KR20020080028A

KR20020080028A - 급속가열화학증착장치 및 그 장치를 이용한 기판 및박막제조방법

Info

Publication number: KR20020080028A
Application number: KR1020010019062A
Authority: KR
Inventors: 전영권; 조훈영
Original assignee: (주) 헤세드테크놀러지
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-23

Abstract

본 발명은 SOI 제조 방법에 관한 것으로서, 투명한 세라믹 기판을 기판으로 사용하여 Si과 같은 반도체 물질을 단결정, 다결정 형태로 증착한 고품질의 SOI(Silicon on Insulator)기판을 제조하기 위하여 여러 단계의 공정을 통해 기판 위에 증착된 증착물질의 품질을 향상시키며, RTCVD를 사용하여 증착온도를 낮춤으로써 저온 증착 공정을 하는 것을 특징으로 한다.

Description

급속가열화학증착장치 및 그 장치를 이용한 기판 및 박막제조방법 {A RTCVD and A manufacturing method for thin film and substrate using the apparatus}

본 발명은 반도체 기판 및 박막 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속가열화학증착장치(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition)와 그 장치를 사용하여 증착조건을 변경시키면서 박막 및 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

컴퓨터 기술의 발전과 전자기기 및 전자산업의 발달은 수많은 전자부품의 수요를 증진시켰고 전자부품의 크기를 아주 작게 집적시켰으며, 구동전압 또한 낮추었다. 전자기기나 전자제품에 필요한 전자부품 중에서도 신호를 제어하거나 저장하기 위해서는 트랜지스터가 필요하다. 트랜지스터는 여러 가지 형태로 존재하지만, 작게 집적시킬 수 있고 구동전압이 낮아야 여러 제품에 응용하여 사용할 수 있다. 이런 점을 만족한 트랜지스터에는 전계효과트랜지스터(Field EmissionTransistor: 이하 FET라 함)가 있고 그 중에서 가장 많이 쓰이는 형태는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Emission Transistor)이다.

MOSFET은 금속전극을 산화막으로 절연시킨 형태의 전계효과트랜지스터로서 크기를 아주 작게 만들 수 있고, 구동전압 및 구동전류가 낮다는 장점이 있어서 중앙처리장치(CPU)를 비롯한 logic회로나 메모리용 Dram과 같이 신호제어장치나 신호저장용 부품으로 사용된다. MOSFET에는 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)가 가장 많이 쓰이고 있다.

요즘과 같이 모든 정보가 디지털화됨에 따라 디지털 기술은 더욱 발전되어가고 있으며, 이에 따라 디지털 기술을 잘 수행하기 위한 정밀 하드웨어 기술도 발전되고 있다. 정밀 하드웨어는 이전보다 훨씬 집적도가 높은 장치를 말한다. 집적도란 하드웨어를 구성하는 소자의 크기를 작게해서 가능한 많은 소자를 포함하는 기기를 작게 만드는 기술의 척도이다. 집적도를 높이기 위해서는 소자의 길이와 크기 그리고 폭을 줄여야 한다. 이에 따라, 신호처리기기의 기본을 이루는 CMOS도 그 크기가 점점 작아지기 시작했고, 그 과정에서 CMOS가 지닌 고유 결함이 발견되었다. CMOS는 전극간의 절연이 완벽하게 이루어지지 않아서, CMOS가 아주 작은 형태로 집적화됨에 따라 이웃한 서로 다른 트랜지스터의 전극간의 간격이 좁혀지고 상호작용을 함으로써 기생트랜지스터를 생성하게 되었다. 기생트랜지스터는 신호의 제어와 신호의 저장에 영향을 주게 되었고, 집적화로 말미암아 생성된 수많은 기생트랜지스터는 구동전류를 통해 과도한 열을 발생시킴으로써 전자부품의 수명을 줄이고 많은 신호처리상의 오류와 저장신호의 소멸을 초래했다.

집적도를 높이기 위해 소자와 소자를 연결해주는 배선의 길이와 폭을 줄이기 시작했지만, 배선의 폭을 배선재료가 가진 고유한 임계값이하로 줄이면 오히려 신호처리과정에서 지체(delay)가 발생해서 신호처리가 늦어지게 된다. 더구나 고집적기술은 빠른 응답속도와 저전력, 그리고 저전압 소모와 같은 여러 가지 조건이 필요하다.

현재의 집적 기술은 그 한계에 부딪혀서 더 이상 CMOS의 크기를 줄여서 집적시키는 것은 힘든 상황이다. 더구나, 현재와 같이 박막기술이 발전하는 시점에서 CMOS기술로 박막수준의 작은 소자를 생산할 경우, 집적화된 엄청난 수의 소자에서 발생하는 열은 이전의 집적화되기 이전의 소자에서 발생하는 열보다 훨씬 많은 열량을 발생시킴으로써, 전자부품의 성능을 떨어뜨리게 되고, 구동전압을 박막소자에 필요한 전압 수준으로 낮출 수 없으며, 트랜지스터 전극 사이를 완벽하게 절연시킬 수 없으므로 신호처리과정에서 많은 오류가 발생하게 된다.

