KR100340587B1 - 초극두께의다결정실리콘박막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단전자 소자등에 이용되는 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 관한 것이며, 그 목적은 초극두께의 단결정 실리콘 박막을 보다 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리콘 기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함 규소가스의 분해온도로 유지하면서 함규소가스를 주입하여 산화막위에 300-400Å의 비정질박막을 형성하는 단계; 상기 비정질박막이 형성된 기판을 산화성분위기에서 급속가열하여 900-1050℃의 온도에서 10-12초동안 유지하여 비정질박막의 50-100Å은 다결정화하고, 그 위의 비정질박막을 산화시키는 단계; 및 상기 다결정 실리콘 박막위에 형성된 산화층을 식각하여 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 초극두께의 다결정 실리콘 박막형성 방법에 관한 것을 요지로 한다.

Description

초극 두께의 다결정 실리콘박막 형성방법{A method for forming poly-Si thin film of ultra-thickness}

본 발명은 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 관한 것이로써, 보다 상세하게는 비정질박막 두께를 측정 및 제어가 용이한 두께만큼 형성한 다음, 필요없는 부분은 산화시켜 제거함으로써 보다 간편하게 초극두께의 다결정실리콘 박막을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다결정 실리콘은 집적회로, 센서, 초박막 트랜지스터, 태양전지 등의 반도체 산업에 폭 넓게 사용되고 있는 재료이다. 이제까지 다결정 실리콘은 그 박막의 결정립크기를 크게 하기 위한 연구가 주로 행하여져 왔다. 그러나, 최근 단전자 소자를 제조하는데, 초극두께의 다결정 실리콘 박막의 사용 가능성이 보고(Jpn. J. Appl. Phys. 34, (1995) 4485) 되면서, 결정립의 크기가 작고 표면거칠기 특성이 뛰어나면서 균일한 분포를 가지며, 박막이 두께가 초극화된 다결정 실리콘박막이 요구되고 있다.

이에, 본 발명자들은 대한민국특허출원 97-39726호에 50-100Å의 두께의 실리콘박막을 형성하는 방법을 제안한 바 있다. 이 방법은 도 1과 같이, 실리콘웨이퍼 기판(10)에 실리콘 산화막(11)을 형성한 후 이 산화막(11)위에 600℃이하의 온도에서 50-100Å의 비정질실리콘 박막(12)을 형성한 다음, 비정질실리콘이 형성된 기판을 급속열처리로(RTP furance)에서 급속가열하고 900-1000℃의 온도에서 수초동안 유지하여 다결정 실리콘박막(13)을 형성하는 것이다. 이 방법에 의하면, 결정립의 크기가 작고 표면거칠기 특성이 뛰어나면서 균일한 분포를 가지는 50-100Å 두께의 초극화된 다결정 실리콘박막이 제공된다. 그러나, 이 방법은 상기 비정질실리콘 박막을 형성하는 공정에서 비정질박막이 두께가 너무 얇기 때문에 정확한 박막두께의 측정 및 제어가 어려워 불균일한 다결정 실리콘박막을 얻을 수 있다. 특히, 단전자 소자 등 새롭게 개발되는 소자에 적용되기 위해서는 결정립크기가 미세화되는 것과 더불어 소자 작동시에 전자들이 터널링할 수 있는 균일한 초극두께의 단결정 실리콘박막이 필요한데, 이러한 소자에 유용하기가 어려운 문제가 있는 것이다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 보다 용이하게 초극두께의 다결정실리콘 박막을 형성할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래방법에 따라 다결정 실리콘박막의 형성과정을 나타내는 공정도이다;

도 2는 본 발명에 따라 다결정 실리콘박막의 형성과정을 나타내는 공정도이다;

도 3은 본 발명에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막에 대한 것으로서,

도 3(a)는 실리콘박막의 결정립 크기를 나타내는 사진이고,

도 3(b)는 실리콘박막의 결정립 분포를 나타내는 측정그래프이며

도 3(c)는 실리콘 박막의 표면거칠기를 나타내는 그래프이다.

