KR20020090669A - 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 기판 위에 중간 주파수(MF, Medium Frequency) 스퍼터링(sputtering)에 의해 절연 보호층을 코팅하고, 이 보호층 위에 고 주파수(RF, Radio Frequency) 스퍼터링에 의해 비정질 실리콘층을 코팅한 후 레이저로 결정화하여 폴리실리콘 활성층을 형성하는 것을 포함하는 본 발명의 방법에 따르면, 표면 거칠기가 개선되고 두께가 균일한 보호층 및 폴리실리콘 활성층을 가져 레이저의 넓은 에너지밀도 영역에 대해 균일한 전기적 특성을 나타내는 박막 트랜지스터가 제조된다.
Description
본 발명은 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 기판과 폴리실리콘 활성층 사이에 위치하는 보호층을 중간 주파수(MF, Medium Frequency) 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성함으로써, 보호층 자체 및 그 위에 형성되는 활성층의 표면 거칠기와 두께 균일성을 개선하여 균일한 전기적 특성을 가지는 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 박막 트랜지스터는 다층으로 구성되며, 반도체층, 절연층, 보호층 및 전극층 등을 포함한다. 박막 트랜지스터를 구성하는 각 층은 스퍼터링법 또는 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)법에 의해 성막화한 후 리소그라피(lithography) 기술을 통해 적절히 패턴화하여 형성된다. 현재 널리 사용되고 있는 박막 트랜지스터는 전자가 흐르는 전도채널인 반도체층으로서 비정질 실리콘(amorphous silicon)층을 갖는데, 비정질 실리콘층의 낮은 전자 이동도(mobility)에 기인하여 디스플레이에 한계를 가지고 있었다.
이러한 문제점을 해결하고자, 일본 공개특허공보 평11-340473호에서는 박막 트랜지스터 제조시 기판 위에 보호층과 비정질 실리콘층을 차례로 코팅한 후 레이저로 결정화하여 폴리실리콘층을 활성층으로서 형성시키고 있다. 이 방법에서는, 보호층과 비정질 실리콘층의 코팅을 고 주파수(RF, Radio Frequency) 스퍼터링에 의해 수행하고 있는데, RF 스퍼터링은 코팅 속도가 매우 느릴 뿐 아니라 두께가 불균일하여 레이저 에너지밀도의 변화에 민감한 층을 형성시켜 레이저로 결정화시 불안정한 전기적 특성을 나타내는 폴리실리콘층을 형성하는 단점을 갖는다.
한편, 스퍼터링 이외에, 화학기상증착법이 보호층 및 폴리실리콘 활성층의형성에 이용될 수 있는데, 이 경우, 공정온도가 500℃에 이르러 유리 기판을 고온에서 어닐링(annealing)하여 사용하여야 하고, 레이저로 결정화시 막에 치명적인 문제를 일으키는 수소가 박막 내부에 혼입되어 수소를 제거하는 어닐링 공정이 추가로 요구되며, 균일한 전기적 특성의 폴리실리콘층을 형성하기 어렵다.
이에 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 기판과 폴리실리콘 활성층 사이에 위치하는 절연 보호층을 MF 스퍼터링에 의해 형성하면 보호층 자체 및 그 위에 형성되는 폴리실리콘 활성층의 표면 거칠기와 두께 균일성이 개선되어 레이저의 넓은 에너지밀도 영역에 대해 균일한 전기적 특성을 가지는 박막 트랜지스터를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 막표면 거칠기와 막두께 균일성이 개선되어 레이저의 넓은 에너지밀도 영역에 대해 균일한 전기적 특성을 나타내는, 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
도 1 및 2는 각각 본 발명에 따른 실시예에서 제조된 박막 트랜지스터의 구조단면도 및 레이저 에너지밀도에 따른 전자 이동도의 변화 그래프이고;
도 3은 비교예에서 제조된 박막 트랜지스터의 레이저 에너지밀도에 따른 전자 이동도의 변화 그래프이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
(a): 무알칼리 유리 기판(b): SiO2보호층
(c): 폴리실리콘 활성층(c-1) 및 (c-2): 소스 및 드레인 영역
(d): SiO2게이트 절연층(e): 몰리브덴 게이트층
(f): 알루미늄 전극층(g): SiO2층간 절연층
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 절연 보호층 및 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 기판 위에 중간 주파수(MF, Medium Frequency) 스퍼터링(sputtering)에 의해 절연 보호층을 코팅하고, 이 보호층 위에 고 주파수(RF, Radio Frequency) 스퍼터링에 의해 비정질 실리콘층을 코팅한 후 레이저로 결정화하여 폴리실리콘 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 방법에 따르면, 절연 보호층을 MF 스퍼터링에 의해 통상적으로 사용되는 기판(예: 유리 기판) 위에 코팅한다. MF 스퍼터링은 스퍼터 가스로서 주로 아르곤과 산소의 혼합가스를 사용하여 0.5 내지 10 mTorr의 압력하에서 2 내지 15 W/cm2의 파워 및 15 내지 60 KHz의 주파수의 조건으로 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 보호층에 사용되는 절연 물질로는 SiO2, SiNx, Al2O3및 TaOx를 들 수 있다.
