KR950006971B1 - 레이저 아닐방법 및 레이저 아닐용 멀티 체임버 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 겐큐쇼
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Abstract

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Description

레이저 아닐방법 및 레이저 아닐용 멀티 체임버
제1도는 본 발명의 구성을 취함으로써 얻어지는 다결정 반도체 막의 라만스펙트럼의 피크와 레이저의 조사에너지 밀도의 관계도.
제2도는 실시예 2의 멀티 체임버 형식의 장치도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 시료의 반입실 2 : 플라즈마 CVD장치
3 : 가열 아닐로 4 : 레이저 아닐로
5 : 시료 반입실 6 : 게이트 밸브
본 발명은 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터등의 박막디바이스에 이용되는 다결정 반도체를 레이저 조사에 의해 얻는 레이저 아닐방법에 관한 것이다.
종래, 박막형의 절연게이트형 전계효과 트랜지스터(TFT) 등의 박막디바이스에 이용되는 다결정 실리콘 반도체 박막의 제작방법으로서는, 플라즈마 CVD법이나 열 CVD법으로 형성된 아모르퍼스(amorphous) 실리콘막을 레이저광을 조사함으로써 결정화시키는 방법이 알려져 있다.
일반적으로 레이저광을 이용하여 아모르퍼스 실리콘막을 결정화 시키기 위해서는, 출발막(기본막)인 아모르퍼스 실리콘막 중에 포함되는 수소를 막으로부터 제거하기 위하여 저 에너지밀도의 레이저광을 아모르퍼스 실리콘막에 조사하고, 그 후에 한계치 에너지밀도(실리콘이 용융되기 위하여 필요한 최저 에너지밀도) 이상의 레이저광을 조사함으로써, 아모르퍼스 실리콘막을 결정화시키는 공정이 취해지고 있다.
최초로 저 에너지의 레이저광을 조사함으로써 아모르퍼스 실리콘막 중의 수소를 제거하는 것은, 주로 다음의 두가지 문제를 해결하기 위해서이다.
우선 제1의 문제란, 갑자기 한계치 에너지밀도 이상의 에너지밀도를 갖는 레이저광을 아모르퍼스 실리콘막에 조사하면, 아모르퍼스 실리콘막 중에 다량으로 존재하고 있는 수소가 막표면으로부터 급격히 분출되어, 막표면의 평탄성에 현저한 악영향을 주게 되어, 나중에 결정화한 이 실리콘막 표면에 절연막을 설치했을 때, 이 실리콘막과 절연막과의 계면에 있어서 준위(準位)가 발생하여, 양호한 계면준위가 얻어지지 않는다는 문제이다.
또한 제2의 문제란, 아모르퍼스 실리콘막 중에 존재하고 있는 다량의 수소가 한계치 에너지밀도 이상의 고 에너지밀도의 레이저광에 의해 표면에 분출됨과 동시에 용융되어 있는 실리콘막 중에서 큰 운동에너지를 갖고 운동하기 때문에 실리콘의 결정화가 저해되어 버린다는 문제이다.
상술한 바와 같이 종래의 방법으로는 다음에 언급하는 것과 같은 문제가 있었다.
우선, 레이저 조사를 2회로 나누어 행하기 때문에 효율이 좋지 않고, 대면적 가공에는 부적합하다는 문제이다.
또한, 일반적으로 자주 이용되는 엑시머 레이저(excimer laser)로 대표되는 펄스쇼트의 레이저에서는 레이저 조사 시간이 짧기 때문에, 철저하게 수소를 제거하기는 곤란하다는 문제이다.
또한, 레이저 아닐에 이용하는 레이저 장치로는 아무래도 레이저 빔의 불균일성이나 출력의 변동이 있기 때문에 수소제거 공정에 있어서, 막내의 수소분포가 아무래도 불균일하게 되버리고, 이것이 결정화 후의 결정입경 불균일성의 원인이 된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결한 레이저 아닐방법에 관한 것이다.
