Demands of high-quality polycrystalline sillicon (poly-Si) thin films are increasing for the application to fabrication of electronic devices such as thin film transistors (TFTs) for OLED and LCD, thin film silicon solar cells, EEPROM and image sensors. Poly-Si thin films are generally fabricated by crystallization of amorphous silicon (a-Si) thin films because it can render larger grains compared to directly deposited poly-Si films. But it generally takes tens of hours to crystallize a-Si films even at 600℃, which is an extremely high temperature for large area glass substrates. Therefore, in order to reduce the crystallization temperature and improve the crystallinity of poly-Si in solid phase crystallization (SPC) process, metal-induced crystallization (MIC) of a-Si using aluminum was developed. Using the aluminum-induced crystallization, the annealing temperature for the crystallization of a-Si could be lower and the large and homogeneous grains with $P^+$ type doping in crystallized Si films could be formed.
In this study, a new annealing method, which involves the nucleation step of a-Si by a vapor-induced crystallization (VIC) and the grain growth step by a pulsed rapid thermal annealing (RTA), has been proposed to increase the grain size and reduce the residual metal contamination in crystallized poly-Si films. The pulsed RTA has the advantage that the glass substrates can be temporarily heated above the glass transition temperature sharply decreasing the time required for furnace annealing.
At the first nucleation step, crystalline seeds in a-Si were formed film by vapor-induced crystallization for 5, 15, and 30 min at 500℃. The density and size of crystalline seeds were decreased with decreasing the process time in the nucleation step.
Poly-Si crystallized after the second grain growth step had a highly (111) prefered orientation and the grain sizes were increased as the $1^{st}$ nucleation time decreased. The final grain size of poly-Si by pulsed RTA 2-step annealing was 61㎛, which was larger than that of poly-Si by vapor-induced crystallization and furnace 2-step annealing. This is because driving force for grain growth is larger than that for additional nucleation in pulsed RTA 2-step annealing.
Poly-Si films by pulsed RTA 2-step annealing have large grains but not good crystallinity including microcrystalline phases as analyzed by Raman spectroscopy. And the roughness of film processed by pulsed RTA 2-step annealing was only 1.008nm, which is superior to the 1.185nm obtained by the vapor-induced crystallization. The surface accumulated concentration of Al was lowered by reducing source supply time.
P-channel poly-Si TFTs were fabricated on the poly-Si films crystallized by the pulsed RTA 2-step annealing and the conventional vapor-induced crystallization. The decrease in leakage current of pulsed RTA 2-step annealing TFTs was the most remarkable, and it seems that this originates from the decrease in the residual Al concentration and the trap density in the poly-Si films by the pulsed RTA 2-step annealing.
다결정 Si 박막은 OLED와 LCD의 박막트랜지스터, Si 태양전지, image sensor등의 다양한 전자 소자 구형에 이용할 수 있다. 이러한 다결정 Si 박막의 형성은 직접 결정질 형태로 증착하는 것보다는 비정질 형태로 증착한 후 재결정화 시키는 고상결정화로 결정립 크기가 큰 균일한 다결정 Si 박막을 제조할 수가 있다. 하지만 이러한 방법은 600℃이상의 온도에서 수십 시간의 열처리가 필요하여, 대면적의 유리 기판에 열적 부담을 주게 된다. 따라서 고상결정화방법의 열처리 온도와 시간을 줄이기 위하여 알루미늄을 이용한 금속유도 결정화가 연구되고 있다. 알루미늄 유도 결정화를 이용하면 비정질 실리콘의 결정화를 위한 열처리온도가 낮아지고 결정화된 다결정 실리콘에 $p^+$도핑된 크고 균질한 결정립이 형성될 수 있다.
본 실험에서는 다결정 Si 박막의 결정립 크기를 증가시키고 잔류금속량을 줄이기 위하여 기상유도결정화를 이용한 핵생성 단계와 Pulsed RTA를 이용한 결정립 성장단계등을 포함한 새로운 열처리방법이 제안되었다. Pulsed RTA는 퍼니스 열처리에 요구되는 시간을 크게 감소시키며 유리기판이 유리전이온도를 넘어 일시적으로 가열될 수 있는 이점이 있다. 첫 번째 핵생성 단계에서 기상유도결정화를 통해 500℃에서 각 5, 15, 30분간 결정질 핵이 생성되었는데, 핵생성단계에서 처리시간이 줄어듬에 따라 결정질 핵의 크기 및 밀도가 감소했다.
2단계 열처리 후 결정화된 다결정 실리콘은 1단계 핵생성 시간이 감소함에 따라 결정립의 크기가 증가하였고, 더 큰 (111) 우선배향성을 갖게 되었다. Pulsed RTA 2단계 열처리에 의해 제조된 다결정 실리콘의 결정립의 크기는 61마이크론이었는데, 이는 퍼니스 2단계 열처리 및 기상유도결정화로만 결정화한 다결정 실리콘의 결정립 크기보다 더 큰 크기였다. 이것은 Pulsed RTA 2단계 열처리의 경우 결정립의 성장에 관련된 구동력이 추가적인 핵생성과 관련된 구동력보다 크기 때문이다.
라만분석을 통하여 Pulsed RTA에 의해 결정화된 다결정 실리콘이 결정성이 좋지는 않지만 결정립의 크기가 큰 미세결정질임을 확인할 수 있었고, Pulsed RTA에 의해 결정화된 박막의 경우 단지 1.008nm로 이는 기상유도결정화로만 결정화한 경우의 1.185nm보다 훨씬 우수한 표면거칠기를 갖았다. 또한, 소스 공급시간이 감소함에 따라 표면에 축적된 알루미늄농도가 낮아졌다.
Pulsed RTA 2단계 열처리 및 기상유도결정화로 결정화한 다결정 실리콘위에 P 채널의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 제조되었다. Pulsed RTA 2단계 열처리 박막트랜지스터의 경우 누설전류의 감소가 눈에 띄게 나타났는데, 이는 Pulsed RTA 2단계 열처리에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막 내부에 잔류하는 Al금속량과 트랩밀도의 감소로 설명된다.
