KR100310407B1 - 반도체장치및그제조방법 - Google Patents
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Abstract
액티브 매트릭스형의 액정표시장치에 있어서, 주변회로부분에는 고이동도를 가지며, 높은 온 상태 전류를 흐르게 하는 TFT 를 배치한다. 화소부분에는 오프 상태 전류가 적은 TFT 를 배치한다. 이와같은 특성의 다른 TFT 는 기판에 평행한 방향으로 결정성장시킨 결정성 규소막을 사용하여 구성한다. 즉, 결정성장은 방향과 캐리어가 이동하는 방향의 각도가 각각 다르므로 캐리어가 이동할 때에 받는 저항을 제어하고, TFT의 특성을 결정한다.
예를들면, 결정성장 방향과 캐리어가 이동하는 방향이 합쳐지므로 캐리어는 고이동도를 가질 수 있다. 또한, 결정성장 방향과 캐리어가 이동하는 방향을 수직으로 하므로서 오프 상태 전류를 낮춰서 구성되도록 할 수 있다.
Description
발명의 분야
본 발명은 글라스(glass) 등의 절연기판상에 설치된 TFT(thin-flim transistor; 박막 트랜지스터)를 사용한 반도체 장치에 관한 것으로 특히, 액티브 매트릭스형의 액정표시장치에 이용되는 반도체 장치에 관한 것이다.
종래기술의 설명
글라스 등의 절연기판상에 TFT 를 갖는 반도체 장치로서는 이들의 TFT 를 화소(pixels)의 구동에 사용되는 액티브 매트릭스형 액정표시장치나 이미지 센서(image sensor) 등이 공지되어 있다.
이들의 장치에 사용되는 TFT 에는 박막상의 규소 반도체를 사용하는 것이 일반적이다. 박막상의 규소 반도체로서는 비정질 규소 반도체 (a-Si)로부터 형성되는 것과 결정성을 갖는 규소 반도체로 형성되는 것의 2 가지로 대별된다. 비정질 규소 반도체는 제조 온도가 낮으며, 기상법에서 비교적 용이하게 제조되는 것이 가능하며, 생산성을 높이기 위해 가장 일반적으로 사용되고 있지만 전도율 등의 물성이 결정성을 갖는 규소 반도체로부터 형성된 TFT 의 제조 방법의 확립이 강하게 요구된다. 또한, 결정성을 갖는 규소 반도체로서는 다결정 규소, 미세 결정 규소, 결정 성분을 함유하는 비정질 규소, 결정성과 비정질성의 중간 상태를 갖는 반비정질 (semi-amorphous) 규소등이 공지되어 있다.
이들의 결정성을 갖는 박막상의 규소 반도체를 얻는 방법으로는
(1) 막 형성시에 결정성을 갖는 막을 직접 형성한다.
(2) 비정질의 반도체막을 형성막으로 한 후 레이저광의 에너지에 의해 결정성을 제공한다.
(3) 비정질의 반도체 막을 형성막으로 한 후 열에너지를 가함으로써 결정성을 제공한다.
라는 방법이 공지되어 있다. 따라서, (1)의 방법은 양호한 반도체 물성을 갖는 막을 기판상의 전면에 걸쳐 균일하게 형성막을 얻는 것이 기술상 곤란하며, 또한 막 형성 온도가 600℃ 또는 그 이상이므로 저가의 글라스 기판이 사용될 수 없다는 비용의 문제가 있다. 또한, (2)의 방법은 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 엑시머 레이저 (excimer laser)를 예로들 경우, 레이저 광의 조사 면적을 작게 하기 위해 스루우풋(through-put)이 낮아진다는 문제가 있으며 , 또한, 큰 면적기판의 전면을 균일하게 처리하는 데는 레이저의 안정성이 불충분하며, 차세대의 기술이라는 느낌이 강하다. (3)의 방법은 (1), (2)의 방법과 비교하면 큰 면적에 대응할 수 있다는 이점은 있지만, 마찬가지로 가열 온도는 600℃이상 또는 그 이상으로 하는것이 필요하며, 낮은 글라스 기판을 사용하는 것을 생각할 수 있으며, 또한 가열 온도를 낮게 할 필요가 있다. 특히, 현재의 액정 표시 장치의 경우에는 큰 화면화가 되며, 그로 인해 글라스 기판도 동일하게 대형의 것을 사용할 필요가 있다. 이와같이 대형의 글라스 기판을 사용할 경우에는 반도체 제조에 필요불가결한 가열 공정에 있어서 수축 또는 찌그러짐이라는 것이 마스크 정렬 등의 정확도를 낮춰 큰 문제점이 되고 있다. 특히, 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 7059 글라스의 경우에는 찌그러짐 점의 온도가 593℃이며, 종래의 가열 결정화 방법에서는 큰 변형을 일으킨다. 또한, 온도의 문제 이외에도 현재의 공정에서는 결정화에 필요한 가열 시간이 수십 시간 이상에 미치므로 또한 그 시간을 단축하는 것도 필요하다.
