KR20100131703A - 저진공 축전 결합형 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 식각 공정에 관한 것으로서, 더 상세히는, 저진공 축전 결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용하여 갈륨을 포함하는 기재를 건식 플라즈마 식각하는 공정에 관한 것이다. 본 발명은, 축전결합형 플라즈마를 이용하여 갈륨 원소를 포함한 기재를 건식 식각하는 공정에 있어서, 진공챔버 내의 압력은 50 ~ 300 mTorr; 척에 인가되는 전력은 10 ~ 500 W; 식각가스는 순수한 BCl3, 또는 BCl3와 N2 의 혼합가스를 사용한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 공정은 저진공 축전결합형 플라즈마를 사용하여, 식각공정에 소요되는 비용이 저렴하면서도, 상대적으로 높은 식각율을 나타내는 효과가 있다.
축전결합, 플라즈마, 건식 식각, 에칭, 갈륨, 염소, 질소, 저진공
Description
본 발명은 플라즈마 식각 공정에 관한 것으로서, 더 상세히는, 저진공 축전 결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용하여 갈륨을 포함하는 기재를 건식 플라즈마 식각하는 공정에 관한 것이다.
플라즈마(plazma)란 이온화된 가스를 의미하고, 원자 또는 분자로 이루어진 가스에 전기 에너지를 이용하여 방전시키면 전자, 이온, 분해된 가스, 및 광자(photon) 등으로 이루어진 플라즈마가 형성된다.
이러한 플라즈마를 이용하여 식각하는 것이 건식 식각법의 대표적인 방법이다. 즉, 건식 식각법은 소정의 원료가스(또는 식각가스)를 플라즈마화하고, 이를 박막 등의 기재(substrate)와 물리·화학적으로 반응시켜서 식각하는 방법이다.
플라즈마를 이용한 건식 식각 방법은 습식 식각의 경우와 달리 이방성 식각(anisotropic)이 용이한 점에서 특징이 있다. 현재 반도체 공정이나 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에서 사용하는 공정에는 소자의 크기가 감소함에 따라 이방성 식각에 대한 요구가 증대하고 있는 실정이며, 이에 따라 정밀하고 높은 식각율을 나타내는 건식식각 방법에 대한 요구가 증대하고 있다.
이와 같이 이방성 식각형상을 얻을 수 있는 플라즈마를 이용한 건식식각은 반도체의 패터닝(patterning)을 위한 필수적인 요소로서 다음과 같은 부가적인 장점을 지니기도 한다, 즉, 마스크 패턴(lithography pattern)을 정확히 이전(transfer)할 수 있는 수직식각이 가능한 것 이외에도 적은 양의 가스만을 이용하므로 식각가스의 비용이 적게 들며 환경오염의 가능성도 습식식각에 비해 낮다. 또한 습식식각 방법에 비하여 공정작업 환경이 청결하며, 공정 자동화를 하기에도 손쉽다. 그리고 식각이 끝나는 시점을 플라즈마 특성변화를 통해 쉽게 파악할 수 있다는 장점도 있다.
반면 플라즈마를 이용한 건식 식각은 습식식각 공정 같은 순수 화학적 반응에 의한 식각이 아니므로, 식각 반응으로 형성된 생성물의 증기압이 낮은 경우에는 식각이 잘 진행되지 않으며, 결과적으로 물질간의 식각선택도도 낮은 경향을 지닐 수 있다.
특히, 플라즈마를 이용한 건식 식각의 어려운 점은, 챔버 내에서 플라즈마와 반응하는 기체 및 기재의 여러 반응이 복잡하여 식각이 어떠한 방식으로 일어나는지 정확히 이해하기 어렵다는 것이다.
플라즈마 건식식각 공정에 미치는 요인들로는 압력, 식각가스의 종류 및 그 유량, 플라즈마 발생전극에 인가되는 전력의 강도 등을 들 수 있다.
우선, 압력이 플라즈마 건식식각 공정에 미치는 효과는 아래와 같다.
