In polycrystalline-silicon (poly-Si) thin-film transistors (TFTs) for active-matrix liquid crystal display (AMLCD), it is crucial to obtain high-quality $SiO_2$ film and Si/$SiO_2$ interface at low temperature for gate dielectric as the quality of channel poly-Si films improves. The interface quality of the oxide formed by oxidation method is better than that of the oxide by deposition method. Plasma oxidation has been extensively investigated as a means of low-temperature oxidation of silicon. But plasma oxides suffer from the poor-oxide quality due to the oxide damage by the bombardment of energetic ions and metallic contamination. Inductively coupled plasma (ICP) isa high density plasma, of which ion density is high because the sheath voltage of the plasma is small; the energy loss per ion lost is small. This small sheath voltage results in reduced oxide-damage and metallic contamination. The ICP source with planar configuration has a simple structure and low-aspectratio (height/diameter) so that it is suitable to low-temperature plasma oxidation process for poly-Si TFT, which requires a large-size glass substrate. We investigated the characteristics of the ICP with oxygen gas and the structural properties of $SiO_2$ films grown in the ICP with oxygen gas, and explained the kinetics of oxide growth in the ICP with oxygen gas. Furthermore, we applied ICP oxide to the poly-Si TFTs and analyzed the effect of the ICP oxidation on the properties of poly-Si films and TFTs.
Silicon wafers were oxidized in the ICP oxidation system with oxygen gas at rf powers from 1.0 kW to 3.0 kW, temperatures from 350℃ to 450℃, and oxygen pressures from 5 mtorr to 200 mtorr. Maximum $5×10 ^{11}cm}^{-3}$ of ion density ($n_i$) was obtained in the ICP with oxygen gas at 10 mtorr and 3.0 kW, which is the maximum power of our system. This value is much higher than that of the conventional rf plasma. The electron temperature ($T_e$) and plasma potential ($V_p$) increased as the oxygen pressure decreased from 2 eV and 7.6 V at 200 mtorr to 6 eV and 22.8 V at 5mtorr, respectively. However, the rf power scarcely affects the $T_e$ and$V_p$. This is because the $T_e$ and $V_p$ are determined by particle conservation alone. The peak intensity of atomic oxygen increased as the oxygen pressure decreased in the range of 5 mtorr and 200 mtorr.
The absorbance of transverse-optical (TO) mode vibration associated with the asymmetric stretching of intertetrahedral bridging oxygen atoms showed linear relationship with the oxide thickness, which was called Lambert-Bourguer''s law. But the slope, which was proportional to apparent absorption coefficient, was different between the as-grown oxides and the annealed oxides. The annealing was performed at 900℃ for 1 h in argon ambient. However, the integrated absorbance showed the same slope, i.e. the same apparent absorption coefficient. The integrated form is more accurate estimate of the number of Si-O bonds. The difference in absorption coefficient between the as-grown oxides and the annealed oxides was due to the decrease of the bandwidth of TO mode vibration after the annealing. From the frequency and bandwidth of the TO mode vibration, we calculated the angle and the angle variation of the Si-O-Si bond. The bond angle increased about 3.6° from 145.6° before the annealing to 149.2° after the annealing but the variation of the bond angle was little changed. This means that the oxide grown in the ICP with oxygen gas is compressively strained and the strain is relaxed after the annealing. Using XPS and HRTEM measurements of thin oxides, we obtained the escape depth of photoelectron in $SiO_2$ ($λ_{SiO_2}$). The $λ_{SiO_2}$ values were 43.8Å and 44.1Å for the ICP oxide and the thermal oxide grown at 700℃, respectively. It is well-known that the thermal oxide grown at low temperature showed compressive strain due to little relaxation. Therefore, the ICP oxide grown with oxygen gas at 350℃ is also compressive strained.
The frequency of the TO mode vibration was constant when the oxide thickness was thick but decreased as the oxide thickness decreased below about 25 nm. There is no difference in oxidation state between the oxides before and after sputtering the surface oxide. The refractive index of the oxide decreased as the oxide thickness decreased below about 25 nm. These results indicate that the density of the oxide is smaller when the oxide is thin. The etch rate of the oxide was higher at the original surface of the oxide and decreased as the distance from the original surface increased to about 10 nm. This means that the properties of the surface layer of the oxide is different from the bulklayer. This difference may be due to low density of the surface layer, compared to that of the bulk layer. Using x-ray reflectivity measurements, we could demonstrate the lower density of the surface layer. The densities of the surface layer and the bulk layer were 2.05 g/㎤ and 2.23 g/㎤, respectively, while the density of thermal oxide was 2.20 g/㎤. After annealing at 900℃ for 1 h in argon ambient, the density of the surface layer increased and the compressive strain was relaxed. The kinetics of the oxide growth in the ICP with oxygen gas was well described by linear-parabolic relation with initial rapid growth like dry O$_2$ thermal oxidation. The activation energy of parabolic-rate constant ($k_P$) was 0.37eV, which was much smaller than that of the dry O$_2$ thermal oxidation (1.23eV), and the $k_P$ increased as the peak intensity of atomic oxygen in the OES increased. This supports that the diffusing oxidant in the plasma oxidation under no external bias is neutral atomic oxygen. The fitted linear-rateconstant ($k_L$) was negative value, which cannot be explained by the kinetic model proposed by Deal and Grove. In addition, the thickness reversal, the phenomenon that the oxide thickness grown at lower temperature is larger than that grown at higher temperature, wbserved. We proposed a kinetic model, in which the surface layer with a larger diffusion coefficient and the bulk layer with a smaller diffusion coefficient were assumed. This kinetic model can explain the negative $k_L$ and the thickness reversal successfully. The density of the surface oxide grown with the chemical oxide was not different from that of the bulk, and the $k_L$ was a large positive value. This result further supports the existence of low-density surface layer in the ICP oxide. Even though our kinetic model well described the oxide growth in the ICP with the thickness larger than 10 nm, the kinetics with the thickness smaller than 10 nm and the origin of the surface layer cannot be explained. The kinetics below a 10 nm thick oxide should be further studied to understand short-term oxidation phenomena and the origin of the surface layer.
