KR20040036761A - 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법 - Google Patents

고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법에 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법은, 수소(H2) 플라즈마를 공급하여 기저막의 표면처리를 하는 단계와; 상기 기저막의 표면처리를 한 후, 소정 조건으로 수소(H2)와 실란을 공급하는 단계와; 상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하면 폴리 실리콘이 증착하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법은 수소 가스와 실란(SiH4) 가스를 함께 공급하여 증착 속도가 빠르고 우수한 특성을 갖는 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘을 증착할 수 있다.

Description

고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법{METHOD OF SILICON DEPOSITION USING OF HDP-CVD}
본 발명은 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법에 관한 것으로서, 특히 수소(H2) 가스와 실란(SiH4) 가스를 함께 공급하여 증착 속도가 빠르고 우수한 특성을 갖는 폴리 실리콘 또는 비정질 실리콘을 증착할 수 있는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법에 관한 것이다.
최근 액티브 매트릭스 액정 표시 소자(Active Matrix Liquid Crystal Display:AMLCD)가 정보 디스플레이 및 휴대형 전자 소자 분야에서 각광을 받고 있다.
AMLCD는 박막 트랜지스터를 이용하여 정확한 계조 표시를 할 수 있도록 조정해 준다. 특히, 컬러 표시를 할 수 있는 기술이 개발되어 휴대형 개인 정보단말기나 슬림형의 데스크 모니터로서 광범위하게 적용되고 있다.
휴대형 노트북 컴퓨터와 TV 및 캠코더의 뷰파인더의 스위칭 소자로써 a-Si:H TFT는 기판 온도 300℃ 이하에서 증착이 가능하고 저가의 대면적 유리 기판을 사용할 수 있다는 이점이 있어 널리 사용되고 있다.
또한, a-Si:H TFT는 오프(off)상태에서의 누설 전류가 10-12A/㎛ 이하로 매우 낮아 액정 디스플레이의 적용시 이점이 있지만 후광 조사시 오프(off)전류가 높고 전계 효과 이동도가 1㎤/Vs 이하이기 때문에 주변회로의 일체화나 고속의 정보처리를 요구하는 동화상의 전달에는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.
이에 비해 100㎤/Vs이상이며 빛에 덜 민감한 폴리 실리콘(poli-silicon)은주변회로의 일체화 및 화소부 스위칭 소자의 크기 감소에 의한 개구율의 증가라는 장점이 있어 많이 연구되어지고 있다.
비정질 실리콘을 폴리 실리콘으로 제작하는 열처리 방법으로는 고상 결정화(Solid Phase Crystallization :SPC), 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing :RTA), 액상 결정화 (Lapid Phase Re-crystallization:LPR), 엑시머 레이저 열처리(Excimer Laser Annealing:ELA)법 등이 있다.
이 중에서도 대면적화가 용이하고 저온의 유리기판을 사용할 수 있는 ELA방법에 관한 연구개발이 활발하다. 엑시머 레이저의 경우 자외선 영역의 파장에서 시작물질을 결정화시킬 수 있기 때문에 중요한 기술로 인식되고 있다.
폴리 실리콘의 결정성 및 결정립 크기의 증가를 위한 연구의 일환으로 저온 공정이 가능한 레이저 열처리 방법이 활발하게 이루어졌다.
이러한 레이저 열처리에 의한 결정화의 핵심은 비정질 실리콘의 용융 후 고체화 과정에서 일어나는 열 전달(heat transfer)과 고체화 속도(solidification velocity)의 조절이다. 도 1a 내지 도 1b는 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 원자간의 결합은 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 도 1(a)은 단결정 결합을 도시하고, 도 1(b)은 비정질 내에 수소로 치유되어 있는 결합을 보여준다. 비정질 실리콘은 롱-레인지-오더가 없는 열역학적으로 준안정적(metastable)인 물질로 오랫동안 열역학적으로 불연속적인 상변태에 의해 결정상의 실리콘으로 된다. 가장 일반적으로 비정질 실리콘으로 바꾸는 방법은 다음과 같다.
초저압 화학 기상 증착법, 열처리에 의한 고상 재결정법, 급속 열처리에 의한 재결정법, 직접 증착법(PECVD, RPCVD, ECR-CVD), 엑시머 레이저 열처리법 등이 있다.
초저압 화학 기상 증착법의 경우 580℃ 내외에서 Si2H6가스를 사용하여 0.1 torr미만의 초저압 상태에서 기판에 폴리 실리콘을 직접 증착하는 방법으로 증착 온도가 비교적 높고, 증착된 폴리 실리콘의 결정화도가 낮고, 입자(grain)의 크기가 작은 단점이 있다.
