KR101168282B1 - 단결정 실리콘 필름 제조방법 및 이를 이용한 ｔｆｔ의제조방법 - Google Patents
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Abstract
양질의 단결정 실리콘 필름의 제조방법에 관해 개시된다. 본 발명에 따른 단결정 실리콘T의 제조방법은: 결정성장판에 단결정 실리콘과 버퍼층을 형성한 후, 상기 절연층 위로 부터 수소 이온을 주입하여 상기 단결정 실리콘층으로 부터 소정 깊이에 위치하는 분할층을 형성한다. 단결정 실리콘층은 기판에 부착되고, 분할층은 외부로 가해지는 열에너지에 의해 분할된다. 따라서 기판 상에 소정 두께의 단결정 실리콘필름을 형성할 수 있다.
단결정, 본딩, 분할, TFT
Description
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 단결정 실리콘 필름 제조방법의 공정도이다.
도 1h는 본 발명에 의해 제조된 단결정 실리콘 필름에 의한 TFT의 일례를 보인다.
도 2h는 본 발명에 따른 단결정 실리콘 TFT의 제조공정의 한 실시예를 보인다.
본 발명은 단결정 실리콘 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터(TFT)의 제조방법{Fabrication method of single crystal Si film and fablication method of TFT adopting the same}에 관한 것이다.
다결정 실리콘(poly crystalline Si, poly-Si)은 비정질 실리콘(amorphous Si, a-Si)에 비해 높은 이동도(mobility)를 가지기 때문에 평판 디스플레이 소자 뿐 아니라 태양전지 등 다양한 전자 소자 등에 응용된다. 이러한 다결정 실리콘은 단결정 실리콘에 비해서는 역시 이동도 및 균질성 등이 좋지 못하다.
단결정 실리콘은 특히 시스템이 디스플레이 패널 자체에 형성되는 SOP(system on panel) 구조에 매우 유용하다. 단결정 실리콘의 이동도는 300cm2/Vs 이상이다. 이러한 고이동도의 단결정 실리콘으로 부터 디스플레이 소자등의 사용되는 양질의 스위칭 소자을 얻을 수 있다.
단결정 실리콘을 제조함에 있어서의 제약은 공정 온도가 제한이다. 단결정 실린콘을 제조함에 있어서 이의 기반이 되는 기판의 재료, 예를 들어 유리나 플라스틱이 견딜 수 있는 온도에 비해 높은 온도에서 공정을 진행할 수 없다.
소위 스마트-커트라고 일컷어지는 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼 제조방법은 최고 1000℃에 이르는 고온의 열처리(annealling) 과정을 포함한다. 이 방법은 일정 두께의 초기 베어 웨이퍼(bare wafer)를 열처리하여 산화막을 입히는 과정, 수소(H+) 이온을 웨이퍼 표면 아래로 주입하여 수소 불순물에 의한 경계층을 형성하는 과정, 웨이퍼를 별도의 기판에 본딩한 후 경계층을 분리하여 상기 기판 위에 소정 두께의 실리콘을 남기는 과정 그리고 고온 어닐링(annealling) 과정 등을 수행한다.
이러한 과정에서 열산화시는 900℃ 이상, 어닐링 시는 최고 1100℃에 까지 이르며, 이러한 고온의 공정은 자칫 기판에 큰 무리를 줄 가능성이 있다. 이러한 종래의 SOI 웨이퍼 제조방법의 고온 공정은 사용될 수 있는 기판의 재료를 제한하 며, 선택된 재료에 조차 열적인 충격을 줌으로써 실리콘으로 부터 얻고자 하는 소자의 성능에 악영향을 미친다.
본 발명의 목적은 기판에 대한 열충격이 없이 단결정 실리콘층을 형성할 수 있는 단결정 실리콘 제조방법 및 이를 이용한 TFT 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열에 약한 기판에 단결정 실리콘층을 형성할 수 있는 단결정 실리콘 제조방법 및 이를 이용한 TFT 제조방법을 제공한다.
상기 본 발명의 단결정 실리콘 필름 제조방법은:
결정성장판에 단결정 실리콘을 소정 두께로 성장시키는 단계;
상기 단결정 실리콘층 위에 버퍼층을 증착하는 단계;
상기 절연층 위로 부터 수소 이온을 주입하여 상기 단결정 실리콘층으로 부터 소정 깊이에 위치하는 분할층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층에 기판을 접착하는 단계;
상기 기판을 판상 서포터에 접착하는 단계;
상기 결정성장판으로 부터 열에너지를 가하여 상기 단결정 실리콘층의 분할층을 절단하여 상기 기판 상에 소정두께의 단결정 실리콘층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 본 발명의 단결정 실리콘 TFT의 제조방법은:
결정성장판에 단결정 실리콘을 소정 두께로 성장시키는 단계;
상기 단결정 실리콘층 위에 버퍼층을 증착하는 단계;
상기 절연층 위로 부터 수소 이온을 주입하여 상기 단결정 실리콘층으로 부터 소정 깊이에 위치하는 분할층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층에 기판을 접착하는 단계;
상기 기판을 판상 서포터에 접착하는 단계;
상기 결정성장판으로 부터 열에너지를 가하여 상기 단결정 실리콘층의 분할층을 절단하여 상기 기판 상에 소정두께의 단결정 실리콘층을 얻는 단계;
상기 기판 상의 단결정 실리콘층을 이용하여 상기 기판 상에 단결정 실리콘 TFT를 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 본 발명의 제조방법의 다른 실시예에 따르면 상기 기판은 플라스틱 기판 또는 유리 기판이며, 또 다른 실시예에 따르면 상기 결정성장판은 알루미나 기판이다.
