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라만 분석을 통한 비정질 실리콘 박막의 고온 고상 결정화 거동
Behavior of Solid Phase Crystallization of Amorphous Silicon Films at High Temperatures according to Raman Spectroscopy 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.43 no.1, 2010년, pp.7 - 11  

홍원의 (홍익대학교 공과대학 신소재 공학과) ,  노재상 (홍익대학교 공과대학 신소재 공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Solid phase crystallization (SPC) is a simple method in producing a polycrystalline phase by annealing amorphous silicon (a-Si) in a furnace environment. Main motivation of the crystallization technique is to fabricate low temperature polycrystalline silicon thin film transistors (LTPS-TFTs) on a th...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 4'' 직경을 갖는 p-type (100) 실리콘 웨이퍼 위에 2 µm 두께의 열산화막을 형성한 후 저온 화학 기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)을 사용하여 0.25 µm 두께로 증착된 a-Si 박막을 형성하였다.
  • 25 µm 두께로 증착된 a-Si 박막을 형성하였다. 결정화 거동을 조사하기 위하여 관상로(Tube furnace)를 사용하여 560~800℃의 각 온도에서 열처리 시간을 변수로 열처리를 실시하였다. 열처리 온도 및 시간에 따른 결정화 거동은 본 연구에서 새로이 제안된 Raman 분석법을 사용하여 결정하였다.
  • 이는 본 Raman 분석 방법의 유효성을 보여주고 있다고 판단된다. 본 Raman 분석 방법의 유효성을 더욱 검증하기 위하여 LPCVD 비정질 실리콘 박막에 ISD 장비를 사용하여 15 kV의 가속전압으로 Phosphorous를 10분 동안 이온주입한 후 620℃에서 등온 열처리한 시편들의 시간에 따르는 Raman-crystallinity와 Hall-mobility를 상호 비교하였다. 그림 4에서 보면 620℃에서 본 연구에서 제시된 분석 방법으로 얻은 Raman-crystallinity의 변화와 Hall Mobility의 변화가 일치하는 것을 볼 수 있다.
  • 본 연구에서는 단결정 실리콘의 Peak인 520 cm−1 Raman-shift의 강도를 모든 시편에 대하여 1.0으로 인위적으로 맞추어준 후 단결정 실리콘의 Raman Shift 470-495 cm−1 구간에서의 면적 즉 적분값을 각 온도 및 시간에서 열처리한 실리콘을 사용하여 측정한 Raman data에서 Raman Shift 470-495 cm−1구간에서의 면적으로 나눠준 값을 라만 결정화도(Raman Crystallinity)라고 정의하였다. Raman Crystallinity 와 Hall Mobility는 열처리 시간 및 온도의 변화에 따라 유사한 거동을 보여주고 있다.
  • 이론적 Incubationtime은 600℃ 이하의 측정값을 사용하여 비정질 실리콘에서 결정질 상으로 상변태 시 비교적 잘 알려진 핵생성 활성화 에너지인 3.9 eV를 사용하여 구하였다.
  • 이온 주입은 비 질량 분리 방식의 Ion Shower Doping (ISD) System을 사용하여 a-Si 박막에 PH3/H2 혼합 가스를 사용하여 Phosphorous를 이온 주입하였다. 이온 주입 공정 조건은 RF-Power 60 W, Gas 유량 30 sccm, 이온 주입 시간은 1 min와 10 min으로 각각 고정하였고 15 kV의 가속전압으로 Phosphorous 이온주입을 수행하였다.
  • Raman 분석 결과의 타당성을 비교하기 위하여 동일한 시편을 사용하여 이온 주입 후 열처리 온도 및 시간에 따르는 Mobility의 변화를 Hall Measurement를 사용하여 분석한 후 상호 결과를 비교하였다. 이온 주입은 비 질량 분리 방식의 Ion Shower Doping (ISD) System을 사용하여 a-Si 박막에 PH3/H2 혼합 가스를 사용하여 Phosphorous를 이온 주입하였다. 이온 주입 공정 조건은 RF-Power 60 W, Gas 유량 30 sccm, 이온 주입 시간은 1 min와 10 min으로 각각 고정하였고 15 kV의 가속전압으로 Phosphorous 이온주입을 수행하였다.

대상 데이터

  • 열처리 온도 및 시간에 따른 결정화 거동은 본 연구에서 새로이 제안된 Raman 분석법을 사용하여 결정하였다. 본 연구에서 사용된 Raman Spectrometer 장비는 Jasco사의 NR1100 모델로써 beam source는 514.5 nm의 파장을 갖는 Ar Laser를 사용하였다. Raman-shift의 측정범위는 350 cm−1~650 cm−1로 하였다.