발명의 개요
본 발명은 상술한 문제를 해결하는 수단을 제공하는 것이다. 또한, 구체적으로는 비정질 규소로부터 형성된 박막을 가열에 의해 결정화시키는 방법을 사용하여 결정성을 갖는 규소 반도체로부터 형성된 박막의 제조 방법에 있어서, 결정화에 필요한 온도의 저온화와 시간의 단축을 양립하는 공정을 사용하여 제조된 결정성을 그 목적으로 한다. 물론, 본 발명에서 제공되는 공정을 사용하여 제조된 결정성을 갖는 규소 반도체는 종래 기술에서 제조된 것과 동등 이상의 물성을 가지며, TFT의 활성층 영역에도 사용 가능한 것은 당연하다. 그리고, 이러한 기술을 이용함으로써 필요로 하는 특성을 구비한 TFT 를 기판상에 선택적으로 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 종래의 기술의 항에서 서술한 비정질의 규소 반도체막을 CVD 법 또는 스퍼터법으로 막을 형성하고 그 막을 가열함으로써 결정화시키는 방법에 대해서 하기와 같이 실험 및 고찰을 행한다.
우선, 실험 사실로서 글라스 기판상에 비정질 규소막을 형성막으로 하고 이러한 막을 가열에 의해 결정화시킨 메카니즘을 조사하면, 결정 성장은 글라스 기판과 비정질 규소의 계면으로부터 시작되며 어느정도의 막 두께 이상에서는 기판 표면에 대하여 수직인 주상(columnar shape)으로 진행하는 것이 관찰되어 왔다.
상기 현상은 글라스 기판과 비정질 규소막의 계면에 결정성장의 베이스로 형성된 결정핵(결정 성장의 베이스로 형성된 시드(seed))이 존재하며, 그 핵으로부터 결정이 성장해가는 것에 기인하는 것으로 고찰된다. 이와같은, 결정핵은 기판 표면에 미량으로 존재하고 있는 불순물 금속 원소 또는 글라스 표면의 결정 성분(결정화 글라스라 부르는 바와같이, 글라스 기판표면에는 산화규소의 결정성분이 존재하고 있는 것으로 생각된다.)인 것으로 생각된다.
그러므로, 보다 적극적으로 결정핵을 도입함으로써 결정화 온도의 저온화가 가능하지는 않을까라고 생각하고, 그 효과를 확인하기 위해 다른 금속을 미량으로 글라스 기판상에 막을 형성하고, 그 위에 비정질 규소로부터 형성된 박막을 형성막으로 하며, 그후 가열 결정화를 행하는 실험을 실시했다. 그 결과, 몇몇의 금속을 기판상에 막을 형성할 경우에 있어서는 결정화 온도의 감소가 확인되며, 불순물을 결정핵으로한 결정성장이 일어나고 있는 것이 예상된다. 그러므로 저온화가 가능한 복수의 불순물 원소에 대해서 다시 상세하게 그 메카니즘을 조사했다. 또한, 상기 복수의 불순물 원소는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)이다.
결정화는 초기의 핵생성과 그 핵으로부터 결정 성장의 2 단계로 나누어 생각할 수 있다. 여기서, 초기의 핵생성의 속도는 일정 온도에 있어서 점상(dot pattern)으로 미세한 결정이 발생할 때까지의 시간을 측정함으로써 관찰되지만, 이 시간은 상기 불순물 금속을 하부에 막을 형성한 비정질 규소 박막에서는 어느쪽의 경우에도 단축되며, 결정력 도입의 결정화 온도의 저온화에 대한 효과를 관찰했다. 게다가 예상외이지만, 핵생성후에 결정립 성장은 가열 시간을 변화시켜서 조사했으므로 약간의 금속을 막으로 형성한 후 그 위에 막을 형성한 비정질 규소 박막의 결정화에 있어서는 핵생성 후의 결정성장의 속도까지만 비약적으로 증대하는 것으로 추측된다. 이러한 메카니즘은 현상태에서는 명백하지 않지만 다소 촉매적인 효과가 작용하고 있는 것으로 추측된다.
아무튼, 상기 2 가지 효과에 의해 글라스 기판상에 있는 약간의 금속을 미량으로 막을 형성시킨 위에 비정질 규소로부터 형성된 박막을 형성 막으로 하며, 그후 가열 결정화할 경우에는 종래에 생각할 수 없었던 것과 같이, 580℃이하의 온도에서 4 시간 정도의 시간으로 충분한 결정성이 얻어지는 것이 판명된다. 이와같은 효과를 갖는 불순물 금속중에서, 가장 효과가 현저한 것으로 발명자들이 선택한 재료는 니켈이다.
니켈이 어느정도의 효과를 갖는 것으로 한 예를들면, 전혀 처리를 행하지 않은 즉 니켈의 미량인 박막을 형성된 막으로 하지 않은 기판상(코닝 7059 글라스)에 플라즈마 CVD 법으로 형성된 비정질 규소로부터 형성된 박막을 질소 분위기중에서 가열하여 결정화할 경우 그 가열 온도를 600℃로 할 경우 가열시간으로는 10 시간 이상의 시간이 필요하지만 니켈이 미량인 박막을 형성막으로 한 기판상의 비정질 규소로부터 형성된 박막을 사용할 경우에는 4 시 정도의 가열에 있어서 동일한 결정화상태를 얻을 수 있다. 또한, 이 때의 결정화의 판단은 라만분광 스펙트럼(Raman Spectroscopic Spectrum)을 이용했다. 이 경우에서도 니켈의 효과가 매우 큰 것이 사실이다.
