KR100685848B1 - Fabricating method for thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 결정화 공정의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a crystallization process according to the present invention.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 박막트랜지스터를 제조하는 방법을 순서적으로 나타낸 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 도핑량에 따른 저항값 특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the resistance value characteristics according to the amount of doping according to the present invention.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 박막트랜지스터의 특성을 나타내는 그래프이다.4 and 5 are graphs showing the characteristics of the thin film transistor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100. 기판 110. 버퍼층100.
120. 비정질 실리콘층 123. 캡핑층120.
123a. 제1 캡핑층 123b. 제2 캡핑층123a.
125. 금속 촉매층 126. 금속 촉매125.
127. 침투 128, 130, 130'. 반도체층127.
132, 132'. 소오스 영역 134, 134'. 채널 영역132, 132 '.
136, 136'. 드레인 영역 138. 게이트 전극136, 136 '. Drain
140. 게이트 절연막 150. 층간 절연막140. Gate
152. 소오스 전극 154. 드레인 전극152.
H. 열처리 Ⅰ. 개구부H. Heat Treatment Ⅰ. Opening
본 발명은 박막트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SGS 결정화법으로 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화하는 방법에서 SGS 결정화 후 불순물인 인(P) 등을 주입하고 열처리하여 게터링(gettering) 함으로써, 상기 다결정 실리콘층에 남아있는 금속 촉매의 잔류량을 최소로 하는 박막트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor, and more particularly, in the method of crystallizing an amorphous silicon layer into a polycrystalline silicon layer by SGS crystallization method, after impregnating phosphorus (P) after SGS crystallization and heat treatment by gettering ( The present invention relates to a method of manufacturing a thin film transistor which minimizes the residual amount of the metal catalyst remaining in the polycrystalline silicon layer.
일반적으로, 다결정 실리콘층은 높은 전계 효과 이동도와 고속 동작 회로에 적용이 가능하며 CMOS 회로 구성이 가능하다는 장점이 있어 박막트랜지스터용 반도체층의 용도로서 많이 사용되고 있다. 이러한 다결정 실리콘층을 이용한 박막트랜지스터는 주로 능동 매트릭스 액정 디스플레이 장치(AMLCD)의 능동소자와 유기전계 발광소자(OLED)의 스위칭 소자 및 구동 소자에 사용된다. In general, the polycrystalline silicon layer is widely used as a semiconductor layer for thin film transistors because of its advantages in that it can be applied to high field effect mobility, high speed operation circuits, and CMOS circuits. The thin film transistor using the polycrystalline silicon layer is mainly used in the active element of the active matrix liquid crystal display device (AMLCD) and the switching element and the driving element of the organic light emitting element (OLED).
상기 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법은 고상 결정화법(Solid Phase Crystallization), 엑시머 레이저 결정화법(Excimer Laser Crystallization), 금속 유도 결정화법(Metal Induced Crystallization) 및 금속 유도 측면 결정화법(Metal Induced Lateral Crystallization) 등이 있는데, 고상 결정화법은 비정질 실리콘층을 박막트랜지스터가 사용되는 디스플레이 소자의 기판을 형성하는 물질인 유리의 변형 온도인 약 700℃ 이하의 온도에서 수 시간 내지 수십 시간에 걸쳐 어닐링하는 방법이고, 엑시머 레이저 결정화법은 엑시머 레이저를 비정질 실리콘층에 주사하여 매우 짧은 시간 동안 국부적으로 높은 온도로 가열하여 결정화하는 방법이며, 금속 유도 결정화법은 니켈, 팔라듐, 금, 알루미늄 등의 금속을 비정질 실리콘층과 접촉시키거나 주입하여 상기 금속에 의해 비정질 실리콘층이 다결정 실리콘층으로 상 변화가 유도되는 현상을 이용하는 방법이고, 금속 유도 측면 결정화법은 금속과 실리콘이 반응하여 생성된 실리사이드가 측면으로 계속하여 전파되면서 순차로 비정질 실리콘층의 결정화를 유도하는 방법을 이용하는 결정화 방법이다.Crystallization of the amorphous silicon into polycrystalline silicon may include solid phase crystallization, solid phase crystallization, excimer laser crystallization, metal induced crystallization, and metal induced lateral crystallization. The solid phase crystallization method is a method of annealing an amorphous silicon layer over several hours to several tens of hours at a temperature of about 700 ° C. or less, which is a deformation temperature of glass, which is a material for forming a substrate of a display device using a thin film transistor. , The excimer laser crystallization method is to scan the excimer laser to the amorphous silicon layer and to crystallize by heating to a locally high temperature for a very short time, the metal-induced crystallization method is a metal layer such as nickel, palladium, gold, aluminum By contacting or injecting with said metal The crystalline silicon layer is a method of inducing a phase change to the polycrystalline silicon layer, and the metal-induced lateral crystallization method induces crystallization of the amorphous silicon layer sequentially as the silicide generated by the reaction between the metal and silicon continues to propagate to the side. It is a crystallization method using the method.