The ICP oxidation was employed to poly-Si films and poly-Si TFTs. The ICP oxidation did not increased the roughness of the Si/$SiO_2$ interface, while thermal oxidation increased it. The ICP oxidation passivated the dangling bonds in the poly-Si films by hydrogen incorporation, not by oxygen incorporation. However, the incorporated hydrogen diffused out during the TFT fabrication so that the effect of the dangling bond passivation was not obtained in the poly-Si TFTs. But the ICP oxidation reduced the interface trap density and also improved the performance of the poly-Si TFT.
능동소자 액정표시소자 (AMLCD)용 다결정 실리콘 박막트랜지스터(poly-Si TFTs)에서, 채널 다결정 실리콘 박막의 특성이 향상됨에 따라 게이트 절연막용 고품위 산화막과 Si/$SiO_2$ 계면을 저온에서 형성하는것이 중요하게 되었다. 산화방법으로 형성한 산화막의 계면 특성은 증착 방법으로 형성한 산화막의 계면보다 우수하다. 플라즈마 산화는 실리콘을 저온에서 산화시키는 방법으로 많은 연구가 이루어 지고 있다. 그러나 플라즈마산화막은 높은 에너지를 갖은 이온의 충돌과 그로 인한 산화막 손상과 금속오염으로 산화막의 특성이 나쁜 단점이 있다.
유도결합 플라즈마 (ICP)는 고밀도 플라즈마로, 플라즈마의 싸개 전위가 낮아 이온밀도가 높다. 낮은 싸개 전위는 산화막의 손상과 금속오염을 낮춘다. 평판형 ICP는 구조가 간단하고, 종횡비 (높이/지름)가 작아 큰 유리기판을 이용하는 저온 poly-Si TFT 공정에 적합할 것으로 기대된다. 본 논문에서는 산소가스를 이용한 ICP의 특성과 산소가스를 이용한 ICP에서 성장한 산화막의 구조적 특성을 조사하였고, 모델을 제안해서 산화막 성장 운동학을 설명하였다. 또한 ICP 산화를 poly-Si 박막과 poly-Si TFT에 적용하여, ICP 산화가 poly-Si 박막과 TFT에 미치는 영향을 분석하였다.
실리콘 위이퍼를 ICP 산화장치에서 1.0-3.0 kW의 rf power, 350-450℃의 온도와 5-200 mtorr의 산소압력에서 산화하였다. 산소가스를 이용한 플라즈마는 최고 $5×10^{11}cm^{-3}$의 이온밀도를 산소압력 10 mtorr와 최고 power인 3.0 kW에서 얻었다. 이 값은 일반 rf 플라즈마의 이온밀도보다 매우 큰 것이다. 전자온도 ($T_e$)와 플라즈마 전위($V_p$)는 산소압력이 감소할수록 증가하여, 산소압력 200 mtorr에서는 2 eV와 7.6 V, 5 mtorr에서는 6 eV와 22.8 V였다. 그러나 rf power는$T_e$와 $V_p$에 거의 영향을 미치지 않았다. 이는 $T_e$와 $V_p$가 입자보존에 의해서만 결정되기 때문이다. 원자상태 산소의 피크강도는 5 mtorr에서 200 mtorr의 범위에서 산소압력이 감소할수록 증가하였다.
