KR100659581B1 - A method for crystallizing silicon and a thin film transistor manufactured by the crystallizing method and a method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 결정화 방법을 나타내는 측단면도이다. 1A to 1E are side cross-sectional views illustrating a crystallization method according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 결정화 방법에 따라 결정화된 실리콘을 도시한 측단면도이다. 2 is a side cross-sectional view showing silicon crystallized according to the crystallization method of the present invention.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 결정화 방법을 나타내는 측단면도이다. 3A to 3G are side cross-sectional views illustrating a crystallization method according to another embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 결정화방법으로 성장된 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조공정을 나타내는 도면이다. 4A to 4E are views illustrating a manufacturing process of a thin film transistor using a semiconductor layer grown by the crystallization method according to the present invention.
* 주요 부분에 대한 도면 부호** Reference numerals for key parts *
100, 200, 300, 401: 기판 130, 230, 231, 330: 금속촉매100, 200, 300, 401:
120, 220, 221, 310, 321, 410, 411, 412: 결정립 필터(식각홈)120, 220, 221, 310, 321, 410, 411, 412: grain filter (etch groove)
140, 240, 340, 341: 비정질 실리콘140, 240, 340, 341: amorphous silicon
150a, 150b, 250a, 250b, 260a, 260b, 350a, 350b: 결정립150a, 150b, 250a, 250b, 260a, 260b, 350a, 350b: grains
170, 270, 370, 420a, 420b: 경계면 430: 활성층170, 270, 370, 420a, 420b: interface 430: active layer
440: 게이트 절연막 450: 게이트 전극440: gate insulating film 450: gate electrode
본 발명은 실리콘 결정화 방법 및 상기 결정화 방법으로 제조된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 금속촉매 유도 결정화를 이용하여 고품질의 폴리 실리콘 박막을 형성하는 실리콘 결정화 방법 및 상기 결정화 방법으로 형성된 폴리 실리콘을 이용하여 제조된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon crystallization method and a thin film transistor manufactured by the crystallization method and a method for manufacturing the same, and in particular, a silicon crystallization method for forming a high quality polysilicon thin film using a metal catalyst induced crystallization and a poly formed by the crystallization method The present invention relates to a thin film transistor manufactured using silicon and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 폴리 실리콘(poly-silicon) 박막을 형성하기 위해서는, 순수 비정질 실리콘을 다양한 방법, 예컨대, 플라즈마 보강 기상 증착(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition), 저압 화학 기상 증착(LPCVD:low pressure chemical vapor deposition) 등을 이용하여 기판 상에 증착한다. 증착된 비정질 실리콘은 레이저 열처리(ELA:eximer laser annealing), 고상 결정화(SPC:solid phase crystallization), 금속 유도 결정화(MIC : metal induced crystallization), 금속유도 측면 결정화(MILC : metal induced lateral crystallization) 등을 이용하여 결정화한다.In general, to form a poly-silicon thin film, pure amorphous silicon may be used in various methods, such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). deposition on a substrate, or the like. The deposited amorphous silicon may be subjected to laser annealing (ELA), solid phase crystallization (SPC), metal induced crystallization (MIC), metal induced lateral crystallization (MILC), and the like. To crystallize.
상기 결정화 방법 중 레이저 열처리 방법(ELA)은 현재 널리 연구되고 있는 폴리 실리콘 형성방법으로, 비정질 실리콘이 증착된 기판에 레이저 에너지를 공급하여 비정질 실리콘을 용융상태로 만든 후 냉각에 의해 폴리 실리콘을 형성하는 방법이다. 그러나 레이저 열처리 방법은 고가의 장비를 이용해야 한다는 단점과 열처리후 실리콘의 표면이 거칠어지기 때문에 전자가 이동할 때 불규칙적인 전위 배리어(potential barrier)에 의한 산란으로 전자이동도가 떨어진다는 단점이 있다.Among the crystallization methods, the laser heat treatment method (ELA) is a polysilicon forming method that is currently widely studied. The polysilicon is formed by supplying laser energy to a substrate on which amorphous silicon is deposited to make amorphous silicon in a molten state and then forming polysilicon by cooling. Way. However, the laser heat treatment method has disadvantages of using expensive equipment, and since the surface of silicon becomes rough after heat treatment, electron mobility is lowered due to scattering due to an irregular potential barrier when electrons move.
고상 결정화 방법(SPC)은 600℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 유리 기판이나 석영 기판에 비정질 실리콘을 증착한 후, 고온로에서 고온 장시간 열처리하여 폴리 실리콘을 얻는 방법이다. 그러나, 고상 결정화 방법은 고온에서 장시간 수행되므로 원하는 폴리 실리콘 형상을 얻는 것이 용이하지 않으며, 결정(립) 성장 방향성이 불규칙하고 폴리 실리콘의 결정립의 크기가 대체로 크지 않고 불균일하기 때문에 전자이동도가 높지 않다.The solid phase crystallization method (SPC) is a method of obtaining polysilicon by depositing amorphous silicon on a glass substrate or a quartz substrate capable of withstanding high temperature of 600 ° C. or higher, and then performing heat treatment at a high temperature for a long time. However, the solid phase crystallization method is not easy to obtain the desired polysilicon shape at a high temperature for a long time, and the electron mobility is not high because the crystal grain growth direction is irregular and the grain size of the polysilicon is not large and nonuniform. .
