KR0151821B1 - 입자 생성이 억제된 실리콘의 화학 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본발명은 실란계 기체를 도입하여 플라즈마 화학증착에 의해 실리콘 박막을 형성하는 실리콘의 화학 증착 방법에 있어서, 사불화규소 또는 불소 기체를 실란계 기체와 함께 도입함으로써, 기상에서의 분말의 형성을 억제하고 실리콘 박막의 결정성을 향상시키는 실리콘 박막 증착 방법에 관한 것이다.

Description

입자 생성이 억제된 실리콘의 화학 증착 방법
제1도는 플라즈마 화학증착 장치의 개략도로서,
(a)는 원거리 플라즈마 화학증착 장치 ;
(b)는 평탄형 플라즈마 화학증착 장치를 나타내고 ;
제2도는 비정질 카본이 코팅된 직경 3 mm 의 전자 투과 현미경용 그리드의 개략도이고 ;
제3도는 플라즈마 화학증착시 불소 함유기체의 유량에 따라 발생되는 기상분말의 단위 면적당 갯수를 나타낸 그래프로,
(a)는 사불화규소의 경우이고 ;
(b)는 불소 기체의 경우이고 ;
제4도는 플라즈마 화학증착시 발생되는 기상분말의 투과 현미경 사진 및 X-선 회전 패턴으로,
(a)는 사불화규소가 첨가되지 않은 경우이고 ;
(b) 및 (c)는 사불화규소를 실란계 반응기체의 각각 20 및 30 몰배로 도입한 경우이다.
본 발명은 플라즈마 화학증착법에 의한 실리콘 박막 증착시 입자 생성을 억제시킬 수 있는 실리콘의 화학 증착 방법에 관한 것이다.
최근 다결정 실리콘 박막(polycrystalline Si film)이 박막 트랜지스터(TFT), 화상 센서 및 LSI 등 여러 용도에 사용되고 있다. 특히 다결정 실리콘 박막은 활성 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD) 분야에서 비정질 실리콘에 비해 전하 이동도가 빨라 선명한 화상을 얻을 수 있고 성능이 우수하기 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 이와 같이 AMLCD에 다결정 실리콘 박막을 사용하는 경우에는 저가의 유리기판을 사용하여 제조비용을 감소시킬 수 있도록 600 ℃ 미만의 저온에서 처리하는 것이 바람직하다. 그러나 저온에서는 원자 이동도가 낮고 불순물, 특히 산소가 혼입되므로 결정성 박막이 성장하기가 비교적 힘들다는 문제가 있다.
실리콘 박막은 주로 실란(SiH4) 또는 디실란(Si2H6) 등의 실리콘 수소화물로부터 성장시키는데, 경우에 따라서는 SiH2Cl2또는 SiCl4등의 실리콘 염화물로부터 성장시키기도 한다. 이 경우 Si-H 또는 H-Si-Cl 의 화학반응은 증착 및 기판 표면에서의 결정 성장에 있어서 중요한 역할을 한다.
저온 화학 증착시 플라즈마를 열원으로 사용하는 플라즈마 화학증착법은 크게 두가지로 나눌수 있는데, 직접 여기 플라즈마 화학증착법과 원거리 플라즈마 화학증착법이 있다. 전자는 기존에 널리 상업화되어 사용되는 방법이며, 후자는 전자의 방법에 있어서 플라즈마에 의해 기판이 손상되고 모든 반응기체가 분해되어 반응 제어가 어려운 점 등의 단점을 보완하기 위한 방법이다. 즉, 원거리 플라즈마 화학증착법에서는 반응기체와 플라즈마 여기 기체가 각각 플라즈마 비형성 지역과 형성 지역으로 도입되므로, 플라즈마 내에서 분해되어 형성되는 기상 화학종들의 제어가 가능하다고 할 수 있다. 하지만 두 경우 모두 증착 속도는 향상되었지만 활발한 기상 반응으로 인하여 기상에서 형성되는 분말이 문제점으로 부각되고 있다.
