레이저에너지에 따른 폴리실리콘 박막의 재결정화 특성 분석

이 청, 이시우

포항공과대학교 화학공학과

Characterization of laser annealed poly-silicon films

Chung Yi, Shi-Woo Rhee

Department of Chemical Engineering, POSTECH

서론

현대 산업에서 각광을 받고 있는 Display 소자로 최근 TFT-LCD분야만큼 진보적이고 여러 주변 산업에 영향을 미치는 것은 없다고 할 수 있다. TFT-LCD는 유리기판 위에 저온의 a-Si:H 막 및 절연막 등의 공정조건 확보로 인하여 대면적, 저비용 제조가 가능해지고 있으나, Display 면적의 꾸준한 증가와 화소밀도의 증가 등으로 인하여 TFT 특성을 개선하려는 시도가  이루어져 왔다. 그중 아몰퍼스 실리콘을 결정화하여 mobility를 증가시켜 소자의 동작속도를 개선하려는 노력이 가장 주도적으로 이루어져왔다.

폴리실리콘을 만드는 방법으로는 화학증착을 이용한 방법과 아몰퍼스 실리콘을 레이저를 이용하여 재결정화 하는 방법등이 제안되어 왔으나, 최근 레이저 에너지를 이용한 방법이 보다 양질의 폴리실리콘 막을 얻을 수 있는 것으로 알려지고 있다(1,2). 이번 연구에서는 레이저 에너지에 따라 달라지는 폴리실리콘 막의 특성 분석과 기판의 종류에 따른 폴리실리콘 막의 특성을 분석하여 최적의 결정화 상태를 알아보는 것을 목적으로 하였다.

실험

유리 기판위에 저압화학증착법을 이용하여 비정질 실리콘을 50nm 증착하여 레이저 power 310mJ/cm2 ~ 410mJ/cm2 범위에서 재결정화 실험을 수행하였다. 레이저는 XeCl를 이용한 엑시머 레이저를 이용하였다. 레이저 power에 따른 폴리실리콘 막의 평가는 결정성을 알아보기 위하여 XRD와 Raman 분석을 하였고, 표면 morphology와 grain의 모양을 알아보기 위하여 AFM 과 SEM 분석을 하였다. 또한 기판종류에 따른 결정화 특성을 알아보기 위하여 MoW, Cr, SiO2 등을 기판으로 해서 재결정화 한 후 폴리실리콘 막특성을 분석하였다. 분석방법으로는 결정성 분석을 위해 XRD, Raman을 이용하였고, 기판과의 계면 상태분석을 위해 AES 분석을 하였다.

결과 및 토론

그림 1은 레이저 power에 따른 XRD intensity를 측정한 결과이다. 레이저 anneal된 폴리실리콘 막의 결정성은 (111), (220), (311) 등의 방향성을 갖고 있으며, 특히 (111) 및 (311) 방향의 결정성이 레이저 power에 민감하게 변함을 알 수 있다. 주 peak인 (111) 방향의 결정성을 보면 레이저 power가 360mJ/cm2 에서 최대의 결정성을 보임을 알 수 있고, 그 이상의 레이저 power 에서는 오히려 결정성이 다소 감소하는 경향을 보인다. 그림 2는 grain  크기와 (111) 방향의 X-ray intensity 와의 상관성을 살펴본 것이다.  grain의 크기는 X-ray intensity와 유사한 경향을 보이고 있고 X-ray intensity가 가장 큰 360mJ/cm2에서 407nm로 가장 크게 나타났다. 그러나 360mJ/cm2 이상의 레이저 power 에서 grain 크기의 감소는 X-ray intensity의 감소보다 훨씬 크게 감소하는 경향을 보여 최적의 결정 조건을 전후로하여 결정성이 다름을 추정할 수 있고 이를 알아보기 위하여 그림 3의 Raman 분석을 수행하였다.

Raman 분석으로부터 레이저 power에 다른 결정상, 비정질상, 그리고 중간상의 경향성을 알 수 있었다. 결정상(Ic)은  520cm-1 부근에서의 peak로, 비정질상(Ia)는 480cm-1에서, 그리고 중간상(Im)은 500cm-1에서의 가우스 peak 면적을 이용하여 결정하였고(3~5), 결정분율(Xc)의 결정은 식 Xc=(Ic+Im)/(Ic+Im+Ia)을 이용하였다. 결정성은 최적의 레이저 재결정화 조건을 전후로 하여 매우 다름을 알 수 있다. 최적 결정화 조건에서는 중간상 및 비정질상은 존재하지 않고 결정상만이 존재하고 있다.  최적 결정화 조건 이하의 영역에서는 레이저 power가 증가 할 수록 결정상은 증가하고, 비정질상과 중간상이 감소하는 경향을 보이는 반면, 최적 결정화 조건 이상의 power  영역에서는 power 가 증가할수록 결정상내 중간상이 증가하는 경향을 보인다. 또한 grain의 크기가 감소할수록 중간상이 많아짐을 알 수 있고, 중간상은 막내 grain boundary 밀도에 의존함은 알 수 있다.