이어, MF 스퍼터링에 의해 형성된 보호층 위에, 비정질 실리콘층을 RF 스퍼터링하여 코팅한다. RF 스퍼터링은 스퍼터 가스로서 주로 아르곤을 사용하여 0.5 내지 10 mTorr의 압력하에서 2 내지 15 W/cm2의 파워 및 13.56 MHz의 주파수의 조건으로 수행될 수 있다. MF 스퍼터링에 의해 개선된 표면 거칠기와 균일한 두께를 갖는 보호층이 형성되므로, 이 위에 RF 스퍼터링시켜 형성되는 비정질 실리콘층 또한 개선된 표면 거칠기와 균일한 두께를 갖는다
본 발명의 방법에 따르면, 코팅한 비정질 실리콘층에 대해 레이저(예: 엑시머 레이저)를 조사하여 폴리실리콘층으로 결정화시킨다. 본 발명에서 사용가능한 레이저의 에너지밀도는 320 내지 420 mJ/cm2의 범위로 넓으며, 형성된 폴리실리콘 결정은 그레인(grain)과 그레인 바운더리(grain boundary)로 이루어진 수많은 실리콘 결정들의 연속적인 배열로 이루어진다.
보호층은 기판으로부터 폴리실리콘 활성층으로의 불순물의 혼입을 막고, 폴리실리콘층 결정화시 실리콘층의 열전달에 영향을 주어 형성되는 그레인의 크기와 균일도(일정간격으로 균일한 분포로 형성되는가)에 영향을 미친다. 즉, 레이저 주사시, 실리콘층은 그 두께에 따라 가열/냉각 조건이 변해 그레인의 크기가 달라지며, 표면 거칠기에 따라 그레인의 균일도가 달라진다.
이어, 폴리실리콘 활성층 일부 위에 도전성 금속을 도핑하여 소스 영역 및 드레인 영역을 형성한 후, 게이트 절연층, 게이트층, 층간 절연층 및 전극층을 통상적인 방법에 따라 차례로 형성시켜 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 박막 트랜지스터는 표면 거칠기가 개선되고 두께가 균일한 보호층 및 폴리실리콘 활성층을 가지므로 레이저의 넓은 에너지밀도 영역에 대해 균일한 전기적 특성을 나타낸다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.
