KR20110024634A - Method for manufacturing semiconductor thin film for electronic circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 위에 형성되는 금속 섬 위에 전구체 용액을 공급한 후 열처리 함으로써 조대한 결정립이 형성되도록 하는 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit in which coarse crystal grains are formed by supplying a precursor solution onto a metal island formed on a substrate and then performing heat treatment. It is about.
일반적으로 전자 회로의 제조에 이용되는 반도체 박막, 예를 들면 박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로 이용되는 반도체 박막을 제조하는 방법으로는, 화학기상증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD)과 같은 진공증착 공정(vacuum deposition process), 또는 졸-겔법(hydrolytic sol-gel), 나노파티클 콜로이드 용액 등을 이용한 용액 공정(solution process) 등이 있다. In general, a method for manufacturing a semiconductor thin film used for manufacturing an electronic circuit, for example, a semiconductor thin film used as a gate insulating film of a thin film transistor, is a vacuum deposition process such as chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD) (vacuum deposition process) or a solution process using a sol-gel method (hydrolytic sol-gel), nanoparticle colloidal solution, and the like.
그러나 진공증착 방법은 고가의 장비를 필요로 하고, 고온 고진공의 조건에서 수행되어야 하므로, 최근에는 저비용으로 실시가능한 용액 공정인 용액 공정이 주목을 받고 있다.However, since the vacuum deposition method requires expensive equipment and must be performed under conditions of high temperature and high vacuum, a solution process, which is a solution process that can be carried out at low cost, has recently attracted attention.
일반적으로 유동성을 가지는 전구체 용액을 이용하여 반도체 박막을 형성하 는 방법은, 기판 위에 전구체 용액을 도포한 후, 1차적으로 전구체 용액에 열 에너지 또는 빛 에너지를 공급하는 가경화 과정을 거치게 된다.In general, a method of forming a semiconductor thin film using a precursor solution having fluidity, after applying the precursor solution on a substrate, and undergoes a temporary curing process of supplying thermal energy or light energy to the precursor solution first.
이러한 가경화 과정을 통해 액상의 전구체는 고체화되면서 비정질 형태의 박막으로 형성되고, 이후 2차적으로 비정질 형태의 박막에 다시 에너지를 추가로 공급하는 경화 과정을 거치면서, 조대한 결정립을 가지는 반도체 박막이 형성된다.Through the preliminary hardening process, the liquid precursor is solidified and formed into an amorphous thin film. After that, the semiconductor thin film having coarse grains is subjected to a curing process of additionally supplying energy to the amorphous thin film. Is formed.
한편, 상기 2차적인 경화 공정의 예로서는, 열 에너지를 추가로 공급하여 결정립의 면적을 크게 하고 전하 이동도를 높이기 위해서 열이 공급되는 표면에서부터 열전달에 의해서 국부적인 용융 상태를 이용해서 결정화시키고, 점진적으로 넓은 면적에서 결정화를 진행시키는 고상결정화(Solid-Phase-Crystallization) 방법이 있으나, 이러한 고상결정화 방법은 고온 공정에서 이루어져야 하고, 오랜 시간 동안 진행되어야 한다는 문제가 있다.On the other hand, as an example of the secondary curing process, in order to increase the area of the crystal grains and increase the charge mobility by additionally supplying thermal energy, crystallization is carried out using local molten state by heat transfer from the surface to which heat is supplied, and gradually. There is a solid-phase crystallization (Solid-Phase-Crystallization) method for advancing the crystallization in a large area, but this solid-phase crystallization method has a problem that must be made in a high temperature process, and proceed for a long time.
또한 상기 2차적인 경화 공정의 예로서, UV-레이저를 이용하여 레이저가 조사되는 부분의 주변에 고에너지로 용융 상태를 만들고, 인접한 주변으로 점진적으로 넓은 면적에서 결정화를 진행시킴으로써 국부적인 용융을 반복 실시하는 방법도 있으나, 이러한 방법 역시 장치 가격이 비싸고, 결정립의 면적을 크게 하여 대형화하는 데에 어려움이 있다.In addition, as an example of the secondary curing process, by using a UV-laser to create a molten state with high energy around the portion irradiated with the laser, and locally melted by repeating the crystallization in a progressively large area around the adjacent region Although there is a method of carrying out this method, such a method is also expensive, and there is a difficulty in increasing the size of the crystal grains and making them larger.
