KR20070055899A - 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법 - Google Patents

2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급하여, 500℃ 미만의 온도에서 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성한 후, 이 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여 별도의 상부 실리콘 박막을 형성함으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 있어서, 기판이 유입된 반응관 내로 실리콘 전구체 공급과 환원성 플라즈마 공급을 순차적으로 진행시켜 기판 상에 소정 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 단계, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여, 상기 씨앗층 상에 상부실리콘 박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
원자층, 결정질, 실리콘 박막

Description

2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법{method for forming silicon film by two step deposition}
도 1은 엑시머 레이져 결정화법을 이용한 실리콘 박막을 형성하는 순서도이다.
도 2는 엑시머 레이져 결정화법을 이용한 실리콘 박막을 형성하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막을 형성하는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원자층의 실리콘 박막을 형성하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원자층의 실리콘 박막을 형성하는 공정도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 100 : 반응관 2, 110 : 기판
3 : SiH4 분자 4 : H2 분자
5 : 레이져 빔 120 : 실리콘 전구체
121 : 실리콘 원자 130, 140 : 반응 부산물
150 : 원자층의 결정질 실리콘 박막 160 : 상부 실리콘 박막
본 발명은 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급하여, 500℃ 미만의 온도에서 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성한 후, 이 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여 별도의 상부 실리콘 박막을 형성함으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 관한 것이다.
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.
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.
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 결정화된 결정립 내부에 많은 결함이 있어 소자 제작에 어려움이 있으며, 높은 결정화 온도로 인하여 유리기판을 사용할 수 없는 문제점이 있다.
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.
한편, 상기 엑시머 레이저 결정화 방법은 현재 생산에 가장 널리 적용되고 있는 기술이다. 이에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 엑시머 레이져 결정화 방법을 이용한 다결정 실리콘 박막을 형성하는 순서도이고, 도 2는 이를 설명하기 위한 공정도이다.
먼저 플라즈마 화학증착법 (PECVD, plasma-enhanced chemical vapor deposition)으로 비정질의 실리콘(Si) 박막을 기판 상에 증착한다(S10). 이를 위하 여 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.
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.
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).
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.
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.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 실리콘 전구체와 플라즈마를 반응관 내부로 교대로 공급하여, 500℃ 미만의 온도에서 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성한 후, 이 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여 별도의 상부 실리콘 박막을 형성함으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 제안된 본 발명인 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 있어서, 기판이 유입된 반응관 내로 실리콘 전구체 공급과 환원성 플라즈마 공급을 순차적으로 진행시켜 기판 상에 소정 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 단계, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여, 상기 씨앗층 상에 상부실리콘 박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 단계는, 기판을 반응관 내로 유입한 후, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시키는 제1 공정, 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘(Si) 전구체 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제2 공정, 상기 기판 표면에 흡착된 실리콘(Si) 전구체를 환원시켜 고체 실리콘(Si)을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 내부로 공급하는 제3 공정, 상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제4 공정를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판 상에 소정 두께를 가지는 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성하기 위하여 상기 제1 공정 내지 제4 공정을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘(Si) 전구체는 실리콘(Si)의 할로겐 화합물인 것을 특징으로 하고, 상기 실리콘 전구체는 SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6, 및 Si2F6 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
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.
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.
또한, 상기 유도성 결합 플라즈마를 이용하는 경우에는, 플라즈마 파워는 100 W ~ 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 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 퍼지는 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 기판의 온도는 300 ~ 500 ℃ 사이의 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 기판의 가열은 저항 가열 방식, 유도 가열 방식 및 램프 가열 방식 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막의 두께는 1㎚ ~ 100㎚ 사이의 범위인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막 상에 증착되는 상부실리콘 박막은 플라즈마 화학증착법(PECVD), 저압 화학증착법(LPCVD), 상압 화학증착법(APCVD) 및 스퍼터링법(Sputtering) 중 어느 하나를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 화학증착법(PECVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고 플라즈마를 인가하며, 기판의 온도를 200 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘 전구체는 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 플라즈마를 발생하는 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 하나가 이용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 저압 화학증착법(LPCVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고, 기판의 온도를 300 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘 전구체는 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 관한 작용 및 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 차세대 평판 디스플레이 장치의 기반 기술이라고 할 수 있는 TFT 의 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.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막을 형성하는 공정도이다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 형성되는 다결정 실리콘 박막은 1차적으로 기판(110) 상에 소정 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)을 형성한다. 즉, 반응관 내부에 유입된 기판(110) 상에 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)을 1차적으로 증착한다. 상기와 같이 기판(110) 상에 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)을 증착하기 위해서는, 상기 반응관 내부로 실리콘 전구체 공급과 환원성 플라즈마 공급을 순차적 또는 순차 반복적으로 진행시킨다.
