KR20000008069A - 플라즈마를 이용한 비정질 막의 결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
저온 다결정 실리콘의 제조는 형성온도가 낮아 제조단가가 낮고, 대면적화가 가능하며, 성능면에서 고온 다결정 실리콘과 대등 또는 우수하다. 새로운 저온 결정화 방법으로 금속유도 결정화법이 있다. 즉 특정한 종류의 금속을 비정질 실리콘에 접촉시켜 낮은 온도에서 결정화를 유도할 수 있다. 금속유도 결정화는 금속과 실리콘 계면사이에 형성된 실리사이드에 의하여 결정화가 촉진되어 결정화 온도를 낮춘다. 본 발명은 플라즈마를 이용하여 비정질 실리콘을 결정화한 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)에 관한 것이다. 금속 유도 결정화는 저온 결정화라는 장점에도 불구하고, 결정화시간은 ∼500 ℃에서 20시간 정도로 많은 시간이 요구되고, 결정화된 실리콘 박막내의 금속에 의한 오염으로 실리콘 박막 본래의 특성이 변화한다. 본 발명에서는 결정화시간이 50분 이내로 아주 짧고, 결정화 온도 또한 일반적인 금속 유도 결정화 방법보다 100 ℃ 가량 낮은 400 ℃에서 결정화되었다. 특히 실리콘 박막내의 금속오염을 피하기 위하여 플라즈마 세기 및 노출 시간을 조절하여 결정화된 박막내의 금속오염을 피할 수 있다. 상기 방법으로 제작된 다결정 실리콘 박막은 박막트랜지스터에 응용될수 있다. 특히 고해상도 능동행렬액정표시장치(AM-LCD)의 구동소자로 응용되는 다 결정 실리콘 박막트랜지스터에 응용될 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용하여 비정질 실리콘을 결정화한 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 플라즈마를 이용하여 비정질 실리콘의 결정화를 가속시키고 결정화 온도를 낮추는 데에 있다. 또한 플라즈마의 밀도 및 노출 시간을 조절하여 결정화된 실리콘 박막내의 금속오염을 피하고, 대면적의 유리기판에 금속유도화된 다결정실리콘을 형성하는데 있다.
저온 다결정 실리콘은 형성온도가 낮아 제조단가가 낮고, 대면적화가 가능하며, 성능 면에서 고온 다결정 실리콘과 대등하다. 이러한 저온의 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로는 고상 결정화방법(solid phase crystallization ; SPC), 레이저 결정화(laser crystallization)법 등이 있다. 레이저를 이용한 결정화 방법은 400 ℃ 이하의 저온결정화가 가능하고 [Hiroyaki Kuriyama, et. al, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 4550 (1992)] 우수한 특성을 갖는 장점이 있으나, 결정화가 불균일하게 일어나고 고가의 장비와 낮은 생산성으로 인하여 대면적의 기판위에 다결정 실리콘을 제작하는 경우에 적합하지 않다. 또한 고상결정화 방법은 저가의 장비를 사용하여 균일한 결정질을 얻을 수 있으나, 높은 결정화온도와 장시간이라는 문제점으로 인하여 유리기판을 사용할 수 없고, 생산성이 낮다는 단점을 가지고 있다.