그림 4는 레이저 파워에 따른 재결정화된 실리콘의 stress 결과이다. 막내 stress 는 식 (1)로부터 구하였다.(6)

□w(cm-1)= -□×4.01×10-8(dyne/cm)-1 ---(1)

여기에서 □w는 raman shift 정도이고, □는 막내 stress이다. 최적의 재결정화 조건에서 grain의 크기는 최대치를 보이며 이때 stress는 최소값을 나타낸다. 즉 stress는 최적 결정화 조건으로부터 멀어질수록 증가하는 경향을 보이며, 이는 grain 크기와 밀접한 관계가 있다. Hall & Petch는 식 (2)와 같이 stress와 grain 크기와의 상관 관계를 설명하였다.

□= □i+kD-0.5   ---(2)

여기에서 □i 는 dislocation motion에 대한 frictional stress이고, D는 grain의 직경, 그리고 k는 비례상수이다. 막의 조건에 따라 지수값의 변화는 있지만(0.3 ~ 0.66), 이 식으로 부터 stress는 grain 크기에 반비례함을 알 수 있다. grain boundary나, vacancy, 그리고 dislocation같은 구조적 결함은 재결정화 조건이 최적의 상태에서 멀어 질수록 증가하게되고 이때 막의 stress는 증가하게된다.

레이저 power에 따른 폴리 실리콘 박막의 결정모양은 최적 결정화 조건 이하에서는 결정화 에너지의 증가에따라 lateral grain 성장에 의하여 결정이 커지는 모양을 하게된다. 이때 횡방향으로의 grain성장으로 인하여 grain boundary 접합부분에 hillock이 형성됨을 알 수 있고, 이는 반도체 소자의 성능향상을 위하여 개선해야할 부분이다. 최적의 결정화 조건 이상에서 결정화 에너지의 증가는 재결정화 속도를 증가시켜 핵생성 밀도를 증가시키고, grain의 크기를 급속히 감소시키게 된다.

재결정화된 폴리 실리콘의 표면 거칠기는 결정성에 비례하여 증가하는데, grain의 크기가 증가할수록 표면 거칠기가 증가하여 추가로 표면 거칠기는 억제하면서 grain의 크기는 증가시키는 실험이 필요하다.

레이저 에너지를 고정시키고 폴리실리콘 재결정화시 기판에 따른 (111)방향의 X-ray 결정성 고찰시, X-ray결정성은 금속기판에 비해 SiO2에서 강하게 나타났으며, MoW 보다는 Cr기판위에서 폴리실리콘 박막의 결정성이 좋게 나타났다. 이는 기판의 열전도도에 따라 동일한 결정화 에너지에 대해 재결정화가 다르게 나타나는 것으로, 열전도도가 클수록 결정성이 떨어짐을 의미하는 결과이다. 그림 5은 기판종류에 따른 막내 결정상태를 Raman을 이용하여 분석한 결과이다. 앞서 본 바와 같이 이 그림에서도, grain의 크기가 작을수록 막내 중간상이 많아짐을 알 수 있다. 즉 X-ray나 Raman 분석으로부터 막내 결정성이 크다할지라도, grain 경계면의 밀도가 높아지면 막내 중간상이 많아짐을 알 수 있고, 이는 소자특성에 영향을 미치는 요인이 될 것으로 판단된다. 그림 6은 재결정화시 기판물질에 따라 폴리실리콘막내 기판물질의 오염여부를 조사한 결과이다. MoW 및 Cr기판은 모두 laser 재결정화 전후로하여 폴리 실리콘 박막으로의 금속 확산이 거의 이루어지지 않아 laser 재결정화에 의한 막내 금속오염은 없을 것으로 판단되나, 실리콘막이 금속층으로의 확산이 약 2% 이루어져 다소의 실리콘 손실이 발생함을 알 수 있다.

결론

폴리실리콘 재결정화 최적조건은 레이저 power가 360mJ/cm2일때이며, 이때 grain 크기는 최대가 되고, 막내 stress는 최소가 되며, 막내 비정질 및 중간상은 존재하지 않는 조건이 된다. 그러나 최적조건 이상의 레이저 power에서는 막내 중간상이 증가하며, stress가 증가하고 grain 크기가 급격히 감소하게되어 폴리실리콘 제조시 최적 조건 조업은 매우 중요함을 알 수 있었다. 또한 하부기판으로 metal을 이용할 경우 폴리실리콘 막의 결정성은 감소하는 경향을 보이나, 재결정화시 막내 금속오염은 발생하지 않음을 알 수 있었다. 또한 동일한 재결정화 조건일 경우 기판의 열전도도가 클수록 폴리실리콘막의 결정성은 감소하여 하부기판 선택시 기판의 열전도도 고려가 필요함을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Y.Keu and P.M.Koziowski, Appl.Phys.Lett. 69, 1092(1996)

2. M.Furuta, T.Kawamura, T.Yoshioka and Y.Miyata, IEEE Trans.

Electron Devices 40, 1964(1993)

3. T.Kaneko, M.Wagaki, K.Onisawa and T.Minemura, Appl.Phys.Lett.64,

1865(1994)

4. S.Veprek, F.A.Sarott and Z.Iqbal, Phys.Rev. B36,3344(1987)

5. M.Luysberg, P.Hapke, R.Carius and F. Finger, Philos.Mag.A.75,

31(1997)

6. G.Kolb, Th.Salbert, and G.Abstreiter, J.Appl.Phys. 69, 3387(1991)