이에 따라 이러한 문제점을 갖는 ELA나 SPC에 비해, 공정온도가 낮고 공정 비용이 적게 소요되는 금속유도 결정화방법이나 금속 유도 측면 결정화방법이 이용된다. 금속유도 결정화방법(MIC)은 기판 상에 증착된 비정질 실리콘 상에 금속을 증착한 다음, 폴리 실리콘으로 결정화하는 방법으로 유리 기판을 사용할 수 있다. 금속유도 측면 결정화방법(MILC)은 활성 영역에 산화막 패턴을 형성한 다음, 금속을 증착하여 폴리 실리콘을 형성하는 방법으로, 실리콘 결정이 산화막 패턴의 하부 에서 측면으로 성장하기 때문에 캐리어의 이동도를 개선할 수 있다. 그러나, MIC 및 MILC는 저가의 대면적 유리기판을 사용하여 폴리 실리콘을 형성할 수 있으나, 상기 폴리 실리콘 내부의 결정망(network) 속에 금속 잔류물이 존재할 가능성이 높기 때문에 폴리 실리콘 막질의 신뢰성이 다소 떨어질 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 전술한 금속 유도 결정화 방법을 이용하는 경우에는, 실리콘 내부에 금속 잔류물이 존재하여 폴리 실리콘 박막의 특성이 저하되며, 이를 이용하여 박막 트랜지스터를 만들었을 때 누설전류의 원인이 된다. 기판상에 금속촉매가 존재하기 때문에 실리콘이 결정될 때 금속 촉매를 중심으로 여러 방향으로 결정이 성장하며, 다른 방향으로 성장한 다른 결정을 만났을 때 그레인 바운더리를 형성하게 되기 때문에, 결정의 성장 크기에 제한을 받게 되며, 이로 인해 전자 이동도가 저하된다는 단점이 있다. Accordingly, compared with ELA or SPC having such a problem, a metal induction crystallization method or a metal induction side crystallization method using a low process temperature and a low process cost is used. The metal induced crystallization method (MIC) may use a glass substrate by depositing a metal on amorphous silicon deposited on a substrate and then crystallizing the polysilicon. The metal induced side crystallization method (MILC) is a method of forming an oxide pattern in an active region and then depositing a metal to form polysilicon, which improves carrier mobility because silicon crystals grow laterally from the bottom of the oxide pattern. can do. However, MIC and MILC can form polysilicon using low-cost, large-area glass substrates, but the reliability of polysilicon film quality is somewhat higher because metal residues are more likely to be present in the network inside the polysilicon. There is a problem that can fall. In addition, in the case of using the metal-induced crystallization method described above, metal residues are present in the silicon, thereby deteriorating the characteristics of the polysilicon thin film, which causes leakage current when the thin film transistor is formed using the thin film transistor. Because of the presence of a metal catalyst on the substrate, crystals grow in various directions around the metal catalyst when silicon is crystallized, and when grains meet different crystals grown in different directions, grain boundaries are formed. It has a disadvantage in that the electron mobility is lowered.
따라서, 최근에는 기존의 결정화 방법들을 개선한 방법들이 시도되고 있다. 특히, MILC의 단점인 결정립 성장 방향성의 불균일을 해소하기 위해, 결정립 필터(grain filter) 등이 제안되고 있다. 박막 트랜지스터에 금속촉매가 형성되는 활성층과 소자의 채널이 형성되는 활성층 사이에 결정립이 통과되도록 소정 폭의 통로형 결정립 필터를 형성함으로써, 이 필터를 통과한 결정립만 채널영역까지 성장하도록 유도된다. 그러나, 이 방법은 결정 성장을 위한 추가 레이아웃 면적이 필요하기 때문에 작업성이 떨어진다는 단점이 있다. Therefore, in recent years, methods for improving existing crystallization methods have been tried. Particularly, in order to solve the nonuniformity of grain growth direction, which is a disadvantage of MILC, a grain filter or the like has been proposed. By forming a passage-type grain filter having a predetermined width so that the grains pass between the active layer in which the metal catalyst is formed in the thin film transistor and the active layer in which the channel of the element is formed, only the grains passing through the filter are induced to grow to the channel region. However, this method has a disadvantage in that workability is inferior because an additional layout area for crystal growth is required.