그 이외에도 상기 2차적인 경화 공정의 예로서, 금속을 이용한 유도 결정화 방법(Metal-Induced Lateral Crystallization(MILC) 또는 Metal-Induced Crystallization(MIC))은 비정질 형태의 박막을 형성한 뒤에 금속을 도포(또는 증착)하는 공정 이후에, 추가로 열을 공급하여 금속과 박막의 계면에서부터 결정화가 진행되는 방식이지만, 이러한 방법 역시 다수의 공정이 필요하고 비용이 많이 소요된다는 문제가 있다.In addition, as an example of the secondary curing process, metal-induced lateral crystallization (MILC) or metal-induced crystallization (MIC) using a metal is applied to the metal after forming an amorphous thin film (or After the deposition process, the crystallization proceeds from the interface between the metal and the thin film by supplying additional heat, but this method also has a problem that a number of processes are required and expensive.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전구체 용액을 열처리하여 반도체 박막을 제조함에 있어서, 1차(가경화) 및 2차(경화) 열처리 공정을 동시에 진행함으로써, 비교적 짧은 시간 내에 저비용으로 반도체 박막의 제조가 이루어질 수 있게 하는 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and in the manufacture of a semiconductor thin film by heat treatment of the precursor solution, by performing the first (temporary hardening) and secondary (hardening) heat treatment process simultaneously, a relatively short It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit which enables the production of a semiconductor thin film at low cost within a time.
또한 본 발명은, 반도체 박막의 결정립을 더욱 크게 형성함으로써, 품질이 향상된 전자 회로용 반도체 박막을 제조할 수 있게 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to enable formation of a semiconductor thin film for an electronic circuit having improved quality by forming larger crystal grains of the semiconductor thin film.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법은, 기판 위에 금속 섬을 형성하는 제1단계; 금속 섬 위에 전구체 용액을 공급하는 제2단계; 전구체 용액을 열처리하여 박막을 수득하는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit according to the present invention for solving the above object, the first step of forming a metal island on a substrate; Supplying a precursor solution onto the metal island; Heat treating the precursor solution to obtain a thin film; Characterized in that it comprises a.
또한 본 발명은, 기판 위에 금속 라인을 형성하는 과정에서 금속 섬이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the metal island is formed in the process of forming a metal line on the substrate.
또한 본 발명에서, 상기 전구체 용액은, 첫 번째 밴드 갭이 0.1eV ~ 5eV로 이루어지고 전자 또는 정공의 이동이 가능한 용질이 용매에 분산되어 있는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the precursor solution is characterized in that the first band gap is made of 0.1eV ~ 5eV and has a structure in which a solute capable of moving electrons or holes is dispersed in a solvent.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 금속 섬 위에서 전구체 용액을 열처리하여 반도체 박막을 수득함으로써, 1차(가경화) 및 2차(경화) 열처리 공정을 별도로 진행할 필요가 없게 되어, 비교적 짧은 시간 내에 저비용으로 반도체 박막의 제조가 이루어질 수 있게 된다.According to the present invention having the above configuration, by heating the precursor solution on a metal island to obtain a semiconductor thin film, it is not necessary to separately perform the first (temporary hardening) and the second (hardening) heat treatment processes, so that a relatively short time The semiconductor thin film can be manufactured at low cost.
또한 본 발명에 의하면, 금속 섬 위에서 형성되는 반도체 박막의 결정립을 더욱 크게 형성할 수 있으므로, 품질이 향상된 전자 회로용 반도체 박막을 제조할 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, since the crystal grains of the semiconductor thin film formed on the metal island can be formed larger, the semiconductor thin film for electronic circuits with improved quality can be manufactured.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법의 바람직한 실시 예에 대해 살펴본다.Hereinafter, a preferred embodiment of a method of manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
우선, 본 발명에 따른 전자 회로용 반도체 박막을 제조하기 위해, 기판 위에 금속 섬(Metal island)을 형성하는 과정을 거친다. 이때, 기판 위에 금속 섬을 형성하는 별도의 과정을 거칠 수도 있으나, 기판 위에 금속 라인(Metal Line)을 형성하는 과정에서 금속 섬이 금속 라인과 함께 형성되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.First, in order to manufacture a semiconductor thin film for an electronic circuit according to the present invention, a metal island is formed on a substrate. In this case, a separate process of forming a metal island on the substrate may be performed, but it is more preferable that the metal island is formed together with the metal line in the process of forming a metal line on the substrate.
