KR100650402B1 - 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법에 관한 것이다.
금속 촉매를 이용하여 낮은 온도에서 다결정 실리콘을 형성하는 방법이 활발하게 이용되게 있는데, 이러한 방법으로 형성된 다결정 실리콘 박막 내에는 금속 불순물이 존재하여 이후 소자의 특성을 저하시키는 문제가 있다. 이러한 금속 불순물을 제거하기 위해 높은 온도에서 열처리하는 과정이 요구되는데, 이는 유리와 같은 기판을 이용할 경우 적합하지 않은 단점이 있다.
본 발명에서는 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막이 형성된 기판 하부 또는 상부에 자기장 형성 장치를 설치하고, 기판에 열을 가하면서 자기장을 인가하여 실리콘 박막 내의 금속 불순물을 자기장 형성 장치 쪽으로 이동시킨다. 따라서, 유리와 같은 기판을 사용할 수 있는 낮은 온도에서 금속 불순물을 실리콘 박막의 표면으로 이동시켜, 이후 소자 형성시 활성 영역 내의 금속 불순물 양을 감소시킬 수 있다.
결정화, MIC, FEMIC, 강자성 물질
Description
도 1a 및 도 1b는 종래의 금속 불순물 제거 방법을 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 종래의 다른 금속 불순물 제거 방법을 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3d는 금속 촉매를 이용한 실리콘 박막의 결정화 방법
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 금속 불순물 제거 방법을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 다른 금속 불순물 제거 방법을 도시한 도면.
본 발명은 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었는데, 그 중 색 재현성 등이 우수한 액정 표시 장치(liquid crystal display)가 활발하게 개발되고 있다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써 액정 분자의 움직임에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
액정 표시 장치의 하부 기판은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터를 포함하는데, 일반적으로 박막 트랜지스터에 사용되는 액티브층은 비정질 실리콘(amorphous silicon ; a-Si:H)이 주류를 이루고 있다. 이는 비정질 실리콘이 저온에서 저가의 유리 기판과 같은 대형 기판 상에 형성하는 것이 가능하기 때문이다.
그런데, 이러한 비정질 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터를 구동하기 위해서는 구동 회로가 필요하다. 일반적으로 액정 표시 장치는 비정질 실리콘으로 제작된 박막 트랜지스터 어레이 기판에 단결정 실리콘(single crystal silicon)으로 제작된 고밀도 집적 회로(large scale integration)를 TAB(tape automated bonding) 등의 방법으로 연결하여 구동한다. 그러나, 구동 회로의 가격이 매우 높기 때문에 이와 같은 액정 표시 장치는 가격이 높은 단점이 있다.
근래에 들어 다결정 실리콘(poly-Si)을 이용한 박막 트랜지스터를 채용하는 액정 표시 장치가 연구 및 개발되고 있다. 이러한 다결정 실리콘을 이용한 액정 표시 장치에서는 박막 트랜지스터와 구동 회로를 동일 기판 상에 형성할 수 있으며, 박막 트랜지스터와 구동 회로를 연결하는 과정이 불필요하다. 또한, 다결정 실리콘 은 비정질 실리콘에 비해 전계효과 이동도가 100 내지 200 배정도 더 크므로 응답 속도가 빠르고, 온도와 빛에 대한 안정성도 우수하다.
이와 같은 장점을 가지는 다결정 실리콘의 형성 방법은 다양하게 알려져 있는데, 일반적으로 다결정 실리콘을 형성하기 위해서 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)이나 저압 화학 기상 증착법(low pressure chemical vapor deposition)으로 비정질 실리콘을 증착한 후, 이를 다시 결정화하는 방법이 널리 사용되고 있다.
비정질 실리콘을 이용하여 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로는 고상 결정화(SPC : solid phase crystallization) 방법, 레이저 열처리(laser annealing) 방법, 금속 촉매를 이용한 결정화 방법 등이 있다.
여기서, 고상 결정화 방법은 비정질 실리콘을 고온에서 장시간 열처리함으로써 다결정 실리콘으로 형성하는 방법으로서, 600℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 석영 기판에 불순물의 확산을 방지하기 위해 소정의 두께로 완충층(buffer layer)을 형성하고, 완충층 상에 비정질 실리콘을 증착한 후, 퍼니스에서 고온 장시간 열처리한다.
