KR100709104B1

KR100709104B1 - 다결정 실리콘 박막 제조방법

Info

Publication number: KR100709104B1
Application number: KR1020060033398A
Authority: KR
Inventors: 장택용; 이병일; 이영호
Original assignee: 주식회사 테라세미콘
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-04-18

Abstract

본 발명은 LCD기판 등과 같이 대면적의 유리기판상으로 충분한 적용이 가능하며 극히 저농도의 결정화핵을 분포시키고 이를 기초로 결정화핵의 분포농도를 조절케 하여 측면유도결정에 있어서 그레인 크기의 조절이 가능한 다결정 실리콘박막 제조방법이 제공된다.

이를 위한 본 발명은 비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2를 도입하여 결정화를 위한 촉매로서 니켈핵을 비정질실리콘박막상에 흡착시키고, 이때 상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 니켈핵이 포함되는 NiCp가 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 니켈핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키며, 여기에 다시 상기 하나의 금속핵을 가지는 군집영역들에서 무작위로 금속핵을 억제시켜 금속핵의 배치밀도를 감소시켜, 극히 저농도의 금속핵 배치밀도를 획득함으로써, 이를 토대로 그레인의 크기를 결정하는 금속핵의 배치밀도가 조절되도록 한 것이며, 상기 금속핵의 억제는 공정공간을 산소분위기로 조성시킨 다음 열처리하여 흡착된 금속핵을 산화시킴으로써 , 금속실리사이드 핵 형성을 억제시키게 된다.

Description

다결정 실리콘 박막 제조방법{Poly-Silicon Film Manufacturing Method}

도 1 은 다결정 실리콘 박막에서 채널영역에 형성된 그레인을 나타낸 개념설명도,

도 2 은 본 발명에 따른 제조장치를 나타낸 개념도,

도 3 는 Ni(C5H5)2에 의해 니켈분자가 비정질 실리콘 위에 선점된 점유영역을 가지면서 흡착된 것을 나타낸 개념도,

도 4 은 본 발명에 따른 니켈핵의 형성단계를 나타낸 측면 개념도이다.

본 발명은 특히 대면적의 유리기판 상에서 금속촉매를 이용한 결정화를 통해 비정질실리콘을 다결정 실리콘으로 전환시키는 다결정실리콘박막 제조방법에 관한 것이다.

본 발명이 적용되는 기술분야로서 다결정 실리콘 박막이 사용되는 것으로는 예를 들어, 액정을 이용한 LCD(Liquid Crystal Display)나 유기EL 등을 들 수 있다.

예를 들어, LCD는 CRT와는 달리 자기발광성이 없어 후광이 필요하지만 동작 전압이 낮아 소비 전력이 적고, 무게와 부피 면에서 휴대용으로 쓰일 수 있어 널리 쓰이는 평판 디스플레이이다.

상기 LCD는 색상을 표현하기 위해서는 컬러필터를 사용하는데, 필터의 픽셀 단위는 RGB의 3개 서브픽셀로 구성되며, 이러한 개개의 셀을 통해 색상을 표현하기 위하여 매트릭스 컨트롤방식이 채택되고 있다.

이 중 능동 매트릭스(active matrix) 방식 LCD는 각 화소마다 적,녹,청색 신호를 처리할 수 있는 3개의 트랜지스터를 사용함으로써 선명한 색상을 얻으며, TFT(Thin Film Transister) LCD가 대표적이다.

이러한 이유에서 LCD 제조공정은 반도체 제조공정의 그것과 범주를 같이하여, LCD기판의 표면에 예를들어 ITO(Indium Tin Oxide)의 박막 및 전극패턴을 형성하기 위해 반도체 제조공정의 경우와 같이 포토리소그라피(photo lithography) 기술이 사용되고 있는 것이다.

반면, 웨이퍼와 달리 유리를 기판으로 하는 근본적인 이유로부터 반도체 제조공정과는 차이를 보이게 된다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 기판 위에 실리콘막을 형성하기 위한 실리콘 가스(SiH4)의 열분해에 의한 증착은 600℃ 정도의 고온을 요구하는데, 유리기판은 장시간 열환경에 노출될 경우 450℃~500℃에서도 변형이 일어나게 되므로, 반도체 제조공정의 증착공정을 바로 적용할 수 없다.

이에 따라, 일반적으로 플라즈마 증착(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapol Deposition)이 수행되며, 이는 350℃ 이내의 온도에서 실리콘을 증착시킬 수 있으므로, 유리기판을 사용할 수 있게 되는 것이다.

그러나, 이때 형성되는 실리콘 박막은 비정질 실리콘(amorphous-silicon)이라는 한계가 있는데, 이것은 상기 메트릭스 컨트롤방식에 있어서 비정질 실리콘 박막트랜지스터를 사용하여 화소를 구동하고 있으며, 구동회로는 단결정 실리콘 웨이퍼에 회로를 구성하여 따로 연결시켜야 하는 것이다.

