KR100281558B1 - 레이저 열처리를 이용하여 결정화 및 페시베이션을 동시에 이루는 다결정 실리콘막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 주입 공정 및 고온의 열처리 공정 없이 트랩 상태를 치유할 수 있어 소자의 전기적 특성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는, 레이저 열처리를 이용하여 결정화 및 페시베이션을 동시에 이루는 다결정 실리콘막 형성 방법에 관한 것으로, 불소, 질소 또는 수소를 포함한 희생층 및 비정질 실리콘막으로 이루어지는 적층 구조에 레이저로 에너지를 조사하여 레이저 에너지에 의해 녹은 비정질 실리콘이 다결정 실리콘 박막으로 결정화되는 동시에 희생층 내의 불소, 질소 또는 수소를 다결정 실리콘박막으로 확산시켜 트랩 상태를 치유하는데 그 특징이 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 차세대 이동통신 시스템(International Mobile Telecommunication-2000, 이하 'IMT-2000'라 함) 또는 미래 공중 육상 이동통신 시스템(Future Public Land Mobile Telecommunication System; 이하 'FPLMTS'이라 함)용 이동통신 화상 단말기인 LCD(Liquid Crystal Display) 등의 평판 표시장치의 화소 스위칭 소자로서 역할을 하는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 제조에 필요한 다결정 실리콘 박막 형성 방법에 관한 것이다.
유리 기판에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 집적시키기 위해서는 유리 기판에 손상을 주지 않는 저온 공정으로 실리콘막을 형성하여야 한다. 이를 위해 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등을 이용한 저온 증착방법으로 비정질 실리콘막을 형성한 다음, 레이저 어닐링을 이용하여 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법에 가장 유리한 것으로 알려져 있으며, 이에 대한 많은 연구가 진행 중이다.
한편, 다결정 실리콘 활성층은 그레인 경계(grain boundary)와 그레인 내부의 많은 결함(defect)들로 인한 트랩 상태(trap state)가 존재하여 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 저하시킨다.
이와 같은 소자 특성 저하를 방지하기 위하여, 다결정 실리콘 활성층의 트랩 상태 밀도를 감소시키거나 그레인 크기를 증가시키는 등의 다양한 방법들이 제안되었다. 트랩 상태들을 치유(passivation)하는 방법으로는 수소화(hydrogenation)가 널리 사용되고 있는데, 수소화 방법은 약한 Si-H 결합이 전기적인 스트레스에 불안정하기 때문에 수소화된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 장시간 신뢰도(long-term stability)를 얻을 수 없는 단점이 있다.
최근에는 수소화 뿐만 아니라 다결정 실리콘 활성층으로의 불소(fluorine; F) 이온주입이 트랩 상태 밀도를 감소시키는데 효과적이라고 알려져 있다. 더구나, 불소 이온주입은 다결정 실리콘 채널과 게이트 산화막/다결정 실리콘 계면(SiO2/poly-Si interface)에 강한 Si-F 결합을 형성함으로써 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이온주입 방법은 대면적 기판에 적용하기에는 여러 가지 문제점이 있을 뿐만 아니라, 주입된 불손 이온들을 활성화시키고 이온 주입 손상을 치유하기 위해 고온의 열처리가 필요한 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 이온 주입 공정 및 고온의 열처리 공정 없이 트랩 상태를 치유할 수 있어 소자의 전기적 특성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는, 레이저 열처리를 이용하여 결정화 및 페시베이션을 동시에 이루는 다결정 실리콘막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 형성 및 페시베이션 공정 단면도,
도2는 불소화된 다결정 실리콘 박막과 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막 각각의 XPS 분석 결과를 보이는 그래프,
도3은 불소화된 다결정 실리콘 박막과 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막각각의 자외선 반사도 분석 결과를 보이는 그래프,
