N2 및 O2 플라즈마를 이용한 SiO2 2단계 증착 공정

이 청, 이시우

포항공과대학교 화학공학과

SiO2 two step deposition using N2 or O2 plasma treatment

Chung Yi, Shi-Woo Rhee

Department of Chemical Engineering, POSTECH

서론

현대 산업에서 각광을 받고 있는 Display 소자로 최근 TFT-LCD분야만큼 진보적이고 여러 주변 산업에 영향을 미치는 것은 없다고 할 수 있다. TFT-LCD는 유리기판 위에 저온의 a-Si:H 막 및 절연막 등의 공정조건 확보로 인하여 대면적, 저비용 제조가 가능해지고 있으나, Display 면적의 꾸준한 증가와 화소밀도의 증가 등으로 인하여 TFT 특성을 개선하려는 시도가  이루어져 왔다. 아몰퍼스 실리콘을 대체할 수 있는 대안으로 폴리 실리콘 TFT에 대한 연구가 꾸준히 전개되고 있고, 특히 폴리 실리콘의 계면특성 및 전기적 특성을 개선하기 위하여, SiO2/Si 계면 및 게이트 절연막에 대한 연구도 꾸준히 이루어지고 있는 실정이다.

본 연구는 TEOS/O2를 이용한 저온 게이트 절연막의 계면 특성을 개선 시키기 위한 것이다. 이를 위하여 산소 및 질소 플라즈마 중간처리를 실시하였고, 산화막은 2단계로 증착하였다. 플라즈마를 초기 및 후처리하지 않고 중간 처리함으로써 평판플라즈마 증착시 발생하는 플라즈마 damage를 최소화시켰고 막특성을 보다 향상 시킬 수 있었다. 특히 산소 플라즈마 처리보다는 질소의 경우가 보다 우수한 막 특성을 보임을 알 수 있었다.

실험

본 실험은 평판 플라즈마 CVD 반응기를 이용하여 수행하였다. 게이트 절연막 증착을 위한 반응기체로는 TEOS/O2를 사용하였고, 반응조건은 350oC, 1torr에서 TEOS/O2 ratio: 0.05로 하였다. N2 및 O2 플라즈마 처리 효과를 알아보기 위하여 초기 산화막 두께를 0~ 12nm 로 하였고, 플라즈마 처리시 압력, 플라즈마 파워, 처리 시간 등을 변화시켜가며 각각의 영향을 평가 하였다. 총 산화막 두께는 100nm로 하였다. 산화막의 두께는 ellipsometer를 이용하여 측정하였고, SIMS를 이용하여 계면에서의 화학적 조성비, 그리고 XPS를 이용하여 계면 결합상태를 알아보았다. TEM 결과로부터 계면의 roughness를 조사하였고, C-V 분석으로부터 계면 결합밀도등을 조사하였다.

결과 및 토론

실리콘 산화막의 계면 상태는 AlK□ X-ray를 사용한 XPS를 이용하였다. 계면에서의 데이터 분석방법은 Himpsel[1] 등에 의해서 제안되온 방법을 이용하였다. 그림1은 Si 2p XPS 결과이다. 점선은 여러 산화막 상태의 2p3/2 결합에 기여한 각각의 상태를 나타내고 실선은 이런 각 Si peak들의 합을 표시한 것이다. Si 2p 스팩트라는 5개의 성분으로 나뉘어 지는데, 일반적으로 Six+ 로 표시한다. 이때 x는 0~4의 수로 실리콘 원자에 결합되 있는 산소 리간드의 수를 의미한다. 그림 1(a)는 플라즈마 처리를 하지 않은 산화막 계면에서의 sub-oxide 상태이고, (b)는 1차 산화막 증착전 O2/He 플라즈마 전처리 한 경우, (c)는 1차 산화막 6nm 증착 후 O2/He 플라즈마 처리한 경우, 그리고 (d)는 1차 산화막 6nm 증착 후 N2/He 플라즈마 처리를 한 경우이다. 이 각각의 경우에 대하여 표 1에 그 결과들을 요약해 놓았다. sub-oxide 상태에서 단위 면적당 실리콘 원자의 수는 다음 식을 사용하여 구할 수 있었다[2,3]

NSiOx= nsi□si(Isiox/Isi)(□si/□siox)sin□p(ep-1)

표 1의 결과로부터 초기 산화막 없이 산소 플라즈마 전처리를 한 sample (b)의 경우는 플라즈마 전처리를 하지 않은 sample (a)의 경우보다 계면에서 전이영역 실리콘 원자 밀도가 약 10.6% 더 높게 나타난다. 이는 플라즈마 전처리시 플라즈마 damage로 인하여 표면 거칠기가 증가한 원인에 의한 것이라고 판단된다. 반면, sample (c)의 경우 sample (a)보다 14%더 그 값이 적게 나타남을 알 수 있다. sample (a)와 (c)의 각 실리콘 성분별 상대 비교를 해보면 Si1+의 경우 큰 차이를 보이지 않는 반면, sample (c)에서 Si2+는 상대적으로 감소하고, Si3+는 증가함을 알 수 있다. sample (d)는 질소 플라즈마를 sample (c)와 같은 조건으로 처리한 경우인데 계면에서의 실리콘 원자 밀도는 줄어든 반면 각 Si 성분별 상대 밀도는 유사함을 알 수 있다. 계면에서의 Si 원자밀도가 줄어든 것은 전이 영역 두께가 감소 했음을 의미하는 것으로 sample (d)의 경우 약 1.34 monolayer 전이 영역 실리콘 층이 형성 됐음을 알 수 있다. 또한 Si3+의 상대 밀도의 증가는 전이 영역에서 실리콘이 보다 많은 산소 원자와 결합하고 있음을 의미하는 것으로 ESCA 결과로부터 질소 플라즈마 중간 처리는 계면에서의 미결합 실리콘 수와 전이 영역 두께를 감소시킴을 알 수 있었다.

