KR100546265B1 - 다결정실리콘박막트랜지스터의제조방법 - Google Patents

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Abstract

다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관해 개시한다. 본 발명에 따르면, 비정질 실리콘막을 레이저로 결정화하기 직전에 비정질 실리콘막의 표면에 화학적 산화막을 형성시켜주는 세정 공정을 실시하고, 게이트 산화막 증착 직전에 다결정 실리콘막의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하고 더 이상의 자연 산화막이 형성되지 않도록 하는 세정 공정을 실시한다. 따라서 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 형성하는 다결정 실리콘막과 게이트 산화막간의 계면 특성이 향상된다.

Description

다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법{Fabrication method of polysilicon thin film transistor}
본 발명은 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘 박막 형성 전후의 세정 방법에 관한 것이다.
다결정 실리콘 박막 트랜지스터에서 다결정 실리콘 활성층과 게이트 산화막 사이의 계면상태는 소자 특성에 중요한 영향을 준다. 통상적인 메모리 공정에서는 실리콘 기판을 열산화시켜서 게이트 산화막을 형성하기 때문에 다결정 실리콘과 게이트 산화막간의 계면 특성이 우수하다. 그러나 최근 들어 사용되고 있는 저온 다결정 실리콘 박막은 저온에서 비정질 실리콘막을 형성한 후 레이저에 의해 결정화시킨 다결정 실리콘막위에 게이트 산화막이 비연속적으로 증착되면서 형성되기 때문에 기본적으로 계면 특성이 열악하며 레이져 결정화전의 비정질 실리콘막의 표면상태나 게이트 산화막 형성직전의 다결정 실리콘의 표면상태에 따라 그 특성이 민감하게 변한다. 좀 더 자세히 설명하면, 첫째 레이저 결정화 직전의 비정질 실리콘막 표면의 자연 산화막이나 인위적으로 형성한 산화막의 분포 상태는 비정질 실리콘막이 레이저 조사에 의해 완전히 녹았다가 식으면서 다결정 실리콘이 되는 과정에서 실리콘막 표면의 스트레스 상태에 영향을 줄 수 있다. 즉 산화막은 녹는점이 실리콘에 비해 약 300?? 이상 높아 열적으로 안정하기 때문에 레이저 에너지에 의해 실리콘이 완전히 용융된다고 하더라도 표면층의 산화막은 용융되지 않은 상태로 용융된 실리콘 표면위에 접하고 있기 때문에 실리콘의 응고과정에서 표면부위의 실리콘 원자의 이동 과정에 영향을 주어 결정화 완료후 다결정 실리콘막 표면의 스트레스 상태 등에 영향을 미친다. 둘째, 레이저 결정화 공정을 거치면서 다결정 실리콘막은 그 표면이 거칠어진다. 거칠어진 다결정 실리콘막의 표면은 후속 공정에서 캐리어의 산란을 유발하여 캐리어의 이동도 등을 감소시키는 문제를 야기시킨다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 레이저 결정화 직전의 비정질 실리콘막 표면과 게이트 산화막 형성 직전의 다결정 실리콘막의 표면상태를 제어함으로써 다결정 실리콘막과 실리콘 산화막간의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 세정 방법에 관한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 세정 방법에 의하면, 비정질 실리콘막을 레이저로 결정화하기 직전에 비정질 실리콘막의 표면에 화학적 산화막을 형성시켜주는 제1 세정 공정을 실시한다. 또, 게이트 산화막 증착 직전에 다결정 실리콘막의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하고 더 이상의 자연 산화막이 형성되지 않도록 하는 제2 세정 공정을 실시한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 세정 공정은 과산화수소용액, 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 용액을 사용한다. 또, 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 용액과 과산화수소 용액을 번갈아 처리할 수도 있다. 그리고 상기 제2 세정 공정은 HF를 포함하는 용액을 사용한다. 특히, 상기 제2 세정 공정후에 진행되는 절연막 형성 공정과의 시간 차는 8시간 이내가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 활성층과 게이트 산화막간이 계면 특성이 양호하게 된다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1에는 본 발명에 따른 세정 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 먼저 유리와 같은 투명기판위에 활성층으로 사용될 비정질 실리콘막을 형성한다(I).
다음에 비정질 실리콘막이 형성된 결과물을 세정하는 제1 세정 단계(II)를 진행한다. 제1 세정 단계(II)는 결정화 단계를 진행하기 전에 비정질 실리콘막의 표면에 균일한 산화막을 형성하기 위한 것이다. 제1 세정 단계(II)에서는 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합액을 사용하는 것이 바람직하다.
이어서 비정질 실리콘막에 레이저를 조사하여 결정화된 다결정 실리콘막을 형성(III)한 후, 결정화된 다결정 실리콘막을 활성층으로 패터닝(IV)한다.
계속해서 패터닝된 다결정 실리콘막을 세정하는 제2 세정 단계(V)를 진행한다.제2 세정 단계(V)는 게이트 산화막을 형성하기 전에 다결정 실리콘막의 표면에 원하지 않는 산화막이 형성되는 것을 방지하고 다결정 실리콘막 표면의 산화막을 제거하기 위한 것이다. 제2 세정 단계(V)에서는 200:1 HF를 사용하는 것이 바람직하다.
마지막으로 다결정 실리콘막위에 게이트 산화막을 형성(VI)한다. 이후 공정은 종래의 박막 트랜지스터의 형성 공정과 동일하게 진행한다. 즉, 게이트 산화막위에 알루미늄, 크롬등의 금속층을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성한다. 이어서 게이트 전극을 마스크로 사용하여 N+ 이온주입을 하고 주입된 이온들을 활성화하기 위하여 레이저를 조사하거나, 어닐링 또는 RTP등을 실시한다. 활성화 공정은 N+ 이온주입이 이온 샤워 도핑에 의해 수행될 경우 필요하지 않을 수도 있다. 이후 실리콘 산화막등으로 층간절연막을 형성하고 층간 절연막내에 콘택홀을 형성한 후, 배선금속층을 증착하고 패터닝하여 박막 트랜지스터를 완성한다.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