도4는 불소화된 p-채널 소자와 불소화되지 않은 p-채널 소자의 전달 특성 곡선을 나타내는 그래프,
도5는 불소화된 다결정 실리콘 박막 및 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막으로 각각 형성된 p-채널 소자의 수소화 전후 전달 특성을 보이는 그래프,
도6은 불소화된 p-채널 소자와 불소화되지 않은 p-채널 소자의 수소화 후의 스트레스 실험 결과를 보이는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명
10: 비정질 실리콘 박막 20: 희생층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 제1 단계; 상기 비정질 실리콘막 상에, 확산 원소를 포함하는 희생층을 형성하는 제2 단계; 상기 희생층 및 상기 비정질 실리콘막을 레이저로 열처리하여 상기 비정질 실리콘막을 결정화시켜 다결정 실리콘막을 형성하는 동시에 상기 희생층 내의 상기 확산 원소를 상기 다결정 실리콘막으로 확산시켜 상기 다결정 실리콘막의 트랩 상태를 페시베이션하는 제3 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 제4 단계를 포함하는 다결정 실리콘막 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 불소, 질소 또는 수소를 포함한 희생층 및 비정질 실리콘막으로 이루어지는 적층 구조에 레이저로 에너지를 조사하여 레이저 에너지에 의해 녹은 비정질 실리콘이 다결정 실리콘 박막으로 결정화되는 동시에 희생층 내의 불소, 질소 또는 수소를 다결정 실리콘박막으로 확산시켜 트랩 상태를 치유하는데 그 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면 도1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 형성 및 페시베이션 방법을 설명한다.
기판(도시하지 않음) 상에 비정질 실리콘 박막(α-Si)(10)을 형성하고, 비정질 실리콘 박막(10) 상에 불소화된 실리콘 산화막(SiOxFy)으로 희생층(pad layer)(20)을 형성한다. 이때, 희생층(20)은 다결정 실리콘 박막의 트랩 상태를 치유하기 위한 확산 원소를 포함하는 막으로서 질화막으로 형성할 수도 있으며, 희생층 내에는 상기 불소를 대신하여 질소 또는 수소 원소가 포함될 수도 있다.
이어서, 비정질 실리콘막(10) 및 희생층(20)으로 이루어진 SiOxFy/α-Si 구조에 엑시머 레이저(Excimer Laser)를 조사하면, 레이저 에너지의 대부분은 비정질 실리콘 박막(10)에 흡수되며 SiOxFy희생층(20)은 불소 원자들의 확산원으로 작용한다. 이러한 과정에서 레이저 에너지에 의해 녹은 비정질 실리콘은 다결정 실리콘 박막으로 결정화되는 동시에 불소 원자들이 확산되어 트랩 상태들을 치유하게 되고 결국 비정질 실리콘은 불소화된 다결정 실리콘 박막으로 변화된다. 따라서, 후처리 공정인 수소화 공정과 달리 본 발명은 결정화와 불소화 과정이 동시에 일어나기 때문에 추가의 열처리 공정이 필요 없으며 저온 공정이 가능하다.
이하, 도2 내지 도6을 참조하여 본 발명에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 특성에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막의 불소화 효과를 알아보기 위하여, 열산화된 실리콘 기판 위에 800 Å 두께의 비정질 실리콘 박막을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증착하고 활성층을 정의한 후, TEOS(tetraethoxysilane), O2및 C2F6를 이용하여 PECVD 방법으로 200 Å 두께의 SiOxFy희생층을 증착하여 SiOxFy/α-Si 구조의 제1 시료를 형성하고, 제1 시료와 동일한 조건으로 비정질 실리콘 박막을 증착하고 활성층을 정의한 후 C2F6없이 제1 시료의 SiOxFy희생층과 동일한 두께의 SiO2희생층을 형성하여 SiO2/α-Si 구조의 제2 시료를 형성하고, 제1 시료 및 제2 시료 각각에 250 mJ/㎠의 에너지 밀도를 갖는 XeCl 엑시머 레이저(λ=308 ㎚)를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화시켜 다결정 실리콘막을 형성한다. 이러한 과정에 따라, 제1 시료에는 불소화된 다결정 실리콘 박막(a)이 형성되고, 제2 시료에는 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막(b)이 형성된다. 이어서, 제1 시료 및 제2 시료 각각의 산화막 희생층들을 제거한다.
