KR20090027843A - 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 염소를 함유하는 가스 또는 불소를 함유하는 가스 중 어느 1종의 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마화하여 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 식각하는 단계를 포함하는 IZO의 건식 식각 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 일반적인 포토레지스트를 사용하여 적절한 식각 속도와 재증착이 없는 깔끔한 이방성 식각 프로파일을 나타내는 우수한 식각 특성을 갖는 인듐옥사이드-징크옥사이드(IZO)를 제공함으로써, 여러 가지 광전자소자(optoelectronic device), 박막 트랜지스터 액정 표시 소자(thin film transistor liquid crystal display; TFTLCD), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; OLED), 가스감지센서(gas-sensing diode), 및 태양전지(photovoltaic cell) 등의 여러 가지 소자들에 이용이 가능한 투명 전도성 산화물로서 유용하게 사용될 수 있다.
인듐옥사이드-징크옥사이드, 건식 식각, 플라즈마 식각법, Cl2/Ar, C2F6/Ar

Description

인듐-징크옥사이드의 건식 식각 방법{Dry Etching Method for In2O3-ZnO}
본 발명은 인듐옥사이드-징크옥사이드(In2O3 - ZnO; 이하 "IZO"라 함)의 건식 식각 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 제조공정이 간단할 뿐만 아니라 재증착이 없는 높은 이방성(anisotropy) 식각 프로파일을 나타냄으로써 우수한 식각 특성을 갖는 IZO의 건식 식각 방법에 대한 것이다.
투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide)은 산업적으로 중요성이 매우 높은 전기전자광학 재료이다. 평판 디스플레이, 태양전지, 고체 발광 소자의 전극, 버퍼 또는 발광층 재료로 활용이 되고 있으며, 이외에도 기능성 코팅, 화학 센서뿐 아니라 비정질 실리콘을 대체할 차세대 박막 트랜지스터 재료로도 개발되고 있다. 기존에 사용되고 있는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide; TCO)로는 징크옥사이드(ZnO), 틴옥사이드(SnO), 인듐옥사이드-틴옥사이드(In2O3 - SnO; ITO), 불소첨가 틴옥사이드(fluorinated SnO; FTO) 등이 있다.
이러한 기존 물질들은 증착 후에 높은 저항도를 나타내어 그대로 사용할 수 없으며 반드시 고온 열처리 공정을 거쳐야 비로소 낮은 저항도를 나타내게 되어 전극물질로서 사용할 수 있게 된다. 따라서 이러한 기존 물질들은 열에 강한 실리콘, 유리, 파이렉스 등의 기판에만 적용될 수 있어, 유연한 기판에는 적용이 불가능 하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근에 여러 가지 투명전도성 물질들이 연구되고 있으며, 이 가운데서 약 2.9 eV의 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 갖는 IZO는 매우 낮은 저항도와 높은 투과도를 보이는 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 특히, IZO는 증착 전후에 고온공정이 전혀 필요 없이 상온에서 증착이 가능하고, 낮은 전기적 저항과 높은 투과도를 나타내기 때문에 유연한 기판, 즉 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테레프탈레이트 등을 이용하는 소자에의 응용이 가능하다. 이러한 많은 장점을 갖는 IZO물질은 기존의 투명 전도성 물질을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
식각 공정은 크게 건식 식각과 습식 식각이 있는데, 이중 습식 식각은 부식액, 예를 들면 HCl이나, HF 등의 용액을 그대로 웨이퍼의 표면에 도포하여 표면을 산화시켜 식각하는 공정을 말한다. 이에 대하여 건식 식각은 식각 가스를 플라즈마 상태로 만들어 상하에 전극을 이용하여 플라즈마 상태의 식각 가스를 웨이퍼에 충돌시킴으로써 식각하는 공정을 말한다. 이러한 건식 식각 공정으로는 이온 빔 식각(ion beam etching), 반응성 이온 식각(reactive ion etching ; RIE), 전자 싸이클로트론 공명(electron cyclotron resonance ; ECR), 및 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 식각(inductively coupled plasma reactive ion etching ; ICPRE) 등의 고 밀도 플라즈마를 사용하는 식각 공정이 있는데, 이 중에서도 유도 결합 플라즈마를 이용한 반응성 이온 식각 공정을 통하여 가장 많은 연구가 이루어진다. IZO 박막의 식각 공정은 IZO 제조에 있어서 증착 이상으로 중요한 핵심 공정이며 반드시 선행되고 개발되어야 하는 공정임에도 불구하고, 이에 관한 식각 공정은 현재까지 발표된 바가 없다. 