KR101092134B1 - 박막 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 박막 제조장치는 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 진행하기 위한 챔버 내에, 기판 지지부 및 공정가스 분사부를 둘러싸는 형태의 오염 방지부를 추가로 설치한 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명은 오염 방지부를 이용하여 챔버 내의 가열부, 차단부, 챔버의 내측벽 등을 플라즈마 화학기상증착 공정으로 인한 오염으로부터 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 인시튜로 다결정 실리콘 박막으로 결정화하여 다결정 실리콘 박막의 결정성을 향상시킬 수 있고, 상기 다결정 실리콘 박막 상에 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 다결정 실리콘 박막과 게이트 산화막의 계면 특성을 향상시키고 게이트 산화막 내의 결함을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 챔버의 외측벽 또는 내측벽에 쥴열 발생부를 추가로 설치하여 가열부로부터 기판에 전달되는 열의 전달 효율을 높여줌으로써 레이저를 이용한 결정화 장치와 같은 고가의 결정화 장치를 사용하지 않으면서도 고상 결정화 공정으로 결정성이 우수한 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 결정화, 게이트 산화막, 열산화막, 증착 산화막, 쥴열 발생부, 가열부, 오염 방지부, 열전달

Description

박막 제조장치{apparatus for manufacturing thin film}
도 1은 본 발명에 의한 박막 제조장치를 나타낸 개략 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 다른 박막 제조장치를 나타낸 개략 구성도.
본 발명은 박막 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속유도결정법에서 비정질 실리콘 박막 위에 별도의 금속 흡착 공정을 생략한 고상결정화(Solid silicon thin film) 방법을 이용하여 비정질 실리콘 박막(amorphous silicon thin film)을 다결정 실리콘 박막(polysilicon thin film)으로 결정화함으로써 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위한 다결정 실리콘 박막과 게이트 산화막의 계면 특성을 향상함과 아울러 결정성이 우수한 다결정 실리콘 박막의 결정화가 가능하도록 한 박막 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(polysilicon thin film transistor)의 특성은 액티브(active) 층의 채널 특성에 의해 큰 영향을 받고, 상 기 채널의 특성은 상기 액티브 층을 구성하는 다결정 실리콘 박막의 특성과, 상기 액티브 층과 게이트 절연막 사이의 계면 특성에 의해 좌우된다. 그러므로, 우수한 특성을 갖는 다결정 실리콘 박막 및 게이트 절연막의 제조기술이 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 핵심 기술이라고 주장할 수 있다. 다결정 실리콘 박막의 형성에 관하여, 다결정 실리콘 결정립의 크기를 증가시켜 결정립계의 트랩(trap)을 감소시키며 결정립 내의 결함을 감소시키는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 특히, 레이저 결정화 방법과 금속유도 결정화 방법에 대하여 활발한 연구가 진행되고 있는 중이다.
다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조에서, 액티브 층 형성 공정에 뒤이어 실시하는 게이트 절연막 형성 공정은 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위한 소자의 전류 구동력과 신뢰성을 결정하는 매우 중요한 공정이다. 고온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 게이트 절연막 제조공정은 일반적으로 반도체 제조공정에서 실시하는 열산화공정을 채용하고 있는 반면에, 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 게이트 절연막 제조공정은 600℃ 이하의 저온 공정을 사용하여야 하므로 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 공정, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정, 스퍼터링(sputtering) 공정 등과 같은 증착공정을 주로 사용한다. 상기 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조공정은 이외에도 APCVD(atmosphere pressure chemical vapor deposition) 공정 또는 ECR(electron cyclotron resonance) CVD 공정을 사용할 수 있다. 상기 PECVD 공정 은 SiH4/N2O, TEOS 가스 등을 사용하고 있으며, 대면적의 기판에 유리한 장점이 있는 반면에 상당한 양의 수소가 첨가될 뿐만 아니라 플라즈마에 의한 상기 액티브 층과 게이트 절연막 사이의 계면 결함이 발생하기 쉬운 단점이 있다.
하지만, 증착법은, 최초의 다결정 실리콘 표면이 최종의 다결정 실리콘/산화막(SiO2) 계면이 되므로 다결정 실리콘 표면의 오염 등에 의한 영향을 많이 받아 계면 트랩 밀도가 높은 단점이 있다. 또한, 계면 특성을 여러 가지의 처리 기술을 통하여 개선시킬 수가 있지만 다결정 실리콘의 표면 상태가 계면 트랩에 큰 영향을 미치기 때문에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위한 소자의 특성을 제어하기가 어려운 단점이 있다.