따라서 CMOS를 대체할 새로운 고집적기술을 개발하기 위한 새로운 방법이 강구되었고, 그 결과 개발된 방법이 SOI(silicon on insulator)이다. SOI는 기본적으로 절연층위에 Si 박막을 증착하고 그 위에 회로를 만드는 방법으로서, 기저층에 필요한 n-type층과 p-type층이 제거되어 회로는 보다 간단하게 되었고, 기저층에 필요한 n-type층과 p-type층을 제작할 때 필요한 사진석판식각(photolithographic etch) 공정이 필요하지 않아 제작과정도 비교적 간단하게 되었다.

SOI는 절연기판 위에 Si을 증착한 형태이며, 전극과 전극 사이가 완벽하게 절연되어 고속 신호처리가 가능하고 기생트랜지스터가 생기지 않으므로 열 발생량이 아주 적다. SOI의 품질은 절연기판위에 증착된 Si의 결정형태로 평가된다. 보통 박막으로 증착된 Si은 비정질 형태이다. 비정질 Si 막은 신호처리가 빠르지 않기 때문에 증착된 Si을 단결정 형태의 에피택시(epitaxy) 층으로 만들려는 시도가 진행되고 있다.

현재 사용되고 있는 SOI는 Si기판을 준비한 뒤, 산소를 침투시키고, 열처리를 해서 Si기판 위에 절연막인 SiO₂층을 형성시켜 제작하는 방법이다. 그리고, 사진 석판 식각에 의해 절연막의 일부를 제거하고, 제거된 부분 아래에 위치한 Si기판을 통하여 에피택시(epitaxy) Si막을 성장시킨다. 이럴 경우, Si층 사이에서 전류의 흐름이 일어나므로 SOI법에 의한 기판은 전기적 성질이 나빠지게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해서, 현재의 기술보다 진보된 BESOI(Bond and Etchback SOI)와 ELTRAN(Epitaxial Layer TRANsfer), 그리고 Smart Cut과 SOS(silicon on sapphire) 등의 방법이 사용되고 있다.

BESOI는 Si 웨이퍼와 산화막이 형성된 Si웨이퍼를 반데르발스(Van der Walls)인력으로 결합시키기 위하여 열처리하는 단계와 한쪽 웨이퍼를 수백㎛의 두께로 만드는 단계를 포함한다. 이 경우에는 연마할 때 화학적 식각종점(chemical etch stop)층이 필요하다. 식각종점층으로는 붕소가 첨가된 층(boron doped layer), Si Ge(SiGe), 탄소주입층(carbon implanted layer), 다공성(porous) Si 등이 있다.

ELTRAN은 Si 기판에 양극산화(anodization)에 의하여 다공성 Si을 형성하는단계와 그 위에 Si 에피택시(epitaxy) 층을 형성하는 단계, 그리고 다른 핸들(handle)웨이퍼에 결합(bonding)시키는 단계와 Si 및 다공성 Si층을 식각하여 제거하는 단계를 포함한다. 이러한 화학적 식각종점층을 이용하는 경우, Si 에피택시층에 결정결함이 발생하거나, 고온의 결합형성을 위하여 고온 열처리를 할 때 불안정하게 되어 불량이 발생할 소지가 높다.

Smart Cut은 산화막이 형성된 Si 웨이퍼에 대하여 산화막을 통과하여 Si기판내에 수소이온(H⁺)을 주입하여 마이크로 캐비티(micro cavity) 또는 마이크로 버블(micro bubble)을 형성하는 단계와 수소이온이 주입된 주입층면을 따라 캐비티(cavity)를 응집시켜서 벽개면(Cleavage plane)으로 만들어 잘라내는 단계를 포함한다. 이 경우에는 수소이온주입을 적용함에 따라 새로운 장치의 도입이 필요하며 이온주입에 따른 파티클(particle) 및 유기(organic) 오염이 발생한다.

SOS는 사파이어 기판위에 Si을 증착하는 방법으로서 다른 SOI법보다 품질이 좋다는 장점이 있다. 사파이어 기판위에 Si을 증착하기 시작한 초창기에는, 사파이어 기판의 수직면을 (0001) 방향으로 하여 Si을 증착했으며, 이 때 증착된 Si의 면방향은 (111)방향으로서 (111) 방향으로 성장한 Si박막은 전기적 특성이 좋지 않기 때문에 전자부품으로 가공하여 사용하기 어려워 널리 사용되지 못했다. 현재에는 사파이어 면의 수직면을 (1102)방향으로 하여 Si을 증착하며, 증착된 Si의 면방향은 (001)이 된다. 사파이어는 커런덤(corrundum)구조로 이루어진 결정체이지만, Si 에피택시는 이와 다른 다이아몬드입방(diamond cubic)구조라서 격자크기가 다르기 때문에 계면에서 뒤틀림(lattice mismatch)과 응력(stress)이 작용하여 Si 에피택시 층에 전위(dislocation), 쌍면(twin plane), 그리고 점결함(point defect)과 같은 결함이 생긴다. 이러한 결함들은 구조적·전기적 문제를 유발하기 때문에 아무런 가공을 하지 않은 상태로는 전자부품으로 응용하여 사용할 수 없게 된다.