도 4는 종래의 방법에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막에 대한 것으로서,

도 4(a)는 실리콘박막의 결정립 크기를 나타내는 사진이고,

도 4(b)는 실리콘박막의 결정립 분포를 나타내는 측정그래프이며

도 4(c)는 실리콘 박막의 표면거칠기를 나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 있어서, 실리콘 기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계;

상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함 규소가스의 분해온도로 유지하면서 함규소가스를 주입하여 산화막위에 300-400Å의 비정질박막을 형성하는 단계;

상기와 같은 두께의 비정질박막이 형성된 기판을 산화성분위기에서 급속가열하고 900-1050℃의 온도에서 10-12초동안 유지하여 이 비정질박막의 50-100Å은 다결정화하고, 그 위의 비정질박막을 산화시키는 단계; 및

상기 다결정 실리콘 박막위에 형성된 산화층을 식각하여 제거하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 비정질박막을 요구되는 다결정 실리콘박막이 크기 보다 두껍게 형성하여 측정 및 제어가 용이하게 비정질박막을 형성한 다음, 이 비정질박막중 필요없는 두께만을 산화방법으로 손쉽게 산화시키고, 이를 식각하여 제거함으로써, 공정제어가 용이하도록 하는데, 그 특징이 있다.

이와 같이 다결정 실리콘 박막을 형성하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)에 SiO₂산화막(21)을 형성하는 것이 필요하며, 이때의 산화막(21)형성은 통상의 방법인 건식산화법 및 습식산화법 어느 방법이나 가능하다. 다만, 산소밀도가 높은 건식산화법이 보다 바람직하다.

상기와 같이 산화막(21)이 형성된 실리콘기판(20)을 급속가열하고 함규소가스의 분해온도로 유지하면서 함규소가스를 주입하여 산화막위에 비정질박막(22)을 형성한다. 이때의 함규소가스는 SiH₄또는 SiCl₂H₂등이 있으며, SiH₄의 경우 분해온도는 560-620℃, SiCl₂H₂의 경우 450-550℃이므로 이 분해온도에서 산화막이 형성된 기판을 유지하여 비정질박막(22)을 300-400Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 SiH₄의 경우560℃미만으로 가열하면, SiH₄가 Si로 분해되는 반응이 잘 안 일어나고, 620℃이상의 경우 비정질층이 형성되지 않고 오히려 다결정층이 형성되기 때문이다. 그리고, 비정질박막의 두께가 300Å이하의 경우 비정질박막이 너무 많이 산화되어 원하는 두께의 다결정박막을 얻지 못할 수 있으며, 400Å이상의 경우 후속되는 산화성분위기의 다결정화 공정에서 결정립크기가 작은 것이 소멸되어 기공이 발생하고 결정립이 상대적으로 커져서 단전자 소자에 이용할 수 없게 되기 때문이다. 보다 바람직하게는 비정질박막(22)의 두께를 300-400Å으로 하는 것이다. 이와 같이 산화막위에 비정질박막(22)의 두께를 종래대비 두껍게 형성하면 비정질박막의 측정과 제어가 용이해진다.

본 발명에 따라 비정질박막(22)이 형성된 기판을 산화성분위기에서 급속가열하는데, 이때의 급속가열은 100℃/sec이상이 바람직하며, 이는 비정질박막이 다결정화될 때 결정립크기를 미세화하기 위한 것이다. 그리고, 산화성분위기는 비정질박막중 100Å이상의 두께를 산화시키기 위한 것이다.

상기와 같이 급속가열하고, 이 산화분위기에서 900-1050℃의 온도로 10-12초동안 유지함으로써 상기 300-400Å 두께의 비정질박막중 50-100Å은 다결정(23)화고, 그 위에 비정질박막은 산화시킨다. 이때, 산화층(24)의 두께제어는 유지온도에서 시간을 조절하여 제어하는 것이 정확한 제어가 되나, 본 발명에서 제시한 온도 및 시간에서 유지하면 50-100Å 범위의 다결정 실리콘박막(23)이 얻어진다. 즉, 900-1050℃의 온도범위에서 10-12초 유지하는 것이 필요하며, 그 이유는 이 짧은 시간내에서 900℃미만의 경우 비정질이 다결정화되지 않으며, 1050℃를 넘으면 산화되는 량이 많아져 적정두께의 다결정 실리콘박막을 얻을 수 없고, 결정립이 조대화 된다. 그리고, 유지시간이 10초 미만이면 산화량이 부족해 적정두께의 다결정 실리콘 박막을 얻을 수 없으며 12초를 넘으면 반대로 너무 많이 산화되기 때문이다. 상기와 같이 다결정 실리콘 박막(23)위에 산화층(24)이 형성된 기판을 식각용액에 침지하여 산화층(24)을 식각하여 제거하면 본 발명이 완성되며, 이때의 식각은 실리콘 산화막을 식각할 때 사용하는 통상의 방법으로 하면 된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

