[논문]새로운 레이저 어닐링 방법을 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터

이재훈; 이민철; 전재홍; 한민구

문제 정의

본 연구에서는 다결정 실리콘 박막의 결정립 구조와 크기를 제어할 수 있는 새로운 엑시머 레이저 어닐링 방법을 제안하였다. A1 마스크를 이용한 새로운 ELA공정은 결정립의 수평성장을 유도하여 다결정 실리콘 박막채널 내의 결정립 경계를 단 하나로 만들어 결정립 경계로 야기되었던 문제점들을 해결하였다.
본 연구의 목적은 새로운 ELA 공정을 통해 결정화한다 결정 실리콘 박막 내의 결정립 경계 말도 (grain boundary density)를 최대한 줄이는데 있다. 제안된 방법은 각각 source와 drain에서부터 결정립의 수평성장을 유도함으로써 채널영역에 결정립 경계밀도를 현저히 낮추는 장점이 있다.

제안 방법

하였다. 2000A의 A1 막을 증착한 후, lift-off 방법을 이용하여 PR을 제거하면서 A1 박막을 패터닝 하였다. (그림 5 (a), (b)) Al 패턴 사이의 공간은 각각의 채널 길이가 되므로 세 개의 2μm 길이의 채널, 총 6μm의채널이 다결정 실리콘 박막에 형성된다.
5000A두께의 산화막 위에 800A 두께의 비정질 실리콘 박막을 PECVD(plasma enhanced chemical vapor depositor!)를 이용하여 증착하고 패터닝하여 TFT(thin film transitor)의 채널 활성층 영역을 형성하였다' 사진공정을 통하여 형성된 PR 패턴이 있는 기판에 n+ 이온주입을 함으로써 선택된 영역에 자기정렬 방식으로 도핑을 하였다. 2000A의 A1 막을 증착한 후, lift-off 방법을 이용하여 PR을 제거하면서 A1 박막을 패터닝 하였다.
이 후에, XeCl 엑시머 레이 저 (λ =308nm, 5mm x 5mm) 를 350mJ/cm² 의 에너지 밀도로 한 번 조사함으로써 결정립의 수평성장을 유도하였다. 그 후, A1 패턴을 제거한 후 dopant의 활성화를 위해 ELA 과정을 다시 한 번 수행하였다.(그림 5 (c))
그러므로 새로운 소자 구조는 이런 2#m의 채널 세 개가 직렬로 연결된 구조로 된다. 기존의 방법으로 제작된 TFT와의 비교를 위해 6μm (제안된 구조의 실제 유효채널 길이)의 채널길이를 갖는 TFT와 10/zm (제안된 구조의 총 채널 길이)의 채널 길이를 갖는 TFT를 기존의 방법으로 제작하였다. 제안된 TFT 의 최대 전계효과 이동도는 246cm2/Wsec 으로 기존의 방법으로 제작한 TFT의 최대전계효과 이동도보다 세 배이상 높은 것을 확인할 수 있었다.
제안된 ELA 방법을 그림1과 같은 소자구조에 적용하였다. 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의채널 가운데 두 곳에 선택적으로 n+도핑을 한 후, 도핑한 부분에만 A1 을 패턴한 상태로 ELA공정을 하여 세곳에서 결정립의 수평성장을 유도하였다. 제안된 구조는채널 내에 선택적으로 도핑을 한 영역을 두어 OFF 상태에서 드레인과 소스 사이에 걸리는 전계를 도핑된 영역에 나누어 누설전류를 억제시키는 구조이다.
이런 과정을 거쳐 완성된 소자 구조는 그림 5(d)와 같다. 또한 새로운 ELA 공정과 일반적인 ELA 공정을 비교하기 위해서 일반적인 ELA 공정을 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터도 제작하였다.
각각의 채널 사이의 연결은 앞에서 소스, 드레인을 만들기 위한 n+ 이온주입과 동시에 이루어졌다. 이 후에, XeCl 엑시머 레이 저 (λ =308nm, 5mm x 5mm) 를 350mJ/cm² 의 에너지 밀도로 한 번 조사함으로써 결정립의 수평성장을 유도하였다. 그 후, A1 패턴을 제거한 후 dopant의 활성화를 위해 ELA 과정을 다시 한 번 수행하였다.
이어서 1000A 의 두께를 갖는 TEOSftetra ethylorthosilicate) 박막을 게이트 산화막으로서 증착한 후, 3000A 두께의 A1 을 게이트 전극으로 증착하였다. 이런 과정을 거쳐 완성된 소자 구조는 그림 5(d)와 같다.
그림 1. 제안된 구조, 세 부분의 수평성장한 결정립과두 부분의 선택적으로 도핑된 영역의 개략도.
다결정 실리콘 박막 트랜지스터의채널 가운데 두 곳에 선택적으로 n+도핑을 한 후, 도핑한 부분에만 A1 을 패턴한 상태로 ELA공정을 하여 세곳에서 결정립의 수평성장을 유도하였다. 제안된 구조는채널 내에 선택적으로 도핑을 한 영역을 두어 OFF 상태에서 드레인과 소스 사이에 걸리는 전계를 도핑된 영역에 나누어 누설전류를 억제시키는 구조이다. 즉 선택적으로 도핑된 부분에 공간전하층이 생김으로써 전계의 분배효과를 볼 수 있다.