즉, 비정질 실리콘은 전자이동도가 낮아 고속동작 회로에는 사용할 수 없는 문제가 있으며, 비정질 실리콘 TFT를 사용하는 LCD는 기판에 픽셀 트랜지스터를 형성하고 기판 주변에 TCP(Tape Carrier Package) 구동IC를 이용하여 유리기판과 PCB를 연결하여야 하는 것이다.

이러한 경우 구동IC와 실장 비용이 상승하는 문제점과, TCP구동IC와 PCB의 연결부위 또는 TCP구동IC와 유리기판 사이의 연결부위가 기계적, 열적충격에 취약하고 접촉저항이 커지는 문제점이 있으며, LCD 패널의 해상도가 높아짐에 따라 신호선과 주사선의 패드 피치가 짧아져 TCP 본딩 자체가 어려워지는 문제점이 있는 것이다.

결국, 대면적화 고화질화되는 평판표시소자의 추세로 볼 때 비정질 실리콘 TFT는 속도가 느리고 크기가 커서 이러한 요구조건을 만족시키는 데 한계가 있다.

이에 따라, 관건은 유리기판위에 형성된 비정질 실리콘을 결정질 실리콘으로 전환하는 것이며, 공연실시된 수단으로는 고상결정화(SPC), 레이저 결정화(ELC), 금속유도결정화(MIC),금속유도측면 결정화(MILC) 방식이 있다.

이 중 생산성과 기판의 대면적화에서 현재 주목받고 있는 것은 금속유도결정화나 금속유도측면 결정화 방식과 같은 특정한 종류의 금속층을 비정질실리콘에 증착하거나 첨가한 후, 열처리하여 유리기판이 손상되지 않는 저온에서도 비정질실리콘을 결정화하는 것이다.

금속유도 결정화 방법은 특정한 종류의 금속을 비정질 실리콘에 접촉하게 하여 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추는 방법으로, 예를 들어 니켈에 의한 금속유도 결정화는 니켈 실리사이드의 마지막 상인 NiSi₂가 결정화 핵으로 작용하여 결정화를 촉진한다.

실제로 NiSi₂는 실리콘과 같은 구조를 갖으며, 격자상수는 5.406Å으로 실리콘의 5.430Å과 매우 비슷하여, 비정질 실리콘의 결정화 핵으로 작용하여 결정화를 촉진한다.

비정질 실리콘의 결정화는 N₂, He, Ar, H₂ 플라즈마에 의해 결정화가 촉진되며, 이는 플라즈마에 의해 금속원자들이 전극으로부터 비정질 실리콘 박막 위에 증착되어 금속유도 결정화가 일어나기 때문이다.

여기서, 금속입자 밀도가 높아 표면에 다수의 금속실리사이드 핵이 형성되어 박막 내부로 결정화가 진행되는 것을 MIC(금속유도결정화)라 칭하고, 금속 실리사이드 핵의 밀도가 낮아 실리콘의 결정화가 측면으로 진행되면서 이루어지는 것을 MILC(금속유도측면결정화)라 칭하는 것이다.

한편, 이러한 금속핵(결정화핵)을 비정질 실리콘박막상에 분포시키기 위하 여, 일반적으로 스퍼터링이 수행되며, 스퍼터링은 공정공간에 타겟인 니켈패널을 배치시키고, 기판 사이에 플라즈마를 형성시켜 기판으로 분해된 니켈입자가 흡착되는 것을 이용하고 있다.

그러나, 이러한 금속핵의 분포에 있어서, 특히 니켈을 타겟으로 할 경우 대면적화되는 표시기판에 대응할 수 없다는 문제점이 있다.

즉, 스퍼터링은 공정공간(진공)으로 아르곤 가스가 도입되고, 전자기장에 의해 기판으로 니켈입자가 흡착되는데, 니켈자체가 강자성체이어서 공정공간 내부에 자기장을 형성시키는 것이 곤란하다.

이를 개선하기 위하여 타겟(니켈)의 자장 도메인을 수직으로 배열하여, 공정공간으로 자장이 형성되도록 한 것이 공연실시되어 있으나, 이러한 타겟은 300mm 정도가 초과되는 변의 길이를 갖게 형성하는 것이 현행 기술로는 곤란한 것으로 알려져 있다.

더욱이, 다결정화를 위한 적절한 금속촉매의 분포가 어려우며, 이는 금속유도측면결정화 공정을 진행하기 위하여 스퍼터링에 의한 박막을 형성하여야 하는 오류로부터 문제가 기인된다.

즉, 박막의 형성이 아니라 결정화핵을 분포시키는 정도면 충분하며, 이 결정화핵으로부터 측면유도가 진행되고, 이에 따라 비정질실리콘이 다결정실리콘으로 결정화된다.