이와 달리, 열산화 방법은 다결정 실리콘/산화막(SiO2) 계면이 새롭게 형성되므로 양호한 계면 특성을 얻을 수가 있다. 열산화막은 로(furnace) 또는 급속 열처리(rapid thermal annealing: RTA) 공정으로 800℃ 이상의 고온 및 산소 분위기를 유지하면서 성장될 수 있으나, 고온에 노출되는 시간이 길어질 경우 디스플레이용 유리 기판의 수축, 팽창의 위험이 뒤따른다. 유리 기판의 손상 없이 열산화막을 성장 가능한 두께는 통상의 게이트 절연막에 요구되는 두께 수준을 충족할 수 없으므로 보통의 경우 열산화막을 수십 Å의 두께로 성장시킨 후 PECVD, APCVD 또는 LPCVD 등의 증착공정을 이용하여 게이트 절연막을 일정 수준 이상의 두께로 형성한다. 그러나, 열산화막의 성장 후에 절연막 증착 공정을 진공 파괴 없이 인시튜(in-situ) 상태로 진행하지 않으면, 양질의 열산화막과 증착 산화막으로 구 성된 2층 구조의 게이트 절연막을 확보하기가 어렵게 된다. 게이트 절연막에 포함된 불순물은 전하, 예를 들어 옥사이드 트랩 전하(oxide trapped charge), 고정성 옥사이드 전하(fixed oxide charge), 이동성 이온 전하(mobile ionic charge)로서 작용하여 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 동작 전압을 높이고 전류 구동력 및 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 게이트 절연막을 위한 열산화막 및 증착 산화막 사이의 불순물 잠입을 방지함으로써 다결정 실리콘/게이트 산화막 계면의 트랩 밀도를 낮추도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판의 승온 효율을 높임으로써 다결정 실리콘의 결정성을 향상하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 박막 제조장치는, 플라즈마 화학기상증착 공정과 열산화 공정을 인시튜로 진행하기 위한 챔버; 상기 챔버의 내부 공간에 배치되어 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 챔버의 내부 상면에 배치되어, 상기 기판을 향해 공정가스를 분사하는 공정가스 분사부; 상기 챔버의 내부 저면에 배치되어, 상기 기판을 소정의 온도로 가열하는 가열부; 상기 기판 지지부와 가열부 사이에 배치되어, 상기 가열부로부터의 열을 상기 기판으로 전달하거나 차단하는 차단부; 및 상기 기판 지지부와 차단부 사이를 지나가면서 상기 공정가스 분사부, 기판 지지부를 둘러싸는 형태로 상기 챔버의 내부 상면에 설치되어, 상기 플라즈마 화학기상증착 공정으로 인한 오염으로부터 상기 가열부, 차단부, 챔버의 내측벽을 보호하는 오염 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 챔버의 측벽에 설치되어, 쥴열을 발생하는 쥴열 발생부를 더 포함하여 상기 기판 상의 비정질 실리콘 박막을 고상 결정화하기 위한 열을 상기 가열부로부터 상기 비정질 실리콘 박막에 전달하는 전달 효율을 증가함으로써 다결정 실리콘 박막의 결정성을 향상시킬 수가 있다.
바람직하게는, 상기 쥴열 발생부는 상기 챔버의 측벽에 설치된 유도코일과, 상기 유도코일에 교류전원을 인가하는 교류전원부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 오염 방지부는 퀄츠 재질로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 박막 제조장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 박막 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 박막 제조장치(100)는 챔버(10), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30), 가열부(40), 차단부(50), 오염방지부(60) 및 펌핑부(70)를 포함하여 구성된다.
