KR20140049952A - 비정질 실리콘 필름을 증착하는 방법 - Google Patents

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Abstract


본 발명에 따르면, 챔버 내에서, 반도체 또는 절연성 기판의 표면 상에 비정질 실리콘층을 증착하는 방법이 제공되고, 상기 표면은 상기 비정질 실리콘층의 증착 전에 NH3 플라즈마로 전처리된다.

Description

비정질 실리콘 필름을 증착하는 방법{A Method of Depositing an Amorphous Silicon Film}
본 발명은 비정질 실리콘 필름을 증착하는 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 3㎛ 이상의 두께를 갖는 그러한 필름에 관한 것이다.
보다 두꺼운 비정질 실리콘 필름, 예를 들어, 3㎛ 이상의 두께를 갖는 필름을 증착하고자 할 때, 상기 필름을 기판 표면에 부착함에 있어 현저한 문제점이 있다는 것이 알려져 왔다. 현재, 이는 비정질 실리콘 필름의 용도를 제한하고 있고, 특히, MEMS 산업에서 그러하다.
비정질 실리콘은 실리콘의 비-결정질 동소체(allotropic form)이다. 이는 다양한 전자장치 응용분야에 있어서, 소정의 고유한 기능을 부여하면서, 다양한 기판의 상부에 박막(thin film)으로 증착될 수 있다. 비정질 실리콘은 미세전자기계 시스템(MEMS) 및 나노전자기계 시스템(NEMS), 태양전지, 미세결정질(Microcrystalline) 및 미세비정질(micromorphous) 실리콘, 대량 생산에 사용되고, 다양한 기판 상의 롤-투-롤 공정 기술에 대해서도 이용가능하다. 비정질 실리콘 필름에 있어서, 특정 MEMS 응용분야는:
1. 색상 또는 적외선 검출용 포토다이오드 또는 박막 트랜지스터, 또는 압력 센서용 압전 저항(piezoresistor)을 포함하는 박막 장치,
2. 고-농축된 HF 용액 내의 우수한 저항성에 기인한, 미세-유체 응용분야(micro-fluidic application)에서의 유리 식각용 마스크층, 또는 유전영동 칩에서의 박막 전극(thin electrode),
3. 알칼리 용액(TMAH 또는 KOH) 내의 간단한 제거에 기인한, 커패시터 초음파 트랜스듀서(capacitive ultrasonic transducer)의 미세-제조(micro-fabrication)에서의 희생층(sacrificial layer),
4. 기계적 RF 자기장 조절용 압전 공진기(piezoelectric resonator)에서, XeF2 식각에 의해 a-Si:H 필름의 건조-방출 제거(dry-release removal)에 의해 정의되는 나노-갭(nano-gap),
5. 접합 품질을 개선하기 위해서, 또는 나노-유체 채널의 제조에 있어서 양극 접합(anodic bonding)용 중간층을 제공하는 것이다.
본 출원인은 a-Si:H 박막의 접착력 개선 방법을 개발하였고, 특정 구현예에서의 추가적인 특징과 함께, 스트레스를 낮추고, 균일성을 향상시킨다.
본 발명은 챔버 내에서, 반도체 또는 절연성 기판의 표면 상에 비정질 실리콘층을 증착하고, 상기 표면은 상기 비정질 실리콘층의 증착 전에 NH3 플라즈마로 전처리되는 비정질 실리콘층을 증착하는 방법을 제공한다.
기판의 최상부 표면 상의 상기 Si-OH 결합을 제거하기 위한 상기 NH3 플라즈마 기판 처리 단계를 사용함으로써, 상기 증착된 비정질 실리콘 필름의 접착력은 현저히 향상된다.
도 1a 및 1b는 3.2㎛ 실리콘 필름 증착에 있어서, (a) 보통의 증착 기술을 사용하여 증착된 경우, 및 (b) 본 발명의 일 구현예를 사용하여 증착된 경우의 접착력 테스트 결과를 대조한 것이고;
도 2는 최상부 표면 상에 Si-OH 결합을 갖는 기판의 개략적 구조이고;
도 3은 대표적인 PECVD 시스템의 개략도를 나타낸 것이다.