공정압력은 플라즈마와 기재 그리고 전원을 가하는 전극에서의 쉬쓰(sheath) 전압 및 이온충돌하는 이온 에너지에 영향을 미칠 수 있으며, 전자의 에너지, 기판에 입사되는 이온과 라디칼의 상대 입사량, 표면 흡착에 의한 기재 표면에의 커버(coverage)정도, 플라즈마 내 주요 라디칼이나 반응성 이온의 종류, 플라즈마 식각이 일어나는 일련의 반응에 대한 상대속도 등에 영향을 미쳐서 다양하게 플라즈마 건식 식각 결과에 영향을 미칠 수 있다.
만일, 압력을 감소시키면 같은 전원에서 고주파 전압과 쉬쓰 전압을 증가시켜 기판으로의 이온충돌 에너지가 증가하게 된다. 또한, 압력을 감소시킴에 따라서 충돌에 대한 평균자유행로(mean free path)를 증가시키므로 쉬쓰(sheath)를 통하여 입사하는 이온이 중성원자와 충돌하여 낮은 에너지 분포로 입사하는 전하교환(charge exchange)현상이 줄어들어 같은 쉬쓰 전압을 가진 상태라고 하더라도 많 은 이온이 쉬쓰 전압에 유사한 높은 에너지로 기재에 입사하는 것이 가능하며, 기재에서 튀어나온 식각 부산물이 재증착되는 확률도 감소하게 되므로 이온보조 식각증진기구(ion enhanced etching)에 의해 식각속도가 증가할 수 있다.
대부분의 경우 높은 압력하에서는 화학적 식각 현상이 나타나고, 낮은 압력으로 감에 따라 물리적 식각의 현상이 나타난다.
또한, 압력의 증가는 라디칼과 같은 중성원자가 기재표면에 흡착되는 정도를 증가시킨다. 표면흡착에 대한 이론식은 랭뮤어 등온식(Langmuir Isotherm)을 사용할 수 있다.
다음으로, 식각가스의 종류 및 유량이 공정에 미치는 영향은 아래와 같다.
플라즈마 건식 식각공정은 기재와 플라즈마 사이에 화학적 식각도 일어나므로, 당연히 기재의 재료 종류에 따라서 식각가스를 이에 맞추어 선택해야 한다. 즉, 기재와 반응성이 떨어지는 식각가스의 경우 주로 물리적 식각만이 일어나게 되고, 이 경우 식각속도가 저하될 수도 있다(다만, 이러한 문제는 이방성 식각이 요구되는 것인지, 아니면 등방성 식각이 요구되는 것인지에 따라서도 선택될 수 있는 것이다). 또한, 식각가스의 종류는 공정의 안전성 문제와도 크게 연결되어 있는 문제이다.
한편, 플라즈마 건식식각 공정시에는 식각가스 유량, 즉 플럭스(flux)를 적절하게 유지하여야 한다. 플럭스가 너무 크거나 작으면 식각속도가 감소하기 때문이다.
대부분의 경우, 식각공정 초기에는 식각가스 플럭스가 증가함에 따라 식각속도는 증가하다가 중기에 너무 플럭스가 증가하면 식각속도는 오히려 감소하는 경향을 나타낸다. 낮은 플럭스에서는 주입된 식각가스 모두가 소모되고 부족하기 때문에 식각가스를 더 많이 주입하여야 하는 상태이나, 너무 높은 플럭스하에서는 식각가스가 펌프로 빠져나가는 속도가 증가하여 분해된 반응가스, 즉 라디칼 등의 활성 이온이 식각 반응을 하기도 전에 펌프로 제거되어 버리는 상황이 발생하는 것이다. 이렇듯, 식각가스의 플럭스는 식각속도에 영향을 미치는 주된 요인 중 하나로서 적절한 설정이 요구된다.
또한, 플라즈마 발생전극에 인가되는 전력의 강도가 미치는 영향은 아래와 같다.
플라즈마 발생전극은 플라즈마를 발생시킬 뿐만 아니라, 플라즈마를 전기적 또는 자기적으로 챔버 내에 가두거나 기재 표면으로 입사시켜 식각공정을 하게 끔 만드는 역할을 한다. 이러한 플라즈마 발생전극에 높은 전압, 많은 전류가 인가되면 당연히 많은 양의 플라즈마가 발생되고, 발생된 플라즈마가 조금 더 고에너지로 기재표면을 식각하게 된다. 결과적으로, 전력의 강도가 높으면 식각속도는 증가하는 경향을 나타낸다. 다만, 플라즈마 발생전극에 인가되는 전력 강도가 높으면 공정의 안전성을 크게 해질 수 있으므로, 전력의 강도는 적당한 범위 내에서 선택되지 않으면 안된다.