그러나, 상기의 고상 결정화법은 공정 시간이 너무 길뿐만 아니라 고온에서 장시간 열처리함으로써 기판의 변형이 발생하기 쉽다는 단점이 있고, 엑시머 레이저 결정화법은 고가의 레이저 장치가 필요할 뿐만 아니라 다결정화된 표면의 돌기(protrusion)가 발생하여 반도체층과 게이트 절연막의 계면 특성이 나쁘다는 단점이 있으며, 상기 금속 유도 결정화법 또는 금속 유도 측면 결정화법으로 결정화하는 경우에는 많은 양의 금속 촉매가 결정화된 다결정 실리콘층에 잔류하여 박막트랜지스터의 반도체층의 누설 전류를 증가시키는 단점이 있다.However, the above-mentioned solid-phase crystallization method has a disadvantage that not only the process time is too long but also the substrate is easily deformed by heat treatment at a high temperature for a long time, and the excimer laser crystallization method requires not only an expensive laser device but also There is a disadvantage that the interfacial property between the semiconductor layer and the gate insulating film is bad due to the protrusion (protrusion), when the crystallization by the metal-induced crystallization method or metal-induced side crystallization method, a large amount of metal catalyst in the crystallized polycrystalline silicon layer There is a disadvantage that the residual current increases the leakage current of the semiconductor layer of the thin film transistor.
현재, 금속을 이용하여 비정질 실리콘층을 결정화하는 방법은 고상결정화(Solid Phase Crystallization)보다 낮은 온도에서 빠른 시간 내에 결정화시킬 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 많이 연구되고 있다. 금속을 이용한 결정화 방법 은 금속 유도 결정화(MIC, Metal Induced Crystallization) 방법과 금속 유도 측면 결정화(MILC, Metal Induced Lateral Crystallization) 방법으로 구분된다. 그러나, 금속 촉매를 이용한 상기 방법의 경우는 금속 촉매에 의한 오염으로 인하여 박막트랜지스터의 소자 특성이 저하되는 문제점이 있다.At present, a method of crystallizing an amorphous silicon layer using a metal has been studied because it has an advantage that can be crystallized at a lower time than a solid phase crystallization (Solid Phase Crystallization) in a short time. Crystallization using metal is divided into Metal Induced Crystallization (MIC) and Metal Induced Lateral Crystallization (MILC). However, the method using the metal catalyst has a problem in that the device characteristics of the thin film transistor are deteriorated due to contamination by the metal catalyst.