이때, 결정화핵 즉, 금속입자(원소)는 유리기판 전역에 걸쳐 골고루 분포될 필요가 있으며, 이를 수행하기 위해 유리기판 전역에 걸쳐 막을 형성하는 스퍼터링 은 결정화핵의 분포라는 금속유도측면결정화 공정에 있어서는 과도한 공정 및 장치인 것으로서, 스퍼터링에 의해 제공된 금속촉매는 오히려 실리콘 박막내에 불순물로 작용하여 결정화된 실리콘 박막의 특성을 저하시키는 요인으로 작용되고 있는 것이다.

더욱 중요하게 다루어져야 할 문제점으로는, 다결정 실리콘 박막상으로의 바람직한 그레인(grain) 크기 조절이 어렵게 되며, 이것은 스퍼터링이나 기타 박막형성을 통하여는 그레인의 크기 조절을 위한 촉매로서 금속입자의 분포농도를 조절할 수 없기 때문이다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 예시도면 도 1 은 측면유도결정에 의해 다결정 실리콘박막이 형성된 TFT의 게이트 전극(채널영역)에 점유되는 하부 그레인의 크기를 나타낸 개념도로서, 먼저 다결정 실리콘은 상기된 결정화핵을 중심으로 결정이 진행되고, 각기 다른 핵을 중심으로 수행되는 결정 진행방향에서 서로 중첩이 발생되는 부분에는 그레인 바운더리가 생성된다.

이때, 채널영역은 설계요건에 따라 인위적으로 그 크기가 정해지는 것으로, 그레인 크기가 작은 경우 채널영역에 걸리는 그레인 바운더리가 많고 그레인이 클 경우에는 그레인 바운더리가 적게됨을 알 수 있다.

한편, 상기된 바와 같이 다결정 실리콘 박막은 LCD 혹은 유기EL 디스플레이의 화소 구동소자인 TFT의 반도체 막으로 사용되는 데 각 화소를 구동하는 TFT 특성이 다른 경우 화질의 불균일을 유발시키므로 균일도 유지는 중요한 부분을 차지하고 있다.

그런데, 그레인 바운더리는 실리콘 원자간 결합이 완벽하게 되지 못함으로 Charge Carrier(전자/정공)가 포획되어 전위 장벽을 형성시키며, 이러한 전위 장벽은 캐리어의 이동을 방해하여 TFT의 특성을 저하시키게 된다.

즉, mobility 감소나 Vth 증가 또는 Leakage Current 증가를 유발시키며, 채널영역에 존재되는 그레인 바운더리의 수와 위치에 따라 TFT 특성이 달라지게 된다.

예를 들어, 동일한 크기를 갖는 채널영역에서 도 1a 와 같이 채널영역에 대해 그레인 크기가 커서 채널영역내에 존재된 바운더리의 수가 적은 경우, 개별 채널영역에 대한 TFT 특성은 향상된다.

그런데, 개별 채널영역에 대하여는 도시된 바와 같이 좌측의 채널영역에는 그레인 바운더리 수가 2개소가 존재하고, 우측의 채널영역에서 그레인 바운더리 수가 5개소가 존재하는 것처럼 그레인 바운더리 수의 편차가 크게되어 전체적으로는 균일성이 저하된다.

반면, 도 1b 와 같이 채널영역에 대해 그레인 크기가 작아 존재된 바운더리의 수가 적정한 경우, 개별 채널영역에 대한 TFT 특성은 저감될 수 있지만 전체적으로 균일성을 확보할 수 있으므로, 전체적인 TFT 특성에서는 가장 바람직하다.

그런데, 이것은 균일성을 확보할 수 있는 조건하에서 최대한의 그레인 크기를 갖는 것이 조건이며, 예시도면 도 1c 와 같은 경우 그레인 크기가 작아 균일성은 확보한 상태이지만 그레인 크기가 너무 작은 것으로, TFT 특성이 고려되지 않은 결정화의 채택인 것이다.

결국, 어느 크기를 갖는 채널영역에 대해 균일성을 유지시키기 위한 그레인바운더리의 적정한 배치가 필요하며, 이에 따라 설계단계에서 결정된 채널영역에 대해 적절한 크기의 그레인 바운더리를 갖는 다결정 실리콘 박막층이 요구되는 것이다.

이러한 상황에서 상기된 스퍼터링은 과농도의 금속-실리사이드를 형성시키며, 이를 통해서 그레인 바운더리를 조절할 수 없음은 극히 당연한 것이고, 이것은 결국 종래의 금속유도측면결정에 있어서, 결정화핵의 투입은 비정질 실리콘 층으로 결정화핵을 분포시키기 보다는 금속층을 형성시키는 것이어서, 분포의 농도를 조절할 수 있는 결정화핵을 형성시키는 수단을 제공하지 못하는 것이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, LCD기판과 같이 대면적의 유리기판상으로 충분한 적용이 가능하며 극히 저농도의 결정화 핵을 분포시키고 이를 기초로 분포농도를 조절케 하여 측면유도결정에 있어서 그레인 크기의 조절이 가능한 다결정 실리콘박막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 저농도의 금속핵을 분포시키고 여기에 다시 금속-실리사이드의 반응을 억제하는 분위기를 조성하여 극히 저농도의 금속-실리사이드를 비정질 실리콘 층에 형성시킴으로써, 그레인 크기의 조절을 가능케 하는 결정화핵의 분포농도 제어가 수행되도록 한 것이다.

