The refractory metal and their alloys were investigated to replace the Si core rod in bell-jar reactor for poly-Si production. And diffusion barrier materials for block the infiltration of impurities at high temperature were studied. The various thin films were deposited on Si wafer by co-sputtering system and heat-treatments were carried out in electrical tube furnace with a double column.
To evaluate the characteristics of prepared films, SEM(Scanning Electron Microscope), XRD(X-Ray Diffractometer), AES(Auger Electron Spectroscope) and FE-TEM(Transmission Electron Microscope) were employed.
W/Si, Ta-Mo/Si, W-Ta-Mo/Si and W-Mo/Si films were prepared by co-sputtering system. As a result of experiments, tantalum has a high oxidation property, so it was excluded from candidate of core rod materials. And W-Mo alloy contained molybdenum of 40% shows the good properties as a core rod material.
The quaternary nitride films of W-Si-B-N barrier materials were studied for development of diffusion barrier. To observe the $N_2$ and B effect, W-Si-B-N films were prepared with varying the $N_2$ partial pressure and B/$WSi_2$ ratio. W-Si-B-N/Si film which is deposited under conditions of 0.5 $N_2$ partial pressure and 1 B/$WSi_2$ sputter power ratio was shown the best performance as a diffusion barrier.
고유가 시대를 맞이하여 화석연료의 의존도를 낮추기 위해 대체에너지를 개발하려는 연구들이 많이 진행되고 있다. 그 중 태양에너지는 주변에서 손쉽게 얻을 수 있고, 친환경적인 에너지 자원으로서 이 에너지를 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 태양에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 태양전지의 시장 또한 지속적으로 성장하고 있는 추세이다. 폴리실리콘은 태양전지용 단결정 실리콘의 원료로서, 태양전지 시장의 확대와 함께 그 수요 또한 증가하고 있다. 하지만 세계적으로 폴리실리콘의 공급량이 충분하지 않아 가격이 상승할 가능성이 높다. 우리나라의 경우 2007년까지 폴리실리콘을 전량 수입하고 있으며, 현재 폴리실리콘의 국산화를 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 폴리실리콘을 생산하는 방법 중 하나인 지멘스 반응기에서는, 실리콘을 코어로드로 사용하여 고온에서 실란가스의 환원반응을 통해 폴리실리콘을 석출시킨다. 하지만 실리콘을 로드 형태로 만드는 작업이 어렵고, 실리콘의 높은 비저항값 때문에 별도의 예열과정이 필요하다. 또한 실리콘 코어로드의 전원공급 장치비가 비싸 많은 부가 비용이 발생하게 된다.
본 연구는 기존에 사용되던 실리콘 코어로드를 비저항값이 낮은 금속 또는 금속합금 계열로 대체하여 보다 경제적으로 폴리실리콘을 생산하고자 진행되었다. 또한 고순도의 폴리실리콘을 얻기 위하여, 고온에서 금속 코어로드가 실리콘으로 확산되는 현상을 막아주기 위한 방지막에 대한 연구가 이루어졌다. 기존에 보고된 확산방지막의 경우, 반도체 공정 내의 구리 확산 방지를 위한 연구가 많이 진행되었다. 지금까지 알려진 확산방지막 중 3성분계의 Ta-Si-N 방지막이 최고 900℃에서 안정한 것으로 보고되었으나 폴리실리콘의 석출 반응 온도는 이보다 더 높아 새로운 확산방지막에 대한 연구를 진행하였다.
폴리실리콘의 석출 반응이 1000℃ 이상에서 진행되기 때문에, 고융점 금속인 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브덴 금속이 대체 코어로드의 후보군으로 선정되었다. 텅스텐, 탄탈륨-몰리브덴, 텅스텐-탄탈륨-몰리브덴, 텅스텐-몰리브덴의 4가지 박막을 코-스퍼터링 시스템을 통하여 실리콘 웨이퍼 위에 증착시켰고, 열처리를 통해 고온에서의 특성평가를 실시하였다. 본 실험 결과, 텅스텐 박막의 경우 연성이 부족하여 고온에서 박막이 깨지는 성질을 보였고, 탄탈륨의 경우 고온에서 산소와 쉽게 결합하려는 성질이 있어, 코어로드로 사용하기에는 무리 있을 것으로 판단되었다. 따라서 텅스텐을 주 물질로 사용하여 고온에서의 산소와의 결합을 줄이고, 여기에 몰리브덴을 첨가 물질로 사용하여 균열을 줄일 수 있는 텅스텐-몰리브덴(6:4) 합금이 코어로드의 대체물질로 적합한 것으로 분석되었다.
4성분계 W-Si-B-N 확산방지막에 대한 연구를 진행하였다. 대체 코어로드합금 물질인 텅스텐과 석출하고자 하는 실리콘을 방지막의 구성 물질로 넣어, 방지막층과 코어로드간의 농도구배를 줄여주어 확산속도를 줄여주고자 하였다. 또한 고체확산의 확산경로인 결정립계가 존재하지 않는 질화물을 만들고자 질소를 첨가하였고, 800℃ 이상에서 박막으로부터의 질소이탈을 방지하기 위하여 보론을 첨가하였다. 박막 내의 질소와 보론의 양에 따른 고온에서의 방지막 특성을 확인해 본 결과, 질소의 양이 증가함에 따라 박막의 결정화 온도가 높아졌으며, 보론이 질소의 이탈을 막아주는 효과가 있다는 것을 X-선 회절분석 결과 확인하였다. 또한 투과전자현미경의 원소분석 결과, 최적의 조성 조건에서 증착된 W-Si-B-N 박막이 확산방지막으로서의 효과가 있다는 것이 확인되었다.