따라서, SOI법으로 사용되고 있는 BESOI나 ELTRAN, 그리고 Smart Cut나 SOS 방법이 초창기 SOI방법보다 많은 면에서 개선된 기술이지만, 아직도 제작과정에서 많은 결함이 발생하고 있으며 제작비용이 너무 많이 들기 때문에, 저렴한 비용으로 질좋은 SOI를 제작할 수 있는 새로운 기술 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 증착된 박막의 품질을 높일 수 있는 급속가열화학증착장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 급속가열화학증착장치를 이용하여 증착되는 박막의 품질을 향상시킬 수 있는 박막 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 급속가열화학증착장치를 이용하여 공정온도를 낮춤으로써 공정에 필요한 비용과 절차를 줄이는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 급속가열화학증착장치는 반응로(furnace)로 유입되는 반응가스의 양과 속도를 제어하는 제어부와, 반응로(furnace)를 가열하는 가열부와, 상기 반응로를 진공상태로 유지시키는 진공부를 포함하여 이루어지는 급속가열화학증착(Rapid Thermal Chemical VaporDeposition)장치에 있어서; 상기 반응로는

빛이 피증착기판에 충분히 전달될 수 있도록 그 내부에 램프를 구비하고, 상기 램프의 빛이 투과될 수 있는 투명한 석영튜브(quartz tube)를 구비하는 점을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 급속가열화학증착장치의 세부적 특징은 전파를 이용하여 상기 반응로 내부에 유입되는 가스를 예열하는 예열부가 부가된 점이다.

본 발명에 따른 박막제조방법의 특징은 급속가열화학증착장치를 이용하여 기판 위에 박막을 성장시킬 때 증착조건을 적어도 두 단계 이상으로 나누어 박막을 증착시키는 다단계성장법을 이용하는 점이다.

본 발명에 따른 박막제조방법의 세부적 특징은 유입되는 가스의 압력과 온도와 유입속도 및 가스 유입량을 조절하여 증착조건을 변경하는 점이다.

도 1은 본 발명에 따른 급속가열화학증착장치의 구조를 나타낸 구성도,

도 2a 내지 도 2b는 RTCVD의 기본구조도 및 상세설명도,

도 3은 전처리 과정을 나타낸 흐름도,

도 4는 1 단계 성장방법의 실험도,

도 5a 내지 도 5d는 서로 다른 온도조건에서 실험한 결과,

도 6a 내지 도 6c는 서로 다른 압력하에서 실험한 결과

도 7a 내지 도 7d는 서로 다른 가스유입비율로 실험한 결과

도 8은 2 단계 성장방법의 실험도,

도 9a 내지 도 9c는 첫째 압력과 둘째 압력을 다르게 설정한 실험결과,

도 10은 3 단계 성장방법의 실험도,

도 11a 도 10의 실험결과의 촬영 사진,

도 11b는 도 11a의 단면 촬영 사진,

도 12는 3 단계 성장방법과 평탄화 과정의 절차를 나타낸 도식도,

도 13a는 평탄화작업 전 모습,

도 13b는 평탄화작업후 모습,

도 13c는 평탄화작업 전 AFM촬영사진,

도 13d는 평탄화작업 후 AFM촬영사진,

도 14a는 평탄화작업 후 샘플의 XRD촬영결과,

도 14b는 평탄화작업 후 샘플의 EDX촬영결과,

도 14c는 평탄화작업 후 샘플의 DCRC촬영결과,

도 14d는 raman 측정 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명에 따른 급속가열화학장치 및 그 장치를 이용한 기판 및 박막제조방법을 설명하기로 한다.

Si을 증착하는 방법은 크게 두 부류로 나눌 수 있다. 물리적인 방법을 사용하여 물질을 증착하는 PVD(physical vapor deposition)와 화학적인 방법을 사용하여 물질을 증착하는 CVD(chemical vapor deposition)가 있다. 박막을 증착하기 시작했던 초기에는 PVD를 많이 사용하여 공정을 했다. PVD에는 sputtering, vacuum evaporation 과 같은 방법이 있으며, 위독가스를 사용하지 않기 때문에 안전한 환경에서 공정을 진행할 수 있고, 빠른 증착속도로 인하여 시간을 절감할 수 있다는 특징이 있다. 하지만, 집적도가 높아짐에 따라 정밀한 공정에 대한 욕구가 높아졌고, 폭이 적은 배선이나 아주 작은 크기의 소자를 증착하기에는 PVD가 부적합하게 되었다. 더구나, PVD로 Si을 증착하면 비정질의 형태로 증착되기 때문에 고품질의 Si막을 증착하기 위해서는 다른 방법을 사용하게 되었다.

CVD는 화학반응을 사용하여 물질을 증착하기 때문에 증착속도가 느리고 시간이 많이 걸리지만, 증착하는 물질의 위치와 양을 제어할 수 있기 때문에 정밀한 증착을 할 수 있어서 고품질의 Si 증착에 사용되는 화학증착방법이다. CVD는 위독가스를 많이 사용하기 때문에 작업환경이 위험하지만, 공정시 결함이 비교적 적게 발생하고 생산수율이 높아서 정밀한 증착 공정에 가장 적합한 방법이다. CVD는 공정이 수행되는 압력에 따라 LPCVD, UHVCVD이 있고, 이외에도 유기물질을 사용하는 MOCVD 그리고 국부적인 지점을 급속히 가열하는 RTCVD(rapid thermal chemical vapor deposition) 등이 있다.

