KR100347253B1 - 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 누설전류를 개선하기 위해 게이트 산화막 가장자리에 에어 캐비티 (air-cavity)를 형성시킨 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로 산화막이 증착된 유리기판 위에 비정질 실리콘을 증착하는 단계와, 상기의 비정질 실리콘 박막을 엑시머 레이저 어닐링하여 결정화한 후 다결정 실리콘 박막을 패터닝하는 단계와, 상기의 다결정 실리콘 박막 위에 게이트 산화막을 증착하고 게이트 전극으로 사용될 비정질 실리콘 박막을 증착하는 단계와, 상기의 비정질 실리콘 박막과 게이트 산화막을 식각한 다음 인이온을 주입한 후 레이저 어닐링하여 주입된 이온을 활성화하여 소오스와 드레인을 형성하는 단계와, 상기의 이온주입이 완료된 기판의 게이트 산화막을 습식방법 또는 건식방법으로 식각하는 단계와, 상기의 게이트 산화막을 식각한 후 상압화학기상증착방법으로 층간절연막을 증착하여 에어 캐비티를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 제조방법을 제공함으로써, 드레인 접합 주변에 유도되는 수직 전계를 완화시켜 강한 전계에 의해 발생하는 누설전류를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 추가의 마스크 공정 없이 간단한 공정으로 제조할 수 있으며 온-오프 전류비를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 특히 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 누설전류를 억제하기 위해 게이트 절연막의 가장자리에 에어-캐비티(air-cavity)를 형성하여 드레인 접합에 유도되는 수직 전계를 완화시키는 구조를 갖는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor;poly-Si TFT)를 이용한 능동 행렬 구동 액정 디스플레이(Active Matrix Liquid Crystal Display ; AMLCD)는 현재 노트북 및 개인용 컴퓨터의 모니터에 응용되고 있는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(Amorphous silicon Thin Film Transistor; a-Si TFT)에 비해 구동능력과 집적도가 우수하여 고정세(High Resolution) 액정 디스플레이에 채용될 것으로 기대되고 있다.
그러나 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 누설전류가 상대적으로 크고 구동시에 다결정 실리콘 박막의 결정립(grain) 경계(boundary)에서의 트랩밀도 증가로 인해 소자의 열화(degradation)가 심각하게 일어나는 것으로 알려져 있다.
상기한 누설전류와 구동 시에 발생하는 소자의 열화는 드레인 접합에 유도되는 수직 및 수평 전계를 완화함으로써 억제될 수 있는데, 최근까지는 수평 전계 완화를 위해 저농도 도핑 드레인(Lightly Doped Drain, LDD)과 같은 오프셋( offset) 구조가 제안되었고 저농도 도핑 드레인은 최근 널리 사용되고 있는 구조이다. (IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL8, No.9, September 1987) 수직 전계를감소시키기 위해서 제안된 구조로는 T-게이트 구조의 소자가 제안된 바 있으며 이 경우에는 게이트 산화막의 가장자리가 두껍게 형성되어 소스/드레인 주변에 유도되는 수직전계가 완화될 수 있다.
그러나, 상기한 기존의 LDD나 오프셋 구조는 추가의 마스크 공정이나 이온 주입 공정이 요구되며 제작 후 소자의 구동전류가 LDD나 오프셋 구조에 의해 감소되는 단점이 있다. 또한 T-게이트 구조도 산화(Oxidation)와 같은 고온 공정을 이용하거나 추가의 마스크 공정이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 드레인 접합부의 강한 수직 전계로 인해 발생하는 누설전류를 감소시키고 소자의 신뢰도를 향상시키기 위하여 에어-캐비티를 게이트 절연막의 일부로 사용함으로써, 드레인 접합에 유도되는 수직 전계를 완화시키고 종래의 소자와 동일한 구동전류를 나타내며 전계효과 이동도를 증가시킬 수 있는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 구조의 단면도.
도 2는 본 발명 및 종래의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 드레인 접합에 유도되는 수직전계의 분포를 모의실험한 결과를 나타내는 그래프.
도 3은 게이트 산화막의 습식 식각후의 구조를 전자주사현미경을 이용하여 관찰한 사진.
