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문제 정의
- 본 연구는 다결정 실리콘 트랜지스터 제작을 위하여 좋은 유전 특성을 갖는 산화막 개발을 목표로 유해 가스인 Sift 가스 대신에 유기 사일렌 반응 물질인 TEOS를 이용하여 APCVD법으로 실리콘 산화막을 증착하고 '막의 조성과 특성을 조사하였다. 기존에 고온에서 증착이 가능하던 APCVD를이용한 산화막 증착을 TEOS 소스와 오존 반응 가스를 이용하여 .
제안 방법
- TEOS 소스를 이용한 산화막 증착 실험을 통해온도와 기판거리에 따른 증착속도 및 굴절률 변화를 각각 살펴보았다. 그림 2는 기판거리에 따른 실리콘 산화막의 증착 두께 및 굴절률 변화의 그래프이다.
- 가장 안정적인 반응성을 보이는 온도 400 °C에서 산화막을 성장시키고 질소를 주입하는 동시에, 다양한 온도 변화를 가하며, 급속열처리장치 (Rapid Thermal Annealing, RTA)를 이용하여 패시 베이션처리 후에 MOS 샘플을 만들어 플랫밴드 전압과 계면 트랩 변화를 관찰하였다. 그림 4는 질소 분위기에서 열처리 후 MOS 구조의 샘플을 제작하고 용량 값을 측정한 Capacitance-Voltage 그래프이다.
- 확인하였다. 그리고 온도에 따른 질소 패시베이션 처리 후 계면 전위 에너지(Surface potential energy)와 계면 트랩 밀도(Interface trap density) 의 변화를 비교하고, 분석하였다.
- 기존에 고온에서 증착이 가능하던 APCVD를이용한 산화막 증착을 TEOS 소스와 오존 반응 가스를 이용하여 .비교적 낮은 온도 400 °C에서도 성장이 가능함을 확인하였고, 성장시킨 박막을 이용하여 실리콘과 산화막 사이에 국부적으로 위치하여 캐리어 밀도와 이동도를 낮추게 되는 Interface trap을 줄이기 위한 방법으로 질소 패시베이션을수행하였다.
- 챔버로 유입된 TEOS와 오존 가스는 챔버 안에서 고른 분사를 위해 질소 캐리어를사용하였고, Shower Header를 통해 반응 영 역으로도입되었으며 기판과의 거리는 1 Cm를 유지하였다. 또한, TEOS가 버블러에서 챔버까지 이동하는동안 응축을 방지하기 위해 Line Heater로 예비가열시켜 주었다.
- 그리고 1 um 이하의 단 분산 입자들을 합성하는데 있어 유도물질로서 아주 용이한 물질이며 Step coverage가 좋아 절연막으로서 활용성이 크다[5-7]. 박막 증착의 반응성을 돕고, 좋은 절연특성을 갖기 위해 오존 (Ozone) 반응가스를 사용하였다.
- 통해 사전 세정을 수행하였다. 본 실험에서는표 1과 같이 700 °C부터 300 °C까지 공정온도를다양하게 변화시키며 실리콘 산화막 증착을 하였고, 박막 특성평가를 위해 MOS(Metal Oxide Semi conductor) Capacitor# 제작하여 MDC CSM/WIN 장비를 이용, 전기적 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 400 °C 이하의 공정에서 유해 가스인 SiHj 대신에 유기 사일렌 반응 물질인 TEOS(Tetraethy 1 Orthosilicate, SiCOCzHg)를 이용하여 APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)법으로 실리콘 산화막을 증착하고 박막의 조성과 특성을 조사하였고, 질소 패시베이션(Nitrogen passivation)을 통해 계면특성 개선을 확인하였다. 그리고 온도에 따른 질소 패시베이션 처리 후 계면 전위 에너지(Surface potential energy)와 계면 트랩 밀도(Interface trap density) 의 변화를 비교하고, 분석하였다.
- 기존에 고온에서 증착이 가능하던 APCVD를이용한 산화막 증착을 TEOS 소스와 오존 반응 가스를 이용하여 .비교적 낮은 온도 400 °C에서도 성장이 가능함을 확인하였고, 성장시킨 박막을 이용하여 실리콘과 산화막 사이에 국부적으로 위치하여 캐리어 밀도와 이동도를 낮추게 되는 Interface trap을 줄이기 위한 방법으로 질소 패시베이션을수행하였다. Capacitance-Voltage 분석과 Surface potential, Interface trap density 그래프 분석을 통하여 계면특성이 확실히 개선된 것을 확인하였다.