이하에, 플라즈마 식각장치에 대하여 예를 들어 종래기술을 설명한다.
챔버내에 플라즈마를 발생시키기 위해서는 플라즈마 발생 전극을 사용하는 것이 일반적이고, 전형적으로는 이 플라즈마 발생전극에 고주파 전력을 인가하고 있다.
이 플라즈마 발생전극의 형식을 분류하면, 축전결합 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma) 방식과 유도결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma) 방식 등으로 분류할 수 있다. 이들 형식 중에서 널리 사용되고 있는 것은 축전 결합방식이고 이를 축전결합형 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma, CCP) 발생장치라 한다.
이 축전결합형 플라즈마 발생장치는 콘덴서의 전하 축전 원리를 이용하며, 챔버 내부에서 2개의 전극을 대향시켜, 한쪽 전극에 고주파전력이나 저주파전력, 직류전력, 혹은 이들 전력을 시간 변조한 전력을 인가할 수 있는 구조로 되어 있다. 다른쪽 전극은 접지되어 있다. 혹은 다른 쪽 전극을 콘덴서, 코일(인덕터), 콘덴서와 코일의 조합을 통하여 접지하고 있는 것도 있다.
이들 평행평판형 전극구조는 2개의 전극간의 정전계(靜電界)에 의해 전자와 이온 등, 하전입자를 가속하여, 하전입자와 하전입자, 또는 하전입자와 전극의 충돌에 의한 상호작용에 따라 플라즈마를 생성·유지하는 것이다. 이 축전결합형 플라즈마 발생장치에서는 10 mTorr이하의 고진공 압력에서는 플라즈마를 생성 및 유지하기가 어렵다. 또한 축전결합형 플라즈마 발생장치는 건식 식각 중에 이온 밀도 와 이온 에너지를 분리할 수 없다. 따라서 식각 속도를 높이기 위하여 고주파 전원을 증가시키면 높은 가속 에너지를 가지는 이온과의 충돌에 의해 식각중 소재의 전기적, 광학적, 열적 손상을 가져오기 쉽다.
한편, 참고할 만한 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정에 대한 종래의 기술은 하기 문헌 1 내지 문헌 3의 것을 예시할 수 있다.
문헌 1은 질화갈륨계 반도체박막을 건식 식각하기 위한 유도결합형플라즈마 식각공정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, GaN DH/Al2O3 기판위에 고진공의 챔버상부에서 SiO2 박막을 일정 온도로 증착하고 그 두께는 ㎛으로 하는 제 1 공정과; 상기 제 1공정 수행후 SiO2/GaN DH/Al2O3 기판위에 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 H2 분위기의 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 방법을 개시하고 있다.
문헌 2는 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법에 있어서, 건식 식각 과정의 전 체 또는 일부분의 단계에서 다른 공정 변수들은 초기 설정치로 유지한 상태에서 반응 가스의 유입량을 점차 줄이면서 식각을 진행하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법을 개시하고 있다.
문헌 3은 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법으로서, 밀폐된 챔버, 상기 챔버 내의 상부에 설치된 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주보면서 상기 챔버 내의 하부에 설치되고 웨이퍼가 놓이는 제2 전극, 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 제1 및 제2 전극에 일정주기를 갖는 RF 전력을 인가시키는 RF 전원, 및 상기 챔버의 측벽을 감싸도록 설치되어 상기 챔버 내의 플라즈마를 균일하게 분포시키기 위한 자장을 형성시키는 코일을 구비하는 건식 식각장비를 이용하여 상기 제2 전극 상에 로딩된 웨이퍼의 표면에 형성된 소정의 물질층을 건식 식각하는 방법에 있어서, 상기 RF 전력의 일정주기는 제1 시간동안 음(-)의 제1 전압을 유지하는 제1 단계; 상기 제1 전압을 양(+)의 제2 전압으로 상승시키는 단계; 및 상기 제2 전압을 제2 시간동안 상기 제2 전압보다 높은 양(+)의 제3 전압으로 일정기울기를 가지면서 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용하는 건식 식각방법을 개시하고 있다.