상기와 같은 금속 촉매의 오염 문제를 해결하기 위하여 덮개층을 이용한 결정화 방법으로 다결정 실리콘층을 제조하는 방법(공개 특허 2003-0060403)이 개발되었다. 상기의 방법은 기판 상에 비정질 실리콘층 및 덮개층을 증착하고 그 위에 금속 촉매층을 형성시킨 다음, 상기 기판을 열처리 혹은 레이저를 이용한 열처리 공정으로 상기 금속 촉매를 덮개층을 통해서 비정질 실리콘층으로 확산시켜 시드(seed)를 형성시킨 후, 이를 이용하여 다결정 실리콘층을 얻어내는 방법이다. 상기 방법은 금속 촉매가 덮개층을 통하여 확산되기 때문에 필요 이상의 금속 오염을 막을 수 있다는 장점이 있으나, 여전히 다결정 실리콘층 내부에 금속 촉매층이 다량 존재하는 문제점이 있다.In order to solve the contamination problem of the metal catalyst as described above, a method of manufacturing a polycrystalline silicon layer by a crystallization method using a cover layer (published patent 2003-0060403) has been developed. In the above method, an amorphous silicon layer and a cover layer are deposited on a substrate, a metal catalyst layer is formed thereon, and then the substrate is heat-treated or heat-treated using a laser to diffuse the metal catalyst into the amorphous silicon layer through the cover layer. After forming a seed (seed), it is a method of obtaining a polycrystalline silicon layer using this. The above method has an advantage of preventing metal contamination more than necessary because the metal catalyst diffuses through the cover layer, but there is still a problem that a large amount of the metal catalyst layer is present inside the polycrystalline silicon layer.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, SGS 결정화법으로 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화하는 방법에서, SGS 결정화 후 n형 불순물인 인(P) 등을 주입하고 열처리하여 게터링(gettering) 함으로써, 금속 촉매의 확산을 제어할 수 있는 캡핑층을 이용하여 결정화에 기여하는 금속 촉매의 양을 조절하고, 조절된 금속 촉매에 의해서 다결정 실리콘층의 결정립의 크기 를 크게 형성하며, 다결정 실리콘층에 잔류하는 금속 촉매의 양을 최소화할 수 있는 박막트랜지스터를 얻을 수 있는데 목적이 있다. The present invention is to solve the above problems of the prior art, in the method of crystallizing an amorphous silicon layer into a polycrystalline silicon layer by the SGS crystallization method, after the crystallization of SGS and n-type impurities phosphorus (P) and the like and heat treatment By gettering, the amount of metal catalyst contributing to the crystallization is controlled by using a capping layer that can control the diffusion of the metal catalyst, and the size of the crystal grains of the polycrystalline silicon layer is largely formed by the controlled metal catalyst. An object of the present invention is to obtain a thin film transistor capable of minimizing the amount of metal catalyst remaining in the polycrystalline silicon layer.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 박막트랜지스터의 제조방법은,Method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention to achieve the above object,
기판을 준비하는 단계;Preparing a substrate;
상기 기판 상에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;Forming an amorphous silicon layer on the substrate;
상기 비정질 실리콘 상에 캡핑층을 형성하는 단계;Forming a capping layer on the amorphous silicon;
상기 캡핑층 상에 금속 촉매를 증착하는 단계;Depositing a metal catalyst on the capping layer;
상기 기판을 제1 열처리하여 금속 촉매를 상기 캡핑층을 통해 확산시켜 비정질 실리콘층의 계면으로 이동시키는 단계;First heat treating the substrate to diffuse a metal catalyst through the capping layer to move the substrate to an interface of an amorphous silicon layer;
상기 기판을 제2 열처리하여 확산된 금속 촉매에 의해 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화하는 단계; Crystallizing an amorphous silicon layer into a polycrystalline silicon layer by a metal catalyst diffused by second heat treatment of the substrate;
상기 캡핑층을 제거하는 단계;Removing the capping layer;
상기 다결정 실리콘을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계;Patterning the polycrystalline silicon to form a semiconductor layer;
상기 반도체층을 p형 도펀트로 도핑하는 단계; 및Doping the semiconductor layer with a p-type dopant; And
상기 p형 도펀트가 도핑된 반도체층에 n형 불순물을 주입하고 제3 열처리하는 단계;를 포함하고,And implanting n-type impurities into the p-type dopant-doped semiconductor layer and performing a third heat treatment.