여기서, 챔버(10)는 열산화 공정 및 플라즈마 산화막 증착 공정이 인시튜로 가능한 챔버로서, 박막 형성을 위한 내부 공간을 확보하기 위한 형상, 예를 들어 사각통 형상을 갖는다. 기판 지지부(20)는 기판(1)을 지지하기 위한 부분으로서, 챔버(10)의 내부 공간에 적정 높이로 수평 배치된다. 기판(1)은 반도체 기판, 예를 들어 실리콘 기판 등이거나, 절연성 투명 기판, 예를 들어 유리 기판 등이어도 좋다. 공정가스 분사부(30)는 기판(1)을 향해 공정가스를 하향 분사하기 위한 복수개의 분사구(미도시)를 갖는 부분으로서, 챔버(10)의 내부 상면에 배치된다. 가열부(40)는 급속 열처리 공정(rapid thermal process: RTP)을 이용하여 기판(1)을 적정 온도로 가열하기 위한 부분으로서, 챔버(10)의 내부 저면에 배치된다. 차단부(50)는 가열부(40)로부터의 복사열이 기판(1)으로 전달되는 것을 차단하기 위한 부분으로서, 기판 지지부(20)와 가열부(40) 사이의 내부 공간에 배치된다. 오염 방지부(60)는 챔버(10)의 내부 공간 중 기판(1) 주위의 증착 가능한 영역을 그 외측의 내부 공간으로부터 격리하여 챔버(10) 내의 불필요한 각 부분 상의 박막 증착을 방지하기 위한 부분으로서, 기판 지지부(20)와 공정가스 분사부(30)를 함께 둘러싸는 형태로 챔버(10)의 내부 상면에 걸쳐진다. 펌핑부(70)는 챔버(10)의 내부 공간의 잔존가스를 펌핑하여 배기관(80)을 통하여 챔버(10)의 외부로 배기함으로써 챔버(10)의 내부 공간의 압력을 공정 진행에 적합한 압력으로 감압한다.
또한, 공정가스 분사부(30)는 열 반사율이 높은 재질, 예를 들어 금(Au) 등으로 도금되는 것이 바람직한데, 이는 가열부(40)로부터의 열을 반사하여 기판(1)으로 효과적으로 전달하기 위함이다. 차단부(50)는 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에 위치하는지 여부에 따라 가열부(40)로부터 기판(1)으로 열을 전달하거나 차단하는 부분으로서, 기판 지지부(20)와 가열부(40) 사이의 내부 공간에서 수평이동부(미도시)에 의해 수평 이동하도록 배치된다.
또한, 오염 방지부(60)는 상측부가 개방된 통 형상의 재질, 예를 들어, 퀄츠(quartz) 재질로 구성될 수 있다. 오염 방지부(60)는 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 둘러싸고 있으므로 비정질 실리콘 박막 및 증착 산화막을 형성하기 위한 플라즈마 공정, 예를 들어 플라즈마 강화 화학기상증착 공정 등을 진행함에 따라 발생하는 오염원이 기판(1), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 제외한 불필요한 부분, 즉 챔버(10)의 내측벽, 가열부(40), 차단부(50) 등을 오염시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 오염 방지부(60)는 상기 비정질 실리콘 박막 및 증착 산화막을 형성할 때, 가열부(40)의 오염을 방지하므로 가열부(40)에서 기판(1)으로 열을 전달하는 과정에 악영향을 주는 인자를 배제하여 기판(1)으로의 열 전달 효율을 향상할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지 않았지만, 공정가스 분사부(30)에 공정가스 공급관을 통하여 공정가스를 공급하기 위한 공정가스 공급부가 챔버(10)의 외측에 배치되고, 챔버(10)의 측벽 및 오염 방지부(60)의 측벽에 기판(1)의 출입을 위한 기판 출입구가 각각 형성되고, 챔버(10)의 출입구의 개폐를 위한 도아가 챔버(10)의 측벽에 설치됨은 자명하다. 설명의 편의상, 본 발명의 요지와 관련성이 적으므로 이에 대한 상세한 기술은 생략하기로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 박막 제조장치(100)의 작용을 살펴보면, 먼저, 챔버(10)의 기판 출입구(미도시)에 해당하는 도아(미도시)를 개방하고 아울러 가열부(40)를 공정 진행에 적합한 온도로 가열하고(참고로, RTP는 승온시간이 이분 이내이므로 미리 가열할 필요는 없다. 예를 들어, 비정질 실리콘을 증착하고 완료되는 시간에 맞추어서 가열부(40)를 적합한 공정온도(600℃)로 승온시킨 후 차단부(50)를 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에서 벗어나도록 위치시키면서 결정화 공정을 진행하면 좋다. 결정화 공정이 완료되면 차단부(50)를 원위치시키고 RTP 강온시키면 좋다. 차단부(50)는 기판(1)에 가해지는 온도 안정성 및 제어능, 작업 속도를 좀 더 향상시키고자 하는 것이다.), 차단부(50)를 수평이동부(미도시)에 의해 일방향으로 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에 위치하며 기판 지지부(20)와 가열부(40) 사이의 내부 공간에 위치함으로써 가열부(40)에서 기판(1)으로 전달하는 열을 차단한다.