또한, 최근에는 결정립 필터를 기판 내에 삽입하는 마이크로-쵸크랄스키 방법이 제안되고 있다. 마이크로 쵸크랄스키 방법은 기판 상에 우물구조를 형성한 다음, 기판 상에 비정질 실리콘을 증착한 뒤, 레이저 열처리를 통해 결정화한다. 상부 실리콘층은 레이저 열처리에 의해 모두 녹는 반면 깊은 우물 속 실리콘에 레이저 에너지가 충분하게 전달되지 않아 마이크로 결정핵 상태로 남아, 상부 실리콘들이 다시 고체상태로 상 변화를 일으킬 때 이 결정핵으로부터 결정립을 성장시키는 방법이다. 그러나, 상기 방법을 사용하는 경우에는 고가의 장비가 필요하기 때문에, 고가의 장비를 사용하지 않고 가능한 저온 공정에서 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하려는 최근의 결정화 방법의 취지에서 벗어난다는 단점이 있다.In recent years, a micro-Czochralski method for inserting a grain filter into a substrate has been proposed. The micro Czochralski method forms a well structure on a substrate, deposits amorphous silicon on the substrate, and then crystallizes through laser heat treatment. While the upper silicon layer melts all by laser heat treatment, the laser energy is not sufficiently delivered to the silicon in the deep well, leaving the micro crystal nucleus, and growing crystal grains from the nucleus when the upper silicon causes a phase change back to the solid state. This is how you do it. However, the use of the above method requires expensive equipment, and thus has the disadvantage of deviating from the purpose of the recent crystallization method of crystallizing amorphous silicon by using it in a low temperature process without using expensive equipment.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 금속촉매 잔류물이 활성층에 영향을 미치지 않으며, 금속촉매에 의한 결정 성장 방향을 한 방향으로만 성장시켜 전자이동도를 향상시키는 실리콘 결정화 방법 및 상기 결정화 방법을 이용하여 제조된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention is an invention designed to solve the above-mentioned problems, the object of the present invention is that the metal catalyst residue does not affect the active layer, the electron mobility by growing the crystal growth direction by the metal catalyst in one direction only To provide a silicon crystallization method and a thin film transistor manufactured by using the crystallization method and a method for manufacturing the same.
또한, 본 발명의 다른 목적은 디스플레이 장치나 3차원 집적 회로를 구현할 수 있는 논리 스위칭 소자에 사용될 수 있도록 저온에서 금속촉매를 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 결정화 방법 및 상기 결정화 방법으로 제조된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is a crystallization method for crystallizing amorphous silicon using a metal catalyst at a low temperature so as to be used in a display device or a logic switching element that can implement a three-dimensional integrated circuit, and a thin film transistor manufactured by the crystallization method and It is to provide a manufacturing method.
본 발명의 또 다른 목적은 원하는 위치에 하나의 결정립을 성장시킴으로써, 결정립의 경계면에서 발생하는 캐리어 충돌을 방지하며, 이에 따라 전자이동도를 개선시킬 수 있는 실리콘 결정화 방법 및 상기 결정화 방법으로 제조된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to grow a single grain at a desired position, thereby preventing carrier collision occurring at the interface of the grain, thereby improving the electron mobility and the thin film prepared by the crystallization method It is to provide a transistor and a method of manufacturing the same.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 실리콘 결정화 방법을 기판 상에 결정립 필터를 형성하는 단계; 상기 결정립 필터에 금속 촉매층을 형성하는 단계; 상기 결정립 필터를 포함한 상기 기판 전체에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; 및 상기 기판을 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화시키는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, to achieve the above object, the present method for crystallizing silicon comprises forming a grain filter on a substrate; Forming a metal catalyst layer on the grain filter; Depositing an amorphous silicon layer over the substrate including the grain filter; And heat treating the substrate to crystallize the amorphous silicon layer.
바람직하게, 상기 결정립 필터를 형성하는 단계는 상기 기판 상에 홀이 형성된 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 레지스트 패턴에 따라 상기 기판을 패터닝하여 상기 기판에 소정 깊이와 폭을 갖는 우물 구조의 결정립 필터를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 결정립 필터를 형성하는 단계는 상기 레지스트 패턴에 따라 상기 기판을 활성화 이온 식각한다. 상기 우물 구조는 단면 폭이 0.5㎛ 이하이고, 깊이가 0.1 ~ 1㎛ 이내로 형성한다. Preferably, the forming of the grain filter may include forming a resist pattern having a hole formed on the substrate, and patterning the substrate according to the resist pattern to form a crystal filter having a well structure having a predetermined depth and width in the substrate. Forming a step. In the forming of the grain filter, the substrate is activated ion etched according to the resist pattern. The well structure has a cross-sectional width of 0.5 μm or less and a depth of 0.1 to 1 μm.
상기 결정립 필터에 금속 촉매층을 형성하는 단계에서는 상기 우물구조의 결정립 필터 저부와 상기 레지스트 패턴 상부에 상기 금속촉매층을 형성하는 단계와,상기 레지스트 패턴의 적어도 일영역을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 금속 촉매층을 형성하는 단계는 스퍼터링, 열증착, E-빔 증착 중 하나를 이용하여 증착한다. 상기 금속 촉매층은 금, 은, 알루미늄, 주석, 인듐, 니켈, 몰리브덴, 팔라디 움, 티타늄, 구리, 철 및 크롬 중 어느 하나를 이용한다. 상기 금속 촉매층은 200Å 이내 범위로 증착된다.The forming of the metal catalyst layer on the grain filter includes forming the metal catalyst layer on the bottom of the grain filter of the well structure and on the resist pattern, and removing at least one region of the resist pattern. Forming the metal catalyst layer is deposited using one of sputtering, thermal evaporation, and E-beam deposition. The metal catalyst layer uses any one of gold, silver, aluminum, tin, indium, nickel, molybdenum, palladium, titanium, copper, iron, and chromium. The metal catalyst layer is deposited within a range of 200 kPa.