도 4는 상압화학기상증착을 이용하여 층간절연막을 형성한 후의 구조를 전자주사현미경을 이용하여 관찰한 사진.
도 5는 본 발명 및 종래의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 드레인 전류-게이트 전압 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명 및 종래의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 스트레스 시간에 따른 문턱전압이동을 나타낸 그래프.
도 7은 전기적 스트레스 전후에 측정한 본 발명 및 종래의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 드레인 전류를 나타낸 그래프.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 산화막이 증착된 유리기판 위에 형성되는 다결정 실리콘과, 상기의 다결정 실리콘 박막 위에 형성되는 실리콘 산화막(SiO2)의 가장자리에 에어-캐비티가 존재하는 게이트 절연막과, 이온주입으로 형성되는 게이트, 소스, 드레인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다결정실리콘 박막 트랜지스터를 제공한다.
또한, 본 발명은 (1) 산화막이 증착된 유리기판 위에 비정질 실리콘을 증착하는 단계와, (2) 상기의 비정질 실리콘 박막을 엑시머 레이저 어닐링하여 결정화한 후 다결정 실리콘 박막을 패터닝하는 단계와, (3) 상기의 다결정 실리콘 박막위에 게이트 산화막을 증착하고 게이트 전극으로 사용될 비정질 실리콘 박막을 증착하는 단계와, (4) 상기의 비정질 실리콘 박막과 게이트 산화막을 연속적으로 식각한 다음 인이온을 주입한 후 레이저 어닐링하여 주입된 이온을 활성화하여 소오스와 드레인을 형성하는 단계와, (5) 상기의 이온주입이 완료된 기판의 게이트 산화막을 습식방법 또는 건식방법으로 식각하는 단계와, (6) 상기의 게이트 산화막을 식각한 후 상압화학기상증착방법으로 층간절연막을 증착하여 에어 캐비티를 형성하는 단계와, (7) 상기의 층간절연막을 증착한 후 컨택홀을 형성한 다음 금속박막을 증착하는 단계와, (8) 상기의 증착된 금속박막을 사진공정 및 식각 공정을 이용하여 식각하여 금속배선을 형성한 후 보호막을 증착하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 본 발명에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 구조의 단면도를 나타내었다. 도 1은 에어-캐비티를 게이트 전극의 가장자리 아래에 형성하여 드레인 접합에 유도되는 수직 전계를 완화시키는 구조를 갖는다. 드레인 접합 위에 에어 캐비티가 형성될 경우 드레인 접합에 유도되는 수직 전계는 에어-캐비티가 없는 경우에 비해 이론적으로 1/3.9 정도의 값을 갖는다. 이는 다음과 같은 [수학식 1] 로 표현이 가능하다. 실리콘과 공기의 표면에 자유전하가 없다고 가정할 때 전속밀도는
이다. 실리콘 산화막의 유전상수(dielectric constant)는 3.9임에 비해 공기의 유전상수는 1이다. 따라서 완화된 수직 전계는 공기의 유전상수가 산화막의 유전상수에 비해 낮은 값을 가지기 때문이다. 그러나 실제 소자의 구조에서는 에어-캐비티 주변의 게이트 전극에 의한 주변 전계(fringing field)로 인해 에어-캐비티가 없는 구조에서의 수직전계에 비해 1/3.9배만큼 감소되지는 않는다. 이는 2-D 시뮬레이터인 ATLAS(SILVACO)에 의해 검증된 결과로서 도 2에 나타내었다. 도 2는 에어-캐비티의 길이가 드레인 접합으로부터 0.5㎛의 길이를 가지고 형성되었을 경우에 드레인 접합에 유도되는 수직 전계를 나타난 것이다. 에어-캐비티가 없는 종래의 구조에 비해 수직 전계가 완화되었음이 모의실험(simulation)에 의해 확인되었으며 모의실험 결과 본 발명에 의한 구조의 수직전계는 약 20%정도 감소한 값을 보이고 있다.