그리고 단일의 금속 섬이 기판 위에 형성되도록 구성될 수도 있고, 또는 다수의 금속 섬이 기판 위에 형성되도록 구성될 수도 있다. 이때, 상기 각 금속 섬의 크기는 0.1nm ~ 1m로 이루어지는 것이 바람직하다. 한데, 0.1nm보다 작게 하는 것은 원자 단위에서 이루어져야 하기 때문에 물리적으로 불가능하고, 1m보다 크게 하는 것은 장비 등의 문제로 인해 매우 어렵기 때문이다.And a single metal island may be formed over the substrate, or a plurality of metal islands may be formed over the substrate. At this time, the size of each metal island is preferably made of 0.1nm ~ 1m. However, smaller than 0.1nm is physically impossible because it must be made in atomic units, and larger than 1m is very difficult due to problems such as equipment.
한편, 다수의 금속 섬이 기판 위에 형성되는 경우, 각 금속 섬은 적어도 50nm 이상의 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 패터닝을 50nm 간격 이하로 하여 액상 공정을 적용하기에는 너무 고가의 공정이 되기 때문이다.On the other hand, when a plurality of metal islands are formed on the substrate, it is preferable that each metal island is arranged at an interval of at least 50 nm or more. This is because the process is too expensive to apply the liquid phase process with a patterning of 50 nm or less.
한편, 본 발명에서 금속 섬의 소재로 사용될 수 있는 소재에는, 주기율표의 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry; 국제 순수 및 응용화학연맹) 명명법의 1그룹에서 12그룹에 분포하는 금속, 전이금속, 메탈로이드, 또는 상기의 금속과 기타 금속군을 조합하여 이루어진 합금 형태의 전도성 물질이 모두 포함될 수 있다.On the other hand, the material that can be used as the material of the metal island in the present invention, metals, transition metals, distributed in
그리고 상기와 같이 기판 위에 금속 섬을 형성한 후, 금속 섬 위에 전구체 용액을 공급하는 과정을 거친다.After forming the metal islands on the substrate as described above, the precursor solution is supplied to the metal islands.
상기 전구체 용액은 전자 회로용 반도체 박막을 제조하기 위한 용질이 용매에 분산되어 있는 것이다. 여기서, 상기 전구체 용액의 용질은 첫 번째 밴드 갭이 0.1eV ~ 5eV로 이루어지고, 전자 또는 정공의 이동이 가능한 물질, 예를 들어 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘-게르마늄 혼합물, 산화물 반도체 등이 해당된다. 상기 전구체 용액의 용질이 0.1eV가 되면 금속에 가깝기 때문에 반도체 박막이 될 수 없고, 또한 5eV 이상이 되면 절연체에 가깝기 때문에 역시 반도체 박막이 될 수 없게 된다. 그리고 상기 전구체 용액의 용매로는 탄소와 수소를 포함하는 탄화수소용매 또는 탄소와 산소를 포함 하는 유기 용매 또는 산소와 수소를 포함하는 산화수소용매 등이 이용될 수 있다.The precursor solution is one in which a solute for producing a semiconductor thin film for an electronic circuit is dispersed in a solvent. Herein, the solute of the precursor solution may have a first band gap of 0.1 eV to 5 eV, and may correspond to a material capable of moving electrons or holes, for example, silicon, germanium, or silicon-germanium mixture, an oxide semiconductor, and the like. When the solute of the precursor solution reaches 0.1 eV, it cannot be a semiconductor thin film because it is close to a metal, and when it becomes 5 eV or more, it cannot be a semiconductor thin film because it is close to an insulator. As the solvent of the precursor solution, a hydrocarbon solvent containing carbon and hydrogen, an organic solvent containing carbon and oxygen, or a hydrogen oxide solvent containing oxygen and hydrogen may be used.
이러한 전구체 용액은, 졸-겔(Sol-Gel)법 또는 콜로이드(colloid) 형태의 나노 입자 등을 포함한 점도가 0.1 센티포아즈에서 5000 포아즈의 분포를 가지는 유동성 물질을 나타내고, 특히 100℃ 이하에서 용액 형태를 유지할 수 있어야 한다.This precursor solution represents a flowable substance having a viscosity ranging from 0.1 centipoise to 5000 poise, including sol-gel method or colloidal nanoparticles, in particular at or below 100 ° C. It must be possible to maintain the solution form.