상기 설명으로부터 이해되는 바와같이, 니켈의 미량으로 박막을 형성한 막 위에 비정질 규소로부터 형성된 박막을 막으로 형성할 경우, 결정화 온도의 저온화및 결정화에 필요한 시간의 단축이 가능하다. 그러므로, 이 공정을 TFT의 제조로 이용하는 것을 전제로, 게다가 상세한 설명을 부가한다. 또한, 후에 상술하지만 니켈의 박막은 기판상(즉, 비정질 규소막 하측)이나 비정질 규소막상에 막을 형성하여도 동일한 효과를 가지며, 이온주입 또는 플라즈마 처리에서도 동일하므로 본 명세서에서는 이들의 일련의 처리를 니켈 미량 첨가라 부르기로 한다. 또한, 기술적으로는 비정질 규소막의 막 제조시에 니켈 미량 첨가를 행하는 것도 가능하다.
우선, 니켈 미량 첨가의 방법에 대해서 설명한다.
니켈의 미량 첨가는 기판상에 미량의 니켈 박막을 형성막으로 하고 그후 비정질 규소를 형성막으로 하는 방법에서도 먼저 비정질 규소를 형성막으로 하고 그 위에 미량의 니켈 박막을 형성막으로 하는 방법에서도 둘다 동일하게 저온화의 효과를 가지며, 그 막을 형성하는 방법은 스퍼터법, 증착법, CVD 법, 플라즈마를 이용한 방법으로도 가능하며, 막을 형성하는 방법에는 관계없는 것이 판명되고 있다. 그러나, 기판상에 미량의 니켈 박막를 형성막으로 할 경우, 7059 글라스 기판의 위에 직접 미량의 니켈 박막을 형성막으로 하는 것보다는 동일한 기판상에 산화 규소의 박막(하부막)을 형성막으로 하고, 그 위에 미량의 니켈 박막을 형성막으로 하는 편이 효과가 매우 크다. 이러한 이유로 고려해볼 때, 규소와 니켈이 직접 접촉하는 것이 이번의 저온 결정화에서는 중요하며, 7059 글라스의 경우에는 규소이외의 성분이 그 양쪽의 접촉 또는 반응을 저해하지 않는다는 것을 들 수 있다.
또한, 니켈 미량 첨가의 방법으로는 비정질 규소의 위에 또는 아래에 접촉하여 박막을 형성하는 이외에 이온 주입에 의해서 니켈을 첨가하여도 거의 동일한 효과를 확인할 수 있다. 니켈의 양에 대해서는 1x1015원자/㎤ 이상의 양첨가에 있어서 저온화가 확인되지만 5x1019원자/㎤ 이상의 첨가량에 있어서는 라만 분광 스펙트럼의 피크(Peak)의 형상이 단순한 규소 기판과는 명백히 다르므로 바람직하게는 1x1015원자/㎤ 내지 1x1019원자/㎤ 의 범위가 양호하다. 니켈의 농도가 5x1019원자/㎤ 이상으로 되면 국부적으로 NiSi 가 발생하고 반도체로서의 특성이 저하한다. 또한, 니켈의 농도가 1x1015원자/㎤ 이하이면 니켈이 촉매로서 효과가 저하한다. 또한 결정화한 상태에 있어서는 니켈의 농도가 낮은 것이 양호하다.
이어서, 니켈의 미량 첨가를 한 경우의 결정형에 대해서 설명을 부가한다. 상술한 바와같이, 니켈을 첨가하지 않은 경우에는 기판 계면 등의 결정핵으로부터 무질서하게 핵이 발생하고, 그 핵으로부터 결정 성장 또는 어느정도의 막두께까지는 무질서하며 또한 두꺼운 박막에 대해서는 일반적으로(110) 방향이 기판에 수직 방향으로 배열된 주상의 결정성장이 되는 것이 공지되어 있으며, 반면에 박막 전체에 거쳐 거의 균일한 결정성장이 관찰된다. 이에 반해서 이번의 니켈을 미량 첨가한 것에 대해서는 니켈을 첨가한 영역과 그 근방의 부분에서 결정 성장이 다르다는 특징을 갖는다. 즉, 니켈은 첨가한 영역에 대해서는 첨가한 니켈 또는 그 규소의 화합물이 결정핵으로 되며, 니켈을 첨가하지 않은 것과 동일하게 기판에 거의 수직으로 주상의 결정이 성장되는 것이 투과 전자 현미경사진에 의해 확인할 수 있다. 그리고, 그 근방의 니켈을 미량 첨가하지 않은 영역 조차도 저온에서의 결정화가확인된다. 그 부분은 기판과 평행하게 침상(needle) 또는 주상으로 결정이 성장한다는 특이한 결정성장이 관찰된다. 이 기판에 평행한 횡방향의 결정상장은 니켈을 미량 첨가한 영역으로부터 큰것으로는 수백 ㎛까지 성장하는 것이 관측되며, 시간의 증가 및 온도가 상승됨에 비례하여 성장량도 증대되는 것으로 판단된다. 예로서, 550℃의 온도에서 4 시간 동안에 약 40㎛정도의 성장이 관찰되었다.