이러한 상태에서, 기판(1)의 이송을 위한 이송장치(미도시), 예를 들어 로봇을 이용하여 기판(1)을 챔버(10)의 기판 출입구(미도시) 및 오염 방지부(60)의 기판 출입구(미도시)를 통하여 오염 방지부(60)의 내부 공간으로 반입하여 기판 지지부(20) 상에 내려놓는다. 이어, 기판 지지부(20)에 기판(1)이 지지되고 나면, 챔버(10)의 기판 출입구(미도시)의 도아(미도시)를 닫고, 챔버(10)의 내부 공간에 잔존하는 가스를 펌핑부(80)의 펌핑에 의해 배기관(80)을 거쳐 외부로 배기함으로써 챔버(10)의 내부 공간의 압력을 플라즈마 공정에 의해 비정질 실리콘 박막을 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정에 의해 증착하기에 앞서, 예를 들어 수 10-6 Torr의 기본 압력(base pressure)으로 감압한다. 이후, 챔버(10) 외부의 공정가스 공급부(미도시)로부터 공정가스 분사부(30)에 공정가스, 예를 들어 플라즈마 소스 가스를 공급함에 따라, 공정가스 분사부(30)의 복수개의 분사구(미도시)를 통하여 공정가스를 기판(1)으로 하향 분사하여 챔버(10)의 내부 공간의 압력을 플라즈마 형성에 적합한 압력, 예를 들어 수 mTorr로 승압하여 플라즈마를 형성한다. 계속하여 상기 공정가스 공급부로부터 공정가스 분사부(30)에 예를 들어 비정질 실리콘 박막의 형성을 위한 SiH4 가스 등과 같은 공정가스를 공급함에 따라, 공정가스 분사부(30)의 복수개의 분사구를 통하여 공정가스를 기판(1)으로 하향 분사하여 기판(1) 상에 비정질 실리콘 박막(미도시)을 증착한다.
이때, 상기 오염 방지부(60)는 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 둘러싸고 있으므로 상기 비정질 실리콘 박막을 증착하기 위한 플라즈마 공정을 진행함에 따라 발생하는 상기 비정질 실리콘이나 부산물 등이 기판(1), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 제외한 불필요한 부분, 즉 챔버(10)의 내측벽, 가열부(40), 차단부(50) 등을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 챔버(10) 외부에 배치된 별도의 레이저 결정화 장치(미도시), 예를 들어 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 결정화 장치를 이용하거나, 챔버(10)의 가열부(40)를 이용하여 챔버(10) 내의 기판(1)을 처리함으로써 기판(1) 상의 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막(미도시)으로 결정화한다. 이때, 기판(1)을 적정 온도로 가열, 유지하면서 상기 챔버의 내부 공간에 불활성 가스 공급부(미도시)의 불활성 가스 공급관을 통하여 불활성 가스, 예를 들어 질소(N2), 알곤(Ar) 등을 주입하여 챔버(10)의 내부 공간의 분위기를 불활성 가스의 분위기로 유지해주는 것이 바람직하다.
여기서, 가열부(40)를 이용하여 결정화 공정을 진행할 경우, 차단부(50)를 수평이동부(미도시)에 의해 반대 방향으로 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상을 벗어나도록 위치시킴으로써 가열부(40)로부터 복사열을 기판(1)으로 차단하지 않고 전달해주어야 한다.
한편, 상기 비정질 실리콘 박막의 증착 공정 및 다결정 실리콘 박막 결정화 공정을 챔버(10) 이외의 별도 챔버에서 진행하는 것도 가능하다.
그 다음에, 통상적인 사진식각공정을 이용하여 기판(1)의 다결정 실리콘 박막을 예를 들어 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위한 액티브 층의 패턴으로 형성한다.