본 발명은, 레이저광을 조사하여 비정질 반도체를 결정화시키는 공정이며, 진공 또는 불활성 분위기중에서 비정질 반도체의 결정화온도 이하의 온도에서 가열 아닐하는 공정과 동시에, 또는 그 후에 다시 진공 또는 불활성 분위기중에서 레이저 조사를 행하여 상기 가열아닐된 비정질 반도체를 결정화시키는 점을 특징으로 하는 레이저 아닐 방법이다.
레이저로서는 엑시머 레이저가 일반적으로 이용되고 있지만, 본 발명의 구성이 레이저의 종류를 한정을 하는 것은 아니고, 어떠한 레이저를 이용해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
비정질 반도체로서는, 일반적으로 실리콘 반도체가 이용되지만 다른 반도체를 이용해도 좋다.
또한, 본 명세서의 실시예에 있어서는, 실리콘 반도체를 예로 들어 설명을 한다.
진공 혹은 불활성 분위기중에 있어서, 비정질 반도체를 이 비정질 반도체의 결정화 온도 이하의 온도에서 가열 아닐하는 것은, 비정질 반도체의 수소제거를 행하기 위해서이다.
그러나, 결정화 온도 이상의 온도로 가열 아닐을 행하면 비정질 반도체가 결정화를 일으켜버려, 나중의 레이저 조사에 의한 결정화에 있어 충분한 결정화를 할 수 없기 때문에 결정화 온도 이하의 온도로 가열 아닐을 행하는 것이 중요하다.
또한, 진공 혹은 불활성 분위기중에서 가열 아닐을 행하는 것은, 비정질 반도체 표면에 불필요한 박막, 예를들면 산화막등이 성막되어 버리는 것을 방지하기 위해서이다.
이 비정질 반도체를 결정화 온도 이하의 온도로 아닐함으로써 막중에 있어서 균일하고 철저한 수소제거를 행할 수 있는 것이다.
이것에 의해 반도체막의 결정성의 면내분포와 결정입경 크기의 균일성이 개선되어, 대면적 기판상에 특성이 고른 P-Si(다결정) TFT를 형성할 수 있게 된다.
진공 혹은 불활성 분위기중에서, 결정화를 위한 레이저광을 조사하여 비정질 반도체를 결정화시키는 것은, 수소제거 결과 생긴 비정질 반도체의 불포화 결합(dangling bond)이 활성기체인 공기중의 산소나 수소나 질소와 결합하는 것을 방지하기 위해서이다.
본 발명은, 비정질 반도체중에 불포화 결합을 다량으로 형성시킴으로써 결정화를 촉진시키는 점을 특징으로 하고 있다.
이것은 본 발명자들이, 행한 실험에서 분명해진 이하의 실험 사실에 의거한 것이다.
즉, 비단결정 실리콘막의 수소제거를 철저히 행한 비정질 실리콘막에 대하여 엑시머 레이저(KrF 248nm)을 조사한 결과, 결정성이 현저하게 좋아졌다라는 실험 결과에 의거한 것이다.
비정질 실리콘막에는 일반적으로 수소가 다량으로 포함되어 있으며, 이 수소가 불포화 결합(dangling bond)을 중화하고 있다.
그러나, 본 발명자들은 상기의 실험 사실에서 용융상태에 있어서 비정질로부터의 결정화에 있어서는, 불포화 결합의 존재가 극히 중요하다라는 인식을 바탕으로, 비정질 상태에 있어서 불포화 결합을 의도적으로 형성시킴으로써, 용융상태에 있어 순간적인 결정화를 촉진시키는 방법을 발견한 것이다.
또한, 이때에 있어서 반도체막 표면을 공기에 노출시킴으로써 막표면에 산화막등이 형성되어 버리면, 모처럼 형성한 불포화 결합이 중화되어 버리므로 상술한 바와 같이 진공 또는 불활성 분위기중에서 레이저 조사에 의한 결정화를 행하는 것은 대단히 중요하다.
비정질 반도체의 결정화 온도 이하의 온도라는 것은, 가열 아닐에 의해 비정질 반도체가 결정화를 일으키기 시작하는 온도를 말하는 것이다.
