KR100739631B1 - 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에서는 단결정 구조의 시드 박막을 마련한 후, 상기 시드 박막 상에 비정질 구조의 박막을 형성한다. 그리고, 상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 구조의 박막 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시킨다. 이어서, 상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 구조의 박막 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 구조의 박막을 상기 시드 박막과 결정 구조가 실질적으로 동일한 단결정 구조의 박막으로 변환시킨다.

Description

단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법{Method of manufacturing a thin film layer of single crystal structure}
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형성 방법을 수행하여 수득하는 단결정 구조를 갖는 박막에서 발생하는 박리 현상에 대하여 설명하기 위한 사진이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
10 : 단결정 기판 12 : 절연막 패턴
13 : 개구부 14 : 단결정 구조의 시드 박막
16 : 비정질 구조의 박막 17 : 제1 레이저 빔
18 : 다결정 구조의 박막 19 : 제2 레이저 빔
20 : 단결정 구조의 박막
본 발명은 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상변화를 이용한 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 결정 구조에 따라 물질은 단결정(single crystal), 다결정(poly crystal) 및 비정질(amorphous)로 분류할 수 있다. 상기 단결정은 하나의 결정 구조로 이루어지고, 상기 다결정은 다수개의 결정 구조로 이루어지고, 상기 비정질은 물질 내부가 결정이 아닌 불규칙한 원자 배열로 이루어진다. 상기 다결정은 다수개의 결정 구조로 이루어지기 때문에 많은 결정 입계(grain boundary)를 갖는다. 그리고, 상기 결정 입계가 많을 경우 전자 또는 정공(hole)과 같은 캐리어의 이동과 제어 등을 방해한다.
따라서, 스택 구조의 박막 트랜지스터(thin film transistor : TFT) 등을 포함하는 반도체 장치 또는 에스오씨(SOC : system on chip) 등의 제조에서는 액티브 영역으로 형성하기 위한 박막으로서 단결정 실리콘 박막을 주로 선택한다. 그리고, 상기 단결정 실리콘 박막은, 상기 캐리어의 이동과 제어 등을 향상시키기 위하여, 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 단결정 영역인 그레인(grain)들로 이루어져야 한다.
상기 단결정 실리콘 박막은 주로 절연막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성한 다음, 상기 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 획득한다. 상기 단결정 실리콘 박막을 형성하는 방법에 대한 예들은 일본특허출원 공개 2001-308008호, 일본특허출원 공개 2002-359159호 및 미국특허 5,972,105호 등에 개시되어 있다.
그러나, 언급한 특허들에 개시된 방법들은 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어진 단결정 실리콘 박막을 획득하기 용이하지 않다.
이에, 본 출원인은 조밀하면서도 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어 진 단결정 실리콘 박막을 용이하게 획득하기 위한 방법을 발명하여 2004년 6월 12일자로 특허출원 2004-43265호로 대한민국 특허청에 출원한 바 있다. 특히, 상기 특허 출원에 개시된 방법에 의하면 단결정 구조의 시드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성한 후, 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 단결정 실리콘 박막으로 변환시킨다.
그러나, 상기 특허 출원에 개시된 방법을 수행하여 상기 단결정 실리콘 박막을 수득할 경우에는 상기 단결정 실리콘 박막이 하부에 위치하는 절연막으로부터 박리(ablation)되는 현상이 빈번하게 발생한다. 그 이유는, 흡수 계수(absorption coefficient)가 상대적으로 큰 상기 비정질 실리콘 박막에 상기 레이저 빔을 조사하여 상변화시킬 때 하부에 위치하는 절연막과의 웨팅(wetting) 특성이 열화되어 응집(agglomeration) 현상이 발생하기 때문이다.
따라서, 종래에는 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어지고, 하부에 위치하는 절연막으로부터 박리가 발생하지 않는 단결정 구조의 박막을 획득하는 것이 용이하지 않다.