액정 디스플레이에 있어서 증착 공정시 기상 분말의 형성은 액정 디스플레이의 수율에 가장 치명적인 영향을 주는 인자이다. 액정 디스플레이에서는 유리기판을 사용하고 있는데, 플라즈마를 이용한 저온 박막 증착 공정시 기판위에 떨어진 입자는 각 단위 화소의 표시 소자 특성을 현격히 떨어뜨린다. 단위 화소에서의 결함은 디스플레이의 목적에 비추어 가장 우려되는 시각적인 결함으로 나타나게 되며, 나아가서 노우트북 컴퓨터와 같은 액정 디스플레이의 품질을 좌우하게 되는 인자이기도 하다.
이에 본 발명의 목적은 저온에서 플라즈마 화학증착에 의해 실리콘 박막을 제조할 때, 기상 반응에 의한 입자 생성을 억제하고, 불순물 들의 막내 혼입을 방지하여 실리콘 박막의 결정성을 향상시킬 수 있는 실리콘의 화학 증착방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본발명에서는 실란계 기체를 도입하여 플라즈마 화학증착에 의해 저온에서 실리콘 박막을 형성하는 실리콘의 화학 증착 방법에 있어서 상기 실란 기체와 함께 사불화규소 또는 불소기체를 도입하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 화학 증착 방법을 제공한다.
이하, 본발명에 대하여 상세히 설명한다.
본발명은 실란계 기체를 사용하여 플라즈마 화학증착에 의해 실리콘 박막을 제조할 때 사불화규소 또는 불소 기체를 첨가함으로써, 불소의 in-situ 화학적 세정효과로 산소의 혼입을 억제하는 동시에, 실란계 기체 및 수소와의 반응을 통하여 수소 등 불순물의 혼입이 방지되도록 한 것이다. 즉, 사불화규소나 불소 기체는 반응성이 좋으므로 수소와의 반응을 통한 HF의 생성 및 탈착에 의해 H 및 F 가 결정 성장표면을 가리는 정도가 작아져 표면의 원자 이동도를 향상시킬 수 있으며, 또한 실란계 기체와의 반응을 통한 SiF2의 생성 및 탈착에 의해 약한 비정질 조직을 선택적으로 에칭할 수 있게 된다. 이와 같이 불순물들이 혼입되지 않음에 따라 순수한 실리콘 막을 얻을 수 있으며, 결정성이 우수한 박막을 제조할 수 있다.
이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 플라즈마 화학증착 장치를 도시하고 있다. (a)는 플라즈마 형성 지역과 기판 위치가 떨어져 있는 원거리 플라즈마 화학증착 장치이며, (b)는 일반적으로 사용되고 있는 평판형 플라즈마 화학증착 장치로, 본발명의 방법은 두 장치 모두에 사용 가능하다. 원거리 플라즈마 화학증착 장치(a)를 사용할 경우 실란계 기체와 사불화규소(또는 불소 기체)는 별도의 유입구를 통해 도입되어 확산링(5)을 통해 확산된 후 기판(1)에 실리콘 박막이 증착된다. 이때 반응성이 좋은 사불화규소(또는 불소 기체)는 수소 기체 및 실란계 기체와 반응하여 HF 및 SiF2를 형성하게 된다. 평판형 플라즈마 화학증착 장치(B)를 사용할 경우에는 사불화규소(또는 불소 기체)와 실란계 기체가 같은 유입구로 도입되어 화학 증착이 일어난다. 미설명 부호 2는 기판 가열 장치, 3은 코일, 4는 플라즈마 발생관, 6은 플라즈마 발생 장치, 7은 압력계를 의미하고, P 는 펌프를 의미한다.
본발명의 방법에서 실란계 기체로는 실란, 디실란 등이 실리콘 수소화물, 및 실리콘 염화물도 사용할 수 있으나 실란 및 디실란이 바람직하다. 또한 본 발명에서 사불화규소 또는 불소 기체는 실란계 기체보다 과량으로 도입되는데, 실란계 기체의 20 내지 30 몰배로 도입되는 것이 바람직하다. 사불화규소 또는 불소 기체의 유량이 증가함에 따라 기상에서 형성되는 분말의 양은 감소되는데, 일단 사불화규소 또는 불소 기체의 유량이 10sccm 을 초과하면 플라즈마의 전력 등 기타의 작용변수들은 형성되는 분말의 양에 거의 영향을 미치지 않게 된다.
