KR101436564B1 - 비정질 실리콘 박막 형성 방법 - Google Patents
비정질 실리콘 박막 형성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
비정질 실리콘 박막 형성 방법을 제공한다. 상기 박막 형성 방법은 반도체 기판 상에 실리콘 소스를 공급하는 제1 단계, 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하고, 플라스마를 여기시켜 상기 실리콘 소스에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성하는 제2 단계, 및 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제3 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제 1 단계와 상기 제2 단계는 동시에 진행된다.
실리콘 소스, 플라스마, 원자층 증착
Description
본 발명은 실리콘 박막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 집적기술의 발달로 인하여 고순도, 고품질의 박막을 증착시키는 공정은 반도체 제조공정 중에서 중요한 부분을 차지하게 되었다. 박막형성의 대표적인 방법으로 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)법과 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법이 있다.
스퍼터링(sputtering)법 등의 물리 기상 증착법은 형성된 박막의 단차피복성(step coverage)이 나쁘기 때문에 요철이 있는 표면에 균일한 두께의 막을 형성하는 데에는 사용할 수 없다.
화학 증착법은 가열된 기판의 표면 위에서 기체 상태의 물질들이 반응하고, 그 반응으로 생성된 화합물이 기판 표면에 증착되는 방법이다. 화학 기상 증착법은 물리 기상 증착법에 비하여 단차 피복성이 좋고, 박막이 증착되는 기판의 손상이 적고, 박막의 증착 비용이 적게 들며, 박막을 대량 생산할 수 있기 때문에 많이 적용되고 있다.
단차가 높은 구조에서 소자 격리를 위해 실리콘 산화막을 채워주어야 하는데, 실리콘 산화막의 밀도가 낮아 원하는 결과를 얻기 힘들다. 그래서, 스핀 온 글래스(Spin on glass, SOG) 공정 전에 단차 피복성이 우수하고, 치밀한 비정질 실리콘 박막을 형성한 후 SOG공정을 진행하여 열처리를 하게 되면 비정질의 실리콘이 실리콘 산화막으로 상변태를 유발하여 매우 치밀한 실리콘 산화막으로 소자 격리를 할 수 있다.
SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체를 이용하여 실리콘 박막을 증착할 때, 기존의 저압 화학 기상 증착법(Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하면 반응에 필요한 온도가 상대적으로 높기 때문에 일반적으로 비정질 보다는 다결정질 박막이 얻어지게 되면서 표면의 거칠기 또한 커지는 경향이 있다. 플라스마 CVD 공정을 이용하는 경우에는 보다 낮은 온도에서 증착이 가능하고, 비정질 실리콘 박막을 얻을 수 있으나, 단차비가 큰 미세 패턴에서는 높은 단차 피복도를 얻기가 어려운 단점이 있다.
한편, 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)을 이용한 방법은 저압 화학 기상 증착법의 경우와 마찬가지로 상대적으로 400도 미만의 저온에서 공정을 수행하기가 어려워서 낮은 열수지(thermal budget)를 요구하는 공정에는 적용하기 어렵다.
플라스마 강화 원자층 증착법(Plasma enhanced atomic layer deposition)을 이용하면 보다 낮은 온도에서 증착이 가능하나, 이 경우에도 전구체의 흡착이 잘 이루어지지 않으면, 충분한 증착 속도를 얻기 어렵거나, 증착이 되지 않는다. 실리 콘 박막은 단원자 성분으로 이루어져 있어서, 표면에서 화학 그룹간의 교환반응이 일어나기 어렵고, 따라서 화학 흡착을 일으키기 어렵다.
