GaN-based 발광소자에서 식각 속도에 기인한

PECVD 산화막 증착 조건에 관한 연구

최창선, 김태희*, 홍주형*, 박형조, 한윤봉,

전북대학교 반도체과학기술학과, 전북대학교 화학공학과*

Effect of Deposition Condition of PECVD SiO2

on Etch Rate for GaN-based LED

C. S. Choi, T. H. Kim*, J. H. Hong*, H. J. Park, Y. B. Hahna),

Department of Semiconductor Science and  Technology, Chonbuk National University School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University*

Chonju 561-756, Korea

서 론

질화 갈륨(GaN)은 직접 천이형 화합물 반도체로서 청색 영역에서 발광하는 광전재료이다. 청색 발광소자는 3원색의 고 휘도 LED(Light Emitting Diodes)와 청색 레이저 다이오드 개발의 필수 요소로서 개발의 중요성이 인식되고 있다. 최근 GaN-based의 LED와 LD 제작 시 빠른 식각 속도, 넓은 균일성, 이방성 식각 등이 요구되기 때문에 플라즈마 밀도가 높은 유도결합 플라즈마 장치(Inductive Coupled Plasma; ICP)가 식각 공정에 사용된다. 그러나 GaN의 식각 공정 시 일반적으로 사용하는 PR(Photo-resist)은 열적 불안정성 때문에 적용하는 데 많은 어려움이 있다. 그래서 SiO2 산화막을 증착한 후 플라즈마로 건식 식각하여 hard mask를 제작해서 GaN 발광소자를 식각하는 2단계 식각 공정이 LED 제작에 널리 이용되고 있다. 1-3

이에 본 연구에서는 PECVD를 이용한 SiO2 증착 시 증착 속도에 영향을 주는 매개변수인 RF power, 증착 온도, N2O와 SiH4 가스의 비율에 대하여 고찰해 보았다. 또한, PECVD로 증착된 산화막을 hard mask로 사용하기 위해서는 건식 식각 시 안정적인 식각 특성을 나타내야만 한다. 그래서 각 변수에서 증착된 SiO2 산화막을 유도결합 플라즈마 장치로 건식 식각하여 식각 특성을 고찰해 보고 최적 조건에서 증착된 산화막을 hard mask로 사용하여 GaN-based의 청색 발광소자를 만들었다.(그림1)

실 험 방 법

SiO2 산화막 증착은 Vacuum Science PECVD 장비(VSPS-120M)를 사용하였다. 실험에 사용된 RF power는 13.56 MHz로 20 W에서 80 W까지, 증착온도는 250 ℃에서 400 ℃까지, SiH4에 대한 N2O의 가스비율은 40에서 70까지 변화시키며 MOCVD로 성장된 GaN-based LED 구조의 시료 위에 증착하였다. 가스 유량은 SiH4 가스를 1 sccm으로 고정하고 N2O 가스의 유량을 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하였다. 증착 공정 시 반응기내의 압력은 500 mTorr를 유지하였으며, 모든 가스는 shower head를 통해서 반응기 내로 유입시켰다. SiO2 박막을 검증하기 위해서 Si 기판 위에 동시에 산화막을 증착시킨 후 FT-IR을 이용해 화학적 결합 구조를 측정하였으며 ellipsometer를 이용하여 굴절 계수를 측정하였다. 그리고 증착 속도는 BOE (Buffered Oxide Etcher) 용액으로 SiO2 산화막을 식각 한 후 □-step을 이용하여 측정하였다.

a) Author for correspondence. Email: ybhahn@moak.chonbuk.ac.kr.

SiO2 산화막의 hard mask용 식각은 Vacuum Science ICP 장비(VSICP-1250A)를 사용하였다. 실험에 사용된 가스는 MFC를 통해서 Ar은 15 sccm, NF3는 5 sccm을 유입시켰으며, ICP source power는 400 W, RF chuck power는 50 W를 인가하였고, 반응기내의 압력은 5 mTorr를 유지하였다. 식각 속도 측정을 위해서 시료 위에 Apiezon wax를 mask 물질로 사용하여 식각한 후 wax를 제거하고 □-step를 이용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

PECVD로 증착된 SiO2의 FT-IR 측정결과 그림 2에서 보여주는 것과 같이 1100 cm-1근처에서 Si-O의 stretching 결합과 400 cm-1근처에서의 Si-O의 rocking 결합을 볼 수 있다. 또한 ellipsometer를 이용하여 굴절계수를 측정한 결과 1.463 - 1.482 정도로 양질의 산화막을 얻었다.