게이트 산화막의 가장자리에 에어 캐비티를 형성하는 과정에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
에어 캐비티는 게이트 산화막의 등방성 식각(isotropic etch)을 이용하여 제작되며 식각 방법은 습식 식각과 건식 식각이 모두 가능하다. 상기의 방법을 이용하여 게이트 산화막의 가장자리 일부만을 제거하고 후속 공정으로는 상압화학기상증착(Atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD)방법을 이용하여 캐비티가 산화막으로 채워지는 것을 방지함으로써 에어-캐비티를 형성할 수 있다. 상압화학기상증착은 공정이 상압에서 이루어지므로 반응 기체들의 평균자유행로(mean free path)가 짧아져 게이트 전극의 아래 부분에 반응 기체의 유입이 억제되어 산화막의 형성이 억제될 수 있다.
도 3과 도 4는 게이트 산화막의 일부를 식각한 후 산화막을 증착하기 전과 후의 구조를 관찰한 것이다. 도 3은 게이트 산화막의 습식 식각후의 구조를 보여주는 것으로 게이트 산화막의 가장자리가 부분적으로 식각되어 있음을 확인할 수 있다. 도 4는 습식 식각 후 상압화학기상증착을 이용하여 층간절연막을 형성한 후의 구조를 보여주는 것으로 에어-캐비티가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 게이트 산화막의 습식 식각은 NH4F과 HF을 7 대 1의 비율로 섞은 산화막 식각액을 사용하였으며 습식 식각 시간이 3분일 때 식각된 산화막의 길이는 300nm이다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
산화막이 증착된 유리 또는 수정(quartz) 웨이퍼에 비정질 실리콘 800Å을 플라즈마화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 또는 저압화학기상증착법(Low pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)을 이용하여증착한다. 플라즈마화학기상증착법을 이용한 경우에는 노(furnace)에서 450℃의 온도에서 3시간동안 탈수소를 시행한다. 저압화학기상증착법을 이용한 경우에는 박막 내에 수소의 함량이 극히 적으므로 탈수소를 시행할 필요가 없다.
비정질 실리콘 박막을 재결정화하기 위해 XeCl (λ= 308nm) 엑시머 레이저 어닐링 공정을 하고 사진식각공정을 이용하여 다결정 실리콘 박막을 패터닝한다.
게이트 산화막으로 사용될 TEOS (tetraethoxysilane) 산화막 1000Å을 증착하고 이어서 3000Å두께의 비정질 실리콘 박막을 증착한다. 플라즈마 화학기상증착(PECVD)으로 증착한 경우에는 노(furnace)에서 450℃의 온도에서 3시간동안 탈수소를 진행한다. 사진공정을 이용하여 게이트 전극모양의 패턴을 형성하고, 비정질 실리콘 박막과 TEOS 산화막을 연속적으로 식각한다.
소스/드레인을 형성하기 위해 인(Phosphorous) 이온의 주입을 시행하고 레이저 빔을 조사하여 주입된 이온을 활성화한다. 이온 주입의 공정 조건은 30keV, 5 × 1015#/cm2이다.
에어 캐비티를 형성하기 위해 이온 주입이 완료된 박막 트랜지스터(TFT) 기판을 NH4F과 HF을 7 대 1의 비율로 섞은 산화막 식각액 (Buffered Oxide etchants, BOE)에 투입하여 게이트 산화막의 가장자리만을 부분적으로 식각해낸다. 식각 후 상압화학기상증착방법으로 층간절연막인 실리카(SiO2) 산화막을 증착하면 증착과정에서 도 4와 같은 에어 캐비티가 형성된다.
산화막 형성 후 사진공정 및 산화막 식각 공정을 이용하여 외부 회로와의 연결을 위해 컨택홀(contact hole)을 형성한다. 알루미늄 금속박막을 증착한 후 사진공정 및 식각 공정을 이용하여 패턴하여 금속배선을 형성한 다음 소자 보호용 산화막을 증착하여 소자를 최종적으로 완성한다.
본 발명에서 이용된 공정의 최고온도는 플라즈마 화학기상증착을 이용할 경우, 450℃로서 유리 기판을 이용하는 TFT-LCD에 적용이 가능한 저온공정이며, 추가의 열공정이 요구되지 않는다.
상기와 같이 제조된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 전류-전압 전달곡선을 도 5에 나타내었으며 도 5로부터 에어 캐비티가 없는(Lcavity= 0㎛) 종래의 소자와 비교하여 누설전류가 감소되었음을 확인할 수 있다. 에어 캐비티의 길이가 증가할수록 누설전류는 더욱 감소하며 본 실험에서는 0.4㎛의 에어 캐비티가 형성되었을 때 가장 효과적으로 누설전류가 억제되었다.