다만, IZO와 유사한 투명전극의 일종인 ZnO와 ITO 박막들을 유도 결합 플라즈마 식각 공정으로 식각한 연구 결과들이 보고되어 있다. 공정에 사용된 식각 가스들은 CH4와 Cl2 등이 있다. 보고된 ZnO 식각 연구에는 Cl2 식각 가스가 사용되었으며, 2800 Å/min 정도의 높은 식각 속도를 얻을 수 있었으나, 좋은 식각 프로파일에 관한 연구 결과는 보고되지 않았다. ITO 박막의 식각 공정에서 CH4 식각 가스를 이용하여 1300 Å/min 정도의 빠른 식각 속도를 얻을 수 있었으나 현재까지 좋은 식각 프로파일에 관한 연구 결과는 보고되지 않았다. Cl2 식각 가스를 이용한 경우에는 식각 속도가 빠르지 않으나 포토리지스트(photoresist; PR) 마스크(mask)를 사용하여 충분히 식각이 가능하였고 ITO 박막의 전기적 특성에 나쁜 영향을 미치지 않는다는 보고가 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 IZO 박막의 빠른 식각 속도와 우수한 식각 프로파일을 얻을 수 있고 IZO 박막의 광학적, 전기적 특성에 대한 식각 손상을 최소로 하며, 식각 공정에 의한 비용과 시간을 단축할 수 있는 효율적이고 경제성 있는 식각 공정을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 빠른 식각 속도 및 재증착이 없는 높은 이방성(anisotropy) 식각 프로파일을 나타내는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 염소를 함유하는 가스 또는 불소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마화하여 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 식각하는 단계를 포함하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 식각 방법에 의해 제조되는 인듐옥사이드-징크옥사이드를 제공한다.
본 발명에 의하면 일반적인 포토레지스트를 사용하여 적절한 식각 속도와 재증착이 없는 깔끔한 이방성 식각 프로파일을 나타내는 우수한 식각 특성을 갖는 인듐옥사이드-징크옥사이드(IZO)를 제공함으로써, 여러 가지 광전자소자(optoelectronic device), 박막 트랜지스터 액정 표시 소자(thin film transistor liquid crystal display; TFTLCD), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; OLED), 가스감지센서(gas-sensing diode), 및 태양전지(photovoltaic cell) 등의 여러 가지 소자들에 이용이 가능한 투명 전도성 산화물로서 많은 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 염소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마화하여 상기 플라즈마 중의 이온 및 라디칼에 의해 식각하는 단계를 포함하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 식각 방법에 있어서, 식각시키고자 하는 IZO 물질과 화학적 반응을 일으켜 식각을 수행하기 위해 상기 식각 가스를 플라즈마 상태로 활성화시키는 방법을 특히 제한하는 것은 아니나, 바람직하게는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법(inductively coupled plasma reactive ion etch system; ICPRIE), 자기 증강 반응성 이온 식각법(magnetically enhanced reactive ion etching; MERIE), 반응성 이온 식각법 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법을 포함하는 고밀도 플라즈마 식각 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 식각 방법은 식각 가스를 이용하여 식각 물질과 물리적 반응, 화학적 반응 또는 물리화학적 반응에 의하여 식각 대상, 즉 IZO 박막에 식각이 일어나도록 하게 한다. 본 발명에 따른 식각 방법에 있어서, 상기 식각 가스로는 염소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 상기 염소를 함유하는 가스의 종류로는 Cl2 또는 BCl3를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한 되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 식각 방법에 있어서 상기 불활성 가스로는 He, Ne, Ar, N2 등의 가스를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ne, Ar을 사용할 수 있다.