본 발명의 목적은 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어질 뿐만 아니라 하부에 위치하는 절연막으로부터 박리가 거의 발생하지 않은 단결정 구조의 박막을 용이하게 형성하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에서는 단결정 구조의 시드 박막을 마련한 후, 상기 시드 박막 상에 비정질 구조의 박막을 형성한다. 그리고, 상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 구조의 박막 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시킨다. 이어서, 상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 구조의 박막 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 구조의 박막을 상기 시드 박막과 결정 구조가 실질적으로 동일한 단결정 구조의 박막으로 변환시킨다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에서는 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판의 표면을 부분적으로 노출시키는 개구부를 갖는 절연막 패턴을 형성한 후, 상기 개구부 내에 상기 단결정 기판과 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 시드 박막을 매립시킨다. 그리고, 상기 시드 박막을 갖는 절연막 패턴 상에 비정질 구조의 박막을 형성한다. 이어서, 상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 구조의 박막 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시킨다. 그리고, 상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 구조의 박막 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 구조의 박막을 상기 시드 박막과 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 박막으로 변환시킨다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법에서는 단결정 실리콘 기판 상에 상기 단결정 실리콘 기판의 표면을 부분적으로 노출시키는 개구부를 갖는 실리콘 산화막 패턴을 형성한 후, 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 상기 개구부 내에 상기 단결정 실리콘 기판과 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 시드 박막을 형성한다. 그리고, 상기 시드 박막을 갖는 실리콘 산화막 패턴 상에 비정질 실리콘 박막을 형성한다. 이어서, 상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 실리콘 박막 표면으로부터 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 변환시킨다. 그리고, 상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 실리콘 박막 표면으로부터 상기 다결정 실리콘 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 실리콘 박막을 상기 시드 박막과 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 실리콘 박막으로 변환시킨다.
언급한 본 발명에서는 상기 제1 레이저 빔은 제1 에너지 밀도를 갖고, 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 에너지 밀도에 비해 상대적으로 큰 제2 에너지 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 조 사하는 부재는 서로 동일한 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 에너지 밀도의 조절이 가능한 동일한 레이저 빔 조사 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서는 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 레이저 빔을 조사하여 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시키고, 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 레이저 빔을 조사하여 다결정 구조의 박막을 시드 박막과 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 박막으로 변환시킨다.
따라서, 본 발명에 의하면 두 차례에 걸친 레이저 빔을 조사함으로써 비정질 구조의 박막으로부터 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어질 뿐만 아니라 하부에 위치하는 절연막으로부터 박리가 거의 발생하지 않은 단결정 구조의 박막을 용이하게 수득할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 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 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 박막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 박막이 다른 박막 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 박막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3 박막이 개재될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 단결정 구조의 시드 박막(14)을 마련한다. 여기서, 상기 시드 박막(14)의 예로서는 단결정 실리콘 기판, 단결정 게르마늄 기판, 선택적 에피택시얼 성장에 의해 수득하는 단결정 실리콘 박막, 선택적 에피택시얼 성장에 의해 수득하는 단결정 게르마늄 기판, 실리콘-온-인슐레이터 기판, 게르마늄-온-인슐레이터 기판 등을 들 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)으로서 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 수득하는 단결정 실리콘 박막인 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 실시예에서는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 단결정 기판(10)으로서 단결정 실리콘 기판을 마련한 후, 상기 단결정 기판(10) 상에 절연막을 형성한다. 여기서, 상기 절연막은 주로 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정을 수행하여 상기 절연막을 부분적으로 제거한다. 이에 따라, 상기 단결정 기판(10) 상에는 상기 단결정 기판(10)을 부분적으로 노출시키는 개구부(13)를 갖는 절연막 패턴(12)이 형성된다. 여기서, 상기 개구부(13)는 적어도 두 개를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 절연막 패턴(12)에 의해 적어도 두 군데의 단결정 기판(10)의 표면이 부분적으로 노출된다. 이와 같이, 상기 개구부(13)를 갖는 절연막 패턴(12)을 형성한 후, 선택적 에피택시얼 성장을 수행한다. 그러면, 상기 개구부(13)에 의해 노출된 단결정 기판(10)의 표면으로부터 상기 단결정 기판(10)과 결정 구조가 동일한 단결정 실리콘 박막이 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)으로 형성된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 단결정 실리콘 박막을 단결정 구조를 갖는 시드 박막(14)으로 한정하여 설명하고 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예들로서 상기 단결정 실리콘 기판 자체를 단결정 구조의 시드 박막으로 사용하거나, 상기 단결정 게르마늄 기판 자체를 단결정 구조의 시드 박막으로 사용할 수도 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 상기 개구부(13)에 의해 노출된 단결정 기판(10)의 표면으로부터 상기 단결정 기판(10)과 결정 구조가 동일한 단결정 실리콘 박막을 단결정 구조의 시드 박막(14)으로 형성한다. 그러므로, 상기 단결정 기판(10) 상에는 게이트 패턴, 금속 배선, 로직 소자 등이 형성되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 단결정 실리콘 박막을 단결정 구조의 시드 박막(14)으로 형성할 때 상기 단결정 실리콘 박막이 개구부의 입구 부위 주변까지 형성될 경우에는 화학기계적 연마 등과 같은 평탄화 공정을 수행하여 상기 개구부의 입구 부위 주변에 형성된 상기 단결정 실리콘 박막을 제거하는 것이 바람직하다.