상기 n형 불순물은 1*e11/cm2 내지 3*e15/cm2로 주입하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법과,The n-type impurity is a method of manufacturing a thin film transistor, characterized in that the injection of 1 * e 11 / cm 2 to 3 * e 15 / cm 2 ,
상기 n형 불순물은 소오스/드레인 영역에 도핑하는 것을 특징으로 하는 것과,The n-type impurity is doped in a source / drain region,
상기 n형 불순물은 주기율표상의 5족 원소로 되어 있는 것을 특징으로 하는 것과,The n-type impurity is composed of a
상기 n형 불순물은 P, PHX + 또는 P2HX 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것과,The n-type impurity is characterized in that any one of P, PH X + or P 2 H X ,
상기 제3 열처리는 450 내지 800℃의 온도 범위에서 열처리함을 특징으로 하는 것과,The third heat treatment is characterized in that the heat treatment in the temperature range of 450 to 800 ℃,
상기 n형 불순물은 가속 전압을 10keV 내지 100keV의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 것과,The n-type impurity is characterized in that the acceleration voltage in the range of 10keV to 100keV,
상기 캡핑층은 비정질 실리콘층 상에 형성된 제1 캡핑층과 상기 제1 캡핑층 상에 위치한 제2 캡핑층으로 구성되어 있고, 상기 제2 캡핑층에는 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것과,The capping layer is composed of a first capping layer formed on the amorphous silicon layer and a second capping layer located on the first capping layer, characterized in that the opening is formed in the second capping layer,
상기 제1 캡핑층은 실리콘 산화막으로 형성하고, 상기 제2 캡핑층은 실리콘 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 것과,The first capping layer is formed of a silicon oxide film, and the second capping layer is formed of a silicon nitride film,
상기 실리콘 산화막의 두께는 1 내지 20Å인 것을 특징으로 하는 것과,The silicon oxide film is characterized in that the thickness of 1 to 20Å,
상기 실리콘 질화막의 두께는 1 내지 2000Å인 것을 특징으로 한다.The silicon nitride film has a thickness of 1 to 2000 kPa.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어 지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어 지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면은 명확한 설명을 위해 과장되게 도시될 수도 있고, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In the figures, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The drawings depicting preferred embodiments of the invention may be exaggerated for clarity, and like reference numerals refer to like elements throughout.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부하는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail.
도 1은 본 발명에 의한 결정화 공정의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of the crystallization process according to the present invention.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 유리 또는 플라스틱과 같은 기판(100)상에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연막을 이용하여 단층 또는 복층으로 버퍼층(110)을 형성한다. 이때 상기 버퍼층(110)은 기판(100)에서 발생하는 수분 또는 불순물의 확산을 방지하거나, 결정화시 열의 전달 속도를 조절함으로써, 상기 비정질 실리콘층의 결정화가 잘 이루어질 수 있도록 하는 역할을 한다.First, as shown in FIG. 1, the
이어서, 상기 버퍼층(110) 상에 비정질 실리콘층(120)을 형성한다. 이때 상기 비정질 실리콘층(120)은 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)을 이용할 수 있다. 또한 상기 비정질 실리콘층(120)을 형성할 때 또는 형성한 후에 탈수소 처리하여 수소의 농도를 낮추는 공정을 진행할 수 있다.Subsequently, an
