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KR100269289B1 - 실리콘막의결정화방법 - Google Patents

실리콘막의결정화방법 Download PDF

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Abstract

실리콘막을 결정화하는 방법에 대해 개시되어 있다. 이 결정화방법은 절연막 상에 비정질실리콘막과 다결정실리콘막을 연속하여 증착하는 단계와, 다결정실리콘막에 실리콘이온(Si+)을 주입하여 비정질화시키는 단계 및 결과물을 열처리하여 다결정실리콘막을 재결정화시키는 단계를 구비하여 이루어진다. 이 방법에 따르면, 결정의 그레인 크기가 크고 균일한 다결정실리콘막을 얻을 수 있다.

Description

실리콘막의 결정화방법{Method for crystallizing a silicon film}
본 발명은 실리콘막의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 이온주입을 이용한 실리콘막의 결정화 방법에 관한 것이다.
액정 표시장치(Liquid Crystal Display; 이하 "LCD"라 칭함)는, 전기장에 의하여 분자의 배열이 변화하는 액정의 광학적 성질을 이용하는 액정기술과 반도체기술을 융합한 대표적인 평판 표시장치이다. 이러한 LCD의 스위칭소자로 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; 이하, TFT로 칭함)가 주로 사용되고 있는데, 이 TFT의 채널(channel)로 사용되는 반도체층을 다결정실리콘으로 제작(이하, 다결정실리콘-TFT라 칭함)하기 위해서는 먼저 기판상에 형성된 비정질 상태의 실리콘막을 결정화해야 할 필요가 있다.
상기 다결정실리콘-TFT의 반도체층인 다결정실리콘 박막을 형성하기 위한 대표적인 결정화 방법은 실리콘이온(Si+) 주입(Seed Selection through Ion Channeling; SSIC) 방법이다. 현재 이 SSIC 방법은 실제 제품에 도입되어 널리 사용되고 있는데, 도 1 내지 도 3을 참조하여 이 SSIC 방법을 간략히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 먼저 기판(10)위에 산화막(SiO2) 등과 같은 절연막(15)을 소정두께 형성한 후, 상기 절연막(15)위에 630℃ 정도의 온도에서 800Å 정도의 두께로 다결정실리콘을 증착하여 다결정실리콘막(20)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 다결정실리콘막(20)에 실리콘이온(Si+)을 주입하는데, 이 이온주입 공정은 50KeV 정도의 주입에너지와, 1.4×1015∼ 2.0×1015이온/㎠ 정도의 실리콘이온(Si+)의 도우즈(dose)로 이루어진다. 이 실리콘이온(Si+)의 주입은 상기한 바와 같은 정도로 주입에너지와 도우즈가 조절되는데, 이에 따라 다결정상태의 결정이 깨어지고 원하는 정도의 시드(seed)만 남은 비정질(amorphous) 상태가 된다.
도 3을 참조하면, 비정질 상태로된 상기 다결정실리콘막(20)을 600℃ 정도의 온도에서 48시간 이상 열처리하여 결정화시킨다. 이 열처리 공정에 의해, 상기 다결정실리콘막(20) 내에 존재하는 시드(seed)로부터 결정이 자라나서 결정화가 이루어진다. 이 때, 형성된 결정의 그레인 크기(grain size)는 약 0.5㎛ 이하이고, 이 다결정실리콘의 이동도(mobility)는 80정도가 된다.
도 4는 상기한 종래의 실리콘 결정화 방법의 열처리 시간 및 실리콘이온(Si+)의 도우즈에 따른 그레인 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실리콘이온(Si+)의 도우즈 및 열처리 시간이 길수록 큰 그레인 크기를 갖는 다결정실리콘막을 얻을 수 있으며, 특히 1.0㎛ 이상의 큰 그레인 크기를 갖는 다결정실리콘막을 얻기 위해서는 50시간 이상의 열처리가 필요함을 알 수 있다.
일반적으로, 우수한 성능의 TFT 소자를 제조하기 위해서는 다결정실리콘의 결정의 크기가 커야 하고, 결정의 결함밀도 및 표면 거칠기(surface roughness)가 작아야 한다. 특히, 결정립계와 결정 결함들은 전하운반자의 이동에 의해 산란인자로 작용하여 전계효과 이동도를 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다. 따라서, 다결정실리콘-TFT는 가능한 한 그레인의 크기가 큰 다결정 실리콘층을 이용하여 제작하는 것이 유리하다. 상기한 종래의 방법에 의하면, 실리콘이온(Si+) 주입후 열처리에 의한 재결정화시 시드(seed)가 되는 부분은 대부분 하부의 산화막과 다결정실리콘막의 계면, 그리고 다결정실리콘막 내부에 형성된다. 따라서, 상기 산화막과 다결정실리콘막 계면과 다결정실리콘막의 내부 두 곳으로부터 결정화가 이루어지기 때문에, 결정의 크기가 비교적 작게 된다. 그러므로, 초기에 증착된 다결정실리콘의 결정을 깨뜨리고 시드(seed)가 될 부분을 적절히 남겨놓기 위해서는 실리콘이온(Si+)의 도우즈가 증가하여야 하고, 이렇게 실리콘이온(Si+)의 도우즈가 증가하면 결정화를 위한 열처리 시간이 급격히 증가하게 되어 공정시간이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 보다 큰 그레인 크기를 갖는 다결정실리콘막을 효과적으로 형성할 수 있는 실리콘막의 결정화 방법을 제공하는 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래의 일 방법에 의한 실리콘막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 상기한 종래의 실리콘 결정화 방법의 결과 열처리 시간 및 실리콘이온(Si+)의 도우즈에 따른 그레인 크기를 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 