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KR19980036973A - 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법 - Google Patents

마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 규소(Si) 반도체, 불순물이 첨가된 규소 반도체, Si1-xGex등의 Si 합금을 포함한 IV족 반도체, 또는 III-V족·II-VI족 반도체 등의 비정질 박막을, 마이크로파에 의한 열처리로써 결정화하여 다결정 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 기판을 세척하고 증착 장비에 장입하여 증착에 필요한 온도까지 기판을 예열하는 공정 ; 상기 기판에 비정질 또는 미세결정질 박막을 증착하는 공정 ; 및 증착된 박막을 마이크로파로 열처리하여 결정화함으로써 다결정 박막을 형성하는 공정으로 구성된다. 본 발명의 제조방법에 따르면, 비정질 박막을 고상결정화 함에 있어서 마이크로파를 이용함으로써 결정화 온도를 유리의 이용이 가능한 500℃까지 낮추고 결정화 시간도 기존의 수십 시간에서 수 시간으로 단축할 수 있다.

Description

마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법
본 발명은 마이크로파를 이용하여 비정질 박막을 저온에서 빠른 시간에 고상 결정화시켜 다결정 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 규소(Si) 반도체, 불순물이 첨가된 규소 반도체, Si1-xGex등의 Si 합금을 포함한 IV족 반도체, 또는 III-V족·II-VI족 반도체 등의 비정질 박막을 마이크로파에 의한 열처리로써 결정화하여 다결정 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, SRAM 용 다결정 박막 트랜지스터(TFT), LCD용 TFT, 태양전지, SOI 소자 등에의 다결정 박막의 응용이 급격히 증가함에 따라, 유리 등의 비정질 기판 위에서 다결정 박막을 얻기 위한 여러가지 방법에 제안되고 있다. 특히, LCD용 TFT나 태양전지 등에 이용되는 다결정 박막은 유리를 기판으로 이용하므로 이를 위하여 공정온도를 낮추어야 한다. 이와 같이 낮은 공정온도에서 다결정 박막을 얻기 위한 일련의 시도가 행하여져 왔는데, 이러한 기술은 다음과 같은 문헌에 개시되어 있다.
일본국 특허공개 소 4-144122호 및 소 3-25633호에는 저압 화학증착(low-pressure chemical vapor deposition : LPCVD)법에 의하여 비정질 박막을 기판상에 증착한 후 이를 약 600℃ 이상의 고온에서 열처리(annealing)하여 결정화함으로써 다결정 박막을 제조하는 방법에 개시되어 있다.
인버슨(R. B. Inverson) 등은 LPCVD법 등의 증착방법으로 기판 상에 다결정 박막을 증착시키고 불순물을 이식(implantation)시켜 비정질화시킨 후, 약 600℃에서 열처리하여 입자 크기가 증가된 다결정 박막을 제조하는 방법을 제안하고 있다[참조 : R. B. Inverson et. al., J. Appl. Phys., 65 : 1675(1987)].
또한, 나카자와(Nakazawa) 등은 플라즈마 화학증착(plasma enhanced chemical vapor deposition : PECVD)법에 의하여 Si2H6가스를 이용하여 비정질 박막을 기판 상에 증착시킨 후, 약 600℃의 고온에서 열처리하여 다결정 박막을 제조하는 방법을 보고하였다[참조 : Nakazawa et. al., J. Appl. Phys., 68(3) : 1029(1990)].
그러나, 상기한 종래의 기술에서는 비정질 박막을 결정화하는데 있어서 600℃ 이상의 온도가 필요하기 때문에, 융점이 낮은 대신 저렴한 유리 등을 기판으로서 사용할 수 없고, 불순물 이식 공정이 필요하며 고가의 Si2H6가스를 사용해야 하기 때문에 제조원가가 높아진다는 문제점이 있다.
한편, 상기 기술과 다른 방법으로서, 레이저를 이용하여 열처리하는 방법에 있는데, 이 방법은 PECVD 혹은 LPCVD 방법을 이용하여 박막을 증착한 후 레이저를 이용하여 용융 결정화시키는 방법이다. 그러나, 이 방법은 다결정 박막이 불균질하고 그에 따라 대면적화(大面積化)가 어렵기 때문에, 설비 및 제조비용이 높아지는 문제점이 있다.
최근에는, 구리·금·백금 등의 금속을 불순물로서 박막에 흡착시켜 다결정 박막을 얻는 방법이 보고되었다[참조 : D. K. Sohn et al., Jpn. J. Appl. Phys., 35:128(1996) ; S. W. Lee et al., Appl. Phys., Lett., 66 : 1571(1995)]. 이 방법으로는 결정화 온도를 현저하게 낮출 수 있어 유리 기판의 이용이 가능하나, 결정화에 이용된 금속 원자가 다결정 박막 내에서 불순물로 존재하게 되어 소자의 특성을 저하시키는 등의 문제를 일으킬 수 있다.