본 발명에서는 RTCVD의 일종인 RPCVD(rapid photothermal chemical vapor deposition)를 사용하여 Si을 증착한다. RTCVD는 가열부(heating part), 진공부(vacuum part) 그리고 제어부(control part)로 구성되어 있다. RTCVD는 램프에서 발생한 광선으로 반응로를 가열시켜 공정을 하는 CVD방법이다. RTCVD는 열에 의한 온도 상승률이 300℃/s 에 달할 정도로 급속하게 반응로(furnace) 내부를 가열시킨다. RPCVD와 RTCVD는 대부분이 거의 같은 방법이며, RPCVD가 보다 개선된 RTCVD 방법이라는 점이다. 그래서, 차이점도 RPCVD는 광선으로 반응로 내부의 온도를 올릴 뿐만 아니라, 반응가스의 원자나 분자를 여기(excited)시켜서 반응이 쉽게 일어날 수 있도록 반응에너지(activation energy)를 낮춰준다는 점으로서, 바로 이 점이 기존 기술보다 좀 더 진보된 특징이다.

도 1은 본 발명에 따른 RPCVD의 기본 구조를 나타낸 구성도이다. 반응로(furnace)로 유입되는 반응가스(N₂, O₂, H₂, SiH₄)의 양과 속도를 제어하는 제어부(10)와, 전파를 사용하여 반응로에 유입되는 반응가스를 예열시키는 예열부(20)와, 반응로(furnace)를 가열하는 가열부(40)를 포함하여 이루어진다.

도시되지 않았으나 상기 반응로는 진공부에 의해 진공상태로 유지된다. 본 발명에 따른 RPCVD에서는 램프(44)에서 발생한 빛이 손실없이 투과할 수 있도록 반응로 내부에 램프와 투명한 형태인 석영튜브(quartz tube)(30)가 포함되어있다. 석영튜브(30)는 투명하기 때문에 빛이 그대로 투과할 수 있을 뿐만 아니라, 녹는점이 약 1450℃로 아주 높기 때문에 고온공정에서 사용할 수 있다는 장점이 있다.

상기 예열부는 13.56MHz의 진동수를 가진 전파를 사용하여 반응로에 유입되는 반응가스를 예열시킨다. 유입된 가스는 석영튜브(30)안에 놓인 기판(1)위로 전달된다. 이때, 램프(44)는 근적외선(near infrared)영역에 속하는 빛(파장이 대략 1.0㎛)을 발생시키는 할로겐 램프를 사용하며, 발생된 빛은 석영튜브(30)를 통과하여 기판(1)부근을 급속히 가열시킨다. 반응로의 끝에는 펌프(도시되지 않음)가 붙어 있어서 반응로(furnace) 내의 가스를 반응로(furnace) 밖으로 보냄으로써, 반응로 내의 압력을 일정한 압력으로 유지시켜주며, 증착조건에 따라 반응로 내의 압력을 변화시켜야 할 경우, 반응로 내의 압력을 변화시켜준다. 할로겐램프(44)의 동작을 제어하는 램프조절부(43)는 타이머(41)와 반응로 내부 온도를 감지하는 고온온도계(pyrometer)(42)의 감지결과에 따라 할로겐램프(44)가 작동하는 시간을 제어해줌으로써 반응로 내부 온도를 조절해준다.

도 2a는 RPCVD의 반응로(furnace) 내부를 보여주고 있다. 할로겐램프(44) 하단에는 석영 분리층(45)이 위치한다. 이는 반응로 내부 윗 부분에 위치한 램프를 받쳐주는 역할을 해야하며, 램프에서 발생한 빛을 투과시켜주어야 하기 때문에 투명해야 할 뿐만 아니라, 고온에서 견뎌야 하므로, 강도가 높고 투명한 석영으로 만든다. 석영튜브의 화살표 앞부분으로부터 반응가스가 유입되어 기판(1)에서 증착이 이루어진 뒤, 다시 화살표방향으로 배기된다. 또한, 기판에는 고온온도계(42)가 연결되어있어서 온도조절을 정확하게 할 수 있다. 도 2b는 RPCVD 내부의 기판 부근의 모습을 나타낸 것이다. 기판 부근으로 전달된 가스는 빛에 여기(excited)되어 기판위에 증착된다.

비록 SOI에 필요한 증착방법이 결정되었어도, SOI를 제작하려면 먼저 Si을 증착할 기판이 필요하며 본 발명에서는 사파이어를 기판으로 사용하여 Si을 증착하려고 한다. 사파이어 기판은 공정에 앞서 전처리(preprocess)를 해주어야 박막을 증착할 기판으로 사용할 수 있으므로, 증착에 앞서 간단한 전처리를 해주어야한다. RTCVD법을 이용하여 면지수가 (1102)인 사파이어 기판 위에 면방향이 (001)인 Si을 성장시키기 위해서는, 폴리싱(polishing)을 하여 기판표면을 매끄럽게 하여 증착에 알맞은 형태로 만든 다음, 화학적 식각(etching)을 하여 사파이어 표면의 이물질을제거해주어야 한다. 전처리과정은 도 3의 흐름도와 같이 이루어진다. 먼저 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene) 용액속에 사파이어 기판을 담그고 약 10분정도를 끊여주어야 한다(S1 과정). 이 과정을 통해 사파이어 기판 위에 묻어있는 유기물질이 제거된다. 그 다음 사파이어 기판 위에 남아있는 트리클로로에틸렌 (Trichloroethylene)을 제거하기 위해 Aceton 용액 속에 담그고 10분간 끊인다(S2 과정). 이 과정이 끝나면 표면에 남아있는 Aceton을 제거하기 위해 Methanol 용액에 넣고 10분간 끊여주고(S3 과정), 다시 Methanol을 제거하기 위해 순수한 물로 씻어준다(S4 과정). 그리고, 물을 증발시키고 사파이어 기판 표면에 묻어있는 수증기를 제거하기 위해 질소가스(N₂)로 건조시키고(S5 과정), H₂SO₄와 H₂PO₄가 3:1로 섞인 용액에 담그고 150℃의 온도로 15분간 끊인 뒤(S6 과정), 순수한 물로 씻어준다음(S7 과정) 다시 질소가스(N₂)로 건조시켜서 Si을 증착하기 알맞은 조건으로 만든다.