대상 데이터

또 결정립 성장 방향으로 형성된 결정립 경계들은 전류흐름과 같은 방향이기 때문에 소자특성에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 유추된다. 실제로 제안된 새로운 ELA 공정을 사용한 다결정 실리콘 박막트랜지스터를 제작하였다.

성능/효과

누설전류는 전계에 지수함수적으로 비례하기 때문에 세 부분으로 나뉘어진 전계는 기존의 TFT보다 누설전류가 줄어드게 되는 효과를볼 수 있다. Vg=-15V, Vd=10V 일 때, TFT의 채널 내의 전계분포를 시뮬레이션 한 결과를 그림 8에 나타내었다 또한 실험을 통하여 그림 9에서 보여진 전달특성 곡선에서도 기존의 TFT보다 제안된 ELA 공정과 구조를 채택한 TFT의 누설전류가 현저히 감소함을 알 수 있다.
) 새로운 ELA공정으로 제작한 TFT는 다결정 실리콘 박막 내의 결정립 경계의 밀도를 줄여주기 때문에 전계효과 이동도가 증가하게 된다. 그 밖의 중요한 전기적 특성인 문턱전압 및 문턱 이전 기울기와 온/오프 전류비 (Vth=0.9V, S=0.81V/decade, Ion/Ioff=6.3x106) 역시 기존 방법으로 제작한 소자의 전기적 특성(Vth=1.5V, S=0.84V/decade)Ion/Ioff3.2 x 105)보다 훨씬 우수함을 확인할 수 있다.
기존의 TFT는 레이저 에너지 변화에 따라 결정립의 크기 변화가 심한데 비해, 제안된 TFT의 경우는 A1 패턴 사이의 길이가 고정되어 있어 결정립의 구조 자체가 거의 변하지 않기 때문에 전계효과 이동도의 변화가 거의 없다. 따라서 제안된 ELA 공정으로 제작한다 결정실리콘 박막 트랜지스터는 레이저 에너지 변화에 상관없는 우수한 전기적 특성을 갖는다.
따라서두 A1 패턴 사이의 길이가 각각 수평성장된 결정립의 크기의 합보다 작아야만 큰 결정립으로만 이루어진 채널을 형성할 수 있다. 또한 각각의 수평성장된 결정립들의 평균 크기는 레이저 에너지 밀도가 증가할수록, 기판의 온도가 높을수록 커진다. 그림 3은 제안된 방법에서의 ELA 공정 조건에 따라서 한 쪽 방향으로 수평성장된 결정립의 평균 크기를 보여준다.
A1 마스크를 이용한 새로운 ELA공정은 결정립의 수평성장을 유도하여 다결정 실리콘 박막채널 내의 결정립 경계를 단 하나로 만들어 결정립 경계로 야기되었던 문제점들을 해결하였다. 또한 다결정 실리콘 박막 내에 선택적으로 도핑을 하역 OFF상태예서 야기되는 누설전류 (leakage current)를 현저하게 감소시켰다. 제안된 방법을 채택하여 제작한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 기존의 방법으로 제작한 다결정 실리콘박막 트랜치스터보다 현저혀 우수한 전기적 특성과 얀정성이 나타남을 실험을 통해 확인하였다’
기존의 방법으로 제작된 TFT와의 비교를 위해 6μm (제안된 구조의 실제 유효채널 길이)의 채널길이를 갖는 TFT와 10/zm (제안된 구조의 총 채널 길이)의 채널 길이를 갖는 TFT를 기존의 방법으로 제작하였다. 제안된 TFT 의 최대 전계효과 이동도는 246cm2/Wsec 으로 기존의 방법으로 제작한 TFT의 최대전계효과 이동도보다 세 배이상 높은 것을 확인할 수 있었다. (기존 TFT의 경우 채널길이가 6μm, 10μm일 때 전계효과 이동도는 각각 63cm²sec, 80cm²A^sec 이다.
density)를 최대한 줄이는데 있다. 제안된 방법은 각각 source와 drain에서부터 결정립의 수평성장을 유도함으로써 채널영역에 결정립 경계밀도를 현저히 낮추는 장점이 있다. 제안된 ELA 방법을 그림1과 같은 소자구조에 적용하였다.
또한 다결정 실리콘 박막 내에 선택적으로 도핑을 하역 OFF상태예서 야기되는 누설전류 (leakage current)를 현저하게 감소시켰다. 제안된 방법을 채택하여 제작한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 기존의 방법으로 제작한 다결정 실리콘박막 트랜치스터보다 현저혀 우수한 전기적 특성과 얀정성이 나타남을 실험을 통해 확인하였다’

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