KR20070055898A - Method for forming silicon film by atomic layer deposition - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급함으로써, 500℃ 미만의 온도에서도 실리콘 박막을 형성할 수 있고, 원자층 증착을 반복적으로 수행함으로써 원하는 두께의 실리콘 박막을 증착할 수 있는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for depositing an atomic layer of a silicon thin film, and in particular, by alternately supplying a silicon precursor and a plasma into a reaction tube, the silicon thin film can be formed even at a temperature below 500 ° C., and atomic layer deposition is repeatedly performed. The present invention relates to an atomic layer deposition method of a silicon thin film capable of depositing a silicon thin film having a desired thickness.

본 발명의 실리콘 박막의 원자층 증착 방법을 이루는 구성수단은, 기판을 반응관 내로 유입한 후, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시키는 제1 단계, 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘(Si) 전구체 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제2 단계, 상기 기판 표면에 흡착된 실리콘(Si) 전구체를 환원시켜 고체 실리콘(Si)을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 내부로 공급하는 제3 단계. 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The constituent means constituting the method for depositing the atomic layer of the silicon thin film of the present invention, after flowing the substrate into the reaction tube, by supplying a silicon (Si) precursor while maintaining the inside of the reaction tube at a predetermined pressure and temperature to react The first step, the second step of performing the pumping and purging to remove the remaining silicon (Si) precursor and reaction by-products without reacting in the reaction tube, by reducing the silicon (Si) precursor adsorbed on the substrate surface A third step of supplying a reducing plasma into the reaction tube to form a solid silicon (Si). And a fourth step of performing pumping and purging to remove the various ions and reaction by-products remaining without reacting in the reaction tube.

원자층, 결정질, 실리콘 박막 Atomic layer, crystalline, silicon thin film

Description

실리콘 박막의 원자층 증착 방법{method for forming silicon film by Atomic Layer Deposition}Method for forming silicon film by Atomic Layer Deposition

도 1은 엑시머 레이져 결정화법을 이용한 실리콘 박막을 형성하는 순서도이다.1 is a flowchart of forming a silicon thin film using an excimer laser crystallization method.

도 2는 엑시머 레이져 결정화법을 이용한 실리콘 박막을 형성하는 공정도이다.2 is a process chart for forming a silicon thin film using an excimer laser crystallization method.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막의 원자층을 증착하는 순서도이다.3 is a flowchart of depositing an atomic layer of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막의 원자층을 증착하는 공정도이다.4 is a process diagram for depositing an atomic layer of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1, 100 : 반응관 2, 110 : 기판1, 100: reaction tube 2, 110: substrate

3 : SiH4 분자 4 : H2 분자3: SiH 4 molecule 4: H 2 molecule

5 : 레이져 빔 120 : 실리콘 전구체5 laser beam 120 silicon precursor

121 : 실리콘 원자 130, 140 : 반응 부산물121: silicon atom 130, 140: reaction by-product

150 : 원자층 실리콘 박막150: atomic layer silicon thin film

본 발명은 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급함으로써, 500℃ 미만의 온도에서도 실리콘 박막을 형성할 수 있고, 원자층 증착을 반복적으로 수행함으로써 원하는 두께의 실리콘 박막을 증착할 수 있는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for depositing an atomic layer of a silicon thin film, and in particular, by alternately supplying a silicon precursor and a plasma into a reaction tube, the silicon thin film can be formed even at a temperature below 500 ° C., and atomic layer deposition is repeatedly performed. The present invention relates to an atomic layer deposition method of a silicon thin film capable of depositing a silicon thin film having a desired thickness.

대부분의 능동행렬 액정디스플레이(AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)의 능동소자와 전기발광(electro-luminecence)소자의 스위칭 소자 및 주변회로에는 다결정 실리콘 박막을 이용한 소자가 사용된다. Most active matrix liquid crystal display (AMLCD) active devices, electroluminescent devices, switching devices and peripheral circuits are made of polycrystalline silicon thin film devices.