상기 니켈을 미량 첨가한 영역으로부터 성장한 침상 또는 주상의 결정은 기판과 평행한 방향으로 성장하며, 그 성장방향에 있어서는 입계의 영향이 극히 적다는 것이 고려된다. 즉, 결정성장이 침상 또는 주상으로 진행됨으로써 그 방향에서의 결정입계의 영향은 극히 적다는 것을 고려할 수 있다.
여기서, 액티브 매트릭스형 액정표시장치에 대해서 고찰하면 액티브 매트릭스형 액정표시장치에 있어서는 주변회로에 있어서 요구되는 TFT 와 화소부분에 있어서 요구되는 TFT 에서 그 요구되는 특성이 다르다는 것을 지적한다. 즉, 주변회로의 드라이버를 형성하는 TFT 는 고이동도가 요구되는 큰 온 상태의 전류(on-state current)를 흐르게 하는 특성이 요구되며, 화소부분에 설치된 TFT 는 전하 유지율을 높이기 위해 이동도는 어느정도 요구되지 않는 대신에 오프상태의 전류가 적다는 것이 요구된다.
그러므로 본 발명을 이용할 경우에는 전술의 기판에 평행한 방향으로 결정 성장시킨 결정성 규소막을 사용하며, 주변회로로 사용하는 TFT 는 결정성장 방향과 평행한 방향으로 소스/드레인이 구성되도록 하고, 화소에 사용하는 TFT 는 결정성장 방향과 수직인 방향으로 소스/드레인이 구성되도록 한다. 즉, 주변회로에 사용한 TFT 는 캐리어가 이동할 때에 입계의 영향을 크게 받지 않게 구성되며, 화소에 사용되는 TFT 는 캐리어가 이동할 때에 입계를 횡단하도록 구성함으로써 소스/드레인 사이를 고저항으로 하고 결과로서 오프 상태의 전류를 낮추는 구성으로 된다.
상기 구성은 캐리어가 소스/드레인 사이를 흐르는 것을 이용하여 소스/드레인의 방향(소스와 드레인을 연결한 선의 방향)을 전술의 결정성장 방향과 평행하게 하거나 또는 수직으로 함으로써 필요로 하는 특성을 갖는 TFT 를 얻을 수 있다는 것을 목적으로 한다. 즉, 캐리어가 이동할 때에 침상 또는 주상으로 성장한 결정입계에 평행한 방향으로 캐리어를 이동시키고(즉, 결정의 성장 방향에 평행한 방향으로 이동시킴) 또는 침상 또는 주상으로 성장한 결정의 입계에 수직한 방향으로 캐리어를 이동시킨(즉, 결정의 성장 방향에 수직인 방향으로 이동시킴)다는 것을 선택함으로써 고이동도 TFT 를 얻으며, 또는 오프 상태의 전류가 적은 TFT 를 얻을 수 있다는 것을 기본적인 목적으로 한다.
기판 표면에 대하여 평행한 방향으로 결정성장한 결정성 규소막을 사용한 TFT 를 구성할 때에, 결정의 성장 방향에 그 소스/드레인 영역을 형성함으로써 캐리어의 입계 영향을 그다지 받지 않는 고이동도를 갖는 TFT 를 얻을 수 있다. 또한, 결정성장 방향에 수직인 방향으로 소스/드레인 영역을 형성하므로써 캐리어의 이동이 입계의 영향을 받아 결과로서 오프 상태의 전류가 적은 TFT 를 얻을 수 있다. 그리고, 이들의 TFT 는 결정성장 방향에 소스/드레인 사이를 이동하는 캐리어의 방향을 설정하기 위한 방법에 의존하여 명백하게 제조할 수 있다.
양호한 실시예의 상세한 설명
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 다시 상세하게 설명된다.
제 1 도에 실시예의 개요를 도시했다. 제 1 도는 액정표시장치를 윗면으로부터 본 것이며, 매트릭스상에 설치된 화소부분과 주변회로부분을 도시한다. 본 실시예는 절연기판(예를들면 글라스 기판)상에 화소를 구동하는 TFT 와 주변회로를 구성하는 TFT 를 형성한 예이다. 본 실시예에 있어서는 TFT 를 구성하는 반도체막으로서 기판에 평행한 방향으로 결정을 성장시킨 결정성 규소막을 사용하여 주변회로의 TFT 는 그 동작시 캐리어의 이동방향이 이러한 결정성 규소막의 결정성장 방향과 평행한 방향으로 이루어지도록 하고, 화소부분의 TFT 는 그 동작시 캐리어의 이동 방향이 이러한 결정성 규소막의 결정성장 방향과 수직인 방향이 되도록 하는 것이다.