사파이어 기판 위에 고품질의 Si을 증착하려면 증착을 위한 최적 조건을 확립해야 한다. 이를 위해서 본 발명에서는 세 가지 방법으로 나누어서 그 결과를 비교함으로써 최적의 조건을 찾으려고 한다.

사파이어 기판 위에 Si를 증착하려면 소스가스(source gas)가 필요하다. 소스가스로는 보통 사일렌(SiH₄)을 사용한다. 소스가스를 반응로(furnace) 안에 넣고 열을 가하면 사일렌은 수소와 Si으로 분리되며, 이때 반응식은 다음과 같다.

SiH₄+ 열(heat) -> Si + 2H₂

사일렌(SiH₄)이 열과 반응하여 생성된 Si은 원자상태이지만, 아직 사파이어 기판 위에 증착되지 않았고, 반응가스와 반응결과 생성된 Si 원자는 스스로 사파이어 기판 위로 이동할 수 없기 때문에 기판까지 반응가스와 Si을 운반해줄 운반기체가 필요하다. 운반기체로 사용하는 가스로는 두 종류가 있다. Si을 증착하는 온도가 750℃내지 1000℃ 사이거나 그 이상의 고온일 경우, 수소(H₂)를 사용하고, Si을 증착하는 온도가 600℃ ∼ 700℃ 사이일 경우 질소(N₂)를 사용한다.

지금 현재, SOI를 제작하기 위하여 기판에 Si을 증착하는 방법은 단일 증착조건을 사용하여 Si을 증착한다. 예를 들면, 1000℃의 온도 0.1torr의 압력하에서 SiH₄를 2sccm(standard cubic centimeter per minute)의 속도로, H₂는 80sccm속도로 60분동안 반응로에 주입시키면서 Si 박막을 성장시킨다는 하나의 증착조건을 사용한다. 그러나, 본 발명에 따른 박막제조방법에서는 Si을 증착하여 성장시킬 때, 성장조건을 하나의 조건이 아닌 여러 조건으로 하여 성장시킬 수도 있다.

현재, 행해지는 SOI에서는 Si을 증착할 때, 한가지 증착조건에서 공정이 이루어진다. 하지만, 본 발명은 복수의 증착조건에서 공정이 이루어지기 때문에 박막에 발생하는 결함을 줄이는 동시에 Si 막의 품질을 높여서 가급적 좋은 품질의 Si막을 증착시키려는 목적을 지니고 있다. 그래서, Si을 증착하는 최적의 증착조건 및 준최적조건을 찾기위하여 증착조건을 여러 단계로 변화시키면서 공정을 하여, 최적조건 및 준최적조건을 알아내려고 한다. 이를 위하여, 먼저 증착조건이 하나인 1 단계 성장방법, 증착조건이 두 개인 2 단계 성장방법, 증착조건이 세 개인 3 단계 성장방법으로 분리하며, 또한, 각각의 성장방법에서 최적의 조건을 먼저 실험하여 찾으려고 한다. 우선 1단계 성장방법부터 실험을 실시한다.

먼저 1 단계 성장방법(1 step growth method)을 사용한 경우부터 살펴보면 다음과 같다. 도 4는 1 단계 성장방법을 수행할 때의 가스유입 속도와 진행시간을 보여준다. 증착에 앞서 준비과정으로, 사파이어 기판의 표면을 식각(etching)하여, 기판표면이 증착에 알맞은 상태로 만든 뒤, 사파이어 기판을 반응로(furnace) 안에 놓는다. 불순물의 유입을 막기 위해 N₂(99.9999%) 가스를 흘려준다. 증착을 위하여 먼저 로터리펌프(rotary pump)를 이용하여 ∼10^-3torr 정도의 진공상태를 유지하고 디퓨젼펌프(diffusion pump)를 이용하여 ∼10^-6torr의 초기 기본진공을 유지시킨다. 부식을 마친 사파이어 표면에는 수증기(H₂O)가 붙어있는 상태이며, 기판 표면에 붙은 수증기(H₂O)는 Si의 증착을 방해하기 때문에 기판 표면에 붙어있는 수증기(H₂O)를 제거해야 한다. 이를 위해서, 도 4에서처럼, 900℃의 온도와 1 torr의 압력에서 1분 동안 80 sccm의 속도로 수소(H₂)가스를 흘려주어서 사파이어 표면에 붙어있는 H₂O를 완전히 제거한다. 그리고 900℃ 이하의 온도 환경에서 Si을 성장시키기 위해 수소(H₂)를 반응로(furnace) 안에 주입시키면서 천천히 반응로 내부를 가열시켜서 반응이 일어날 수 있는 분위기로 만든 다음, 800℃의 온도와 0.5 torr의 압력 하에서 35분 동안 순도 99.9999%인 SiH₄를 2sccm의 속도로, H₂는80sccm의 속도로 유입시켜 전체 가스의 유입속도가 82sccm(H₂/SiH₄= 40)되도록 한 뒤, 반응로(furnace) 안으로 가스를 흘려주면서 Si 에피택시(epitaxy)를 성장시켰다.