상기 비정질 실리콘층을 결정화시키는 단계는, 상기 우물 구조 내의 상기 비정질 실리콘층이 상기 금속 촉매에 의해 우물 구조 상부로 성장하는 단계와, 상기 상향 성장된 결정립에 의해 상기 기판 상의 비정질 실리콘층이 측면으로 성장하는 단계와, 상기 측면 성장된 결정립이 다른 결정립과 계면을 형성할 때 결정립 성장이 멈추는 단계를 포함한다. Crystallizing the amorphous silicon layer may include: growing the amorphous silicon layer in the well structure to the upper part of the well structure by the metal catalyst; and growing the amorphous silicon layer on the substrate laterally by the upwardly grown grains. And stopping grain growth when the laterally grown grains form an interface with other grains.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 박막 트랜지스터는 우물 구조가 형성된 기판; 상기 우물 구조 내에 마련된 금속촉매에 의해 상기 우물 구조의 하부에서 상부로 성장하는 결정립 구조를 갖는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상에 형성되는 게이트 전극; 및 상기 활성층의 일영역과 전기적으로 연결되는 소스/드레인 전극을 포함한다. In addition, according to another aspect of the present invention, the thin film transistor includes a substrate having a well structure; An active layer having a grain structure growing from the bottom of the well structure to the top by a metal catalyst provided in the well structure; A gate insulating layer formed on the active layer; A gate electrode formed on the gate insulating layer; And a source / drain electrode electrically connected to one region of the active layer.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 박막 트랜지스터의 제조방법은 기판 상에 소정 깊이로 함몰된 우물 구조를 형성하는 단계; 상기 우물 구조에 금속 촉매층을 형성하는 단계; 상기 우물 구조를 포함한 상기 기판 전체에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; 상기 기판을 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화시키는 단계; 상기 결정화된 비정질 실리콘층을 패터닝하여 채널영역을 포함하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 영역 상부에 게이트 절연막을 형성하고, 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 활성층 영역에 불순물을 주입하여 소스/드레인 영역을 형성하는 단계; 및 상기 소스/드레인 영역과 전기적으로 접촉하는 소스/드레인 전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the invention, the method of manufacturing the thin film transistor includes the steps of forming a well structure recessed to a predetermined depth on the substrate; Forming a metal catalyst layer on the well structure; Depositing an amorphous silicon layer over the substrate including the well structure; Heat treating the substrate to crystallize the amorphous silicon layer; Patterning the crystallized amorphous silicon layer to form an active layer including a channel region; Forming a gate insulating film on the active layer region, and forming a gate electrode on the gate insulating film; Implanting impurities into the active layer region to form a source / drain region; And forming a source / drain electrode in electrical contact with the source / drain region.
바람직하게, 상기 우물 구조를 형성하는 단계는 상기 기판 상에 홀이 형성된 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 레지스트 패턴에 따라 상기 기판을 패터닝하여 상기 기판에 소정 깊이와 폭을 갖도록 상기 우물 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 레지스트 패턴에 따라 상기 기판을 패터닝하는 단계는 활성화 이온 식각 공정을 이용한다.Preferably, the forming of the well structure includes forming a resist pattern having a hole formed on the substrate, and patterning the substrate according to the resist pattern to form the well structure to have a predetermined depth and width in the substrate. It includes a step. The patterning of the substrate according to the resist pattern uses an activated ion etching process.
상기 금속 촉매층을 형성하는 단계는 상기 우물구조의 하부 및 상기 레지스트 패턴 상부에 상기 금속촉매층을 형성하는 단계와, 상기 레지스트 패턴의 적어도 일영역을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 우물 구조는 단면 폭이 0.5㎛이하이고 깊이가 0.1 - 1㎛ 이내이다. 상기 금속 촉매층을 형성하는 단계는 스퍼터링, 열증착 및 E-빔 증착 중 하나를 이용하여 증착한다. 상기 금속 촉매층은 금, 은, 알루미늄, 주석, 인듐, 니켈, 몰리브덴, 팔라디움, 티타늄, 구리, 철 및 크롬 중 어느 하나 이용한다. 상기 금속 촉매층은 200Å 이하 범위에서 형성된다.The forming of the metal catalyst layer may include forming the metal catalyst layer on the lower portion of the well structure and on the resist pattern, and removing at least one region of the resist pattern. The well structure has a cross-sectional width of 0.5 μm or less and a depth of 0.1-1 μm. Forming the metal catalyst layer is deposited using one of sputtering, thermal evaporation and E-beam deposition. The metal catalyst layer uses any one of gold, silver, aluminum, tin, indium, nickel, molybdenum, palladium, titanium, copper, iron, and chromium. The metal catalyst layer is formed in the range of 200 kPa or less.