도 2a는 상기 비정질 실리콘층 상에 금속 촉매를 포함하는 캡핑층을 형성하는 공정의 일 실시예를 나타내는 단면도이다. 2A is a cross-sectional view illustrating an example of a process of forming a capping layer including a metal catalyst on the amorphous silicon layer.
도 2a를 참조하면, 상기 비정질 실리콘층(120) 상에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 적층 구조로 이루어진 캡핑층(123)을 형성한다. 상기 캡핑층(123)은 제1 캡핑층(123a)과 제2 캡핑층(123b)으로 구성되어 있고 상기 제2 캡핑층(123b)에는 개구부(Ⅰ)가 형성되어 있는데, 실리콘 산화막 보다는 실리콘 질화막에서 금속 촉매의 확산이 쉽게 이루어지므로 본 발명의 캡핑층(123)은 비정질 실리콘층(120) 상에 형성되어 있는 제1 캡핑층(123a)을 실리콘 산화막으로 형성하고 상기 제2 캡핑층(123b)을 실리콘 질화막으로 형성하며 상기 제2 캡핑층(123b) 상에 형성되어 있는 개구부(Ⅰ)를 통하여 금속 촉매가 선택적으로 침투할 수 있게 한다. 한편, 상기 제1 캡핑층(123a)과 제2 캡핑층(123b)을 형성하는 물질의 순서를 역으로 하여 구성하여도 무관하다.Referring to FIG. 2A, a
이때, 상기 제1 캡핑층(123a)으로 사용되는 실리콘 산화막은 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법으로 증착하거나 UV 산화법, 열산화법, 산소플라즈마 산화법 또는 자연 산화법으로 형성한 열산화막 또는 자연 산화막을 이용하여 형성 할 수 있는데, 상기 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법은 비정질 실리콘층(120) 상에 산화막을 증착하는 공정으로 형성하고, 상기 UV 산화법, 열산화법, 산소플라즈마 산화법 또는 자연 산화법은 비정질 실리콘층(120) 상에 UV를 조사하여 열산화막을 형성하거나, 기판(100)을 가열하여 열산화막을 형성하거나, 비정질 실리콘층(120) 상에 산소플라즈마를 인가하여 열산화막을 형성하거나, 산소가 포함된 대기 또는 진공 중에 비정질 실리콘층(120)의 기면을 수 초 또는 수십 분 동안 노출시켜 자연 산화막이 생성되도록 하는 방법들을 이용하여 형성할 수 있다. In this case, the silicon oxide film used as the
이때, 상기 실리콘 산화막을 형성하는 바람직한 방법은 산소플라즈마를 이용하여 형성하는 방법인데, 공정 파워(power)는 100 내지 1000W를 사용하고, 공정 시간은 10 내지 1000초, 공정 압력은 70 내지 400Pa인 공정 조건을 갖는 산소플라즈마를 이용하여 열산화막을 형성한다. 또 다른 실리콘 산화막을 형성하는 바람직한 방법은 상기 비정질 실리콘층(120) 상을 산소를 포함하는 대기나 진공 중에 노출시켜 비정질 실리콘층(120) 상에 자연 산화막이 자연스럽게 생성하도록 하는 방법이다.At this time, the preferred method of forming the silicon oxide film is a method of forming using oxygen plasma, the process power (power) using 100 to 1000W, the process time is 10 to 1000 seconds, the process pressure is 70 to 400Pa A thermal oxide film is formed using oxygen plasma having conditions. Another method of forming the silicon oxide film is a method of naturally generating the natural oxide film on the
이때, 상기 실리콘 산화막의 두께는 1 내지 20Å의 두께로 형성한다. 이때, 상기 실리콘 산화막의 최소 두께가 1Å이상이 되어야 하는 이유는 1Å 이하의 두께는 실리콘 산화막이 거의 존재하지 않아 금속 촉매가 비정질 실리콘층(120)으로 직접 침투하여 다결정 실리콘층의 결정화시 결정립의 크기를 크게 형성할 수 없고, 20Å 이상의 두께인 경우에는 금속 촉매가 상기 실리콘 산화막을 거의 통과하지 못하여 결정화가 어렵기 때문이다.At this time, the thickness of the silicon oxide film is formed to a thickness of 1 to 20Å. At this time, the minimum thickness of the silicon oxide film should be 1Å or more, because the thickness of 1Å or less almost no silicon oxide film is present, so that the metal catalyst penetrates directly into the
이어서, 상기 제1 캡핑층(123a)으로 사용되는 실리콘 산화막 상에 개구부(Ⅰ)를 구비한 제2 캡핑층(123b)을 형성하는데, 상기 제2 캡핑층(123b)은 금속 촉매가 열처리 공정을 통해 확산할 수 있는 실리콘 질화막으로 형성하는 것이 바람직하고, 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법 등과 같은 방법으로 형성한다. 이때, 상기 제2 캡핑층(123b)의 두께는 1 내지 2000Å로 형성한다. 본 발명에서는 상기 개구부(Ⅰ)가 형성된 실리콘 질화막을 통하여 금속 촉매가 비정질 실리콘층(120)으로 선택적으로 침투할 수 있어 시드(seed)의 양과 위치를 제어할 수 있게 된다.Subsequently, a
도 2b는 상기 캡핑층 상에 금속 촉매층을 형성하는 공정의 단면도이다. 2B is a cross-sectional view of a process of forming a metal catalyst layer on the capping layer.