즉, 비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속 화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2를 도입하여 결정화를 위한 촉매로서 니켈핵을 비정질실리콘박막상에 흡착시키고, 이때 상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 니켈핵이 포함되는 NiCp가 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 니켈핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키며, 상기 하나의 금속핵이 가지는 군집영역들이 이웃되어 형성된 금속핵 분포영역에서 무작위로 금속핵을 억제시켜 금속핵의 배치밀도를 감소시키고 이를 통해 금속핵의 배치밀도가 조절되도록 한 것이다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.

예시도면 도 2 는 본 발명에 따른 제조장치를 나타낸 개념도이고, 예시도면 도 3 은 Ni(C5H5)2에 의해 니켈분자가 비정질 실리콘 위에 선점된 점유영역을 가지면서 흡착된 것을 나타낸 개념도이다.

그리고, 예시도면 도 4 는 본 발명에 따른 니켈핵의 형성단계를 나타낸 측면 개념도이며, 예시도면 도 5 는 이러한 본 발명에 따라 그레인크기가 조절되는 것을 나타낸 다결정실리콘 박막의 확대사진이다.

본 발명은 유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화 시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서:

비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물을 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속을 금속유도측면결정화를 위한 금속핵으로서 비정질 실리콘층으로 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

상기 금속핵의 흡착에 의한 금속화합물의 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되고, 이때 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

상기 자기제한에 의해 비정질 실리콘층으로 흡착된 금속분자 외의 금속분자들을 퍼지하여 제거시키고, 산소분위기에서 흡착된 금속핵을 열처리 산화시켜 금속측면유도결정을 위한 금속-실리사이드핵 형성을 무작위로 억제시킨 다음, 금속측면유도결정화공정을 수행하는 금속핵 배치밀도 조절단계가 포함되어 이루어진 다결정실리콘 박막 제조방법이다.

여기서, 기상의 금속화합물은 니켈(Ni)을 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 공정공간의 산소분위기 조성을 위하여 공정공간으로 O₂ 가스 또는 H₂O 가스 또는 N₂O 가스 또는 O₃ 가스가 투입되는 것을 특징으로 한다.

바람직 하기로는, 산소 분위기 조성을 위하여 공정공간으로 100% 산소가 투입되거나 불활성 가스와 산소 가스가 혼합되어 투입된다.

아울러, 산소 열처리시 공정공간인 반응챔버로 산소분위기를 조성시키기 위해 반응챔버의 압력이 대기압 이하로 조성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 산소가 포함된 가스는 산화 반응을 보조하기 위하여 플라즈마 상태(로 공급될 수 있다.

한편, 상기 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 금속-실리사이드핵 형성의 억제를 위한 열처리는 금속핵의 흡착 공정온도보다 높고 금속유도측면 결정화의 열처리온도보다 낮은 범위에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

이를 통해서는 금속핵 흡착을 위한 공정과 금속핵 억제를 위한 공정과 금속유도를 통한 결정화공정의 열처리온도가 서로 구분되어진 공정을 갖는다.

이와 더불어, 상기 금속-실리사이드핵 형성의 억제를 위한 열처리는 금속유도측면 결정화공정을 처리하기 위한 온도로의 승온과정에서 열처리온도로 도달되므로, 이 과정에 포함시켜 수행될 수 있다.

즉, 금속핵 흡착 공정 완료 후 금속측면유도결정화 공정 전에 별도의 산소 열 처리 공정을 진행하지 않고 산소가 포함된 분위기에서 금속측면유도결정화 공정을 진행하는 경우로서, 상기 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 금속-실리사이드핵 형성의 억제를 위한 열처리는 금속유도측면 결정화공정을 수행하기 위한 열처리분위기의 승온과정에 포함되어 수행된 것을 특징으로 한다.

이러한 열처리는 상기 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 열처리 온도와 노출시간에 상관되어 금속-실리사이드핵의 무작위억제가 수행됨에 따라, 열처리 온도와 노출시간에 따른 그레인 크기 세부조절단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이 본 발명은 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위한 금속입자의 분포에 있어서, 극히 저농도의 금속핵을 분포시키고 이를 통해 그레인제어를 수행하는 다결정 박막 트랜지스터 표시기판 제조공정이 제공된다.

