KR100284808B1 - 레이저 어닐링을 이용한 반도체 층 결정화 및 활성화 방법 - Google Patents

레이저 어닐링을 이용한 반도체 층 결정화 및 활성화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비정질 반도체 물질을 레이져 광선으로 어닐링하여 다결정 반도체로 전환시키거나 주입된 불순물을 활성화하는 방법에 관련된 것이다. 본 발명은 챔버 내부에 비정질 반도체 혹은 불순물 이온이 주입되어 소스-드레인 영역이 정의된 반도체 소자를 포함하는 기판을 위치하고, 대기압 상태에서 상기 반도체 소자의 임의의 한 지점에 5에서 12회 정도의 펄스가 조사되는 레이져 광선을 이용하여 어닐링하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 종래의 방법보다 결정립이 큰 다결정 반도체 소자를 얻을 수 있고, 소자의 특성이 개선될 뿐 아니라, 진공 상태로 만들어주는 과정이 생략됨으로 제조 장비가 간소화되고, 제조 단가가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

레이저 어닐링을 이용한 반도체 층 결정화 및 활성화 방법{Method for Crystalline and Activation for a Semiconductor layer Using Laser Annealing}
본 발명은 다결정 실리콘을 이용한 박막트랜지스터 제조 방법에 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 비정질 반도체 물질을 레이져 광선으로 어닐링하여 다결정 반도체로 전환시키거나 주입된 불순물을 활성화하는 방법에 관련된 것이다.
전자 공학을 기반으로하는 현대 기술에 있어서 가장 대표적인 것이 반도체의 개발과 그 집적 기술에 관련된 것이다. 현대의 거의 모든 전자 관련 기기들에는 반도체 소자들을 필수적으로 탑재하고 있으며, 반도체의 기술에 발달에 기기 전체의 기술 발달 정도가 결정되고 있을 정도이다. 반도체 기술의 발달은 좁은 공간에 많은 트랜지스터를 집적하는 초소형화, 고밀도화의 방향으로 발전하고 있다. 즉, 트랜지스터를 제조하는 방법이 반도체 기술의 발전을 결정하는 중요한 기술인 것이다.
반도체 기술은 메모리 소자, 제어장치 소자 그리고, 디스플레이 소자등 매우 다양한 분야에서 각 응용되고 있다. 어떤 응용분야에서 사용되는가 혹은 어떤 특성을 갖는 제품에 사용되는가에 따라서, 제조되는 반도체 소자는 그 구성 상태나 소자 재료가 조금씩 다르게 사용된다. 다결정 박막 트랜지스터는 응답 속도가 빠르다는 장점을 갖고 있어서 주로 비디오 카메라와 같은 3-4인치 정도의 대각 크기를 갖는 작은 화면의 표시 장치에 사용되었다. 이와 같이 작은 표시장치에서는 수정 기판을 사용하여도 경제성에 문제가 없었으나, 대면적 액정 표시 장치에서는 가격이 비싼 수정 기판을 사용할 경우 제조 단가의 상승으로 거의 실용성이 없게되었다. 그러나, 600℃ 이하의 저온하에서 다결정 박막트랜지스터를 제조할 수 있는 기술이 개발되면서 수정 기판 대신에 유리 기판을 이용하여 대면적 액정 표시 장치를 제조할 수 있게 되었다.
다결정 박막 트랜지스터를 사용하여 반도체 소자를 제조하는 방법은 크게 둘로 구분된다. 하나는 다결정 반도체 물질을 증착하여 반도체 층을 형성함으로써 다결정 반도체 소자를 형성하는 방법이고, 다른 하나는 비정질 반도체 물질을 증착한 후 어닐링하여 비정질 반도체 물질을 다결정 반도체 물질로 변환시켜 다결정 반도체 소자를 형성하는 방법이 있다. 전자의 방법에서는 주로, 다결정 실리콘으로 반도체 층을 형성하고, 불순물 이온을 주입하여 소스-드레인 영역을 정의한다. 여기에서 주입된 불순물이 제대로 활동하도록 하기 위해 Ar 레이져, ArF 레이져, KrF 레이져 혹은 XeCl 레이져를 이용하여 어닐링을 수행한다. 또는, 불순물 이온이 주입된 소스-드레인 영역의 반도체가 이온 주입시의 에너지로 인하여 비정질화되는 경우가 있는데, 이렇게 비정질화된 부분을 다결정 실리콘으로 다시 복귀 시키기 위하여 레이져 어닐링을 수행한다.