이러한 저온 성장을 통하여 480 ∼ 510 nm의 Si 에피택시 층이 성장했고, 전자현미경 SEM(scanning electron microscopy)으로 표면을 촬영한 사진은 도 5a와 같다. 1 단계 성장방법을 통한 기본적인 실험이 이루어졌으면, 최적 온도 조건을 알아내기 위하여, 압력을 1torr로 그리고 가스유입속도를 H₂는 80sccm SiH₄는 2sccm으로 고정시킨 뒤, 여러 온도에서 증착해 봄으로써 최적의 온도 조건을 찾을 수 있다. 도 5b 내지 도 5d는 Si 증착온도를 각각 750℃, 850℃, 900℃로 조금씩 바꾸어서 Si을 증착한 결과이다. 도 5a에서의 Si 막은 비교적 결함이 적지만, grain의 크기는 작다. 이에 반해 750℃에 증착한 도 5b는 비정질 Si임을 쉽게 알 수 있고, 도 5c는 비교적 grain이 크지만 표면에 결함이 많이 발생한 것을 알 수 있다. 도 5d는 고온에서 공정했기 때문에 Si이 균일하게 증착되었고 grain의 크기가 크지만 표면에 결함이 있음을 보여준다. 비록 grain의 크기를 고려하면 900℃가 최적 온도이지만, 결함과 균일성을 고려하면 800℃가 적당하다. 또한, 온도가 낮기 때문에 공정비용이 적게 든다는 장점이 있어서, 우선 최적온도로 800℃를 정하고 준최적온도를 900℃와 850℃로 정한다.

최적온도가 정해졌으면, 최적압력을 정해야한다. 이를 위해, 증착온도를 800℃로 고정시키고, 가스유입속도와 비율도 일정하게 유지한 채, 가스 압력만0.3torr, 0.5torr, 1torr로 변화시키면서 증착을 한 결과 사진이 도 6a 내지 도 6c이다. 사진에서 볼 때 도 6a의 Si 막은 형태가 다결정이며 표면에 많은 결함이 있다. 도 6b의 Si 막은 결함이 비교적 적어서 도 6a보다는 괜찮지만, 도 6c의 Si 막과 비교해 볼 때 증착된 Si의 grain이 작다. 도 6c의 Si 막은 표면에 결함이 있지만, grain이 상당히 크다. 그래서, 압력의 변화에 따른 Si 증착에서 최적의 가스유입속도를 알 수 없지만, 최적 Si 증착 압력 조건이 1torr임을 알 수 있다. 그러나, 처음부터 1torr의 압력에서 공정을 수행하는 것보다 0.5torr의 압력에서 먼저 공정을 수행한 뒤, 1torr로 압력을 올려서 공정을 한다면, 결함이 적고 grain의 크기가 큰 Si 박막을 증착할 수 있게 된다.

Si의 증착 온도와 압력이 결정되었으므로, 유입 가스 비율과 속도를 결정해야 한다. H₂와 SiH₄의 비율을 각각 40, 25, 15, 5로 변화시키면서 Si을 증착시킨 결과는 도 7a 내지 도 7d이며, 사진에서 쉽게 알 수 있듯이 도 7a에서와 같이 H₂와 SiH₄의 비율이 40일 때 가장 품질 좋은 Si이 증착되는 것을 알 수 있고, 그 다음으로 좋은 품질의 Si이 증착되는 가스 비율은 25이다.

최적의 온도조건, 압력조건, 가스비율이 정해졌으면, 이를 응용하여 2 단계 또는 3 단계 성장방법을 실험함으로써 최적의 Si막을 증착하도록 해야 한다.

비록 1 단계 성장 방법으로 Si을 증착할 수 있지만, Si의 품질이 좋지 않았기 때문에 증착조건을 둘로 나누어서 증착하는 방법이 2 단계 성장방법이다.

2 단계 성장방법을 살펴보면 도 8에서처럼 증착 예비작업으로 반응로를 900℃, 1 torr로 유지하고 1분 동안 80 sccm의 H₂gas를 흘리면서 사파이어 표면의 H₂O를 완전히 제거한 후 1 단계 Si 증착을 위하여 800℃, 0.5 torr에서 60분 동안 SiH₄을 2sccm, H₂는 80sccm으로 전체의 gas의 량을 82sccm(H₂/SiH₄= 40)으로 유지하고 반응로(furnace) 안으로 gas를 흘려주면서 저온에서 Si 에피택시 층을 성장시켰으며, 다시 2 단계로 60분 동안 900℃, 3 torr에서 SiH₄과 H₂를 각각 2sccm과 30sccm(H₂/SiH₄= 15)으로 흘려주면서, 약 760 ∼ 780 nm 두께의 에피택시 층을 성장시켰다.