본 발명은, 챔버에서, 기판의 표면 상에 비정질 실리콘층을 증착하는 방법을 포함하고, 상기 표면이 상기 비정질 실리콘층의 증착 전에 NH3 플라즈마로 전처리된다.
본 발명의 구현예에서, 상기 NH3 플라즈마는 하기 공정 조건의 적어도 하나를 가질 수 있다:
(a) 150 -250W의 범위로 공급되는 RF 전력;
(b) 80 내지 110sccm의 상기 NH3 유속;
(c) 800 내지 1000mTorr의 상기 챔버 압력;
(d) 5분 동안 작동되는 상기 NH3 플라즈마.
상기 기판은 실리콘 또는 실리콘 함유 물질로 제조될 수 있다. 상기 기판은 실리콘 또는 유리 (SiO2)일 수 있다. 상기 기판은 실리콘 디옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드의 중간층으로 코팅될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 구현예에 제한되지 않는다.
상기 기판은 후속 공정 단계의 균일성을 향상시키기 위하여 비활성 기체의 흐름에 의해서 그 폭에 걸쳐 일정한 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 사용하기 좋은 상기 비활성 기체는 N2이다.
상기 비정질 실리콘 필름은 공정 가스로서 SiH4를 사용하여 증착될 수 있고, 이는 캐리어 기체, 예를 들어 아르곤 내에서 운반될 수 있다.
통상적으로, 상기 챔버는 플래튼(platen)을 포함한다. 상기 비정질 실리콘 필름이 증착되는 동안, 상기 플래튼의 온도는 200℃ 내지 350℃일 수 있고, 예를 들어 200℃일 수 있다. 바람직하게는, 상기 챔버 벽이 ~75℃이고, 샤워 헤드(showerhead)가 상기 공정 가스를 공급하기 위해 사용되며, 상기 샤워 헤드는, 사용된다면, 200℃ 범위 내의 온도를 가질 수 있다.
상기 방식으로 증착될 때, 상기 비정질 필름의 스트레스가 낮을 수 있고, 예를 들어, 50㎫와 같거나, 그 이하일 수 있다.
본 발명이 상기 정의되었지만, 상기 기술된 또는 하기 기재, 도면 또는 청구항 내의 특징들을 임의로 조합한 발명이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 방법으로 수행될 수 있고, 구체적인 실시예가 첨부된 도면과 관련되어 기재될 것이며:
도 1a 및 1b는 3.2㎛ 실리콘 필름 증착에 있어서, (a) 보통의 증착 기술을 사용하여 증착된 경우, 및 (b) 본 발명의 일 구현예를 사용하여 증착된 경우의 접착력 테스트 결과를 대조한 것이고;
도 2는 최상부 표면 상에 Si-OH 결합을 갖는 기판의 개략적 구조이고;
도 3은 대표적인 PECVD 시스템의 개략도를 나타낸 것이다.
상기 비정질 실리콘 증착 단계 동안, 접착력을 향상시키고, 스트레스를 줄이며, 균일성을 향상시키기 위하여, 새로운 NH3 플라즈마 기판 처리 단계가 개발되었다.
실시예로서, 어떠한 박리의 조짐도 나타내지 않는 낮은 스트레스의 비정질 실리콘 필름이 하기 공정 단계에 의해 성공적으로 얻어졌다. 공정 파라미터가 표 1에 나타난다.
단계 공정 시간 (분) RF 전력 기체 유속 (sccm) 압력
(mTorr)
1 N2 가열 2 전력 없음 N2: 2000 2000
2 NH3 플라즈마 5 200 W (13.56　MHz) NH3: 95 900
3 A-Si 증착 30 120 W (13.56　MHz) SiH4: 120
Ar: 500		 700
*샤워 헤드 및 플래튼의 온도 200℃, 챔버 격벽(sidewall)의 온도 75℃에서 증착이 수행되었다.