하기에 있어서, 제 2A 도 내지 제 2D 도에 도시는 주변회로를 구성하는 NTFT 와 PTFT 를 상호 보완형으로 구성한 회로의 제조 공정에 대한 것이며, 제 4A 도 내지 제 4D 도에 도시는 화소에 형성된 NTFT의 제조공정에 대한 것이다. 또한, 양 공정은 동일한 기판상에서 행해지며 공통인 공정은 동시에 행해진다. 즉, 제 2A 도 내지 제 2D 도와 제 4A 도 내지 제 4D 도는 각각 대응하며, 제 2A 도의 공정과 제 4A 도의 공정은 동시에 진행되며, 제 2B 도의 공정과 제 4B 도의 공정은 동시에 진행하는 방식으로 된다.
제 2A 도 내지 제 2D 도에 도시는 주변회로를 구성하는 NTFT와 PTFT 를 상호 보완형으로 구성한 회로의 제조 공정을 도시하며, 제 4A 도 내지 제 4D 도에 화소에 설치된 NTFT의 제조공정을 도시한다. 우선, 글라스 기판(코닝 7059)(101)상에스퍼터링법에 의해 두께가 2000Å의 산화규소의 하부막(102)을 형성한다. 다음에 매스크 또는 산화규소막 등에 의해 형성된 매스크(103)를 설치한다. 이러한 매스크(103)에 의해 슬릿형태에 하부막(102)이 노출된다. 즉, 제 1A 도의 상태를 위에서 보면, 슬릿 형태에 하부막(102)이 노출되어 있으며, 다른 부분은 매스크되어 있는 상태로 된다. 또한, 이때에 제 4A 도 내지 제 4D 도에 도시한 화소부분의 TFT 에 있어서는 지면의 앞측부 또는 지면의 뒤측부에 하부막(102)이 슬릿 형태로 노출되어 있는 부분이 있다. 이 관계를 제 5 도를 이용하여 설명한다. 제 5 도에 있어서, A-A' 선을 따라 취한 단면을 제 4C 도 또는 제 4D 도에 대응한다. 또한, 제 4 도에 있어서 114 및 116 은 소스/드레인 영역이며, 115 는 채널 형성 영역이다. 제 5 도에 도시된 바와같이, 제 2A 도에 대응하는 공정에서는 100 으로 도시되는 영역에 있어서 슬릿 형태에 하부막(102)이 노출되어 있다.
상기 매스크(103)를 설치한 후, 스퍼터링법에 의해서 두께 5 내지 200Å, 예를들면 20Å의 규화 니켈막(화학식 NiSix, 0.4X2.5, 예를들면 X=2.0)을 형성막으로 한다. 그후 매스크(103)를 제거함으로써 영역(100)의 부분에 선택적으로 규화니켈막이 형성막으로 형성된다. 즉, 영역 (100)의 부분에 니켈의 미량첨가는 선택적으로 행해지게 된다.
다음에, 플라즈마 CVD 법에 의해 두께 500 내지 1500Å, 예를들면 1000Å 의 진성(I 형)의 비정질 규소막(비정질 실리콘막)(104)을 형성막으로 한다. 이때 이것을 수소환원 분위기하(바람직하게는 수소의 분압이 0.1 내지 1 기압)에서 또는 불활성 분위기하(대기압)에서 550℃의 온도로 4 시간동안 어닐하여 결정화시킨다. 이때 어닐 온도는 450℃이상의 온도에서 가능하지만 높으면 종래의 방법과 동일하게 될 수 있다. 따라서, 450℃ 내지 550℃의 온도가 바람직한 어닐 온도라 할수 있다.
이때, 규화니켈막이 선택적으로 형성된 영역(100)에 있어서는 기판(101)에 대해 수직 방향으로 규소막(104)의 결정화가 일어난다. 이 때, 영역(100)의 주변 영역에서는 화살표(105)로 도시한 바와같이, 영역(100)으로부터 횡방향(기판과 평행한 방향)으로 결정성장이 발달된다. 그후의 공정에서 명백한 바와같이 제 2A 도 내지 제 2D 도에 도시된 주변회로부분의 TFT에 있어서는 소스/드레인 영역이 이 결정성장 방향으로 형성된다. 또한, 제 5 도에 도시한 바와같이, 화소부분에 설치된 TFT에 있어서는 소스/드레인을 연결한 선(105)에 도시된 결정성장의 방향과는 직교한다. 또한, 상기 결정성장시에 화살표(105)에 도시된 기판과 평행한 방향의 결정성장 거리는 40㎛정도이다.
상기 공정의 결과, 비정질 규소막을 결정화시켜 결정성 규소막(104)를 얻을 수 있다. 이때, 소자간에 분리를 행하며, 불필요한 부분의 결정성 규소막(104)을 제거하고, 소자 영역을 형성한다. 이러한 공정에 있어서, TFT의 활성층(소스/드레인 영역, 채널 형성 영역이 형성된 부분)의 길이를 40㎛ 이내로 하면 제 2A 도 내지 제 2D 도에 있어서는 활성층을 결정성 규소막으로 구성할 수가 있다. 물론, 적어도 채널 형성 영역을 결정성 규소막으로 하면 활성층의 길이는 길게 할 수 있다.