상기 비정질 실리콘층을 결정화시키는 단계는 상기 우물 구조 내의 비정질 실리콘층이 상기 금속 촉매에 의해 우물구조 상부로 성장하는 단계와, 상기 상부로 성장된 결정립에 의해 상기 기판 상의 비정질 실리콘층이 측면으로 성장하는 단계와, 상기 측면 성장된 결정립이 다른 결정립과 계면을 형성하면 결정립 성장이 멈추는 단계를 포함한다. 상기 활성층을 형성하는 단계에서는 상기 채널영역과 상 기 게이트 전극이 겹치는 영역에 상기 결정립 계면이 위치하지 않도록 한다. Crystallizing the amorphous silicon layer may include growing an amorphous silicon layer in the well structure to the upper part of the well structure by the metal catalyst, and growing the amorphous silicon layer on the substrate laterally by the grown crystal grains. And stopping grain growth if the laterally grown grains form an interface with other grains. In the forming of the active layer, the grain boundary is not positioned in a region where the channel region and the gate electrode overlap.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 결정화 방법 및 상기 결정화방법을 이용한 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a crystallization method according to the present invention, a thin film transistor using the crystallization method, and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 결정화 방법을 나타내는 측단면도이다. 본 발명에 따라 실리콘층을 결정화하기 위해서는, 우선, 기판(100)을 준비한다. 기판(100)은 플라스틱 또는 유리 등의 절연물질을 이용하여 형성될 수 있으며, 기판(100)의 종류는 제작하고자 하는 반도체 소자의 특성에 따라 적절하게 선택할 수 있다.1A to 1E are side cross-sectional views illustrating a crystallization method according to an embodiment of the present invention. In order to crystallize the silicon layer according to the present invention, first, the
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에는 리소그래피(lithography) 기술을 이용하여 소정 폭을 갖는 관통홀(111)이 형성된 레지스트 패턴(110)이 형성된다. 그 다음, 도 1b를 참조하면, 기판(100) 상에는 좁고 긴 우물(well) 구조의 결정립 필터(120)가 형성되어 있다. 기판(100) 내에 함몰 형성된 결정립 필터(120)는 기판(100) 상에 형성된 레지스트 패턴(110)을 마스크로 이용하여 건식 식각 공정을 통해 형성한 것으로, 본 실시 예에서는 CFx가스 계열을 이용한 플라즈마 식각을 이용한다. 결정립 필터(120)는 후속될 실리콘 결정화 공정에 이용하기 위한 것으로, 실리콘의 결정 성장시 필터 역할을 수행한다. 결정립 필터(120)는 사용자의 요구에 따라 적절한 형태로 형성할 수 있으나, 결정립 필터(120) 저면에 증착될 금속촉매(미도시)에 의해 유도 결정화된 결정립이 하나의 결정 방향을 갖게 하기 위 해서는 그 폭이 적을수록 좋으며, 바람직하게는, 500nm이하의 깊이와 100nm이하의 폭을 갖도록 형성하는 것이 좋다.As shown in FIG. 1A, a resist
다음, 도 1c를 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 레지스트 패턴(110) 상에 금속촉매(130)를 형성한다. 금속촉매(130)는 기판(100) 전면에 형성되는 것으로 결정립 필터(120)의 저면에도 형성된다. 단, 좁고 깊은 우물 구조의 결정립 필터(120)의 측벽 면에는 금속촉매(130)가 증착되지 않는 것이 바람직하다. 이는 추후 실리콘 결정화 시에 결정립 필터링을 용이하게 하기 위한 것, 즉, 동일한 방향성을 갖는 결정 성장을 유도하기 위한 것이다. 이때, 금속촉매(130)는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sb), 인듐(In)과 같은 금속류와 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 크롬(cr) 등과 같은 실리사이드를 형성하는 금속을 이용한다. 금속촉매(130)는 200Å 이하 두께 범위로 형성된다. Next, referring to FIG. 1C, the
다음 단계에서는, 도 1d에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 형성된 레지스트 패턴(110)을 제거한다. 기판(100) 상에 형성된 레지스트 패턴(110)은 리프트-오프 공정으로 제거되며, 이에 의해, 레지스트 패턴(110) 상면에 형성되어 있는 금속촉매(130)를 함께 제거할 수 있다. 레지스트 패턴(110)이 제거된 기판(100) 상에는 비정질 실리콘(140)이 증착된다. 비정질 실리콘(140)은 제조하고자 하는 소자의 특성에 따라 그 두께를 다르게 증착할 수 있으며, 본 실시예에서는 500 ~ 1000Å 정도 증착한다. 비정질 실리콘은 LPCVD나 PECVD와 같은 화학기상 증착법으로 증착되며, 증착 시에는 좁고 긴 우물 구조를 갖는 결정립 필터인 식각홈(130) 안에서 보이드(void)가 생기지 않도록 스텝 커버리지가 좋게 형성해야 한다. In the next step, as shown in FIG. 1D, the resist