계속하여, 차단부(50)를 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 외측에 위치한 상태에서(RTP를 공정온도로 승온 후 차단부(50)를 상기 동일한 수직선을 벗어나도록 위치시키는 것이 바람직함) 기판(1)을, 열산화 공정을 위한 급속 열처리 공정(RTP)의 온도, 예를 들어 550~750℃의 온도로 기판(1)의 열적 손상을 일으키지 않는 시간 즉 5분 내지 1시간 정도 가열, 유지하면서 챔버(10) 외측의 산소 가스 공급부(미도시)에서 산소 가스 공급관(미도시)을 통하여 산소(O2) 가스를 챔버(10)의 내부 공간으로 주입함으로써 챔버(10)의 내부 공간의 분위기를 산소 가스의 분위기로 유지해준다.
따라서, 기판(1)의 다결정 실리콘 박막 상에 예를 들어, 게이트 절연막을 위 한 열산화막(미도시)을 비교적 얇은 두께로 성장할 수가 있다. 이때, 상기 열산화막의 공정 특성상 유리기판 상의 열산화막은 10~300Å의 두께로 성장될 수밖에 없는 제약 때문에 상기 열산화막 상에 증착 산화막을 추가로 형성함으로써 게이트 절연막을 원하는 충분한 두께로 형성할 수가 있다.
이후, 챔버(10)의 내부 공간의 진공 압력을 깨뜨림 없이 증착 산화막의 형성을 위한 공정을 연속적으로 진행한다. 즉, 챔버(10)의 기판 지지부(20) 상에 기판(1)을 그대로 지지한 채, 차단부(50)를 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에 위치하고 기판(1)을, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정을 위한 저온, 예를 들어 200~400℃의 온도로 약 5분간 가열, 유지하면서(참고로, 플라즈마 공정 진행시 기판 온도 제어는 기판 지지대(20)에 별도의 히터를 장착하여 제어할 수 있고, 경우에 따라서는 차단부(50)를 상기 동일한 수직선을 벗어나도록 위치시킨 상태에서 가열부(40)를 열원으로 하여 기판 온도를 제어할 수도 있다. 일반적으로, 400℃ 이하의 온도를 RTP로 10분 이내의 시간동안 일정하게 유지 및 제어하는 것은 바람직하지 않다.) 증착 산화막의 형성을 위한 공정가스, 예를 들어 SiH4 가스, 산소(O2) 가스 등을 해당 공정가스 공급부(미도시)에서 챔버(10)의 내부 공간으로 주입한다. 따라서, 기판(1)의 열산화막 상에 증착 산화막(미도시)을 원하는 두꺼운 두께로 증착함으로써 상기 열산화막 및 증착 산화막의 적층 구조를 갖는 게이트 절연막을 원하는 충분한 두께로 형성할 수 있다.
이때, 상기 오염 방지부(60)는 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 둘러싸고 있으므로 상기 증착 산화막을 증착하기 위한 플라즈마 공정을 진행함에 따라 발생하는 상기 비정질 실리콘이나 부산물 등이 기판(1), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 제외한 불필요한 부분, 즉 챔버(10)의 내측벽, 가열부(40), 차단부(50) 등을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 하나의 챔버(10)에서 기판(1) 상에 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 형성하므로 게이트 절연막에 결함, 예를 들어 옥사이드 트랩 전하(oxide trapped charge), 고정성 옥사이드 전하(fixed oxide charge), 이동성 이온 전하(mobile ionic charge)가 포함되는 것을 최소화할 수 있고 나아가 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 동작 전압을 낮추고 전류 구동력 및 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.
또한, 오염 방지부(60)는 상기 비정질 실리콘 박막 및 증착 산화막을 형성할 때, 가열부(40)의 오염을 방지하므로 가열부(40)에서 기판(1)으로 열을 전달하는 과정에 악영향을 주는 인자를 배제하여 기판(1)으로의 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 통상적인 공정을 진행하여 기판(1) 상에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(미도시)를 완성한다. 설명의 편의상 본 발명의 요지에 관련성이 적으므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 다른 박막 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 박막 제조장치(200)는 챔버(10)의 외벽에 감겨진 유도코일(90)을 포함한 쥴열(Joule heating) 발생부가 추가로 설치되고, 가열부(40)가 비정질 실리콘 박막의 고상 결정화(solid phase crystallization: SPC) 방법을 적용할 수 있는 급속 열처리 공정(RTP)을 위한 가열부인 것을 제외하면, 도 1의 박막 제조장치(100)와 동일한 구성을 갖는다.
