The growth of Si films on Si or $SiO_2$ substrates is of immense interest in Si device technology. For the last application, glass substrates must be used limiting the temperature at which the silicon layers are formed around 600℃, the softening point of glass. Devices with suitable characteristics have been obtained using chemical vapor deposition (CVD), e-beam evaporation, or molecular-beam epitaxy (MBE) of polysilicon films. CVD of Si as a technique to obtain thin film structures is very important, since films of high purity or films of controlled content can be easily obtained. Pyrolysis of silane gases at pressures lower than that of atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) resuls in partially or totally polycrystalline silicon films of different textures, namely, a ＜111＞ or ＜311＞ preferred orientation, depending on the temperature of deposition.
The microstructure and growth mechanisms of as-deposited polysilicon and mixed-phase silicon films deposited on glass substrates by infra-low pressure chemical vapor deposition (ILPCVD) and low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) using 20% $Si_2H_6$/He gas, and 20% $SiH_4/H_2$ have been investigated by X-ray diffraction (XRD) pattern, Raman spectroscopy, and cross-section transmission electron microscopy (XTEM). The deposition temperature and pressure were in the range of 560℃ ~ 600℃ and below 10 mTorr, respectively, in ILPCVD. In LPCVD the deposition temperature and pressure were 600℃ and below 110 mTorr, respectively. In as-deposited polysilicon, there are two kinds of competing factor in crystal growth, crystal growth rate and difficulty of extinguishments. At moderate deposition temperature, the difficulty of extinguishments dominate in the case of columnar growth at higher pressures. Thus ＜220＞ columnar growth results. In the case of columnar growth at higher temperatures, faster crystal growth dominates and ＜100＞ crystal growth appears at higher pressures where nucleation density is higher. For complete comprehensive understanding, more wide range of deposition conditions are needed.
In mixed-phase films, there are two kinds of crystallite: Initially deposited pre-existing small irregular ＜311＞ preferred crystallites and conventionally incubated ＜111＞ preferred large elliptic bulk-induced crystallites. The behavior of the former changes depending on the deposition conditions of temperature and pressure. Just above the deposition rate below which polysilicon film forms, ＜311＞ preferred quasi-columnar growth occurs while ＜110＞ filtering is reduced. This quasi-columnar growth preserves or strengthens the initial ＜311＞ preference and grows with activation energy of 3.1 eV. Further increase of deposition rate makes it difficult to form quasi-columnar growth due to smaller nucleation density and individual crystallite growth occurs. Then conventional bulk-induced crystallization (BIC) become dominant to form a ＜111＞ preferred mixed-phase films.'
반도체 공정에서 주로 사용되는 다결정 실리콘 박막을 얻는 데에는 여러 방법이 있으나 그 중에서 저압화학증착법이 많이 사용된다. 증착조건에 따라 바로 다결정 실리콘 박막을 얻을 수도 있으며 비정질 실리콘 박막을 증착하여 결정화하는 방법에 비해 결정 크기가 작으나 공정에 필요한 열 소모량과 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있어서 널리 연구되고 있다. 증착시 형성되는 박막의 상 (비정질, 다결정, 또는 혼합상)은 다음의 열처리에 영향을 미치므로 증착된 상에 관한 자세한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 사일렌 가스와 다이사일렌 가스를 사용하여 저압화학증착법과 초저압화학증착법을 병행하여 다결정 실리콘 박막을 증착하였다. 그리하여 그 상의 형성과정에 관한 연구를 하였으며 주로 XRD pattern, 단면 주사형 전자 현미경에 의한 분석을 하였다.
사일렌 가스를 사용한 초저압화학증착법에서는 560℃에서 600℃ 사이에서 모두 다결정 실리콘 박막이 얻어졌으며 실험 온도 범위가 다소 좁아서 상 변화를 완전히 분석하기는 어려웠다. 증착시 결정상은 각기 다른 방향의 결정 성장 속도의 경쟁에 의해 결정되는데 ＜100＞ 방향이 가장 빠르다. 그러나 본 실험에서와 같이 온도가 그리 높지 않은 범의에서는 결정면 소멸이 가장 어려운 면에 의해 결정될 수도 있다. 따라서 560℃의 다소 낮은 온도에서 주상 성장이 일어나는 경우 증착 압력이 높아지면서 핵 생성 밀도가 높아지고 결정면 소멸의 어려운 정도에 따라 박막 표면에 수직한 결정성 방위가 정해지게 된다. 이 경우 결정면 소멸이 가장 어려운 ＜110＞ 방향의 결정 성장이 이루어졌다. 반면에 580℃와 600℃와 같이 높은 온도에서 주상 성장이 일어나는 경우 증착 압력과 함께 핵 생성 밀도가 높아지는 경우 빠른 결정 성장 속도에 의해 결정 방향이 정해지는 경향이 있었으며 이 경우 ＜100＞방향성이 출현하였다. 완전한 상 변화 기작을 알기 위해서는 더욱 광범위한 조건의 증착 온도와 증착 압력에서의 실험이 필요하며 계속적인 연구가 필요하다.
다이사일렌을 사용한 다결정 증착에서는 저압화학증착법과 초저압화학증착법을 사용하였으며 증착된 박막은 다결정이었으나 특정 증착 속도 이상에서는 결정이 비정질 상에 분포하는 부분적으로 결정화된 혼합상을 나타내었다. 다결정상은 흔히 보는 ＜220＞ 주상 성장이었으며 여기서는 주로 혼합상에 관한 연구를 하였다. 증착 초기에 박막/기판 계면에 작고 불규칙한 결정립이 형성되는데 이것이 주로 ＜311＞ 방향을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 ＜311＞ 결정립이 증착조건에 따라서 어떤 행동을 하는지를 보았으며 그 결과 다결정 실리콘 박막 증착 조건인 최소 증착 속도에서 약간 벗어난 혼합상 조건에서는 ＜220＞ 주상 성장의 붕괴에 의한 여러 방위 성장이 동반되며 이때 결정성 소멸의 어려운 정도가 ＜220＞와 비슷하면서 결정 성장 속도가 더 빠른 ＜311＞ 성장이 두각을 나타내는 준주상 성장 형태로 일어남을 보았다. 증착 조건이 다결정 증착 조건에서 더 멀어지게 되면 (증착온도의 감소 또는 증착 속도의 증가) 증착 초기의 ＜311＞ 핵 생성 밀도가 낮아져서 근처의 결정상들과 함께 하는 준주상 성장을 하지 못하게 되면서 결정립들이 개별적으로 자라게 된다. 이 경우 bulk-induced crystallization에 의한 ＜111＞ 우세 결정 성장이 잠복 기간을 지나 전개되므로 초기 결정립들만에 의한 ＜311＞ 우선 방위가 차지하는 비중이 점차 감소하게 된다. 증착 조건이 다결정 실리콘 박막에서 더욱 멀어지게 도면 더 이상 계면에서의 결정립 형성은 없어지거나 아주 희박한 embryo 수준이 된다. 이 경우 증착된 박막의 상은 순수 비정질이며 증착 시간이 잠복 기간보다 길어지면 계면에서부터 시작되는 bulk-induced crystallization에 의한 ＜111＞ 우세 결정 성장이 일어나게 된다.