도 1c를 참조하면, 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)을 갖는 절연막 패턴(12) 상에 비정질 구조의 박막(16)을 형성한다. 상기 비정질 구조의 박막(16)은 주로 화학기상증착 공정을 수행하여 형성한다. 아울러, 상기 비정질 구조의 박막(16) 은 그 두께를 적극적으로 한정하지는 않지만, 대체로 얇은 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 단결정 구조의 시드 박막(14)으로서 단결정 실리콘 박막을 한정하기 때문에 상기 비정질 구조의 박막(16)이 비정질 실리콘 박막인 것이 바람직하다.
만약, 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 단결정 게르마늄 박막을 단결정 구조의 시드 박막으로 형성할 경우에는 상기 비정질 구조의 박막이 비정질 게르마늄 박막인 것이 바람직하다.
도 1d 및 도 1e를 참조하면, 상기 비정질 구조의 박막(16)에 제1 레이저 빔(17)을 조사한다. 그러나, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 상변화에 영향을 끼치지 않아야 한다. 그러므로, 본 발명의 실시예에서는 상기 비정질 구조의 박막(16) 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막(16)과 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지만 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사한다. 여기서, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때 상기 제1 레이저 빔(17)의 에너지 밀도를 조절할 경우에는 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사되는 깊이를 조절할 수 있다. 그러나, 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사되는 깊이의 조절은 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사하는 부재의 종류, 파장 등에 따라 달리하기 때문에 상기 제1 레이저 빔(17)이 갖는 에너지 밀도를 한정하는 것은 적절하지 못하다. 다만, 상기 제1 레이저 빔(17)은 상기 비정질 구조의 박막(16)을 녹일 수 있는 온도로 조사하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제1 레이저 빔 (17)을 조사함에 따라 상기 비정질 구조의 박막(16)에 상변화가 발생해야 하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 비정질 구조의 박막(16)을 비정질 실리콘 박막으로 형성하기 때문에 상기 제1 레이저 빔(17)을 약 1,410℃ 이상의 온도로 조사하는 것이 바람직하다. 이는, 상기 비정질 실리콘 박막의 녹는점(melting point)이 1,410℃이기 때문이다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예서와 같이 상기 비정질 구조의 박막을 비정질 게르마늄 박막으로 형성할 경우에는 상기 비정질 게르마늄 박막의 녹는점이 약 937.4℃이기 때문에 상기 제1 레이저 빔을 약 937.4℃ 이상의 온도로 조사해야 한다.
이와 같이, 상기 비정질 구조의 박막(16)에 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사함에 따라 상기 비정질 구조의 박막(16)은 상변화가 발생한다. 즉, 상기 비정질 구조의 박막(16)이 액상으로 변환하는 것이다. 이때, 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사되지 않는 부분이 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)과 면접하는 부위에 위치하는 비정질 구조의 박막(16)은 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사된 부분에 위치하는 비정질 구조의 박막(16)이 전달하는 열에 의해 액상으로 변환한다. 즉, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사함에 따라 상기 비정질 구조의 박막(16) 전체가 액상으로 변환하는 것이다. 여기서, 상기 비정질 구조의 박막(16)이 액상으로 변환하여도 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)을 갖는 절연막 패턴(12)으로부터 흘러내리지 않는 것은 상기 액상의 변환하는 시간이 수 나노초에 불과하기 때문이다. 즉, 수 나노초 동안 액상으로 변환한 후, 다시 고체 상태로 변환하기 때문이다.
아울러, 본 발명의 실시예에의 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사하기 위한 부재로서는 스캔 방식의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사를 짧은 시간 동안만 수행하기 위함이다.
또한, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때 상기 비정질 구조의 박막(16)을 갖는 구조물을 가열하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사함에 따라 상변화가 발생하는 비정질 구조의 박막(17)에서의 온도 구배를 감소시키기 위함이다. 이와 같이, 상기 온도 구배를 감소시킬 경우에는 보다 큰 크기를 갖는 그레인들의 수득이 가능하다.