비정질 실리콘(140)을 증착할 때, LPCVD 및 PECVD를 이용하는 경우에는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 이용하여 550℃ 이하에서 증착되어야 한다. 이는 증착 시 고상 결정화가 일어나지 않도록 하기 위한 것이다. PECVD를 이용하는 경우에는 추후 결정화를 위한 열처리 시에 수소가스 분출로 인한 실리콘 박막에 결함이 발생하지 않도록 탈수소화 열처리가 필요할 수도 있다. 이때, 비정질 실리콘(140)은 200 내지 2000Å 두께로 증착된다. When depositing
그 다음 단계에서는, 도 1e를 참조하면, 비정질 실리콘(140)이 결정화되도록 기판(100)을 열처리한다. 이때, 열처리는 급속열처리 또는 석영고온로를 이용하며, 열처리시 기판에 가해지는 온도는 금속촉매(130)에 의하여 비정질 실리콘(140)이 결정화될 수 있는 온도범위를 이용하되 자체 고상결정화가 일어나지 않는 온도 범위(즉, 450 ~ 600℃ 사이)를 이용한다. 물론, 급속열처리 또는 석영고온로를 이용하는 동시에 증착된 비정질 실리콘(140)에 전압을 인가하는 방법을 이용할 수 있으며, 이는 비정질 실리콘(140)의 결정화 시간을 단축하기 위한 것이다. 전압을 인가하는 방법으로 결정화하는 경우에는 비정질 실리콘(140)에 약 10 ~ 500V/cm정도의 전압을 인가하며, 10 ~ 300분 정도의 시간 범위를 이용한다.In the next step, referring to FIG. 1E, the
이처럼 다양한 열처리 방법을 통해, 비정질 실리콘(140)은 결정화가 이루어지는데, 우물 구조의 결정립 필터(120)에 채워진 비정질 실리콘(140)의 경우에는 절연물질로 둘러싸여 있기 때문에 국부적으로 더 많은 열적 효과를 받게 되어, 기존의 금속촉매 유도 결정화보다도 낮은 온도에서 금속-실리사이드에 의한 결정화를 유도할 수 있는 것이다. 레이저 열처리의 경우 레이저에 직접 노출되어 상부 비정 질 실리콘만 녹다가 다시 고체상으로 굳으면서 결정화되는 반면, 급속열처리나 석영 고온로를 이용하는 경우에는, 시료 자체의 온도가 전체적으로 올라가므로 적절한 온도에서 결정립 필터 하부의 비정질 실리콘이 먼저 결정화 되도록 할 수 있다. 도 1e를 참조하면, 결정립 필터(120)의 하부에서 상부로 결정립이 성장하면서 동시에 생성된 여러 결정립 중 수직 방향을 갖는 결정립(150a)만이 상부 실리콘층(140)까지 성장할 수 있게 된다. 즉, 그 외 방향으로 성장한 결정립은 우물 안에서 갇혀 더 이상 성장할 수 없게 되므로, 좁고 깊은 결정립 필터(120) 구조가 필터 역할을 수행한다. 상부로 성장된 결정립(150a)은 비정질 실리콘(140)의 수평방향을 따라 좌우(150b)로 성장된다. 좌우로 성장되는 결정립(150b)다른 소자를 구성하기 위한 결정립과 만날 때까지 성장을 계속한다.Through such various heat treatment methods, the
도 2는 본 발명의 결정화 방법에 따라 결정화된 실리콘을 도시한 측단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시 예에는 기판(200) 상에 한 쌍의 우물 구조의 결정립 필터(220, 221)가 형성되며, 결정립 필터(220, 221)에는 금속촉매(230, 231)가 증착된다. 결정 성장 과정에 대한 구체적인 설명은 도 1a 내지 도 1e와 동일하므로 생략한다. 상부 실리콘층(240) 까지 성장한 결정립(250a, 260a)은 상부 실리콘층(240)과 반응하여 측면을 따라 계속 결정화(250b, 260b)를 이어가게 되며, 이 결정화는 계속 이어지다가 다른 식각홈(220,221)에서 성장된 금속촉매로부터 성장한 결정립(250b, 260b)을 만나 결정립 계면(270)을 형성하며, 결정립(270)이 형성되면 성장은 정지한다. 이때, 결정립 계면(270)에는 비정질 실리콘의 결정화를 유도한 금속촉매가 잔존할 수 있다. 2 is a side cross-sectional view showing silicon crystallized according to the crystallization method of the present invention. Referring to FIG. 2, in the present embodiment, a pair of well-formed
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 결정화 방법을 나타내는 측단면도이다. 본 발명에 따라 실리콘층을 결정화하기 위해서는, 우선, 기판(300)을 준비한다. 준비된 기판(300)에는 소정 폭의 결정립 필터로 사용하기 위한 기판식각홈(310)이 형성된다. 식각홈(310)은 전술한 도 1a 및 도 1b에 개시된 공정을 이용하여 형성할 수 있으므로, 식각홈(310) 형성 공정에 대한 구체적인 설명은 삭제한다. 본 실시 예에서 식각홈(310)의 폭은 100nm ~ 500nm 범위에서 형성되며, 그 깊이는 100 ~ 1000nm정도로 형성한다.3A to 3G are side cross-sectional views illustrating a crystallization method according to another embodiment of the present invention. In order to crystallize the silicon layer according to the present invention, first, the
그 다음, 도 3b를 참조하면, 식각홈(310)이 형성된 기판(300)에는 버퍼층(320)이 형성된다. 버퍼층(320)은 이후 진행될 금속촉매 유도 결정화에 사용되는 금속이 기판을 통해 기판의 다른 부분으로 전달되어 기판을 오염시키는 것을 방지한다. 또한, 버퍼층(320)은 형성된 식각홈(310)의 폭을 좁히는 역할을 수행할 수 있으며, 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막을 PECVD 또는 LPCVD 방법으로 증착하여 형성한다. 버퍼층(320)의 증착 두께는 식각홈(310)의 형성 폭에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 대략 20 ~ 100nm 정도의 두께로 증착할 수 있다. 기판(300) 상에 형성된 식각홈(310)은 버퍼층(320)이 증착된 후, 그 폭이 좁은 식각홈(321)이 형성된다. Next, referring to FIG. 3B, a