열처리에 의한 고상 재결정법(Solid phase crystallization)의 경우는 450℃ 정도에서 비정질 실리콘을 LPCVD 또는 플라즈마 CVD법으로 증착한 후 고온로(furnace)에서 550℃내외의 온도에서 4~50 시간 열처리하여 고상 성장시키는 방법이다. 이 경우 폴리 실리콘의 박막의 표면 거칠기가 작은 장점이 있으나, 열처리 시간이 너무 길어 기판의 열 수축 가능성이 있고, 입자의 크기는 크지만 결정도가 그다지 좋지 않은 단점이 있다.
급속 열처리에 의한 재결정법(Rapid Thermal Annealing)의 경우 고상 결정법(Solid phase crystallization)의 경우와 마찬가지로 비정질 실리콘을 여러 가지 CVD법에 의해 증착한 후, 700℃ 근처나 850℃ 에서 수초이내에 혹은 초간 펄스로 광학적인(할로겐 램프) 기제로 열처리를 한다.
이 때, 유리 기판을 사용할 경우 손상과 재결정화된 폴리 실리콘의 잠재적인 스트레스가 커서 TFT에 응용하기 어렵게 된다.
직접 증착법의 경우는 종래 비정질 실리콘을 증착하는 조건에서 반응가스의비율을 변화시키고 플라즈마의 출력을 100W정도로 높여서 다결정 실리콘을 직접 증착하는 방법이다. 이 경우에는 300℃ 내외 저온에서 폴리 실리콘이 짧은 시간 동안 직접 증착하는 장점이 있으나, 결정화도가 낮고 입자의 크기가 균일하지 못한 단점이 있다.
엑시머 레이저 열처리법(Excimer Laser Annealing: ELA)에는 연속 발진 레이저(CW laser)를 사용하는 방법과 펄스 레이저(pulsed laser)를 사용하는 방법이 가능한데, 연속 발진 레이저를 사용하는 경우 저온 공정이 되려면, 10 ㎧ 정도의 매우 빠른 속도로 주사해 주어야 하는 공정상의 어려운 점이 있다.
펄스레이저의 경우 박막 가공에 유리한 흡수 깊이(absorbtion)가 짧은 UV 파장이 엑시머 레이저가 주고 사용된다. 이 경우 펄스간 안정도(pulsed-to-pulse stability)와 작은 레이저 빔 면적, 그리고 빔의 프로파일 평판도가 문제되고 있다.
최근 펄스가 안정도가 5%이내로 보장되는 엑시머 레이저의 개발과 레이저 빔 형태를 길고, 편평하게 만드는 광학계 기술이 발전되어 이 모든 문제들이 해결 가능성을 보임에 따라 산업계와 연구소에서는 엑시머 레이저를 사용해 유리 기판에 다결정 실리콘 박막을 제작하는 기술을 개발하고 있다.
그리고, 일반적으로 저압 화학기상 증착법으로 증착한 비정질 실리콘을 싱글 어닐링과 스텝 어닐링 방법을 이용하여 폴리 실리콘으로 결정화시킨다. 상기 스텝 어닐링 방법은 초기에 낮은 에너지로 결정화를 시킨 후에 높은 에너지의 레이저 펄스를 조사하여 재결정화를 시키는 방법이다.
또한, 스텝 어닐링한 시료는 싱글 어닐링한 시료에 비해서 표면의 거칠기가 다 작으며 표면 거칠기 정도는 약 40% 감소한다. 그러나 엑시머 레이저 어닐링법은 장비자체가 고가일 뿐만 아니라 앞의 여러 방법들처럼 비정질 실리콘을 증착한 후, 결정화를 해야 한다.
그러나, 상기와 같은 방법으로 비정질 실리콘의 증착후, 최종 증착되는 폴리 실리콘 박막의 특성이 떨어지고, 성능을 만족시키기 어려운 문제가 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 수소 (H2) 가스와 실란(SiH4) 가스를 함께 공급하여 증착 속도가 빠르고 우수한 특성을 갖는 비정질 실리콘을 증착할 수 있는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘 증착방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1b는 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 원자간의 결합은 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학증착기법을 이용한 실리콘 증착방법에 대한 순서도.
도 3a 내지 도 3b는 각각 ICP-CVD, TCP-CVD의 챔버 구조를 도시한 도면.
