KR100480500B1 - 절연막의 저온 증착법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라스틱과 같이 내열성이 낮은 기판 상에 고품위의 절연막을 증착할 수 있도록 하는 저온 증착 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 방법은 a) 플라즈마에 의해 절연물질 전구체를 포함하는 반응기체를 기판 상에 증착하여 절연막을 형성하는 단계; 및 b) 반응기체 공급을 중단하고 플라즈마 처리만을 단독으로 실시하는 단계;를 포함하며, 절연막이 소정 두께에 도달할 때까지 상기 a) 및 b) 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

Description

절연막의 저온 증착법{PROCESS FOR DEPOSITING INSULATING FILM ON SUBSTRATE AT LOW TEMPERATURE}
본 발명은 화학 증착에 의한 절연막 증착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라스틱과 같이 내열성이 낮은 기판 상에 고품위의 절연막을 증착할 수 있도록 하는 저온 증착 방법에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)와 같이 평판 표시소자에 사용되는 장치는 일반적으로 금속으로 전극 및 배선을 형성하고, 비정질 규소를 박막 트랜지스터의 채널층으로 사용하며, 절연막으로 산화규소, 질화규소 등을 기판 상에 증착하여 제조된다.
금속, 질화규소, 산화규소 등 여러 가지 재질의 박막은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의해 형성될 수 있다. CVD 공정은 여러 가지의 반응물을 자체의 증기압을 이용하거나 운반 기체에 실어서 기체 상태로 반응기 내부로 도입하여 기상에서 확산, 표면 흡착, 표면 반응, 표면 확산, 핵생성, 박막성장 및 탈착 등의 복합적인 과정을 통하여 원하는 성분과 형태의 박막을 주어진 기판 위에 제조하는 공정을 말한다.
이와 같은 CVD 공정에 의해 제조되는 박막은 비교적 저온에서 형성이 가능하다는 점, 조성의 제어가 가능하다는 점, 신물질의 합성이 가능하다는 점, 그리고 선택적인 증착이 가능하다는 장점이 있다.
기판의 재질로는 글래스, 석영과 같은 절연성 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 반도체 기판, 플라스틱 기판이 있을 수 있는데, 가격과 내열성, 용도에 따라 글래스 기판 또는 실리콘 기판이 널리 사용되고 있다.
즉, 플라스틱 기판은 가볍고 저렴하다는 장점이 있지만, 플라스틱의 특성상 140℃ 이상의 온도에서 증착 공정을 수행하는 것은 불가능한 것으로 알려져 있어 플라스틱 기판의 실용화에는 한계가 있으며 이를 극복하기 위하여 증착온도를 100℃ 내외로 낮출 수 있는 공정이 필요한 실정이다.
현재까지 개발된 저온 증착 공정은 반응기체를 극도로 희석시켜서 박막의 특성을 개선시키는 방법이 있는데, 저온 증착으로 인하여 박막 내에 불순물 함량이 높고 치밀한 절연막이 형성되지 않아 고온에서 증착한 것과 동일한 수준의 우수한 품질을 얻는데는 한계가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 100℃ 이하의 저온 증착 공정으로 불순물 함량이 낮고 치밀한 구조를 갖는 고품위의 절연막을 형성할 수 있도록 하여 플라스틱 기판의 실용화가 가능하도록 하는 것이다.
본 발명은 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,
a) 플라즈마에 의해 절연물질 전구체를 포함하는 반응기체를 기판 상에 증착하여 절연막을 형성하는 단계; 및
b) 반응기체 공급을 중단하고 플라즈마 처리만을 단독으로 실시하는 단계;를 포함하며,
절연막이 소정 두께에 도달할 때까지 상기 a) 및 b) 단계를 반복하는 절연막 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 기판은 플라스틱 재질일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 b)단계에서 반응기체의 공급을 중단한 후 반응기체를 퍼징하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 a) 단계는 상온 내지 100℃에서 실시될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 절연물질 전구체는 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 테트라메틸오르토실리케이트(TMOS), 테트라프로필오르토실리케이트(TPOS) 및 테트라부틸오르토실리케이트(TBOS)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 a) 단계에서 일회에 증착되는 절연막의 두께는 3 내지 12 nm 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 b) 단계의 플라즈마 에너지가 상기 a) 단계의 플라즈마 에너지보다 낮은 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 a) 단계는 60 내지 100 와트, 상기 b)단계는 20 내지 60 와트의 플라즈마 에너지에서 실시될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 플라즈마는 산소 또는 산소 함유 기체에 의해 여기될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 산소 함유 기체는 산소/헬륨, 산소/아르곤 및 산소/질소로부터 선택될 수 있다.
이하 본 발명은 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 절연막 증착 방법은 절연체 전구물질을 저온 증착하여 적정 두께의 산화막을 형성한 후 플라즈마를 처리를 반복적으로 실시함으로써 박막내 불순물을 제거하고 산화막의 치밀도를 향상시킴으로써 기존의 저온 증착 공정이 보유하고 있던 문제점을 해결한 것을 특징으로 한다.
