KR100341059B1 - 다결정실리콘박막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단전자 소자등에 이용되는 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 관한 것이며, 그 목적은 극미세결정립을 가지고 균일한 분포를 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리콘기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함규소가스를 주입하여 산화막위에 비정질박막을 형성하는 단계; 및 상기 비정질박막이 형성된 기판을 환원성 분위기하에서 급속가열하여 다결정화시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 다결정 실리콘박막의 형성방법에 관한 것을 요지로 한다.

Description

다결정 실리콘 박막 형성방법{A Method for Forming Poly-Crystalline Silicon Thin Film}

본 발명은 단전자 소자등에 이용되는 다결정 실리콘 박막의 형성방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 극미세 결정립을 가지며 균일한 분포를 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다결정 실리콘은 집적회로, 초박막 트랜지스터, 태양전지 등의 반도체 산업에 폭 넓게 사용되고 있는 재료이다. 이러한 다결정 박막은 그 결정립의 크기를 크게 하는 연구가 주로 행해지고 있다.

그러나, 최근 단전자 소자를 제조하는데 극초박막 다결정 실리콘의 사용 가능성이 보고(Jpn. J. Appl. Phys. 34, (1995) 4485) 되면서, 결정립의 크기가 작고 표면거칠기 특성이 뛰어나며 균일한 분포를 가지는 다결정박막을 형성하는 방법이 요구되고 있다.

종래, 결정립크기가 작은 단결정 실리콘 박막을 형성하는 방법으로는, 600℃이상의 온도에서 실리콘 기판에 다결정 실리콘 박막을 직접형성하는 방법(Jr. phys. Rev. B, 14(1976) 479)이 있는데, 상기 방법은 박막의 결정질이 떨어지고 표면거칠기가 나쁜 문제점이 있다.

또 다른 방법으로 실리콘기판에 산화막을 형성하고, 이후 580℃이하에서 비정질 박막을 형성한 다음, 약 600℃로 유지되는 전기로에 비정질 박막이 형성된 실리콘 기판을 집어넣어 열처리하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 실리콘 박막의 결정립을 약 800Å정도로 작게하고, 표면거칠기 특성이 좋아지나 결정립분포가 불균일한 문제점이 있다. 특히, 단전자소자등 새로운 소자의 개발에 필요한 기판재료에 적용되기 위해서는 결정립크기가 보다 미세화되는 것이 필요한데, 이에 부응하기에는 결정립의 크기가 다소 큰 편이다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 급속열처리에 의하여 비정질박막을 형성한 후, 다시 급속열처리에 의해 열처리를 함으로써 결정립의 크기가 보다 미세화되고 결정립의 분포가 균일하면서도 표면거칠기는 동등 수준을 유지하는 다결정 실리콘 박막 형성방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1(a)는 본발명에 따라 형성된 다결정 실리콘박막의 X선 회절분석도

도 1(b)는 종래방법에 따라 형성된 다결정 실리콘박막의 X선 회절분석도

도 2(a)(b)는 본 발명에 따라 형성된 다결정 실리콘박막의 결정립 크기와 분포 그리고 표면거칠기를 나타내는 측정도

도 2(c)(d)는 종래방법에 따라 형성된 다결정 실리콘박막의 결정립크기와 분포 그리고 표면거칠기를 나타내는 측정도

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다결정 실리콘 박막 형성방법에 있어서, 실리콘기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계;

상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함규소 가스를 주입하여 산화막위에 비정질박막을 형성하는 단계; 및

상기 비정질박막이 형성된 기판을 환원성분위기하에서 급속가열하여 다결정화시키는 단계; 를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 미세결정립을 가지며 균일한 분포를 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성하기 위해서는, 우선, 실리콘 기판에 SiO₂산화막을 형성하는데, 이때 산화막을 형성하는 통상의 방법은 건식산화법 및 습식산화법이 있다. 본 발명은 상기 어느 방법이나 가능하나 산소밀도가 높은 건식산화법이 보다 바람직하다.

상기와 같이 산화막이 형성된 실리콘기판을 급속가열하여, 산화막위에 비정질박막을 형성한다. 이때의 급속가열은 종래의 가열속도인 10-20℃/min 보다 빠른속도로 가열만 하면 박막의 두께를 얇게 가져가는데 유리하게 작용하는데, 그 효과가 보다 우수한 구체적인 가열속도는 100℃/min 이상으로 하는 것이다.

이와같이 급속가열된 기판에 함규소 가스를 주입하여 비정질 박막을 형성하면, 종래의 저속가열에 비해 비정질의 성장속도가 억제되어 비정질 박막의 두께를 제어하기가 용이한 잇점이 있다.