그런데, 언급한 바와 같이 이러한 고상 결정화 방법은 고온에서 장시간 수행되므로 원하는 다결정 실리콘 상(phase)을 얻을 수 없으며, 그레인(grain) 성장 방향성이 불규칙하여 박막 트랜지스터에 응용시 다결정 실리콘과 접촉되는 게이트 절연막이 불규칙하게 성장되므로 소자의 항복전압이 낮아진다. 또한, 다결정 실리콘의 그레인 크기가 불균일하여 소자의 전기적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 고가의 석영기판을 사용해야 하는 문제점이 있다.
한편, 레이저 열처리 방법은 비정질 실리콘이 증착된 기판에 레이저 빔(beam)을 가해서 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로, 비정질 실리콘이 증착된 기판에 순간적으로(수십 내지 수백 nano second) 레이저 에너지를 공급하여 비정질 실리콘을 용융상태로 만든 후, 이어 냉각함으로써 다결정 실리콘을 형성한다. 이러한 레이저 열처리에 의한 결정화 방법은 400℃ 이하의 저온에서 결정화가 가능하고 형성된 막질의 특성이 우수하나, 결정화가 불균일하여 균일도(uniformity)가 떨어지고, 고가의 장비를 이용해야 하며 생산성이 낮은 문제가 있다.
최근 활발하게 연구되고 있는 금속 촉매를 이용한 결정화 방법은 비정질 실리콘 위에 금속을 증착하고 이 금속을 이용하여 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로, 금속이 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추어 대면적의 유리 기판을 사용할 수 있다.
이러한 금속 촉매를 이용한 결정화 방법에는 MIC(metal induced crystallization) 방법, MILC(metal induced lateral crystallization) 방법, 그리고 FEMIC(field enhanced metal induced crystallization) 방법 등이 있다.
그러나, 이와 같은 금속 촉매를 이용한 결정화 방법에서는 금속이 박막 내에 잔존하게 되어, 박막 내의 금속에 의해 실리콘 박막 본래의 특성이 변화하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 실리콘 박막을 이용하여 소자 형성시 누설 전류(leakage current)와 같은 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 금속 불순물을 제거해야 하는데, 일반적인 반도체 제조 공정 의 금속 불순물 제거 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 내의 금속 불순물을 제거하는 방법을 도시한 도면이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(10) 내에 니켈(Ni)과 같은 금속 불순물(20)이 존재할 경우, 니켈 불순물(20)을 제거하기 위해 실리콘 웨이퍼(10) 배면에 스크래치(scratch)(11)를 형성한다.
이어, 도 1b에 도시한 바와 같이 900℃ 내지 1,000℃ 정도의 온도에서 열처리하면, 실리콘 웨이퍼(10) 내의 니켈 불순물(20)이 확산(diffusion)하여 실리콘 웨이퍼(10)의 배면으로 모이게 되어 게터링(gettering) 효과를 얻을 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 또 다른 금속 불순물 제거 방법을 도시한 도면이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 니켈 불순물(20)을 포함하는 실리콘 웨이퍼(10) 배면에 포스포러스(phosphorous)층(30)을 형성한다. 이때, 포스포러스층(30)은 증착으로 할 수도 있고, 도핑 방법에 의해 형성할 수도 있다.
다음, 도 2b에 도시한 바와 같이 900℃ 내지 1,000℃ 정도의 온도에서 열처리를 실시한다. 그러면, 실리콘 웨이퍼(10) 내의 니켈 불순물(20)이 확산하여 포스포러스층(30)에 인접한 실리콘 웨이퍼(10)의 배면으로 모이게 되어, 게터링 효과를 얻을 수 있다.
그런데, 일반적으로 액정 표시 장치는 저가의 유리와 같은 절연 기판을 이용하여 제조하므로, 금속 촉매를 이용하여 결정화된 실리콘 박막에 포함된 금속 불순물을 상기와 같은 방법으로 제거하기 위해서는 500℃ 이하의 저온에서 실시해야 한 다. 그러나, 이러한 저온에서는 금속 불순물의 확산 속도가 느려 적용에 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막의 금속 불순물을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법에서는 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막이 상부에 형성된 기판을 구비하고, 상기 실리콘 박막이 형성된 기판 하부에 자기장 형성 장치를 설치한 다음, 상기 실리콘 박막을 열처리하면서 자기장을 인가한다.