현재 다결정 실리콘 박막은 우선 비정질 실리콘을 증착한 후, 고상 결정화(SPC, solid phase crystallization), 급속열처리 (RTA, rapid thermal annealing), 연속파장 레이저 결정화 (continuous wave Ar laser annealing), 엑시머 레이저 결정화 (ELA, excimer laser annealing) 등의 방법을 이용하여 얻을 수있다. Currently, polycrystalline silicon thin films are first deposited with amorphous silicon, followed by solid phase crystallization (SPC), rapid thermal annealing (RTA), continuous wave ar laser annealing, and excimer laser crystallization (ELA). and excimer laser annealing).

상기 고상결 정화 방법은 600℃ 이상의 고온에서 장시간 열처리하여 다결정 실리콘 박막을 제작하는 방법이다. 그러나 고온 열처리를 이용하는 방법은 높은 결정화 온도와 긴 열처리 시간이 필수적으로 요구된다. 또한 이 방법에 의하여 결정 화된 결정립 내부에 많은 결함이 있어 소자 제작에 어려움이 있으며, 높은 결정화 온도로 인하여 유리기판을 사용할 수 없는 문제점이 있다. The solid phase purification method is a method of producing a polycrystalline silicon thin film by heat treatment for a long time at a high temperature of 600 ℃ or more. However, a method using high temperature heat treatment requires a high crystallization temperature and a long heat treatment time. In addition, there are many defects inside the crystal grains crystallized by this method, making it difficult to fabricate the device, and there is a problem that glass substrates cannot be used due to high crystallization temperature.

또한, 상기 급속 열처리 방법과 연속파장 레이져 결정화 방법도 500 oC 이상의 공정온도를 요구하므로 상기 온도범위에서 열적 변형을 일으키는 유리 기판을 사용하는 경우에는 적용이 불가능하다.In addition, the rapid heat treatment method and the continuous wavelength laser crystallization method 500 It is not applicable to the case of using a glass substrate that causes thermal deformation in the above temperature range because a process temperature of more than C is required.

한편, 상기 엑시머 레이저 결정화 방법은 현재 생산에 가장 널리 적용되고 있는 기술이다. 이에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.On the other hand, the excimer laser crystallization method is currently the most widely applied technology in production. This will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 엑시머 레이져 결정화 방법을 이용한 다결정 실리콘 박막을 형성하는 순서도이고, 도 2는 이를 설명하기 위한 공정도이다.1 is a flow chart for forming a polycrystalline silicon thin film using a conventional excimer laser crystallization method, Figure 2 is a flow chart for explaining this.

먼저 플라즈마 화학증착법 (PECVD, plasma-enhanced chemical vapor deposition)으로 비정질의 실리콘(Si) 박막을 기판 상에 증착한다(S10). 이를 위하여 도 2의 a에 도시된 바와 같이, SiH4 분자(3)와 H2(4) 분자를 반응관(1) 내부에 공급하고 소정의 조건에서 플라즈마를 발생하면 실리콘 원자(Si)(3a)와 수소(H) 원자(3b)가 기판(2) 상에 증착되면서 비정질 실리콘 박막이 형성된다.First, an amorphous silicon (Si) thin film is deposited on a substrate by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) (S10). To this end, as shown in FIG. 2A, when SiH 4 molecules 3 and H 2 (4) are supplied into the reaction tube 1 and plasma is generated under predetermined conditions, silicon atoms (Si) 3a are generated. ) And hydrogen (H) atoms 3b are deposited on the substrate 2 to form an amorphous silicon thin film.

상기와 같이 기판(2) 상에 비정질 실리콘 박막을 형성한 후에는, 비정질 실리콘(Si) 박막 내에 함유된 수소(3b)를 제거하기 위한 탈수소화 처리를 실시한다(S20). 이와 같이 탈수소화 처리를 하면 도 2의 b에 도시된 바와 같이, 수소(3b)가 실리콘 원자(3a) 사이에서 빠져 나온다.After the amorphous silicon thin film is formed on the substrate 2 as described above, a dehydrogenation treatment for removing hydrogen 3b contained in the amorphous silicon (Si) thin film is performed (S20). In this dehydrogenation process, as shown in b of FIG. 2, hydrogen 3b escapes between the silicon atoms 3a.