도2는 상기와 같이 마련된 불소화된 다결정 실리콘 박막(a)과 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막(b) 각각의 표면 성분을 알기 위한 Mg KαXPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과를 보이는 그래프로서, SiO2/α-Si 구조에 레이저를 조사하여 형성한 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막(b)과 달리, SiOxFy/α-Si 구조에 레이저를 조사하여 형성한 불소화된 다결정 실리콘 박막(a)에서는 결합 에너지(binding energy) 686 eV 부근에서 불소(F) 1s에 대한 피크(peak)가 나타남을 보이고 있다. 이 결과로부터 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막 형성 과정에서 불소 원자들이 다결정 실리콘 박막으로 성공적으로 확산됨을 알 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막 형성 과정에서 불소 원자들이 다결정 실리콘의 결정화도(cystallinity)에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 상기와 같이 마련된 불소화된 다결정 실리콘 박막(a)과 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막(b) 각각의 자외선 반사도(UV reflectance) 분석 결과를 보이는 그래프로서, 비교를 위하여 단결정 실리콘(c)과 비정질 실리콘(d)의 반사도를 함께 보이고 있다. 도3에서 박막의 결정화도는 275 ㎚ 근방의 피크를 적분하여 단결정 실리콘을 기준을 기준으로 계산된 결과이다. SiO2/α-Si 구조에서 레이저 조사를 통해 결정화된 다결정 실리콘 박막 즉, 불소화 되지 않은 다결정 실리콘 박막(b)의 결정화도는 73.8%로서 SiOxFy/α-Si 구조에 레이저 조사를 통해 결정화된 불소화된 다결정 실리콘 박막(b)의 결정화도(74.6%)와 거의 비슷하다. 따라서, 불소 원자들이 다결정 실리콘의 결정화도에 미치는 영향은 무시할 수 있음을 알 수 있다.
상기와 같이 형성된 불소화된 다결정 실리콘 박막(a)과 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막(b) 각각에 알루미늄 전극 패턴을 정의하여 다결정 실리콘 저항을 제조하고, 제조된 저항들의 전기 전도도 측정 결과, 불소가 함유되어 있는 다결정 실리콘 박막의 전기 전도도(1.16×10-5Ω-1㎝-1)가 불소가 함유되지 않은 박막의 전기 전도도(2.07×10-6Ω-1㎝-1)보다 크게 향상되었다. 이와 같은 전기 전도도 향상 결과와 XPS 분석 결과로부터 본 발명에 따라 다결정 실리콘 박막으로 확산된 불소 원자들이 트랩 상태들을 성공적으로 치유하였다고 볼 수 있다.
도4는 불소화된 p-채널 소자와 불소화되지 않은 p-채널 소자의 전달 특성(transfer characteristics) 곡선을 나타내는 그래프이다. 도4는 두 소자의 폭(W)과 길이(L)가 각각 10 ㎛로 그 크기를 동일하게 제조하고, 드레인과 소스 사이의 전압 VDS를 -0.1 V, -10 V 두 조건에서 측정한 결과로서, 불소화된 소자의 문턱 이전(subthreshold) 특성과 온-상태(on-state) 특성은 불소화되지 않은 소자의 특성보다 상당히 개선됨을 보인다. 또한, 불소화된 소자의 문턱전압(threshold voltage)과 문턱 이전 스윙(subthreshold swing)이 각각 11.4 V와 1.41V/dec에서 9.5 V와 1,19 V/dec로 개선되었다. 그러나, 오프-상태(off-state) 누설전류(leakage current)는 거의 변화가 없다. 이러한 결과는, 불소화된 소자의 특성 향상은 주로 다결정 실리콘 채널과 게이트 산화막/다결정 실리콘 계면에 있는 트랩 상태들을 불소 원자들이 치유했기 때문이라고 분석된다.