여기서, 상기 쥴열 발생부는 고상 결정화를 위한 급속 열처리 공정(RTP)에서 기판(1)의 승온 효율을 높이기 위한 부분으로서, 유도코일(90) 및 교류전원부(미도시) 등을 포함할 수 있다. 상기 교류전원부는 유도코일(90)에 교류 전원을 인가하고, 유도코일(90)은 유도기전력에 의한 쥴열을 발생함으로써 기판(1)의 비정질 실리콘 박막에 전달되는 열 전달 효율을 증가하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화한 다결정 실리콘 박막의 특성을 향상시킨다.
또한, 유도코일(90)은 기판 지지부(20)에 근접하여 챔버(10)의 외측벽에 설치하는 것이 바람직하나, 도면에 도시하지 않았지만, 챔버(10)의 내측벽에 설치되는 것도 가능하다.
상기 쥴열은 예를 들어 S. Zinn and S. L. Semiatin, "Elements of Induction Heating", ASM International.(1998)의 논문에 개시되어 있다. 쥴열은 유도코일을 흐르는 교류전류에 의한 자기장의 변화로 유도코일의 주위에 유도기전력이 형성되고, 상기 유도기전력에 의해 전도체에 와류전류(eddy current)가 흐르면서 옴법칙(Ohm's Law)에 따라 발생한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 박막 제조장치(200)의 작용을 살펴보면, 먼저, 챔버(10)의 기판 출입구(미도시)에 해당하는 도아(미도시)를 개방하고 아울러 가열부(30)를 공정 진행에 적합한 온도로 가열하고, 차단부(50)를 수평이동부(미도시)에 의해 일방향으로 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에 위치하며 기판 지지부(20)와 가열부(40) 사이의 내부 공간에 위치함으로써 가열부(40)에서 기판(1)으로 전달하는 열을 차단한다.
이러한 상태에서, 기판(1)의 이송을 위한 이송장치(미도시), 예를 들어 로봇을 이용하여 기판(1)을 챔버(10)의 기판 출입구(미도시) 및 오염 방지부(60)의 기판 출입구(미도시)를 통하여 오염 방지부(60)의 내부 공간으로 반입하여 기판 지지부(20) 상에 내려놓는다. 이어, 기판 지지부(20)에 기판(1)이 지지되고 나면, 챔버(10)의 기판 출입구(미도시)의 도아(미도시)를 닫고, 챔버(10)의 내부 공간에 잔존하는 가스를 펌핑부(80)의 펌핑에 의해 배기관(80)을 거쳐 외부로 배기함으로써 챔버(10)의 내부 공간의 압력을 플라즈마 공정에 의해 비정질 실리콘 박막을 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정에 의해 증착하기에 앞서 예를 들어 수 10-6 Torr의 기본 압력(base pressure)으로 감압한다. 이후, 챔버(10) 외부의 공정가스 공급부(미도시)로부터 공정가스 분사부(30)에 공정가스, 예를 들어 플라즈마 소스 가스를 공급함에 따라, 공정가스 분사부(30)의 복수개의 분사구(미도시)를 통하여 공정가스를 기판(1)으로 하향 분사하여 챔버(10)의 내부 공간의 압력을 플라즈마 형성에 적합한 압력, 예를 들어 수 mTorr로 승압하여 플라즈마를 형성한다. 계속하 여 상기 공정가스 공급부로부터 공정가스 분사부(30)에 예를 들어 비정질 실리콘 박막의 형성을 위한 SiH4 가스 등과 같은 공정가스를 공급함에 따라, 공정가스 분사부(30)의 복수개의 분사구를 통하여 공정가스를 기판(1)으로 하향 분사하여 기판(1) 상에 비정질 실리콘 박막(미도시)을 증착한다.
이때, 상기 오염 방지부(60)는 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 둘러싸고 있으므로 상기 비정질 실리콘 박막을 증착하기 위한 플라즈마 공정을 진행함에 따라 발생하는 상기 비정질 실리콘이나 부산물 등이 기판(1), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 제외한 불필요한 부분, 즉 챔버(10)의 내측벽, 가열부(40), 차단부(50) 등을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 챔버(10)의 내부 공간의 진공 압력을 깨뜨림 없이 고상 결정화(solid phase crystallization: SPC) 방법을 적용하기 위해, 챔버(10) 내의 기판(1)을 그대로 둔 채, 챔버(10)의 가열부(40)를 이용하여 급속 열처리 공정(RTP) 등의 고온 공정으로 챔버(10) 내의 기판(1)을 처리함으로써 기판(1) 상의 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막(미도시)으로 결정화한다.
