[논문]ZnO 박막의 fluorine-계 유도결합 플라즈마 식각

박종천; 이병우; 김병익; 조현

doi:10.6111/jkcgct.2011.21.6.230

ZnO 박막의 fluorine-계 유도결합 플라즈마 식각
Fluorine-based inductively coupled plasma etching of ZnO film 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.21 no.6, 2011년, pp.230 - 234

박종천 (부산대학교 나노융합기술학과) , 이병우 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 김병익 (한국세라믹기술원) , 조현 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

초록
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$CF_4$ Ar 및 $SF_6$/Ar 유도결합 플라즈마을 이용하여 ZnO 박막의 고이온밀도 플라즈마 식각을 수행하였다. $10CF_4$/5Ar, $10SF_6$/5Ar 유도결합 플라즈마에서 최고 ~1950 ${\AA}$/min과 ~1400 ${\AA}$/min의 식각 속도를 확보하였다. 대부분의 조건 하에서 식각된 ZnO 표면은 식각 전보다 더 낮은 표면조도 값들을 나타내었다. $10CF_4$/5Ar 유도결합 플라즈마에서 Ni mask는 ZnO에 대해 최고 11의 높은 식각 선택도를 나타낸 반면에 Al은 이보다 낮은 1.6~4.7 범위의 식각선택도를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

High density plasma etching of ZnO film was performed in $CF_4$/Ar and $SF_6$/Ar inductively coupled plasmas. Maximum etch rates of ~1950 ${\AA}$/min and ~1400 ${\AA}$/min were obtained for $10CF_4$/5Ar and $10SF_6$/5Ar ICP discharges, respectively. The etched ZnO surfaces showed better RMS roughness values than the unetched control sample under most of the conditions examined. In the $10CF_4$/5Ar ICP discharges, very high etch selectivities were obtained for ZnO over Ni (max. 11) while Al showed etch selectivities in the range of 1.6~4.7 to ZnO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4~11의 높은 식각 선택도를 나타내어 mask층 재료로 매우 적합함을 확인하였다. 본 연구를 통해 fluorine-계 유도결합 플라즈마 식각이 ZnO를 가스감응층 또는 gate channel로 이용하는 가스센서 또는 display용 박막형 트랜지스터 소자 공정에 매우 높은 응용성을 가짐을 확인하였다.
따라서 가스 감응재료에 대한 높은 식각 속도와 평탄한 표면특성, 가스 감응재료에 대해 선택비가 높은 mask층을 확보하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 fluorine-계(CF₄, SF₆) 유도결합 플라즈마를 이용하여 대표적인 나노 가스센서용 소재인 ZnO 박막의 고이온밀도 플라즈마 식각 특성을 조사하였다. 최고~1950 Å/min의 높은 식각 속도와 식각 전보다 우수한 표면조도를 확보하였다.

제안 방법

식각 선택도 조사를 위하여 SiO₂/Si 웨이퍼 상에 약 3000 Å 두께의 Al 또는 Ni mask층을 열/전자빔 증발(thermal/ebeam evaporation)을 통하여 형성하였다. 각 박막들의 고이온밀도 플라즈마 식각은 planar type 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 식각장치를 이용하여 수행하였다. ICP source의 주파수는 13.
두 가지의 fluorine-계(CF₄/5Ar, SF₆/Ar) 유도결합 플라즈마를 이용하여 ZnO 박막의 고이온밀도 플라즈마 식각을 수행하였고, 식각 속도, 표면 조도, 식각 선택도 등의 식각 특성을 조사하였다. ZnO 박막의 식각 속도는 ICP source power 및 rf chuck power에 강한 의존성을 가짐을 확인하였고, 10CF₄/5Ar, 10SF₆/5Ar 유도결합 플라즈마로부터 각각 최고 ~1950 Å/min과 ~1400 Å/min의 높은 식각 속도를 확보하였다.
식각 선택도 조사를 위하여 SiO2/Si 웨이퍼 상에 약 3000 Å 두께의 Al 또는 Ni mask층을 열/전자빔 증발(thermal/ebeam evaporation)을 통하여 형성하였다.
두 가지의 fluorine-계 혼합 가스(CF₄/Ar 및 SF₆/Ar)를 공정 가스로 사용하였고, 총 유량은 15~35 sccm, 압력은 5~10 mTorr로 유지하였다. 식각 후 stylus profilometry, AFM을 이용하여 식각 속도, 식각 선택비, 표면 특성 등의 식각 특성을 분석하였다.