상기 식각 가스로 염소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 사용하는 경우, 상기 염소를 함유하는 가스의 함유량은 10 내지 40 부피%이고, 잔부는 불활성 가스인 것이 바람직하다. 만약, 상기 염소를 함유하는 가스의 함유량이 10 부피% 미만이면 식각된 IZO 박막의 식각 측면에 재증착이 발생할 수 있고, 40 부피%를 초과하면 식각된 패턴의 측면경사가 완만해지는 등 식각 프로파일이 저하되는 문제가 있다.
또한 본 발명은 우수한 식각 프로파일을 얻는다는 측면에서 상기 염소를 함유하는 식각 가스의 함량의 조절 외에 고밀도 플라즈마 식각 방법, 코일고주파 전력(coil rf power), dc-바이어스 전압(dc-bias voltage), 가스 압력(gas pressure)등의 조건을 최적화할 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 코일 고주파 전력은 500 내지 850 W인 것이 바람직하다. 만약 상 기 코일 고주파 전력이 500 W 보다 작으면 식각 면의 경사도가 완만하여 수직적인 식각이 일어나지 않는 문제가 있고, 850 W 보다 크면 재증착이 일어날 확률이 높은 문제가 있다.
다음으로 상기 dc-바이어스 전압은 100 내지 250 V인 것이 바람직하다. 만약 상기 dc-바이어스 전압이 100 V 보다 작으면 식각 속도가 낮은 문제가 있고 250 V 보다 크면 재증착 물질이 관찰될 확률이 높은 문제가 있다.
나아가, 상기 식각 가스 압력은 1 내지 10 mTorr로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 압력범위에서 식각 속도와 식각 프로파일 모두 큰 변화가 없었으며 우수한 식각 프로파일을 제공한다.
또한, 본 발명에 사용되는 상기 식각 가스로는 불소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 이 경우 상기 불소를 함유하는 가스로는 CF4, C2F6, C3F8, NF3 등을 사용할 수 있으며, 상기 불활성 가스로는 염소를 함유하는 가스에서 혼합 사용되는 불활성 가스를 그대로 사용할 수 있다.
본 발명의 식각 방법에 있어서, 상기 불소를 함유하는 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 사용하는 경우, 상기 불소를 함유하는 가스의 함유량은 20 내지 60 부피% 이고, 잔부는 불활성 가스인 것이 바람직하다. 만약, 상기 불소를 함유하는 가스의 함유량이 20 부피% 미만이면 식각된 IZO 박막의 식각 측면에 재증착이 발생할 수 있는 문제가 있고, 60 부피%를 초과하면 식각 프로파일이 저하되는 문제가 있다.
또한 본 발명은 우수한 식각 프로파일을 얻는다는 측면에서 상기 불소를 함유하는 식각 가스의 함량의 조절 외에 고밀도 플라즈마 식각 방법, 코일 고주파 전력(coil rf power), dc-바이어스 전압(dc-bias voltage), 가스 압력(gas pressure)등의 조건을 최적화할 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 코일 고주파 전력은 500 내지 1000 W인 것이 바람직하다. 만약 상기 코일 고주파 전력이 500 W 보다 작으면 식각 면의 경사도가 낮아 500 W 이상인 경우보다 식각 프로파일이 열등한 문제가 있으며, 1000 W 보다 크면 재증착이 발생할 확률이 높은 문제가 있다.
다음으로 상기 dc-바이어스 전압은 200 내지 300 V인 것이 바람직하다. 만약 상기 dc-바이어스 전압이 200 V 보다 작으면 식각 면의 경사도가 감소되는 문제가 있으며, 상기 dc-바이어스 전압이 300 V 보다 크면 장치의 특성에 열화가 발생하는 문제가 있다.