한편, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 알루미나 기판은 단결정 실리콘 필름을 위해 재사용되며, 이를 위해 상기 알루마니 기판에 잔류하는 단결정 실리콘 필름은 연마된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 다결정 실리콘 필름의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 에 도시된 바와 같이 결정 성장판인 사파이어(Al2O3) 기판(1) 위에 결정 성장법에 의해 실리콘 성장막(Si epitaxial layer) 즉 단결정 실리콘 필름(12) 과 산화물 예를 들어 버퍼층(Oxide buffer layer, 11)을 순차적으로 형성한다. 바람직하게 상기 단결정 실리콘 필름(12)은 0.5 미크론 이하의 두께로 조절하는 것이 바람직하다.
도 1b에 도시된 바와 같이 수소 이온(H+)을 주입하여 상기 단결정 실리콘 필름(12)의 중간 부분에 분할층(12a)으로 불순물 주입층(implanted layer)을 형성한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 본드층(21)에 의해 서포터(20)에 접착되어 있는 유리 또는 플라스틱 기판(10)을 상기 실리콘 필름(12)에 본딩한다. 이를 위해 상기 버퍼층 및 하부의 실리콘 필름은 산소 플라즈마에 의해 활성화되며 상온 공기 분위기에서 상기 기판(10)이 접착된다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 결정 성장판(1)으로 부터 열에너지, 예를 들어 308nm의 엑시머 레이저를 전면적으로 고르게 가한다. 이러한 고열에너지에 의하면 상기 불순물에 의해 스트레인스트레스가 집중된 불순물 주입층 즉 분할층(12a)이 분리되게 되어 도 1f에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(1)측의 실리콘 필름(11')과 유리 또는 플라스틱 기판(10) 상의 실리콘 필름(11)으로 양분된다. 이러한 분할층(12a)을 분리를 위한 다른 방법은 500℃ 로 가열하는 것이다.
도 1e 에 도시된 바와 같이 기판(10)의 저면으로 부터 서포터(20)를 분리한 후 이를 일반적인 TFT 제조공정을 투입하여 도 1h에 도시된 바와 같은 TFT를 제조한다. TFT의 제조공정의 투입에 앞서 상기 기판(10) 상의 단결정 실리콘은 연마장치에 의해 소정의 두께 및 평활면을 가지도록 충분히 연마된다.
제조된 TFT를 간단히 살펴보면, 플라스틱 또는 유리 기판(10)의 위에 위와 같은 방법에 의해 결정성장 및 분할 과정에 의해 얻어진 단결정 실리콘 필름으로 부터 그 양측에 소스(12a)와 드레인(12b)이 마련된 활성층(12)이 형성되고 활성층(12)의 위에 절연층(13, 15)이 형성된다. 활성층(12)의 중앙부분의 위에 있는 절연층은 그 위의 게이트(14)와 활성층(12)을 전기적으로 절연하는 게이트 절연층(13)이다. 활성층(12)의 양측을 커버하고 그리고 상기 게이트(14)를 커버하는 부분도 절연층이다.
한편, 위와 같은 과정에서 분할된 사파이어 기판(1)은 새로운 단결정 실리콘 필름 성장을 위하여 공정에 재투입된다. 공정 재투입에 앞서 사파이어 기판(1)위의 결정층은 연마된다.
이하 상기와 같이 기판 상에 형성된 실리콘 필름을 이용한 TFT의 제조방법의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 전술한 과정을 통해 얻어진 단결정 Si 필름은 활성층으로 이용하는 TFT를 제조하기 위해, 먼저 상기 실리콘 필름 위에 1000Å 정도의 두께로 ICP-CVD, PE-CVD, 스퍼터링 법등에 의해 게이트 절연층(13)을 형성한다.
TFT의 기판이 유리가 아닌 플라스틱 재료로 되었을 경우 SiO2 박막 열처리시 가해지는 열에 의해 기판이 변형되는 것은 방지되어야 하므로 SiO2 박막 열처리시의 온도는 적절히 절충되어야 한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 절연층(13) 위에 게이트(14)를 형성한다. 여기에서 위의 게이트 절연층(13)과 게이트(14)는 아직 형태상 주어진 기능을 수행할 수 형상을 가지면 후속되는 과정을 통해서 목적하는 최종 형태로 패터닝된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1마스크(M1)를 이용한 건식식각법에 의해 상기 게이트(14)와 게이트 절연층(13)을 식각한다. 상기 마스크(M)는 게이트의 형상에 대응하는 패턴을 가진다. 이러한 패턴에 의해 상기 게이트(21)가 패터닝되고 그 하부의 게이트 절연층(20b)도 동일한 형상으로 패터닝된다. 이를 통해서 게이트(21)에 덮히지 않은 부분을 통해 단결정 실리콘 필름(12)가 노출된다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 이온 샤워를 통해 게이트(21)에 덮히지 않은 부분을 도핑하고 이에 이어 308nm XeCl 엑시머 레이저에 의해 활성화한다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 제2마스크(M2)를 이용한 건식식각법에 의해 상기 게이트에 덮이지 않은 단결정 실리콘 필름(12) 을 패터닝하여 소스(12a)와 드레인(12b)을 형성한다. 상기 게이트(21)의 하부에는 단결정 Si이 도핑되지 않은 상태로 잔류하며 이후 채널로서의 기능을 하게 된다.
