Polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs have attracted particular attention due to the fact that the poly Si TFTs have better characteristics than amorphous silicon thin-film transistors, including higher carrier mobility and good operation stability. Among the many different methods for producing poly-Si films, silicide mediated crystallization (SMC) of amorphous silicon have been investigated extensively for the advantage of producing large-grained poly-Si films at low temperatures which are compatible for glass substrates while maintaining a high throughput without the need for expensive machinery. However, for further applications of poly Si, the location and orientation of grains need to be controlled as well as the grain size. These issues become more critical as grains become larger, since there are fewer grains within a channel. Since the nucleation is a stochastic process, control of the grain orientation in poly-Si is difficult. However, if an external template for crystallization is provided, both the orientation and location of crystal grains can be controlled. In this study, we report on the results of location- and orientation- controlled crystallization of a-Si:H thin films through two kinds of contact-printing crystallization methods using single crystalline Ni tapes as nucleation template.
현재의 flat panel display 분야에서는, 대면적의 고해상도 이미지를 구현하기 위해서 active matrix addressing의 구동 방식을 취한다. Active matrix addressing 방식은 각 pixel에 스위칭 소자와 storage capacitor를 장착하여, 픽셀의 response time을 줄이고, 균일한 전압을 인가하여 고해상도의 이미지를 구현 할 수 있는 구동방식이다. 이때, 픽셀 하나하나를 제어하는 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistors ; TFTs)를 사용하며, 따라서 박막트랜지스터 기술은 AMLCD/AMOLED 에서의 핵심 기술이라고 할 수 있다. TFTs 는 current channel 에 따라 a-Si TFT 아 poly Si TFT로 구분할 수 있다. 현재는 대면적 증착이 쉽고 간단하다는 장점 때문에, a-Si TFT가 주로 사용되고 있지만, a-Si TFT에 비하여 carrier mobility가 뛰어 나고 operation stability가 뛰어난 Poly Si TFT가 앞으로의 TFT 시장을 주도할 것으로 전망된다. 현재 Poly Si TFT의 제작은 비정질 실리콘을 결정화 하는 방식으로 제작이 이루어 지고 있으며, 공정상의 효율성과 결정화된 박막의 전기적 특성 등의 이유로, 실리사이드 유도 결정화에 의한 poly Si 박막의 제작이 많이 연구되고 있다. 특히, 니켈을 비정질 실리콘 박막에 도핑 하여 결정화를 유도하는 니켈 실리사이드 유도 결정화에서는, 니켈 다이 실리사이드가 결정화 사이트로서 중요한 역할을 하는데, 니켈 다이실리사이드의 anisotropic diffusion에 의해서 결정화가 유도된다는 특징을 갖는다. 이러한 특징은, Chemical potential 차이와 surface energy 관계에 의하여 결정이 되며, 이러한 방향관계의 특징을 이용하여, $NiSi_2$의 nucleation 방향을 제어함으로써, 방향이 제어된 비정질 실리콘을 결정화 할 수 있다. 우리는 $NiSi_2$의 nucleation을 제어하기 위하여, 압연하고 열처리한 단결정 Ni tape 을 nucleation template로 사용하여, Ni tape을 a-Si 박막에 직접 contact하여 방향이 제어된 결정화에 대한 연구를 하였다.
우선, contact을 위한 방법으로, 니켈 테이프 위에 리소그래피와 습식 에칭을 통하여 패턴을 형성하고, 이렇게 패턴이 형성된 니켈 테이프를 비정질 실리콘 박막에 접촉시킨 후 열처리하여 니켈 실리사이드를 형성하고, 그 후 니켈테이프를 떼어내고, 2차 열처리를 통하여 실리사이드에 의한 결정화를 유도하였다. 이렇게 열처리한 박막은, 결정이 수십 마이크로미터로 잘 성장이 되었고, SEM의 분석 결과 결정의 방향이 랜덤 하게 분포하는 것이 아니라, 모두 70도씩 떨어져 있는 것을 확인하였다. 이것은, 실리콘 결정의 서로 다른 (111)면이 이루는 각도와 같으며, 결정의 방향이 제어되었음을 나타낸다. 또한, TEM과 SAD 분석을 통해서, 결정 방향이 박막의 수직면에 대하여 (110) 방향으로 향한 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 실제 소자의 제작을 위해서는 Ni tape의 lithography 및 etching, 그리고 Ni tape 과 substrate의 alignment에 있어서 응용에 어려움이 있을 수 있다. 따라서, 이러한 방식 대신에, pattern된 a-Si 박막에 pattern 하지 않은 Ni tape를 접촉하여 결정화를 유도하는 연구를 시도하였다. 우선 a-Si 기판의 patterning을 위하여, a-Si 박막 위에 수 나노미터의 oxide layer를 증착한 후, photolithography와 wet etching을 통하여 a-Si 박막 위에 패턴을 형성하였다. 열처리 과정은 앞의 실험과 마찬가지로, 패턴 한 a-Si 기판에 Ni tape를 접촉시켜 열처리하여 실리사이드를 형성한 후, 니켈 테이프를 떼어내고 2차 열처리를 통하여 실리사이드에 의한 결정화를 유도하였다. 실험 결과, 10마이크로미터 정도의 결정 그레인이 성장한 것을 확인할 수 있었고, SEM 분석 결과 실리사이드 유도 결정화의 전형적인 결과라고 할 수 있는 바늘모양의 결정성장형상을 관찰할 수 있었다. 특히, 주목해야 할 점은, 이러한 바늘들의 결정 성장 방향이 랜덤한 것이 아니라 70도 정도 떨어진 일정한 각도 관계를 가지며 잘 정렬되어 있고, 이것은 SMC에 발생할 수 있는 twinning 이나 type A-B formation을 고려하면, 모두 실리콘의 <111>방향을 향해 있음을 알 수 있다.
TEM과 EDS 분석 결과 니켈이 접촉한 부분에 세 종류의 실리사이드 층이 형성되었음을 확인할 수 있었고, 실리사이드 층 옆에 넓은 영역의 결정화 영역을 확인할 수 있었다.
또한, SAD 분석 결과 결정화된 영역의 서로 다른 세 부분에서의 전자회절상이 비슷하며, 주로 (110) 방향으로 결정 방향이 제어 되었음을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 니켈테이프의 단결정성을 이용하여, 패턴 한 비정질 실리콘 기판에 니켈테이프를 접촉하여 결정방향이 제어된 다결정 규소박막의 제작이 가능함을 확인하였다.