나아가, 상기 식각 가스 압력은 1 내지 5 mTorr로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 식각 가스 압력이 5 mTorr를 초과하면 식각 속도가 매우 낮은 문제가 발생하고 식각 프로파일도 열화되는 결과를 초래한다.
또한 본 발명은 상술한 식각 방법에 따라 제조되는 인듐옥사이드-징크옥사이드를 제공한다. 이러한 본 발명에 따른 식각 방법은 인듐옥사이드-틴옥사이드, 인듐옥사이드, 징크옥사이드 박막에도 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한 다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
< 실시예 1> Cl 2 / Ar 식각 가스를 이용한 인듐옥사이드 - 징크옥사이드의 제조
Cl2/Ar의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고 고밀도 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 시스템을 사용하여 식각된 인듐옥사이드-징크옥사이드를 제조하였다.
인듐옥사이드-징크옥사이드의 제조를 위해 사용된 IZO 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Si 기판 위에 두께 2500 Å으로 증착되었다. 증착된 IZO 박막은 포토레지스트(photoresist: AZ1512)에 의하여 1.1 ㎛의 두께로 도포되었고, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 적용하여 패터닝(patterning) 되었다. 식각 장치로는 고밀도 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 시스템(inductively coupled plasma reactive ion etch system; ICPRIE)(A-Tech ICPRIE, A-Tech System, 한국)을 사용하였다.
본 발명의 식각 가스로 Cl2/Ar을 사용하는 경우, 식각 가스의 농도(부피%), 코일 고주파 전력(W), dc-바이어스 전압(V), 식각 가스의 압력(mTorr)을 각각 20 부피% Cl2/80 부피% Ar, 700 W, 200 V, 5 mTorr를 표준 식각 조건으로 고정하여 각각의 공정 변수들을 변화시켜 IZO 박막의 식각 속도 및 식각 프로파일을 조사하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 IZO 박막의 식각 공정의 절차를 나타낸 그림이다. 각각의 그림은 (a) Si 웨이퍼 위에 증착된 IZO 박막, (b) Lithography 공정에 의해 패터닝된 IZO 박막, (c) 식각 공정 후 IZO 박막, 그리고 (d) PR 제거 후 IZO 박막을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화 그래프이다. 도 2를 참조하면, 부식성 가스인 Cl2 가스의 농도가 증가함에 따라서 IZO 박막의 식각 속도는 60 부피% Cl2 농도까지는 증가하였다가 이후의 농도에서는 점차적으로 감소하는 경향을 보였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope; FESEM) 사진이다. 도 3을 참조하면, 순수한 Ar 가스를 이용하여 식각된 IZO 박막은 식각된 박막의 측면에 다량의 재증착 물질(redeposited meterials)이 형성된 것이 관찰되었다. 그러나 10 부피% Cl2로 부터 40 부피% Cl2 농도의 식각 가스가 사용된 경우에 식각된 측면의 경사가 80도 이상이었다. 즉, 수직적인 우수한 이방성(anisotropy) 식각 프로파일을 보였다.
한편, Cl2 가스의 농도가 증가함에 따라서 식각된 IZO 박막의 측면 식각 경사도가 점점 더 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 측면 식각 특성을 가진 고농도의 Cl2 가스 내에서 증가된 Cl 라디칼에 의하여 포토레지스트와 IZO 박막 측면의 수평 방향으로의 식각 속도를 증가시킴으로써 상대적으로 수평방향의 식각 속도가 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
고밀도 플라즈마 식각법 중의 하나인 유도결합 반응성 이온 식각법(ICPRIE)에서 식각의 주요 공정 변수들은 식각 가스, 코일 고주파 전력, 기판에 인가되는 dc-바이어스 전압, 그리고 가스 압력 등이다.