표 1: 좋은 접착 성능을 지니는 3.26㎛ 두께의 비정질 실리콘 필름에 대한 공정 파라미터의 실시예
도 3에 나타난 바와 같이, 웨이퍼가 진공 처리 챔버(vacuum processing chamber)를 포함할 수 있는 공정 모듈 내부에 적재된다. 도 3에서, 상기 진공 처리 챔버는, 전체적으로 (1)로 표시되고, 상기 챔버를 펌프(미도시)에 연결하는 펌핑 오리피스(2)를 포함한다. 상기 기판(3)은 플래튼(4) 상에 위치하고, 정전 클램프와 같은 공지된 방법에 의해 소정의 위치에 고정될 수 있다. 상기 챔버(1)는 전면(6) 및 기체 주입구(8)를 지니는 후면(7)으로 구성된 샤워 헤드 어셈블리(5)를 더 포함한다. 상기 전면을 관통하여 홀(9)이 형성된다. 상기 전면 및 상기 후면 사이의 용적(volume)(10)은 기체 저장부의 역할을 하고, 상기 기체 주입구(8)와 상기 공정 용적(11)의 전도(conduction)가 허용되도록 한다. 적합한 밀봉(seal)이, 예를 들어, 12 및 13에서 제공된다. RF 전력 공급원(14)은 RF 전력을 상기 샤워 헤드 어셈블리(5)에 공급하여, 당업자에게 공지된 방법으로 플라즈마를 발생시키고, 유지한다. 상기 PECVD 시스템의 구조(configuration) 및 작동과 관련하여, 보다 상세한 세부사항은 US 특허출원 2004/0123800에서 알 수 있고, 그 전체 내용이 본 명세서에서 인용에 의해 통합된다.
웨이퍼가 감소된 압력(< 0.1Torr)에서 상기 공정 모듈 내부에 적재되고, N2의 도움(> 2Torr and ~ 2000sccm)으로 공정 온도에 이른다. 이러한 온도에서, NH3 플라즈마 처리 단계가, 도 3에 나타난 바와 같이 샤워 헤드(5, 6)에 의해 구동되는 RF(14)를 사용하여 수행된다. 상기 단계는 플래튼(4) 상의 상기 기판(3)의 표면을 개질한다.
상기 NH3 플라즈마 기판 처리 단계는 상기 증착된 비정질 실리콘 필름과 상기 기판 사이의 접착 성능을 증가시키기 위한 중요한 공정 단계이다. 예를 들어, 200W 고주파 전력 (13.56㎒), 900 mTorr 압력, 및 5분 동안 95sccm NH3 기체 흐름의 NH3 플라즈마 기판 처리 단계일 수 있다. 상기 필름의 스트레스는 훨씬 낮은 스트레스의 필름 증착 (≤ 50㎫)을 위해, 낮은 온도 (200℃ 만큼 낮음)에서 증착 공정을 실행함으로써 또한 조정될 수 있다.
실험적으로, RF 주파수, 전력, 압력 및 기체 흐름의 최적화된 공정 파라미터와 함께, 낮은 온도에서 증착된 비정질 실리콘 필름은 매우 낮은 스트레스의 (≤ 50㎫) 비정질 실리콘 필름을 제조할 수 있다는 것을 알아냈다. 예를 들어, 샤워 헤드 및 플래튼의 온도 200℃, 챔버 벽의 온도 75℃, 120W 고주파 전력 (13.56㎒), 700mTorr의 공정 챔버 압력, 120sccm의 SiH4, 및 500sccm의 Ar 기체 흐름에서의 증착이 상기 훨씬 낮은 인장 응력 스트레스의 비정질 실리콘 필름 증착 (+48.1 ㎫)을 약 109 ㎚/분의 증착 속도로 제공할 수 있다.