본 발명의 구성에 있어서, 상기 결정화 온도 이하의 온도로 레이저 조사에 의한 결정화 이전에 가열 아닐을 행하는 것은, 한번 결정화를 일으킨 실리콘막에 대하여 레이저광을 조사해도 결정성의 개선이 거의 보이지 않고, 비정질 상태에서 레이저광을 조사하여 결정화한 막에 비하면 결정성이 현저히 낮다는 실험 결과에 의거한 것이다.
따라서, 비정질 반도체막 중에서의 수소제거를 그 비정질 반도체막의 결정화 온도 이하의 온도에서 행하는 것은 극히 중요하다.
그러나, 본 발명의 구성에 있어서는 비정질 반도체막 중으로부터의 수소제거를 철저하게 행하고 막중에 있어서 불포화 결합을 가급적 많이 생성시키는 것이 극히 중요하기 때문에 결정화를 일으키지 않을 정도로 가능한한 높은 온도에서 수소제거의 아닐을 행하는 것이 바람직하다.
가열에 의한 수소제거는 종래 행했던 낮은 에너지밀도의 레이저광에 의한 것과 달리 수소제거를 균일하게 또한 철저하게 할 수 있다는 점이 큰 특징이다.
그 결과, 입경의 크기가 크고 더욱이 입경의 크기가 고른 다결정 반도체막을 얻을 수 있다.
이하에 실시예를 나타내고 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예는, 비정질 실리콘의 레이저 결정화(레이저광의 조사에 의한 결정화)에 있어 수소제거를 위한 가열 아닐의 효과를 실험 결과에 의거하여 나타내기 위한 것이다.
우선, 기본 보호막인 산화 규소막을 1000Å의 두께로 성막한 유리기판상에 플라즈마 CVD법에 의해 비정질 실리콘막(a-Si막)을 100nm의 두께로 이하의 조건을 성막한다.
RF 전력 50W
반응압력 0.05torr
반응가스유량 H2=45sccm
SiH4=5sccm
기판온도 300도
상기의 시료를 2종류 제작했다. 한 종류는 가열 처리가 없고 다른 한 종류는 불활성 기체인 N2분위기 중에 500도 온도로 1시간 가열 아닐한 것이다.
그리고 양자에 대하여 진공중에서 파장 248nm의 KrF 엑시머 레이저를 조사하여 a-Si막의 결정화를 행하였다.
이 레이저 결정화는 레이저의 에너지밀도를 변화시켜서 한번의 쇼트만 행하였다.
이때, 기판은 가열하지 않고 레이저 조사를 행하였으나 기판 온도를 레이저 결정화 이전의 500도의 가열 아닐시의 온도로 유지한 상태 그대로 레이저 결정화를 행하여도 좋다.
물론, 수소제거를 위한 가열 아닐 온도는 500도로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에 있어서는 500도의 온도에서 1시간의 가열 아닐을 행하였으나, 공정이나 반도체막의 종류에 따라 이 가열온도, 가열시간을 변경하는 것은 당연한 것이다.
상기와 같이 하여 제작한 2종류의 시료의 결정성을 조사하기 위해 라만스펙트럼을 측정하였다.
제1도에는 A의 곡선으로 나타낸, 레이저 결정화 이전에 500도의 온도로 1시간 가열 아닐한 시료의 라만스펙트럼의 피크와 결정화시킬때 조사한 레이저의 에너지 밀도와의 관계를 나타낸 그래프와, B의 곡선으로 나타낸, 레이저 결정화 이전에 가열 아닐을 행하지 않은 시료의 라만스펙트럼의 피크와 결정화 시킬때에 조사한 레이저의 에너지 밀도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
제1도의 곡선 A를 보면, 레이저 결정화 이전에 가열 아닐을 함으로써 낮은 레이저 에너지밀도에 있어서도 단결정 실리콘의 피크인 521cm-1에 가까운 값이 검출되어, 양호한 결정성을 나타내고 있음을 알게 된다.
일반적으로 비정질 실리콘의 막을 결정화시킨 막의 라만스펙트럼의 피크가 단결정 실리콘의 라만스펙트럼의 피크인 521cm-1에 가까울수록 이 막의 결정입경 크기는 크다는 점이 알려져 있다.