도 2와 도 3에서 얻은 식각 결과로부터 식각 가스의 농도를 20 부피% Cl2/ 80 부피% Ar으로 고정하여 700 W 코일 고주파 전력, 200 V dc-바이어스 전압, 5 mTorr 가스 압력을 표준 식각 조건으로 고정하여 각각의 공정 변수들을 변화시켜 IZO 박막의 식각 속도 및 식각 프로파일을 조사하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파전력의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 코일 고주파 전력이 500 W에서 900 W로 변화함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 대략 670 Å/min에서 1100 Å/min으로 증가하였다. 이는 코일 전력이 증가함에 따라서 플라즈마 밀도가 증가하여 식각 속도가 증가한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 5를 참조하면, 코일 고주파 전력의 증가에 따른 IZO 박막의 식각 경사는 수직적으로 개선되는 결과를 보이는 것이 관찰되었으며, 900 W의 고주파 전력에서 식각된 박막의 측면에 다량의 재증착 물질이 형성된 것이 관찰되었다. 이는 높은 고주파 전력에 의 하여 플라즈마 밀도가 증가하고 그 결과로서 증가한 Ar 양이온에 의한 수직적 스퍼터링 식각효과가 강화됨에 따라서 시료 표면위로 스퍼터되어 증가된 IZO의 물질이 Cl 라디칼과 충분히 반응하지 못하여 식각 측면에 남은 결과라고 판단된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, dc-바이어스 전압이100 V에서 300 V로 증가함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 대략 590 Å/min에서 1060 Å/min으로 증가하였다. 이는 기판에 인가되는 dc-바이어스의 증가에 따라서 플라즈마 내의 양이온들이 더 큰 에너지를 가지고 IZO 박막을 끌려오기 때문이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 따른 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 7을 참조하면, 기판에 인가되는 dc-바이어스 전압을 100 V, 200 V, 및 300 V로 변화시켜 식각한 후에 IZO 박막의 식각 프로파일을 관찰하였다. dc-바이어스 전압이 증가할 수록 식각 프로파일이 개선되는 것을 관찰하였으며, 300 V의 dc-바이어스 전압에서 식각된 박막의 측면에 재증착 물질이 관찰되었다. 이는 상대적으로 양이온의 수직적인 스퍼터링 식각 효과가 Cl 라디칼에 의한 화학반응보다 크기 때문에 나타나는 결과라고 판단된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 반응기 내의 가스 압력이 1 mTorr 에서 10 mTorr로 증가함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 거의 일정하에 유지되었다. 이는 높은 압력에서 더 많은 라디칼이 발생하여 IZO 박막의 식각 속도는 거의 일정하게 유지되었다. 이는 높은 압력에서 더 많은 라디칼이 발생하여 IZO 박막의 식각 속도를 증가시킬 수 있으나 다른 한편으로 높은 압력에서 이온들의 평균자유행로(mean free path)가 감소하여 그 결과로서 이온에 의한 스퍼터링이 감소하여 최종적인 식각 속도에는 변화가 없는 것으로 해석된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력 변화에 따른 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 9를 참조하면, 반응기 내의 가스 압력을, 1 mTorr, 5 mTorr, 및 10 mTorr로 변화시켜 가면서 IZO박막을 식각하여 식각 프로파일을 관찰하였다. 세 조건에서 IZO박막의 식각 경사는 큰 차이 없이 비슷한 결과를 보였다. 다만, 반응기 내의 가스 압력을 각각 1, 5, 10 mTorr로 하여 IZO를 제조한 경우, 식각된 IZO의 식각 면을 관찰 하였을 때, 식각 면의 경사가 대략 80도 이상 되어 수직에 가까운 이상적인 이방성 식각 프로파일을 보였고, 재증착이 없는 깨끗한 식각 프로파일을 관찰할 수 있었다.
< 실시예 2> C 2 F 6 / Ar 식각 가스를 이용한 인듐옥사이드 - 징크옥사이드의 제조
C2F6/Ar의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고 고밀도 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 시스템을 사용하여 식각된 인듐옥사이드-징크옥사이드를 제조하였다.