[ 문헌 1 ] KR 10-1998-0035288(출원번호) 1998.08.28.
[ 문헌 2 ] KR 10-1997-0051857(출원번호) 1997.10.09.
[ 문헌 3 ] KR 10-1996-0033031(출원번호) 1996.08.08.
현재 갈륨비소(GaAs) 등의 갈륨을 포함하는 반도체는 레이저 소자, 고출력의 이동통신용 소자 등으로 사용되고 있고, 그러한 갈륨비소 등의 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 식각은 주로 Cl을 포함한 가스를 이용하여 할 수 있다.
플라즈마를 이용한 갈륨비소의 건식 식각에서 문제가 될 수 있는 것들은 낮은 식각률, 휘발성이 높은 비소(As)의 선택적 손실로 인한 거친 표면 거칠기와 언더컷팅(undercutting) 등이다.
또한, GaAs 소자를 개발·양산화하는 데에 있어서, 기술적 관점에서 보면 해결해야 할 문제점이 아직 많이 남아 있다.
첫째, 플라즈마 식각 공정에서 가능하면 고가의 진공펌프를 사용하지 않는 기술을 개발하여야 한다. 예를 들어, 플라즈마 식각 공정에서는 고진공 펌프로서 터보분자 펌프를 많이 사용하는데, 터보분자펌프는 장비 자체도 고가일 뿐만 아니라 기계적 충격에 약하고, 고장시 유지·보수 비용이 많이 든다. 특히, 대면적 식각 공정이 행하여지는 경우 이러한 고진공 공정은 대단히 큰 부담이 아닐 수 없는 것이다.
둘째, GaAs 식각에서는 Cl을 포함하고 있으면서 보관관리 측면에서 편리성과 안정성이 우수한 가스를 적절하게 사용하여 한다.
셋째, 플라즈마를 발생시키기 위하여 공정 반응기로 인가되는 전압과 전류를 지나치게 높게하는 것을 피해야 한다. 플라즈마 반응기에 높은 전압과 많은 전류를 공급하면 식각 속도는 향상시킬 수 있으나, 높은 전압과 많은 전류의 사용은 그만큼 식각 공정의 안전성을 약화시킬 수 있다(이 문제는 우리가 지금까지 개발한 모든 플라즈마 장비를 바라보는 관점을 새롭게 할 수 있다).
이에, 본 발명에서는 기계적 펌프만을 사용하는 저진공 압력하에서, 사용·관리가 쉬운 BCl3/N2 혼합가스를 사용하며, 저렴한 축전결합형 플라즈마를 사용하여 상대적으로 높은 GaAs 건식 식각률을 나타내는 플라즈마 공정방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
축전결합형 플라즈마를 이용하여 갈륨 원소를 포함한 기재를 건식 식각하는 공정에 있어서,
진공챔버 내의 압력은 50 ~ 300 mTorr;
척에 인가되는 전력은 10 ~ 500 W;
식각가스는 순수한 BCl3, 또는 BCl3와 N2 의 혼합가스
를 사용한 것을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 기재는, GaAs, AlGaAs, GaP, GaSb 및 GaN 에서 선택되어지는 하나 이상의 물질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 식각가스 BCl3에 대한 N2 의 혼합량은 0 ~ 70 % 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 식각가스 BCl3 및 N2 의 혼합비는 BCl3 : N2 = 4 : 1 인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 진공챔버 내의 압력은 150 mTorr인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 척에 인가되는 전원은 100 W 인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 식각가스의 총유량은 5 ~ 100 sccm 범위 내인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 식각가스의 총유량은 20 sccm인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정을 제공한다.
