KR100370114B1 - 비정질 실리콘의 결정화 장비 - Google Patents

Abstract

유리기판 등의 절연기판 위에 제작되는 저온 다결정 실리콘 박막은 형성온도가 낮아 제조단가가 상대적으로 낮고, 대면적화가 가능하다. 본 발명은 비반응성 기체를 이용한 플라즈마를 사용하여 니켈 등의 아주 얇은 전이금속 입자를 비정질 실리콘에 입사 시킨 후, UV를 조사 시키면서 전계를 인가하여 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화 시키는 장비에 관한 것으로, 이러한 장비에서 제작된 다결정 실리콘 박막은 박막트랜지스터와 태양전지, 이미지 센서 등의 실리콘 반도체 소자 제작에 사용될 수 있다.

Description

비정질 실리콘의 결정화 장비 {Equipment for crystallization of amorphous silicon}

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 400^oC 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 600^oC 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.

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 의한 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.

현재 사용되고 있는 반도체 소자의 대면적 공정에 응용하기 위해서 결정화 온도는 유리기판의 변형 온도보다 낮아야 하고 대면적의 균일도가 필요하다. 그러나 기존의 할로겐 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 공정에 있어서 기판의 변형을 최소화 할 수 있고, 기판의 대형화에 유연하게 대응할 수 있다.

도 1 은 이동식 금속(2)과 자외선 가열함(UV heating block)(4)을 이용한 플라즈마(3) 형성에 의한 금속 입자 처리와 전계 인가에 의하여 절연기판(1) 위에 형성된 비정질 막(5)이 결정화되는 모식도.

이동식 금속(2)과 UV 가열함(4)이 비정질 막(5) 위에 위치된 모식도.

이동식 금속(2)과 UV가열함(4)이 비정질 막(5)의 서로 다른 면에 위치한 모식도.

도 2 은 본 발명의 실시 예에 의해 절연기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(6 ).

도 3는 본 발명의 실시 예의 의해 절연기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(6)의 전기전도도.

도 4은 본 발명의 실시 예에 의해 절연기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(6)의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy) 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 절연기판 2 : 이동식 금속

3 : 플라즈마 노출 4 : 가열함 (heating block)

5: 비정질 실리콘 박막 6 : 다결정 실리콘 박막

7 : 막대모양 결정립 8 : 기판 홀더

9 : 결정화 장비

상기와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막을 얻기 위한 장비의 특징은 플리즈마에 의한 금속의 형성과 전계을 인가하면서 UV에 의한 열처리로 비정질 막을 결정화하는 데 있다. 또한 연속적인 공정을 추구하기 때문에 대량생산 공정이 가능한 장비로 현재 사용중인 공정에 별도의 추가 설비 비용 없이 적용할 수 있다는 장점이 있다.

금속유도 결정화에 있어서 그 공정과정은 아래와 같다.

유리 등의 절연기판(1) 위에 비정질 실리콘 박막(5)을 증착하고, 상기 비정질 막(5) 위에 질소(N₂), 아르곤(Ar), 수소(H₂) 등의 가스를 사용하여 RF 또는 DC 플라즈마를 니켈 등의 결정화를 일으키는 금속으로 노출시킨 후, 전계를 인가하면서 열처리하여 결정화 시킨다. 결정화된 박막의 금속 오염을 방지하기 위해서 RF 또는 DC 플라즈마의 세기, 노출시간, 압력 등을 조절하여 금속량을 조절할 수 있다.

본 장비에서는 절연기판(1) 위에 비정질 실리콘 박막(5)을 증착한 후, 스캐닝이 가능한 플라즈마 형성용 금속(2)과 전계을 인가하여 UV 조사에 의해 기판을 가열하여 비정질 실리콘 박막(5)을 결정화한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 비정질 실리콘 박막이 결정화되는 장비를 측면에서 본 모식도이다. 도 1(a)는 유리 등의 절연기판(1) 위에 비정질 막(5)을 증착하고 상기의 비정질 막(5) 위에 플라즈마(3) 형성을 위하여 비반응성 기체로 반응함을 채우고 이동식 금속 막대에 RF을 인가하여 플라즈마(3)를 생성한다. 플라즈마가 형성된 금속 막대(2)를 기판의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 스캐닝하면서 비정질 막 위에 균일하게 금속을 입사시키고, 비정질 막에 전계을 인가한 상태에서 UV에 의한 가열함(4)으로 인해 기판 위의 박막이 UV을 흡수하여 금속유도 결정화를 일으킨다. 가열함에 가해지는 전력의 세기로 박막에 흡수되는 UV을 조절하여 결정화 온도를 조절할 수 있으며, 플라즈마(3)를 형성하는 금속 막대(2)의 이동속도와 인가되는 RF의 세기, 가스 압력 등을 변화시켜 입사되는 금속의 양을 조절할 수 있다.

