KR101744006B1 - 플라즈마에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 챔버 내의 기판 상에 비정질 실리콘 층을 준비하고, 상기 기판에 펄스 양전압을 인가하면서, 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마에 상기 비정질 실리콘 층이 노출시킴을 포함하는, 비정질 실리콘의 결정화 방법에 관한 것이다.

Description

플라즈마에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법{METHOD FOR CRYSTALLIZATION OF AMORPHOUS FILM BY USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마를 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하여 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
다결정 실리콘을 이용한 트랜지스터 소자는 대부분 능동행렬 액정디스플레이(AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)의 능동소자와 전기발광(electro-luminescence)소자의 스위칭 소자 및 주변회로에 사용된다. 이때, 반도체 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘은 플라즈마 화학 기상 증착에 의한 직접 다결정 실리콘을 얻는 방법과 비정질 실리콘을 증착한 후에 열처리를 하여 다결정 실리콘을 얻는 방법으로 크게 나눌 수 있다. 직접 증착인 경우 비교적 낮은 온도에서 다결정 실리콘 박막을 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 박막의 특성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 따라서 현재 널리 이용되는 방법은 기판 위에 비정질 실리콘 박막을 형성한 후 열처리를 통해 결정화시켜 양질의 다결정 실리콘 박막을 얻는 방법이 널리 사용되고 있다.
비정질 실리콘 박막의 결정화법은 레이저를 이용한 방법(Excimer Laser Annealing: ELA)과 열처리에 의한 고상결정화 방법(Solid Phase Crystallization: SPC)이 있다.
레이저를 이용한 결정화 방법은 레이저 빔 조사에 의해 비정질 실리콘 박막을 재결정화시키는 방법으로 우수한 특성의 다결정 실리콘 박막을 제작할 수 있으나, 대면적 시료의 경우에 시료의 균일도에 어려움이 있고, 결정화 장비가 고가이므로 대량 생산에 많은 문제가 있다.
한편, 비정질 실리콘 박막을 600℃ 이상의 고온에서 장시간(~20시간) 열처리하여 다결정 실리콘 박막을 제조하는 고상 결정화 방법은 비교적 간단한 결정화 방법이나 높은 결정화 온도와 긴 열처리 시간이 필수적이다. 또한 결정화된 그레인(grain) 내부에 많은 결함(defect)이 있어 소자 제작에 어려움이 있다.
이 밖에 게르마늄(Ge) 등의 불순물을 넣어 결정화를 유도하는 방법, 마이크로파(microwave)를 이용하여 박막을 결정화시키는 방법 등이 제안되고 있으나 아직까지는 우수한 소자특성이 나오지 않고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있는 새로운 결정화 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은, 상기한 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있는 새로운 결정화 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 플라즈마 내의 전자를 비정질 실리콘 층에 입사시켜 기판을 수 십초 이내에 결정화에 필요한 온도로 상승시켜서 비정질 실리콘을 결정화하는 방법으로서, 레이저와 같은 고가의 장비가 필요하지 않은, 종래에서 사용된 적이 없는 완전히 새로운 기술이다.
일 측면으로서, 본 발명은, 플라즈마를 발생시킬 수 있는 챔버 내의 기판 상에 비정질 실리콘 층을 준비하고, 상기 기판에 펄스 양전압을 인가하면서, 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마에 상기 비정질 실리콘 층이 노출시킴을 포함하는, 비정질 실리콘의 결정화 방법에 관한 것이다.
상기 플라즈마는 바람직하게는 수소, 헬륨 또는 이의 혼합 가스일 수 있으나, 특정 가스에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 기판에의 전류 밀도는 0.15 A/cm2 이상임을 특징으로 한다. 한편, 상기 플라즈마가 헬륨인 경우 상기 기판에의 전류 밀도는 0.11 A/cm2 이상임을 특징으로 한다. 그 이하의 전류 밀도의 조건에서는 결정화가 이뤄질 충분한 에너지가 전달되지 않은 상태로 예측된다.