전술된 바와 같이, 저온 열처리를 수행하기 위하여 비정질실리콘층으로의 금속촉매층의 형성은 불가피하고, 이때 형성되는 그레인의 크기를 제어하기 위하여는 최대한의 그레인 크기를 갖는, 즉 극히 저농도의 금속핵을 분포시키는 공정이 기초되어야 이를 통해 그레인의 크기의 제어가 가능해 지는 것이다.

이러한 본 발명은 소정의 두께를 갖는 금속층(박막)의 형성이 아니라, 결정화핵으로서 니켈핵(입자)을 비정질실리콘막에 분포시키는 근본적인 이유로부터 출발된다.

따라서, 박막을 형성시킬 목적하에서의 스퍼터링 등에 치중되지 않으며, 이를 탈피함으로써 동일공정공간에서 금속핵의 분포와 결정화를 연속하여 진행한다.

종래의 문제점을 다시 한번 살펴보면 이는 비정질실리콘의 결정화 공정을 진행하기 위하여 스퍼터링에 의한 박막을 형성하여야 하는 오류로부터 문제가 기인된다.

즉, 박막의 형성이 아니라 결정화핵을 분포시키는 정도면 충분하며, 이 결정화핵으로부터 결정이 진행되고, 이에 따라 비정질실리콘이 다결정실리콘으로 결정화된다.

이때, 결정화핵 즉, 금속입자(원소)는 유리기판 전역에 걸쳐 골고루 분포될 필요가 있으며, 이를 수행하기 위해 유리기판 전역에 걸쳐 막을 형성하는 스퍼터링은 결정화핵 분포제어라는 조건에 대하여는 타당하지 않는 공정 및 장치인 것이다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 결정화핵을 대면적의 유리기판에 골고루 분포시키기 위하여 ALD공정의 표면반응을 이용한다.

즉, 금속핵생성(분포)을 위한 금속입자의 도포는 유리기판 표면위에서 원자의 흡착과 확산에 의해서 진행된다.

흡착되는 금속핵들은 유리기판의 선점된 영역을 형성하며, 이들의 성장은 반응가스로부터 직접적으로 그리고 표면의 노출된 부분을 통한 표면확산으로부터 각각의 원자 에디션에 의해 진행된다.

이러한 성장프로세스 동안 원자의 에디션은 일반적으로 킨크(kink)같은 최저자유에너지부분에서 미소결정을 형성하도록 진행되는 것이며, 이러한 ALD가 반응챔버와 반응가스 공급 및 배출장치를 가지고, 결정화를 위한 공정장치 역시 반응챔버와 공정가스 공급 및 배출장치를 가지는 서로의 공정장치가 중복됨에 따라, 하나의 장치에서 금속핵의 분포공정과 결정공정이 수행될 수 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 유리기판에 금속입자를 증착시키되, 금속분자의 크기를 이용하여 금속분자가 점유하는 영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들의 군집영역을 확정시키기고, 이러한 이웃된 군집영역에서 무작위로 금속핵이 억제되도록 하여 전체적으로 분포된 금속핵의 밀도를 다시 감소시킴으로써, 극히 저농도의 금속핵이 비정질 실리콘층으로 분포되도록 한 것이다.

이러한 본 발명은 화학흡착방식을 이용하여 특히 니켈금속층이 적용될 경우 스퍼터링에서 얻을 수 없는 표시기판의 대면적화에 충분히 대응될 수 있는 방법이 제공되며, 아울러 일반적인 CVD방법이나 ALD(atomic Layer Deposition)과 같은 방법으로 얻을 수 없는 원자층 이하의 얇으면서도 균일한 도포를 가능케 한다.

여기서, 원자층 이하의 두께 형성이란 본 발명에 따라 금속원자가 저농도의 배치를 갖게 됨에 의해 그 금속층의 평균두께가 원자층이하로 형성됨을 의미하며, 이러한 본 발명을 비정질실리콘층 위에 니켈금속층을 형성하기 위한 실시예를 통해 설명하면, 먼저 본 발명에 따른 금속층을 형성하기 위한 장치는 예시도면 도 2 와 같은 ALD(Atomic Layer Deposition) 장치가 응용된다.

즉, 공정공간을 제공하는 반응챔버(10)가 형성되고, 여기에 금속분자를 화학흡착시키기 위한 소스가스와 흡착된 금속분자가 열분해되어 반응되기 위한 반응가스를 반응챔버로 공급하기 위한 소스가스 공급장치(12)와 반응가스 공급장치(14)가 연결된다.

상기 각 공급장치와 반응챔버(10)는 공급관으로 연결되며, 미세 박막을 흡착 시키기 위하여 하이스피드 밸브(미도시)가 매개되며, 잉여 가스를 배출하기 위한 배기로(16)와 퍼지가스 공급장치(18)가 연결된다.