예를 들어 헥사클로로디실란(Hexachlorodisilane, HCDS) 전구체를 표면에 흡착시키기 위해서는 표면에서 교환반응이 일어나야 하는데, SiO2나 SiN과는 달리 Si만을 증착할 때는 기판 표면에 교환반응을 제공해주는 리간드가 없어서 흡착이 잘 되지 않는다. 그런데, 헥사클로로디실란과 H2 플라스마를 반응시키면, HCl이 부산물로 얻어지면서 Si를 증착시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 원자층 증착 방식을 이용하는 경우에는 기판상에 헥사클로로디실란(HCDS) 분자의 흡착이 어려워 Si 박막이 제대로 형성되지 않는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비정질 실리콘 박막을 형성하기 위해 실리콘 소스가 반도체 기판에 잘 흡착되어 증착이 이루어지도록 하는 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법은 반도체 기판 상에 실리콘 소스를 공급하는 제1 단계, 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하고, 플라스마를 여기시켜 상기 실리콘 소스에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성하는 제2 단계, 및 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제3 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제1 단계와 상기 제2 단계는 동시에 일어나는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 단계 내지 상기 제3 단계는 적어도 2회 이상 반복될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법은 반도체 기판상에 실리콘 소스를 공급하는 제1 단계, 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하고, 플라스마를 여기시켜 상기 반도체 기판 상에 흡착층을 형성하는 제2 단계, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제3 단계, 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하며, 상기 흡착층에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성하는 제4 단계, 및 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제5 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제1 단계와 상기 제2 단계는 동시에 일어나는 것을 특징으로 한다.
상기 제4 단계에서는 H2 가스를 공급하는 것과 함께 플라스마를 여기시킬 수 있다.
상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계는 적어도 2회 이상 반복할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 형성 방법은 반도체 기판 상에 실리콘 소스를 공급하는 제1 단계, 고주파 플라스마를 인가하여 상기 실리콘 소스를 활성화시킴으로써 흡착층을 형성하는 제2 단계, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제3 단계, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하여 실리콘 박막을 형성하는 제4 단계, 및 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제5 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계는 동시에 일어나는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제4 단계에서 H2 가스를 공급하는 것과 함께 플라스마를 여기시킬 수 있다.
상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계는 적어도 2회 이상 반복할 수 있다.
상기 실리콘 소스는 헥사클로로디실란(haxachlorodisilane, HCDS)일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 기판 상에 실리콘 소스의 공급과 동시에 플라스마를 여기시키고, 후속하여 공급되는 H2와 반응을 시킴으로써 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane, HCDS) 분자가 반도체 기판에 잘 흡착될 수 있고, 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판 상에 Si 원소를 포함하는 Si 전구체를 T1의 시간 동안 공급한다. 이와 동시에 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하며 고주파 플라스마(RF plasma)를 여기시켜, Si 원소를 포함하는 Si 전구체에서 기상 혹은 표면 흡착 반응으로 리간드를 제거하여 비결정질 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
Si 전구체는 SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane, HCDS)과 H2 플라스마를 반응시키면, HCl이 부산물로 얻어지면서 Si를 증착시킬 수 있다. 여기서, Si 전구체는 박막의 구성원소가 되는 실리콘 소스이다.
T1 시간 동안 Si 전구체, H2 가스를 공급한 후, 플라스마 인가를 중단하고 T2 시간 동안 상기 비정질 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 잔여 물질을 배출할 수 있다.
이 때, 비정질 실리콘 박막을 형성하는 것은 300도 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
T1 및 T2 시간 동안 일어나는 상기 과정을 적어도 2회 이상 반복 진행함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판 상에 실리콘 소스에 해당하는 Si 전구체를 T1 시간 동안 공급할 수 있다. 이와 동시에 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하고, 플라스마를 여기시켜 상기 반도체 기판 상에 흡착층을 형성할 수 있다. 여기서, 흡착층이란 Si 전구체가 리간드를 여전히 포함한 상태로 반도체 기판에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 상태를 말한다.
Si 전구체는 SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane, HCDS)과 H2 플라스마를 반응시키면, HCl이 부산물로 얻어지면서 Si를 증착시킬 수 있다.
T1 시간 동안 Si 전구체, H2 가스를 공급한 후, 플라스마 인가를 중단하고 T2 시간 동안 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 흡착되지 않은 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
T3 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하며, 상기 흡착층에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
T4 시간 동안, 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 박막 형성 후 잔여 물질을 배출할 수 있다.
이 때, 비정질 실리콘 박막을 형성하는 것은 300도 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 T1 내지 T4 시간 동안 일어나는 상기 과정을 적어도 2회 이상 반복 진행함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판 상에 실리콘 소스에 해당하는 Si 전구체를 T1 시간 동안 공급할 수 있다. 이와 동시에 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하고, 플라스마를 여기시켜 상기 반도체 기판 상에 흡착층을 형성할 수 있다. 여기 서, 흡착층이란 Si 전구체가 리간드를 여전히 포함한 상태로 반도체 기판에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 상태를 말한다.
