KR0127836B1 - 다결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 제조방법에 관한 것으로, 내부 가스 압력이 10Torr 이하인 진공 챔버 내에서 RPCVD 혹은 PECVD 방법으로 소정 온도의 기판 상에 공급 가스를 증착하여 다결정 실리콘 박막을 형성하고, 이러한 다결정 실리콘 박막을 사용하여 박막트래지스터를 제조할 수 있으며, 크기가 큰 실리콘 그레인을 형성할 수 있고, 전계 이동도 특성이 높은 다결정 실리콘 박막과 박막트랜지스터를 형성할 수 있다.

Description

다결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 제조방법

제1도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막의 X-ray 회절 결과를 나타낸 도면.

제2도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막의 Raman 산란 결과를 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 구조.

제4도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 전계효과 이동도 특성 그래프.

제5도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 박막트랜지스터의 출력 특성.

본 발명은 다결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터(TFT : Thin Film Transistor, 이하 TFT라 칭함) 제조방법에 관한 것으로, 다결정 실리콘의 증착조건을 조절하여 높은 이동도 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 다결정 실리콘은 600℃ 정도 혹은, 그 이상에서 제작이 가능하고, 실리콘 웨이퍼나 석영 등의 다양한 종류의 기판 상에 제작이 가능하며 전계효과 이동도가 비정질 실리콘에 비하여 크기 때문에 액정표시장치(LCD : Liquid Crystal Display, 이하 LCD라 칭함)의 구동소자인 박막트랜지스터의 제작 및 TFT -LCD의 주변회로 제작 등에 널리 사용되고 있다.

종래의 비정질 실리콘으로 제작된 TFT는 대면적 증착, 낮은 누설전류, 간단한 제조공정에도 불구하고, 낮은 이동도, 도핑된 비정질 실리콘의 낮은 전기전도도 때문에 수 HMz 에서 동작되는 주변회로와 고개구율 스위칭 소자로 사용될 수 없다. 또한, 비정질 실리콘 자체의 중안정성으로 device 신뢰성이 나쁘고 빛을 받으면 누설전류가 증가한다. 이에 비해 다결정 실리콘 TFT는 높은 전계효과 이동도 때문에 TFT-LCD의 스위칭 소자뿐만 아니라 주변회로의 제작에 사용할 수 있다.

다결정 실리콘을 얻는 기술이 몇가지 보고되어 있다. 사일렌 가스를 600℃ 이상에서 열분해시킴으로써 다결정질 실리콘을 얻는 방법이 있다. 이 방법은 큰 그레인(grain)을 얻을 수 없고 고온 공정(600℃정도)이므로 Corning 7059 등의 유리 기판 사용에 제약이 있다.

그리고 비정질 실리콘을 증착한 후 열처리에 의해 큰 그레인을 얻는 방법인 고상결정화(solid phase crystallization)에 의해 제작된 다결정 실리콘은 고온 공정(600℃정도)과 장시간의 열처리로 생산성이 저하된다. 또한, 레이저(laser)에 의한 액상 결정법으로 melt regrowth 방법이 있다. 이 방법으로 제작된 다결정 실리콘은 1㎠ 정도의 laser beam spot으로 전 기판을 주사해 가면서 재결정화하기 때문에 그 특성의 균일성이 저하되고 대면적 LCD에 적용하기가 쉽지가 않다.

본 발명의 목적은 저온에서 대면적으로 증착하되 균일한 그레인을 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 다결정 실리콘 박막을 사용하여 높은 전계 이동도 특성을 가지는 박막트랜지스터 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부 가스 압력이 10Torr 이하인 진공 챔버 내에서 RPCVD 혹은 PECVD 방법으로 소정 온도의 기판 상에 공급 가스를 증착하여 다결정 실리콘 박막을 형성한다. 이때, He/[SiH₄]1, SiF₄/H₂0.5의 조성비를 가지는 공급가스를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 절연기판 상에 다결정 실리콘 박막으로 반도체층을 형성하고, 게이트 절연막, 소오스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성하여 제조되는 박막트랜지스터 제조방법에 있어서, 상기 다결정 실리콘 박막은 내부가스 압력이 10Torr 이하인 진공 챔버 내에서 RPCVD 혹은 PECVD 방법으로 기판 상에 공급 가스를 증착하여 형성한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막의 증착온도에 따른 X-ray 회절 결과를 나타낸 것이다.

다결정 실리콘 박막은 내부 가스 압력이 10Torr 이하, 특히, 10mTorr~10Torr인 진공 챔버 내에서, 기판 온도를 200~400℃로 한 상태에서, 50~300W의 RF power와 0.2~15Å/s 증착속도를 가지고 RPCVD(Remote plasma Chemical Vapor Deposition)혹은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deopsition)방법으로 형성할 수 있다. 이때, He/[SiH₄+H₂]1, SiF₄/H₂0.5인 가스를 증착 공급 가스로 사용할 수 있다.