본 발명의 공정은 저진공 축전결합형 플라즈마를 사용하여, 식각공정에 소요되는 비용이 저렴하면서도, 상대적으로 높은 식각율을 나타내는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은,
축전결합형 플라즈마를 이용하여 갈륨 원소를 포함한 기재를 건식 식각하는 공정에 있어서,
진공챔버 내의 압력은 50 ~ 300 mTorr;
척에 인가되는 전력은 10 ~ 500 W;
식각가스는 순수한 BCl3, 또는 BCl3와 N2 의 혼합가스
를 사용한 것을 특징으로 하는 건식 식각 공정에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 식각공정에 사용되는 축전결합형 플라즈마는 축전결합형 플라즈마 처리장치를 이용하여 발생시킬 수 있다. 상기 축전결합형 플라즈마 처리장치는 특별히 제한되지 않고, 종래의 것을 사용할 수 있다. 또한, 유도결합형 플라즈마 처리장치의 경우라도, 유도코일에 전원을 인가하지 않는 경우 축전결합형으 로 활용할 수 있는 바, 이를 사용할 수도 있다. 이러한 유도결합 플라즈마 처리장치의 예로 본 출원인에 의해 출원된 KR 10-2009-0039103(출원번호)을 들 수 있다.
도 1에는 본 발명의 실시예에서 사용되어진 플라즈마 처리장치의 구조를 개략적으로 도시하였고, 본 발명의 식각 공정에 사용될 수 있는 축전 결합형 플라즈마 처리장치에 관하여는 이를 참조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기재는 갈륨 원소를 포함한 것이다. 플라즈마 식각 공정은 식각하고자 하는 피식각체(기재, substrate)에 따라 각기 다른 식각가스를 선택하는 등 공정 조건을 달리하여야 한다. 이는 기재의 재료 특성에 따라 물리·화학적 성질이 달라지기 때문이다. 특히, 본 발명의 식각 공정은 갈륨 원소를 포함한 기재를 식각하기에 바람직한 것으로서, 이를 식각하기 위한 최적의 압력, 식각가스의 종류, 인가되는 척의 전원 등을 공정 조건을 특정한 것을 특징으로 한다.
상기 갈륨 원소를 포함하는 기재의 예로는, GaAs, AlGaAs, GaP, GaSb 및 GaN 에서 선택되어지는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 식각가스 BCl3 및 N2 의 혼합에서 N2 의 혼합량은 0 ~ 70 % 범위 이내인 것이 바람직하고, 본 발명의 실시예를 참조하면 BCl3 및 N2 의 혼합비는 BCl3 : N2 = 4 : 1 인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 진공챔버 내의 압력은 50 ~ 300 mTorr 범위 이내인 것이지만, 본 발명의 실시예를 참조하면 상기 압력은 150 mTorr인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 척에 인가되는 전원은 10 ~ 500 W 범위 이내인 것이 지만, 본 발명의 실시예를 참조하면 상기 전원은 100 W 인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 식각가스의 총유량은 5 ~ 100 sccm 범위 내인 것이 바람직하지만, 본 발명의 실시예를 참조하면 상기 식각가스의 총유량은 20 sccm인 것이 더 바람직하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예
[플라즈마 처리장치]
우선, 본 실시예에서 사용된 플라즈마 처리장치에 대해 설명한다.
본 실시예에 사용한 축전 결합형 플라즈마 장치는 본 발명자 연구팀의 실험실에서 자체적으로 조립된 것이고, 이에 대한 개략적은 구조는 도 1에 나타낸 플라즈마 처리장치와 같다.
플라즈마를 발생시키는 전원 장치로는 영신 RF의 13.56 MHz, 공냉식 600 W 용을 사용하였다.
BCl3와 N2 의 가스 유량 조절기는 KNH 인스트루먼트에서 교정된 가스 유량 조절기(Mass Flow Controllers)를 사용하였다.
기계적 펌프는 분당 600 리터를 배기하는 것을 이용하였다. GaAs 샘플을 올려놓는 샘플 척은 직경 150㎜이었다. GaAs 샘플은 식각 마스크로 사용하는 감광제로 패터닝을 한 것과 하지 않은 것을 따로 준비하여 1×1 ㎠ 정도로 조각내어 실험하였다.
[공정조건]
다음으로, 본 실시예의 공정조건에 관하여 설명한다.