도 1의, a) NH3 전처리를 하지 않은 경우, 및 b) NH3 플라즈마 처리를 한 경우에서, a-Si:H 필름의 실리콘 웨이퍼에 대한 접착력과 관련하여, 이러한 공정의 이점을 확인할 수 있다. 상기 접착력 테스트는 ANSI/SDI A250.10-1998 (R2004) 절차를 사용하였다. 1a)에서는 a-Si:H 증착 모두가 테이프에 의해 제거되었고, 반면 1b)에서는 a-Si:H가 전혀 제거되지 않았다. 상기 필름 상의 교차 해칭(cross hatching)은 재현 가능한 결과를 보장하는 절차의 일부이다. 상기 필름의 스트레스는 온도, 전력, 가스 유속 및 압력의 공정 파라미터를 변화시킴으로써 인장에서 응축 요소까지 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 스트레스는 플래튼 온도를 200℃에서 300℃까지 증가시키면서, ＜50㎫의 인장에서 ＞200㎫의 응축까지 조정될 수 있다. 상기 RF 전력을 감소시킴으로써, 상기 인장 스트레스는 또한 증가될 수도 있다.
이는 상기 비정질 실리콘 필름의 접착 성능을 현저히 증가시킨 NH3 플라즈마 기판 처리 단계임을 확인할 것이다.
상기 증착된 필름의 접착 성능을 향상시키는 통상의 방법은 상기 비정질 실리콘 필름 증착 온도를 증가시키고, 실리콘 나이트라이드 및 실리콘 디옥사이드와 같은 중간층을 도입하는 것을 포함할 수 있으나, 두 방법은 모두 단점을 가진다. 온도의 증가(＞ 350℃)는 스트레스 및 열적 부하(thermal budget)를 고려할 때, 많은 응용분야에서 적합하지 않을 것이고, 한편, 추가층의 도입은 비용, 복잡성을 가져오고, 잠재적으로 불필요하여 추후 제거될 것이다.
하기 실험들은 상기 필름의 접착력 향상을 비교하기 위하여 수행되었다.
단계 공정 시간 (분) RF 전력 기체 유속(sccm) 압력 (mTorr) 접착 성능
1 N2 가열 2 전력 없음 N2: 2000 2000 10% 실패
2 A-Si 증착 30 120 W (13.56 ㎒) SiH4: 120
Ar: 500		 700
*증착은 샤워 헤드 온도 250℃, 플래튼 온도 350℃ 및 챔버 격벽 온도 75℃에서 수행되었다.
표 2: NH3 플라즈마 단계* 없이 더 높은 온도에서 증착된 비정질 실리콘 필름. 필름 두께 ~3.36㎛.
표 2 결과는 더 높은 플래튼 온도(350℃)가 상기 접착 성능을 향상시킬 수는 있으나, 또한 상기 증착된 비정질 실리콘 필름에 대하여 높은 응축 스트레스를 도입한다는 것을 나타낸다. 상기 실시예에서, 더 높은 온도의 증착은 -332.9㎫의 높은 응축 스트레스의 필름에 대한 표준 접착 테스트 결과, 10%의 실패를 나타내었다.
단계 공정 시간 (분) RF 전력 기체 유속 (sccm) 압력 (mTorr) 접착
성능
1 SiN 증착
(~100 ㎚)		 5 30W (13.56　㎒) SiH4: 40
NH3: 55
N2: 1960		 900 60% 실패
웨이퍼가 내려지고, 다시 적재되었다. (진공 휴지(vacuum break))
2 N2 가열 2 전력 없음 N2: 2000 2000
3 A-Si 증착 30 120 W (13.56　㎒) SiH4: 120
Ar: 500		 700
표 3: NH3 플라즈마 단계 없이 실리콘 나이트라이드(SiN) 중간층과 함께 증착된 비정질 실리콘 필름
단계 공정 시간 (분) RF 전력 기체 유속 (sccm) P압력 (mTorr) 접착
성능
1 SiO2 열적 성장 125.8 ㎚의 두께
100% 실패
웨이퍼가 룸(room) 환경에서의 A-Si 증착을 위해, 상기 SiO2의 열적 성장 후에 적재되었다.(진공 휴지)
2 N2 가열 2 전력 없음 N2: 2000 2000
3 A-Si 증착 30 120 W (13.56　㎒) SiH4: 120
Ar: 500		 700
표 4: NH3 플라즈마 단계 없이 SiO2 중간층과 함께 증착된 비정질 실리콘 필름
표 3 및 4의 결과는 (모두 ~3.3㎛의 필름에 대함) NH3 플라즈마 단계 없이, SiN 또는 SiO2 중 하나의 중간층과 함께 증착된 상기 비정질 실리콘 필름의 좋지 않은 접착력을 나타낸다.