낮은 온도에서 비정질 실리콘을 결정화시키는 새로운 방법으로 금속유도 결정화법이 있다[M. S. Haque, et. al, J. Appl. Phys. 79, 7529(1996)]. 금속유도 결정화 방법은 특정한 종류의 금속을 비정질 실리콘에 접촉하게 하여 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추는 방법이다. 니켈에 의한 금속유도 결정화는 니켈 실리사이드의 마지막 상인 NiSi2가 결정화 핵[C. Hayzelden, ct. al, J. Appl. Phys 73, 8279 (1993)]으로 작용하여 결정화를 촉진한다. 실제로 NiSi2는 실리콘과 같은 구조를 갖으며, 격자상수는 5.406Å으로 실리콘의 5.430Å과 매우 비슷하여, 비정질 실리콘의 결정화 핵으로 작용하여 ＜111＞ 방향으로 결정화를 촉진한다[C. Hayzelden, et. al, Appl. Phys. Lett. 60, 225(1992)]. 비정질 실리콘의 결정화는 N2, O2플라즈마에 의해 결정화가 촉진된다. 이는 플라즈마에 의해 챔버내부의 금속원자들이 비정질 실리콘 박막 위에 증착되어 금속유도 결정화가 일어난다[Tanemasa. Asano, et. al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol 36, pp. 1415-1419 (1997)]. 이러한 금속유도 결정화 방법은 어닐링 시간, 어닐링 온도, 금속의 양에 영향을 받는다. 일반적으로 금속의 양이 증가함에 따라 결정화 온도는 낮아진다.
금속유도 결정화는 저온 결정화라는 장점에도 불구하고, 결정화를 위해서는 500 ℃이상에서 20 시간 이상의 열처리 시간이 필요하다. 여전히 양산에 적용하기에는 결정화 온도가 높고, 많은 열처리 시간이 요구된다. 또한 금속의 양이 많아짐에 따라 금속유도 결정화 효과는 증가하지만 이에 따른 금속오염 문제도 점점 커지게 되어 결정화된 실리콘 박막내의 금속에 의한 오염으로 실리콘 박막 본래의 특성이 변화한다. 따라서 결정화를 위한 열처리 시간과 온도를 낮추고, 금속유도 결정화된 실리콘 박막내의 금속오염을 줄이는 것이 매우 중요하다.
제 1 도는 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 (a) 비정질 실리콘/절연막/기판, (b)비정질 실리콘/플라즈마 노출/비정질 실리콘/절연막/기판. (c) 절연막/비정질 실리콘/절연막/기판 구조의 단면도.
제 2 도는 본 발명의 실시 예에 따라서 제작된 다결정 실리콘/절연막/유리기판의 단면도.
제 3 도는 본 발명의 실시 예에 의해 500℃에서 결정화된 다결정 실리콘 박막의 플라즈마노출 시간에 따른 라만 스펙트럼.
제 4도는 본 발명의 실시 예에 의해 제작된 다결정 실리콘 박막의 어닐링 온도에 따른 라만 스펙트럼.
제 5도는 본 발명의 실시 예에 의해 500℃에서 결정화된 다결정 실리콘 박막의 투과 전자현미경 (TEM : Transmitance Electron Microscopy)사진.
제 6도는 본 발명의 실시 예에 의해 제작된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭
11 : 유리 12 : 절연체
13 : 비정질 실리콘 14 : 플라즈마 노출
23 : 다결정 실리콘
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다결정 실리콘의 특징은 플라즈마를 이용하여 박막의 결정화를 촉진시켜 낮은 온도에서 비정질 실리콘을 결정화하는데 있다. 먼저, 석영이나 유리 또는 산화막 등의 절연기판상에 비정질 실리콘 반도체층을 형성하고, 상기 반도체 층위에 RF 또는 DC 플라즈마를 노출시킨 후, 비정질 실리콘 박막을 결정화한다.
질소(N2) 혹은 헬륨(He) 가스를 사용하여 비정질 실리콘 반도체 층을 RF 또는 DC 플라즈마에 노출시킨 후 열처리하거나, RF 또는 DC 플라즈마에 노출시키며 열처리하여 결정화한 다결정 실리콘 반도체 층을 형성한다. 이때 RF 또는 DC 플라즈마 세기 및 노출시간을 조절하여, 박막내의 금속양을 조절한다. 플라즈마에 의해 특정 금속만이 비정질 실리콘 층 위에 증착되기 위하여, 챔버내부에 금속봉 또는 금속판을 통해 플라즈마를 생성시킨다. 이때 금속물질로는 Au, Ag, Al, Sb, In 등의 귀금속과 Ni, Mo, Pd, Co, Ti, Cu, Fe, Cr 등의 실리사이드를 형성하는 전이금속을 사용한다.