여기서, 금속 불순물은 니켈과 철, 코발트 중의 어느 하나로 이루어질 수 있고, 자기장 형성 장치는 자석이나 코일로 이루어질 수 있다.
또한, 실리콘 박막의 열처리 온도는 500℃ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법에서는 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막이 상부에 형성된 기판을 구비하고, 상기 실리콘 박막 상부에 자기장 형성 장치를 설치한 다음, 상기 실리콘 박막을 열처리하면서 자기장을 인가한다.
여기서, 금속 불순물은 니켈과 철, 코발트 중의 어느 하나로 이루어질 수 있고, 자기장 형성 장치는 자석이나 코일로 이루어질 수 있으며, 실리콘 박막의 열처리 온도는 500℃ 이하일 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 금속 물질을 포함하는 실리콘 박막 상부 및 하부에서 자기장을 인가하면서 열처리함으로써, 실리콘 박막 내에 존재하는 금속 물질을 낮은 온도에서 박막 표면으로 이동시켜, 소자 형성시 활성 영역 내의 금속 불순물 양을 감소시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 3a 내지 도 3d는 금속 촉매를 이용한 실리콘 박막의 결정화 방법에 대한 일례를 도시한 것이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(110) 위에 버퍼 산화막(buffer oxide)(120)를 형성하고, 그 위에 플라즈마 화학 기상 증착법과 같은 방법으로 비정질 실리콘막(130)을 증착한다. 버퍼 산화막(120)은 기판(110) 내의 불순물이 이후 공정에서 비정질 실리콘막(130)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.
여기서, 기판(110)은 가격이 낮고 대면적화가 가능한 유리 기판을 사용할 수 있으며, 그 밖에 다른 기판을 사용할 수도 있다.
다음, 도 3b에 도시한 바와 같이 비정질 실리콘막(130) 상부에 니켈층(140)을 형성한다. 이때, 니켈층(140)은 스퍼터링과 같은 방법에 의한 증착으로 형성될 수 있으며, 또는 파우더나 용액에 의해 흡착으로 형성될 수도 있다.
이어, 도 3c에 도시한 바와 같이 니켈층(140) 상부의 양끝에 전극(150)을 형 성하고, 전극(150)에 전기장을 가하면서 열처리한다. 이때, 열처리 온도는 400℃ 내지 500℃ 정도로 한다.
니켈은 200℃ 정도의 낮은 온도에서 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하기 시작한다. 초기에는 니켈이 풍부한 Ni2Si 형태를 가지며, 이후 온도가 높아짐에 따라 NiSi 형태가 되고 마지막으로 실리콘이 풍부한 NiSi2의 형태를 가지는데, 이러한 NiSi2의 형태가 가장 안정한 상태이다. 이 NiSi2가 비정질 실리콘막 내에서 이동하면서 결정화핵으로 작용하여 비정질 실리콘막은 500℃ 이하의 온도에서 다결정 실리콘막으로 결정화된다.
여기서, 전극(150)에 전압을 인가하면 인가하지 않았을 때보다 NiSi2의 이동이 빨라져 실리콘의 결정화가 촉진된다.
그러면, 도 3d에 도시한 바와 같이 다결정 실리콘 박막(160)이 형성되는데, 다결정 실리콘 박막(160) 내부에는 결정화의 촉매로 작용한 니켈 불순물(141)이 존재한다.
본 발명의 실시예에서 결정화의 촉매로 니켈 대신 철(Fe)이나 코발트(Co)와 같은 다른 전이 금속을 이용할 수도 있는데, NiSi2 상의 격자상수가 5.406 Å으로 실리콘의 격자상수 5.430 Å과 매우 비슷하며, 실리콘과 동일한 결정 구조를 가지므로 실리콘과 불일치(mismatch)가 적기 때문에, 니켈이 주로 많이 사용된다.
그런데, 앞서 언급한 바와 같이 다결정 실리콘 박막 내의 니켈과 같은 금속 불순물은 실리콘 박막 특성을 변화시키므로 제거되어야 한다.