상기와 같은 전구체 용액을 기판 위의 금속 섬에 공급하는 형태는 다양하게 이루어질 수 있다.The precursor solution as described above may be supplied in various forms to the metal islands on the substrate.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 단일 금속 섬의 표면 중심부에만 전구체 용액이 공급되도록 할 수도 있고, 도 2와 같이 단일 금속 섬의 표면과 기판의 표면 모두에 걸쳐서 전구체 용액이 공급되도록 할 수도 있다. 또는 도 3 및 도 4와 같이 다수의 금속 섬 사이에서 금속 섬과 기판이 겹쳐지는 부위에 전구체 용액이 공급되도록 할 수도 있다.For example, as shown in FIG. 1, the precursor solution may be supplied only to the center of the surface of the single metal island, and as shown in FIG. 2, the precursor solution may be supplied over both the surface of the single metal island and the surface of the substrate. have. Alternatively, the precursor solution may be supplied to a portion where the metal island and the substrate overlap between the plurality of metal islands as shown in FIGS. 3 and 4.
그리고 상기와 같이 기판 위의 금속 섬에 전구체 용액을 공급한 후, 전구체 용액을 열처리하여 박막을 수득하는 과정을 거친다.After supplying the precursor solution to the metal islands on the substrate as described above, the precursor solution is subjected to a heat treatment to obtain a thin film.
이처럼 열처리 과정을 통해 전구체 용액이 경화되면서 반도체 박막을 형성하게 되는데, 이때 금속 섬 표면의 금속 원자가 반도체 박막을 이루는 원자의 정렬을 도와주기 때문에, 금속 섬이 아닌 기판 위에서 경화되는 경우에 비해 더 큰 결정립을 가지는 반도체 박막을 수득할 수 있게 된다.As such, the precursor solution is cured through the heat treatment to form a semiconductor thin film. At this time, since the metal atoms on the surface of the metal island help to align the atoms forming the semiconductor thin film, the grains are larger than those cured on the substrate instead of the metal island. It is possible to obtain a semiconductor thin film having a.
한편, 전구체 용액을 경화시키기 위한 열처리 공정은 30 ~ 2000℃의 온도 범위 내에서 1분에서 24시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.On the other hand, the heat treatment process for curing the precursor solution is preferably made for 1 minute to 24 hours in the temperature range of 30 ~ 2000 ℃.
30℃ 이하에서 열처리가 이루어질 경우 상온에서 경화가 될 수 있어서 보관에 어려움이 있고, 2000 ℃ 이상에서 열처리가 이루어지면 기판이 녹아버릴 수가 있 다.If the heat treatment is carried out at less than 30 ℃ can be cured at room temperature is difficult to store, if the heat treatment is performed at 2000 ℃ or more may melt the substrate.
그리고 이러한 열처리 공정을 1분 이하 동안 실시하면 반도체 박막의 경화가 불완전하게 되고, 또한 24시간 이상 동안 열처리가 이루어지면 기판이 변형될 수 있다.When the heat treatment process is performed for 1 minute or less, the hardening of the semiconductor thin film becomes incomplete, and when the heat treatment is performed for 24 hours or more, the substrate may be deformed.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 반도체 박막 제조방법의 실험 예를 살펴본다.Hereinafter, an experimental example of a method of manufacturing a semiconductor thin film configured as described above will be described.
[실험예 1]Experimental Example 1
기판 위에 알루미늄으로 이루어지는 금속 섬을 형성한다. 이때, 기판 위에는 좌우 한 쌍의 알루미늄 금속 섬이 형성되고, 각 금속 섬의 크기는 가로 10mm, 세로 2mm의 크기로 이루어진다.A metal island made of aluminum is formed on the substrate. At this time, a pair of left and right aluminum metal islands are formed on the substrate, and each metal island has a size of 10 mm in width and 2 mm in length.
이러한 알루미늄 금속 섬 위에 전구체 용액을 공급한다. 이때, 상기 전구체 용액은 5nm 크기의 실리콘 입자가 용매인 헥산(Hexane)에 분산이 되어 있는 용액으로서, 용액 무게의 10% 이상을 실리콘 입자의 무게가 차지한다.The precursor solution is fed onto this aluminum metal island. In this case, the precursor solution is a solution in which 5 nm-sized silicon particles are dispersed in hexane (Hexane) as a solvent, and the weight of the silicon particles occupies 10% or more of the weight of the solution.