도 3c를 참조하면, 버퍼층(320) 상에는 금속촉매(330)가 증착된다. 금속촉매(330)는 식각홈(321)의 저면에도 형성된다. 단, 좁고 깊은 식각홈(321), 즉, 버 퍼층(320)의 측벽면에는 금속촉매(330)가 증착되지 않는 것이 바람직한데, 이는 추후 실리콘 결정화 시에 결정립 필터링을 용이하게 하기 위한 것, 즉, 동일한 방향성을 갖는 성장을 유도하기 위한 것이다. 이때, 금속촉매(330)는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sb), 인듐(In)과 같은 금속류와 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 크롬(cr) 등과 같은 실리사이드를 형성하는 금속을 이용하여 형성된다. 이때, 금속촉매량(130)은 200Å 이하 두께 범위에서 선택되어 형성된다. Referring to FIG. 3C, a
그 다음, 도 3d를 참조하면, 금속촉매(330)가 증착된 버퍼층(320) 상에 제1 비정질 실리콘층(340)이 형성된다. 이 때, 좁고 긴 식각홈(310) 안에서도 보이드(void)가 생기지 않도록 증착 시에는 스텝 커버리지가 좋아야 한다. 그 다음 단계에서는, 도 3e를 참조하면, 식각홈(321) 이외에 형성된 금속촉매(330)를 선택적으로 제거하기 위해, 기판(300) 표면으로부터 소정 두께 범위로 식각한다. 이때, 식각 두께는 기판(300) 상에 형성된 비정질 실리콘층(340)과 버퍼층(320)을 모두 제거하기에 충분한 두께범위로 식각한다. 이때, 버퍼층(320) 상에 형성된 금속촉매(330) 역시 모두 제거된다. 기판(300)을 식각할 때는, 비등방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 식각이나 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 이용한다.Next, referring to FIG. 3D, a first
도 3f를 참조하면, 버퍼층(320)이 식각된 기판(300) 상에는 박막 트랜지스터의 반도체층을 형성하기 위해 제2 비정질 실리콘층(341)이 형성된다. 제2 비정질 실리콘(341)은 제조하고자 하는 반도체 소자의 특성에 따라 그 두께를 다르게 증착할 수 있으며, 본 실시 예에서는 500 ~ 1000Å 정도로 증착하여 박막 트랜지스터를 제조한다. 제2 비정질 실리콘층(341)은 LPCVD나 PECVD와 같은 화학기상 증착법으로 증착된다. Referring to FIG. 3F, a second
제2 비정질 실리콘(341)을 증착할 때, LPCVD를 이용하는 경우에는 450 ~ 550℃ 정도에서 증착되어야 하는 데 이는 LPCVD증착시 고상 결정화가 일어나지 않도록 하기 위한 것이다. 만약, PECVD를 이용하는 경우에는 추후 결정화를 위한 열처리 시에 수소가스 분출로 인한 실리콘 박막에 결함이 발생하지 않도록 탈수소화 열처리가 필요할 수도 있다.When the second
그 다음 단계에서, 도 3g을 참조하면, 제2 비정질 실리콘(341)이 결정화되도록 기판(300)을 열처리한다. 이때, 열처리는 금속열처리 또는 석영고온로를 이용하며, 열처리시 기판에 가해지는 온도는 금속촉매(330)에 의하여 제1 및 제2 비정질 실리콘(340, 341)이 결정화되도록 하는 온도범위를 이용하되 자체 고상결정화가 일어나지 않는 온도 범위(예를 들면, 450 ~ 600℃ 사이)를 이용해야 한다. 결정화의 또 다른 방법으로는 열처리를 하는 동시에 비정질 실리콘(340)에 전압을 인가하여 결정화시키는 방법을 이용할 수 있으며, 이 방법을 이용하는 경우에는 제1 및 제2 비정질 실리콘(340,341)의 결정화 시간을 단축할 수 있다. 이때, 비정질 실리콘(340, 341)에 인가되는 전압은 약 10 ~ 500V/cm정도이며, 시간은 10 ~ 300분 범위에서 이루어진다.In a next step, referring to FIG. 3G, the
제1 및 제2 비정질 실리콘(340, 341)은 인가된 열에 의하여 결정화가 이루어지는데, 좁고 깊은 식각홈(321)에 채워진 제1 비정질 실리콘(340)의 경우에는 절연물질로 둘러싸여 있기 때문에 국부적으로 많은 열적 효과를 받게 되며, 일반적인 금속촉매 유도 결정화보다도 낮은 온도에서 금속 실리사이드에 의한 결정화를 유도할 수 있다. 이후, 식각홈(321)에서 결정립이 상부로 성장하면서 동시에 생성된 여러 결정립 중 수직 방향을 갖는 결정립(350a)만이 제2 비정질 실리콘층(341)까지 성장할 수 있게 된다. 즉, 그 외 방향으로 성장한 결정립은 우물 안에서 갇혀 더 이상 성장할 수 없게 되므로, 좁고 깊은 식각홈(321) 구조가 결정립 필터 역할을 한다. 제2 비정질 실리콘층(341) 까지 성장한 결정립(350a)은 제1 비정질 실리콘층(340)과 반응하여 측면을 따라 계속 결정화를 이어가게 되며(350b), 이 결정화는 계속 이어지다가 다른 식각홈에서 성장된 금속촉매로부터 성장한 결정립을 만나 결정립 계면(370)을 형성할 수 있다.The first and second
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 결정화방법으로 성장된 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조공정을 나타내는 도면이다.4A to 4E are views illustrating a manufacturing process of a thin film transistor using a semiconductor layer grown by the crystallization method according to the present invention.