이점에서 수소제거를 위해 가열 아닐을 행하면 보다 큰 결정입경이 형성될 수 있음을 알게 된다.
또한, 곡선 B에서, 수소제거를 위한 가열 아닐을 행하지 않으면 레이저 결정화시의 조사 레이저의 에너지밀도에 결정성이 크게 의존하게 되고, 더욱이 에너지밀도가 큰 레이저광을 조사하지 않으면 양호한 결정성을 얻을 수 없음을 알게 된다.
일반적으로 엑시머 레이저의 에너지밀도는 변동되기 쉽고, 안정성에 부족한 것이 결점인데, 곡선 A와 같은 라만스펙트럼의 피크와 레이저 결정화시 레이저광의 에너지밀도의 관계가 있는 경우에는, 레이저의 강도에 대한 결정성의 의존성이 적으므로, 이 엑시머 레이저의 불안정성의 영향을 그다지 받지 않고 균일한 결정성을 갖는 결정막(본 실시예에 있어서는 다결정 실리콘막)을 얻을 수 있다.
그러나, 곡선 B의 경우, 즉 수소제거를 위해 가열 아닐을 행하지 않는 경우에는 레이저광의 에너지밀도의 변동에 의해 결정성이 불균일한 다결정막이 생성되어 버린다.
실제의 제작공정에 있어서, 어떻게 균일한 특성을 갖는 디바이스를 제작하는가가 큰 문제임을 생각하면 이 곡선 A에 나타낸 바와 같이 레이저광의 에너지밀도에 의존하지 않게 안정되고 또한 양호한 결정성을 나타내는 다결정막이 얻어지는 레이저 결정화 공정은 유용한 것이다.
또한, 제1도를 보면 열처리(수소제거를 위한 가열 아닐)를 한 시료는 곡선 A에 나타낸 바와 같이 낮은 에너지밀도의 레이저광으로 결정화가 일어나고 있음을 알 수 있다.
이점에 의해 수소제거를 위해 가열 아닐을 행함으로써 결정화가 발생하기 위한 최저 에너지밀도(한계치 에너지밀도)가 낮추어져 있음이 결론지어진다.
이점에 의해 본 발명자들은, 비정질(아모르퍼스) 실리콘막중의 수소제거를 철저하게 행하여, 불포화 결합을 다량으로 형성시킴으로써 결정화를 위한 한계치 에너지밀도를 낮출 수 있다는 결론에 도달하게 된 것이다.
[실시예 2]
본 실시예는 수소제거를 위한 가열 아닐후에 비정질 규소 반도체막 표면을 대기중에 노출시키지 않고 다음의 레이저 결정화 공정을 행하기 위한 멀티 체임버(multi-chamber)방식의 장치에 관한 것이다.
제2도에 본 실시예에 이용되는 장치의 개략을 나타낸다.
도면에는 기본막인 비정질 실리콘막을 성막하는 플라즈마 CVD장치(2), 수소제거를 위한 가열 아닐로(3), 레이저 결정화를 위한 체임버(chamber)(4) 그리고 시료의 반송실인 시료반입실(1), 시료반출실(5)을 직렬로 배치한 장치를 나타내고 있다.
이 제2도에는 기재되어 있지 않지만, 각 체임버(1~5)에는 필요에 따라 활성 혹은 불활성 기체의 도입계 또는 시료의 반송계가 설치되어 있음은 언급할 필요도 없다.
또한, 각 체임버는 터보 분자장치와 로터리 펌프를 직렬로 접속한 진공 배기장치를 설치하고 있고, 진공 상태에 있어 체임버내의 불순물 농도 특히 산소농도를 극히 낮추도록 했다.
또한, 불순물 농도를 더욱 낮추기 위해서는 크라이오 펌프(cryo-pump)를 다시 별도로 설치하는 방법도 유효하다.
제2도의 멀티 체임버 장치에는 각 체임버를 구분하기 위한 게이트 밸브(6)가 설치되어 있으며, 예를들면 플라즈마 CVD장치인 체임버(2)에 있어 반응성 가스가 수소제거를 위한 가열 아닐로(3)에 혼힙되는 것을 방지했다.