도 2f에 도시된 바와 같이 ICP-CVD, PE-CVD, 스퍼터링 등에 의해 상기 적층물 위에 ILD(interlayer dielectric)으로서 SiO2 제3절연층(15)을 약 3000Å의 두께로 형성한다.
도 2g에 도시된 바와 같이, 제3마스크(M3)를 이용하여 상기 SiO2 제3절연층 (15)에 소스 콘택홀(15a) 및 게이트 콘택홀(15b)을 형성한다.
도 2h에 도시된 바와 같이, 상기 소스 콘택홀(15a) 및 게이트 콘택홀(15b)위에 소스 전극(12a) 및 드레인 전극(12b)을 형성하여 목적하는 TFT를 얻는다.
위에서 설명된 TFT의 제조방법은 본 발명에 따라 제조된 단결정 실리콘필름을 이용하여 TFT를 제조하는 일례로서 다양한 변경이 가능하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 단결정시리콘 필름을 용이하게 얻을 수 있다. 고온의 열처리 과정에 플라스틱이나 유리와 같이 열에 취약한 기판이 투입되지 않고 열에 충분히 견딜수 있는 결정성장판을 이용함으로써 양질의 단결정 실리콘 필름을 얻으수 있다. 또한 결정성장판에 형성된 단결정 실리콘 필름에 소정깊이로 분리층을 이온 주입에 의해 형성할 수 있어서 소망하는 두께 특히 100nm 이하의 매우 얇은 실리콘 필름을 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 본 발명은 플라스틱이나 유리기판에 실리콘 층을 형성하므로 소위 단결정 실리콘을 이용하는 SOG(system on glass)와 단결정 SOP(system on plastic)를 실현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 단결정 실리콘에 의해 재현성이 뛰어나고 부품간 성능차가 적은 고성능의 TFT를 를 제조할 수 있다. 본 발명의 제조방법은 고내열성 사파이어 기판을 이용하여 단결정 실리콘을 성장시키고 이것을 플라스틱이나 유리 기판에 옮기는 방법을 이용하므로 사용된 사파이어 기판을 새로운 결정 성장을 위해 반복적 재사용이 가능한 경제적 잇점을 가진다.
이러한 본 발명에 의한 단결정 실리콘 제조방법은 TFT 뿐 아니라 실리콘을 이용하는 예를 들어 태양전지 등에도 적용할 수 있다.
이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
Claims (8)
- 결정성장판에 소정 두께로 단결정 실리콘층을 성장시키는 단계;상기 단결정 실리콘층 위에 버퍼층을 증착하는 단계;상기 버퍼층 위로부터 수소 이온을 주입하여 상기 단결정 실리콘층으로 부터 소정 깊이에 위치하는 분할층을 형성하는 단계;상기 버퍼층에 기판을 접착하는 단계;상기 결정성장판으로 부터 열에너지를 가하여 상기 단결정 실리콘층의 분할층을 절단하여 상기 기판 상에 소정두께의 단결정 실리콘층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 필름 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 단결정 실리콘층의 분할층에 열을 가하기 전에 상기 기판에 기판 지지용 판상 서포터를 접착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 필름 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정성장판은 알루미나 기판인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 필름 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 유리 또는 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 필름 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단결정 실리콘층 성장단계는,상기 단결정 실리콘층을 0.5 미크론이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조방법.
- 결정성장판에 단결정 실리콘층을 소정 두께로 성장시키는 단계;상기 단결정 실리콘층 위에 버퍼층을 증착하는 단계;상기 버퍼층 위로 부터 수소 이온을 주입하여 상기 단결정 실리콘층으로부터 소정 깊이에 위치하는 분할층을 형성하는 단계;상기 버퍼층에 기판을 접착하는 단계;상기 결정성장판으로 부터 열에너지를 가하여 상기 단결정 실리콘층의 분할층을 절단하여 상기 기판 상에 소정두께의 단결정 실리콘층을 얻는 단계;상기 기판 상의 단결정 실리콘층을 이용하여 상기 기판 상에 단결정 실리콘 TFT를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 TFT 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 TFT 제조단계전에 상기 기판의 단결정 실리콘층을 연마하는 단계를 더포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 TFT 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 분할층의 절단 이전에 상기 기판을 판상 서포터에 접착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 TFT 제조방법.
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-
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Patent Citations (1)
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