비정질 실리콘막 결정화 직전의 세정 공정
복수개의 기판상에 비정질 실리콘막을 형성한 후, 레이저로 결정화시키기 전에 세 개의 그룹으로 나누어 다음과 같이 세정 공정을 실시하였다. 첫 번째 그룹은 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액을 처리하였고, 두 번째 그룹은 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액을 처리한 후, 200:1 HF용액을 추가 처리하였고, 세 번째 그룹은 황산과 과산화수소의 혼합 세정액을 처리한 후, 200:1 HF를 처리하고 마지막으로 과산화수소를 처리하였다.
첫 번째 그룹에서 사용된 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액은 과산화수소가 실리콘을 산화시키고 수산화 암모늄이 이를 식각하는 역할을 한다. 본 실시예에서 사용된 혼합 세정액은 세정 공정 완료후에 약 30?? 이하의 화학적 산화막이 형성되도록 하는 조성의 혼합 세정액을 사용하였다. 두 번째 그룹에서 추가로 사용되는 200:1 HF 용액은 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액에 의해 형성된 산화막이 완전히 제거되고 이후 레이저 결정화 공정전까지 불균일한 자연 산화막이 형성되도록 한다. 세 번째 그룹에서와 같이 황산과 과산화수소의 혼합 용액, 200:1 HF, 과산화수소를 차례대로 처리하는 경우 비정질 실리콘막의 표면에 약 30?? 이하의 화학적 산화막이 형성된다.
이렇게 서로 다른 조건의 세정 공정을 실시한 후, 각 그룹의 비정질 실리콘을 가지고 형성한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 Ids - Vgs 특성을 측정하였다. 그 결과가 도 2 에 도시되어 있다.
도 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 첫 번째와 세 번째 그룹에서는 Ids - Vgs 특성이 거의 변화하지 않았다. 두 번째 그룹에서는 문턱 전압(threshold voltage)이 -V로 이동하였다. 이러한 결과로부터 결정화 직전 비정질 실리콘막의 표면에 균일한 산화막이 형성되느냐 아니면 불균일한 자연 산화막이 형성되느냐에 따라 소자 특성이 변화하는 것을 알 수 있다.
비정질 실리콘막 결정화후의 세정 공정
복수개의 기판상에 형성된 비정질 실리콘막을 레이저로 결정화시킨 후, 게이트 산화막을 형성하기 전에 두 개의 그룹으로 나누어 다음과 같이 세정 공정을 실시하여 게이트 산화막 증착 직전 실리콘 표면의 산화막 상태에 변화를 주었다. 첫 번째 그룹은 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액을 처리하였고, 두 번째 그룹은 수산화 암모늄과 과산화수소 혼합 세정액을 처리한 후, 200:1 HF용액을 추가 처리하였다.
앞의 실시예에서도 설명한 바와 같이 첫 번째 그룹에서는 약 30?? 이하의 화학적 산화막이 형성된다. 반면 두 번째 그룹에서는 세정 공정 실시후 게이트 산화막 증착 공정 사이의 시간을 8시간 이내로 하여 화학적 산화막이 완전히 제거된 다결정 실리콘막의 표면에 자연산화막이 추가로 형성되는 것을 최소화시켰다.
이렇게 서로 다른 조건의 세정 공정을 실시한 후, 각 그룹의 다결정 실리콘을 가지고 형성한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 Ids - Vgs 특성을 측정하였다. 그 결과가 도 3 에 도시되어 있다.
도 3의 결과로부터 알 수 있듯이, 두 번째 그룹(수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 세정액 처리후, 200:1 HF 처리한 경우)의 트랜지스터가 첫 번째 그룹(수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 세정액만 처리한 경우)의 트랜지스터에 비해 그 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
즉, 첫 번째 그룹에서는 다결정 실리콘막의 표면에 산화막이 형성되기 때문에 계면 상태는 다결정 실리콘/화학적 산화막/게이트 산화막 형태가 된다. 따라서 산화막 특성이 떨어지는 화학적 산화막 때문에 결과적으로 계면 특성이 열화된다. 반면 두 번째 그룹에서는 200:1 HF 처리후 8 시간 이내로 게이트 산화막을 증착하였기 때문에 다결정 실리콘 표면에 자연 산화막이 형성되는 것이 최소화된다. 따라서 다결정 실리콘과 게이트 산화막 사이에 기타 이물질이 끼이지 않고 다결정 실리콘/게이트 산화막의 우수한 계면 특성이 얻어진다.
도면 및 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 실시예가 기술되었고, 특정 용어가 사용되었으나, 이는 이하의 청구범위에 개시되어 있는 발명의 범주로 이를 제한하고자 하는 목적이 아니라 기술적인 개념에서 사용된 것이다. 따라서 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
본 발명은 비정질 실리콘막을 레이저로 결정화하기 직전에 비정질 실리콘막의 표면에 화학적 산화막을 의도적으로 형성시켜주는 세정 공정을 실시하고, 게이트 산화막 증착 직전에 다결정 실리콘막의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하고 더 이상의 산화막이 형성되지 않도록 하는 세정 공정을 진행함으로써 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 형성하는 다결정 실리콘막과 게이트 산화막간의 계면 특성이 향상되도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 세정 방법의 흐름도이다.
도 2는 비정질 실리콘막의 결정화 직전의 세정 방법에 따른 박막 트랜지스터의 I-V 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 비정질 실리콘막의 결정화 후, 게이트 산화막을 형성하기 전의 세정 방법에 따른 박막 트랜지스터의 I-V특성을 나타내는 그래프이다.