도 2b를 참조하면, 상기 개구부(Ⅰ)를 포함한 제2 캡핑층(123b) 상에 금속 촉매를 증착하여 금속 촉매층(125)을 형성한다. 이때, 상기 금속 촉매는 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd 또는 Pt 중 어느 하나 이상을 사용하는데, 바람직하게는 니켈(Ni)을 이용한다.Referring to FIG. 2B, a metal catalyst is deposited on the
이때, 일반적으로 금속유도 결정화법 또는 금속유도 측면결정화법에서 금속 촉매의 두께 또는 밀도를 조심스럽게 조절해야 하는데, 이는 결정화 후에 상기 금속 촉매가 다결정 실리콘층의 표면에 잔류하여 박막트랜지스터의 누설 전류(leakage current)를 증가시키는 등의 문제를 야기하기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는 상기 금속 촉매층(125)의 두께 또는 밀도를 정밀하게 제어할 필요없이 두껍게 형성하여도 무방하다. 이는 상기 제1 캡핑층(123a)으로 형성되어 있는 실리콘 산화막이 확산하는 금속 촉매를 필터링 하여 미량의 금속 촉매만이 결정화에 기여 하고, 확산하는 대부분의 금속 촉매는 상기 실리콘 산화막을 통과하여 결정화에 기여하지 않게 된다.In this case, in general, the metal-induced crystallization method or the metal-induced side crystallization method should carefully control the thickness or density of the metal catalyst, which is left on the surface of the polycrystalline silicon layer after crystallization, so that the leakage current of the thin film transistor This is because it causes a problem such as increasing the current). However, in the present invention, the
도 2c는 기판을 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 형성하는 공정의 단면도이다.2C is a cross-sectional view of a process of forming a amorphous silicon layer as a polycrystalline silicon layer by heat treating a substrate.
도 2c를 참조하면, 상기 기판(100)을 열처리(H)하여 금속 촉매층(125)의 금속 촉매(126)가 상기 캡핑층(123)으로 확산 또는 침투(127)하고 캡핑층(123)과 비정질 실리콘층(120)의 계면으로 이동하여 결정화의 핵인 시드(seed)를 형성하며 상기 시드가 결정화 방향으로 성장함으로써 상기 비정질 실리콘층(120)이 다결정 실리콘층으로 결정화하게 된다. 즉, 금속 촉매(126)가 비정질 실리콘층(120)의 실리콘과 결합하여 금속 실리사이드를 형성하고, 상기 금속 실리사이드가 결정화의 핵으로서 작용하게 되며, 비정질 실리콘층(120)의 결정화를 유도하게 된다. 이때, 상기 열처리 공정은 로(Furnace) 공정, RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정, UV 공정, 플라즈마 공정 또는 레이저 공정 등과 같이 기판(100) 전체 또는 상기 캡핑층(123) 및 비정질 실리콘층(120)을 열처리할 수 있는 공정을 이용한다.Referring to FIG. 2C, the
이때, 상기 열처리 공정은 두 번에 걸쳐 실시할 수 있는데, 제1 열처리 공정은 상기 금속 촉매(126)가 캡핑층(123)과 비정질 실리콘층(120)의 계면으로 이동하여 시드(seed)를 형성하는 공정이고, 제2 열처리 공정은 상기 시드에 의해 비정질 실리콘층(120)이 다결정 실리콘층으로 결정화하는 공정이다. 이때, 제1 열처리 공정의 공정 온도는 200 내지 800℃이고, 제2 열처리 공정의 공정 온도는 400 내지 1300℃이다. 또한, 상기 제1 열처리 공정 이후, 상기 금속 촉매층(125)을 제거하여 제2 열처리 공정 동안 금속 촉매의 확산 또는 침투가 발생하지 않도록 한다.In this case, the heat treatment process may be performed twice. In the first heat treatment process, the
따라서, 상기 캡핑층(123)과 비정질 실리콘층(120)의 계면 상에 생성되는 시드의 개수, 밀도 또는 위치에 따라 다결정 실리콘층의 결정립의 크기 및 균일도가 결정되는데, 이는 상기 캡핑층(123) 내에서의 금속 촉매(126)의 확산 특성뿐만 아니라 금속 촉매층(125)의 밀도에 의해서도 결정된다. 즉, 상기 금속 촉매층(125)의 밀도가 낮을수록, 상기 캡핑층(123) 내의 금속 촉매(126)의 확산이 적을수록(확산되는 양이 너무 적으면 결정화가 일어나지 않음으로 적당한 양은 확산되어야 함) 다결정 실리콘층의 결정립 크기는 커지게 된다. 또한, 상기 제2 캡핑층(123b) 상에 형성된 개구부(Ⅰ)의 위치를 제어함으로써, 비정질 실리콘층(120)이 다결정 실리콘층으로 결정화되는 위치 및 방향을 조절할 수 있다. Accordingly, the size and uniformity of grains of the polycrystalline silicon layer are determined according to the number, density, or position of seeds generated on the interface between the
이때, 상기와 같이 비정질 실리콘층(120) 상에 금속 촉매(126)의 확산 또는 침투(127)를 조절하는 캡핑층(123)과 금속 촉매층(125)을 형성한 후, 열처리하여 상기 비정질 실리콘층(120)을 결정립의 크기가 큰 다결정 실리콘층으로 형성하는 결정화 방법을 SGS(Super Grain Silicon) 결정화법이라고 한다.In this case, the
도 2d는 본 발명에 의해 제조된 다결정 실리콘층을 이용하여 박막트랜지스터를 제조하는 공정의 단면도이다. 2D is a cross-sectional view of a process of manufacturing a thin film transistor using the polycrystalline silicon layer manufactured by the present invention.