Si 전구체는 SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane, HCDS)과 H2 플라스마를 반응시키면, HCl이 부산물로 얻어지면서 Si를 증착시킬 수 있다.
T1 시간 동안, Si 전구체, H2 가스를 공급한 후, 플라스마 인가를 중단하고 T2 시간 동안 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 흡착되지 않은 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
T3 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급함과 동시에 플라스마를 인가함으로써, 상기 흡착층에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
T4 시간 동안, 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 박막 형성 후 잔여 물질을 배출할 수 있다.
이 때, 비정질 실리콘 박막을 형성하는 것은 300도 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 T1 내지 T4 시간 동안 일어나는 상기 과정을 적어도 2회 이상 반복 진행함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, T1 시간 동안, 반도체 기판 상에 Si 원소를 포함하는 Si 전구체를 공급함과 동시에 고주파 플라스마를 인가하여, Si 원소를 포함하는 Si 전구체를 활성화시켜서 표면 흡착을 일으킬 수 있다. 이 때, 흡착층이 형성될 수 있다. 여기서, 흡착층이란 Si 전구체가 리간드를 여전히 포함한 상태로 반도체 기판에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 상태를 말한다.
Si 전구체는 SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane, HCDS)과 H2 플라스마를 반응시키면, HCl이 부산물로 얻어지면서 Si를 증착시킬 수 있다.
T2 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 흡착되지 않는 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
T3 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급함으로써, 상기 흡착층에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
T4 시간 동안, 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 박막 형성 후 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
이 때, 비정질 실리콘 박막을 형성하는 것은 300도 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 T1 내지 T4 시간 동안 일어나는 상기 과정을 적어도 2회 이상 반복 진행함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, T1 시간 동안, 반도체 기판 상에 Si 원소를 포함하는 Si 전구체를 공급함과 동시에 고주파 플라스마를 인가하여, Si 원소를 포함하는 Si 전구체를 활성화시켜서 표면 흡착을 일으킬 수 있다. 이 때, 흡착층이 형성될 수 있다. 여기서, 흡착층이란 Si 전구체가 리간드를 여전히 포함한 상태로 반도체 기판에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 상태를 말한다.
T2 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 흡착되지 않는 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
T3 시간 동안, 상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하며, 고주파 플라스마를 여기시킴으로써, 상기 흡착층에서 리간드를 제거하여 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
T4 시간 동안, 상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하여 박막 형성 후 잔여 물질을 제거, 배출할 수 있다.
이 때, 비정질 실리콘 박막을 형성하는 것은 300도 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 T1 내지 T4 시간 동안 일어나는 상기 과정을 적어도 2회 이상 반복 진행함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
본 발명은 전구체와 플라즈마를 동시에 인가하는 것에 특징이 있으므로 일반적인 플라즈마 강화 원자층 증착법에서 전구체와 플라스마가 구분되어 공급되는 것 과 차이가 있다. 원자층 증착방법 또는 플라스마 강화 원자층 증착법으로는 형성하기 어려운 비정질 실리콘 박막을 본 발명을 이용하여 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 형성 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
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- 반도체 기판 상에 실리콘 소스를 공급함과 동시에 고주파 플라스마를 인가하여 상기 실리콘 소스를 활성화시킴으로써 흡착층을 형성하는 제1 단계,상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제2 단계,상기 흡착층이 형성된 상기 반도체 기판 상에 H2 가스를 공급하여 실리콘 박막을 형성하는 제3 단계, 및상기 실리콘 박막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 제4 단계를 포함하는 비정질 실리콘 박막 형성 방법.
- 제7항에서,상기 제1 단계 내지 상기 제4 단계는 적어도 2회 이상 반복하는 비정질 실리콘 박막 형성 방법.
- 제7항에서,상기 제3 단계에서는 H2 가스를 공급하는 것과 함께 플라스마를 여기시키는 비정질 실리콘 박막 형성 방법.
- 제9항에서,상기 제1 단계 내지 상기 제4 단계는 적어도 2회 이상 반복하는 비정질 실리콘 박막 형성 방법.
- 제7항에서,상기 실리콘 소스는 SixHy, SixHyClz 또는 SixCly 계의 전구체, 헥사클로로디실란(haxachlorodisilane, HCDS) 중 적어도 하나를 포함하는 비정질 실리콘 박막 형성 방법.
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