실리콘막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 실리콘막의 결정화 방법은, 절연막위에 비정질실리콘막과 다결정실리콘막을 연속하여 증착하는 단계와, 상기 다결정실리콘막에 실리콘이온(Si+)을 주입하여 비정질화시키는 단계, 및 결과물을 열처리하여 상기 다결정실리콘막을 재결정화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비정질실리콘막은 420℃ ∼ 550℃의 온도에서, 상기 다결정실리콘막은 550℃ ∼ 650℃의 온도에서 증착하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다결정실리콘막을 증착하는 단계는 상기 비정질실리콘막 증착후 진공을 그대로 유지한 채 진행되고, 상기 실리콘이온(Si+)을 주입할 때에는 0° ∼ 7°의 틸트각도로 주입하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다결정실리콘막 내부에만 시드(seed)가 형성되도록 함으로써 결정화가 한 방향으로만 진행되어 결정립의 그레인 크기가 크고 균일한 다결정실리콘막을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 실리콘막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5를 참조하면, 먼저 기판(50)위에 산화막(SiO2) 등과 같은 절연막(55)을 소정두께 형성한다. 다음에, 상기 절연막(55)위에 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법을 사용하여 420℃ ∼ 550℃ 정도의 온도에서 500Å 정도의 두께로 비정질실리콘막(60)을 증착한다. 이어서, 챔버의 온도를 550℃ ∼ 650℃ 정도로 올린 후 연속해서 300Å 정도의 두께로 다결정실리콘막(65)을 형성한다. 이 때, 상기 비정질실리콘막(60) 증착 후 챔버의 진공을 그대로 유지한채(vacuum break 없이) 다결정실리콘막(65)을 증착한다. 상기 비정질실리콘막(60)은 증착된 초기 상태에서는 시드(seed)가 될 결정성분이 없고, 이후 다결정실리콘막(65) 증착시 핵생성이 일부 일어나지만 이 핵생성은 이후에 실리콘이온(Si+) 주입공정에서 모두 파괴된다.
도 6을 참조하면, 상기 다결정실리콘막(65)에 실리콘이온(Si+)을 주입하는데, 이 이온주입 공정은 50KeV 정도의 주입에너지와, 5.0×1014∼ 8.0×1014이온/㎠ 정도의 실리콘이온(Si+)의 도우즈(dose)로 이루어진다. 그리고, 상기 실리콘이온(Si+)은 0°∼ 7° 정도 틸트각도(tilt angle)를 주어 주입한다. 상기 실리콘이온(Si+)의 주입에 의해 다결정실리콘막의 결정이 깨어지고 소정의 시드(seed)만 남게된다.
도 7을 참조하면, 상기 결과물을 600℃ 정도의 온도에서 48시간 이하의 시간동안 열처리함으로써 상기 다결정실리콘막(65)을 결정화시킨다. 이 열처리 공정에 의해, 상기 다결정실리콘막(65) 내에 존재하는 시드(seed)로부터 결정립계가 자라나서 결정화가 이루어진다. 종래에는 시드(seed)가 다결정실리콘막 내부뿐만 아니라 산화막과 다결정실리콘막의 계면에서도 형성되어 결정화가 두 방향으로 진행되기 때문에 결정의 그레인 크기가 작고 불균일하였다. 그러나, 본 발명에서는 다결정실리콘막 내부에만 시드(seed)가 형성되도록 함으로써 결정화가 한 방향으로만 진행되어 결정립의 그레인 크기가 크고 균일한 다결정실리콘막을 얻을 수 있다.
이 때, 형성된 결정립의 그레인 크기(grain size)는 약 0.7㎛ 정도로서 종래의 0.5㎛보다 상당히 크며, 이동도(mobility)는 100 정도이다.
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술적 사상내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 본 발명에 의한 실리콘막의 결정화 방법에 의하면, 소정 두께의 비정질실리콘막과 다결정실리콘막을 연속하여 증착한 후 실리콘이온(Si+)을 주입함으로써, 다결정실리콘막 내부에만 시드(seed)가 형성되도록한다. 따라서, 결정화가 한 방향으로만 진행되도록하여 결정립의 그레인 크기가 크고 균일한 다결정실리콘막을 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 절연막 상에 비정질실리콘막을 증착하는 단계;
    상기 비정질실리콘막 상에, 상기 비정질실리콘막을 증착한 설비의 진공을 그대로 유지한 채 연속하여 다결정실리콘막을 증착하는 단계;
    상기 다결정실리콘막에 실리콘이온(Si+)을 주입하여 비정질화시키는 단계; 및
    결과물을 열처리하여 비정질화된 다결정실리콘막을 재결정화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘막의 결정화방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질실리콘막은,
    420℃ ∼ 550℃의 온도에서 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘막의 결정화방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다결정실리콘막은,
    550℃ ∼ 650℃의 온도에서 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘막의 결정화방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘이온(Si+)은,
    0° ∼ 7°의 틸트각도로 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘막의 결정화방법.
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