- 이렇게 제작한 산화막을 다양한 온도로 질소 패시베이션을 통해 전기적 특성변화와 계면 특성 변화 등을 관찰하였다. 질소 패시베이션 실험은 박막증착 온도보다 더 높은 온도인 500 °C부터 800 °C 까지 각각 1 분간 질소 분위기에서 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비 를 통해 패시베 이션을 수행하였다.
- 500 °C 처리 후 -9 V 정도의 플랫밴드 값을 가지던 박막이 70(广800 °C 이후에는 -3 V 가까이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 이를통해 계련의 트랩들이 확실히 감소하였다는 것을확인하였고, 이를 뒷받침하기 위해 Interface trap density를 측정하였다.
- 질소 패시베이션 실험은 박막증착 온도보다 더 높은 온도인 500 °C부터 800 °C 까지 각각 1 분간 질소 분위기에서 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비 를 통해 패시베 이션을 수행하였다. 증착 된 박막의 전기적 특성을 평가하기 위해 MOS Capacitor* 제작하였으며, 후면 알루미늄 전극을 Evaporator를 사용하여 증착하였고, 상뿌 전극은 Dot 형태로 실리콘 산화막을 성장시킨 후 하부 전극과 동일한 방법으로 성장시켰다.
- 등을 관찰하였다. 질소 패시베이션 실험은 박막증착 온도보다 더 높은 온도인 500 °C부터 800 °C 까지 각각 1 분간 질소 분위기에서 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비 를 통해 패시베 이션을 수행하였다. 증착 된 박막의 전기적 특성을 평가하기 위해 MOS Capacitor* 제작하였으며, 후면 알루미늄 전극을 Evaporator를 사용하여 증착하였고, 상뿌 전극은 Dot 형태로 실리콘 산화막을 성장시킨 후 하부 전극과 동일한 방법으로 성장시켰다.
- 질소는 버블러에 들어있는 TEOS 소스를 챔버로 유입시키는 운반 기체와 초기 챔버 Purging 및 대기압 조절을 위한 가스로 사용되었다. 챔버로 유입되는 TEOS의 양은 Flow meter를사용하여 질소 가스의 주입 시에 조절하였고, 챔버안에서 원활한 반응이 일어나도록 오존 반응가스와 TEOS 소스가 챔버 내로 유입되기 전에 혼합이되도록 하였다. 챔버로 유입된 TEOS와 오존 가스는 챔버 안에서 고른 분사를 위해 질소 캐리어를사용하였고, Shower Header를 통해 반응 영 역으로도입되었으며 기판과의 거리는 1 Cm를 유지하였다.
- 챔버로 유입되는 TEOS의 양은 Flow meter를사용하여 질소 가스의 주입 시에 조절하였고, 챔버안에서 원활한 반응이 일어나도록 오존 반응가스와 TEOS 소스가 챔버 내로 유입되기 전에 혼합이되도록 하였다. 챔버로 유입된 TEOS와 오존 가스는 챔버 안에서 고른 분사를 위해 질소 캐리어를사용하였고, Shower Header를 통해 반응 영 역으로도입되었으며 기판과의 거리는 1 Cm를 유지하였다. 또한, TEOS가 버블러에서 챔버까지 이동하는동안 응축을 방지하기 위해 Line Heater로 예비가열시켜 주었다.
대상 데이터
- 산화막 증착에 사용된 기판은 10-20 Q-cm의비저항을 가진 P-type Si(100)을 사용하였으며, 본실험에서는 챔버에 시편을 넣기 전에 수정된 RCA 법을 통해 사전 세정을 수행하였다. 본 실험에서는표 1과 같이 700 °C부터 300 °C까지 공정온도를다양하게 변화시키며 실리콘 산화막 증착을 하였고, 박막 특성평가를 위해 MOS(Metal Oxide Semi conductor) Capacitor# 제작하여 MDC CSM/WIN 장비를 이용, 전기적 특성을 분석하였다.
- 반응장치를 구성하였다. 실험에 사용된 TEOS는 에틸기가 포함되어 있는 실리콘 소스로서 비 부식성, 비 열분해성으로 .취급이 용이하고, 고분자로서 균일성 향상이 가능하다.