다른 측면으로서, 플라즈마를 발생 수단을 구비한 챔버; 상기 챔버 내에 위치하고, 상기 플라즈마 발생 수단에 의한 플라즈마에 노출될 수 있으며, 비정질 실리콘 기판이 증착하는 기판; 및 상기 기판의 일면에 펄스 양전압을 인가하도록 구성된 펄스인가수단을 포함하는, 비정질 실리콘의 결정화 장치에 관한 것이다.
상기 챔버는 비정질 실리콘 증착 수단을 추가로 포함함을 특징으로 한다.
본 발명은 비정질 실리콘의 결정화 방법으로, 저렴한 가격에 매우 균일한 대면적 다결정 실리콘 층을 형성할 수 있다.
특히, 본 발명은 동일 챔버 내에서 비정질 실리콘 증착과 증착된 비정질 실리콘의 결정화를 이룰 수 있음을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘의 결정화 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 장치의 개략도이다.
도 3은 결정화전의 비정질 실리콘 층과 본 발명의 실시예1에 의한 다결정 실리콘 층의 라만 결과이다.
도 4는 수소 플라즈마에서 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 라만과 XRD 결과이다.
도 5는 헬륨 플라즈마에서 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 라만과 XRD 결과이다.
도 6은 실시예1에 따라 결정화된 실리콘 층의 TEM 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘의 결정화 방법을 도시한 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 기판을 챔버 내에 위치시키는 단계(S1); 비정질 실리콘층 증착 단계(S2); 상기 비정질 실리콘 층 상에 플라즈마를 발생시키는 단계(S3); 상기 기판에 펄스 양전압을 인가하는 단계(S4)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 장치의 개략도이다.
기판 준비 단계(S1)에서는, 도 2에서 참조되는 바와 같이, 대략 평평한 기판(120)을 준비한다. 이러한 기판(120)은 예를 들면, 글래스(glass), 세라믹(ceramic), 폴리머(polymer), 금속 및 이의 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니나 펄스 양전압이 인가되어 플라즈마 내의 전자를 당길 수 있는 기판이면 사용될 수 있다.
비정질 실리콘층 증착 단계(S2)에서는, 상기 기판에 비정질 실리콘층(130)을 증착한다. 즉, 상기 기판 위에 예를 들면 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 비정질 실리콘층을 수직 방향으로 증착한다. 여기서, 상기 비정질 실리콘층은 PECVD 이외에도 스퍼터(sputter) 또는 이베퍼레이터(evaporator)에 의해 증착될 수 있으며, 본 발명에서 이러한 증착 방법을 한정하는 것은 아니다.
비정질 실리콘 층 상에 플라즈마를 발생시키는 단계(S3)에서는, 챔버 내에 플라즈마를 발생시키고 상기 비정질 실리콘층이 상기 플라즈마에 노출된다. 상기 플라즈마의 발생 소스는 예를 들어, RF 플라즈마, DC 플라즈마, 전자파 플라즈마일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
기판에 펄스 양전압을 인가하는 단계(S4)에서는, 챔버에 양전압이 펄스 방식으로 인가되어 플라즈마 내의 전자가 비정질 실리콘 층에 주입되어 비정질 실리콘 층의 결정화를 이룬다. 펄스 양전압 인가과 플라즈마 발생은 동시에 발생될 수 있고, 펄스 양전압 인가가 우선되거나 플라즈마 발생이 우선될 수 있다.
도 2에서 예시된 바와 같은 챔버 내에 비정질 실리콘이 증착된 기판을 위치시키고, 아래와 같은 플라즈마 발생 조건을 이용하여 챔버 내에 플라즈마를 발생시키면서 아래와 같은 펄스 전압 조건으로 기판에 펄스 전압을 인가하였다. 그 결과 도 6에서 보는 바와 같은 다결정 실리콘을 얻을 수 있었다.