한편, 반응챔버에는 유리기판(100)의 열처리를 수행하기 위한 가열장치(20)가 설치되며, 보트는 반응챔버로의 유리기판 투입을 위해 승강장치(미도시)가 설치된다.

그리고, 반응챔버에는 잉여가스의 제거 및 금속핵을 억제시키기 위하여 플라즈마 환경을 조성하기 위한 플라즈마 발생장치가 장착될 수 있다.

그러나, 본 발명이 이러한 장치 개념에 반드시 국한되는 것은 아니고, 예를 들어 캐리어 가스를 이용할 경우, 각 가스 공급장치가 달라질 것이고, 도시된 것은 그 개념을 설명하기 위한 유리기판 한매를 처리하는 매엽식의 처리장치이나, 다수의 유리기판을 처리하기 위한 배치식 처리장치가 적용될 경우, 가열장치나 보트의 구조가 달라질 것이다.

이를 통해 니켈금속층이 본 발명에 따라 비정질 실리콘층 위에 형성되는 것을 살펴보면, 예시도면 도 3 은 Ni(CP)2에 의해 니켈분자가 비정질 실리콘 위에 소정의 점유영역을 가지면서 화학흡착된 것을 나타낸 개념도이고, 예시도면 도 4 는 본 발명에 따른 금속핵의 분포단계를 나타낸 측면 개념도이다.

즉, 가열장치에 의해 약 130℃ 내지 190℃로 반응챔버의 환경이 조성된 상태에서 소스가스로서 Ni(CP)2가 반응챔버로 유입되면, 유리기판 구체적으로는 비정질실리콘층위로 화학흡착된다.

이때, 자기제한(Self-Limitted Mechansm)에 의해 1 Layer 이하의 니켈분자층 이 흡착되며, 흡착되지 않은 잉여 가스를 공정공간 외부로 배출하기 위하여 퍼지(purge)가스가 도입되어 배출된다.

잉여 가스는 유리기판과 물리흡착된 니켈분자를 포함하는 의미이며,퍼지가스를 통해 이를 제거함으로써, 상기 자기제한에 의한 니켈분자층의 분포로 비정질실리콘층(유리기판:100) 위에는 균일한 니켈분자가 배치된다.

그리고, 하나의 니켈분자는 비정질실리콘층위에 그 크기에 의해 점유영역을 갖고 배치된다.

이에 의해 비정질 실리콘층위에 배치된 하나의 니켈분자는 평면상의 영역(D)으로 다수의 비정질 실리콘 입자(26)들을 포함하게 된다.

즉, 자기제한에 의해 화학흡착된 하나의 니켈분자의 영역에 의해 비정질 실리콘입자들의 군집영역(D)이 확정되는 것이다.

다른 의미로는, 어떠한 분자식을 갖는 소스가스를 사용하느냐에 따라 분자구조가 다르게 되고, 이에 의해 결정되는 군집영역의 크기 역시 달라지게 되어, 하나의 금속입자가 포함되는 비정질 실리콘입자들의 군집영역(D)의 크기가 달라지게 되는 것이다.

이러한 화학흡착의 특성에 따라 본 발명에서는 군집영역의 형성단계를 포함하게 되며, 상기 군집영역은 균일하게 분포되어 저농도 영역에서 그 농도조절이 가능하며 균일한 분포를 갖는 하나의 금속입자당 군집영역을 형성시킬 수 있는 것이다.

한편, 기존 ALD 공정에서는 상기 자기제한 특성과 금속분자에 따른 고밀도의 박막을 충분히 기대할 수 없고, 이를 보완하기 위하여 다수의 층을 중첩시키게 되지만, 본 발명에서는 이러한 특성을 장점으로 전환하여 상기 군집영역을 금속입자의 농도에 맞추어 조절하게 되는 것이다.

이러한 군집영역을 형성하기 위한 소스가스와 그 흐름 및 조성온도는 실험적으로 결정될 사항이며, 이러한 화학흡착은 전술된 스퍼터링과 같이 타겟인 금속패널을 이용하지 않고 금속화합물 가스가 이용되고, 자기장을 형성시킬 필요가 없으므로, 대면적화되는 유리기판으로의 충분한 적용을 가능케 한다.

다음으로 상기 군집영역으로의 니켈핵의 분포에 다시 상기 니켈핵을 무작위로 추출하여 이를 억제시킴으로서, 니켈핵의 분포밀도를 감소시켜 최소한의 극히 저농도를 갖는 금속핵의 배치밀도를 획득하며, 이를 기초로 그레인의 크기제어를 수행한다.

즉, 소스가스의 열분해와 Ni-Si의 결합과 이에 따른 자기제한에 의한 실리콘층으로의 군집영역 형성은 확률적인 분포로서 배치된다.

이 확률적분포에서 결국 Ni-Si 결합 외의 다른 군집영역을 추출(또는 금속실리사이드핵 억제)시켜 금속핵인 Ni의 배치밀도를 최소로 조성토록 한 것이다.