대상 데이터

56 MHz, 최고 450 W의 rf power가 연결되고 He 가스로 냉각되는 chuck위에 위치한 Si carrier wafer 위에 장착하였다. 두 가지의 fluorine-계 혼합 가스(CF₄/Ar 및 SF₆/Ar)를 공정 가스로 사용하였고, 총 유량은 15~35 sccm, 압력은 5~10 mTorr로 유지하였다. 식각 후 stylus profilometry, AFM을 이용하여 식각 속도, 식각 선택비, 표면 특성 등의 식각 특성을 분석하였다.
순도 4N의 산화물 target을 사용하여 직경 4인치의 SiO2/Si 웨이퍼 상에 ZnO 박막을 증착하였다. 식각 선택도 조사를 위하여 SiO₂/Si 웨이퍼 상에 약 3000 Å 두께의 Al 또는 Ni mask층을 열/전자빔 증발(thermal/ebeam evaporation)을 통하여 형성하였다.

성능/효과

또한, 본 연구에서 조사한 대부분의 조건들 하에서 ZnO 박막 구성 원자들이 동일한 속도로 균일하게 식각됨에 따라 식각 전에 비해 더 평탄한 표면특성을 나타내었다. Ni은 NiFx 식각 생성물의 낮은 휘발성 때문에 ZnO 박막에 대해 5.4~11의 높은 식각 선택도를 나타내어 mask층 재료로 매우 적합함을 확인하였다. 본 연구를 통해 fluorine-계 유도결합 플라즈마 식각이 ZnO를 가스감응층 또는 gate channel로 이용하는 가스센서 또는 display용 박막형 트랜지스터 소자 공정에 매우 높은 응용성을 가짐을 확인하였다.
ZnO 박막의 식각 속도는 ICP source power 및 rf chuck power에 강한 의존성을 가짐을 확인하였고, 10CF4/5Ar, 10SF6/5Ar 유도결합 플라즈마로부터 각각 최고 ~1950 Å/min과 ~1400 Å/min의 높은 식각 속도를 확보하였다.
1500℃)에 비해 더 낮은 휘발성을 가지기 때문에 60~270 Å/ min 범위의 더 낮은 식각 속도 분포를 나타내었다. 그 결과, Ni은 ZnO 박막에 대해 5.4~11의 높은 식각 선택도를 나타내어 mask층 재료로 매우 적합함을 확인하였다. 반면에 Al의 경우 ZnO 박막에 대해 약 1.
최고~1950 Å/min의 높은 식각 속도와 식각 전보다 우수한 표면조도를 확보하였다. 또한, ZnO에 대해 Ni mask층이 최고 11의 높은 식각 선택도를 나타냄을 확인하였다.
즉, rf chuck power에 비례하여 증가하는 dc bias를 통해 볼 수 있듯이 플라즈마 내 이온들의 평균에너지가 증가하면서 박막 표면으로부터 이온 포격에 의한 식각 생성물 제거가 활성화되어 식각 속도가 증가하게 되는 것이다. 또한, 동일한 rf chuck power에서 source power가 700 W일 때 400 W인 조건보다 더 높은 식각 속도가 얻어졌다. 700 W 조건 하에서 플라즈마 내에 더 높은 fluorine radical들이 생성되는 것을 고려할 때 식각 반응이 식각 생성물 형성 반응에 의해 지배됨을 알 수 있다.
ZnO 박막의 식각 속도는 ICP source power 및 rf chuck power에 강한 의존성을 가짐을 확인하였고, 10CF₄/5Ar, 10SF₆/5Ar 유도결합 플라즈마로부터 각각 최고 ~1950 Å/min과 ~1400 Å/min의 높은 식각 속도를 확보하였다. 또한, 본 연구에서 조사한 대부분의 조건들 하에서 ZnO 박막 구성 원자들이 동일한 속도로 균일하게 식각됨에 따라 식각 전에 비해 더 평탄한 표면특성을 나타내었다. Ni은 NiFx 식각 생성물의 낮은 휘발성 때문에 ZnO 박막에 대해 5.
4에서 보는 바와 같이 본 연구에서 조사한 대부분의 조건들 특히, 10SF₆/5Ar 플라즈마의 경우 모든 조건 하에서 식각된 ZnO 박막 표면들이 식각 전 표면에 비해 더 평탄한 표면특성을 나타내고 있다. 이 결과를 통해서 ZnO 박막을 구성하는 원자들이 동일한 속도로 균일하게 제거되었음을 확인하였다. ZnO를 가스감응층 또는 gate channel로 이용하는 가스센서 또는 display용 박막형 트랜지스터(TFT)소자 공정에서 평탄한 표면특성이 요구될 때 fluorine-계 특히, SF₆/Ar 유도결합 플라즈마를 이용하는 식각 공정이 매우 높은 적합성을 가짐을 알 수 있다.