인듐옥사이드-징크옥사이드의 제조를 위해 사용된 IZO 박막, 증착 공정, 식각 장치는 상기 실시예 1에서와 같다.
본 발명의 식각 가스로 C2F6/Ar을 사용하는 경우, 식각 가스의 농도(부피%), 코일 고주파 전력(W), dc-바이어스 전압(V), 식각 가스의 압력(mTorr)을 각각 20 부피% C2F6/80 부피% Ar, 700 W, 200 V, 5 mTorr를 표준 식각 조건으로 고정하여 각각의 공정 변수들을 변화시켜 IZO 박막의 식각 속도 및 식각 프로파일을 조사하였다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 C2F6/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화 그래프이다. 도 10을 참조하면, 불소 계열의 대표적인 식각 가스인 C2F6 가스를 이용하고 700 W의 코일 고주파 전력, 200 V의 dc-바이어스 전압, 5 mTorr의 공정압력에서 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 장비를 사용하여 IZO 박막을 식각하여 얻은 결과이다. C2F6 가스의 20 부피% 농도가 첨가된 후에 IZO 박막의 식각 속도는 급속하게 감소하였으며, 이후의 농도에서는 C2F6 농도가 증가할수록 점차적으로 감소하는 경향을 보였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 C2F6/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 11을 참조하면, 순수한 Ar 가스를 이용하여 식각된 IZO 박막은 식각된 박막의 측면에 다량의 재증착 물질이 형성된 것이 관찰되었다. 그러나 20 부피% C2F6로 부터 100 부피% C2F6 가스를 사용한 IZO 박막의 식각 결과는 식각된 측면에 재증착이 없는 식각 프로파일이 관찰되었다. 특히 20 부피% C2F6 농도의 식각 가스가 사용된 경우에 식각된 측면의 경사가 대략 75도 정도 되었다. 즉, 비교적 수직적인 우수한 이방성 식각 프로파일을 보였다.
한편, C2F6 가스의 농도가 증가함에 따라서 식각된 IZO 박막의 측면 식각 경사도가 점점 더 낮아져, 60 부피%를 초과하는 범위에서는 식각 면의 경사도가 거의 수평에 가까운 것을 관찰할 수 있다. 이는 측면 식각 특성을 가진 고농도의 C2F6 가스 내에서 증가된 F 라디칼에 의하여 포토레지스트와 IZO 박막 측면의 수평 방향으로의 식각 속도를 증가시킴으로써 상대적으로 수평방향의 식각 속도가 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
도 10과 도 11에서 얻은 식각 결과로부터 식각 가스의 농도를 20 부피% C2F6/80 부피% Ar으로 고정하여 700 W 코일 고주파 전력, 200 V dc-바이어스 전압, 5 mTorr 가스 압력을 표준 식각 조건으로 고정하여 각각의 공정 변수들을 변화시켜 IZO 박막의 식각 속도 및 식각 프로파일을 조사하였다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파전력의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12를 참조하면, 코일 고주파 전력이 500 W에서 900 W로 변화함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 대략 140 Å/min에서 350 Å/min으로 증가하였다. 이는 코일 전력이 증가함에 따라서 플라즈마 밀도가 증가하여 식각 속도가 증가한 결과이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 13을 참조하면, 코일 고주파 전력의 증가에 따른 IZO 박막의 식각 경사는 수직적으로 개선되는 결과를 보이는 것이 관찰되었다. 이는 플라즈마 밀도의 증가에 따른 F 라디칼의 증가보다 Ar 양이온의 증가에 의한 수직적 식각 효과가 강화되었기 때문이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 14를 참조하면, dc-바이어스 전압이 100 V에서 300 V로 증가함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 대략 75 Å/min에서 410 Å/min으로 증가하였다. 이는 기판에 인가되는 dc-바이어스의 증가에 따라서 플라즈마 내의 양이온들이 더 큰 에너지를 가지고 IZO 박막으로 끌려오기 때문이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 따른 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 15를 참조하면, 기판에 인가되는 dc-바이어스 전압을 100 V, 200 V, 및 300 V로 변화시켜 식각한 후에 IZO 박막의 식각 프로파일을 관찰하였다. dc-바이어스 전압이 증가할 수록 식각 프로파일이 개선되는 것이 관찰되었다. 이는 상대적으로 양이온의 수직적인 스퍼터링 식각 효과가 증가하기 때문에 나타나는 결과라고 판단된다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력의 변화에 대한 IZO 박막의 식각 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 16을 참조하면, 반응기 내의 가스 압력이 1 mTorr 에서 10 mTorr로 증가함에 따라 IZO 박막의 식각 속도는 대략 310Å/min에서 55Å/min로 감소하였다. 