SiO2 산화막의 증착 속도 및 식각 특성에 대한 RF power의 영향을 살펴보기 위해서 power를 20 W에서 80 W로 변화시키면서 증착하였다. 이 실험을 진행하는 동안 반응기 내의 압력, 증착 온도, N2O/SiH4 가스 비율은 각 각 50 mTorr,  300℃,  50으로 고정하였다. 그림 3의 a)에서 보여주는 것과 같이 RF power가 증가할수록 증착 속도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 RF power가 증가할수록 plasma 밀도가 증가하고 반응종들이 늘어나서 증착이 쉽게 일어나기 때문이다. 40 W에서 증착된 산화막은 쉽게 식각 되어서 후속 공정 시 선택도가 낮아 hard mask가 될 수 없다. 높은 증착 속도를 가지며 고품위의 mask로서의 산화막을 증착하기 위해서는 60W 이상의 RF power를 인가해 주어야 한다.

그림 4는 증착 온도가 SiO2 산화막의 증착 속도와 식각 특성에 관한 영향을 도시한 것이다. 증착 온도가 400 ℃까지 상승함에 따라 150 Å/min부터 최고 360 Å/min까지 증가하였다. 증착 온도가 상승하면 기판에서의 반응속도가 증가하고 이로 인해 증착 속도는 증가한다. 또한 온도가 상승하면서 SiO2 산화막의 결정성이 향상되어 식각 특성도 우수해 진다.

N2O/SiH4 가스 비율이 SiO2 산화막 증착에 미치는 영향을 알아보기 위해서 SiH4의 유량을 1 sccm으로 고정하고 N2O의 유량을 40 sccm에서 70 sccm까지 증가시키며 증착했다. 그림 5의 a)에서 보여주는 것과 같이 N2O의 비율이 낮을수록 높은 증착 속도를 나타냈다. 이는 가스의 총 유량이 증착 속도에 무관한 것과는 차이가 있으나 가스 비율이 증가함에 따라 증착 속도가 감소하는 것은 이미 보고된 것과 일치한다. 4-5 그림 5의 b)는 낮은 비율에서 증착된 SiO2 산화막이 식각 특성에서도 우수한 성질을 나타냄을 보여주고 있다.

결  론

GaN-based LED의 hard mask용 SiO2 산화막의 증착 속도는 RF power가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈으며, 온도에 대해서도 선형적으로 증가하며, N2O/SiH4 가스 비율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 최적 증착 조건으로 RF power는 80 W, 증착 온도는 400℃, N2O/SiH4 가스 비율은 40으로 360Å/min.의 높은 증착 속도를 나타냈으며, 이 때 증착된 산화막의 식각 특성 또한 우수했다.

참 고 문 헌

1. H. P. Maruska and J. J. Tietjen, Appl. Phys. Lett. 15, 327, (1969)

2. S. J. Pearton, F. Ren, A. P. Zhang, and K. P. Lee, Marterials Science and Engineering R30, 55-212 (2000)

3. B. C. Cho, Y. H. Im, Y. B. Hahn, K. S. Nahm, Y.-S. Lee, and S. J. Pearton,  J. Electrochemical Society, 147 (10), 3914-3916 (2000).

4. E. W. Sabin, and C. L. Ramiller, Plasma Processing, Electrochemical Society, 143 (1983)

5. Marc Schaepkensa and Gottlieb S. Oehrleinb, J. Electrochemical Society 148 (3), C211-C221 (2001)

그림 1. SiO2 산화막을 hard mask로 사용하여 제작한 청색 LED.

그림 2. PECVD로 증착된 SiO2 산화막의 FT-IR spectra.

a)

b)

그림 3. RF power에 따른 SiO2 산화막의 증착 속도 및 산화막 식각 특성.

a)

b)

그림 4. 증착 온도에 따른 SiO2 산화막의 증착 속도 및 산화막 식각 특성.

a)

b)

그림 5. N2O/SiH4 비율에 따른 SiO2 산화막의 증착 속도 및 산화막 식각 특성.