실시예에 사용한 플라즈마 식각 공정 변수는, BCl3/N2 의 혼합가스 내에서 % N2 (0-100 %)의 비율과, 샘플 지지대로 사용하는 RIE 척에 인가되는 RF 척 파워(10-200 W)이었다. 플라즈마 반응기로 유입되는 BCl3/N2 가스의 총량은 20 sccm (standard cubic centimeter per minute)으로 고정하였다.
공정 압력은 약 150 mTorr이었다.
플라즈마 식각 시간은 약 5분으로 하였다.
[식각결과]
식각 공정이 끝난 GaAs 샘플들은 아세톤으로 감광제(photoresist,PR)을 제거한 후에 표면 단차 측정기(Tencor alpha-step IQ)로 식각 깊이를 측정하여 식각률을 계산하였다.
또 식각 공정이 끝난 후에 표면에 패턴이 되어있지 않은 GaAs를 선택하여 표면 거칠기 측정 프로그램을 이용하여 표면 거칠기를 측정하였다. 이 때 GaAs 샘플의 측정 거리는 1,000 ㎛로 일정하게 하였다.
GaAs의 식각벽면과 표면상태는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)을 이용하여 관찰하였다.
도 2는 플라즈마 반응기로 유입된 BCl3/N2의 혼합가스 중에서 % N2에 따른 GaAs 식각률을 나타낸 그래프이다. 순수한 N2 (즉, 100 % N2)를 사용하면 100W의 RIE 척 파워 조건에서 GaAs를 식각할 수 없었다. 그러나 순수한 BCl3 가스만을 사용하면 GaAs의 식각률은 100 W의 RIE 척 파워인 경우에 약 0.18 ㎛/min의 식각률을 얻을 수 있었다. 그리고 BCl3와 N2가 반응기 내에서 적절히 (즉, 20~60 % N2) 혼합되면 순수한 BCl3 플라즈마보다 GaAs를 더욱 빠르게 식각할 수 있음을 발견하였다. 즉, 100W RF 파워를 사용한 경우 40 % N2를 사용한 12 sccm BCl3 / 8 sccm N2의 조건으로 식각했을 때 식각 속도는 0.28 ㎛/min 정도로 20 sccm의 BCl3를 사용한 것보다 식각 속도가 월등히 높았음을 알 수 있었다. 이 결과를 통하여 저진공 축전결합 형 BCl3/N2 플라즈마 식각에서 N2는 GaAs를 식각하는데 식각률을 높이는 촉매로 작용한다는 것을 추론할 수 있었다.
도 2에서 % N2가 60% 이상이 되었을 때 % N2가 증가함에 따라 GaAs의 식각 속도가 감소함을 알 수 있었다. 그 주된 이유로는 플라즈마내의 반응성 가스인 BCl3의 양이 임의의 한계치 이하로 줄어들었고, 또 상대적으로 GaAs와 반응하지 않는 N2의 양이 지나치게 많아 BCl3와 GaAs의 반응을 방해하여, 궁극적으로 GaAs의 식각률을 감소시킨 것으로 생각된다.
도 3은 BCl3/N2 플라즈마 식각에서 % BCl3에 따른 GaAs 식각 후, GaAs의 감광제 (photoresist)에 대한 식각률 선택비를 나타낸 그래프이다. 식각률 선택비는 전반적인 경향을 보았을 때 % N2가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 즉 순수한 20 sccm BCl3를 이용한 플라즈마 식각에서는 식각률 선택비는 100 W RF 파워에서 약 4.3 : 1 정도이었다. 그러나 순수한 20 sccm N2를 사용한 경우에는 약 0.2 : 1 정도의 낮은 식각률 선택비를 나타내었다. 즉 순수한 N2 플라즈마는 GaAs는 거의 식각하지 않고 유기 고분자인 감광제를 더 많이 식각하는 원하지 않는 결과를 나타내었다. 주목할만한 것은 도 2에서 GaAs의 식각률은 % N2가 20~60 % 정도에서는 순수한 BCl3를 사용했을 때보다 월등히 증가했지만 GaAs의 감광제에 대한 식각률 선택비는 BCl3/N2의 혼합 플라즈마에서 % N2의 양이 많아질수록 지속적으로 감소했음을 볼 수 있었다는 것이다. 이 의미는 BCl3/N2의 가스 성분비에서 N2의 성분비를 증가할수록 GaAs의 식각률 증가폭보다는 감광제의 식각률 증가폭이 상대적으로 더 높았다는 것이다.