도 2d를 참조하면, 버퍼층(110)이 형성된 기판(100) 상에 캡핑층(도 2c의 123)을 포함하는 SGS 결정화법으로 결정화된 다결정 실리콘층을 패터닝하여 반도체층(128)을 형성한다. 이때, 상기 반도체층(128)은 캡핑층(도 2c의 123)에 의해 미량의 금속 촉매만이 반도체층(128)에 잔류하여 다른 결정화법에 비해 우수한 누설 전류 특성을 갖게 된다.Referring to FIG. 2D, the
이어서, 2e에 도시된 바와 같이 상기 반도체층(128)이 형성된 기판(100) 상에 게이트 절연막(140)을 형성하는데, 상기 게이트 절연막(140)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 단층 또는 복층으로 형성한다. Subsequently, as shown in 2e, a
계속해서, 상기 게이트 절연막(140) 상부에 알루미늄(Al) 또는 알루미늄- 네오디뮴(Al-Nd)과 같은 알루미늄 합금의 단일층이나, 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo) 합금 위에 알루미늄 합금이 적층된 다중 층으로 게이트 전극용 금속층(도시안됨)을 형성하고, 사진식각공정으로 상기 게이트 전극용 금속층을 식각하여 상기 반도체층(128)과 대응되는 소정 부분에 게이트 전극(138)을 형성한다. Subsequently, a single layer of an aluminum alloy such as aluminum (Al) or aluminum-neodymium (Al-Nd) on the
이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이 상기 게이트 전극(138)을 마스크로 사용하여 도전형의 불순물 이온을 소정 도핑하여 소오스 영역(132)과 드레인 영역(136)을 형성한다. 상기 불순물 이온은 p형 불순물인데, 상기 p형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al), 칼륨(Ga) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택할 수 있고 본 발명에서는 상기 불순물 이온으로 p형 불순물을 이용하여 P형 박막트랜지스터를 형성한다. 이때, 불순물이 도핑되지 않은 상기 소오스 영역(132)과 드레인 영역(136)의 사이에 위치한 불순물이 도핑되지 않은 영역은 채널 영역(134)으로 작용한다. 그러나, 상기 도핑 공정은 게이트 전극(138)을 형성하기 전에 포토레지스트를 형성하여 진행할 수도 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2F, the
도 2g는 열처리하여 반도체층에 잔류되어 있는 금속 촉매를 제거하기 위한 게터링 공정을 나타낸 단면도이다.2G is a cross-sectional view illustrating a gettering process for removing a metal catalyst remaining in a semiconductor layer by heat treatment.