[실시예]
제 1도는 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 비정질 실리콘과 플라즈마 노출 층의 단면도이다. 비정질 실리콘과 플라즈마 노출 순서에 따라 (a) 플라즈마 노출/비정질 실리콘, (b) 비정질 실리콘/플라즈마 노출/비정질 실리콘, (c) 플라즈마 노출/절연막/비정질 실리콘 각각을 유리기판위 절연막에 증착하였다.
제 2도는 본 발명의 실시 예에 따라 제작한 다결정 실리콘/유리기판의 단면도이다. 제 1도 (a), (b), (c)구조에서 각각의 비정질 실리콘은 플라즈마에 의하여 다결정화된다.
제 3도는 본 발명의 실시 예에 따라 500 ℃에서 플라즈마 노출 시간에 따라 20분 열처리하여 결정화한 플라즈마 노출 시간에 따른 라만세기의 변화를 나타낸다. 이때 플라즈마는 RF 플라즈마를 사용하였으며, 플라즈마 전력은 20 W, 여기 가스로는 질소를 사용하였다. 플라즈마를 가하지 않은 경우 결정질 실리콘에 의한 피크가 나타나고 있지 않으며, 플라즈마 노출시간이 증가함에 따라 결정질에 의한 라만피크의 세기가 증가하였다. 결정질에 의한 라만피크는 ∼520 cm-1부근의 TO(transverse optical) 포논 모드(phonon mode)에 의한 날카로운 피크와 ∼510 cm-1부근의 미세 결정입자에 의한 넓은 피크가 나타나고 있다.
제 4도는 본 발명의 실시 예에 의해 제작된 다결정 실리콘 박막의 열처리 온도에 따른 라만세기를 나타낸다. 이때 플라즈마 노출 시간과 열처리 시간은 각각 10분과 20분이다. 플라즈마에 의한 박막내의 열전도를 막기 위하여 모든 비정질 실리콘 박막은 100 ℃ 에서 플라즈마 노출을 행하였으며, 플라즈마가 없는 상태에서 열처리하였다. 400 ℃ 이상의 온도에서 열처리한 박막에서 결정질에 의한 피크가 나타나고 있으며 380 ℃에서는 결정질에 의한 라만피크는 보이지 않는다. 또한 열처리 온도가 증가함에 따라 피크의 세기가 증가하지만 460 ℃ 이상의 온도에서는 거의 동일한 특성을 갖는다.
제 5도는 본 발명의 실시 예에 의해 500 ℃에서 결정화된 다결정 실리콘 박막의 투과전자현미경 (TEM) 명시야상과 전자 회절무늬이다. ＜111＞ 방향의 막대모양의 결정상이 나타나고 있으며, 막대모양 결정상의 폭은 대략 ∼1,000 Å, 길이는 수 ㎛ 이다. 이러한 결정상은 금속이 함유된 비정질 실리콘 박막의 결정화시 나타나는 결정상으로 플라즈마에 의해 금속이 박막표면에 흡착됨을 알 수 있다. 박막 내부에서 비정질은 관찰되지 않으며, 전자회절 무늬 또한 ＜011＞로 정렬되어 있음을 알 수 있다.
제 6도는 본 발명의 실시 예에 의해 제작된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도 특성이다. RF 전력 20 W 로 5분 플라즈마 노출후, 500℃ 10분간 결정화 하였다. 사용된 비정질 실리콘 박막과 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도 활성화 에너지는 각각 0.72, 0.48 eV이며, 결정화된 후 암전기전도도는 10-10에서 10-5S/cm 로 높아졌다. 호핑(hopping) 전도는 나타나고 있지 않으며, ELA (eximer laser annealing) poly-Si 과 같은 활성화된 형태(activated form)를 나타낸다.