소자의 구동전류는 종래의 구조와 거의 동일하며 종래의 구조에 비해 전계효과 이동도가 향상된 결과를 보여준다. 도 5의 전류특성 곡선으로부터 추출한 전계효과 이동도는 종래의 소자가 23.5cm2/Vs이고 본 발명에 의한 소자가 31.9cm2/Vs이다. 이는 완화된 수직 전계로 인해 전하들이 에어 캐비티의 하부를 지날 때 전하와 실리콘/공기 계면과의 충돌회수가 감소하여 전하의 전도특성이 향상되기 때문이다.
본 발명에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 소자의 스트레스 특성을 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6은 스트레스 시간에 따른 문턱전압이동을 나타낸 것으로서, 바이어스스트레스 조건이 VG=40V, VD=5V이고 스트레스 시간은 최대 90분으로 하였을 때의 측정 결과이다. 본 발명에 의한 소자(air-cavity TFT)의 문턱전압 이동은 90분이 지난 후에도 0.5V 이내로 측정되었으나 종래의 소자(Conventional TFT)에서는 1.4V이상의 문턱전압이동이 나타났다. 따라서 본 발명에 의한 소자의 문턱전압이동은 종래의 소자에 비해 현저히 억제되었다.
도 7의 특성곡선은 전기적 스트레스 전후의 드레인 전류의 변화를 나타낸 것으로 스트레스 후에도 발명된 소자의 누설전류(VGS< 0V)는 종래의 소자(conv.:Lcavity= 0㎛) 에 비해 현저히 낮다. 또한 구동전류(VGS0)도 본 발명의 소자에서는 스트레스 후에 거의 변화가 없으나 종래의 소자는 현저히 낮은 전류가 흐름을 확인할 수 있다. 결과적으로 발명된 소자의 온-오프 전류비는 종래의 소자에 비해 향상되었음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 에어캐비티를 게이트 산화막의 가장자리에 가지는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 누설전류를 효과적으로 억제하고 전기적 스트레스 후의 소자의 신뢰도를 향상시켜 고품질의 액정 디스플레이를 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 제조방법은 추가의 마스크 공정없이 등방성 식각공정과 상압화학기상증착(APCVD)을 이용한 층간절연막 형성공정으로 간단히 에어-캐비티를 형성할 수 있고 450℃이하의 저온 공정에서 제작이 가능하다는 장점이 있다.
Claims (2)
- 산화막이 증착된 유리기판 위에 형성되는 다결정 실리콘 박막과, 상기의 다결정 실리콘 박막 위에 형성되는 실리콘 산화막의 가장자리에 에어-캐비티가 존재하는 게이트 절연막과, 이온 주입에 의한 게이트, 소스, 드레인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터.
- (1) 산화막이 증착된 유리기판 위에 비정질 실리콘을 증착하는 단계와, (2) 상기의 비정질 실리콘 박막을 엑시머 레이저 어닐링하여 결정화한 후 다결정 실리콘 박막을 식각하는 단계와, (3) 상기의 다결정 실리콘 박막 위에 게이트 산화막을 증착하고 게이트 전극으로 사용될 비정질 실리콘 박막을 증착하는 단계와, (4) 상기의 비정질 실리콘 박막과 게이트 산화막을 연속적으로 식각한 다음 인이온을 주입한 후 레이저 어닐링하여 주입된 이온을 활성화하여 소오스와 드레인을 형성하는 단계와, (5) 상기의 이온주입이 완료된 기판의 게이트 산화막을 습식방법 또는 건식방법으로 식각하는 단계와, (6) 상기의 게이트 산화막을 식각한 후 상압화학기상증착방법으로 층간절연막을 증착하여 에어 캐비티를 형성하는 단계와, (7) 상기의 층간절연막을 증착한 후 컨택홀을 형성한 다음 금속박막을 증착하는 단계와, (8) 상기의 증착된 금속박막을 사진공정 및 식각 공정을 이용하여 패턴하여 금속배선을 형성한 후 보호막을 증착하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법.
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