1050℃에서 건식산화방법에 의해 1000Å정도의 SiO₂산화막을 p형(100) 방향인 실리콘 기판에 형성한 후, 급속 CVD(Chemical Vapor Deposition)에서 300℃/min의 승온속도로 580℃까지 승온한 후 약 6분유지하면서 SiH₄개스를 주입하여 산화막위에 300Å 두께의 비정질 실리콘 막(발명재) 및 100Å두께의 비정질 실리콘막(종래재)을 얻었다. 이때 급속 CVD 벨자(Belljar)내의 압력은 0.1-10torr 범위로 조절하였고, 온도가열은 실리콘 기판만을 가열하는 SiC 발열체 히터를 사용하였다.

상기와 같이 증착이 끝난 후 RTP 시스템(Rapid thermal process system)를 이용하여 100℃/sec의 속도로 가열하고, 1000℃의 온도에서 10초동안 산화성 고순도의 산소분위기로 유지하여 다결정 실리콘박막위에 200Å두께의 산화층이 형성된 기판을 얻은 다음 산화층을 식각하여 제거하였다(발명재).

상기에서 얻은 비교재인 비정질실리콘 박막이 형성된 기판을 100℃/sec의 속도로 가열하고, 1000℃의 온도에서 10초동안 환원성 분위기로 유지하여 비정질 실리콘을 다결정화시킨 다결정 실리콘박막을 얻었다.

이와 같이 하여 제조된 발명재 및 비교재의 다결정실리콘박막을 AFM(Atomic Force Microscopy)으로 결정립크기 분포 표면거칠기를 측정한 다음 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3 및 도 4에 나타난 바와같이, 발명재 및 종래재 모두 결정립크기 100-150Å이고, 표면거칠기 2.5-3.5Å으로 비슷한 물성을 가지고 있었다. 이와 같이 본발명은 다결정 실리콘박막의 특성을 동등수준을 갖도록 하면서도 균일한 초극 두께의 다결정 실리콘박막을 쉽게 형성할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 다결정 실리콘 박막의 결정립이 미세화 및 균일하게 분포시킬 수 있음은 물론 초극 두께의 다결정 실리콘 박막의 쉽게 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조되는 다결정 실리콘박막은 균일한 초극 두께를 가지므로 단전자 소자 등에 적용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 있어서,

   실리콘 기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계;

   상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함 규소가스의 분해온도로 유지하면서 함규소가스를 주입하여 산화막위에 두께 300-400Å의 비정질박막을 형성하는 단계;

   상기와 같은 두께의 비정질박막이 형성된 기판을 산화성분위기에서 급속가열하여 900-1050℃의 온도에서 10-12초동안 유지하여 비정질박막의 50-100Å은 다결정화하고, 그 위의 비정질박막을 산화시키는 단계; 및

   상기 다결정 실리콘 박막위에 형성된 산화층을 식각하여 제거하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초극두께의 다결정 실리콘 박막형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화막이 형성된 기판의 급속가열은 100℃/min 이상의 승온속도로 행함을 특징으로 하는 초극두께의 다결정 실리콘 박막형성 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 함규소 가스는 SiH₄이고, 이때의 유지온도는 560-620℃임을 특징으로 하는 초극두께의 다결정 실리콘 박막형성 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 비정질 박막이 형성된 기판의 급속가열은 100℃/sec 이상의숭온속도로 행함을 특징으로 하는 초극두께의 다결정 실리콘 박막형성 방법.

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