후자의 방법에서는 일단 비정질 실리콘을 기판에 스퍼터링법으로 증착한 후에 Ar 레이져등으로 어닐링하여 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변화시킨다. 이 방법은 일본국 히타치(Hitachi)에서 개발한 방법으로 어닐링 이후에 상당히 고품질의 다결정 실리콘을 얻을 수 있는 것으로 보고되어 있다.
이와 같이 다결정 반도체 소자를 제조하는데 있어서는 거의 레이져 광선을 이용하여 어닐링을 수행한다. 도 1을 참조하여, 레이져를 이용한 어닐링에 사용되는 장비 및 그 방법을 살펴보면 다음과 같다.
비정질 상태의 반도체 물질이 증착된 혹은, 다결정 상태의 반도체 물질이 증착되었으나 외부의 에너지 개입으로 인하여 비정질 상태로 변질된 반도체 기판을 담을 수 있고, 외부에서 레이져 광선이 조사될 수 있도록 투명한 수정으로 이루어진 레이져 조사창(13)을 갖는 진공 챔버(1)와, 상기 진공 챔버(1)의 내부를 일정 수준의 진공도를 유지하거나 내부를 소정 기압의 N2분위기로 만들수 있는 진공 펌프(31) 및 배관(33)을 포함하는 진공장비(3)와, 상기 레이져 조사창(13)을 통하여 소정의 에너지를 갖는 레어져 광선이 조사될 수 있도록 하는 레이져 광선 발생기(5)를 포함한다. 상기 진공 챔버(1)에 비정질 반도체 물질을 포함하는 반도체 기판(21)을 위치한다. 상기 진공 장비(3)를 가동하여 상기 진공 챔버(1) 내부를 일정 수준의 진공 상태로 유지하거나 필요에 따라서는 소정 기압의 N2분위기로 만든다. 그리고, 상기 레이져 조사창(13)을 통하여 상기 레이져 발생기(5)로부터 레이져 광선을 상기 반도체 기판(21)에 조사함으로써 어닐링 과정을 수행한다. 상기 레이져 발생기(5)는 다양한 종류가 사용될 수 있는데, 펄스 레이져 광선을 발생할 경우, 약 초당 200∼300 펄스를 발생하는 레이져 발생기를 사용하는 것이 보통이다. 그 결과, 상기 기판(21)에 형성된 비정질 반도체 물질(23)은 다결정 반도체 물질로 변환된다. 혹은, 불순물 이온이 주입된 소스-드레인 영역의 경우 불순물이 활성화된다.
이와 같은 종래의 어닐링 방법에는 다음과 같은 몇가지 문제점이 있다. 첫째로, 진공 챔버의 내부를 일정 수준의 진공도를 유지하거나, 소정의 기압을 갖는 N2분위기로 만들기 위해서는, 상당한 준비 시간이 요구된다. 둘째로, 레이저 조사창(13)은 수정과 같은 고가의 소재가 사용되어야 하고 진공 장비(3)를 갖추어야 하기 때문에 장비 전체를 구비하는데 상당한 비용이 필요하다. 세번째로, 진공 상태에서 어닐링 과정으로 결정화, 활성화할 때 기판에 형성된 박막들의 일부가 들떠있는 경우 조사되는 레이져 광선의 에너지로 인하여 스퍼터링 효과가 발생한다. 그 결과 들떠있는 막의 일부가 레이져 조사창(13)에 증착되어 레이져 조사창(13)에 불순물(41)이 형성되어 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 도 2에 나타내었다.
본 발명의 목적은 레이져 어닐링을 대기 상태에서 수행하도록 하는 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 종래의 장비보다 간단한 레이져 어닐링 장비로 종래의 어닐링 방법에 의한 결정보다 입자가 큰 결정을 얻을 수 있는 결정화 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 입자가 큰 결정을 얻음으로인하여 특성이 우수한 다결정 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
종래의 문제점을 개선하고, 상기 목적들을 달성하기 위해 본 발명에서는 레이져 광선을 조사할 수 있는 개구부가 있는 어닐링 챔버와, 동일 목표점에 조사되는 레이져 광선의 발사수를 조절할 수 있는 레이져 광선 조절기를 포함하는 레이져 어닐링 장비를 제공한다. 본 발명은 상기 챔버 내부에 비정질 반도체 혹은 불순물 이온이 주입되어 소스-드레인 영역이 정의된 반도체 소자를 포함하는 기판을 위치하는 단계와; 상기 챔버 내부가 대기압 상태에서 상기 레이져 조절기를 이용하여 상기 기판의 한 고정점에 5에서 12정도 사이의 펄스 레이져 광선이 조사되도록 조절하여 상기 기판 전면에 조사하는 레이져 광선을 이용한 어닐링 단계를 포함한다.