상기와 같이 실리콘 원자(3a) 사이에 끼어 있는 수소(3b)를 제거한 후에는 펄스(pulse)화된 엑시머 레이저 빔(5)을 조사하여 기판(2) 위의 비정질 실리콘(Si) 박막의 표면만을 국부적으로 가열하여 결정화시킴으로써 유리기판의 손상을 최소화하면서 실리콘(Si) 박막을 결정화한다(S30)(도 2의 c 참조). After removing the hydrogen 3b sandwiched between the silicon atoms 3a as described above, only the surface of the amorphous silicon (Si) thin film on the substrate 2 is irradiated by irradiating the pulsed excimer laser beam 5. By crystallization by heating the crystallized silicon (Si) thin film while minimizing damage to the glass substrate (S30) (see Fig. 2c).

그런데, 상기와 같은 엑시머 레이져 결정화 방법에 의하여 기판 상에 다결정 실리콘 박막을 형성하고자 하는 경우에는, 고가의 엑시머 레이저 장치를 필요로 하며, 대면적의 기판 위를 레이저 빔으로 주사(scan)하기 때문에 공정시간이 비교적 길고, 실리콘(Si) 결정립 크기가 균일하지 못하다는 단점을 가지고 있다. However, when the polycrystalline silicon thin film is to be formed on the substrate by the excimer laser crystallization method as described above, an expensive excimer laser apparatus is required, and the process is performed by scanning a large area substrate with a laser beam. The disadvantage is that the time is relatively long and the silicon (Si) grain size is not uniform.

또한 비정질의 실리콘(Si) 박막을 증착하고 RTA(rapid thermal anneal) 등을 이용해 박막 내의 수소를 제거한 다음 진공 중에서 레이저 결정화를 진행해야 하므로 공정이 복잡해지는 단점 등을 가지고 있다.In addition, the deposition of amorphous silicon (Si) thin film, RTA (rapid thermal anneal) to remove the hydrogen in the thin film and laser crystallization in the vacuum process has the disadvantage that the process is complicated.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급함으로써, 500℃ 미만의 온도에서도 실리콘 박막을 형성할 수 있고, 원자층 증착을 반복적으로 수행함으로써 원하는 두께의 실리콘 박막을 용이하게 증착할 수 있는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above problems of the prior art, and by supplying the silicon precursor and the plasma alternately into the reaction tube, it is possible to form a silicon thin film at a temperature of less than 500 ℃, atomic layer deposition It is an object of the present invention to provide a method for depositing an atomic layer of a silicon thin film which can be easily deposited by repeatedly performing a silicon thin film having a desired thickness.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 제안된 본 발명인 실리콘 박막 의 원자층 증착 방법을 이루는 구성수단은, 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 있어서, 기판을 반응관 내로 유입한 후, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시키는 제1 단계, 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘(Si) 전구체 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제2 단계, 상기 기판 표면에 흡착된 실리콘(Si) 전구체를 환원시켜 고체 실리콘(Si)을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 내부로 공급하는 제3 단계. 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The constituent means of the atomic layer deposition method of the silicon thin film of the present invention proposed in order to achieve the technical problem as described above, in the atomic layer deposition method of the silicon thin film, after flowing the substrate into the reaction tube, the inside of the reaction tube In the first step of supplying and reacting a silicon (Si) precursor at a predetermined pressure and temperature, pumping and purging are performed to remove the remaining silicon (Si) precursor and reaction by-products without reacting inside the reaction tube. A second step of performing a third step of supplying a reducing plasma into the reaction tube in order to reduce the silicon (Si) precursor adsorbed on the substrate surface to form a solid silicon (Si). And a fourth step of performing pumping and purging to remove the various ions and reaction by-products remaining without reacting in the reaction tube.

또한, 상기 기판 상에 소정 두께의 실리콘 박막을 형성하기 위하여 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 원자층의 실리콘을 반복적으로 기판 상에 증착함으로써, 원하는 두께의 실리콘 박막을 형성할 수 있다.In addition, the first to fourth steps are repeated to form a silicon thin film having a predetermined thickness on the substrate. By repeatedly depositing the silicon of the atomic layer on the substrate, a silicon thin film having a desired thickness can be formed.

또한, 상기 실리콘(Si) 전구체는 실리콘(Si)의 할로겐 화합물인 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 실리콘 전구체는 SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6, 및 Si2F6 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the silicon (Si) precursor is characterized in that the halogen compound of silicon (Si). That is, the silicon precursor is preferably any one of SiCl 4 , SiF 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiH 3 Cl, SiI 4 , Si 2 Cl 6 , and Si 2 F 6 .