도 4는 BCl3/N2의 플라즈마 식각에서 % N2에 따른 GaAs 식각 표면의 표면 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다. 참고로 식각 전의 컨트롤 GaAs 샘플의 표면 거칠기는 1.8 nm이었다. 100 W RF 파워와 20sccm BCl3 플라즈마에 식각된 GaAs의 표면 거칠기는 4.0 nm였다. 이 값은 플라즈마 식각을 하지 않은 GaAs control 샘플의 값과 비교하였을 때 약간 높아졌지만 그리 나쁘지는 않은 것으로 사료된다. 또 20 % 정도의 N2가 포함된 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2의 조건에서도 식각 후 GaAs의 표면 거칠기가 약 5.0 nm로 20 sccm BCl3의 식각 후 표면 거칠기 결과와 비슷하였다. 도 2의 결과를 참고하면, 20 sccm BCl3나 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2의 공정 조건에서 식각된 GaAs는 비교적 높은 식각률과 매끈한 식각 표면을 유지한다는 것을 이해할 수 있었다. 이 그래프에서 이해할 수 있는 것은 도 2에서는 BCl3/N2 플라즈마에서 N2가 20~60 % 정도 포함되면 식각률을 상당히 증가시키는 촉매 현상을 보였 지만, BCl3 플라즈마에 N2 가스의 지나친 혼합은 GaAs의 식각 표면 거칠기를 높여 표면을 거칠게 했다는 것이다. 즉, 100 W RIE 척 파워의 경우 BCl3에 20 % 이상의 N2를 혼합하면 식각 후 GaAs의 표면 거칠기가 급격히 나빠진다는 것을 알 수 있었다. 도 4에서 % N2가 60% 이상이 되었을 때 % N2가 증가함에 따라 식각후 GaAs의 표면 거칠기가 감소함을 알 수 있었다. 그 이유는 BCl3의 양이 줄어듬에따라 반응기가 N2 플라즈마가 지배적인 분위기로 바뀌면서 BCl3 플라즈마 종과 GaAs의 급격한 화학적 반응을 줄였다. 그에 따라 GaAs 식각률이 감소하며 (도 2 참조) 상대적으로 식각 후 GaAs 표면거칠기의 값을 낮춘 것으로 생각한다. 참고로 순수한 N2 플라즈마는 GaAs를 거의 식각하지 않았으며 GaAs의 표면 거칠기 값도 4 nm 정도로 식각 전의 값에서 크게 변하지 않았다.
도 5는 RF 척 파워의 증가에 따른 GaAs의 식각률 변화를 나타낸 그래프이다. 이 실험에서 사용한 플라즈마 혼합가스 조건은 12 sccm BCl3 / 8 sccm N2이었다. 축전 결합형 플라즈마라는 조건에서 쉽게 예상할 수 있듯이 샘플 척에 유도되는 -DC bias는 RF 척 파워가 증가할수록 꾸준히 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한 그에 따라 GaAs의 식각률도 함께 증가하는 것을 알 수 있었다. GaAs의 식각률은 10 W RF 척 파워 (-DC bias는 20 V) 에서는 약 0.02 ㎛/min, 50 W (-DC bias는 140 V)에서는 0.08 ㎛/min 정도로 낮았으나 RF 척 파워가 100 W 이상에서는 0.3 ㎛/min 이상 의 높은 식각률을 나타냈었다. RF 척 파워가 100 W 이었을 때 샘플 척에 유도된 -DC bias는 245 V이었다.