상기와 같이 빠른속도로 일정온도까지 가열하여 함규소가스를 주입할때의 일정온도는 함규소 가스의 분해반응온도에 따라 변한다. 함규소가스의 예로 SiH₄또는 SiCl₂H₂를 들 수 있는데, 이때 SiH₄의 경우 가열온도는 560-620℃, SiCl₂H₂의 경우 450-550℃ 설정하는 것이 필요하다. 그 이유는 560℃미만으로 가열하면, SiH₄가 Si로 분해되는 반응이 잘 안일어나고, 620℃이상의 경우 비정질층이 형성되지 않고 단결정층이 형성되기 때문이다.

상기와 같은 방법으로 형성되는 비정질박막의 두께는 50-100Å로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 50Å 미만의 비정질박막이 형성되는 경우 박막층에 기공이 형성될 수 있으며, 100Å이상의 비정질 박막이 형성되면 단전자소자에 적합하지가 않다.

본 발명은 상기와 같이 비정질 박막이 형성된 기판의 결정립을 미세화하기 위해 종래의 전기로 가열방식과 달리 급속가열하는데, 그 특징이 있다.

이때의 급속가열속도는 급속열처리장치에서 행하는 통상의 속도로 급속가열하면 종래에 비해 결정립이 미세화되는 효과가 있으며, 구체적으로 100℃/sec 이상으로 하는 것이 결정립 미세화 효과측면에서 보다 유리하다.

그리고, 가열온도는 다결정이 형성되는 온도에서 시간을 조절하여 다양하게 설정될 수 있는데, 결정립미세화 측면과 결정립이 균일한 분포를 위해서 900-1000℃의 온도범위에서 5초이상 가열하는 것이 보다 바람직하다.

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 상기 산화막 상에 580℃에서 SiH₄개스를 이용하여 560Å 두께의 비정질 실리콘 막을 증착하였다. 이때 승온속도는 300℃/min 이었으며, 벨자(Belljar)내의 압력은 0.1-10torr 범위로 조절하였고, 온도가열은 실리콘 기판만을 가열하는 SiC 발열체 히터를 사용하였다. 비정질실리콘막을 560Å 두께의 후막으로 한 것은 조직을 SEM(주사전자현미경)으로 알아보기 위한 것이다.

상기와 같이 증착이 끝난 후 RTP 시스템(Rapid Thermal Process System)를 이용하여 950℃, 1050℃의 온도에서 각각 5초동안 열처리를 하여 다결정 실리콘 막을 형성한 다음 X선회절을 분석하고 도 1(a)에 각각 나타내었다. 이때, 급속열처리 장치시 승온속도는 100℃/초였다.

본 발명의 비교예로써, 상기와 같이 비정질 실리콘 막이 증착된 기판을 종래열처리 조건과 같이, 650℃로 유지된 전기로에 집어넣어 120분간 열처리 한 후 X선 회절을 분석하고 도 1(b)에 나타내었다.

즉, 도 1(a) 및 (b)에 나타난 바와같이, 발명재 및 비교재 모두 비정질 실리콘의 결정화가 진행되어 (111),(220),(311) 등의 결정립이 성장하고 있슴을 알 수 있었다. 이 결과로 부터 알 수 있듯이, 본 발명의 급속열처리에 의해 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성이 통상의 전기로 방법에 의해 형성된 결정성과 같은 수준임을 알 수 있었다.

한편, 상기 본 발명에 따라 950℃에서 30초동안 열처리한 발명재 및 650℃에서 120분간 열처리한 비교재를 AFM(Atom Force Microscope)로 측정하고, 그 결과를 도2에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와같이, 비교재는 결정립 평균크기가 800Å정도 였으나(도 2(b)), 발명재는 약 300Å 정도로 결정립크기가 약 ⅓정도였으며, 결정립의 크기도 작고 균일하게 분포하고 있었다(도 2(a)). 이때의 표면거칠기는 발명재, 비교재 모두 4.5Å정도로 비슷함을 알 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 다결정 실리콘 박막의 결정립이 미세화 및 균일하게 분포시킬 수 있는 다결정실리콘 박막 형성방법을 제공할 수 있으며, 본 발명에 의해 형성된 다결정 실리콘 박막은 단전자 소자 등에 적용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 다결정 실리콘 박막형성 방법에 있어서,

   실리콘 기판에 SiO₂산화막을 형성하는 단계;

   상기 산화막이 형성된 기판을 급속가열하고, 함 규소가스를 주입하여 산화막위에 비정질박막을 형성하는 단계; 및

   상기 비정질박막이 형성된 기판을 환원성분위기하에서 급속가열하여 다결정화시키는 단계; 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화막이 형성된 기판의 급속가열은 100℃/min 이상의 승온속도로 행함을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 급속가열온도는 560-620℃이고, 함규소 가스는 SiH₄임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 비정질박막의 두께는 50-100Å임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막형성방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 비정질 박막이 형성된 기판의 급속가열은 100℃/sec 이상의숭온속도로 행함을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 비정질 박막이 형성된 기판의 급속가열은 900-1000℃에서 5초 이상 행함을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성방법.

Images