- - 80 °C 사이를 유지하도록 하였다. 실험에 사용된 기체는 고순도 산소가스와 고순도 질소가스 이고, 이중 산소는 오존발생기를 통해 오존생성을 위해 공급되었다. 질소는 버블러에 들어있는 TEOS 소스를 챔버로 유입시키는 운반 기체와 초기 챔버 Purging 및 대기압 조절을 위한 가스로 사용되었다.
성능/효과
- 여기서 계면 전위는 반도체와 산화막 사이에 발생하게되는데, 일반적으로 반도체 상으로부터 계면에 전자가 모이게 되며, 이에 따라 축적과 반전 현상이일어나게 된다. 500 °C 처리 후 -9 V 정도의 플랫밴드 값을 가지던 박막이 70(广800 °C 이후에는 -3 V 가까이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 이를통해 계련의 트랩들이 확실히 감소하였다는 것을확인하였고, 이를 뒷받침하기 위해 Interface trap density를 측정하였다.
- 비교적 낮은 온도 400 °C에서도 성장이 가능함을 확인하였고, 성장시킨 박막을 이용하여 실리콘과 산화막 사이에 국부적으로 위치하여 캐리어 밀도와 이동도를 낮추게 되는 Interface trap을 줄이기 위한 방법으로 질소 패시베이션을수행하였다. Capacitance-Voltage 분석과 Surface potential, Interface trap density 그래프 분석을 통하여 계면특성이 확실히 개선된 것을 확인하였다. TEOS와 오존을 이용하여 저온에서 박막을 성장시키고, 질소 패시베이션을 통해 계면의 트랩들을 감소시킨다면 다결정 실리콘 트랜지스터 제작에서의다결정 실리콘과 계면상태를 우수하게 할 수 있는게이트 절연층의 활용으로도 충분한 가치가 있을것으로 사료된다.
- 그림 6이 Interface trap density를 즉정한 것으로서 C-V, Vs-V의 그래프들과 같이 패시베이션온도가 증가할수록 실리콘과 산화막 사이의 계면에 Trap들이 현저히 줄어드는 모습을 확인 할 수 있었고, 이를 통해 계면특성이 좋아지고 있다는 것을 알 수 있었다.
- 그림 4는 질소 분위기에서 열처리 후 MOS 구조의 샘플을 제작하고 용량 값을 측정한 Capacitance-Voltage 그래프이다. 낮은 온도에서 점점 고온 처리를 할수록 계면의 트랩들이 감소하여 플랫밴드 전압이 오른쪽으로 이동하고 Capacitance의 변화도 이상적으로 변화하는 것을 알 수 있었다. 이는 실리콘과 산화막 사이의 Interface간에 Dangling Bond들이 질소 열척리를 통해 감소되었다는 것을 간접적으로 확인 < 수 있다.
후속연구
- Capacitance-Voltage 분석과 Surface potential, Interface trap density 그래프 분석을 통하여 계면특성이 확실히 개선된 것을 확인하였다. TEOS와 오존을 이용하여 저온에서 박막을 성장시키고, 질소 패시베이션을 통해 계면의 트랩들을 감소시킨다면 다결정 실리콘 트랜지스터 제작에서의다결정 실리콘과 계면상태를 우수하게 할 수 있는게이트 절연층의 활용으로도 충분한 가치가 있을것으로 사료된다.
- 거리 이하로 줄어들면 기판과 Shower- Header간의 온도 구배가 증가함에 따라 열 영동효과가 증가하여 기판에 도달하는 반응가스의 감소로 인해 성장속도가 증가하지 못하는 것으로 생각된다. 또한 기판과의 거리가 감소함에 따라 동일한 양의 주입가스를 사용하더라도 주입가스에 의한 기판 표면온도의 변화가 일어나므로, 기판거리와 함께 기판온도의 영향을 함께 고려하여야 최적의 성장조건을 얻을 4 있을 것으로 판단된다.
- 향후 기술 발전의 진보가 이루어져 양질의 디스플레이 구동소자의 핵심인 다결정 실리콘 TFT를제작할 수 있다면, 고 정세화, 저 소비전력화, 고속동작 등의 특성을 가지는 디스플레이 소자의 개발이 가능할 것이다. 다결정 실리콘 TFT의 경우 결정화의 어려움을 가지지만 활성층(Active layer)으로 사용할 경우 비정질 실리콘에 비하여 높은 이동도를 가진다[3丄 그러나 이럴 경우 게이트 절연층은 다결정 실리콘과 계면상태를 우수하게 할 수있는 절연층이 필수적으로 필요하게 된다[4丄
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