이에 따라 본 발명에서는 상기 하나의 금속핵이 가지는 군집영역들이 이웃되어 형성된 금속핵 분포영역에서 금속핵을 제거하는 분위기를 조성시켜 상기 흡착된 금속핵을 비정질실리콘층에서 무작위로 이탈시키는 금속핵 배치밀도 조절단계가 포함된다.

여기서, 금속핵 배치밀도 조절단계는 공정공간을 산소분위기로 조성시킨 다 음 소정의 온도에서 열처리하여 흡착된 금속핵을 산화시킴으로써 금속실리사이드핵 형성을 억제시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 여기서, 금속실리사이드핵 형성 산소와 니켈이 반응하여 니켈 산화물이 형성되고 이것이 실리사이드형성에 참여하지 못하게 됨으로서 수행된다.

이때, 상기 공정공간의 산소분위기 조성을 위하여 공정공간으로 O2가스 H2O가스 또는 N2O가스 또는 O3 가스가 투입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 금속핵 산화를 보조하기 위하여 플라즈마 상태에서 공급된 것을 특징으로 한다.

이를 통해 비정질 실리콘층상에서 니켈원자의 분포밀도가 감소되어 결국 그레인의 크기가 확장됨이 확인되었고, 무작위에 의한 니켈실리사이드핵 형성의 억제는 확률상으로 고른 분포를 보이게 됨이 확인되었다.

이러한 니켈실리사이드핵 형성의 억제는 전체 공정과 조합되어 실험적으로 결정될 사항으로, 이것을 예시도면 도 5 를 통해 좀 더 상세히 설명하면, 도 5a는 ALD에 의해 군집영역에 형성된 상태에서 측면유도결정을 위한 열처리가 수행되어 다결정실리콘박막이 형성된 것을 나타내고 있다.

이때, 조건은 산소 분위기 열처리를 진행하지 않고 600도 1시간 질소 분위기에서 결정화 열처리가 수행되었으며, 이를 통해서는 가장 밀한 군집영역의 상태에서 다결정실리콘 박막으로 형성된다.

다음으로, 예시도면 도 5b는 300도 산소 분위기에서 30분간 열처리를 진행한 후 600도 1시간 질소 분위기에서 결정화 열처리가 수행된 다결정 실리콘 박막 표면 을 나타내고 있으며, 이를 통해 평균 약 4.5㎛의 직경을 갖는 그레인이 획득되었다.

이때의 공정은 공정분리가 감안된 것으로, 예를 들어 금속핵 억제공정과 금속측면유도공정을 위한 열처리 공정을 서로 분리하여 적용한 것이다.

이것은 산소 열처리가 효과가 나타나는 온도는 250도 이상인데 ALD 방식의 자기 제한에 의한 증착은 NiCp2의 열분해 온도인 186도 이하에서 가능하므로 산소 열처리 온도와 증착 온도가 100도 정도 다르게 된다.

또한 결정화 온도는 500도 이상이 필요하므로 증착 온도와 300도 이상의 차이가 있고, 따라서 증착과 결정화가 동일 공정 공간에서 가능하도록 장비를 구성할 경우 장비가 간소화되어 장비 가격이 낮은 장점은 있으나 온도를 올리고 내리는 시간이 소요되므로, 생산성을 고려하여 금속핵 증착 공정과 금속핵 억제공정 및 결정화 공정을 분리하여 장비가 구성될 수 있음에 따라 수행된 결과이다.

다음으로, 예시도면 도 5c 는 600도 1시간 산소 분위기에서 결정화 열처리가 수행된 다결정 실리콘 박막 표면을 나타내고 있으며, 이를 통해 평균 약 20㎛의 직경을 갖는 그레인이 획득되었다.

이것은 금속핵 증착 후 1시간내에서 온도를 600도로 점차적으로 증진시켜 획득된 결과로서, 금속핵억제 공정이 수행되는 온도범위와 결정화가 진행되는 온도범위의 경계구역이 서로 연속되도록 구현한 것이다.

결국, 금속유도측면 결정화를 수행하기 위한 열처리를 위하여는 이 결정화열처리 온도로 반응챔버를 가열시켜야 하며, 이때의 승온과정에 금속핵 억제를 위한 열처리 온도범위(구역)이 포함되고, 승온과정에서의 해당 온도범위와 해당 노출시간에 의해 자연스럽게 금속핵의 억제가 수행되는 것이다.

이러한 실험결과에서 공정분리나 연속공정의 여부를 차치하더라도, 결국 산소분위기에서 열처리 노출시간과 금속핵의 억제는 상관관계가 있음이 확인되었으며, 이러한 본 발명을 통해 그레인 크기의 제어는 선택적으로 수행될 수 있고, 이 선택내에서 다수의 컴비네이션이 존재된다.