여기서, 기판(1)을 적정 온도, 예를 들어 600~700℃의 온도로 약 5분 내지 1시간 가열, 유지하면서 상기 챔버의 내부 공간에 불활성 가스 공급부(미도시)의 불활성 가스 공급관을 통하여 불활성 가스, 예를 들어 질소(N2), 알곤(Ar) 등을 주입하여 챔버(10)의 내부 공간의 분위기를 불활성 가스의 분위기로 유지해주는 것이 바람직하다. 또한, 차단부(50)를 수평이동부(미도시)에 의해 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 외측에 위치함으로써 가열부(40)로부터 복사열을 기판(1)으로 차단하지 않고 전달해주어야 한다.
이때, 쥴열 발생부는 교류전원부(미도시)가 교류전원을 유도코일(90)에 인가함에 따라 상기 교류전원에 의한 자기장의 변화로 유도코일(90)의 주위에 유도기전력이 형성되고, 상기 유도기전력에 의해 전도체에 와류전류(eddy current)가 흐르면서 옴법칙(Ohm's Law)에 따라 쥴열을 발생한다.
따라서, 상기 쥴열 발생부는 기판(1)의 비정질 실리콘 박막에 전달되는 열 전달 효율을 증가시키므로, 기판(1)의 승온 효율을 높여 상기 다결정 실리콘 박막의 결정성을 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저를 이용한 결정화 장치와 같은 고가의 결정화 장치를 사용하지 않으면서도 상기 비정질 실리콘 박막을 상기 다결정 실리콘 박막으로 결정화할 수 있다. 그 결과, 상기 다결정 실리콘 박막과 그 위에 형성할 게이트 산화막의 계면 특성을 향상시킬 수가 있고, 나아가 게이트 산화막 내의 결함을 감소시킬 수가 있다.
계속하여, 챔버(10)의 내부 공간의 진공 압력을 깨뜨림 없이 열산화막 및 증착 산화막의 형성을 위한 공정을 연속적으로 진행한다. 이를 좀 더 상세히 언급하면, 차단부(50)를 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 외측에 위치하고 기판(1)을, 열산화 공정을 위한 급속 열처리 공정(RTP)의 온도, 예를 들어 550~750℃의 온도로 기판(1)의 열적 손상을 일으키지 않는 시간, 예를 들어 5분 내지 1시간 가열, 유지하면서 챔버(10) 외측의 산소 가스 공급부(미도시)에서 산소 가스 공 급관(미도시)을 통하여 산소(O2) 가스를 챔버(10)의 내부 공간으로 주입함으로써 챔버(10)의 내부 공간의 분위기를 산소 가스의 분위기로 유지해준다.
따라서, 기판(1)의 다결정 실리콘 박막 상에 예를 들어, 게이트 절연막을 위한 열산화막(미도시)을 비교적 얇은 두께로 성장할 수가 있다. 이때, 상기 열산화막의 공정 특성상 유리기판 상의 열산화막은 10~300Å의 두께로 성장될 수밖에 없는 제약 때문에 상기 열산화막 상에 증착 산화막을 추가로 형성함으로써 게이트 절연막을 원하는 충분한 두께로 형성할 수가 있다.
계속하여, 챔버(10)의 내부 공간의 진공 압력을 깨뜨림 없이 증착 산화막의 형성을 위한 공정을 연속적으로 진행한다. 즉, 챔버(10)의 기판 지지부(20) 상에 기판(1)을 그대로 지지한 채, 차단부(50)를 반대방향으로 수평 이동하여 기판 지지부(20)와 가열부(40)의 동일한 수직선 상에 위치함으로써 기판(1)을, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정을 위한 저온, 예를 들어 200~400℃의 온도로 약 5분간 가열, 유지하면서 증착 산화막의 형성을 위한 공정가스, 예를 들어 SiH4 가스, 산소(O2) 가스 등을 해당 공정가스 공급부(미도시)에서 챔버(10)의 내부 공간으로 주입한다. 따라서, 기판(1)의 열산화막 상에 증착 산화막(미도시)을 원하는 두꺼운 두께로 증착함으로써 상기 열산화막 및 증착 산화막의 적층 구조를 갖는 게이트 절연막을 원하는 충분한 두께로 형성할 수 있다.