이하 실시예를 통하여 본발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
제1도의 (a)에 도시된 것과 같은 원거리 플라즈마 화학증착 장치(모델명 : RPECVD, 한국진공사제)의 압력을 2 × 10-6torr 의 진공상태로 유지시킨 후 실리콘 위에 산화막을 100 nm 성장시킨 웨이퍼를 반응기에 도입하였다. 기판을 반응기에 도입함과 동시에, 제2도에 도시한 바와 같이, 전자 투과 현미경의 박막 시편용으로 일반적으로 사용되는 직경 3 nm 의 그리드에 비정질 카본을 코팅한 그리드를 웨이퍼의 바로 옆에 위치하도록 하였다. 기판과 그리드의 도입이 끝난 후 반응기의 압력을 다시 2 × 10-6torr 로 조절하고, 동시에 기판의 온도를 실리콘 박막의 증착 온도로 높혔다. 기판의 온도는 k 형 열전대로 측정하였다.
수소 기체를 알루미나 튜브를 통해 100 sccm 의 유량으로 증착장치에 도입하고, 디실란은 플라즈마 형성 지역을 통과시켜 도입하여 반응압력인 0.4 torr 를 유지한 후, 사불화규소와 실란계 기체를 각각 10 sccm (표준 상태, ㎤/min) 및 5 sccm 의 유량으로 기체 확산링을 통하여 증착장치에 도입하고 플라즈마를 켰다. 플라즈마 전력은 100 Watt이하, 반응시의 온도는 250-450 ℃ 범위이며, 반응시간은 30 분에서 2 시간이었다. 기상에서 형성되는 기상분말은 그리드에 포집되며 증착된 실리콘 박막의 두께는 100-500 nm이었다. 그리드로부터 전자 투과 현미경 사진을 얻어 생성된 입자를 관찰하였으며 입자의 수를 계산하였다.
사불화규소(또는 불소)의 유량을 0, 10, 20, 30, 40 및 50 sccm 으로 변화시키면서 기체유량에 따른 기상분말 형성을 관찰하여 그 결과를 제3도에 나타내었다. 제3도는 불소함유 기체의 유량에 따라 발생되는 기상 분말의 단위 면적 당 갯수를 나타내는 그래프로, (a)는 사불화규소의 경우이고, (b)는 불소 기체의 경우이다. 이때 증착 온도는 430 ℃, 압력은 0.4 torr, RF 전력은 60 W 및 Si2H6/H2= 5/100 이었다. 제3도로부터 사불화규소 또는 불소 기체의 유량이 10-50 sccm 일 때 기상분말 형성이 현저히 줄어들었음을 알 수 있다.
또한 박막 성장과 동시에 형성되어 비정질 카본이 코팅된 전자 투과 현미경용 그리드 위에 포집된 분말의 형상과 결정성을 제4도에 나타내었다.
제4도의 (a)는 도입 기체의 유량 Si2H6/SiF4/H2가 5/0/100 sccm 인 경우 형성된 분말의 전자 투과 현미경 사진 및 회절 분석 결과로, 분말은 완전히 비정형임을 볼 수 있다. (b)와 (c)는 Si2H6/SiF4/H2가 각각 1/20/100 sccm 및 1/30/100 sccm 인 경우의 결과로, 사불화규소 유량의 증가는 증착막 표면 뿐 아니라 기상에서도 결정화를 촉진함을 볼 수 있다. 이때 증착 온도는 430 ℃, 압력은 0.4 torr 이었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 화학증착 방법은 사용되는 화학 증착 장치의 종류에 관계없이, 사불화규소 또는 불소 기체를 도입하는 것에 의해 결정성이 우수한 실리콘 박막을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 실란계 기체를 도입하여 플라즈마 화학증착에 의해 저온에서 실리콘 박막을 형성하는 실리콘의 화학 증착 방법에 있어서, 상기 실란계 기체와 함께 사불화규소 또는 불소 기체를 도입하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 화학 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사불화규소 또는 불소 기체가 실란계 기체의 20 내지 30 몰배로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
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