KR100333134B1 - Crystallization method of amorphous silicon using electric field and UV - Google Patents

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Abstract

유리기판 등의 절연기판 위에 제작되는 저온 다결정 실리콘 박막은 형성온도가 낮아 제조단가가 상대적으로 낮고, 대면적화가 가능하다. 본 발명은 비반응성 기체를 이용한 플라즈마를 사용하여 금속 입자를 비정질 실리콘에 입사 시킨 후, UV를 조사시키면서 전계를 인가하여 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화 시키는 방법에 관한 것으로, 이러한 방법에 의하여 결정화된 다결정 실리콘 박막은 박막트랜지스터와 태양전지, 이미지 센서 등의 실리콘 반도체 소자 제작에 사용될 수 있다.The low temperature polycrystalline silicon thin film fabricated on an insulating substrate such as a glass substrate has a low forming temperature and thus a relatively low manufacturing cost and large area. The present invention relates to a method for crystallizing amorphous silicon into polycrystalline silicon by applying an electric field while irradiating UV light after injecting metal particles into amorphous silicon using a plasma using a non-reactive gas. The silicon thin film may be used to fabricate silicon semiconductor devices such as thin film transistors, solar cells, and image sensors.

Description

전계와 자외선을 이용한 비정질 막의 결정화 방법 {Crystallization method of amorphous silicon using electric field and UV}Crystallization method of amorphous silicon using electric field and UV}

현재 사용되고 있는 비정질 막의 결정화법은 레이저를 이용한 방법과 열처리에 의한 고상 결정화 방법 등이 있다. 레이저를 이용한 결정화방법은 레이저 빔 조사에 의해 비정질 막을 재결정화 시키는 방법으로 400oC 이하의 저온 결정화가 가능하고 (Hiroyaki Kuriyam, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 31, 4550 (1992)) 우수한 특성의 다결정 실리콘 박막을 제작할 수 있다. 그러나, 대면적 시료 제작에 따른 결정화된 시료의 균일도에 어려움이 있으며, 대량생산에 많은 문제가 있다. 고상결정화 방법은 비정질 실리콘 박막을 600oC 이상의 고온에서 장시간 열처리하여 다결정 실리콘 박막을 제작하는 비교적 간단한 결정화 방법이나 높은 결정화 온도와 긴 열처리 시간이 필수적이다. 또한 결정화된 결정립 내부에 많은 결함이 있어 소자 제작에 어려움이 있으며, 높은 결정화 온도로 인하여 유리기판을 사용할 수 없다.Currently used amorphous film crystallization methods include a laser method and a solid phase crystallization method by heat treatment. Crystallization using a laser is a method of recrystallizing an amorphous film by laser beam irradiation, which enables crystallization at low temperatures of 400 ° C. or less (Hiroyaki Kuriyam, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 31, 4550 (1992). ) Polycrystalline silicon thin film with excellent characteristics can be manufactured. However, there is a difficulty in uniformity of the crystallized sample according to the preparation of a large area sample, and there are many problems in mass production. The solid phase crystallization method is a relatively simple crystallization method for producing a polycrystalline silicon thin film by heat-treating the amorphous silicon thin film for a long time at a high temperature of 600 ° C or more, but high crystallization temperature and long heat treatment time is essential. In addition, there are many defects inside the crystallized crystal grains, which makes it difficult to fabricate the device.

비정질 실리콘 박막에 금속불순물을 첨가하는 경우, 박막의 결정화 온도는 현저히 낮아진다. 이러한 금속 유도 결정화는 금속의 자유전자의 작용으로 인하여 실리콘의 결합에너지가 작아지기 때문이다(M. S. Hanque, et. al, J. Appl. Phys. 79, 7529 (1996)). 니켈에 금속 유도 결정화는 니켈 실리사이드의 이동에 의해서 <111> 방향의 막대모양 결정상이 성장하여( S. Y. Yoon, et al, J. Appl. Phys. 82, 5865 (1997), 이러한 막대모양의 결정성장에 의해서 박막이 결정화된다(C. Hayzelden, et. al, Appl. Phys. Lett. 60, 225 (1992)). 이러한 금속 유도 결정화 방법은 금속이 포함된 비정질 실리콘 박막에 전기장을 인가할 경우 기존의 금속 유도 결정화 방법에서 요구되는 결정화 시간이 극적으로 짧아지고, 결정화 온도도 낮아진다(J. Jang, et. al, Nature, Vol. 395, pp. 481-483 (1998)). 일반적으로 금속 유도 결정화 방법은 금속의 양에 영향을 받는데, 금속의 양이 증가함에 따라 결정화 온도는 낮아지는 경향이 있다.When metal impurities are added to the amorphous silicon thin film, the crystallization temperature of the thin film is significantly lowered. This metal induced crystallization is because the binding energy of silicon is reduced by the action of free electrons of the metal (M. S. Hanque, et. Al, J. Appl. Phys. 79, 7529 (1996)). Metal induced crystallization in nickel is caused by the growth of rod-shaped crystal phase in the <111> direction by the movement of nickel silicide (SY Yoon, et al, J. Appl. Phys. 82, 5865 (1997)). The thin film is crystallized by C. Hayzelden, et. Al, Appl. Phys. Lett. 60, 225 (1992). The crystallization time required in the induction crystallization method is dramatically shortened and the crystallization temperature is also lowered (J. Jang, et. Al, Nature, Vol. 395, pp. 481-483 (1998)). Affected by the amount of metal, the crystallization temperature tends to decrease as the amount of metal increases.