그후, 스퍼터링법에 의해 두께 1000Å의 산화규소막(106)을 게이트 절연막으로 형성한다. 스퍼터링에서는 타겟으로 산화규소를 사용하며, 스퍼터링시의 기판온도는 200 내지 400℃ 예를들면 350℃에서 스퍼터링 분위기는 산소와 아르곤으로 산소 대 아르곤의 비율은 0 내지 0.5 예를들면 0.1 이하로 한다.
다음에, 스퍼터링법에 의한 두께 6000 내지 8000Å, 예로 6000Å의 알루미늄(0.1 내지 2%의 실리콘을 함유)을 형성막으로 한다. 또한, 이 산화규소막(106)과 알루미늄막의 형성막 공정은 연속적으로 행하는 것이 필요하다.
이때, 알루미늄막은 형상화되며, 게이트 전극(107,109)이 형성된다. 이들의 공정은 제 2C 도와 제 4C 도에서 동시에 진행되는 것은 당연하다.
또한, 이러한 알루미늄의 전극 표면은 양극산화되어 표면에 산화물층(108,110)을 형성한다. 이러한 양극산화는 주석산을 1 내지 5% 함유한 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 용액에서 수행된다. 이렇게 얻어진 산화물층(108,110)의 두께는 2000Å이다. 또한, 이러한 산화물(108,110)은 후의 이온 도핑공정에 있어서, 오프셀 영역을 형성하는 두께로 되므로 오프셀 게이트 영역의 길이를 상기 양극산화 공정으로 결정할 수 있다.
다음에, 이온 도핑법에 의해 활성영역에 게이트 전극과 그 주위의 산화층(108), 게이트 전극(109)과 그 주위의 산화층(110)을 매스크로 하여 불순물(인 및 붕소)은 주입된다. 도핑가스로서 포스핀(phosphine; PH3) 및 디보렌(diborane; B2H6)를 사용하여 앞의 경우는 가속전압을 60 내지 90KV, 예로 80KV, 뒤의 경우는 40 내지 80KV, 예로 65KV 로 하고, 도즈(dose)량은 1x1015내지 8x1015cm-2, 예를들면, 인은 2x1015cm-2, 붕소는 5x1015cm-2로 한다. 도핑할 때에는 도핑이 불필요한 영역은 포토레지스트로 피복하며, 각각의 원소를 선택적으로 도핑을한다. 이결과, N 형의 불순물 영역(114,116), P형 불순물 영역(111,113)이 형성되며, 제 2C 도에 도시한 바와같이 P채널형 TFT(PTFT)와 N채널 TFT(NTFT)를 형성할 수 있다. 또한 동시에 제 4C 도 및 제 5 도에 도시한 바와같이, N채널형 TFT 는 형성될 수 있다.
그후, 레이저광의 조사에 의해 어닐링을 하고, 이온주입된 불순물의 활성화를 행한다. 레이저광으로서는 KrF엑시머레이저(파장 248nm, 펄스폭 20nsec)를 사용하지만 다른 레이저에 있어서도 좋다. 레이저광의 조사 조건은 에너지 밀도가 200 내지 400mJ/㎠, 예를들면 250mJ/㎠ 로 하고 한곳에 대해 2 내지 10 소트(shot), 예를들면 2 개의 소트로 한다. 이러한 레이저광의 조사(照射)시에 기판을 200 내지 450℃정도의 온도로 가열하는 것이 유용하다. 이러한 레이저 어닐공정에 있어서 이미 결정화된 영역에는 니켈이 확산됨으로써 이러한 레이저광의 조사에 의해 재결정화가 용이하게 진행되며, P형을 부여하는 불순물이 도프된 불순물 영역(111,113) 또한, N 형을 부여하는 불순물이 도프된 불순물 영역(114,116)은 용이하게 활성화시킬 수 있다.
다음에, 주변회로부분에 있어서는 제 2D 도에 도시한 바와같이, 두께가 6000Å의 산화규소막(118)은 층간 절연물로서 플라즈마 CVD 법에 의해 형성되며, 이것에 접촉 구멍을 형성하여 금속재료 예를들면 질화 티탄과 알루미늄의 다층막에 의해 TFT 의 전극 배선(117,120,119)을 형성한다. 또한, 화소부분에서는 제 4D 도에 도시한 바와같이, 층간절연물(211)은 산화규소에 의해 형성되고, 접촉 구멍의 형성후 화소 전극으로 되는 ITO 전극(212)을 형성하고, 또한 금속배선(213,214)을 형성한다. 결과적으로, 1 기압의 수소분위기에서 350℃의 온도로 30 분 어닐을 행하고, TFT 회로 또는 TFT 를 완성시킨다(제 1D 도, 제 4D 도).
제 2D 도에 도시된 구성에 있어서, 니켈이 선택적으로 도입된 영역과 TFT와의 위치관계를 도시하기 위해 제 3 도, 제 2D 도를 윗면에서 본 개략도를 도시한다. 제 3 도에 있어서, 부호 100에 도시된 영역을 선택적으로 미량의 니켈을 첨가하여 열 어닐에 의해 화살표 105 로 지시된 횡방향(지면의 좌우방향)으로 결정성장이 된다. 이 때, 이러한 횡방향의 결정성장이 되는 영역에 있어서, 소스/드레인 영역(111,113), 채널 형성 영역(112)이 PTFT 로서 형성된다. 동일하게, 소스/드레인 영역(114,116), 채널 형성 영역(115)이 NTFT 로서 형성된다. 즉, 주변회로부분에 있어서는 소스/드레인 사이에 있어서, 캐리어의 이동하는 방향이 결정성장방향(105)과 동일한 방향으로 된다. 따라서, 캐리어가 이동될 때에는 입계가 횡단하지 않으므로 특히 이동도를 높일 수가 있다.