Claims (11)

  1. 반도체 기판상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막위에 균일한 화학적 산화막이 형성되도록, 과산화수소를 포함하는 혼합용액을 사용하여 상기 비정질 실리콘막이 형성된 반도체 기판을 세정하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막을 결정화하여 다결정 실리콘막을 형성하는 단계; 및
    상기 다결정 실리콘막위에 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 용액은 수산화 암모늄 또는 황산을 더 포함하는 혼합용액인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 산화막은 약 30 ㅕ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정 단계는 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 용액과 과산화수소 용액을 번갈아 처리하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  5. 반도체 기판상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막을 결정화하여 다결정 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 다결정 실리콘막위에 형성된 산화막을 제거하도록, 수산화 암모늄과 과산화수소의 혼합용액에 의한 세정 후, 다시 불산 수용액으로 상기 다결정 실리콘막이 형성된 기판을 세정하는 단계; 및
    상기 다결정 실리콘막위에 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세정 단계와 절연막을 형성하는 단계 사이의 시간 차가 8시간 이내가 되도록 하여 상기 세정된 다결정 실리콘막위에 자연산화막이 형성되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  7. 반도체 기판상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막위에 균일한 화학적 산화막이 형성되도록, 과산화수소를 포함하는 혼합용액을 사용하여 상기 비정질 실리콘막이 형성된 반도체 기판을 세정하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막을 결정화하여 다결정 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 다결정 실리콘막위에 형성된 산화막을 제거하도록, 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합용액에 의한 세정 후, 다시 불산 수용액으로 상기 다결정 실리콘막이 형성된 기판을 세정하는 단계; 및
    상기 다결정 실리콘막위에 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합용액은 수산화암모늄 또는 황산을 더 포함하는 혼합용액인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 화학적 산화막은 약 30 ㅕ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘막이 형성된 반도체 기판을 세정하는 단계는 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 용액과 과산화수소 용액을 번갈아 처리하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 다결정 실리콘막이 형성된 반도체 기판을 세정하는 단계와 절연막을 형성하는 단계 사이의 시간 차가 8시간 이내가 되도록 하여 상기 세정된 다결정 실리콘막위에 자연산화막이 형성되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법.
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