본 발명의 결과, 300 ∼ 1,000 ℃ 정도의 온도에서 비정질 실리콘을 결정화하였으며, 50분 이내의 짧은 열처리시간 동안에 박막전체가 완전히 결정화가 되었으며, 플라즈마 노출 시간에 따라 박막내의 금속양을 조절하여 결정화된 박막내의 금속오염을 현저하게 줄일 수 있다.
본 발명의 결과는 액정표시장치(Liquid Crystal Display)의 구동소자인 박막트랜지스터의 제작에 응용될 수 있다. 또한 SRAM, 태양전지 등의 전자소자 제작에 응용될수 있다.
Claims (17)
- 기판위에 형성된 비정질 막을 결정화시키기 위하여, 비정질 막이 플라즈마에 노출된 후에 비정질 막을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 비정질 막에 플라즈마를 노출시키는 단계와 비정질 실리콘을 어닐링하는 단계가 동시에 이루어지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘을 결정화시키는 방법.
- 제 1항 내지 제 2항에 있어서,비정질 막위에 부분적으로 플라즈마에 노출되는 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항 내지 제 3항에 있어서,플라즈마가 RF 플라즈마인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항 내지 제 3항에 있어서,플라즈마가 DC 플라즈마인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항 내지 제 3항에 있어서,플라즈마가 마이크로 플라즈마 인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항, 제 5항 내지 제 6항에 있어서,플라즈마 형성시 전극이 전이금속인 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항, 제 5항 내지 제 6항에 있어서,플라즈마 형성시 전극이 준 귀금속인 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4항 내지 제 8항에 있어서,어닐링온도가 300 ∼ 1,000 ℃인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 7항에 있어서,플라즈마를 형성하기 위하여 전극이 니켈인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 7항에 있어서,플라즈마를 형성하기 위하여 전극이 니켈합금인 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 7항에 있어서,플라즈마를 형성하기 위하여 전극이 코발트인 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 7항에 있어서,플라즈마를 형성하기 위하여 전극이 철인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항 , 제 2항 내지 제 3항에 있어서,플라즈마에 노출된 시간이 O.1초 부터 1,000초인 것을 특징으로 하는 비정질막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항 내지 제 3항에 있어서,플라즈마를 형성하기 위한 가스압력이 0.5 mTorr로 부터 100 Torr 사이인것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 1항, 제 2항 내지 3항에 있어서,비정질 막이 비정질 실리콘인 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
- 제 2항에 있어서,비정질 막에 플라즈마가 노출되는 시간과 결정화를 위한 어닐링 시간이 다른 것을 특징으로 하는 비정질 막을 결정화시키는 방법.
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| KR1019980027716A KR20000008069A (ko) | 1998-07-10 | 1998-07-10 | 플라즈마를 이용한 비정질 막의 결정화 방법 |
| US09/350,313 US6818059B2 (en) | 1998-07-10 | 1999-07-09 | Method of crystallizing amorphous silicon layer and crystallizing apparatus thereof |
| US10/899,014 US7022191B2 (en) | 1998-07-10 | 2004-07-27 | Method of crystallizing amorphous silicon layer and crystallizing apparatus thereof |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR100461155B1 (ko) * | 2002-02-05 | 2004-12-13 | 한국과학기술원 | 다결정 실리콘 박막 제조방법 |
| KR101306137B1 (ko) * | 2006-06-29 | 2013-09-09 | 엘지디스플레이 주식회사 | 유기 전계발광 표시장치 및 액정표시장치 |
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1998
- 1998-07-10 KR KR1019980027716A patent/KR20000008069A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100461155B1 (ko) * | 2002-02-05 | 2004-12-13 | 한국과학기술원 | 다결정 실리콘 박막 제조방법 |
| KR101306137B1 (ko) * | 2006-06-29 | 2013-09-09 | 엘지디스플레이 주식회사 | 유기 전계발광 표시장치 및 액정표시장치 |
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