도 1(b)에서 절연기판(1) 위에 증착된 비정질 막(5)을 기준으로 금속을 입사하기 위하여 금속(2)을 기판 아랫쪽에, UV가열함(4)을 기판 위쪽에 위치시킨다. 별도의 기판을 사용하지 않고, UV가열함(4)에서 나오는 UV의 흡수에 의해 비정질 막(5)은 가열되어 결정화 되고 유리기판은 열에 의한 손상(damage)를 입지 않는다.

도 2은 본 발명의 실시 예에 의해서 절연기판(1) 위에 제작된 다결정 실리콘 박막(6) 이다. 비정질 실리콘 박막(5) 상에 플라즈마(3)을 이용하여 니켈 금속을 스캐닝 방법에 의해 증착하고 전기장의 세기를 0 ~ 500V/cm 인가한 상태에서 UV에 의해 열처리하여 비정질 실리콘 박막(5)을 결정화한 다결정 실리콘 박막(6)을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 의해서 제작된 절연기판(1) 위에 500^oC에서 결정화된 50nm두께의 다결정 실리콘 박막(6)의 온도에 따른 전기적 특성을 나타낸다. 도 4의 (a)와 (b)는 각각 플라즈마(3)에 의한 니켈 입자의 증착 시간을 다르게 하여 결정화한 시료로, 결정화된 다결정 실리콘 박막(6)의 전기전도도 활성화에너지는각각 0.620eV, 0.636eV이고 호핑(hopping) 전도는 나타나고 있지 않으며, 활성화된 형태를 나타낸다.

도 4(a)는 본 발명의 실시 예에 의해서 절연기판(1) 위에 500^oC에서 결정화된 다결정실리콘 박막(6)의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy) 사진이다. 막대모양의 형성된 결정립(7)으로 형성된 박막은 금속 유도 결정화 되었음을 나타내고, 수십 mm의 그레인(Grain)으로 박막은 결정화 되었음을 알 수 있다. 도 4(b)는 그레인(Grain)의 내부를 좀더 높은 배율에서 관찰한 것으로 막대모양의 결정립으로 그레인(Grain)이 형성되었음을 알수 있고, 결정화된 영역의 전자회절무늬로 비정질 실리콘 박막(5) 전체가 균일하게 결정화 되었음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 결정화 장비에서는 전계와 자외선을 이용하여 결정화 시간을 단축시키고, 대면적 기판에 적용함에 따른 기판 변형의 문제를 최소화시킬 수 있고, 낮은 온도에서 박막 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있다. 또한 금속 유도 결정화에 필요한 금속량을 플라즈마의 조건과 플라즈마를 유도하는 금속막대의 이동속도 등으로부터 조절할 수 있으며, 최소화 시킬 수 있다. 따라서 현재 사용되어 지고 있는 레이저 다결정 실리콘 박막을 대신하여 박막트랜지스터 액정디스플레이(TFT-LCD), 태양전지, 이미지 센서 등에 필요한 다결정 실리콘 박막을 본 발명에 의해 제작할 수 있다.

Claims (13)

1. 기판 위에 형성된 비정질 막을 결정화 시키기 위하여 비정질 막에 입사되는 금속 플라즈마를 스캐닝 방법에 의해 입사 시키는 단계와, 상기의 비정질 막에 UV를 조사에 의하여 가열하는 단계와, 상기의 가열된 비정질 막에 전계를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 장비.
2. 기판 위에 형성된 비정질막을 결정화 시키기 위하여 비정질 막에 입사되는 금속 플라즈마를 스캐닝 방법에 의해 입사 시킨 후에, 상기의 비정질 막에 전계를 인가하는 단계와, 상기의 비정질 막에 UV를 조사하는 단계가 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 장비.
3. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   금속 플라즈마 장치는 고정되어 있고 비정질 막이 고정된 기판 홀더가 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 비정질 막의 결정화 장비.
4. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   금속 플라즈마를 형성하는 장치와 비정질 막 기판이 고정된 기판 홀더가 스캐닝 되는 것을 특 징으로 하는 비정질 막의 결정화 장비.
5. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   비정질 막 위에 부분적으로 플라즈마 형성에 의한 금속 입자를 노출 시킬 수 있는 결정화 장비.
6. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   금속 플라즈마를 형성하기 위하여 RF 또는 마이크로파 플라즈마를 이용하는 결정화 장비.
7. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   금속 플라즈마를 형성하는 위한 금속이 니켈인 것으로 하는 비정질 막을 결정화하는 장비.
8. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   플라즈마를 형성하기 위한 가스 압력이 0.5mTorr ~ 100Torr 인 것을 특징으로 하는비정질 막을 결정화 시키는 장비.
9. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

   인가하는 전계가 직류 또는 교류 전계인 것을 특징으로 하는 결정화 장비.
10. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

    전기장의 세기가 1 ~ 1000V/cmm 인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화 시키는 장비.
11. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

    비정질 막이 비정질 실리콘인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 장비.
12. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

    비정질 실리콘 양단에 전기장을 가하기 위한 전극이 금속인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정 화 시키는 장비.
13. 청구항 1 및 청구항 2 중의 어느 한 항에 있어서,

    자외선 조사에 의한 기판 온도가 300 ~ 1000^oC인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화 시키는 장비.