현재 사용되고 있는 반도체 소자의 대면적 공정에 응용하기 위해서 결정화 온도는 유리기판의 변형 온도보다 낮아야 하고 대면적의 균일도가 필요하다. 그러나 기존의 램프에 의한 열처리 방법은 대면적 기판에 적용하기 위해서는 열처리 온도의 균일도를 유지하기가 어렵다. 또한 대면적 기판에 적용함에 따른 기판 변형이 문제가 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전계를 인가하면서 UV에 의한 열처리로 비정질 실리콘 박막을 급속히 가열하여 결정화 시간을 줄일 수 있다. 또한 대면적 기판의 변형을 최소화 할 수 있고, 기판의 대형화에 유연하게 대응할 수 있다.In order to apply to the large-area process of the semiconductor device currently used, the crystallization temperature must be lower than the deformation temperature of the glass substrate and the uniformity of the large area is required. However, it is difficult to maintain the uniformity of the heat treatment temperature in the conventional heat treatment method using a lamp to apply to a large area substrate. In addition, substrate deformation due to application to large area substrates has become a problem. In order to solve this problem, it is possible to reduce the crystallization time by rapidly heating the amorphous silicon thin film by heat treatment by UV while applying an electric field. In addition, the deformation of the large-area substrate can be minimized, and it is possible to flexibly cope with the enlargement of the substrate.

도 1 은 절연막(5) 위에 형성된 비정질 실리콘 박막(3)상에 금속 입자(2) 입사된 형태.1 is a view in which metal particles 2 are incident on an amorphous silicon thin film 3 formed on an insulating film 5.

도 2 는 입사되는 금속 입자(2)의 위치에 따른 비정질 실리콘 박막(3). 금속 입자(2)가 입혀진 기판상에 형성된 비정질 실리콘(3). 제1 비정질 실리콘 박막(3-a) 위에 금속 입자(2)를 입사시키고 상기의 비정질 실리콘 위에 제2 비정질 실리콘 박막(3-b)이 증착된 형태.2 is an amorphous silicon thin film 3 according to the position of the incident metal particles 2. Amorphous silicon 3 formed on a substrate on which metal particles 2 are coated. A metal particle (2) is incident on the first amorphous silicon thin film (3-a) and a second amorphous silicon thin film (3-b) is deposited on the amorphous silicon.

도 3는 본 발명의 실시 예의 의해 유리기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(4)의 광학 현미경 사진.3 is an optical micrograph of a polycrystalline silicon thin film 4 fabricated on a glass substrate 1 according to an embodiment of the present invention.

도 4은 본 발명의 실시 예에 의해 유리기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(4)의 X선 회절.4 is an X-ray diffraction of a polycrystalline silicon thin film 4 fabricated on a glass substrate 1 according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

1: 유리기판 2 : 금속 입자1: glass substrate 2: metal particles

3 : 비정질 실리콘 박막 (3-a : 제1비정질 실리콘 박막, 3-b : 제2비정질 실리콘 박막)3: amorphous silicon thin film (3-a: first amorphous silicon thin film, 3-b: second amorphous silicon thin film)

4 : 다결정 실리콘 박막 5 : 절연막4: polycrystalline silicon thin film 5: insulating film

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막을 얻기 위한 방법의 특징은 플리즈마에 의한 금속의 형성과 전계을 인가하면서 UV에 의한 열처리로 비정질 막을 결정화 한다.A feature of the method for obtaining a polycrystalline silicon thin film according to the present invention for achieving the above object is to crystallize the amorphous film by heat treatment by UV while forming a metal by the plasma and applying an electric field.