도 4는 기판 온도에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면.
도 5는 RF 파워와 기판 바이어스에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면.
도 6은 기판온도, 기판 바이어스, RF 파워의 소정 조건에 의한 XRD 분석 결과를 도시한 도면.
도 7은 수소 유량에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착법에 의한 실리콘 증착방법은,
수소(H2) 플라즈마를 공급하여 기저막의 표면처리를 하는 단계와;
상기 기저막의 표면처리를 한 후, 소정 조건으로 수소(H2)와 실란을 공급하는 단계와;
상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하면 폴리 실리콘이 증착하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 소정 조건으로 수소와 실란을 공급하는 단계에서 기판 온도, RF 파워, 기판 바이어스 및 수소의 유량을 소정값으로 정하여 공급하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 소정 조건으로 수소와 실란을 공급하는 단계에서 수소의 유량을 100 sccm 이상으로 공급하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 RF 파워를 제어하여 폴리 실리콘을 증착하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 기판온도를 300℃로 일정하게 유지하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하지 못하면 비정질 실리콘이 증착하는 단계와;
상기 비정질 실리콘의 증착 후, 열처리를 하여 결정화하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 열처리하는 방법으로는 챔버내의 기판 아래 쪽에서 직접 가열하여 결정화시키는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 열처리하는 방법으로는 고상 결정화, 급속 열처리, 액상 결정화, 엑시머 레이저 열처리법을 이용하여 결정화하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 실리콘을 증착하는 단계에서 실리콘 증착 기판으로 쿼츠(quartz), 유리기판, 플라스틱 및 여러 가지 금속 기판을 이용하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 수소(H2) 가스와 실란(SiH4) 가스를 함께 공급하여 증착 속도가 빠르고 우수한 특성을 갖는 폴리 실리콘 또는 비정질 실리콘을 증착할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학증착기법을 이용한 실리콘 증착방법에 대한 순서도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 수소(H2) 플라즈마를 공급하여 기저막의 표면처리를 하는 단계가 수행된다(S201).
이는 비정질 실리콘을 증착을 하기 전에 수소(H2) 플라즈마(plasma)를 충분한 시간동안 띄워서 기저막의 표면 처리를 하여 기저막과 실리콘 막 사이의 계면 특성을 좋게 하여 전계 효과 이동도(Field Effect Mobility), 누설전류(Leakage Current) 등의 전기적 특성을 제어한다.
이어서, 상기 기저막의 표면처리를 한 후, 소정 조건으로 수소(H2)와 실란을 공급하는 단계가 수행된다(S202). 그리고, 상기 수소와 실란의 공급이 소정 조건이면(S203), 폴리 실리콘이 증착되는 단계가 수행된다(S204).
이는 상기 수소와 실란이 공급되면 먼저 비정질 실리콘으로 증착되었다가 소정의 조건을 제공할 때 폴리 실리콘으로 변화하기 때문이다.
따라서, 상기 소정 조건으로 수소와 실란을 공급하는 단계에서 기판 온도, RF 파워, 기판 바이어스 및 수소의 유량을 소정값으로 정하여 공급하게 된다.
또한, 도 3a 내지 도 3b는 각각 ICP-CVD, TCP-CVD의 챔버 구조를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 수소(H2) 가스와 함께 실란(SiH4)을 챔버 내에 공급하여 고밀도 플라즈마를 형성시켜 화학반응을 촉진시키므로 증착 속도의 증가와 함께 박막의 특성이 우수한 폴리 실리콘을 증착할 수 있게 한다.
도 4는 기판 온도에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 480 ㎝-1부근에서 전형적인 브로드(broad)한 비정질 실리콘 피크(amorphous silicon peak)인 TO 피크(peak)가 관찰되고, 폴리 실리콘의 경우 520 ㎝-1근처에서 샤프(shape)한 결정질 피크의 TO 피크(peak)가 관찰된다.
그리고, 기판 온도가 일정 온도(300℃) 이상이 되면 비정질 실리콘 피크가 사라지면서 폴리 실리콘이 증착되는 것을 알 수 있다.
도 5는 RF 파워와 기판 바이어스에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, RF 파워 또는 기판 바이어스를 각각 제어하거나 상기 RF 파워과 기판 바이어스를 동시에 제어하여 폴리 실리콘이 증착되도록 한다.