도면을 참조하면, 다결정 실리콘의(220) 방향 (2θ = 47.5°)의 피크가 크게 나타남을 볼 수 있다.

제2도는 본 발명에 의하여 제작된 상기의 다결정 실리콘 박막의 Raman 산란 intensity의 spectrum을 도시한 것이다.

결정질 실리콘의 피크센서(520㎝^-1) 성분과 작은 그레인의 미세 결정질 실리콘 피크 성분(480~510㎝^-1)을 볼 수 있다. 이로 부터 얻은 다결정 실리콘의 volume fraction은 기판 온도가 350℃ 근처에서 83% 정도 이고 Raman intensity의 FWMH(full with half maximum)는 8㎝^-1이하이다. 유리기판 위에 증착온도 350℃에서 제작된 다결정 실리콘을 SEM(Scanning Electronic Microscope)으로 측정한 결과 그레인 크기는 1000Å정도로 나타났다. 그리고 광학적 갭은 1.8~2.0eV이다.

제3도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 실리콘 박막을 이용하여 제작된 액정표시장치의 박막트랜지스터를 도시한 것이다.

투명한 유리재질의 절연기판(10) 상의 반도체층(11)은 다결정 실리콘을 RPCVD 혹은 PECVD로 형성한다. 그리고 절연막(13)은 질화실리콘으로 형성한 뒤 게이트전극(14)을 Al,Cr 등의 금속물질로 형성한다. 또한, 소오스와 드레인 전극(15)을 Al, Cr 등의 금속물질로 형성한다. 이때, 상기 반도체층은 RPCVD 혹은 PECVD 방법으로 기판 온도 200~400℃ 에서 증착속도가 0.2~15Å/s, 진공 챔버 내부 압력이 10mTorr~10Torr, RF power가 50~300W인 조건에서 형성할 수 있다. 이 때, 공급 증착 가스는 He/[SiH₄+H₂]1, SiF₄/H₂0.5이다. 미설명 도면 부호 12는 오믹 콘택층으로, 도핑된 반도체층을 형성된다.

제4도는 제3도에 보인 바와 같은 구조에서 W/L을 30㎛/20㎛으로 측정한 경우 전계효과 이동도를 나타낸 것이다.

이것으로 부터 문턱전압은 5.5V이고, 전계효과 이동도는 7.5㎠V^-1s^-1임을 알 수 있다. 또한, 이 구조에서 W/L을 변화시켜 측정한 결과 전계효과 이동도는 5~20㎠V^-1s^-1을 얻었다.

제5도는 본 발명에 의하여 제작된 다결정 박막트랜지스터의 output 특성을 나타낸 것이다. 박막트랜지스터의 W/L=30㎛/20㎛이고, 게이트전압은 5~30V 사이에서 5V 간격으로 변화시켰다. V_DV_G영역에서 pinch-off 현상이 나타나 I_D가 V_D의 증가에 따라 거의 변화되지 않는 포화현상이 생기고, 이는 n＋－다결정 실리콘층이 ohmic contact 로 적당함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 다결정 실리콘을 사용한 박막트랜지스터는 전계효과 이동도가 5㎠V^-1s^-1이상이고 문턱전압이 6V 이하로 이를 이용한 주변회로에서 수 MHz에서 좋은 출력 파형을 얻을 수 있다. 또한, 이로 부터 TFT-LCD에 효과적으로 이용할 수 있는 잇점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저온에서도 크고 균일한 그레인을 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있고, 이 다결정 실리콘 박막을 사용하여 높은 전계 이동도 특성을 가지는 박막트랜지스터를 제작할 수 있다.

Claims (6)

1. 내부 가스 압력이 10Torr 이하인 진공 챔버 내에서 RPCVD 혹은 PECVD방법으로 소정 온도의 기판상에 공급 가스를 증착하여 형성하는 다결정 실리콘 박막 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급 가스는 He, SiH₄, H₂인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성 방법.
3. 제1항 또는, 제2항에 있어서, 상기 공급 가스는 그 비가 He/[SiH₄+H₂]1, SiF₄/H₂0.5 로 하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판의 온도는 220~400℃인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 박막 형성.
5. 절연기판 상에 다결정 실리콘 박막으로 반도체층을 형성하고, 게이트 절연막, 소오스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성하여 제조되는 박막트랜지스터 제조방법에 있어서, 상기 다결정 실리콘 박막은 내부 가스 압력이 10Torr 이하인 진공 챔버 내에서 RPCVD 혹은 PECVD 방법으로 기판 상에 공급 가스를 증착하여 형성하는 박막트랜지스터 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 공급 가스는 He/[SiH₄+H₂]1, SiF₄/H₂0.5의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.