그림 2는 각 증착 조건별 계면에서의 HRTEM 결과이다. sample (a)-(d)의 공정조건은 그림 1에서와 동일하다. TEM 결과 산소 플라즈마 전처리의 경우는 표면 거칠기가 4~5monolayer로 가장 거칠게 나타난 반면, 산소 및 질소 플라즈마 중간 처리의 경우 표면 거칠기는 1~2 monolayer로 매우 우수하게 형성됐음을 알 수 있다. 이는 6nm의 1차 산화막이 산소 및 질소 플라즈마 처리시 플라즈마 damage를 막아주는 역할을 하고 있고, 또한 이런 상태에서의 플라즈마 처리는 오히려 계면의 거칠기를 완화시켜주는 역할을 함을 알 수 있게 해준다. 특히 산소보다는 질소 플라즈마 처리시 계면 거칠기 특성이 보다 더 우수해짐을 알 수 있었다.

그림 3은 산화막내 산소 원자를 깊이 방향으로의 SIMS 분석한 결과이다.  sample (a)는 플라즈마 처리하지 않은 경우이고, sample (b)는 40watt에서 산소 플라즈마 중간처리를 한 경우이다. 1차 산화막의 두께를 12nm로 키울 경우 (sample (c)) 산소 플라즈마 처리는 계면에 별 영향을 미치지 않는다. 이는 1차 산화막이 두꺼울 경우 1분 동안의 산소 플라즈마 처리는 산화막 계면까지 산소원자의 충분한 확산이 일어나지 않음을 나타낸다. 산소 플라즈마 처리시 파워의 증가는 (sample (d)) 플라즈마 에칭 효과를 가져와서 계면에서의 산소 밀도를 떨어뜨려 오히려 계면 특성에 역효과를 나타냄을 알 수 있다.

계면 플라즈마 처리가 어떻게 산화막의 전기적 특성에 영향을 주는지 알아보기 위하여 MOS 구조로부터 CV 측정을 하였다. MOS 구조는 실리콘 웨이퍼에 각 조건별로 절연막을 증착한 후 금속 마스크를 이용하여 알루미늄 evaporation을 통해 상부전극을 만든 것을 사용하였다. 그림 4는 계면에서의 Pb center 밀도를 나타낸 것이다 Pb center는 실리콘 계면에서의 미결합 실리콘 밀도를 의미하는 것으로 불완전한 산화막 증착 공정시 또는 실리콘 계면의 거칠기가 클 경우 모두 증가하는 값이다. 이는 게이트 산화막 증착 실험시 고품위 산화막 형성이 이루어 졌는지를 알아볼 수 있는 주요 인자이다. 그림 4로부터 질소 플라즈마 중간처리는, 산소 플라즈마 중간 처리의 경우보다 Pb center 감소 효과가 우수하게 나타남을 알 수 있다. 이는 앞선 분석에서 알아본 바와 같이 질소 플라즈마 처리의 경우 전이 영역 두께의 감소 및 표면 거칠기 감소 효과가 보다 우수하기 때문인 것으로 판단된다.

결론

실리콘 산화막의 계면 특성은 산소 및 질소 플라즈마 중간 처리시 개선됨을 알 수 있었다. 최적 조건은 초기 산화막의 두께가 6nm일 때, 플라즈마 파워는 40watt일 때 가장 좋게 나타났다. 산소 플라즈마 중간 처리 경우 보다는, 질소 플라즈마 중간 처리시 보다 우수한 계면 및 전기적 특성을 나타내는데, 이는 질소 플라즈마 중간 처리의 경우, sub-oxide 두께가 1.34 monolayer로 줄어들고 계면 거칠기 역시 1~2 monolayer로 우수해지기 때문이다. 이는 또한 Pb center 밀도를 감소시키고 게이트 절연막의 전기적 특성을 개선시킴을 알 수 있었다.

참고문헌

1. F.J.Himpsel,F.R.McFeely,A.Taleb-Ibrahimi,J.A.Yarmoff and

G.Hollinger, Phys.Rev.B 38, 6084 (1988)

2. Z.H.Lu, M.J.Graham, D.T.Jiang, and K.H.Tan, Appl.Phys.Lett.63,

2941, (1993)

3. P.J.Grunthaner, M.H.Hecht, F.J.Grunthaner, and N.M.Johnson,

J.Appl.Phys.61, 629 (1987)

표 1. SiO2/Si 계면에서의 실리콘 결합상태

Sample                   NSiOx (x1015/cm2)    □1     □2     □3     □BE (eV)

Sample (a)                 1.25             0.37    0.37     0.26      4.2

Sample (b)                 1.40             0.41    0.35     0.24      4.15

Sample (c)                 1.07             0.37    0.33     0.30      4.41

Sample (d)                 0.91             0.36    0.33     0.31      4.37