KR0153823B1 - 반도체 소자 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 있어서, 특히 레이저 조사에 의한 반도체층 저온 결정화 및 활성화 방법에 관한 것이다. 레이저를 이용하여 반도체층을 결정화 또는 활성화할 때, 레이저 펄스마다 에너지가 균일하지 않으면, 결정입자(grain)의 크기 및 트랜지스터와 같은 디바이스를 제작했을 때, 균일한 디바이스 특성을 얻기 어려우므로, 본 발명에서는 안정되고 흡수율이 좋은 파장을 생성하는 레이저빔을 생성하도록, Nd계열의 고체레이저를 레이저 발진부로 이용하고, 원하는 파장의 빔을 생성하기 위하여 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 원하는 파장의 빔을 생성하여 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법이다.

Description

반도체 소자 제조 방법
제1도는 종래의 결정화 및 활성화 공정에 이용되던 장치의 구성도.
제2도는 일반적인 반도체층 결정화 작업시 레이저빔의 스캔 방법을 설명하기 위한 도면.
제3도는 본 발명의 결정화 및 활성화 공정에 이용되는 장치의 구성도.
제4도는 본 발명의 반도체층 결정화 형태를 도시한 도면.
제5도는 본 발명의 손상된 결정구조의 반도체층 활성화 형태를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11,31 : 레이저 발진부 12,34 : 광학계
12-1,34-1 : 반사경 12-2,34-2 : 렌즈
13,35,40,50 : 기관 14,36,51 : 반도체층
32 : 다중 하모닉 진동자 생성부 33 : 필터부
20,41 : 비정질실리콘 박막 21 : 단위 레이저 빔
42,52 : 절연막 51 : 반도체층
본 발명은 반도체 소자의 결정화 방법 및 활성화 방법에 관한 것으로 특히, 레이저 열처리(annealing)공정에 의해 반도체층을 결정화 및 활성화하는 방법에 있어서, 균일한 특성의 반도체층을 얻기에 적합하도록 한 반도체소자제조 방법에 관한 것이다.
양질의 저온 다결정실리콘층 형성은 고해상도의 박막 트랜지스터-액정소자를 저가에 제작하는데 있어서 핵심기술이다. 그 중에서도 자외선파장 대역을 갖는 엑시머 레이저(excimer laser)의 펄스 빔을 비정질 실리콘 박막 위에 조사하여 순간적으로 비정질 실리콘 박막을 용융하여 결정화하는 기술은 이미 실용화 단계에 있다.
한편, 다결정실리콘을 이용하는 다결정실리콘 액정표시소자 제조 방법이나, 디램 제조 방법 등에 있어서 반도체층에 이온주입 후, 이온주입으로 인하여 반도체층 표면의 결정구조가 손상받기 쉬운데, 이러한 결정구조의 손상부위는 상부 배선 등과의 접촉특성을 저하시켜, 소자의 특성저하를 유발한다. 따라서, 이러한 이온주입에 의한 손상부위에 레이저를 조사하여 결정결함을 복구하는 방법이 행해지고 있다. 디램 제조 방법에서는 주로 질소가스 분위기에서의 고온 열처리 또는 RTA(rapid thermal annealing)등의 방법이 주로 쓰이지만, 액정표시장치 제조 방법에서는 유리기판위에 반도체 소자를 형성하는 구조상의 문제점으로 인해, 고온의 열처리 방법을 채택하기가 어려워 레이저를 이용한 반도체층 결정화 및 활성화 방법이 가지는 의미가 크다.
일반적으로, 레이저를 이용한 반도체층 결정화 및 활성화 방법에서 사용되는 레이저는 얇은 두께의 반도체층에만 높은 에너지를 전달하고, 하부의 기판에는 열이 전달되지 않도록 하기 위하여 투과성이 적은 단파장의 펄스레이저 빔을 대상물에 조사하여야 한다. 이러한 목적 때문에 주로 기체레이저중 단파장의 엑시머레이저가 사용되고 있다.
이러한 레이저를 이용한 반도체층 결정화 및 활성화 방법은 석영기판과 같은 값비싼 기판이 필요 없이 기존의 대면적 유리기판위에 저온 상태에서 고성능의 다결정실리콘 박막 트랜지스터 제조를 가능케 하여, 저가격의 드라이브(drive)회로 일체형 박막 트랜지스터-액정표시소자를 제조할 수 있다.