또한, 상기 실리콘 전구체를 반응시키기 위한 상기 반응관의 압력은 10 mTorr ~ 10 Torr 사이의 범위인 것이 바람직하고, 상기 실리콘 전구체는 1초 ~ 10분 사이의 범위 동안 상기 반응관 내부로 공급되는 것이 바람직하다.In addition, the pressure of the reaction tube for reacting the silicon precursor is preferably in the range of 10 mTorr ~ 10 Torr, the silicon precursor is preferably supplied into the reaction tube for a range of 1 second to 10 minutes. Do.

또한, 상기 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체로 수소(H2) 또는 중수소(D2)가 사용되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 환원성 플라즈마원은 용량성 결합 플라즈마(CCP, capacitively-coupled plasma), 유도성 결합 플라즈마 (ICP, inductively-coupled plasma), 마이크로파 플라즈마 (microwave plasma), ECR 플라즈마 (ECR plasma, electron cyclotron plasma) 및 헬리콘 플라즈마 (helicon plasma) 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, hydrogen (H 2) or deuterium (D 2) is used as a gas for forming the reducing plasma. The reducing plasma source may be capacitively-coupled plasma (CCP), inductively-coupled plasma (ICP), microwave plasma, ECR plasma (ECR plasma, electron cyclotron plasma). And it is preferable to use any one of the helicon plasma (helicon plasma).

또한, 상기 유도성 결합 플라즈마를 이용하는 경우에는, 플라즈마 파워는 100 W ~ 20 kW 사이의 범위로 유지하고, 압력은 5 mTorr ~ 5 Torr 사이의 범위를 유지하며, 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체의 유량은 100 Sccm ~ 50 Slpm 사이의 범위를 유지하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the case of using the inductively coupled plasma, the plasma power is maintained in the range of 100 W to 20 kW, the pressure is maintained in the range of 5 mTorr to 5 Torr, and the flow rate of the gas for forming the reducing plasma. Is characterized by maintaining a range between 100 Sccm and 50 Slpm.

또한, 상기 퍼지는 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 이용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 반응 부산물 등을 제거하기 위하여 질소, 아르곤 및 헬륨과 같은 불활성 기체 또는 수소 기체를 이용한다.In addition, the purge is characterized by using an inert gas or hydrogen (H 2 ) gas. That is, inert gases such as nitrogen, argon and helium or hydrogen gas are used to remove reaction by-products and the like.

또한, 상기 기판의 온도는 300 ~ 500 ℃ 사이의 범위를 유지하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 기판의 가열은 저항 가열 방식, 유도 가열 방식 및 램프 가열 방식 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the temperature of the substrate is characterized in that it maintains a range between 300 ~ 500 ℃. In addition, it is preferable to use any one of a resistance heating method, an induction heating method, and a lamp heating method for heating the substrate.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 관한 작용 및 바람직한 실시예를 상세하 게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation and preferred embodiment of the method for depositing the atomic layer of the silicon thin film of the present invention consisting of the above configuration means.

본 발명은 차세대 평판 디스플레이 장치의 기반 기술이라고 할 수 있는 TFT의 특성을 좌우하는 실리콘(Si) 박막을 원자층 증착 방법(ALD, Atomic Layer Deposition)으로 증착하는 기술로서, 이 기술을 적용함으로써 공정의 저온화 및 TFT 특성의 향상이 가능하여 고성능의 디스플레이 소자의 생산이 가능하다. 또한, 본 발명은 평판 디스플레이뿐만 아니라 플렉시블(flexible) 디스플레이 등의 타 디스플레이 소자에도 적용가능하며, 태양전지와 같은 에너지 분야에도 적용될 수 있다. The present invention is a technique for depositing a silicon (Si) thin film, which depends on the characteristics of a TFT, which is the basis technology of the next-generation flat panel display device, by atomic layer deposition (ALD) method. It is possible to lower the temperature and to improve the TFT characteristics, thereby producing a high-performance display device. In addition, the present invention can be applied to other display elements such as a flexible display as well as a flat panel display, and can be applied to energy fields such as solar cells.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막의 원자층을 증착하는 순서도이고, 도 4는 이를 설명하기 위한 공정도이다.3 is a flow chart of depositing an atomic layer of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a flow chart for explaining this.