한편, 화소부분에 있어서 형성된 제 4D 도 도시한 NTFT 는 제 5 도에 도시한 바와같이, 소스/드레인 영역을 이동하는 캐리어가 결정성장방향(105)에 대하여 수직으로 됨으로서, 그 이동에 따라 다수의 입계가 횡단해야만 한다. 즉, 소스/드레인사이의 저항은 높으며, 온 상태 전류 및 오프 상태 전류와 함께 그 값은 작게 된다. 따라서, 오프 상태 전류의 절대값을 작게 함으로써 화소 전극(제 4D 도 예를들면 ITO 전극(212))의 전하를 유지하는 기능이 향상된다. 따라서, 필요한 온/오프 비율이 얻어지면 제 4D 도 및 제 5 도에 도시된 바와같은 구성을 채택하며, 오프 상태 전류의 적은 TFT 를 화소 전극으로 채용하는 것이 유용하다.
본 실시예에 있어서는 Ni 를 도입하는 방법으로서, 비정질 규소막(104) 아래의 하부막(102) 표면에 선택적으로 Ni 를 박막(극히 얇으므로, 막으로서 관찰하는 것은 곤란하다.)으로 형성하고, 이 부분으로부터 결정성장이 되는 방법을 채용한다. 그러나, 비정질규소막(104)이 형성된 후, 그 상면에 선택적으로 미량의 니켈을 첨가하는 방법이 좋다. 즉, 결정성장은 비정질규소막의 상면측으로부터 되어도 좋으며, 아래면측으로부터 되어도 좋다. 또한, 미리 비정질규소막을 형성하고, 게다가 이온도핑법을 이용하여 니켈 이온을 비정질 규소막(104)에 선택적으로 주입하는 방법을 채용하여도 좋다. 이 경우에는 니켈 원소의 농도를 제어할 수 있다는 특징을 갖는다. 또한, 니켈의 박막을 형성하는 대신에 플라즈마 처리에 의해 미량의 니켈을 첨가하여도 좋다.
제 2D 도에 도시한 회로는 PTFT 와 NTFT 를 상호 보완형으로 설치된 CMOS 구조로 있지만 상기 공정에 있어서, 2 개의 TFT 는 동시에 만들어지며, 중앙에서 절단되는 것보다는 독립된 두개의 TFT 를 동시에 제조하는 것도 가능하다.
액티브 매트릭스형의 액정표시장치에 있어서, 주변회로부분의 TFT 는 캐리어의 흐름에 대하여 평행한 방향으로 결정성장시킨 결정성 규소막으로 구성되며, 화소부분의 TFT 는 캐리어의 흐름에 대하여 수직 방향으로 구성된 결정성 규소막으로 구성함으로서, 주변회로부분에 있어서는 고속동작이 수행되는 구성으로 되며, 화소부분에서는 전하 유지 때문에 필요하게 되는 오프 상태 전류값의 적은 TFT를 갖는 구성으로 할 수 있다.
제 1 도는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 개략도.
제 2A 도 내지 제 2D 도는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 형성 공정을 도시한 단면도.
제 3 도는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 개략도.
제 4A 도 내지 제 4D 도는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 형성 공정을 도시한 단면도.
제 5 도는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 영역 101 : 기판
102 : 하부막 103 : 매스크
104 : 결정성 규소막 106 : 산화규소막
107 : 게이트 전극 108 : 산화물층
117,119,120 : 전극배선 211 : 층간절연물
213,214 : 금속배선
Claims (15)
- 기판과,상기 기판의 표면에 평행하게 결정성 규소막을 통해 연장되는 결정 입자 경계를 형성하기 위한 방향으로 결정이 성장되는 결정성 규소막을 구비하며, 상기 기판상에 제공되는 제 1 박막 트랜지스터 및 제 2 박막 트랜지스터를 포함하고,상기 제 1 박막 트랜지스터 내의 규소막의 결정 성장 방향은 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 1 각도를 이루고, 상기 제 2 박막 트랜지스터 내의 규소막의 결정 성장 방향은 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 2 각도를 이루고, 상기 제 2 각도는 상기 제 1 각도와는 다른 반도체 장치.