이는 낮은 압력에서 형성된 플라즈마의 평균자유행로가 높은 압력에서 보다 길기 때문에, 즉, 낮은 압력 조건에서는 양이온들이 내부물질들과 충돌이 적게 되어 더 많은 양이온이 시료의 표면에 도달하여 식각을 진행시키기 때문이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력 변화에 따른 IZO 박막의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다. 도 17을 참조하면, 반응기 내의 가스 압력을, 1 mTorr, 5 mTorr, 및 10 mTorr로 변화시켜 가면서 IZO 박막을 식각하여 식각 프로파일을 관찰하였다. 세 조건에서 IZO박막의 식각 경사는 가스 압력이 낮을수록 식각 프로파일이 개선되는 결과가 보였고, 특히, 10mTorr하에서는 식각 속도가 현저히 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 낮은 압력일수록 형성된 플라즈마 입자들의 평균자유행로가 더욱 길기 때문에 양이온이 수직적인 식각 효과가 증가하여 얻어진 결과이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 IZO 물질의 식각 공정 절차를 나타낸 도면이고;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Cl2/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope; FESEM) 사진이고;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이고;
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이고;
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스압력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이고;
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 C2F6/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 C2F6/Ar 식각 가스의 농도 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope; FESEM) 사진이고;
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코일 고주파 전력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이고;
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 15는 본 발명의 일 실예에 따른 dc-바이어스 전압 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이고;
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 압력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 속도 변화 그래프이고;
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 가스압력 변화에 대한 IZO 물질의 식각 프로파일 변화를 나타낸 전계방사 주사전자현미경 사진이다.

Claims (10)

  1. 염소를 함유하는 가스 또는 불소를 함유하는 가스 중 어느 1종의 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 식각 가스를 플라즈마화하여 플라즈마 중의 이온 및 라디칼중 적어도 어느 하나에 의해 식각하는 단계를 포함하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 염소를 함유하는 가스는 Cl₂ 또는 BCl₃인 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 염소를 함유하는 가스의 함량을 10 부피% 내지 40 부피%인 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 불소를 함유하는 가스는 CF4, C2F6 , C3F8 및 NF3로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 불소를 함유하는 가스의 농도는 20 부피% 내지 60 부피%인 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 He, Ne, Ar 및 N2 가스로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 혼합 가스의 플라즈마화는 반응성 이온 식각법, 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각법 또는 자기 증강 반응성 이온 식각법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 혼합 가스로서 염소를 함유하는 가스와 불활성 가스를 사용하는 경우, 상기 식각 공정은 500Ｗ 내지 850Ｗ의 코일 고주파 전력, 100Ｖ내지 250Ｖ 이하의 dc-바이어스 전압 및 1 mTorr 내지 10 mTorr 범위의 가스 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  9. 제1항에 있어서, 혼합 가스로서 불소를 함유하는 가스와 불활성 가스를 사용하는 경우, 상기 식각 공정은 500Ｗ 내지 1000Ｗ의 코일 고주파 전력, 200Ｖ내지 300Ｖ 이하의 dc-바이어스 전압 및 1 mTorr 내지 5 mTorr 범위의 가스 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 인듐옥사이드-징크옥사이드의 건식 식각 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 인듐옥사이드-징크옥사이드.
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