도 1은 종래의 방법에 의하여 다결정 반도체 층을 형성하기 위한 레이져 어닐링 방법 및 그 장비를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 레이져 어닐링 장비에서 어닐링을 수행할 때 발생하는 문제점을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의하여 다결정 반도체 층을 형성하기 위한 레이져 어닐링 방법 및 그 장비를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 의한 레이져 어닐링 방법과 종래의 레이져 어닐링 방법에 의해 형성된 다결정 실리콘을 갖는 박막 트랜지스터의 특성을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 레이져 어닐링 방법과 종래의 레이져 어닐링 방법에 의해 다결정화된 실리콘의 결정립을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 101 : 챔버 3 : 진공 장비
5, 105 : 레이져 발생기 13 : 레이져 조사창
21, 121 : 기판 23, 123 : 반도체 물질
31 : 진공 펌프 33 : 배기관
41 : 증착된 불순물 115 : 레이져 광선 발사수 조절기
이하 도면을 참조로하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다. 도 3은 본 발명에 의한 레이져 광선을 이용한 어닐링 장비를 나타내는 개략도이다.
어닐링 공정을 수행할 수 있는 챔버(101) 내부에 비정질 반도체 물질(123)이 형성되었거나, 불순물이 주입되어 소스-드레인 영역이 정의된 반도체 소자를 포함하는 기판(121)을 위치시킨다. 상기 챔버(101)는 대기압 상태를 유지한다. 상기 레이저 발생기(105)는 계속적인 레이져 광선을 발생할 수도 있고, 간헐적인 펄스 레이져 광선을 발생할 수도 있다. 본 발명의 핵심은 조사되는 레이져 광선이 어느 한 목표점에 5회에서 12회 정도의 레이져 광선의 펄스가 조사되도록 조절하는 것이다. 따라서, 본 발명에는 레이져 광선의 조사 정도를 조절하는 레이져 광선 조절기(115)를 포함하고 있다. 상기 레이져 광선 조절기(115)를 이용하여 상기 기판(101) 전면에 레이져 광선으로 어닐링을 수행한다.
이와 같이 레이져 광선의 목적물인 기판(101)의 어느 한 부분에 레이져 광선이 5에서 12발사수가 조사되도록 하기 위한 구체적인 방법에는 여러가지가 있을 수 있다. 그 대표적인 방법을 살펴보면 다음과 같다.
간헐적인 펄스 레이져 광선을 사용할 경우에는, 초당 200에서 300의 펄스 레이져를 발생하는 레이져 발생기(105)를 사용한다. 상기 레이져 발생기(105)에서 발사되는 레이져 광선은 1펄스당 25ns에서 50ns의 지속시간(Duration time)을 갖는다. 상기 레이져 발생기(105)에서 조사되는 레이져 펄스를 기판(101)에 조사함에 있어서, 레이져 광선 조절기(115)를 이용하여 레이져 광선의 단면 직경이 기판 전면에 고르게 조사되도록 스캐닝 한다. 이 때, 스캐너를 포함하는 상기 레이져 광선 조절기(115)를 이용하여 기판(101)의 임의의 한 지점에 5에서 12펄스 정도만 조사되도록 기판 전면을 스캐닝한다. 예를들어 초당 200펄스를 갖는 레이져 발생기(105)를 사용하는 경우에는 5/200초 레이져 광선의 단면 직경거리를 이동하는 선속도로 레이져 광선을 기판(101) 전면에 스캐닝하면 5회정도 레이져 광선이 임의의 한 지점에 조사된 결과를 얻을 수 있다. 그리고, 12/200초 레이져 광선의 단면 직경거리를 이동하는 선속도로 레이져 광선을 기판(101) 전면에 스캐닝하면 12회정도 레이져 광선이 임의의 한 지점에 조사된 결과를 얻을 수 있다.