언급한 바와 같이, 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사되는 깊이를 적절하게 조절하여 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화를 발생시킴으로써 상기 비정질 구조의 박막(16)은 다결정 구조의 박막(18)으로 변환한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 비정질 구조의 박막(16)으로서 비정질 실리콘 박막을 한정하기 때문에 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 경우 상기 비정질 구조의 박막(16)은 다결정 실리콘 박막으로 변환한다.
도 1f 및 도 1g를 참조하면, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사하여 발생하는 상변화에 의해 수득한 다결정 구조의 박막(18)에 제2 레이저 빔(19)을 조사한다. 그러나, 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사할 때에는 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때에와는 달리 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 상변화에 영향을 끼쳐야 한 다. 그 이유는, 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사함에 따라 발생하는 상변화에 단결정 구조의 시드 박막(14)이 시드로 작용해야 하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 다결정 구조의 박막(18) 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막(18)과 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔(19)을 조사한다. 여기서, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때와 마찬가지로 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사할 때에도 상기 제2 레이저 빔(19)의 에너지 밀도를 조절함에 따라 상기 제2 레이저 빔(19)이 조사되는 깊이를 조절할 수 있다. 다만, 상기 제1 레이저 빔(17)이 조사되는 깊이보다 더 깊게 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사해야 하기 때문에 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 레이저 빔(17)의 에너지 밀도보다 상기 제2 레이저 빔(19)의 에너지 밀도가 큰 것이 바람직하다. 그러나, 상기 제2 레이저 빔(19)의 경우에도 상기 제2 레이저 빔(19)이 조사되는 깊이의 조절은 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사하는 부재의 종류, 파장 등에 따라 다르기 때문에 상기 제2 레이저 빔(19)이 갖는 에너지 밀도를 한정하는 것은 적절하지 못하다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사하는 부재와 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사하는 부재가 서로 동일한 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사하는 부재와 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사하는 부재를 달리할 경우에는 생산성에 영향을 끼치기 때문이다. 아울러, 상기 제2 레이저 빔(19)의 조사에서도 상기 다결정 구조의 박막(18)을 녹일 수 있는 온도로 조사하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사함에 따라 상기 다결정 구조의 박막(18)에 상변화가 발생해야 하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 다결정 구조의 박막(18)을 다결정 실리콘 박막으로 한정하고 있기 때문에 상기 제2 레이저 빔(19)을 약 1,410℃ 이상의 온도로 조사하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예서와 같이 상기 다결정 구조의 박막을 다결정 게르마늄 박막으로 형성할 경우에는 상기 제2 레이저 빔을 약 937.4℃ 이상의 온도로 조사해야 한다.
이와 같이, 상기 다결정 구조의 박막(18)에 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사함에 따라 상기 다결정 구조의 박막(18)은 상변화가 발생한다. 즉, 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사함에 따라 상기 다결정 구조의 박막(18) 전체가 액상으로 변환하는 것이다. 여기서, 상기 다결정 구조의 박막(18)이 액상으로 변환하여도 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)을 갖는 절연막 패턴(12)으로부터 흘러내리지 않는 것은 상기 액상의 변환하는 시간이 수 나노초에 불과하기 때문이다. 즉, 수 나노초 동안 액상으로 변환한 후, 다시 고체 상태로 변환하기 때문이다.
또한, 상기 제1 레이저 빔(17)을 조사할 때와 마찬가지로 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사할 때에도 상기 다결정 구조의 박막(18)을 갖는 구조물을 가열하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사함에 따라 상변화가 발생하는 다결정 구조의 박막(18)에서의 온도 구배를 감소시키기 위함이다. 이와 같이, 상기 온도 구배를 감소시킬 경우에는 보다 큰 크기를 갖는 그레인들의 수득이 가능하다.
언급한 바와 같이, 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 영향을 끼치는 상태에서 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사하여 상변화를 발생시킴으로써 상기 다결정 구조의 박막(18)은 단결정 구조의 박막(20)으로 변환한다. 이는, 상기 제2 레이저 빔(19)의 조사에 의해 상변화가 발생할 때 상기 단결정 구조의 시드 박막(14)이 시드로 작용하기 때문이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 다결정 구조의 박막(18)으로서 다결정 실리콘 박막을 한정하기 때문에 상기 제2 레이저 빔(19)을 조사할 경우 상기 다정질 구조의 박막(18)은 단결정 실리콘 박막(20)으로 변환한다.