도 4a를 참조하면, 본 방법에 따른 박막 트랜지스터(400)는 우물 구조를 갖는 다수의 결정립 필터(410, 411, 412,...)가 형성된 기판(400)을 포함한다. 기판(400)에는 임의의 위치에 금속촉매 유도 결정화를 거친 단결정립들이 일정한 배열로 형성되어 있는 다결정 실리콘층(420)이 형성된다. 이때, 각 결정립들이 만나서 경계를 이루는 면(420a, 420b)에는 비정질 실리콘층의 결정화를 유도했던 금속촉매 또는 실리사이드가 잔존할 수 있다.Referring to FIG. 4A, the
다음, 도 4b를 참조하면, 다결정 실리콘층(420)을 형성할 소자와 소자 간의 전기적 격리를 위하여 박막 트랜지스터(400)의 활성층(430)이 형성된다. 일반적으 로, 박막 트랜지스터(400)의 구성요소는 활성층(430) 중 게이트 전극(450)이 지나가는 채널영역(미도시)이 결정립 경계면(420a, 420b)에 걸쳐지지 않도록 배치하며, 본 발명에서는 원하는 위치에 결정립 성장을 유도할 수 있어 채널영역이 경계면(420a,420b)이 걸쳐지지 않도록 배치할 수 있다.Next, referring to FIG. 4B, an
도 4c 내지 도 4e를 참조하면, 활성층(430) 상에 게이트 절연막(440)과 게이트 금속층을 순차 적층한 뒤, 게이트 전극(450)을 형성한다. 게이트 절연막(440)은 실리콘 산화막이나, 실리콘 질화막 또는 HfO2, ZrO2, Ta2O5, Y2O3, HfSiON, HfAlON 등과 같은 고유전율 박막이 이용될 수 있다. 게이트 전극(450)은 불순물이 함유된 폴리실리콘이나, SixGe1 -x, 또는 W, Ti, Ta, Ru, Pt, Mo 등의 금속 또는 TiN, TaN, TaSiN, WN 등의 금속 질화물, 또는 CoSi, NiSi, WSix 등의 금속 실리사이드가 사용될 수 있다. 박막 트랜지스터(400)의 활성층(430)이 실리콘 결정립 경계면(420a, 420b)에 걸쳐 있다 하더라도, 소자의 실질적인 전류 스위칭을 결정하는 것은 활성층과 게이트 전극의 겹치는 영역, 즉, 채널영역(430a)이므로 실리콘 결정립 경계면에 잔존 금속촉매에 의한 소자의 전기적 특성 열화로부터 자유로울 수 있다.4C to 4E, the
그 다음, 활성층(430) 영역에 불순물을 주입하고, 열처리함으로써 활성화시켜 소스 영역 및 드레인 영역을 형성한다. 마지막으로, 소스/드레인 전극(미도시)을 형성하여 박막 트랜지스터(400)를 형성한다. Next, an impurity is implanted into the
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예 들을 참고로 설명되었으나, 이는 예 시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. There will be.
이상, 전술에 따르면, 본 발명에서는 결정립 필터 구조를 갖는 기판 상에 금속 촉매 유도결정화를 이용하여 실리콘층을 결정화함으로써, 고품질의 다결정 실리콘층을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 결정화방법을 이용하여 결정화된 다결정 실리콘층을 이용하여 박막 트랜지스터를 형성함으로써, 박막 트랜지스터의 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 덧붙여, 전술한 제조방법을 이용하여 형성된 박막 트랜지스터를 액정표시장치나 디스플레이 장치에 이용함으로써 효율(예컨대, 발광효율 및 휘도 등)을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the above, in the present invention, a high quality polycrystalline silicon layer can be formed by crystallizing the silicon layer on the substrate having the grain filter structure using metal catalyst induction crystallization. In addition, the present invention can improve the electron mobility of the thin film transistor by forming a thin film transistor using the polycrystalline silicon layer crystallized using the crystallization method described above. In addition, the efficiency (for example, luminous efficiency, luminance, etc.) can be improved by using the thin film transistor formed using the above-mentioned manufacturing method in a liquid crystal display device or a display device.
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