상기와 같이 기판(110) 상에 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)이 증착되면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 그 다음에는 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막(150) 상에 별도의 상부실리콘 박막(160)을 증착시킨다. 상기 상부 실리콘 박막(160)의 증착은 기존의 증착 방식을 이용하여 증착한다. 다만, 상기 상부 실리콘 박막(160) 전에 증착된 원자층의 결정질 실리콘 박막이 씨앗층으로써 작용하기 때문에, 상기 상부 실리콘 박막(160)은 상기 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막 (150)에 의하여 결정화가 유도된다.
이하에서는, 발명 이해의 혼동을 피하고 설명의 일관성을 위하여, 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성하는 단계에 대하여 먼저 설명하고, 그 후에 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막 상에 증착되어 결정화되는 상부 실리콘 박막의 증착 단계에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 상기 씨앗층으로 사용되는 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 순서도이고, 도 5는 이를 설명하기 위한 공정도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기판 상에 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하기 위하여, 기판을 반응관 내로 유입하고, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시킨다(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 5의 (a) 참조).
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.
도 5의 (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.
상기 실리콘 전구체(120)를 반응시키기 위한 상기 반응관(100) 내부의 압력은 10mTorr 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.
상기와 같이 기판(110) 상에 실리콘 원자가 증착되면, 상기 반응관(100) 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘 전구체(120)와 반응 부산물(130)은 도 5의 (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.
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).
상기 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체로는 수소(H2) 또는 중수소(D2)가 사용되는 것이 바람직하고, 상기 플라즈마 기체를 이용하여 플라즈마를 발생하 기 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.
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 100Sccm ~ 50 Slpm 사이의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
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 5의 (c) 참조).
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 5의 (d)에 도시된 바와 같이 제거된다(S140).
이와 같이 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온과 반응 부산물(140)을 제거하 기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행한다. 상기 퍼지 가스로는 N2, Ar, He 등의 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 사용하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 공정을 따라 원자층의 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.
또한, 이상에서 설명한 단계 S110 ~ S140은 여러번 반복 수행될 수 있다. 즉, 도 5의 (e)에 도시된 바와 같이 기판 상에 원하는 소정 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)을 형성하기 위하여 상기 단계 S110 ~ S140을 수번 반복할 수 있다. 즉, 상기 단계 S110 ~ S140을 수행하면 1㎛의 원자층의 결정질 실리콘 박막이 형성된다는 가정하에서, 5㎛ 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하기 위해서는 상기 단계 S110 ~ S140을 다섯 번 수행하면 된다.
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.
한편, 상기와 같은 공정에 의하여 증착되는 원자층의 결정질 실리콘 박막의 두께는 다양하게 변경될 수 있지만, 1㎚에서 100㎚ 사이의 범위인 것이 바람직하다. 즉, 상기 단계 S110 ~ S140이 1회 진행되거나 반복적으로 수번 진행되어 증착되는 원자층의 결정질 실리콘 두께는 상기 범위 안에서 형성되는 것이 바람직하다.
다음은, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여 증착되는 상부 실리콘 박막의 형성에 대하여 상세하게 설명한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 기판(110) 상에 소정 두께를 가지는 원자층의 결정질 실리콘 박막(150)을 증착한 후에는, 이를 씨앗층으로 사용하여 별도의 상부 실리콘 박막(160)을 다양한 증착 방법에 의하여 형성한다.
상기 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막(150) 상에 증착되는 상부실리콘 박막(160)은 기존의 다양한 증착 방법에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 플라즈마 화학증착법(PECVD), 저압 화학증착법(LPCVD), 상압 화학증착법(APCVD) 및 스퍼터링법(Sputtering) 중 어느 하나를 사용하여 상기 상부 실리콘 박막(160)을 상기 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막 상에 증착할 수 있다.
만약, 상기 다양한 증착 방법 중에 상기 플라즈마 화학증착법(PECVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 먼저 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고 소정 조건의 플라즈마를 인가한다. 이때, 기판의 온도는 200 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 반응과 내부로 공급되는 상기 실리콘 전구체는 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나가 해당할 것이고, 상기 플라즈마를 발생하는 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 하나가 이용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다양한 증착 방법 중에 상기 저압 화학증착법(LPCVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고, 기판의 온도는 300 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
이때 상기 실리콘 전구체는 플라즈마 화학증착법을 이용하는 경우와 동일하게 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 상부 실리콘 박막은 대기 노출이 없는 상태에서 진행된다. 즉, 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착한 후에, 상기 상부 실리콘 박막을 증착하는 공정으로 넘어가는 과정에서 대기 노출이 일어나지 않게 하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 결정질 실리콘 박막의 씨앗층을 먼저 형성한 후, 그 위에 기존의 여러 가지 방법에 의하여 별도의 상부 실리콘 박막을 성장시킴으로써, 기존의 방법으로는 결정질 박막이 형성되지 않는 온도 영역에서 결정질 실리콘 박막을 직접 형성할 수 있는 새로운 저온 결정화 방법이다.
1차적으로 기판 상에 씨앗층으로 작용하는 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착함으로써, 상기 씨앗층 상부에 증착되어 성장하는 상부 실리콘 박막의 결정화도 향상된다.
도 6은 라만(raman) 분광법을 이용하여 실리콘 박막의 결정성을 보여주는 그래프이다. 도 6에서 "a"로 표시된 그래프는 종래의 증착법인 플라즈마 화학증착법(PECVD)을 이용하여 형성된 실리콘 박막의 결정성을 보여주는 그래프이고, "b"로 표시된 그래프는 본 발명에 따라 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성하기 위한 원자층 증착방법(ALD)과 결정화되는 상부 실리콘 박막을 형성하기 위한 플라즈마 화학증착법(PECVD)을 순차적으로 사용하여 형성된 실리콘 박막의 결정성을 보여주는 그래프이다. 이 그래프에서 나타나듯이 본 발명에 따라 형성되는 실리콘 박막의 결정성은 종래의 방법에 의하여 형성된 실리콘 박막의 결정성보다 우수하다.
상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 의하면, 기존의 방법으로는 실리콘 박막이 형성되지 않는 온도 영역인 500oC 미만에서 원자층의 결정질 실리콘(Si) 박막을 직접 증착할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여, 상부 실리콘 박막을 더 증착하게 되면, 상기 씨앗층이 상기 상부 실리콘 박막의 결정화를 효과적으로 유도하는 장점이 있다.
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.
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.