표면 NH3 플라즈마
처리 (Y/N)		 a-Si:H 증착 온도(oC) % 필름 박리력
(100% 나쁨, 0% 좋음)
SiO2 (열산화막) N 200 100
SiN (PECVD) N 200 60
Si (웨이퍼) N 350 10
Si (웨이퍼) N 200 100
Si (웨이퍼) Y 200 0
표 5: Si 웨이퍼의 다양한 표면 상의 박리력 테스트의 요약
표 5는 표 1-4로부터 알아낸 중요한 사항들을 요약한다. 다시 말해, 진공 휴지(vacuum break) 경험한 Si, SiO2 및 SiN 표면에 있어서, 모든 a-Si:H 필름은, NH3 플라즈마 처리된 필름을 제외하고, 박리의 조짐을 나타낸다. 상기 350℃까지 공정 온도를 증가시키는 것은 실질적으로 박리의 양을 감소시키지만; 이 과격한 공정조차도, NH3 플라즈마 단계로써 처리된 Si 상부에, 상기 낮은 스트레스의 200℃ a-Si:H 증착만큼 생산적이지는 않다.
상기 a-Si:H 필름의 접착력 향상을 이해하기 위한 가능한 메커니즘이 이하 설명된다. 대기에 노출된 실리콘 표면은 본연의 산화층(oxide layer)을 가질 것이다. 상기 웨이퍼 표면에서, 상기 실리콘 원자는 산소 원자를 통하여 거대한 공유 결합 구조(covalent structure)를 형성한다. 그러나, 상기 실리콘 디옥사이드의 표면에서, 상기 실리콘-산소 결합은 시간이 지남에 따라 공기 중에서 가수분해되고, -OH기를 형성한다. 그러므로, 상기 표면에는, 도 2에 나타난 바와 같이, Si-O-Si 결합 대신에 Si-OH 결합이 있게 된다. 상기 표면은 상기 -OH기 때문에 극성이고, 그 주변의 적절한 화합물과 함께, 반데르 발스 분산력 및 극성-극성 상호작용뿐만 아니라 수소 결합을 형성할 수 있다. 상기 기판 표면 상의 이러한 Si-OH 결합은, 상기 증착된 비정질 실리콘의 절단된 결합(dangling bond)과는 별도로, 상기 증착된 비정질 실리콘 필름 및 상기 기판 사이의 접착 성능에 현저하게 영향을 미친다.
그러므로, 상기 기판의 최상부 표면 상의 상기 Si-OH 결합을 제거하기 위한 상기 NH3 플라즈마 기판 처리 단계를 사용함으로써, 상기 증착된 비정질 실리콘 필름의 접착력은 현저히 향상된다.

Claims (9)

  1. 챔버 내에서, 반도체 또는 절연성 기판의 표면 상에 비정질 실리콘층을 증착하고, 상기 표면은 상기 비정질 실리콘층의 증착 전에 NH3 플라즈마로 전처리되는 비정질 실리콘층을 증착하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 NH3 플라즈마가, 하기 공정 조건 중 적어도 하나를 포함하는 방법:
    (a) 150 내지 250W의 범위로 공급되는 RF 전력;
    (b) 500 내지 4000mTorr의 상기 챔버 압력;
    (c) 약 1 내지 5분 동안 실행되는 상기 NH3 플라즈마; 및
    (d) 상기 비정질 실리콘층이 진공 휴지(vacuum break) 없이 이어서 수행됨.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판이 실리콘으로 제조되는
    방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판의 표면이 실리콘 디옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 제조되는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 NH3 플라즈마를 인가하기 전에, 비활성 기체의 흐름에 의해 그 폭에 걸쳐서 일정한 온도로 가열되는
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비활성 기체가 N2인
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 필름은 공정 가스로서 SiH4를 사용하여 증착되는
    방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버는 플래튼(platen)을 포함하고, 상기 플래튼의 온도가 200 내지 350℃이고, 예를 들어, 200℃인
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 필름의 스트레스가 ≤50㎫인
    방법.
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