연속적인 레이져 광선을 사용할 경우에 간헐적인 펄스 레이져 광선을 사용하는 것과 같은 효과를 내려면, 레이져 광선의 단면적 크기에 따라 조절이 필요하기는 하지만, 광선의 단면적 크기에 상응하는 기판(101)의 한 점당 25ns에서 50ns 정도의 조사 시간을 갖는 스캐너를 포함하는 레이져 광선 조절기(115)를 사용한다. 이 때에는 레이져 광선이 5회에서 12회 정도 반복하여 조사되어야 하므로, 스캔 작업을 5회에서 12회 정도 반복하여 실시한다.
대기상태에서 레이져 광선을 이용하여 어닐링으로 결정화 혹은 활성화를 수행할 경우, 대기상에 존재하는 산소에 의해서 결정화 진행중에 비정질 반도체 박막이 가열되는 순간에 박막의 표면에 산화막이 형성된다. 이로 인하여 Grain Boundary Roughness가 매우 높아져서 소자의 제작이 어렵게 될 수 있다. 그러나, 반도체 박막의 어느 지점에 조사되는 레이져 광선의 발사수를 조절함으로써 Grain Boundary Roughness를 조절할 수 있다. 레이져를 이용하여 어닐링하는 작업은 한번 레이져 광선을 한 영역에 조사함으로써 반도체 물질이 재 결정화되는 현상을 이용하는 것이다. 이때, 레이져 광선을 한번만 조사하는 것보다 여러번 조사하는 것이 우수한 결정화 결과를 얻을 수 있다. 본 출원인 및 발명인의 실험에 의하면, 비정질 반도체 박막의 한 부분에 조사되는 레이져 광선을 약 10회 정도 조사하였을 때에 결정 입자가 크게 형성되고 반도체 소자 제작에 아무런 장해를 일으키지 않는 가장 이상적인 결과를 얻을 수 있었으며, 5회에서 12회 정도면 사용 용도에 알맞는 반도체의 결정화 결과를 얻을 수 있었다. 다만 15회 이상의 발사수를 조사하였을 경우에는 오히려 반도체 물질이 파괴되어 사용할 수 없는 결과를 낳았다. 다음 도 4은 진공상태에서 레이져 어닐링을 실시한 경우와 본 발명에 의하여 대기압 상태에서 초당 15발사수 이하의 레이져 광선으로 어닐링을 실시한 경우에 제조된 박막 트랜지스터의 특성을 비교한 그래프이다. 본 발명에 의한 박막 트랜지스터의 성능이 종래의 방법에 의한 박막 트랜지스터의 성능과 비교해 볼 때 더욱 우수함을 알수 있다.
그리고, 대기압 상태에서 결정화를 진행할 경우 대기상의 산소에 의해 생성된 박막표면의 산화막이 계속 조사되는 레이져 광선에 대한 anti-reflect 효과를 일으킴을 알 수 있었다. 실험에 의하면, 도 5a 및 도 5b에 나타난 사진에서 볼 수 있듯이 진공 상태에서 동일한 조건으로(동일한 레이져 광선과 동일한 발사수) 어닐링을 진행하여 얻은 다결정 실리콘(도 5a)보다 대기압상태에서 어닐링을 진행하여 얻은 다결정 실리콘(도 5b)의 결정립의 크기가 더 크게 형성됨을 알 수 있었다.
본 발명은 종래의 진공 상태에서 레이져 광선을 이용한 어닐링 방법을 개선하여 대기압 상태에서 임의의 한 지점에 조사되는 레이져 광선이 5에서 12회의 발사수를 갖도록 조절하여 어닐링하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하여 제조된 박막 트랜지스터의 특성이 종래의 방법에 의한 박막 트랜지스터 보다 더욱 우수한 특성을 제공한다. 또한, 본 발명에 의하여 다결정화된 실리콘의 결정립이 종래의 방법에의한 결정립의 크기보다 더 크게 형성되었다. 따라서, 소자의 특성이 개선될 뿐 아니라, 진공 상태로 만들어주는 과정이 생략됨으로 제조 장비가 간소화되고, 제조 단가가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 대기압 상태의 챔버 내부에 비정질 반도체 물질을 포함하는 반도체 기판을 위치하는 단계와;
    상기 기판 위의 비정질 반도체 물질의 임의의 한 지점에 5에서 12회의 발사수를 조사하는 레이져 광선을 이용하여 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 결정화 및 활성화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 레이져 광선은 간헐적인 펄스 광선을 기판 전면에 스캐닝하여 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 결정화 및 활성화 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 레이져 광선은 연속 레이져 광선을 기판 전면에 5회에서 12회 스캐닝하여 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 결정화 및 활성화 방법.
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