이와 같이, 본 발명에서는 두 차례와 걸친 레이저 빔(17, 19)을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막(16)을 다결정 구조의 박막(18)으로 변환시킨 후, 상기 다결정 구조의 박막(18)을 단결정 구조의 박막(20)으로 형성한다. 특히, 첫 번째의 레이저 빔(17)의 조사에서는 하부에 위치하는 단결정 구조의 시드 박막(14)이 상변화에 영향을 끼치지 않게 함으로써 다결정 구조의 박막(18)을 수득하고, 두 번째의 레이저 빔(19)의 조사에서는 하부에 위치하는 단결정 구조의 시드 박막(14)이 상변화에 영향을 끼치게 함으로써 단결정 구조의 박막(20)을 수득하는 것이다.
특히, 본 발명에서는 다결정 구조의 박막(18)으로부터 단결정 구조의 박막(20)을 수득하기 때문에 하부에 위치하는 절연막 패턴(12)과의 웨팅 특성의 열화를 충분하게 방지할 수 있다. 그 이유는, 상기 다결정 구조의 박막(18)의 흡수 계수가 비정질 구조의 박막(16)의 흡수 계수에 비해 작기 때문이다. 그러므로, 흡수 계수가 상대적으로 작은 상기 다결정 구조의 박막(18)으로부터 단결정 구조의 박막(20) 을 수득하기 때문이다. 여기서, 상기 흡수 계수가 작을 경우에는 하부에 위치하는 구조물과에 끼치는 영향 또한 줄어든다.
따라서, 본 발명에서는 하부에 위치하는 절연막 패턴(12)으로부터 상기 단결정 구조의 박막(20)이 박리되는 현상을 충분하게 줄일 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 레이저 빔을 조사하는 상변화를 이용하기 때문에 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어진 단결정 구조의 박막(20)을 용이하게 수득할 수 있다.
언급한 바와 같이, 두 차례의 레이저 빔(17, 19)의 조사를 수행하여 수득한 단결정 구조의 박막(20)은 적층형 반도체 장치의 제조에서 액티브 영역으로 활용하는 것이 바람직하다. 그러므로, 상기 단결정 구조의 박막 상에는 게이트 패턴, 금속 배선, 로직 소자 등을 형성할 수 있다.
단결정 구조의 박막의 박리 현상에 대한 평가
언급한 본 발명의 실시예에서 설명한 도 1a 내지 도 1c와 동일한 방법을 수행하여 단결정 실리콘 박막을 시드 박막으로 갖는 단결정 실리콘 기판 상부에 약 250Å의 두께를 갖는 비정질 실리콘 박막을 형성하였다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 단결정 실리콘 기판을 네 군데 영역으로 구분한 후, 레이저 빔을 조사하였다. 이때, 상기 레이저 빔을 조사하는 부재로서는 약 532nm의 파장을 갖는 Nd-YAG 레이저를 사용하였다.
먼저, 제1 영역(Ⅰ)의 경우에는 상기 Nd-YAG 레이저를 이용하여 약 700mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사한 후, 약 950mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 단결정 실리콘 박막으로 변환시켰다. 아울러, 제2 영역(Ⅱ)의 경우에는 상기 Nd-YAG 레이저를 이용하여 약 700mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사한 후, 약 1,000mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 단결정 실리콘 박막으로 변환시켰다.
그리고, 제3 영역(Ⅲ)의 경우에는 상기 Nd-YAG 레이저를 이용하여 약 800mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사한 후, 약 950mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 단결정 실리콘 박막으로 변환시켰다. 아울러, 제4 영역(Ⅳ)의 경우에는 상기 Nd-YAG 레이저를 이용하여 약 800mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사한 후, 약 1,000mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 단결정 실리콘 박막으로 변환시켰다.
특히, 상기 제1 영역과 제2 영역의 경우 약 700mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사함으로써 하부의 시드 박막이 상변화에 영향을 직접적으로 끼치지 않기 때문에 상기 비정질 실리콘 박막이 다결정 실리콘 박막으로 변환하고, 약 1,000mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사함으로써 하부의 시드 박막이 상변화 에 영향을 직접적으로 끼치기 때문에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 변환시킨 다결정 실리콘 박막이 단결정 실리콘 박막으로 변환하는 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 상기 제3 영역과 제4 영역의 경우 약 800mJ/cm2의 에너지 밀도로 레이저 빔을 조사함으로써 하부의 시드 박막이 상변화에 영향을 직접적으로 끼치는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 상기 제1 내지 제4 영역에서의 수득한 단결정 실리콘 박막의 박리 현상을 확인한 결과, 상기 제1 영역의 경우에는 약 12개의 박리 현상이 발생하였고, 상기 제2 영역의 경우에는 약 74개의 박리현상이 발생하였고, 상기 제3 영역에서는 약 442개의 박리 현상이 발생하였고, 상기 제4 영역에서는 약 512개의 박리 현상이 발생하였다.