체임버(3)는 수소제거를 행하기 위해 가열 아닐로인데, 가열은 적외선 램프 가열장치를 이용하여 행하였다. 물론 다른 가열장치, 예를들면 히터에 의해 가열하는 방법도 좋다.
체임버(4)는 레이저 아닐을 행하기 위한 체임버이지만, 레이저광의 조사는 상부에 설치된 석영으로 이루어진 창을 통하여 외부의 레이저 발생장치와 광학계로 행하는 것이다.
레이저 빔은 광학계를 이용하여 기판의 폭에 맞추고 또한 기판의 반송방향과는 수직방향으로 연장된 장방형의 빔을 이용하고, 레이저계는 움직이지 않게 하고 시료를 천천히 반송시킴으로써, 시료의 끝으로부터 연속적으로 조사를 행하면 효율적으로 아닐을 행할 수 있다.
이 제2도에 나타낸 장치를 이용할 경우에는 진공상태를 깨뜨리지 않고 진공중에서 연속하여 시료의 가열 아닐과 레이저 결정화를 행하면 좋다.
진공상태를 깨드리지 않음므로써, 불포화 결합이 중화되는 일이 없고, 그 때문에 결정화를 위한 한계치 에너지가 저하하지 않기 때문에 레이저 결정화 공정에 있어 효율적으로 입경크기가 큰 다결정 실리콘막을 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서는, 각 체임버를 하나씩 직렬로 설치한 것을 나타냈지만 각 체임버에서의 시료의 처리 시간에 따라서 각각의 체임버를 복수로 설치하고, 더욱이 각 체임버를 직접 연결하는 것이 아니라, 각 체임버에 공통된 시료의 반송실을 설치하여 복수의 처리를 시간차를 이용하여 동시에 행함으로써, 생산성을 높일 수도 있다.
본 실시예에 있어서는, 플라즈마 CVD법에 의해 성막하는 장치를 나타냈지만, 다른 성막방법인 스퍼터법이나 열 CVD법등을 이용해도 좋고, 더욱이 상기의 멀티 체임버 장치에 절연막을 성막하기 위한 성막장치를 연결해도 좋고, 일련의 공정에 필요한 구성을 취할 수 있다.
본 발명의 구성인 결정화 온도 이하의 온도의 불활성 또는 진공분위기 중에서 가열 아닐과, 그후의 불활성 또는 진공분위기 중에서 레이저광의 조사에 의해 결정성이 높고, 더욱이 레이저의 에너지밀도에 대한 의존성이 적고 또한 균일성이 뛰어난 다결정 실리콘막을 얻을 수 있었다.

Claims (3)

  1. 레이저광을 조사하여 비정질 반도체를 결정화시키는 공정으로서, 진공 또는 불활성 분위기 중에서 비정질 반도체의 결정화 온도 이하의 온도에서 가열 아닐하는 공정과 동시에, 또는 그후에, 다시 진공 또는 불활성 분위기 중에서 레이저 조사를 행하여 상기 가열 아닐된 비정질 반도체를 결정화 시키는 것을 특징으로 하는 레이저 아닐방법.
  2. 진공 또는 불활성 분위기의 제1의 체임버 중에서 비정질 반도체의 결정화 온도 이하의 온도에서 상기 비정질 반도체를 가열 아닐하는 공정과, 상기 가열 아닐된 비정질 반도체를 외기에 노출시키지 않고 상기 제1의 체임버로부터 제2의 체임버로 옮기는 공정과, 상기 가열 아닐된 비정질 반도체를 상기 제2의 체임버내에서 진공 또는 불활성 분위기 중에서 레이저 조사하여 결정화 시키는 공정을 갖는 레이저 아닐방법.
  3. 비정질 반도체를 열 아닐하기 위한 제1의 체임버와 상기 반도체를 레이저 조사하기 위한 제2의 체임버와 게이트 밸브로 이루어진 멀티 체임버로서, 상기 제1의 체임버와 제2의 체임버는, 상기 게이트 밸브로 구분되어질 수 있는 점을 특징으로 하는 레이저 아닐용 멀티 체임버.
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