이에, 본 발명자들은 종래의 다결정 박막 제조방법의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구·노력한 결과, 비정질 박막의 결정화에 마이크로파를 이용함으로써 유리를 기판으로 사용할 수 있는 온도까지 결정화 온도를 낮출 수 있어, 균질한 다결정 박막을 효율적이고도 경제적으로 얻을 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 목적은 비정질 박막을 고상결정화 함에 있어서 마이크로파를 이용함으로써 유리기판의 이용이 가능한 500℃까지 결정화 온도를 낮추고, 결정화 시간도 기존의 수십 시간에서 수 시간으로 단축할 수 있는 다결정 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
제 1도는 본 발명에 따른 다결정 박막의 제조과정을 나타내는 공정도이다.
제 2도는 본 발명에서 사용된 마이크로파 가열기의 개략도이다.
제 3도는 본 발명의 실시예 1에서 따라 제조된 다결정 규소 박막의 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
제 4도는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 다결정 규소 박막의 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
제 5도는 종래의 방법으로 비정질 규소 박막을 열처리하였을 때의 결정화 거동을 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법을 공정별로 설명한다.
(제 1공정 : 기판의 장입 및 예열)
박막을 증착할 기판을 세척하고 증착 장비에 장입하여, 증착에 필요한 온도까지 기판을 예열한다. 이 때, 기판 예열온도(이하, 증착온도라 함)는 100~400℃로 설정하는데, 통상의 LPCVD 나 PECVD법에 필요한 온도로 설정하면 된다.
(제 2공정 : 박막의 증착)
비정질 또는 미세결정질 규소 박막을 통상의 LPCVD나 PECVD법을 이용하여 기판에 증착한다. 증착압력과 증착두께는 박막의 전기적 특성이나 결정방향 등을 결정하는 인자가 되기 때문에, 박막의 용도에 따라 달리 정할 수 있다.
(제 3공정 : 박막의 열처리)
증착된 비정질 또는 미세결정질 박막을 마이크로파 가열기(microwave furnace) 안에 넣고 열처리 하여 결정화한다. 마이크로파 열처리 온도는 400~600℃로 설정하는 것이 바람직하며, 열처리 시간은 2~5시간으로 설정하는 것이 바람직하다.
이 공정의 전 단계로서, 증착된 비정질 또는 미세결정질 박막을 결정화하기 전에 상기 박막에 불순물을 이식하는 공정이나 금속을 흡착하는 공정 또는 이들 공정 모두를 포함시킬 수도 있다. 이들 공정들은 증착된 박막의 전기적 특성이나 결정 구조 등을 변화시키기 위한 공정으로서, 결정화된 박막의 용도에 따라 선택적으로 포함시킬 수 있다.
이상의 본 발명의 마이크로파를 이용한 다결정 박막 제조과정은 제 1도에 공정도로 나타나 있다.
이하, 실시예에 의하여 보다 구체적으로 본 발명을 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되지 않는다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예 1]
비정질(SiO2)이 입혀진 Si웨이퍼를 기판으로 사용하여 플라즈마 화학증착(PECVD)법으로 비정질 규소 박막을 증착하였다. 증착온도는 100℃에서 400℃까지 100℃ 단위로 설정하였고, 증착압력은 0.4 torr로 하였다. 원료 가스는 Ar으로 희석한 20%의 SiH4를 150 sccm 흘리며 두께 1000Å으로 증착하였다. 상기 조건하에서 PECVD로 증착한 비정질 규소 박막을 다중모드(multi-mode) 마이크로파 가열기를 이용하여 결정화하였다.
이 때 사용한 마이크로파 열처리 장치의 개략도를 제 2도에 나타내었다. 제 2도에 나타낸 바와 같이, 열처리시의 온도제어는 Si웨이퍼의 하부에 위치한 열전대와 온도 제어장치를 사용하여 규정 온도 ±1℃의 오차로 제어하였다. 열처리 온도는, 승온 속도 20℃/min로 550℃까지 승온시켜 3시간 동안 결정화하였다. 시편, 즉 Si웨이퍼의 승온에 소요된 마이크로파의 출력은 1kW 이하였으며, 열처리 온도(550℃) 유지시의 진행파 전력(forward power)은 600W, 반사파 전력(reflected power)은 150W였다. 열처리는 N2가스분위기에서 실행하였다.