도 4a 및 도 4b는 이러한 방법으로 형성된 다결정 실리콘 박막 내의 금속 불순물을 제거하는 방법을 도시한 것이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 내부에 금속 불순물(141)을 포함하는 다결정 실리콘막(160)이 형성되어 있는 기판(110) 하부에 자기장 형성 장치(200)를 설치한다. 여기서, 자기장 형성 장치(200)는 자석이나 코일 등에 의해 형성할 수 있으며, 금속 불순물(141)은 니켈이나 철, 코발트와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
다음, 다결정 실리콘막(160)을 500℃ 이하의 온도로 가열하면서, 자기장 형성 장치(200)로 다결정 실리콘막(160) 전체에 균일한 자기장이 형성되도록 한다. 이에 따라, 기판(110)에 수직인 방향으로 자기장(도면의 화살표)이 형성되는데, 자기장은 그 세기가 자기장 형성 장치(200)쪽에서 다결정 실리콘막(160)쪽으로 갈수록 약해진다.
그러면, 500℃ 이하의 온도에서 열적으로 활성화된 금속 불순물(141)이 확산하는데, 니켈이나 철, 코발트와 같은 금속 물질은 강자성(ferromagnetic) 성질을 가지므로 센 자기장 분위기에서 확산 속도가 크게 증가한다. 따라서, 금속 불순물(141)이 빠르게 자기장 형성 장치(200) 방향으로 이동하여 도 4b에 도시한 바와 같이 버퍼층(120)과 인접한 다결정 실리콘막(160)의 표면에 위치하게 된다.
이러한 다결정 실리콘막(160) 상부에 소자를 형성함으로써, 소자의 활성 영역 내에 존재하는 금속 불순물 양을 감소시킬 수 있다.
여기서는 금속 불순물을 다결정 실리콘 박막의 하부로 이동시켜 활성 영역 내의 금속 불순물 양을 감소시킨 경우에 대하여 설명하였으나, 금속 불순물을 다결정 실리콘 박막의 상부로 이동시킬 수도 있다.
이러한 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 도 5a 및 도 5b에 도시하였다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(120)과 금속 불순물(141)을 함유하는 다결정 실리콘막(160)이 순차적으로 형성되어 있는데, 다결정 실리콘막(160) 상부에 자기장 형성 장치(200)를 설치한다.
이어, 다결정 실리콘막(160)을 500℃ 이하의 온도로 가열하면서, 자기장 형성 장치(200)로 다결정 실리콘막(160) 전체에 균일한 자기장이 형성되도록 한다. 여기서, 자기장(도면의 화살표)은 그 세기가 자기장 형성 장치(200)쪽에서 다결정 실리콘막(160)쪽으로 갈수록 약해진다.
그러면, 도 5b에 도시한 바와 같이 금속 불순물(141)은 다결정 실리콘막(160)의 상부 표면으로 이동하게 된다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 다결정 실리콘막(160) 상부 표면에 금속 불순물(141)이 위치하므로, 다결정 실리콘막(160) 하부에 소자를 형성하는 경우에 대해 적합하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 이상 다양한 변화와 변형이 가능하다.
본 발명에서는 금속 물질을 이용하여 실리콘 박막을 결정화하였을 때, 실리 콘 박막 내에 존재하는 금속 물질을 자기장을 이용하여 낮은 온도에서 박막 표면으로 이동시킴으로써, 소자의 활성 영역 내에 존재하는 금속 물질의 양을 감소시킬 수 있다.
Claims (8)
- 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막이 상부에 형성된 기판을 구비하는 단계와;상기 실리콘 박막이 형성된 기판 하부에 자기장 형성 장치를 설치하는 단계;상기 실리콘 박막을 열처리하면서 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 불순물은 니켈과 철, 코발트 중의 어느 하나로 이루어진 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 자기장 형성 장치는 자석이나 코일로 이루어진 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 박막의 열처리 온도는 500℃ 이하인 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 금속 불순물을 포함하는 실리콘 박막이 상부에 형성된 기판을 구비하는 단계와;상기 실리콘 박막 상부에 자기장 형성 장치를 설치하는 단계;상기 실리콘 박막을 열처리하면서 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 금속 불순물은 니켈과 철, 코발트 중의 어느 하나로 이루어진 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 자기장 형성 장치는 자석이나 코일로 이루어진 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 실리콘 박막의 열처리 온도는 500℃ 이하인 실리콘 박막의 금속 불순물 제거 방법.
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