도 3에 도시된 바와 같이, 기판 상에 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하기 위하여, 먼저 기판을 반응관 내로 유입하고, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시킨다(S110).As shown in FIG. 3, in order to deposit an crystalline silicon thin film of an atomic layer on a substrate, first, the substrate is introduced into a reaction tube, and the silicon (Si) is maintained while maintaining the inside of the reaction tube at a predetermined pressure and temperature. The precursor is supplied and reacted (S110).

이와 같이 반응관(100) 내부로 실리콘(Si) 전구체(120)를 공급하고, 상기 반응관(100) 내부를 소정의 압력과 온도로 유지하면, 상기 실리콘(Si) 전구체(120)는 화학적 반응을 일으켜 기판(110) 상에 실리콘(Si) 원자(121)가 증착된다(도 4의 (a) 참조).As such, when the silicon (Si) precursor 120 is supplied into the reaction tube 100 and the inside of the reaction tube 100 is maintained at a predetermined pressure and temperature, the silicon (Si) precursor 120 reacts with the chemical reaction. To form a silicon (Si) atom 121 on the substrate 110 (see FIG. 4A).

상기 실리콘(Si) 전구체(120)는 실리콘(Si)의 할로겐 화합물인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 실리콘 전구체(120)는 SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6, 및 Si2F6 중 어느 하나에 해당된다. The silicon (Si) precursor 120 is preferably a halogen compound of silicon (Si). For example, the silicon precursor 120 corresponds to any one of SiCl 4 , SiF 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiH 3 Cl, SiI 4 , Si 2 Cl 6 , and Si 2 F 6 .

도 4의 (a)에서 실리콘 전구체(120)로서 SiH2Cl2 를 사용하였다면, 실리콘 원자(121) 주변에 두개의 Cl(123)과 두개의 H(125)가 결합된 실리콘 전구체가 상기 반응관(100) 내부로 공급되고, 소정의 압력과 온도에서 반응하여 기판(110) 상에 실리콘 원자(121)와 할로겐 원자인 Cl(123)이 증착되고, 일부 실리콘 전구체(120)과 반응 부산물(130)은 반응관(100) 내부에 잔존하게 된다.In FIG. 4A, when SiH 2 Cl 2 is used as the silicon precursor 120, a silicon precursor in which two Cl 123 and two H 125 are bonded around the silicon atom 121 is formed in the reaction tube. (100) is supplied inside, reacts at a predetermined pressure and temperature to deposit a silicon atom 121 and a halogen atom Cl (123) on the substrate 110, and some silicon precursor 120 and the reaction by-product 130 ) Will remain inside the reaction tube (100).

상기 실리콘 전구체(120)를 반응시키기 위한 상기 반응관(100) 내부의 압력은 10 mTorr 이상이어야 하고, 10mTorr ~ 10 Torr 사이의 범위인 것이 가장 바람직하다. 그리고, 상기 반응관(100) 내부로 공급되는 실리콘 전구체(120)는 1초에서 10분 사이의 범위 동안 공급되는 것이 바람직하다.The pressure inside the reaction tube 100 for reacting the silicon precursor 120 should be at least 10 mTorr, most preferably in the range between 10 mTorr and 10 Torr. In addition, the silicon precursor 120 supplied into the reaction tube 100 is preferably supplied for a range of 1 second to 10 minutes.

상기와 같이 기판(110) 상에 실리콘 원자가 증착되면, 상기 반응관(100) 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘 전구체(120)와 반응 부산물(130)은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 제거된다(S120). 이와 같이 반응하지 않고 잔존하는 실리콘 전구체(120)와 반응 부산물(130)을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행한다. 상기 퍼지 가스로는 N2, Ar, He 등의 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 사용하는 것이 바람직하다.When the silicon atoms are deposited on the substrate 110 as described above, the silicon precursor 120 and the reaction by-product 130 remaining without reacting inside the reaction tube 100 are shown in FIG. It is removed (S120). As such, pumping and purging are performed to remove the remaining silicon precursor 120 and the reaction by-product 130 without reacting. As the purge gas, it is preferable to use an inert gas such as N 2 , Ar, He, or hydrogen (H 2 ) gas.