저온 화학증착시 플라즈마를 열원으로 사용하는 플라즈마 화학증착법은 크게 두가지로 구분될 수 있는데, 직접 여기 플라즈마 화학증착법과 원거리 플라즈마 화학증착법이 있다. 전자는 기존에 널리 상용화된 방법이며, 후자는 전자의 방법에 있어서 플라즈마에 의해 기판이 손상되고 모든 반응기체가 분해되어 반응제어가 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. 본 발명에 의한 절연막 증착 방법은 직접 여기 또는 원거리 플라즈마 화학증착법 모두 제한없이 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시 태양으로서 테트라에틸오르토실리케이트 (TEOS)를 저온 증착하는 경우를 설명한다. 먼저 TEOS를 1.2∼20 sccm의 유량으로 하여 80 와트의 플라즈마 에너지 인가하에서 적정 두께의 산화규소막을 증착한다. 이때 증착 온도는 상온∼250℃로 할 수 있기 때문에 플라스틱과 같이 내열성이 약한 기판에도 성공적으로 증착될 수 있다. 이후 약 1분간 반응기체를 퍼징한 후 플라즈마 에너지를 약 40와트로 낮추어 산소/헬륨 기체를 이용하여 플라즈마 처리한다. 플라즈마 처리 시간은 증착조건에 따라 결정되나, 바람직하게는 약 1분 정도이다. 이 단계는 전단계에서 증착된 산화막내 불순물을 제거하고 막질을 치밀하게 하기 위한 것이다. 산소 플라즈마 처리후 다시 TEOS를 적정 두께로 증착하고 플라즈마 처리하는 과정을 반복하여 원하는 두께의 절연막을 얻는다.
이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
플라즈마 화학증착 장치(오토전기사의 RF 플라즈마 ST-350)내에 플라스틱 기판을 설치한 후 챔버의 압력은 1 torr로 설정하였다. 증착온도는 50℃로 하였다. TEOS, 산소 및 헬륨의 유량은 각각 1.2 sccm, 200 sccm 및 120 sccm으로 하고 80 와트의 플라즈마 에너지를 인가하여, 기판 상에 6nm 두께의 산화규소막을 증착하였다. TEOS 공급을 중단하고 1분간 퍼징한 후 40 와트의 플라즈마 에너지로 산소 플라즈마 처리를 1분 동안 실시하였다. 1차 플라즈마 처리가 종료된 후 다시 TEOS를 공급하고 플라즈마 에너지를 80와트로 올려 6 nm의 산화규소막을 더 증착하였다. 그 후 전술한 바와 동일한 방법으로 산소 플라즈마 처리를 실시하는 방식으로 절연막의 두께가 100 nm로 될 때까지 상기 과정을 반복하였다.
<실시예 2∼5>
증착 온도를 각각 100, 150, 200 및 250℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 기판 상에 증착된 절연막을 얻었다.
<비교예 1∼5>
산소 플라즈마 처리를 실시하지 않고 한번에 100 nm의 절연막을 증착한 것을 제외하고는 실시예 1∼5와 동일한 방법으로 플라스틱 기재상에 증착된 산화규소 절연막을 얻었다.
막내 탄소 및 수소 함량에 대한 SIMS 분석결과
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 절연막에 대하여 막내 탄소 및 수소 함량을 SIMS 분석(cameca TMS-6f)한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 의하면, 증착온도가 감소함에 따라 막내 탄소 및 수소 함량이 많아지는 것을 알 수 있다. 이는 낮은 증착온도에 의하여 TEOS의 반응이 완전히 이루어지지 않아 미반응 탄소 및 수소가 막내에 잔류하기 때문이다. 그러나, 증착중 주기적으로 산소 플라즈마 처리를 실시한 실시예의 경우는 이와 같은 미반응 탄소 및 수소의 함량, 즉 불순물의 함량이 크게 감소하였음을 알 수 있다.
절연막의 전기적 특성
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 절연막에 대하여 커패시턴스-전압 특성을 분석한 결과이다(분석기기: HP 4275 multi-frequency LCR meter). 도 3으로부터, 절연막 증착 중 산소 플라즈마 처리를 주기적으로 실시한 실시예의 경우 히스테리시스 현상과 박막내 불순물 증에 의해 형성되는 커패시턴스 왜곡현상이 소멸되어 전기적으로 우수한 절연막이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 커패시턴스 커브가 0 볼트 쪽으로 1 볼트 이상 이동하여 막내 존재하는 양의 전하를 띠는 불순물이 제거되었음을 보여준다.
이상의 결과로부터, 절연막의 저온 증착 후 주기적인 산소 플라즈마 처리를 반복하는 본 발명의 방법은 불순물 함량이 대폭 감소되고 전기적 특성 또한 우수하여 게이트용 절연막으로서도 손색없는 산화막을 저온에서 형성가능하여, 플라스틱과 같이 내열성이 약한 기판에 고품위의 절연막을 형성할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 공정을 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 박막에 함유된 탄소 및 수소 불순물에 대한 SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) 분석 결과이다.
도 3은 본 발명에 실시예 및 비교예에 의한 박막에 대한 커패시턴스-전압 분석 결과이다.

Claims (10)

  1. a) 플라즈마에 의해 절연물질 전구체를 포함하는 반응기체를 기판 상에 증착하여 절연막을 형성하는 단계; 및
    b) 반응기체 공급을 중단하고 플라즈마 처리만을 단독으로 실시하는 단계;를 포함하며,
    절연막이 소정 두께에 도달할 때까지 상기 a) 및 b) 단계를 반복하는 절연막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 b)단계에서 반응기체 공급을 중단한 후 반응기체를 퍼징하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계는 상온 내지 100℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 절연물질 전구체는 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 테트라메틸오르토실리케이트(TMOS), 테트라프로필오르토실리케이트 (TPOS) 및 테트라부틸오르토실리케이트(TBOS)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계에서 일회에 증착되는 절연막의 두께는 3 내지 12 nm 인 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 플라즈마 에너지가 상기 a) 단계의 플라즈마 에너지보다 낮은 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계는 60 내지 100 와트, 상기 b)단계는 20 내지 60 와트의 플라즈마 에너지에서 실시되는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 산소 또는 산소 함유 기체에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법
  10. 제9항에 있어서, 상기 산소 함유 기체는 산소/헬륨, 산소/아르곤 및 산소/질소로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 절연막 증착 방법.
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