도 2g에 도시된 바와 같이 반도체층(130)에 잔류되어 있는 미량의 금속 촉매를 제거하기 위하여 n형 불순물을 주입(도핑)하고 제3 열처리하여 줌으로써 게터링(gettering) 공정을 수행한다. 상기 게터링 공정은 미량의 p형 불순물이 잔류되어 있는 소오스/드레인 영역(132,134)에 불순물을 소정 도핑함으로써 이루어지는데, 상기 불순물로는 n형 불순물인 P, PHx +, P2Hx(여기서, X=1,2,3...)이 주입 가능하며, 주기율표상 5족 원소도 주입가능하다. 바람직하게는 상기 n형 불순물은 인(P)을 사용하며 도핑 시 도즈(dose) 양은 1*e11/cm2 내지 3*e15/cm2로 한다. 상기 도즈양을 1*e11/cm2 이하로 도핑할 경우, 상기 주입하여 주는 인(P)의 양이 충분하지 않아 반도체층(130)에 잔류되어 있는 미량의 금속 촉매(Ni 등)이 충분히 제거되지 않으며, 상기 도즈양을 3*e15/cm2 이상으로 도핑할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 저항값이 증가하는데, 이는 활성화(activation)가 잘 되지 않아 전기적 성분으로 나타나기 때문이다. 따라서, 상기 n형 불순물인 인(P)은 가속 전압을 10keV 내지 100keV로 하고, 수직 방향을 향한 평균 이동통로로서 표면에서의 직선 거리를 나타내는 투사거리(Rp)는 다결정 실리콘층과 게이트 절연막의 계면에서 ±500Å 내외에 위치하게 한다. 또한, 상기 제3 열처리 공정은 450℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 실시하여 상기 반도체층(130)에 잔류되어 있는 미량의 금속 촉매를 제거한다.As illustrated in FIG. 2G, a gettering process is performed by implanting (doping) an n-type impurity and performing a third heat treatment to remove trace metal catalyst remaining in the
상기와 같이 소오스/드레인 영역에 n형 불순물을 도핑하고 제3 열처리해 줌으로써, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 P형 박막트랜지스터의 특성이 개선된 것 을 알 수 있다. 도 4의 (a) 및 도 5의 (a)는 n형 불순물로 게터링하기 전의 Vg와 Id의 특성을 나타낸 그래프이고, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)는 인(P)으로 Ni을 게터링 해 준 후의 특성을 나타낸 그래프이다. 상기 공정에 의해 S-팩터(factor)는 0.5에서 약 0.3v/dec, 문턱 전압(Vth)은 2V에서 1V로, off 개선도 ~e12 에서 ~e13으로 개선된 것을 알 수 있다.By doping n-type impurities in the source / drain regions and performing a third heat treatment as described above, it can be seen that the characteristics of the P-type thin film transistor are improved as shown in FIGS. 4 and 5. 4 (a) and 5 (a) are graphs showing the characteristics of Vg and Id before gettering with n-type impurities, and FIGS. 4b and 5b are phosphorus (P) It is a graph showing the characteristic after gettering Ni. By the above process, it can be seen that the S-factor is 0.5 to about 0.3v / dec, the threshold voltage V th is 2V to 1V, and the off improvement is improved from ˜e 12 to ˜e 13 .
이어서, 도 2h에 도시된 바와 같이 상기 게이트 절연막(140) 상의 게이트 전극(138) 상부에 하부 구조를 보호하는 층간 절연막(150)을 형성한 후 상기 층간 절연막(150), 게이트 절연막(140)의 소정 영역을 식각하여 콘택홀을 형성하며 상기 콘택홀을 채우는 소오스/드레인 전극(152,154)을 형성하여 게터링이 된 소오스 영역(132'), 드레인 영역(136')과 채널 영역(134')을 구비한 반도체층(130')을 포함하는 박막트랜지스터를 완성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2H, an
따라서, 상기 박막트랜지스터는 캡핑층에 의해 금속 촉매의 양이 제어되어 금속유도 결정화법 또는 유도측면 결정화법에 비해 미량의 금속 촉매가 잔류하고, 다결정 실리콘층의 결정립의 크기가 큰 반도체층을 형성한다.Accordingly, in the thin film transistor, the amount of the metal catalyst is controlled by the capping layer so that a small amount of the metal catalyst remains compared to the metal induction crystallization method or the induction side crystallization method, thereby forming a semiconductor layer having a large grain size of the polycrystalline silicon layer. .
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 수정이 가능할 것이다. Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Many variations and modifications will be possible.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속 촉매의 확산을 제어할 수 있는 캡핑층을 이용하여 결정화에 기여하는 금속 촉매의 양을 조절하고, 조절된 금속 촉매에 의해서 다결정 실리콘층의 결정립의 크기를 크게 형성하며, 다결정 실리콘층에 잔류하는 금속 촉매의 양을 최소화하여 특성이 우수한 박막트랜지스터를 제조할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the amount of the metal catalyst contributing to the crystallization is controlled by using a capping layer capable of controlling the diffusion of the metal catalyst, and the size of the crystal grains of the polycrystalline silicon layer is increased by the controlled metal catalyst. Forming and minimizing the amount of metal catalyst remaining in the polycrystalline silicon layer has an effect that can be produced a thin film transistor with excellent characteristics.
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