상기와 같이 반응관(100) 내부에서 반응하지 않고 잔존하는 실리콘 전구체(120)와 반응 부산물(130)은 제거된 후에는, 상기 기판(110) 표면에 흡착된 실리콘 전구체를 환원시켜 고체 실리콘을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 (100) 내부로 공급한다(S130).As described above, after the remaining silicon precursor 120 and the reaction by-product 130 are not reacted in the reaction tube 100, the silicon precursor adsorbed on the surface of the substrate 110 is reduced to form solid silicon. In order to supply a reducing plasma to the reaction tube (100) (S130).

상기 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체로는 수소(H2) 또는 중수소(D2)가 사용되는 것이 바람직하고, 상기 플라즈마 기체를 이용하여 플라즈마를 발생하기 위한 환원성 플라즈마원으로는 용량성 결합 플라즈마(CCP, capacitively-coupled plasma), 유도성 결합 플라즈마 (ICP, inductively-coupled plasma), 마이크로파 플라즈마 (microwave plasma), ECR 플라즈마 (ECR plasma, electron cyclotron plasma) 및 헬리콘 플라즈마 (helicon plasma) 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.Hydrogen (H 2) or deuterium (D 2) is preferably used as a gas for forming the reducing plasma, and a capacitively coupled plasma (CCP, capacitively) as a reducing plasma source for generating plasma using the plasma gas. It is preferable to use any one of -coupled plasma, inductively-coupled plasma (ICP), microwave plasma, microwave plasma (ECR plasma) and helicon plasma. Do.

만약, 상기 유도성 결합 플라즈마를 이용하는 경우에는, 플라즈마 파워는 100W ~ 20 kW 사이의 범위로 유지하고, 압력은 5mTorr ~ 5 Torr 사이의 범위를 유지하며, 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체의 유량은 100 Sccm ~ 50 Slpm 사이의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.If the inductively coupled plasma is used, the plasma power is maintained in the range of 100 W to 20 kW, the pressure is maintained in the range of 5 mTorr to 5 Torr, and the flow rate of the gas for forming the reducing plasma is 100. It is desirable to maintain a range between Sccm and 50 Slpm.

상기와 같이 환원성 플라즈마를 형성하기 위해, 수소(H2) 기체를 상기 반응관(100) 내부로 공급하고, 플라즈마 처리를 하면 상기 기판(121) 상에 흡착되어 있는 할로겐 원자(Cl)는 수소와 결합하여 반응 부산물(140)로 남고, 반응한 수소(125)가 상기 기판(121) 상에 흡착되어 있는 실리콘 원자에 결합된다(도 4의 (c) 참조).In order to form a reducing plasma as described above, hydrogen (H 2 ) gas is supplied into the reaction tube 100, and when the plasma treatment is performed, the halogen atoms Cl adsorbed on the substrate 121 are separated from the hydrogen. Couplings remain as reaction byproducts 140, and reacted hydrogen 125 is bonded to silicon atoms adsorbed on the substrate 121 (see FIG. 4C).

상기와 같이 환원성 플라즈마를 반응관(100) 내부로 공급하여 기판(110) 표면에 흡착된 실리콘 전구체를 환원시켜 고체 실리콘을 형성한 후에는, 반응관(100) 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물(140)은 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 제거된다(S140). As described above, after the reducing plasma is supplied into the reaction tube 100 to reduce the silicon precursor adsorbed on the surface of the substrate 110 to form solid silicon, each species remaining without reacting inside the reaction tube 100 is formed. Ions and reaction byproducts 140 are removed as shown in FIG. 4 (d) (S140).

이와 같이 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온과 반응 부산물(140)을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행한다. 상기 퍼지 가스로는 N2, Ar, He 등의 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 사용하는 것이 바람직하다.Thus, pumping and purging are performed to remove the various ions and reaction by-products 140 remaining without reacting. As the purge gas, it is preferable to use an inert gas such as N 2 , Ar, He, or hydrogen (H 2 ) gas.