Claims (20)

  1. 다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 있어서,
    기판이 유입된 반응관 내로 실리콘 전구체 공급과 환원성 플라즈마 공급을 순차적으로 진행시켜 기판 상에 소정 두께의 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 단계;
    상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 씨앗층으로 하여, 상기 씨앗층 상에 상부실리콘 박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 원자층의 결정질 실리콘 박막을 증착하는 단계는,
    기판을 반응관 내로 유입한 후, 상기 반응관 내부를 소정의 압력과 온도로 유지한 상태에서 실리콘(Si) 전구체를 공급하여 반응시키는 제1 공정;
    상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 실리콘(Si) 전구체 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제2 공정;
    상기 기판 표면에 흡착된 실리콘(Si) 전구체를 환원시켜 고체 실리콘(Si)을 형성하기 위하여 환원성 플라즈마를 상기 반응관 내부로 공급하는 제3 공정;
    상기 반응관 내부에 반응하지 않고 잔존하는 각 종 이온 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 및 퍼지를 수행하는 제4 공정를 포함하여 이루어진 것을 특 징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기판 상에 소정 두께를 가지는 원자층의 결정질 실리콘 박막을 형성하기 위하여 상기 제1 공정 내지 제4 공정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 실리콘(Si) 전구체는 실리콘(Si)의 할로겐 화합물인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리콘 전구체는 SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6, 및 Si2F6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 실리콘 전구체를 반응시키기 위한 상기 반응관의 압력은 10 mTorr ~ 10 Torr 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 실리콘 전구체는 1초 ~ 10분 사이의 범위 동안 상기 반응관 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  8. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 환원성 플라즈마를 형성하기 위한 기체로 수소(H2) 또는 중수소(D2)가 사용되는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    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 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 유도성 결합 플라즈마를 이용하는 경우에는,
    플라즈마 파워는 100 W ~ 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 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  11. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 퍼지는 불활성 기체 또는 수소(H2) 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  12. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 기판의 온도는 300 ~ 500 ℃ 사이의 범위를 유지하는 것을 특징으로 하 는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기판의 가열은 저항 가열 방식, 유도 가열 방식 및 램프 가열 방식 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  14. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 원자층의 결정질 실리콘 박막의 두께는 1㎚ ~ 100㎚ 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 증착 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 씨앗층인 원자층의 결정질 실리콘 박막 상에 증착되는 상부실리콘 박막은 플라즈마 화학증착법(PECVD), 저압 화학증착법(LPCVD), 상압 화학증착법(APCVD) 및 스퍼터링법(Sputtering) 중 어느 하나를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 플라즈마 화학증착법(PECVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고 플라즈마를 인가하며, 기판의 온도를 200 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 실리콘 전구체는 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 플라즈마를 발생하는 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 하나가 이용되는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 저압 화학증착법(LPCVD)에 의하여 상부 실리콘 박막을 증착하는 경우에는, 상기 반응관 내부로 실리콘(Si) 전구체와 수소(H2) 및 불활성 기체를 동시에 공급하고, 기판의 온도를 300 ~ 500℃ 사이의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 실리콘 전구체는 SiH4, Si2H6, SiCl4, SiF4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiH3Cl, SiI4, Si2Cl6 및 Si2F6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2단계 증착에 의한 다결정 실리콘 박막의 형성방법.
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