그리고 조건을 바꾸어서 Si을 증착하는 첫번째 단계의 압력과 두 번째 단계의 압력을 1torr와 3torr, 0.5torr와 1torr, 0.5torr와 3torr로 서로 다르게 설정하여 Si을 증착했다. 그 결과는 도 9a 내지 도 9c이며 증착이 가장 잘 된 것은 증착압력을 첫 번째 단계에서 0.5torr 두 번째 단계에서 1torr로 하였을 때이고, 이와 비슷한 결과가 나온 것이 0.5torr와 3torr로 했을 때이다. 그리고, 압력뿐만 아니라, 온도도 서로 다르게 했으며, 서로 다른 압력조건에서 온도도 서로 다르게 했으며, 첫 번째 단계에서는 800℃, 두 번째 단계에서는 900℃로 하였다. 또한, 가스유입비율(H₂/SiH₄)도 처음은 40, 두 번째는 25로 하였다.

이상에서 실험하였던 2 단계 성장방법 보다 Si 증착과정을 하나 더 다른 조건으로 추가하여 Si을 증착한 방법이 3 단계 성장방법이다.

3 단계 성장방법의 경우, 도 10에서처럼 증착을 위한 예비작업으로 900℃, 1torr에서 1분 동안 80 sccm의 H₂gas를 흘려주면서 사파이어 표면의 H₂O를 완전히 제거한 뒤, 1 단계에서 800℃, 0.5 torr의 조건으로 10분 동안 SiH₄을 2sccm, H₂는 80sccm으로 전체의 gas의 량은 82sccm(H₂/SiH₄= 40)로 하여 반응로(furnace) 안으로 gas를 흘려주면서 저온에서 Si 에피택시 층을 성장하였다. 2 단계로 30분 동안 850℃, 1 torr에서 SiH₄와 H₂를 각각 2sccm과 80sccm(H₂/SiH₄= 40)으로 흘려주면서 Si 에피택시 층을 성장시켰고, 마지막 3 단계로 120분 동안 900℃, 3 torr에서 SiH₄과 H₂를 각각 2sccm과 30sccm(H₂/SiH₄= 15)으로 흘려주면서 Si 에피택시 층을 성장시켜서, 이를 사진으로 촬영한 결과가 도 11a이며 단면을 촬영한 사진이 도 11b이다. 이렇게 성장된 SOS 시료의 두께는 790 ∼ 820 nm이며, Si은 단결정 에피택시 층이며 품질이 아주 좋다.

고품질 Si막을 증착했지만, 표면의 높이가 균일하지 않기 때문에 표면작업을 해서 Si막 위에 고품질의 소자를 만들 수 있도록 해주어야 한다. 도 12는 3 단계 성장방법과 함께 Si 막 표면을 평탄하게 해주는 절차를 나타낸 도식도로서 3 단계 성장방법으로 성장한 Si 막을 1000℃의 고온에서 산화시켜서 Si 막 표면에 SiO₂층이 형성되는 모습을 보여준다. 그리고 표면에 생성된 SiO₂층을 화학적 식각을 통해 제거한 상태가 제일 마지막 단계이다.

3 단계 성장방법을 통해 증착된 Si막의 산화전과 산화후 모습을 촬영한 사진이 도 13a와 도 13b이다. 산화전의 모습은 약간 울퉁불퉁한 상태지만, 산화후의모습은 평탄도가 높아진 상태이다. 좀 더 자세한 분석을 위해 산화전과 산화후의 모습을 AFM으로 촬영한 사진이 도 13c와 도 13d이다.

사파이어 기판 위에 증착된 Si의 방향이 (001)인 것을 확인하기 위해서는 XRD (X-ray Diffraction)와 DCRC (Double Crystal Rocking Curve)를 사용하여 확인해야한다. 도 14a는 XRD로 촬영한 결과이다. 도 14a서 50°영역에서의 peak은 사파이어 r-plane (2204)의 peak이고, 이것을 통하여 SOS를 성장하기 위해 사용한 기판은 r-plane (1102)임을 확인하였다. 그리고, SOS 시료에서 사파이어 peak 이외에 새로운 peak이 보이는데, 이 peak는 Si (004)에서 나오는 신호로서 RTCVD로 성장한 SOS 시료가 cubic 구조의 Si 에피택시 층으로 성장하였음을 확인할 수 있다.

증착된 사파이어 윗부분과 Si막 사이에 위치한 원자들을 측정하는 방법으로 EDX가 있으며 EDX로 측정한 사진이 도 14b이다. 도 14b에서 빨간색이 Al 원자 녹색이 O원자이고 파란색이 Si원자를 나타낸다. EDX를 통해서 Al과 O원자 윗층에 Si 증착되었음을 확인했다.

