[논문]다공성 금속 샤워헤드가 적용된 상압플라즈마 화학기상증착법을 이용한 저온 다결정 실리콘 증착 공정

박형규; 송창훈; 오훈정; 백승재

doi:10.4313/jkem.2020.33.5.344

다공성 금속 샤워헤드가 적용된 상압플라즈마 화학기상증착법을 이용한 저온 다결정 실리콘 증착 공정
Low Temperature Polycrystalline Silicon Deposition by Atmospheric Pressure Plasma Enhanced CVD Using Metal Foam Showerhead 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.5, 2020년, pp.344 - 349

박형규 (한경대학교 IT 융합연구소) , 송창훈 (연세대학교 신소재공학과) , 오훈정 (연세대학교 BIT 마이크로팹 연구센터) , 백승재 (한경대학교 IT 융합연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Modern thin film deposition processes require high deposition rates, low costs, and high-quality films. Atmospheric pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition (AP-PECVD) meets these requirements. AP-PECVD causes little damage on thin film deposition surfaces compared to conventional PECVD. Moreover, a higher deposition rate is expected due to the surface heating effect of atomic hydrogens in AP-PECVD. In this study, polycrystalline silicon thin film was deposited at a low temperature of 100℃ and then AP-PECVD experiments were performed with various plasma powers and hydrogen gas flow rates. A deposition rate of 15.2 nm/s was obtained at the VHF power of 400 W. In addition, a metal foam showerhead was employed for uniform gas supply, which provided a significant improvement in the thickness uniformity.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Illustration showing atomic hydrogen heating effect on silicon wafer.
그림 Fig. 2. (a) Cross-sectional image of the AP-PECVD chamber and (b) metal foam showerhead and 274 holes showerhead.
표 Table 1. Experimental condition.
그림 Fig. 3. Cross-sectional image of the metal foam showerhead.
그림 Fig. 4. Radial distribution of the Si thin film thickness from the center of the wafer with H2 flow rate variation.
그림 Fig. 5. Snapshots of wafer surface after Si thin film deposition with showerhead with (a) 5 holes, (b) 76 holes, (c) 274 holes, and (d) metal foam showerhead.
그림 Fig. 6. Deposition rate with (a) power and (b) H2 flow rate variation.
그림 Fig. 7. Cross-sectional SEM image, (c), (d) is processed on Si-SiO₂ wafer (SiO₂ layer thickness: 1,000 Å).
$Fig. 8. X-ray diffraction with plasma power variation.$ 그림 Fig. 8. X-ray diffraction with plasma power variation.
그림 Fig. 9. XRD intensity at three crystalline orientation vs. plasma power variation.
그림 Fig. 10. Grain size extracted from XRD vs. plasma power variation.
그림 Fig. 11. AFM images taken at 1 μm × 1 μm scale with H₂ flow rate of (a) 0 sccm and (b) 9 sccm.

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 AP-PECVD를 이용하여 다결정 실리콘 박막 저온 증착 공정을 플라즈마 파워와 수소 혼합 비율에 따라 실험 연구하였고 가스 흐름을 균일하게 제어하기 위하여 다공성 금속 샤워헤드를 적용하였다.

대상 데이터

그림 2(a)에는 실험에 사용된 반응실의 단면도가 나타나 있고, 그림 2(b)에 다공성 금속이 적용된 샤워헤드의 모습이 기존 통상의 가공에 의한 샤워헤드의 모양과 비교되어 있다. 실험에 사용된 다공성 금속의 재질은 니켈(nickel, Ni)이며, 선행연구에서 사용된 취성 재료인 크롬(chromium, Cr)에 비교해 내구성이 우수 하다. 그리고 공정 진행 시 가스 흐름을 나타낸 개념 도가 그림 3에 나타나 있다.
실험에 사용된 증착장치는 로드락 챔버와 반응실로 구성되어 있다. 4인치 웨이퍼 규격으로 제작된 연구용 증착장치이고, 반응실은 상시 진공으로 유지된다.

이론/모형

그리고 공정 진행 시 가스 흐름을 나타낸 개념 도가 그림 3에 나타나 있다. 박막 분석을 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM), X 선회절분석, 원자탐침현미경(atomic force microscopy, AFM) 방법을 사용하였다.