실시예
무알칼리 유리 기판(a) 위에, MF 스퍼터링에 의해 200 nm 두께의 산화실리콘 보호층(b)을 형성하였다. 이때, MF 스퍼터링은 스퍼터 가스로서 아르곤과 산소의혼합가스를 사용하여 2.5×10-3Torr의 압력하에서 6.5 KW의 파워 및 46 KHz의 주파수의 조건으로 수행하였다. 이 보호층(b) 위에, 비정질 실리콘층을 RF 스퍼터링하여 50 nm 두께로 코팅하였다. 이때, RF 스퍼터링은 스퍼터 가스로서 아르곤을 사용하여 2.7×10-3Torr의 압력하에서 12.0 KW의 파워 및 13.56 MHz의 주파수의 조건으로 수행하였다. 형성된 비정질 실리콘층에 대해 330 mJ/cm2에서부터 430 mJ/cm2까지 10 mJ/cm2씩 에너지밀도를 달리하여 엑시머 레이저를 조사하여 각각에 상응하는 결정화된 폴리실리콘층(c)을 형성하였다. 이어, 형성된 폴리실리콘 활성층(c) 일부 위에 붕소를 도핑하여 좌측 말단에 소스 영역(c-1)을, 우측 말단에 드레인 영역(c-2)을 형성하고, 가운데 폴리실리콘 활성층 위에 100 nm의 산화실리콘 게이트 절연층(d) 및 200 nm의 몰리브덴 게이트층(e)을 형성한 후, 전체적으로 SiO2층간 절연층(g)을 형성시켰다. 이어, 층간 절연층(g)의 가운데 및 양측에 콘택홀(contact hole)을 형성한 후 그 위에 1000 nm의 알루미늄 전극층(f)을 증착하여 n-타입의 박막 트랜지스터를 제조하였다.
제조된 박막 트랜지스터의 구조단면도를 도 1에 도시하였으며, 결정화시 레이저 에너지밀도에 따른 전자 이동도의 변화 그래프를 구해 도 2에 나타내었다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 박막 트랜지스터는 350 내지 410 mJ/cm2에 이르는 넓은 에너지밀도 범위에 걸쳐 약 50 cm2/Vs의 균일한 전자 이동도를 나타낸다.
비교예
산화실리콘 보호층을 MF가 아닌 RF 스퍼터링(조건은 상기 실시예 1의 비정질 실리콘층 형성시와 동일)에 의해 형성시키고 280 mJ/cm2에서부터 360 mJ/cm2까지 10 mJ/cm2씩 에너지밀도를 달리하여 엑시머 레이저를 조사한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 n-타입의 박막 트랜지스터를 제조하였다.
제조된 박막 트랜지스터의 결정화시 레이저 에너지밀도에 따른 전자 이동도의 변화 그래프를 구해 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터 알 수 있듯이, 이 박막 트랜지스터는 본 발명의 트랜지스터에 비해 절반 이하의 좁은 레이저 에너지밀도 범위(310 내지 330 mJ/cm2)에서만 약 30 cm2/Vs의 균일한 전자이동도를 나타낸다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 박막 트랜지스터는 표면 거칠기가 개선되고 두께가 균일한 보호층 및 폴리실리콘 활성층을 가지므로 레이저의 넓은 에너지밀도 영역에 대해 균일한 전기적 특성을 나타낸다.
Claims (6)
- 절연 보호층 및 폴리실리콘 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 기판 위에 중간 주파수(MF, Medium Frequency) 스퍼터링(sputtering)에 의해 절연 보호층을 코팅하고, 이 보호층 위에 고 주파수(RF, Radio Frequency) 스퍼터링에 의해 비정질 실리콘층을 코팅한 후 레이저로 결정화하여 폴리실리콘 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,보호층 형성에 이용되는 MF 스퍼터링이, 0.5 내지 10 mTorr의 압력하에서 2 내지 15 W/cm2의 파워 및 15 내지 60 KHz의 주파수의 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,비정질 실리콘층 형성에 이용되는 RF 스퍼터링이, 0.5 내지 10 mTorr의 압력하에서 2 내지 15 W/cm2의 파워 및 13.56 MHz의 주파수의 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,보호층을 구성하는 절연 물질이 SiO2, SiNx, Al2O3및 TaOx로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,결정화를 수행하는 레이저의 에너지밀도가 320 내지 420 mJ/cm2의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 박막 트랜지스터.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH08242006A (ja) * | 1996-01-27 | 1996-09-17 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置作製方法 |
| JP2000098419A (ja) * | 1999-10-25 | 2000-04-07 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | コンピュ―タ |
| KR20010004537A (ko) * | 1999-06-29 | 2001-01-15 | 김영환 | 액정 표시 장치의 제조방법 |
| JP2001042364A (ja) * | 1990-12-10 | 2001-02-16 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 電気光学装置 |
-
2001
- 2001-05-29 KR KR1020010029630A patent/KR20020090669A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (4)
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