데이터처리

  • 이 crystalline peak으로 Si 박막의 결정화를 확인할 수 있고, peak의 강도를 비교하여 결정성을 측정할 수 있다11,12). Raman 분석 결과의 타당성을 비교하기 위하여 동일한 시편을 사용하여 이온 주입 후 열처리 온도 및 시간에 따르는 Mobility의 변화를 Hall Measurement를 사용하여 분석한 후 상호 결과를 비교하였다. 이온 주입은 비 질량 분리 방식의 Ion Shower Doping (ISD) System을 사용하여 a-Si 박막에 PH3/H2 혼합 가스를 사용하여 Phosphorous를 이온 주입하였다.

이론/모형

  • 그러므로 그 동안 600℃ 이하의 온도에서 비정질 실리콘 박막의 상 변태에 관한 연구가 주로 수행되었지만 현재 고온 상변태에 관한 연구가 필요한 상태이다. 본 연구에서는 저온화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)으로 증착된 비정질 실리콘 박막의 고온 상변태에 관한 거동을 본 연구에서 새로이 제안한 Raman 분석법을 통하여 수행하였다.
  • 결정화 거동을 조사하기 위하여 관상로(Tube furnace)를 사용하여 560~800℃의 각 온도에서 열처리 시간을 변수로 열처리를 실시하였다. 열처리 온도 및 시간에 따른 결정화 거동은 본 연구에서 새로이 제안된 Raman 분석법을 사용하여 결정하였다. 본 연구에서 사용된 Raman Spectrometer 장비는 Jasco사의 NR1100 모델로써 beam source는 514.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 장점은? 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(polycrystalline silicon thin film transistor, poly-Si TFT)는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(amorphous silicon thin film transistor, a-Si TFT)에 비해서 전자 이동도가 높고, 구동회로의 내장 및 대면적 고밀도가 가능하며, 높은 개구율과 광 안정성을 가진다. a-Si으로부터 poly-Si을 제조하는 방법으로는 Solid Phase Crystallization (SPC)법1) Metal Induced Crystallization(MIC)법2), Metal Induced Lateral Crystallization(MILC)법3), Excimer Laser Crystallization (ELC)법4) 등이 있다.
Solid Phase Crystallization (SPC)법은 어떤 상태에서 결정화를 수행하여야 하는가? a-Si으로부터 poly-Si을 제조하는 방법으로는 Solid Phase Crystallization (SPC)법1) Metal Induced Crystallization(MIC)법2), Metal Induced Lateral Crystallization(MILC)법3), Excimer Laser Crystallization (ELC)법4) 등이 있다. SPC 방법은 열적으로 취약한 유리 기판 때문에 600℃ 이하의 온도에서 결정화를 수행하여야 한다. MIC, MILC 등의 방법은 SPC 법에 비하여 결정화 온도를 낮추었다는 점에서는 효과적이나 channel 내에 심각한 금속 오염 문제를 야기 시킨다는 공통점을 갖고 있다.
a-Si으로부터 poly-Si을 제조하는 방법에는 어떤 것들이 있는가? 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(polycrystalline silicon thin film transistor, poly-Si TFT)는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(amorphous silicon thin film transistor, a-Si TFT)에 비해서 전자 이동도가 높고, 구동회로의 내장 및 대면적 고밀도가 가능하며, 높은 개구율과 광 안정성을 가진다. a-Si으로부터 poly-Si을 제조하는 방법으로는 Solid Phase Crystallization (SPC)법1) Metal Induced Crystallization(MIC)법2), Metal Induced Lateral Crystallization(MILC)법3), Excimer Laser Crystallization (ELC)법4) 등이 있다. SPC 방법은 열적으로 취약한 유리 기판 때문에 600℃ 이하의 온도에서 결정화를 수행하여야 한다.
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참고문헌 (14)

  1. A. T. Voutsas, M. K. Hatalis, J. Electrochem. Soc. 139 (1992) 2659. 

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  5. M. Wu, K. Pangal, J. C. Sturm, S. Wagner, Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2244. 

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  9. J.-S. Ro, W.-E. Hong, SID 2006 Digest of Technical Papers, (2006) 1280. 

  10. W.-E. Hong, J.-S. Ro, Thin Solid Films, 13 (2007) 515. 

  11. Y. Ishikawa, Y. Yamamoto, T. Hatayama, Y. Uroka T. Fuyuki, PVSEC 12 (2001) 11. 

  12. Jian Zi, H. Buscher, C. Falter, W. Ludwig, Kaiming Zhang, Xide Xie, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 200. 

  13. I.-W. Wu, A. Chiang, M. Fuse, L. Ovecoglu, T. Y. Huang, J. Appl. Phys. 65 (1989) 4036. 

  14. J. H. Kim, J. Y. Lee, J. Appl. Phys. 79 (1996) 1794. 

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