이상과 같은 공정을 따라 결정질 실리콘 박막을 형성하기 위하여 상기 기판(110)은 300 ~ 500℃ 사이의 범위를 유지할 수 있도록 가열되는 것이 바람직하다. 이와 같은 기판의 온도는 종래의 600℃ 이상의 고온에서 결정질 실리콘 박막을 직접 증착하는 방법과 다르다. 상기 기판을 소정 온도로 가열하는 방법은 다양하지만, 저항 가열 방식, 유도 가열 방식 및 램프 가열 방식 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.In order to form a crystalline silicon thin film according to the above process, the substrate 110 is preferably heated to maintain a range between 300 ~ 500 ℃. The temperature of such a substrate is different from the conventional method of directly depositing a crystalline silicon thin film at a high temperature of 600 ° C or higher. Although the method of heating the substrate to a predetermined temperature varies, it is preferable to use any one of a resistance heating method, an induction heating method, and a lamp heating method.

또한, 이상에서 설명한 단계 S110 ~ S140은 여러번 반복 수행될 수 있다. 즉, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이 기판 상에 원하는 소정 두께의 실리콘 박막(150)을 형성하기 위하여 상기 단계 S110 ~ S140을 수번 반복할 수 있다. 즉, 상기 단계 S110 ~ S140을 수행하면 0.2㎚의 원자층의 실리콘 박막이 형성된다는 가정하에서, 10㎚ 두께의 실리콘 박막을 증착하기 위해서는 상기 단계 S110 ~ S140을 50회 반복 수행하면 된다.In addition, the steps S110 to S140 described above may be repeated several times. That is, as shown in FIG. 4E, the steps S110 to S140 may be repeated several times to form the silicon thin film 150 having a desired thickness on the substrate. That is, under the assumption that the steps S110 to S140 are performed to form a silicon thin film having an atomic layer of 0.2 nm, the steps S110 to S140 may be repeatedly performed 50 times to deposit a 10 nm thick silicon thin film.

이와 같이 단계 S110 ~ S140을 반복 수행한 경우에도, 사용되는 실리콘 전구체와 상기 실리콘 전구체를 반응시키기 위한 조건, 환원성 플라즈마 기체, 환원성 플라즈마원 및 플라즈마 처리 조건은 상기 단계 S110 ~ S140을 수행하는 경우와 동일하다.Even when the steps S110 to S140 are repeatedly performed, the conditions for reacting the silicon precursor with the silicon precursor, the reducing plasma gas, the reducing plasma source, and the plasma processing conditions are the same as those when the steps S110 to S140 are performed. Do.

상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 의하면, 기존의 방법으로는 실리콘 박막이 형성되지 않는 온도 영역인 500 oC 미만에서 결정질의 실리콘(Si) 박막을 직접 증착할 수 있는 효과가 있다.According to the atomic layer deposition method of the silicon thin film of the present invention having the above-described configuration, operation, and preferred embodiments, the crystalline silicon (Si) thin film is less than 500 o C which is a temperature range in which the silicon thin film is not formed by the conventional method. There is an effect that can be deposited directly.

또한, 본 발명을 적용하여 저온 다결정 실리콘(Si) TFT를 제조하는 경우, 기존에 엑시머 레이저를 이용하여 다결정질 실리콘(Si) 박막을 형성하는 경우에 비해서 공정이 단순하여 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.In addition, when manufacturing the low-temperature polycrystalline silicon (Si) TFT by applying the present invention, compared to the case of forming a polycrystalline silicon (Si) thin film by using an excimer laser, the process is simple and the productivity is greatly improved. have.

또한, 본 발명을 비정질 실리콘(Si) TFT 제작에 적용할 경우에는 본 발명의 방법에 의해 형성되는 실리콘(Si) 박막이 비정질 실리콘(Si) 박막보다 전계 효과 이동도가 높고 구동전류가 높으므로 TFT 패널 위에 LCD 구동회로를 내장할 수 있으며 신뢰성도 향상시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, when the present invention is applied to the fabrication of amorphous silicon (Si) TFT, since the silicon (Si) thin film formed by the method of the present invention has higher field effect mobility and higher driving current than the amorphous silicon (Si) thin film, the TFT LCD driver circuit can be embedded on the panel and reliability can be improved.