Si-O-Si 결합의 비대칭 스트레칭 TO 모드 진동의 흡수도는 산화막 두께와 직선관계를 나타냈다. 이것은 Lambert-Bourguer''s 법칙으로 잘 알려져 있다. 그러나 겉보기 흡수계수 ($α_{app}$)에 비례하는 기울기가 증착한 산화막과 어닐링한 산화막 사이에 차이가 있었다. 어닐링은 아르곤 분위기, 900℃$에서 1시간 동안 실시하였다. 그러나, 적분된 흡수도는 같은 기울기를 보였다. 적분형태의 흡수도가 Si-O 결합의 숫자를 나타내는데 더 정확하다. 증착한 산화막과 어닐링한 산화막에서 기울기의 차이는 어닐링 후 TO 모드진동의 밴드폭이 감소하였기 때문이다. TO 모드진동수와 밴드폭을 이용해서 Si-O-Si 결합각도와 각도분포를 계산하였다. 결합각도는 어닐링 전 145.6°에서 어닐링 후 149.2°로 약 3.6° 증가하였으나, 각도분포는 거의 변화가 없었다. 이것은 산소가스를 이용한 ICP에서 성장한 산화막은 압축변형되어 있고, 어닐링하면 변형이 완화된다는 것을 의미한다. XPS와 HRTEM을 이용해 산화막에서 광전자의 탈출깊이를 구하였다. 탈출깊이는 ICP 산화막과 700℃ 열산화막의 경우 각각 43.8Å과 44.1Å으로 비슷하였다. 열산화의 경우 산화온도가 감소하면 산화막이 완화되지 않아 산화막에는 압축변형이 인가된다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서 산소가스를 이용한 ICP에서 성장한 산화막은 압축변형되어 있다.
TO 모드 진동수는 산화막의 두께가 두꺼울 때는 일정하였으나, 두께가 25nm보다 작은 경우 산화막 두께가 감소할수록 감소하였다. XPS를 이용해 조사한 결과 산화막의 산화상태는 표면층을 스퍼터링 하기 전, 후에 차이가 없었다. 굴정율은 TO 모드 진동수와 마찬가지로 산화막 두께가 두꺼울 때는 일정하나, 25 nm보다 작은 경우 산화막 두께가 감소할수록 감소하였다. 이 결과는 두께가 얇을수록 산화막의 밀도가 감소함을 나타낸다. 산화막의 식각속도는 원래 산화막 표면에서 깊이가 10 nm보다 작은 경우 더 컸다. 이것은 표면층의 특성이 벌크층과는 다름을 의미하고, 앞의 결과에서 이 차이는 표면층의 밀도가 작기 때문으로 판단된다. X-ray 반사율을 측정하여 낮은 밀도의 표면층이 존재할 수 있음을 보여주었다. 표면층과 벌크층의 밀도는 각각 2.05 g/㎤와 2.23 g/㎤이었다. 한편, 열산화막의 밀도는 2.20 g/㎤이었다. 아르곤 분위기, 900℃에서 1시간 어닐링한 경우 표면층의 밀도는 증가하였고, 압축변형은 완화되었다.
산소가스를 이용한 ICP에서 산화막 성장의 운동학은 건식 열산화와 같이 초기에 빠른 성장속도를 갖는 linear-parabolic 관계로 잘 기술되어졌다. Parabolic-rate 상수의 활성화에너지는 0.37 eV로 건식 열산화의 1.23 eV보다 매우 작으며, OES에서 원자상태 산소의 피크강도가 증가할수록 증가하였다. 이 결과는 외부 바이어스가 없는 경우 플라즈마 산화에서 확산되는 산화원이 원자상태 산소라는 보고를 뒷받침해 준다. Linear-rate 상수는 음수값을 가졌다. 음수의 linear-rate 상수는 Deal과 Grove가 제안한 운동모델로는 설명할 수 없다. 또한 낮은 온도에서 성장한 산화막의 두께가 높은 온도에서 성장한 산화막의 두께보다 더 두꺼운 “두께반전” 현상이 관찰되었다. 산화막을 큰 확산계수를 갖는 표면층과 작은 확산계수를 갖는 벌크층으로 가정한 운동모델을 제안하여, 음수의 linear-rate 상수와 두께반전을 잘 설명하였다. 화학적 산화막을 제거하지 않고 성장시킨 산화막의 표면층의 특성이 벌크층과 다르지 않았고, linear-rate 상수가 큰 양수 값이었다. 이 결과는 ICP 산화막이 표면에 낮은 밀도의 표면층이 존재한다는 것을 더욱 뒷받침해 준다. 비록 우리의 운동모델이 10 nm이상의 두께에서는 산화장 성장을 잘 기술하지만 표면층의 원인과 얇은 두께에서는 산화막의 성장을 잘 기술하지 못한다. 10 nm보다 얇은 두께에서의 운동학에 대해서는, 짧은 시간 산화와 표면층의 원인을 이해하기 위해서 더욱 연구되어져야 할 것이다.
ICP 산화를 poly-Si 박막과 poly-Si TFT에 적용하였다. 열산화는 Si/$SiO_2$계면의 거칠기를 증가시키나, ICP 산화는 거칠기를 거의 증가시키지 않았다. ICP 산화는 산소가 아니라 수소의 유입으로 dangling bond를 passivation 하였다. 그러나 유입된 수소는 TFT 제조공정 중에 확산되나가서 poly-Si TFT에서는 passivation 효과를 얻지 못했다. 그러나 ICP산화는 계면트랩밀도를 감소시켜 poly-Si TFT의 특성을 향상시켰다.