본 실시예에 의하여 결정화된 박막의 X선 회절 패턴을 제 3도에 나타내었다. 제 3도는 증착온도를 100 내지 400℃로 변화시키면서, 본 발명의 방법에 의하여 550℃에서 열처리한 결과로서의 결정화 거동을 나타낸다. 그림을 보면, 낮은 열처리 온도임에도 불구하고 2 내지 3시간 후에는 완전히 결정화되는 것을 알 수 있다.
[실시예 2]
PECVD 법으로 비정질 규소 박막을 증착한 후, 증착된 비정질 규소 박막위에 스핀코팅법을 이용하여 구리를 흡착시키는 공정을 추가하였다. 그밖에 증착온도를 200℃로 설정하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 다결정 규소 박막을 제조하였다.
구리를 흡착시킨 비정질 규소 박막을 상기 실시예 1에서 언급한 마이크로파 가열기에 이용하여 450℃에서 3시간 열처리하였다. 본 실시예에 따라 열처리한 규소 박막의 X선 회절 패턴을 제 4도에 나타내었다. 제 4도에 나타난 바와 같이, 450℃에서 3시간 열처리하였음에도 상당히 결정화가 진행되었음을 알 수 있는데, 규소 박막에 금속을 흡착시킴으로써 열처리 온도가 감소됨을 알 수 있다.
이는 종래의 방법에 의한 결과와 달리 낮은 열처리 온도에서 짧은 시간에 결정화가 진행된 것으로, 본 발명의 방법에 따라 결정화를 위하여 마이크로파 가열기를 사용하였기 때문이다.
[비교실시예 1]
종래의 방법과 본 발명의 방법을 비교하기 위하여, 상기 실시예 2에서와 같이 PECVD법으로 증착한 비정질 규소 박막을 종래의 방법으로 결정화하였다. 종래의 방법에 따라 열처리 노에서 온도 600℃에서 결정화하는 거동을 제 5도에 나타내었다.
제 5도를 보면, 비정질 규소 박막의 증착시 종래의 방법으로 600℃에서 열처리하였을 때는, 증착온도가 200℃인 경우 약 48시간이 지나야 거의 결정화가 이루어짐을 알 수 있다. 이는, 상기 실시예 1을 설명하는 제 3도에서와 같이 550℃에서 열처리하였음에도 약 3시간만에 결정화가 이루어진 것에 비해 더 많은 시간이 소요되었음을 나타낸다.
다결정 박막을 제조함에 있어서 본 발명에 따른 방법을 이용함으로써 나타나는 효과는 다음과 같다.
첫째, 기판으로서 유리를 사용할 수 있는 온도까지 열처리 온도를 낮출 수 있기 때문에, 값비싼 석영을 유리로 대체할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있다.
둘째, 마이크로파를 이용하여 가열하기 때문에 비정질 박막이 결정화되는 데에 필요한 시간이 대폭 단축됨으로써, 시간과 비용을 절감할 수 있다.
셋째, 마이크로파에 의한 가열은 그 특성상 열의 확산에 의한 가열이 아니고 물질 자체가 직접 발열하는 것이기 때문에, 넓은 면적의 시료라도 균일하게 가열될 수 있다.
넷째, 마이크로파를 이용한 가열은 앞에서 언급한 바와 같이 시료에 직접 작용하여 발열시키므로, 에너지가 적게 소요되어 에너지 효율면에 있어서 종래의 가열방식에 비하여 뛰어나다.
상술한 효과를 갖는 본 발명의 제조방법은 TFT(박막 트랜지스터), 태양전지, SOI 소자 등에 적용되어 비교적 단순한 제조설비로 단가가 싸고 성능이 우수한 소자를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 기판을 세척하고 증착 장비에 장입하여 예열하는 공정 ;
    상기 기판에 비정질 또는 미세결정질 박막을 증착하는 공정 ; 및,
    증착된 박막을 마이크로파로 열처리하여 결정화함으로써 다결정 박막을 형성하는 공정으로 구성된 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기판에 비정질 또는 미세결정질 박막을 증착하는 공정 다음에 박막의 전기적 특성이나 결정상태를 변화시키기 위한 공정이 추가로 포함되는 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 박막의 전기적 특성이나 결정상태를 변화시키는 공정은 증착된 비정질 또는 미세결정질 박막에 불순물을 이식하는 공정인 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 박막의 전기적 특성이나 결정상태를 변화시키는 공정은 증착된 비정질 또는 미세결정질 박막에 금속을 흡착하는 공정인 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 박막의 전기적 특성이나 결정상태를 변화시키는 공정은 증착된 비정질 또는 미세결정질 박막에 불순물을 이식하고 금속을 흡착하는 공정인 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정 박막을 형성하는 공정에서의 마이크로파 열처리 온도는 400~600℃인 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정 박막을 형성하는 공정에서의 마이크로파 열처리 시간은 2~5시간인 마이크로파를 이용한 다결정 박막의 제조방법.
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