즉, ALD의 표면반응을 이용한 1layer의 금속핵의 분포와 여기에서 다시 금속핵의 추출에 의한 금속핵의 배치를 통해 최소밀도의 금속핵의 배치밀도가 획득된다.

이때, 열산화의 조건 제어를 통해 무작위에 의한 금속핵 산화에 의에 금속실리사이드 반응 억제조건을 제어할 수 있으며, 이것은 상기 산소분위기의 농도와 온도조건 및 시간에 의해 조절된다.

여기에, 다시 2 layer의 금속핵분포와 금속핵의 추출에 의해 금속핵의 분포밀도를 상승시킬 수 있으며, 조건에 따라 금속핵의 추출단계가 삭제될 수도 있다.

결국, 최소밀도를 확보하는 금속핵의 배치와 여기에 다시 추가되는 반복공정에 의해 채널영역이 요구하는 타당한 크기의 그레인이 확보될 수 있는 것이다.

아울러, 장비의 운용 또는 생산성 획득에 따라, 분리공정과 연속공정의 선택이 가능한 것으로, 상기된 바와 같이 본 발명은 CVD장치가 응용되어 그 조건에 포함됨에 따라, 동일공정공간에서 결정화 열처리공정이 수행될 수 있다.

즉, CVD에서는 증착환경을 제공하는 히팅장치가 필수적이므로, 이 히팅장치 를 이용하여 결정화 열처리공정이 동일공정에 수행될 수 있는 것이다.

이러한 열처리장치는 종래 스퍼터링장치와는 공용될 수 없는 것이며, 본 발명에서 각 공정의 조건이 공용될 수 있음에 따라 수행되는 것이다.

즉, 예시도면 도 2 에 적용될 수 있는 것으로, 본 발명은 공정공간을 제공하는 반응챔버에 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2 가스를 공급하는 소스가스공급장치(10)와 잉여가스 배출을 위한 가스배출장치(14)가 마련되고, 상기 반응챔버(10)에는 상기 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 결정화을 위한 열처리 환경을 제공하는 히팅장치(20)가 장착되며, 상기 반응챔버(10)는 금속핵을 형성하기 위한 소스가스공급 및 배출장치와 공용된 히팅장치(20)에 의해 유리기판상에 금속핵이 흡착됨에 연속되어 결정 열처리를 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함되는 것이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위하여 흡착에 의해 금속핵이 분포됨으로써, 기존의 스퍼터링방법으로 불가능한 대면적인 유리기판 상으로 금속핵을 분포시키는 효과가 있다.

특히, 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위한 금속입자를 극히 저농도로 배치시키게 되며, 이를 통해 그레인 크기제어가 수행되는 효과가 있다.

Claims

유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화 시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서:

비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물을 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속을 금속유도측면결정화를 위한 금속핵으로서 비정질 실리콘층으로 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

상기 금속핵의 흡착에 의한 금속화합물의 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되고, 이때 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

상기 자기제한에 의해 비정질 실리콘층으로 흡착된 금속분자 외의 금속분자들을 퍼지하여 제거시키고, 산소분위기에서 흡착된 금속핵을 열처리 산화시켜 금속측면유도결정을 위한 금속-실리사이드핵 형성을 무작위로 억제시킨 다음, 금속측면유도결정화공정을 수행하는 금속핵 배치밀도 조절단계가 포함되어 이루어진 다결정실리콘 박막 제조방법.
제 1 항에 있어서, 기상의 금속화합물은 니켈(Ni)을 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막 제조방법.
제 1 항에 있어서, 산소분위기의 조성은 공정공간으로 O₂ 가스 또는 H₂O 가스 또는 N₂O 가스 또는 O₃ 가스가 투입되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 제조방법.
제 1 항에 있어서, 산소분위기의 조성은 산소화합물이 플라즈마 상태로 공정공간으로 투입되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막 제조방법.
제 1 항에 있어서, 금속핵 배치밀도 조절단계에서 공정공간인 반응챔버로 산소분위기를 조성시키기 위해 반응챔버의 압력이 대기압 이하로 조성되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막 제조방법.
제 1 항에서 있어서, 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 금속-실리사이드핵 형성의 억제를 위한 열처리는 금속핵의 흡착 공정온도보다 높고 금속유도측면 결정화의 열처리온도보다 낮은 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다결 정 실리콘박막 제조방법.
제 1 항에 있어서, 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 금속-실리사이드핵 형성의 억제를 위한 열처리는 금속유도측면 결정화공정을 수행하기 위한 열처리분위기의 승온과정에 포함되어 수행된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막 제조방법.
제 1 항 또는 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 금속핵 배치밀도 조절단계에서 산소분위기에서 열처리 온도와 노출시간에 상관되어 금속-실리사이드핵의 무작위억제가 수행됨에 따라, 열처리 온도와 노출시간에 따른 그레인 크기 세부조절단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막 제조방법.