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KR100414425B1 - 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법 - Google Patents

실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법 Download PDF

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KR100414425B1
KR100414425B1 KR10-2001-0069901A KR20010069901A KR100414425B1 KR 100414425 B1 KR100414425 B1 KR 100414425B1 KR 20010069901 A KR20010069901 A KR 20010069901A KR 100414425 B1 KR100414425 B1 KR 100414425B1
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Abstract

본 발명은 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이온빔 식각방법은, 식각가스 밸브를 조절하여 샤워링을 통해 일정 시간동안 진공챔버 내에 식각가스를 유입시키는 단계와, 일정 시간후 식각가스 밸브를 닫고 상기 진공챔버에 형성된 가스 배출구를 통해 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하는 단계와, 셔터를 개방하여 아르곤(Ar) 이온빔을 조사시켜서 휘발성 식각 부산물의 형태로 식각하는 단계 및 상기 진공챔버의 가스 배출구를 통해 식각 부산물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 단계들은 주기적이고 반복적으로 수행된다.
따라서, 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터 및 식각가스 주입을 조절하기 위한 식각가스 밸브를 포함하는 이온빔 식각장치 및 이를 이용한 식각방법을 통해 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 식각을 원자단위로 정밀하게 조절하여 물리적 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법{Ion Beam Etching Device and Method of Silicon and Chemical Compound Semiconductor}
본 발명은 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법에 관한 것으로서,특히 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사(照射)되도록 하는 셔터(Shutter) 및 식각가스 주입을 조절하기 위한 식각가스 밸브와 연동하여 진공챔버 내로 식각가스을 유입시키는 샤워링을 포함하는 이온빔 식각장치를 이용하여 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 식각(Etching)을 원자단위로 정밀하게 조절함으로써 상기 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 물리적 손상을 줄이기 위한 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 내부식성이 우수한 산화물, 질화물, 탄화물들의 식각이나 식각시에 정확한 식각깊이와 정밀도를 요하는 박막가공시에 아르곤 이온빔(혹은 플라즈마) 식각방법을 이용한다. 이 방법은 용액과의 반응에 민감한 구리계 산화물이나 산에 대한 저항성이 강한 세라믹 박막들의 식각에 필수적으로 사용되었다.
그러나, 아르곤 이온빔의 상태는 이온빔 전원공급장치로 조절하는 전압, 전류, 아르곤 기체의 유속뿐만 아니라 진공장치 내의 진공도, 식각물질의 종류에 따라 크게 변할 수 있다. 따라서, 재현성 있는 이온빔 형성이 매우 어렵고 사용중에 그 상태가 지속적으로 변하기 때문에 원하는 식각깊이의 식각패턴을 재현성 있게 형성하기가 힘들었다.
또한, 종래의 반도체 이온빔 식각장치는 식각가스와 이온빔(또는 플라즈마)이 동시에 실리콘 기판 등의 식각물질에 조사됨으로써 원자단위로 식각깊이를 정밀하게 조절할 수 없는 문제점이 있었다.
상기한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터 및 식각가스 주입을 조절하기 위한 식각가스 밸브와 연동하여 진공챔버 내로 식각가스을 유입시키는 샤워링을 포함하는 이온빔 식각장치를 통해 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 식각을 원자단위로 정밀하게 조절함으로써 상기 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 물리적 손상을 줄이기 위한 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 식각장치의 일 실시예를 나타내는 구성도
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온빔 식각방법 및 작용을 설명하기 위한 반응도
도 3는 본 발명의 이온빔 식각방법에 따른 사이클 프로세서를 나타내는 그래프
도 4는 본 발명에 따른 이온빔 식각장치 및 방법을 이용하여 실리콘 식각을 수행한 후의 샘 사진
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 아르곤 가스밸브 20: 이온빔 발생장치
30: 셔터 40: 샤워링
50: 식각가스 밸브 60: 실리콘 기판
70: 밸브/셔터 컨트롤 컴퓨터 80: 터보 펌프
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온빔 식각장치는, 아르곤 가스의 양을 조절하기 위한 아르곤 가스 밸브와, 상기 아르곤 가스 밸브와 연동되어 아르곤(Ar) 이온빔을 발생시키는 이온빔 발생장치와, 상기 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터와, 진공챔버 내에서 형성되어 식각가스가 유입되는 샤워링과, 상기 샤워링과 연동되어 유입되는 식각가스를 조절하기 위한 식각가스 밸브와, 상기 아르곤 가스 밸브, 식각가스 밸브 및 셔터와 결합되어 상기 진공챔버 내로 유입되는 식각가스와 아르곤 이온빔을 조절하는 밸브/셔터 컨트롤 컴퓨터 및 냉각수를 통해 상기 진공챔버의 진공상태를 유지시키는 터보 펌프를 포함하여 이루어진다.
상기 샤워링은 상기 식각가스 밸브와 연동된 가스유입관로와 결합되어 상기 식각가스를 상기 진공챔버 내로 유입시키는 것이 바람직하다.