이때, 상기 오염 방지부(60)는 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 둘러싸고 있으므로 상기 증착 산화막을 증착하기 위한 플라즈마 공정을 진행함에 따 라 발생하는 상기 비정질 실리콘이나 부산물 등이 기판(1), 기판 지지부(20), 공정가스 분사부(30)를 제외한 불필요한 부분, 즉 챔버(10)의 내측벽, 가열부(40), 차단부(50) 등을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 하나의 챔버(10)에서 기판(1) 상에 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 형성하므로 게이트 절연막에 결함, 예를 들어 옥사이드 트랩 전하(oxide trapped charge), 고정성 옥사이드 전하(fixed oxide charge), 이동성 이온 전하(mobile ionic charge)가 포함되는 것을 최소화할 수 있고 나아가 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 동작 전압을 낮추고 전류 구동력 및 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.
또한, 오염 방지부(60)는 상기 비정질 실리콘 박막 및 증착 산화막을 형성할 때, 가열부(40)의 오염을 방지하므로 가열부(40)에서 기판(1)으로 열을 전달하는 과정에 악영향을 주는 인자를 배제하여 기판(1)으로의 열 전달 효율을 향상할 수 있다.
그 다음에, 통상적인 사진식각공정을 이용하여 기판(1)의 다결정 실리콘 박막을 예를 들어 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위한 액티브 층의 패턴으로 형성한다. 이후, 통상적인 공정을 진행하여 기판(1) 상에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(미도시)를 완성한다. 설명의 편의상 본 발명의 요지에 관련성이 적으므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 제조장치는 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 진행하기 위한 챔버 내에, 기판 지지부 및 공정가스 분사부를 둘러싸는 형태의 오염 방지부를 추가로 설치한 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명은 오염 방지부를 이용하여 챔버 내의 가열부, 차단부, 챔버의 내측벽 등을 플라즈마 화학기상증착 공정으로 인한 오염으로부터 방지할 수 있있다. 뿐만 아니라, 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 인시튜로 다결정 실리콘 박막으로 결정화하여 다결정 실리콘 박막의 결정성을 향상할 수 있고, 상기 다결정 실리콘 박막 상에 열산화막과 증착 산화막을 인시튜로 형성할 수 있으므로 다결정 실리콘 박막과 게이트 산화막의 계면 트랩 밀도를 낮추어 다결정 실리콘 박막과 게이트 산화막의 계면 특성을 향상시키고 게이트 산화막 내의 결함을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 챔버의 외측벽 또는 내측벽에 쥴열 발생부를 추가로 설치하여 가열부로부터 기판에 전달되는 열의 전달 효율을 높여줌으로써 레이저를 이용한 결정화 장치와 같은 고가의 결정화 장치를 사용하지 않으면서도 고상 결정화 공정으로 결정성이 우수한 다결정 실리콘 박막을 결정화할 수 있다.
한편, 본 발명은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (4)

  1. 플라즈마 화학기상증착 공정과 열산화 공정을 인시튜로 진행하기 위한 챔버;
    상기 챔버의 내부 공간에 배치되어 기판을 지지하는 기판 지지부;
    상기 챔버의 내부 상면에 배치되어, 상기 기판을 향해 공정가스를 분사하는 공정가스 분사부;
    상기 챔버의 내부 저면에 배치되어, 상기 기판을 소정의 온도로 가열하는 가열부;
    상기 기판 지지부와 가열부 사이에 배치되어, 상기 가열부로부터의 열을 상기 기판으로 전달하거나 차단하는 차단부; 및
    상기 기판 지지부와 차단부 사이를 지나가면서 상기 공정가스 분사부, 기판 지지부를 둘러싸는 형태로 상기 챔버의 내부 상면에 설치되어, 상기 플라즈마 화학기상증착 공정으로 인한 오염으로부터 상기 가열부, 차단부, 챔버의 내측벽을 보호하는 오염 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 챔버의 측벽에 설치되어, 쥴열을 발생하는 쥴열 발생부를 더 포함하여 상기 기판 상의 비정질 실리콘 박막을 고상 결정화하기 위한 열을 상기 가열부로부터 상기 비정질 실리콘 박막에 전달하는 전달 효율을 증가함으로써 다결정 실리콘 박막의 결정성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 박막 제조장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 쥴열 발생부는 상기 챔버의 측벽에 설치된 유도코일과, 상기 유도코일에 교류전원을 인가하는 교류전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 방지부는 퀄츠 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 제조장치.
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