유리기판(1) 위에 절연막(5)을 형성하고 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 5x1012~ 5x1014cm-2의 금속 입자(2)들을 입사시킨다. 파장이 100~400nm 사이의 UV를 조사한 상태에서 1~1000V/cm 사이의 전계를 인가하여 비정질 실리콘 박막(3)을 결정화 시키거나, UV를 조사시키고 전계를 인가하여 비정질 실리콘 박막(3)을 결정화 한다.After forming an insulating film 5 on the glass substrate 1 and depositing an amorphous silicon thin film, 5 × 10 12 to 5 × 10 14 cm −2 metal particles 2 are incident. Crystallization of the amorphous silicon thin film 3 by applying an electric field of 1 ~ 1000V / cm in the state of UV irradiation between 100 ~ 400nm wavelength, or crystallization of the amorphous silicon thin film 3 by applying an electric field with UV irradiation do.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의해서 결정화되기 전 상태의 비정질 실리콘 박막(3)에 금속 입자(2)가 입사된 상태를 나타낸다.1 illustrates a state in which the metal particles 2 are incident on the amorphous silicon thin film 3 in a state before crystallization according to an embodiment of the present invention.

도 2 는 본 발명의 실시 예에 의해서 입사시킨 금속 입자(2)의 위치에 따른 구조를 나타내고 있다. (a)는 비정질 실리콘 박막(3)의 밑부분에만 금속 입자(2)가 있는 경우를 나타내고 있다. (b)는 제1 비정질 실리콘 박막(3-a)을 증착하고 금속 입자(2)를 입사한 후 다시 제2비정질 실리콘 박막(3-b)을 증착한 경우로 금속 입자(2)가 비정질 실리콘 박막(3)의 중간에 끼어있는 것을 나타낸다.FIG. 2 shows the structure according to the position of the metal particles 2 incident by the embodiment of the present invention. (a) has shown the case where the metal particle 2 exists only in the bottom part of the amorphous silicon thin film 3. As shown to FIG. (b) is a case in which the first amorphous silicon thin film 3-a is deposited, the second amorphous silicon thin film 3-b is deposited after the incident of the metal particles 2, and the metal particles 2 are amorphous silicon. Interposed between the thin film 3 is shown.

도 3는 본 발명의 실시 예에 의해서 결정화되기 전 상태의 비정질 실리콘 박막(3)과 결정화된 다결정 실리콘 박막(4)의 광학 현미경 사진이다. 300nm의 비정질 실리콘(3)을 증착한 후, 1.26x1014cm-2의 금속 입자(2)을 입사시켜30V/cm의 전계을 인가하면서 500oC에서 10분 동안 결정화 시켰다. 결정화가 일어나면 박막의 광학적 투과도가 증가하므로 비정질 실리콘 박막(3)의 결정화를 나타낸다.3 is an optical photomicrograph of the amorphous silicon thin film 3 and the crystallized polycrystalline silicon thin film 4 in a state before crystallization according to an embodiment of the present invention. After depositing 300 nm of amorphous silicon (3), 1.26x10 14 cm -2 of metal particles (2) was incident and crystallized at 500 ° C for 10 minutes while applying an electric field of 30V / cm. When crystallization occurs, the optical transmittance of the thin film is increased, indicating the crystallization of the amorphous silicon thin film 3.

도 4은 본 발명의 실시 예에 의해서 제작된 다결정 실리콘 박막(3)의 라만 스펙트럼이다. ~520cm-1부근의 결정질 실리콘에 의한 날카로운 피크와 ~500 cm-1부근의 미세 결정입자에 의한 부드러운 넓은 피크가 나타나고 있다. 480 cm-1부근에서 보이는 비정질 실리콘에 의한 피크가 없다는 것은 박막 내에 결정화되지 않은 비정질 실리콘이 없이 완전 결정이 이루어졌음을 나타낸다.4 is a Raman spectrum of the polycrystalline silicon thin film 3 produced by the embodiment of the present invention. - There appears a large peak due to the soft and sharp peak ~ 500 cm -1 vicinity of the microcrystalline particles by the polycrystalline silicon of the 520cm -1 near. The absence of peaks by amorphous silicon visible near 480 cm −1 indicates that complete crystallization was made without amorphous silicon in the thin film.