언급한 단결정 구조의 박막의 박리 현상에 대한 평가 결과, 하부에 위치하는 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 레이저 빔을 조사하여 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시킨 후, 하부에 위치하는 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 레이저 빔을 조사하여 다결정 구조의 박막을 단결정 구조의 박막으로 변환시킬 경우에는 박리 현상이 상대적으로 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 조밀하면서 동시에 큰 크기를 갖는 그레인들로 이루어진 단결정 구조의 박막을 용이하게 획득할 뿐만 아니라 하부에 위치하는 절연 막으로부터 박리되는 현상도 현저하게 줄일 수 있다. 그러므로, 본 발명의 방법을 스택형과 같은 고집적화를 요구하는 반도체 장치의 제조에 적극적으로 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 단결정 구조의 시드 박막을 마련하는 단계;
    상기 시드 박막 상에 비정질 구조의 박막을 형성하는 단계;
    상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 구조의 박막 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시키는 단계; 및
    상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 구조의 박막 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 구조의 박막을 상기 시드 박막과 결정 구조가 동일한 단결정 구조의 박막으로 변환시키는 단계를 포함하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 단결정 구조의 시드 박막은 단결정 실리콘 기판, 단결정 게르마늄 기판, 선택적 에피택시얼 성장에 의해 수득하는 단결정 실리콘 박막 또는 선택적 에피택시얼 성장에 의해 수득하는 단결정 게르마늄 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 제1 에너지 밀도를 갖고, 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 에너지 밀도에 비해 상대적으로 큰 제2 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 각각은 상기 비정질 구조의 박막과 상기 다결정 구조의 박막 각각을 녹일 수 있는 온도로 조사하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 조사하는 부재는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  6. 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판의 표면을 부분적으로 노출시키는 개구부를 갖는 절연막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 개구부 내에 상기 단결정 기판과 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 시드 박막을 매립시키는 단계;
    상기 시드 박막을 갖는 절연막 패턴 상에 비정질 구조의 박막을 형성하는 단계;
    상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 구조의 박막 표면으로부터 상기 비정질 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 구조의 박막을 다결정 구조의 박막으로 변환시키는 단계; 및
    상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 구조의 박막 표면으로부터 상기 다결정 구조의 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 구조의 박막을 상기 시드 박막과 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 박막으로 변환시키는 단계를 포함하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 단결정 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 단결정 게르마늄 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 시드 박막은 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 절연막 패턴은 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 제1 에너지 밀도를 갖고, 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 에너지 밀도에 비해 상대적으로 큰 제2 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  11. 제6 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 각각은 상기 비정질 구조의 박막과 상기 다결정 구조의 박막 각각을 녹일 수 있는 온도로 조사하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  12. 제6 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 조사하는 부재는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  13. 단결정 실리콘 기판 상에 상기 단결정 실리콘 기판의 표면을 부분적으로 노출시키는 개구부를 갖는 실리콘 산화막 패턴을 형성하는 단계;
    선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 상기 개구부 내에 상기 단결정 실리콘 기판과 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조의 시드 박막을 형성하는 단계;
    상기 시드 박막을 갖는 실리콘 산화막 패턴 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계;
    상기 시드 박막이 영향을 끼치지 않는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 비정질 실리콘 박막 표면으로부터 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위보다 얕은 부위까지 부분적으로 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 변환시키는 단계; 및
    상기 시드 박막이 영향을 끼치는 상태에서 상변화가 발생하도록 상기 다결정 실리콘 박막 표면으로부터 상기 다결정 실리콘 박막과 상기 시드 박막이 면접하는 부위까지 전체적으로 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 다결정 실리콘 박막을 상기 시드 박막과 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 실리콘 박막으로 변환시키는 단계를 포함하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 개구부는 적어도 두 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 제1 에너지 밀도를 갖고, 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 에너지 밀도에 비해 상대적으로 큰 제2 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  16. 제13 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 각각은 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 다결정 실리콘 박막 각각을 녹일 수 있는 1,410℃ 이상이 온도로 조사하는 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
  17. 제13 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 조사하는 부재는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 단결정 구조를 갖는 박막의 형성 방법.
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