상기 진공챔버의 일측 상단에는 퍼지(Purge)공정을 위해 질소가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되어 있고, 다른 일측 하단에는 식각가스가 유입되고 일정시간이 경과한 후 상기 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하거나 식각부산물을 배출시키기 위한 가스 배출구가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온빔 식각방법은, 식각가스 밸브를 조절하여 샤워링을 통해 일정 시간동안 진공챔버 내에 식각가스를 유입시키는 단계와, 일정 시간후 식각가스 밸브를 닫고 상기 진공챔버에 형성된 가스 배출구를 통해 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하는 단계와, 셔터를 개방하여 아르곤(Ar) 이온빔을 조사시켜서 휘발성 식각 부산물의 형태로 식각하는 단계 및 상기 진공챔버의 가스 배출구를 통해 식각 부산물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 단계들은 주기적이고 반복적으로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 진공챔버 내에 남아있는 식각가스는 상기 진공챔버에 형성된 가스 유입구를 통해 질소가스를 유입시켜서 제거하는 것이 바람직하다.
상기 진공챔버 내의 초기 진공도는 약 (1내지 5) ×10-6(torr)이며, 상기 식각하는 단계에서의 진공도는 약 (1내지 5) ×10-4(torr)로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 식각가스의 유입시간은 1 ~ 40초가 되도록 상기 식각가스 밸브를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 식각가스는 염소가스(Cl2)인 것이 바람직하다.
상기 식각부산물은 염화규소(SiCl2) 가스의 형태인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 식각장치의 일 실시예를 나타내는 구성도로서, 도면에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이온빔 식각장치는, 아르곤 가스의 양을조절하기 위한 아르곤 가스 밸브(10)와, 아르곤 가스 밸브(10)와 연동되며 아르곤(Ar) 이온빔을 발생시키는 이온건 혹은 헬리콘(Helicon) 플라즈마 소스 등의 이온빔 발생장치(20)와, 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터(30)와, 진공챔버(90) 내에서 형성되어 식각가스가 유입되는 샤워링(40)과, 샤워링(40)과 연동되어 유입되는 식각가스를 조절하기 위한 식각가스 밸브(50)와, 진공챔버(90) 내에서 기판홀더(65)에 의해 고정되어 상기 식각가스가 흡착되고 상기 아르곤 이온빔이 조사되는 실리콘 기판(60)과, 아르곤 가스 밸브(10), 식각가스 밸브(50) 및 셔터(30)과 결합되어 진공챔버(90) 내로 유입되는 식각가스와 아르곤 이온빔을 조절하는 밸브/셔터 컨트롤 컴퓨터(70) 및 냉각수를 통해 진공챔버(90)의 진공상태를 유지시키는 터보 펌프(80)를 포함하고 있다.
상기 샤워링(40)은 식각가스 밸브(50)와 연동된 가스유입관로(45)와 결합되어 식각가스를 진공챔버(90) 내로 유입시키게 된다.
또한, 상기 진공챔버(90)의 일측 상단에는 퍼지(Purge)공정을 위해 질소가스가 유입되는 가스 유입구(41)가 형성되어 있고, 다른 일측 하단에는 식각가스가 유입되고 일정시간이 경과한 후 상기 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하거나 식각부산물을 배출시키기 위한 가스 배출구(42)가 형성되어 있다.
이하에서 본 발명에 따른 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치를 이용한 식각방법 및 작용을 첨부한 도면들을 참조로 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 이온빔 식각방법의 일 실시예를 설명하기 위한 반응도이다. 즉, 우선 도 2a 및 도 2b에서 나타낸 것처럼, 식각가스 밸브(50)를 조절하여 샤워링(40)을 통해 일정 시간동안 진공챔버(90) 내에 식각가스인 염소가스(Cl2)를 유입시키면 상기 염소가스가 실리콘 표면에 단일층으로 흡착된다. 상기 염소가스의 유입시간은 1 ~ 40초 정도가 될 수 있도록 상기 식각가스 밸브(50)를 조절하는 것이 바람직하며, 초기 진공도는 약 2 ×10-6(torr)로 유지한다. 상기 시간이 경과한 후 남아있는 염소가스는 퍼지(Purge)과정을 통해 진공장비 내에서 제거된다. 즉, 가스 유입구(41)를 통해 진공챔버(90) 내로 질소가스를 유입시켜서 남아 있는 염소가스를 가스 배출구(42)로 배출시킨다.
그리고, 도 2c 및 도 2d에서 나타낸 바와 같이, 셔터(30)를 개방하여 아르곤(Ar) 이온빔을 조사시키면 실리콘 표면이 휘발성 식각 부산물인 염화규소(SiCl2) 가스의 형태로 식각되고 상기 식각부산물(염화규소)은 가스 배출구(42)를 통해 배출된다. 상기 식각과정 시 압력은 약 2 ×10-4(torr)정도로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 도 2a 내지 도 2d는 1 사이클(cycle)로서, 본 발명의 이온빔 식각방법의 일 실시예에 따른 식각깊이는 1 사이클당 약 0.68Å이다.