- 액티브 매트릭스형 액정표시장치를 위한 주변회로부분 및 화소부분을 구비한 기판과,상기 기판의 표면에 평행하게 상기 결정성 규소막을 통해 연장되는 결정 입자 경계를 형성하기 위한 방향으로 결정이 성장되는 결정성 규소막을 구비하며, 기판의 주변회로부분에 제공되는 복수의 제 1 박막 트랜지스터와,상기 기판의 표면에 평행하게 상기 결정성 규소막을 통해 연장되는 결정 입자 경계를 형성하기 위한 방향으로 결정이 성장되는 결정성 규소막을 구비하며. 기판의 화소부분에 제공되는 복수의 제 2 박막 트랜지스터를 포함하고,상기 각 복수의 제 1 박막 트랜지스터 내의 규소막의 결정 성장 방향은 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 1 각도를 이루고, 상기 각 복수의 제 2 박막 트랜지스터 내의 규소막의 결정 성장 방향은 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 2 각도를 이루고, 상기 제 2 각도는 상기 제 1 각도와는 다른 반도체 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 각도는 대략 0°이고, 상기 제 2 각도는 대략 90°인 반도체 장치.
- 기판상에 실질적으로 비정질 규소막을 형성하는 형성 단계와,상기 규소막의 형성 전후에 상기 규소막 내로 결정화를 진행시키기 위해 금속원소를 도입하는 도입 단계와,상기 금속원소가 추가되는 부분에 인접한 영역에서 상기 기판의 표면과 대략 평행한 방향으로 결정이 성장하도록 가열함으로써 상기 규소막을 결정화하는 결정화 단계와,상기 규소막 영역 내에 복수의 박막 트랜지스터를 형성하는 형성 단계를 포함하고,상기 박막 트랜지스터의 일부는 결정성 규소막의 결정 성장 방향이 내부에서 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 1 각도를 형성하는 방식으로 배치되고, 상기 박막 트랜지스터의 잔여부는 결정성 규소막의 결정 성장 방향이 내부에서 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 2 각도를 형성하는 방식으로 배치되고, 상기 제 1 각도는상기 제 2 각도와는 다른 반도체 장치 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 각도는 대략 0°이고, 상기 제 2 각도는 대략 90°인 반도체 장치제조 방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 금속원소는 Ni, Co, Pb, 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 반도체 장치 제조 방법.
- 액티브 매트릭스형 액정표시장치를 위한 주변회로부분 및 화소부분을 구비하는 기판을 제공하는 제공 단계와,상기 기판상에 실질적으로 비정질 규소막을 형성하는 형성 단계와.상기 규소막의 형성 전후에 상기 규소막 내로 결정화를 진행시키기 위해 금속원소를 도입하는 도입 단계와,상기 금속원소가 추가되는 부분에 인접한 영역에서 상기 기판의 표면과 대략 평행한 방향으로 결정이 성장하도록 가열함으로써 상기 규소막을 결정화하는 결정화 단계와,상기 규소막 영역 내에 복수의 박막 트랜지스터를 형성하는 형성 단계를 포함하고,상기 박막 트랜지스터의 제 1 부분은 결정성 규소막의 결정 성장 방향이 내부에서 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 1 각도를 형성하는 방식으로 배치되고, 상기 박막 트랜지스터의 제 2 부분은 결정성 규소막의 결정 성장 방향이 내부에서 캐리어가 이동하는 방향에 대해 제 2 각도를 형성하는 방식으로 배치되고, 상기 제 1 각도는 상기 제 2 각도와는 다르고,상기 박막 트랜지스터의 제 1 부분은 기판의 주변회로부분에 제공되고. 상기 박막 트랜지스터의 제 2 부분은 기판의 화소부분에 제공되는 반도체 장치 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 1 각도는 대략 0°이고, 상기 제 2 각도는 대략 90°인 반도체 장치 제조 방법.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 금속원소는 Ni, Co, Pb, 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나이상인 반도체 장치 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 박막 트랜지스터와 상기 제 2 박막 트랜지스터 각각의 규소막은 비정질 규소의 결정화를 진행시킬 수 있는 금속원소를 함유하는 반도체 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 복수의 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터 각각의 규소막은 비정질 규소의 결정화를 진행시킬 수 있는 금속원소를 함유하는 반도체 장치.
- 기판상에 형성되는 복수의 제 1 및 제 2 박막 반도체 장치를 포함하는 장치에 있어서,상기 복수의 제 1 박막 반도체 장치 각각은 캐리어가 이동하는 캐리어 이동방향에 대해 제 1 각도를 이루는 상기 기판의 표면에 평행하게 연장되며 니들형상 또는 기둥형상을 갖는 규소 결정을 구비하고,상기 복수의 제 2 박막 반도체 장치 각각은 캐리어가 이동하는 캐리어 이동방향에 대해 제 2 각도를 이루는 상기 기판의 표면에 평행하게 연장되며 니들형상 또는 기둥형상을 갖는 규소 결정을 구비하고,상기 복수의 제 1 박막 반도체 장치의 전기 특성이 상기 복수의 제 2 박막 반도체 장치의 전기 특성과 달라지도록 하기 위해, 상기 제 1 각도는 상기 제 2 각도와는 다른 장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 복수의 제 1 박막 반도체 장치는 액티브 매트릭스형 액정표시장치의 주변회로부분에 제공되고, 상기 복수의 제 2 박막 반도체 장치는 액티브 매트릭스형액정표시장치의 화소부분에 제공되는 장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 각도는 대략 0°이고, 상기 제 2 각도는 대략 90°인 장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 복수의 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터 각각의 규소 결정은 비정질 규소의 결정화를 진행시킬 수 있는 금속원소를 함유하는 장치.
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