Claims (12)

실리콘 박막의 원자층 증착 방법에 있어서,In the atomic layer deposition method of a silicon thin film, 기판을 반응관 내로 유입한 후, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시키는 제1 단계;A first step of flowing the substrate into the reaction tube and then supplying and reacting a silicon (Si) precursor while maintaining the inside of the reaction tube at a predetermined pressure and temperature; 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘(Si) 전구체 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제2 단계;A second step of performing pumping and purging to remove remaining silicon (Si) precursor and reaction by-products without reacting inside the reaction tube; 상기 기판 표면에 흡착된 실리콘(Si) 전구체를 환원시켜 고체 실리콘(Si)을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 내부로 공급하는 제3 단계;Supplying a reducing plasma into the reaction tube in order to reduce silicon (Si) precursor adsorbed on the substrate surface to form solid silicon (Si); 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.And a fourth step of performing a pumping and purging to remove various kinds of ions and reaction by-products remaining without reacting in the reaction tube. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 기판 상에 소정 두께의 실리콘 박막을 형성하기 위하여 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.And repeating the first to fourth steps to form a silicon thin film having a predetermined thickness on the substrate. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 실리콘(Si) 전구체는 실리콘(Si)의 할로겐 화합물인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.And the silicon (Si) precursor is a halogen compound of silicon (Si). 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 실리콘 전구체는 SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6, 및 Si2F6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The silicon precursor is any one of SiCl 4 , SiF 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiH 3 Cl, SiI 4 , Si 2 Cl 6 , and Si 2 F 6 . 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 실리콘 전구체를 반응시키기 위한 상기 반응관의 압력은 10 mTorr ~ 10 Torr 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The pressure of the reaction tube for reacting the silicon precursor is a method of atomic layer deposition of a silicon thin film, characterized in that the range of 10 mTorr ~ 10 Torr. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 실리콘 전구체는 1초 ~ 10분 사이의 범위 동안 상기 반응관 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The silicon precursor is supplied to the inside of the reaction tube for a range between 1 second to 10 minutes. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체로 수소(H2) 또는 중수소(D2)가 사용되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.A method of depositing an atomic layer of a silicon thin film, characterized in that hydrogen (H 2) or deuterium (D 2) is used as a gas for forming the reducing plasma. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7, 상기 환원성 플라즈마원은 용량성 결합 플라즈마(CCP, capacitively-coupled plasma), 유도성 결합 플라즈마 (ICP, inductively-coupled plasma), 마이크로파 플라즈마 (microwave plasma), ECR 플라즈마 (ECR plasma, electron cyclotron plasma) 및 헬리콘 플라즈마 (helicon plasma) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The reducing plasma source is capacitively-coupled plasma (CCP), inductively-coupled plasma (ICP), microwave plasma, microwave plasma (ECR plasma), and electron cyclotron plasma (HEL). A method of depositing an atomic layer of a silicon thin film, using any one of a helicon plasma. 청구항 8에 있어서, 상기 유도성 결합 플라즈마를 이용하는 경우에는,The method according to claim 8, wherein when using the inductively coupled plasma, 플라즈마 파워는 100 W ~ 20 kW 사이의 범위로 유지하고, 압력은 5 mTorr ~ 5 Torr 사이의 범위를 유지하며, 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체의 유량은 100 Sccm ~ 50 Slpm 사이의 범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The plasma power is maintained in the range of 100 W to 20 kW, the pressure is maintained in the range of 5 mTorr to 5 Torr, and the flow rate of the gas for forming the reducing plasma is maintained in the range of 100 Sccm to 50 Slpm. An atomic layer deposition method of a silicon thin film, characterized in that. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 퍼지는 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The purge is an atomic layer deposition method of a silicon thin film, characterized in that using an inert gas or hydrogen (H 2 ) gas. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 기판의 온도는 300 ~ 500 ℃ 사이의 범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The temperature of the substrate is the atomic layer deposition method of the silicon thin film, characterized in that it maintains the range between 300 ~ 500 ℃. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 기판의 가열은 저항 가열 방식, 유도 가열 방식 및 램프 가열 방식 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막의 원자층 증착 방법.The heating of the substrate is an atomic layer deposition method of a silicon thin film, characterized in that using any one of resistance heating method, induction heating method and lamp heating method.
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