도 6은 기판온도, 기판 바이어스, RF 파워의 소정 조건에 의한 XRD 분석 결과를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 기판온도를 300℃, 30mtorr, RF 파워를 1000W 의 조건으로 일정하게 유지하고, 수소와 실란의 조성비를 2:1 에서 12:1 까지로 변화시키면서 20분간 증착하였을 때의 결과이다.
따라서, 상기 분석 결과에 의하면 폴리 실리콘이 증착된 것을 알 수 있다.
그러나, 상기 분석 결과로는 정확한 실리콘 막의 특성을 얻기 어려워 라만 분광기로 보다 정확한 분석을 하면 다음과 같다.
도 7은 수소 유량에 따른 실리콘 증착의 라만 스펙트럼 분석의 결과를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 수소의 유량이 100 sccm 이상으로 공급되면 폴리 실리콘만이 증착되는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기와 같은 조건으로 실리콘을 증착한다면 열처리 공정없이도 폴리 실리콘층을 증착시킬 수 있다.
한편, 상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하지 못하면 비정질 실리콘이 증착하는 단계가 수행된다(S205).
여기서, 상기 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 수소(H2) 가스와 함께 실란(SiH4)을 챔버 내에 공급하여 고밀도 플라즈마를 형성시켜 화학반응을 촉진시키므로 증착 속도의 증가와 함께 박막의 특성이 우수한 비정질 실리콘을 증착할 수 있게 한다.
그리고, 상기 비정질 실리콘의 증착 후, 열처리를 하여 결정화하는 단계가 수행된다(S206).
여기서, 상기 비정질 실리콘을 증착한 후, 챔버(chamber)내에서 고진공 분위기 (10-5torr이상)로 기판 아래 쪽으로 직접 가열하여 결정화시킨다. 이 때, 기저막과 비정질 실리콘 막의 계면에 우선 열이 전달되어 계면에서 결정화가 시작되어 계면 특성이 우수해 질뿐만 아니라 열 전달 방향으로 결정화가 일어날 확률이 커져서입자 크기(grain size)를 더 키우는 데도 도움이 된다.
한편, 상기 열처리방법으로 다른 방법들로는 고상 결정화(Solid Phase Crystallization :SPC), 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing :RTA), 액상 결정화 (Lapid Phase Re-crystallization:LPR), 엑시머 레이저 열처리(Excimer Laser Annealing: ELA)법을 이용하여 결정화시킨다.
따라서, 수소(H2) 가스를 실란(SiH4)과 함께 소스 가스로 공급하고, ICP-CVD, TCP-CVD등의 고밀도 플라즈마 화학기상 증착법(HDP-CVD)으로 비정질 실리콘을 증착하고 열처리를 통해서 양질의 폴리 실리콘을 증착한다.
한편, 상기 실리콘을 증착할 때 사용하는 기판은 고밀도 플라즈마 화학기상 증착법이 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점이 있기 때문에 쿼츠(quartz), 유리기판, 플라스틱 및 여러 가지 금속 기판을 사용해도 그 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 비정질 실리콘 증착방법은 수소(H2) 가스와 실란(SiH4) 가스를 함께 공급하여증착 속도가 빠르고 우수한 특성을 갖는 폴리 실리콘 또는 비정질 실리콘을 증착할 수 있다.

Claims (9)

  1. 수소(H2) 플라즈마를 공급하여 기저막의 표면처리를 하는 단계와;
    상기 기저막의 표면처리를 한 후, 소정 조건으로 수소(H2)와 실란을 공급하는 단계와;
    상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하면 폴리 실리콘이 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소정 조건으로 수소와 실란을 공급하는 단계에서 기판 온도, RF 파워, 기판 바이어스 및 수소의 유량을 소정값으로 정하여 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 소정 조건으로 수소와 실란을 공급하는 단계에서 수소의 유량을 100 sccm 이상으로 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 RF 파워를 제어하여 폴리 실리콘을 증착하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 기판온도를 300℃로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수소와 실란을 공급하는 단계에서 소정 조건을 만족하지 못하면 비정질 실리콘이 증착하는 단계와;
    상기 비정질 실리콘의 증착 후, 열처리를 하여 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 열처리하는 방법으로는 챔버내의 기판 아래 쪽에서 직접 가열하여 결정화시키는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 열처리하는 방법으로는 고상 결정화, 급속 열처리, 액상 결정화, 엑시머 레이저 열처리법을 이용하여 결정화하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    실리콘을 증착하는 단계에서 실리콘 증착 기판으로 쿼츠(quartz), 유리기판, 플라스틱 및 여러 가지 금속 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법에 의한 실리콘 증착방법.
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