도 6은 저진공 축전결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용하여 식각한 GaAs의 패턴을 찍은 주사전자현미경 사진이다. 도 6 (위)의 사진은 100 W RF 파워에서 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2의 혼합 가스 플라즈마로 식각한 샘플을 찍은 것이다. 도 6 (아래)의 사진은 100 W RF 파워에서 플라즈마의 % N2의 비율을 더 증가시켜, 8 sccm BCl3 / 12 sccm N2의 조건에서 5분간 식각한 후에 찍은 것이다. 두 사진을 비교해 보면, 도 3에 대한 설명에서 언급하였듯이, 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2로 식각하면 GaAs의 표면은 상당히 깨끗하고 매끈하였다. 또한 식각된 벽면도 거의 수직을 유지하고 있었으며 언더컷팅도 나타나지 않았다. 그러나 % N2의 값이 증가되면 도 6의 아래처럼 식각된 GaAs의 표면이 상당히 거칠어지고 식각벽면에도 언더컷팅이 심각하였다. SEM 사진을 참고하였을 때, 우리는 저진공 축전결합형플라즈마를 이용한 GaAs 식각에서 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2, 즉 20 %의 N2가 포함된 BCl3/N2 플라즈마 공정에서 0.3 /min의 빠른 식각 속도, 그리고 매끈한 식각표면과 수직 식각벽면을 얻을 수 있었다.
본 실시예에서는 저진공 축전 결합형 BCl3/N2 플라즈마를 사용하여 GaAs를 건식 식각 하였다. 본 실시예를 통하여 BCl3/N2의 혼합 가스를 사용한 플라즈마 식각에서 N2의 혼합비가 20 ~ 60 % 일 때 N2 가스의 촉매 현상으로 GaAs의 식각률이 순수한 BCl3 플라즈마에서의 식각률보다 월등히 높아졌다는 것을 알 수 있었다. 그러나 BCl3/N2 플라즈마에서 과다하게 N2를 혼합하면 GaAs의 식각 표면을 상당히 거칠게 하고 식각벽면에도 언더컷팅이 생기게 하여 오히려 순수한 BCl3를 사용한 플라즈마 식각보다 나쁜 공정 결과를 초래한다는 것을 확인하였다. 이에 따라 가장 최적화된 공정 조건은 80 %의 BCl3를 포함하고 있는 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2, 100 W RIE 척 파워 그리고 150 mTorr이었다. 이 조건에서 GaAs는 0.3 /min의 속도로 식각되었다. 또한 그 조건에서 식각된 GaAs는 매끈한 식각 표면과 수직의 식각벽면 상태를 유지하였다. 결론적으로 기계적 펌프만을 사용한 저진공에서 축전결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용하여 우수한 GaAs 건식식각 공정이 가능함을 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 식각 공정에 사용될 수 있고, 본 발명의 실시예에서 사용된 플라즈마 처리장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 플라즈마 반응기로 유입된 BCl3/N2의 혼합가스 중에서 % N2에 따른 GaAs 식각률을 나타낸 그래프이다.
도 3은 BCl3/N2 플라즈마 식각에서 % BCl3에 따른 GaAs 식각 후, GaAs의 감광제 (photoresist)에 대한 식각률 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 4는 BCl3/N2의 플라즈마 식각에서 % N2에 따른 GaAs 식각 표면의 표면 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 RF 척 파워의 증가에 따른 GaAs의 식각률 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 저진공 축전결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용하여 식각한 GaAs의 패턴을 찍은 주사전자현미경 사진이다.
Claims (8)
- 축전결합형 플라즈마를 이용하여 갈륨 원소를 포함한 기재를 건식 식각하는 공정에 있어서,진공챔버 내의 압력은 50 ~ 300 mTorr;척에 인가되는 전력은 10 ~ 500 W;식각가스는 순수한 BCl3, 또는 BCl3와 N2 의 혼합가스를 사용한 것을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기재는, GaAs, AlGaAs, GaP, GaSb 및 GaN 에서 선택되어지는 하나 이상의 물질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 식각가스 BCl3에 대한 N2 의 혼합량은 0 ~ 70 % 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 3 항에 있어서, 상기 식각가스 BCl3및 N2 의 혼합비는 BCl3 : N2 = 4 : 1 인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 진공챔버 내의 압력은 150 mTorr인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 척에 인가되는 전원은 100 W 인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 식각가스의 총유량은 5 ~ 100 sccm 범위 내인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
- 제 7 항에 있어서, 상기 식각가스의 총유량은 20 sccm인 것임을 특징으로 하는 건식 식각 공정.
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| WO2023146076A1 (ko) * | 2022-01-26 | 2023-08-03 | 김남헌 | 웨이퍼 식각을 위한 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법 |
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Family Cites Families (1)
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2009
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