증착된 물질과 기판사이에 존재하는 스트레스를 측정하는 방법으로 DCRC (Double Crystal Rocking Curve)가 있다. 기판과 증착물질의 격자크기가 서로 다르면, 격자크기의 차이로 인하여 스트레스가 발생하며, 격자차이가 너무 크면 과도한 스트레스가 작용해서, 결함이 발생하게 된다. DCRC로 측정한 결과가 도 14c이며, 그림에서 볼 수 있듯이 일반적인 SOS의 샘플이 맨 아래에 위치하며 그 다음 2 단계 성장방법과 3 단계 성장방법을 사용하여 Si을 증착한 결과이다. DCRC로 측정한 결과에서 peak는 결정성을 측정하는 지표로서, 많은 peak가 발생할수록 결정성이 우수한 시료이므로, DCRC 측정결과로 본 발명에서 사용한 3 단계 성장방법을 통해 증착된 Si 막의 품질이 우수함을 알 수 있다. 또한, peak의 반폭치를 측정함으로써, 기판과 증착물질 사이에 존재하는 스트레스(stress)로 말미암아 유발된 스트레인(strain)을 측정할 수 있으며, 그 결과 사파이어 기판과 Si 막 사이에도 스트레인이 발생한 것을 알 수 있다.

DCRC를 통해서 사파이어 기판과 증착된 Si막 사이에 스트레인이 발생함을 확인하였는데, 이같은 사실은 Raman을 통해서도 확인할 수 있었다. 도 14d에서와 같이 bulk Si에서는 Raman shift가 520.9 cm-1이었지만, SOS에서는 523.7 cm-1이었다. 이러한 shift를 통해서 SOS는 compressive strain을 받고 있음을 확인할 수 있었으며, strain 정도는 bulk Si 보다 약 0.52 %정도 컸다. 보통의 SOS에서 스트레인의 정도는 약 2%정도로 나타난다. 하지만, 본 발명을 통한 SOS는 0.52%이므로 상당히 품질이 좋은 SOS 제품이라는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 여러 개의 증착조건에서 증착공정을 함으로써 Si 박막의 품질을 높였으며, RPCVD를 사용하여 공정온도를 낮춤으로써 공정에 필요한 비용과 절차를 줄일 수 있어서, 보다 간단한 방법이면서도 품질좋은 SOI기판을 생산하는 방법이다. 본 발명을 통하여, SOI를 이용한 보다 집적된 회로와 소자에 응용하여 사용함으로써 전자산업과 소자산업의 발달을 기할 수 있으며, 박막소자공학에 있어서 보다 저온공정 및 정밀한 공정에 응용하여 사용할 수 있으므로 박막소자기술의 발달을 꾀할 수 있다.

Claims

반응로(furnace)로 유입되는 반응가스의 양과 속도를 제어하는 제어부와, 반응로(furnace)를 가열하는 가열부와, 상기 반응로를 진공상태로 유지시키는 진공부를 포함하여 이루어지는 급속가열화학증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition)장치에 있어서; 상기 반응로는,

빛이 피증착기판에 충분히 전달될 수 있도록 그 내부에 램프를 구비하고, 상기 램프의 빛이 투과될 수 있는 투명한 석영튜브(quartz tube)를 구비하는 것을 특징으로 하는 급속가열화학증착장치.
제 1 항에 있어서;

전파를 이용하여 상기 반응로 내부에 유입되는 가스를 예열하는 예열부가 부가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속가열화학증착장치.
제 2 항에 있어서;

상기 예열부는 10㎒ 이상의 진동수를 가진 전파를 발생하는 것을 특징으로 하는 급속가열화학증착장치.
제 1 항에 있어서;

상기 램프는 적외선 영역의 빛을 발생하는 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 급속가열화학증착장치.
제 4 항에 있어서;

상기 할로겐 램프의 작동 시간을 조절하기 위한 제어장치가 부가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속가열화학증착장치.
급속가열화학증착장치를 이용하여 기판 위에 박막을 성장시킬 때 증착조건을 적어도 두 단계 이상으로 나누어 박막을 증착시키는 다단계성장법을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 6 항에 있어서;

상기 박막은 Si이 포함된 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 6 항에 있어서;

상기 박막은 Ge이 포함된 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서;

상기 증착조건은 유입되는 가스의 압력과 온도와 유입속도 및 가스 유입량의 각 변화에 기인하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 9 항에 있어서;

온도의 가변범위는 800℃ 내지 900℃ 이며, 압력의 가변 범위는 0.5 Torr 내지 3 Torr 이내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 10 항에 있어서;

다단계 성장법에 따른 온도 및 압력 조건은 단계의 진행에 따라 점차 증가되는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
제 6 항에 있어서;

박막 증착후 표면의 산화 과정과,

화학적 부식으로 표면을 평탄화하는 과정이 부가되는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
급속가열화학증착장치를 이용하여 기판 위에 박막을 성장시킬 때 증착조건을 적어도 두 단계 이상으로 나누어 박막을 증착시키는 다단계성장법을 이용하는 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 13 항에 있어서;

상기 기판은 SOI(Silicon On Insulator)인 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 13 항에 있어서;

상기 기판은 사파이어 위에 실리콘을 증착한 SOS(Silicon on Sapphire)인 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서;

상기 증착조건은 유입되는 가스의 압력과 온도와 유입속도 및 가스 유입량의 각 변화에 기인하는 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 16 항에 있어서;

온도의 가변범위는 800℃ 내지 900℃ 이며, 압력의 가변 범위는 0.5 Torr 내지 3 Torr 이내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 17 항에 있어서;

다단계 성장법에 따른 온도 및 압력 조건은 단계의 진행에 따라 점차 증가되는 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.
제 13 항에 있어서;

박막 증착후 표면의 산화 과정과,

화학적 부식으로 표면을 평탄화하는 과정이 부가되는 것을 특징으로 하는 기판 제조방법.