에너지보다 작은 에너지를 식각가스가 흡착된 피식각층 표면에 조사하여 상기 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시키는 제3 단계; 및
탈착된 혼합물을 상기 반응챔버 외부로 배출하는 제4 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 베릴륨 원자층 식각 방법.
A method for etching a beryllium atomic layer on a substrate,
A first step of injecting an etching gas into the reaction chamber and adsorbing the etching gas on the etching layer;
A second step of discharging the remaining gas of the etching gas not adsorbed on the etching layer to the outside of the reaction chamber;
The etch gas is adsorbed by an energy that is greater than the bonding energy between the etching gas and the first sub-Be-O layer and less than the bonding energy between the first sub-Be-O layer and the second sub- A third step of irradiating the surface of the etching layer to desorb the etching layer on which the etching gas is adsorbed; And
A fourth step of discharging the desorbed mixture to the outside of the reaction chamber;
≪ / RTI > wherein the barrier layer comprises at least one barrier layer.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계에서 주입되는 식각가스는 BCl3 가스 또는 CCl4 가스인 것을 특징으로 하는 산화 베릴륨 원자층 식각 방법.
The method according to claim 1,
The etch gas injected in the first step is BCl 3 Beryllium oxide atomic layer etching method, characterized in that the gas or CCl 4 gas.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서는 중성빔 또는 이온빔을 조사하여 식각가스가 흡착된 피식각층을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 산화 베릴륨 원자층 식각 방법.
The method according to claim 1,
Wherein in the third step, a neutral beam or an ion beam is irradiated to desorb the etching layer on which the etching gas is adsorbed.
제3항에 있어서,
상기 중성빔은 아르곤 중성빔 또는 네온 중성빔, 상기 이온빔은 아르곤 이온빔 또는 네온 이온빔인 것을 특징으로 하는 산화 베릴륨 원자층 식각 방법.
The method of claim 3,
Wherein the neutral beam is an argon neutral beam or a neon neutral beam, and the ion beam is an argon ion beam or a neon ion beam.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 단계 내지 제4 단계를 한 주기로 하여 2회 이상 반복하여 수행하며 각 주기마다 하나의 산화 베릴륨 원자층이 식각되는 것을 특징으로 하는 산화 베릴륨 원자층 식각 방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first to fourth steps are repeated twice or more, and one beryllium oxide layer is etched in each period.
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