ICP power 증가에 비례하여 플라즈마 내 fluorine radical 밀도가 증가하고 박막 표면에서 식각 생성물 반응은 활성화 되지만 플라즈마 내 이온들의 평균에너지는 감소하게 된다. 이는 그래프에서 볼 수 있듯이 ICP power가 증가할 때 플라즈마 내 이온에너지의 지표가 될 수 있는 dc self bias가 계속적으로 감소하는 것을 통해 확인된다. 이러한 이온들의 평균에너지 감소는 식각 생성물 제거에 핵심 요소인 이온 포격(ion bombardments) 효과 감소로 이어지게 됨에 따라 표면에 과잉으로 존재하는 식각 생성물이 오히려 후속적인 식각을 지연시키게 되는 것이다.
Rf chuck power가 증가함에 따라 식각 속도가 이에 비례하여 계속적으로 증가하는 강한 물리적 의존성을 보임을 알 수 있다. 즉, rf chuck power에 비례하여 증가하는 dc bias를 통해 볼 수 있듯이 플라즈마 내 이온들의 평균에너지가 증가하면서 박막 표면으로부터 이온 포격에 의한 식각 생성물 제거가 활성화되어 식각 속도가 증가하게 되는 것이다. 또한, 동일한 rf chuck power에서 source power가 700 W일 때 400 W인 조건보다 더 높은 식각 속도가 얻어졌다.
최고~1950 Å/min의 높은 식각 속도와 식각 전보다 우수한 표면조도를 확보하였다.
10SF₆/5Ar 유도결합 플라즈마의 경우 ICP source power가 증가함에 따라 ZnO 박막의 식각 속도가 계속적으로 증가하는 화학적 의존성을 나타내고 있다. 플라즈마 내에서 활성화된 fluorine radical 밀도가 증가함에 따라 ZnO 박막 표면에서 ZnFx 식각 생성물 형성이 촉진되는 동시에 표면으로부터 식각 반응물들이 효율적으로 제거되는 결과로서 식각 속도가 증가함을 알 수 있다. 10SF₆/5Ar 유도결합 플라즈마로부터 최고 약 1400 Å/ min의 식각 속도를 확보하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MEMS 제조 공정기술을 활용한 하향식 공정으로 나노 가스 센서 소자를 제조하기 위해 중요한 것은?	최근에는 반도체 소자 및 미세전기기계결합소자(micro-electro-mechanical-system, MEMS) 제조 공정 기술을 활용한 하향식(top-down) 공정을 통해 높은 종횡비와 우수한 배향 특성을 갖는 나노 구조 가스센서소자를 제조하고자 하는 연구가 진행되었다[13-16]. 하향식 공정으로 나노 가스 센서 소자를 제조하기 위해서는 고이온밀도 플라즈마를 이용하여 가스감응층을 높은 종횡비를 갖는 미세한 크기의 나노 구조물로 식각하는 것이 매우 중요하다. 따라서 가스 감응재료에 대한 높은 식각 속도와 평탄한 표면특성, 가스 감응재료에 대해 선택비가 높은 mask층을 확보하는 것이 필수적이다.
	투명 전도성 산화물의 장점은?	투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO) 반도체 재료는 우수한 전기적 특성뿐만 아니라 가시광선 영역에서 높은 광투과율을 가지기 때문에 flat panel display, 박막형 트랜지스터(TFTs), 태양 전지 등 광전소자 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 다양한 투명 전도성 산화물 반도체 재료 중 ZnO는 약 3.
	열화학 증착을 이용한 상향식 공정의 한계점은?	현재까지 ZnO nanowire 및 nanorod는 열증발(thermal evaporation), 열분해(thermal decomposition), laser ablation 등 상향식(bottom-up) 공정에 의해 주로 제조되어 왔다. 이러한 열화학 증착을 이용한 상향식 공정은 극미세한 나노구조물 제조가 가능한 반면에 나노 구조물의 패터닝 및 배향이 용이하지 않아 이를 극복하기 위한 연구들이 진행되었다[7-12]. 최근에는 반도체 소자 및 미세전기기계결합소자(micro-electro-mechanical-system, MEMS) 제조 공정 기술을 활용한 하향식(top-down) 공정을 통해 높은 종횡비와 우수한 배향 특성을 갖는 나노 구조 가스센서소자를 제조하고자 하는 연구가 진행되었다[13-16].

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용어 설명 출처 목록 (6)

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