1. 플라즈마 발생 조건
RF Power : 200 W
Operation pressure : ~5 mTorr
Operation gas : H2
2. 기판 전압 인가 조건
펄스 파워: ~ 1000 V
기판 전류 밀도: 0.277 A/cm2 (Frequency : ~ 10 KHz, Duty : ~ 40 %)
3. 결정화 결과
도 3은 결정화전의 비정질 실리콘 층과 본 발명의 실시예1에 의한 다결정 실리콘 층의 라만 결과이다. 도 3에 'a-Si'에 해당하는 그래프는 결정화전 비정질 실리콘 층의 라만 결과이며, 'post annealing'에 해당하는 그래프는 본 발명에 의한 결정화된 다결정 실리콘 층의 라만 결과이며, 'Poly-Si'는 레퍼런스 그래프로서 다결정 실리콘의 라만 결과이다.
확인되는 바와 같이, 본 발명에 의한 결정화 방법은 다결정 실리콘을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 2에서 예시된 바와 같은 챔버 내에 비정질 실리콘이 증착된 기판을 위치시키고, 아래와 같은 플라즈마 발생 조건을 이용하여 챔버 내에 플라즈마를 발생시키면서 아래와 같은 기판의 전류 밀도를 달리하였다. 그 결과 도 4에 도시하였다.
1. 플라즈마 발생 조건
RF Power : 200 W
Operation pressure : ~5 mTorr
Operation gas : H2
2. 기판 전류 밀도
0.117 A/cm2, 0.156 A/cm2, (Frequency : 10 KHz, Duty : 40 %)
도 4a는 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 라만 결과이다. 도 4b는 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 XRD 결과이다. 수소 플라즈마의 경우 기판 전류 밀도가 0.117 A/cm2 인 경우 결정화가 이뤄지지 않았지만, 기판 전류 밀도가 0.156 A/cm2 인 경우 결정화가 이뤄졌음을 확인할 수 있다. 도 4b에서 볼 수 있듯이, 기판 전류 밀도가 0.156 A/cm2 인 경우 실리콘 결정 방향에 따라 다양한 피크가 존재함을 확인할 수 있어 결정화가 이뤄짐을 확인할 수 있다.
도 2에서 예시된 바와 같은 챔버 내에 비정질 실리콘이 증착된 기판을 위치시키고, 아래와 같은 플라즈마 발생 조건을 이용하여 챔버 내에 플라즈마를 발생시키면서 아래와 같은 기판의 전류 밀도를 달리하였다. 그 결과 도 5에 도시하였다.
1. 플라즈마 발생 조건
RF Power : 200 W
Operation pressure : ~5 mTorr
Operation gas : He
2. 기판 전류 밀도
0.078 A/cm2, 0.117 A/cm2, (Frequency : 10 KHz, Duty : 40 %)
도 5a는 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 라만 결과이다. 도 5b는 펄스 전압에 따른 결정화 정도를 보여주는 XRD 결과이다. 수소 플라즈마의 경우 기판 전류 밀도가 0.078 A/cm2 인 경우 결정화가 이뤄지지 않았지만, 기판 전류 밀도가 0.117 A/cm2 인 경우 결정화가 이뤄졌음을 확인할 수 있다. 도 4b에서 볼 수 있듯이, 기판 전류 밀도가 0.117 A/cm2 인 경우 실리콘 결정 방향에 따라 다양한 피크가 존재함을 확인할 수 있어 결정화가 이뤄짐을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 플라즈마를 발생시킬 수 있는 챔버 내의 기판 상에 비정질 실리콘 층을 준비하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 비정질 실리콘 층이 플라즈마 노출되도록 하고, 상기 기판에 펄스 양전압을 인가하여, 상기 플라즈마 내의 전자를 상기 비정질 실리콘 층에 입사되도록 함을 포함하고,
    상기 플라즈마가 음이온이 없는 헬륨의 플라즈마이고, 상기 기판에의 전류 밀도는 0.11 A/cm2 이상임을 특징으로 하는,
    비정질 실리콘의 결정화 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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