성능/효과

또한 다공성 금속 샤워헤드의 재질을 니켈을 사용함으로써 선행연구에서 적용한 취성 재질인 크롬과 비교해 견고하기 때문에 내구성 문제를 해결할 수 있다. 그리고 100℃의 공정 온도에서 10 nm/s 이상의 다결정 실리콘 증착 공정이 가능함을 보이고, 일반 플라즈마 화학기상증착법을 적용했을 때의 증착속도와 0.2 nm/s의 근소한 차이를 보이지만 본 연구의 특징인 100℃에서의 공정으로 거시적으로 경제적인 장비 운용이 가능함을 보인다.
다공성 금속 샤워헤드의 넓은 표면적 효과에 의해 샤워헤드와 독립적인 증착 거동의 관찰이 가능함을 증착 속도 거동과 선행연구 자료들을 종합하여 고찰하였다. 이것은 후속 연구를 통해 상압플라즈마 CVD 공정을 개발하는 데 있어 중요한 지침을 제공할 수 있을 것이다.
상압플라즈마 CVD 공정의 균일도 확보에 필수 요소인 매우 작은 가스 분출구의 매우 높은 밀도 구현인다공성 금속 샤워헤드를 적용하여 상압플라즈마 CVD 공정의 균일 증착 제어 가능성을 확인하였다.
또한, 광방출 분광법(optical emission spectroscopy, OES)을 통해 분석한 결과 샤워헤드 코팅 박막이 존재할 때 실리콘 반응기의 증가가 관찰되고, 이것은 수소반응기의 농도에 의존함을 확인하였다 [8]. 이러한 실험적 사실들로부터 수소 반응기에 의한 샤워 헤드 표면 실리콘 박막의 식각에 의해 하부 실리콘 박막 증착 속도가 증가할 수 있다는 결론이 가능하다. 다공성 샤워헤드의 경우 표면적이 웨이퍼 표면적에 비해 10배 이상 큰 것으로 판단되고, 이것은 샤워헤드 표면에 인가되는 원자수소의 플럭스가 반비례하여 감소된다는 것을 의미한다.
증착 거동이 플라즈마 파워와 수소 분압을 통해 효과적으로 제어될 수 있음을 확인하였다. 미시적 거동은 선행연구에서 제시되었던 원자수소의 증착 활성화와 식각 활성화 효과의 상호 균형 모델로 이해할 수 있음을 고찰하였다.

후속연구

다공성 금속 샤워헤드의 넓은 표면적 효과에 의해 샤워헤드와 독립적인 증착 거동의 관찰이 가능함을 증착 속도 거동과 선행연구 자료들을 종합하여 고찰하였다. 이것은 후속 연구를 통해 상압플라즈마 CVD 공정을 개발하는 데 있어 중요한 지침을 제공할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상압플라즈마 CVD 공정 기술개발의 난제는 무엇인가?	상압플라즈마 CVD 공정의 기술개발 난제 중 하나는 균일 공정을 위한 유속의 균일화 구현이다. 선행 연구개발에 따르면 증착 공정이 원료 공급량에 의존하고 (mass transfer limited) 고압에서의 유체 흐름 균일도 구현이 용이하지 않기 때문이다 [5].
	상압 플라즈마 화학기상증착법은 무엇이 가능한가?	이 기술의 진보된 형태의 공법 중 하나로 개발 중인 방식이 상압 플라즈마 화학기상증착법(atmospheric pressure plasma enhanced CVD, AP-PECVD)이다. 이 기술을 사용하면 기존 PECVD보다 더 빠른 속도의 증착 공정이 가능하고, 이온손상 특성을 억제할 수 있음이 공지된 바 있다 [1,2].
	플라즈마 에너지에 의해 가열된 중성입자에는 무엇이 있는가?	실험에 사용한 플라즈마 전원 주파수인 60 MHz의 약 100배가량의 열 충돌이 발생하는 조건이고 플라즈마 에너지에 의한 중성입자 및 이온의 가열이 균질하게 일어나는 조건으로 해석할 수 있다. 플라즈마 에너지에 의해 가열된 중성입자의 종류는 헬륨, 원자수소, 수소 분자 및 미량의 사일렌(silane, SiH4) 및 그 반응기들 (SiH3, SiH2 등)이다. 이 중 헬륨의 밀도가 가장 높지만, 헬륨의 표면 반응 기여는 단순 운동에너지 전달에 한정되기 때문에 제한적일 것으로 예상된다.

참고문헌 (9)

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G. Ambrosone, U. Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, M. Ambrico, G. Perna, and C. Minarini, Thin Solid Films, 511, 280 (2006). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.12.110]

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