이처럼 알루미늄으로 이루어진 금속 섬 위에 전구체 용액을 도포하고, 그 전구체 용액에 열에너지를 직접 공급하여 경화시키게 되면, 도 5에 도시된 바와 같은 반도체 박막이 형성된다.When the precursor solution is applied onto the metal island made of aluminum and cured by directly supplying thermal energy to the precursor solution, a semiconductor thin film as shown in FIG. 5 is formed.
이때, 도 5를 참조하여 수득된 반도체 박막의 결정립을 살펴보면, 알루미늄 금속 섬의 표면 또는 그 인접한 부분에서 형성되는 결정립이, 금속 섬이 없는 기판 위에서 형성된 결정립보다 더 크게 형성되는 것을 확인할 수 있다.At this time, looking at the crystal grains of the semiconductor thin film obtained with reference to Figure 5, it can be seen that the crystal grains formed on the surface or the adjacent portion of the aluminum metal island is formed larger than the crystal grains formed on the substrate without the metal islands.
[실험예 2]Experimental Example 2
실험예 1과 마찬가지로, 기판 위에 알루미늄으로 이루어지는 금속 섬을 형성한다. 이때, 기판 위에는 가로 1mm 및 세로 1mm의 크기를 갖는 사각형에 0.8 mm의 다리를 가지는 26개의 금속 섬이 형성된다.As in Experimental Example 1, a metal island made of aluminum is formed on the substrate. At this time, 26 metal islands having a leg of 0.8 mm are formed on a quadrangle having a size of 1 mm in width and 1 mm in length on the substrate.
이러한 알루미늄 금속 섬 위에 전구체 용액을 공급한다. 이때, 상기 전구체 용액은 5nm 크기의 실리콘 입자가 용매인 헥산(Hexane)에 분산이 되어 있는 용액으로서, 용액 무게의 10% 이상을 실리콘 입자의 무게가 차지한다.The precursor solution is fed onto this aluminum metal island. In this case, the precursor solution is a solution in which 5 nm-sized silicon particles are dispersed in hexane (Hexane) as a solvent, and the weight of the silicon particles occupies 10% or more of the weight of the solution.
이처럼 알루미늄으로 이루어진 금속 섬 위에 전구체 용액을 도포하고, 그 전구체 용액에 열에너지를 직접 공급하여 경화시키게 되면, 도 6에 도시된 바와 같은 반도체 박막이 형성된다.When the precursor solution is applied onto the metal island made of aluminum and cured by directly supplying thermal energy to the precursor solution, a semiconductor thin film as shown in FIG. 6 is formed.
금속섬의 일부와 반도체 박막이 3곳 이상에서 겹쳐진 형태의 커다란 조각의 결정 영역(Crystal Domain)으로 박막이 형성된 예로서, 사진은 26 곳에 겹쳐져 있음을 확인할 수 있다.As an example in which a thin film is formed of a large crystal region in which a portion of a metal island and a semiconductor thin film are overlapped at three or more locations, the photo is overlapped in 26 places.
이때, 도 6을 참조하여 수득된 반도체 박막의 결정립을 살펴보면, 금속 섬과 26곳에서 겹쳐진 형태의 조대한 결정립을 갖는 반도체 박막이 형성됨을 확인할 수 있다. 이처럼 반도체 박막이 금속 섬과 3곳 이상에서 겹쳐지면서 형성될 때, 더욱 큰 결정립이 형성된다.At this time, looking at the crystal grains of the semiconductor thin film obtained with reference to Figure 6, it can be seen that the semiconductor thin film having coarse grains of the shape overlapping with the metal island 26 forms. As described above, when the semiconductor thin film is formed while overlapping with the metal island at three or more locations, larger grains are formed.
또한 이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.In addition, although the invention has been shown and described in connection with specific embodiments, it is common knowledge in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the claims. Anyone who has a can easily know.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법을 나타내는 예시도.1 to 4 are exemplary views showing a method of manufacturing a semiconductor thin film for an electronic circuit according to the present invention.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 전자 회로용 반도체 박막의 제조방법의 실험 결과를 나타내는 사진.5 and 6 are photographs showing the experimental results of the manufacturing method of a semiconductor thin film for an electronic circuit according to the present invention.
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2009
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