도5는 불소화된 다결정 실리콘 박막 및 불소화되지 않은 다결정 실리콘 박막으로 각각 형성된 p-채널 소자의 수소화 전후 전달 특성을 보이는 그래프로서, 수소화 효과와 불소화 효과를 비교하기 위해서 평행판 RF(radio frequency) 플라즈마 반응기로 300 ℃에서 2시간 동안 수소화를 수행한 결과를 보이고 있다. 도5로부터 불소화된 소자와 불소화되지 않은 소자 모두 수소화될 경우 특성이 향상됨을 알 수 있다. 수소화는 불소화와 달리 오프-상태 누설전류를 감소시킨다. 게이트와 소스 사이의 전압 VG가 10 V일 때 측정된 오프-상태 누설전류는 수소화 이전에 비해 대략 25 % 정도 감소한다. 따라서, 불소화 방법과 수소화 방법을 병행할 경우 소자 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
도6은 불소화된 p-채널 소자와 불소화되지 않은 p-채널 소자의 수소화 후의 신뢰도 변화를 알기 위한 스트레스 실험 결과를 보이는 그래프이다. 도6은 상온에서 드레인과 소스 사이의 전압(VD)과 게이트와 소스 사이의 전압(VG)을 각각 -25 V 인가할 경우 스트레스 시간에 대한 소자의 전계효과 이동도 변화량(-ΔVT)과 문턱 이전 스윙(ΔS) 변화량을 나타내며, 불소화된 소자가 불소화되지 않은 소자 보다 수소화후 신뢰도가 월등히 개선됨을 알 수 있다. 이는 불소화로 인해 다결정 실리콘 채널과 산화막/다결정 실리콘 계면에 Si-H 결합(4.2eV) 보다 결합 에너지가 큰 Si-F 결합(5.8eV)이 형성되었기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따라 엑시머 레이저에 의한 불소화 방법과 수소화를 병행함으로써 소자 특성과 신뢰도의 향상을 가져와 고성능 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 레이저 어닐링 방법으로 비정질 실리콘 박막을 결정화와 동시에 트랩 상태를 치유(passivation)시킨다. 이에 따라 다결정 실리콘 박막 형성 후 트랩 치유를 위한 불소화 또는 수소화 등의 후속 공정 및 추가 열처리 공정을 생략할 수 있으며 저온에서 공정을 실시할 수 있어 유리 기판에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 집적시키는 과정에서 유리 기판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이온주입 공정을 실시하지 않고도 효과적으로 다결정 실리콘막 내의 트랩을 치유할 수 있어 이온주입에 따른 손상을 치유하기 위한 고온 열처리 공정을 있다. 따라서, 본 발명에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막으로 박막 트랜지스터를 제조할 경우 박막 트랜지스터의 전기적 특성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 다결정 실리콘막 형성 방법에 있어서,기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 제1 단계;상기 비정질 실리콘막 상에, 확산 원소를 포함하는 희생층을 형성하는 제2 단계;상기 희생층 및 상기 비정질 실리콘막을 레이저로 열처리하여 상기 비정질 실리콘막을 결정화시켜 다결정 실리콘막을 형성하는 동시에 상기 희생층 내의 상기 확산 원소를 상기 다결정 실리콘막으로 확산시켜 상기 다결정 실리콘막의 트랩 상태를 페시베이션하는 제3 단계; 및상기 희생층을 제거하는 제4 단계를 포함하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 희생층을 산화막 또는 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 확산 원소는 불소, 질소 및 수소 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제3 단계에서,엑시머 레이저로 상기 희생층 및 상기 비정질 실리콘막을 열처리하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제3 단계에서,250 mJ/㎠의 에너지 밀도를 갖는 XeCl 엑시머 레이저로 상기 희생층 및 상기 비정질 실리콘막을 열처리하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제4 단계 후,상기 다결정 실리콘막을 수소 처리하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘막 형성 방법.
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