본 발명에 의한 결정화 방법은 전계와 UV을 이용하여 결정화 시간을 단축시키고, 대면적 기판에 적용함에 따른 기판 변형의 문제를 최소화 시킬 수 있다. 또한 낮은 온도에서 박막 전체를 균일하게 결정화 시킬 수 있다. 따라서 현재 사용되어 지고 있는 레이저 다결정 실리콘 박막을 대신하여 박막트랜지스터 액정디스플레이(TFT-LCD), 태양전지, 이미지 센서 등에 필요한 다결정 실리콘 박막으로 대체 될 수 있다. 나아가서 저온에서 제작할 수 있다는 이점으로 인해 고온 고상 결정화 방법에 의한 다결정 실리콘 박막의 대체도 가능하다.The crystallization method according to the present invention can shorten the crystallization time using an electric field and UV, and can minimize the problem of substrate deformation due to application to a large area substrate. In addition, the entire thin film can be uniformly crystallized at low temperatures. Therefore, it can be replaced with polycrystalline silicon thin film required for thin film transistor liquid crystal display (TFT-LCD), solar cell, image sensor, etc. instead of laser polycrystalline silicon thin film currently used. Furthermore, due to the advantage that it can be manufactured at low temperatures, it is also possible to replace the polycrystalline silicon thin film by the high temperature solid phase crystallization method.

Claims (14)

기판 위에 형성된 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 비정질 막에 금속 입자를 입사 시키는 단계와 상기의 비정질 막에 UV를 조사 시키는 단계와 상기의 비정질 막에 전계를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.Injecting metal particles into the amorphous film to crystallize the amorphous film formed on the substrate, irradiating UV to the amorphous film, and applying an electric field to the amorphous film. . 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막에 금속 입자를 입사 시킨 후에 상기의 비정질 막에 UV를 조사 시키고 상기의 비정질 막에 전계를 인가 시키는 중에 결정화 시키는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that after injecting metal particles into the amorphous film, the amorphous film is irradiated with UV and crystallized while applying an electric field to the amorphous film. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막에 금속 입자를 입사 시킨 후에 상기의 비정질 막에 UV를 조사 시키면서 전계를 인가하여 비정질 막을 결정화 시키는 방법.A method of crystallizing an amorphous film by applying an electric field while irradiating UV to the amorphous film after injecting metal particles into the amorphous film. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막에 금속 입자를 입사 시키는 방법으로 플라즈마를 형성하여 금속 입자를 생성하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that the plasma is formed by injecting the metal particles into the amorphous film to produce metal particles. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막의 일부분에만 금속 입자를 입사 시키는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that the metal particles are incident on only a portion of the amorphous film. 청구항 1에서,In claim 1, 기판 위에 금속 입자를 입사 시킨 후에 상기의 기판 위에 비정질 실리콘 박막을 형성하여 비정질 막을 결정화하는 방법.A method of crystallizing an amorphous film by forming an amorphous silicon thin film on the substrate after the metal particles are incident on the substrate. 청구항 1에서,In claim 1, 기판 위에 제 1비정질 막을 형성하고 상기의 비정질 막 위에 금속 입자를 입사시키고 상기의 금속 입자가 입혀진 비정질 막 위에 제2 비정질 막을 형성하여 제1과 제2 비정질 막으로 결정화하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.Crystallization of an amorphous film, characterized in that the first amorphous film is formed on the substrate, the metal particles are incident on the amorphous film, and the second amorphous film is formed on the amorphous film on which the metal particles are coated to crystallize into the first and second amorphous films. Way. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막에 입사 시키는 UV파장이 100nm ~ 400nm 사이에 있는 빛을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that it comprises light in which the UV wavelength incident on the amorphous film is between 100 nm and 400 nm. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 인가한 전계가 시간에 따라서 변화하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법Crystallization method characterized in that the electric field applied to crystallize the amorphous film changes over time 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 조사된 UV에 의하여 비정질 막의 온도가 300 ~ 1200oC가 되는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that the temperature of the amorphous film is 300 ~ 1200 ° C by UV irradiation to crystallize the amorphous film. 청구항 1에서,In claim 1, 결정화 시키기 위하여 입사하는 금속 입자가 니켈 혹은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method for crystallizing an amorphous film, characterized in that the incident metal particles contain nickel or nickel for crystallization. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막이 비정질 실리콘인 것을 특징을 하는 비정질 막의 결정화 방법Crystallization method of an amorphous membrane, characterized in that the amorphous membrane is amorphous silicon 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 인가한 전계의 세기가 1 ~ 1000V/cm인 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method of crystallizing an amorphous film, characterized in that the intensity of the electric field applied to crystallize the amorphous film is 1 ~ 1000V / cm. 청구항 1에서,In claim 1, 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 비정질 막에 입사된 금속 입자량이 단위면적(cm2)당 5x1012~ 5x1014인 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 방법.A method for crystallizing an amorphous film, characterized in that the amount of metal particles incident on the amorphous film to crystallize the amorphous film is 5x10 12 to 5x10 14 per unit area (cm 2 ).
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