제1도와 같이 레이저를 이용한 결정화 및 활성화에 이용되는 장치는 레이저 발진부(11), 광학계(12), 기판(13)으로 구성되어 있다. 레이저 발진부(11)에서 출력된 레이저빔은 반사경(12-1) 및 렌즈(12-2)로 구성되어 빔(beam)의 세기, 크기, 모양 등을 조절하고 공간적인 균일도를 만들어주는 호모지나이저(homogenizer) 광학계(12)를 거쳐 기판(13)상에 형성된 결정화 및 활성화가 요구되는 반도체층(14)에 조사되게 된다.
레이저 발진부(11)는 엑시머레이저로 KrF, ArF, XeCl 또는 XeF 등의 기체를 이용한 펄스 기체레이저를 이용하여 200∼300nm의 단파장 레이저빔을 발생시킨다. 이러한 단파장의 레이저빔은 반도체층 특히 실리콘 박막의 표면에서 수백 Å깊이에서 대부분의 에너지가 흡수된다.
이때, 레이저빔의 펄스 폭은 수십 nsec로, 이 시간동안 순간적으로 실리콘 박막이 융용되었다가 다시 고화되면서 실리콘 박막 내부구조가 결정화되어 다결정실리콘 박막을 얻을 수 있다.
또한, 넓은 면적의 다결정실리콘 박막을 제작하기 위해서는 레이저빔을 소정부분씩 중첩하여 스캔 조사하는 방법을 채택하고 있는데, 제2도와 같이, 일정 크기의 단위 레이저 빔(21)을 서로 경계가 중첩되게 하여 비정질실리콘 박막(20) 전면에 걸쳐 스캔조사를 실시한다.
이러한 결정화 작업시, 레이저 에너지, 막두께 및 기판온도 등의 요소들에 의해 박막의 균일성이 결정된다. 즉, 이러한 요소들의 작은 변화에 따라 박막내부의 그레인(grain) 크기 및 소자형성시 이동도(mobility) 등이 크게 달라질 수 있다.
그런데, 위에서 설명하였듯이 넓은 면적의 다결정실리콘 박막을 제작하기 위해서는 레이저빔을 중첩 스캔하는 방법을 이용하고 있으므로, 레이저빔의 각 펄스마다 에너지가 균일하여 전체 면적에 걸쳐 그 특성이 균일한 양질의 박막을 얻을 수 있다.
그러나, 종래의 반도체층 결정화 및 활성화 방법에 있어서, 기체레이저를 사용하므로, 기체 레이저의 특성상 펄스간 에너지 균일성(pulse to pulse stability)이 유지되기 어렵다. 따라서, 이러한 레이저빔을 이용하여 제작된 다결정실리콘 박막은 그 특성이 균일하지 못하고, 이러한 불균일 특성을 가지는 박막트랜지스터에 형성시킨 소자의 특성 역시 균일성이 저하된다. 또한, 생산성 면에 있어서도, 장비의 생산가동시간을 감소시켜 생산수율을 저하시키는 요인이 되므로, 레이저의 펄스간 에너지 균일성 유지를 위한 연구가 필요하다.
한편, 또다른 종래기술로 엑시머레이저 대신에 가시영역의 파장을 가지는 고체레이저(예를들어, 루비레이저)를 이용하여 반도체층을 결정화 및 활성화하는 방법이 있다.
루비레이저와 같은 가시영역 파장을 가지는 고체레이저를 이용할 경우, 다결정실리콘 박막 제작시, 시료인 비정질실리콘의 흡수계수가 가시광선영역에서 약 0.6μm-1이므로, 흡수깊이(absorption depth)길이가 가시광선영역에서 약 1μm나 되어, 보통 두께가 1000Å내외인 박막의 결정화 및 활성화에 이용할 경우, 입사에너지의 약 10%만이 박막에 흡수되고, 나머지 90%는 투과되어 에너지 손실이 크다.