상기 이온빔 식각방법에 따른 사이클 프로세서는 도 3에서 나타낸 것처럼, 우선 수초동안 식각가스 밸브를 개방하여 진공챔버 내에 식각가스인 염소가스가 유입되도록 하고(100) 가스 배출구를 통해 진공챔버 내에 초과된 염소가스를 배출한 후(101) 셔터를 개방하여(102) 아르곤(Ar) 이온빔을 실리콘 기판에 도달하도록 한다(103). 상기 아르곤(Ar) 이온빔이 조사되면 실리콘(Si) 기판에 흡착된 염소(Cl2)와 실리콘 분자들이 반응하여 휘발성 식각부산물인 염화규소(SiCl2) 가스의 형태로 실리콘이 식각되고, 상기 염화규소(SiCl2) 가스는 상기 진공챔버의 가스 배출구를 통해 배출된다(104).
도 4는 본 발명에 따른 이온빔 식각장치 및 방법의 일 실시예에 따라 실리콘 식각을 수행한 후의 샘(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진을 나타낸 것으로, 총 1500 사이클을 수행하였고, 식각깊이는 100 nm로서 사이클당 약 0.67Å이다.
본 발명에 따른 일 실시예에서 0.5 마이크로미터(㎛)의 라인으로 패턴이 형성된 실리콘(Si) 기판의 네이티브 옥사이드(Oxide)를 제거하기 위해서는 불산과 초순수를 1 대 10의 부피비로 혼합하고 약 2초동안 혼합용액에 담근 후, 초순수에서 약 10초동안 세척하고 질소 분위기에서 건조하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 일 실시예에 의하면, 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 식각을 원자단위로 정밀하게 조절하여 상기 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 물리적 손상을 줄일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 이온빔 식각장치 및 방법에 의하면, 아르곤(Ar) 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터 및 샤워링과 연동하여 식각가스 주입을 조절하기 위한 식각가스 밸브를 포함하는 이온빔 식각장치와 이를 이용한 식각방법을 통해 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 식각을 원자단위로 정밀하게 조절하고 상기 실리콘 및 화합물 반도체 소자의 물리적 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (9)

  1. 아르곤(Ar) 가스의 양을 조절하기 위한 아르곤 가스 밸브와;
    상기 아르곤 가스 밸브와 연동되며 아르곤 이온빔을 발생시키는 이온빔 발생장치;
    상기 아르곤 이온빔을 조절하여 기판에 조사되도록 하는 셔터와;
    진공챔버 내에서 형성되어 식각가스가 유입되는 샤워링과;
    상기 샤워링과 연동되어 유입되는 식각가스를 조절하기 위한 식각가스 밸브와;
    상기 아르곤 가스 밸브, 식각가스 밸브 및 셔터와 결합되어 상기 진공챔버 내로 유입되는 식각가스와 아르곤 이온빔을 조절하는 밸브/셔터 컨트롤 컴퓨터; 및
    냉각수를 통해 상기 진공챔버의 진공상태를 유지시키는 터보 펌프;
    를 포함하는 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워링은 상기 식각가스 밸브와 연동된 가스유입관로와 결합되어 상기 식각가스를 상기 진공챔버 내로 유입시키는 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공챔버의 일측 상단에는 퍼지(Purge)공정을 위해 질소가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되어 있고, 다른 일측 하단에는 식각가스가 유입되고 일정시간이 경과한 후 상기 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하거나 식각부산물을 배출시키기 위한 가스 배출구가 형성되는 있는 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각장치.
  4. 식각가스 밸브를 조절하여 샤워링을 통해 일정 시간동안 진공챔버 내에 식각가스를 유입시키는 단계와;
    일정 시간후 식각가스 밸브를 닫고 상기 진공챔버에 형성된 가스 배출구를 통해 진공챔버 내에 남아있는 식각가스를 제거하는 단계와;
    셔터를 개방하여 아르곤(Ar) 이온빔을 조사시켜서 휘발성 식각 부산물의 형태로 식각하는 단계; 및
    상기 진공챔버의 가스 배출구를 통해 상기 식각 부산물을 제거하는 단계;
    를 포함하여 이루어지며, 상기 단계들은 주기적이고 반복적으로 수행됨을 특징으로 하는 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진공챔버 내에 남아있는 식각가스는 상기 진공챔버에 형성된 가스 유입구를 통해 질소가스를 유입시켜서 제거하는 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 진공챔버 내의 초기 진공도는 약 (1내지 5) ×10-6(torr)이며, 상기 식각하는 단계에서의 진공도는 약 (1내지 5) ×10-4(torr)로 유지하는 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 식각가스의 유입시간은 1 ~ 40초가 되도록 상기 식각가스 밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 식각가스는 염소가스(Cl2)인 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 식각부산물은 염화규소(SiCl2) 가스의 형태인 것을 특징으로 하는 상기 실리콘 및 화합물 반도체의 이온빔 식각방법.
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