그래서, 본 발명의 반도체 소자 제조 방법에서는 펄스간 에너지 균일성이 우수하고, 유지보수(maintenance)가 용이하도록 반도체층을 펄스레이저를 사용하여 결정화(crystallization)하는 방법에 있어서,
고체레이저를 이용하는 레이저 발진부로부터 레이저빔을 생성하고, 레이저빔으로부터 비선형 결정을 이용한 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 다중 하모닉 파를 생성하고, 다중 하모닉 파를 필터링하여, 상기 반도체층에 조사하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법이다.
또한, 본 발명은 이온 주입 또는 이온 도핑으로 손상된 결정구조를 가지는 반도체층을 펄스레이저를 사용하여 활성화함에 있어서,
고체레이저를 이용하는 레이저 발진부로부터 레이저빔을 생성하고, 레이저빔으로부터 비선형 결정을 이용한 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 다중 하모닉 파를 생성하고, 다중 하모닉 파를 필터링하여, 상기 반도체층에 조사하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법이다.
이때, 레이저 발진부를 구성하는 레이저는 능동매질이 고체인 고체레이저를 사용하는데 특히, Nd : YAG(Neodymium doped Yttrium Aluminum Garnet)레이저, Nd : GLASS(Neodymium doped GLASS) 등의 Nd계열 레이저를 사용한다. 그런데, Nd계열 고체레이저에서 발생하는 레이저빔은 파장대역이 약 1μm의 적외선 영역으로, 실리콘 박막의 결정화 및 활성화에는 주로 자외선 영역의 단파장을 필요로 하기 때문에 Nd계열의 레이저를 그대로 사용할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는 비선형 결정(non-linear crystal)으로 구성된 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 2차, 3차 등의 다중 하모닉 파를 생성하고, 그 중 반도체층에 흡수율이 큰 파장 즉, 1000Å의 실리콘층에 대하여 300∼400nm 근처의 단파장인 자외선을 만들어 사용한다. 이러한 다중 하모닉 진동자 생성부는 비선형 결정으로 구성되는데, 특히 KTP(KTiOPO4), KDP 또는 그 외의 모든 종류의 비선형 결정 중 하나를 사용할 수 있다.
이러한 비선형 결정을 이용한 다차 하모닉 파의 생성원리는 다음과 같다.
즉, 일반적으로 강한 세기의 전자기파가 비선형 결정 매질을 통과할 때, 매질의 전기적 분극(electrical polarization)은 단순히 전기장에 비례하지 않고, 고차항으로 전개되어진다. 즉
의 형태를 가진다. 여기서, χ는 감수율(susceptibility)로서, 선형계수 χ가 가장 큰 값을 갖고, χ2,χ3로 갈수록 그 값이 점차 작아진다.
이러한 매질에=E0Sinωt의 하모닉 파가 입사되면, 분극는
가 된다. 따라서, 식 ②에서와 같이, 진동수 ω의 전자기파가 비선형 결정 매질을 통과하는 경우, 매질의 전기적 분극에 의하여 입사파와 같은 진동수 ω의 하모닉 파외에 진동수가 2ω, 3ω, …, nω, …(여기서, ω는 입사파의 진동수이다.)인 하모닉 파가 복합된 다중 하모닉 파가 발생된다.
따라서, 본 발명에서는 다중 하모닉 진동자 생성부를 구성하는 비선형 결정 매질을 통과하면서 발생한 입사파 진동수의 2배, 3배 등의 다수배 하모닉 파가 복합된 다중 하모닉 파를 필터링하여 사용함에 있어서, 광학적·전자기적 필터를 이용하거나, 필터없이 진동수에 따른 파의 투과각도특성을 이용하여 원하는 진동수의 빔을 추출하여 반도체 결정화 및 활성화에 이용한다.
이와 같은 본 발명의 반도체층을 결정화시키거나, 활성화시키기 위하여 사용되는 반도체층 결정화 및 활성화 장치는 제3도와 같은 구성을 가진다.
먼저, Nd계열의 고체레이저를 이용한 레이저 발진부(31)가 있고, 레이저 발진부(31)에서 발생된 레이저빔을 입사받아, 입사된 레이저빔의 진동수에 대해 다수배인 진동수를 가지는 여러 하모닉 파가 복합된 빔을 생성하는 다중 하모닉 진동자 생성부(32)가 있으며, 여러 진동수의 하모닉 파가 복합된 빔중, 조사대상인 반도체층의 종류 및 두께를 고려하여 흡수율이 가장 큰 단파장의 레이저빔을 추출하여 투과시키는 필터부(33)가 있다.
그리고, 종래와 같이, 빛의 경로를 변환하는 반사경(34-1)과, 빔의 크기와 공간적 균일도 등을 조절하는 복수개의 렌즈(34-2)로 구성된 호모지나이저 광학계(34)가 있고, 반도체층(36)이 형성된 기판(35)이 있다.
제4도는 유리기판 등에 형성된 비정질실리콘 박막을 결정화하는 형태를 도시한 것으로, 제4도의 (a)와 같이, 기판(40)위에 형성된 비정질실리콘 박막(41)위에 직접 조사하기도 하고, 제4도의 (b)와 같이, 질화막 또는 산화막 등의 얇은 캐핑층(capping layer)(42)이 증착된 상태에서 조사하기도 하며, 제4도의 (c)와 같이, 기판(40)의 뒷면에서 레이저를 조사하여, 기판(40)을 투과한 레이저빔으로 비정질실리콘 박막(41)을 결정화시킬 수도 있다.
제5도는 다결정실리콘층 또는 비정질실리콘층에 이온주입 또는 이온도핑공정을 수행한 후, 이온주입 또는 이온도핑에 의해 손상된 실리콘 표면의 결정결함을 복구하기 위하여 수행하는 활성화 형태를 도시한 것으로, 제5도의 (a)와 같이, 손상된 결정구조의 반도체층(51)에 직접 레이저빔을 조사하거나, 제5도의 (b)와 같이 손상된 결정구조의 반도체층(51) 상부에 질화막 또는 산화막 등의 캐핑층(52)이 형성된 상태에서 조사하여 반도체층을 활성화 할 수 있다.
비정질실리콘을 레이저 조사에 의해 다결정실리콘 박막을 제작할 때, 레이저 빔 소오스로서 고체 레이저를 이용하여 펄스간 에너지 균일도가 향상되어 다결정 박막의 결정입자크기(grain size)가 균일하게 되고, 박막 트랜지스터 등의 디바이스를 제작했을 때, 이동도 등 디바이스 특성이 균일한 디바이스 등을 얻어 안정된 동작을 하는 회로를 제작할 수 있으며, 이온주입 또는 이온 도핑으로 손상된 실리콘 표면의 결정결함을 제거할 수 있다. 또한 유지보수(maintenance)가 기체레이저 보다 용이하여 생산가동시간이 증가되어 생산성을 향상시킬 수 있음을 특징으로 한다.

Claims (10)

  1. 반도체층을 펄스레이저를 사용하여 결정화(crystallization) 하는 방법에 있어서, 고체레이저를 이용하는 레이저 발진부로부터 레이저빔을 생성하고, 상기 레이저빔으로부터 비선형결정을 이용한 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 다중 하모닉 파를 생성하고, 상기 다중 하모닉 파를 필터링하여, 상기 반도체층에 조사하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체레이저는 Nd : YAG레이저, Nd : GLASS 등의 Nd계열 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비선형결정은 KTiOPO4, KDP 중 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다중 하모닉 파 중 상기반도체층에 흡수율이 큰 소정파장의 하모닉 파를 필터링하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반도체층에 흡수율이 큰 소정파장은 300∼400nm인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  6. 이온 주입 또는 이온 도핑으로 손상된 결정구조를 가지는 반도체층을 펄스레이저를 사용하여 활성화하는 방법에 있어서, 고체레이저를 이용하는 레이저 발진부를 통하여 레이저빔을 생성하고, 상기 레이저빔으로부터 비선형결정을 이용한 다중 하모닉 진동자 생성부를 이용하여 다중 하모닉 파를 생성하고, 상기다중 하모닉 파를 필터링하여, 상기반도체층에 조사하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고체레이저는 Nd : YAG레이저, Nd : GLASS 등의 Nd계열 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 비선형 결정은 KTiOPO4, KDP 중 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기다중 하모닉 파 중 상기반도체층에 흡수율이 큰 소정파장의 하모닉 파를 필터링 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반도체층에 흡수율이 큰 소정파장은 300∼400nm인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
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