Demands of high-quality polycrystalline silicon (poly-Si) thin films are increasing for the application to fabrication of electronic devices such as thin film transistors (TFTs) for OLED and LCD and, solar cells, SRAM, EEPROM and image sensors. Poly-Si thin films are generally fabricated by crystallizion 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 crystallized a-Si films even at 600oC, which is an extremely high temperature for large area glass substrates. To reduce the crystallization temperature and improve the crystallinity of poly-Si in solid phase crystallization (SPC) process, many methods such as metal-induced crystallization (MIC), metal-induced lateral crystallization (MILC), field-aided lateral crystallization (FALC), microwave-enhanced crystallization (MEC), and metal-induced crystallization through a cap (MICC) were developed.
MILC is considered as one of the most effective and superior methods in SPC. It controlled the direction of needle-shaped poly-Si grains and made a bundle of needle-shaped grains in the same direction. But the bundle of needle-shaped grains, (quasi-grains) had many low-angle grain boundaries. The crystallized poly-Si by MILC contained metal silicide residue. So many low-angle grain boundary and residue of metal silicide degrade device performance for example, lowering field effect mobility and increasing leakage current in TFTs.
Al makes simple eutectic system with silicon. When using Al metal film, that made rough film surface and many void in the poly-Si film. The shape of grains by the Al-induced crystallization (AIC) is spherical. And Al exists as a shallow acceptor with the ionization energy of 0.067eV in single crystal Si. The incorporation of Al during the crystallization makes the poly-Si p-type. The existence of Al can significantly relieve the contamination, compared to Ni.
In this study, vapor-induced crystallization (VIC) process was proposed for the first time to obtain high quality poly-Si films. A-Si film was crystallized at low temperature using vapor transport of the AlCl3 vapor and the mixture of AlCl3 and NiCl2. Crystallized high quality poly-Si film was applied to the TFTs.
100nm thick a-Si films were deposited on oxidized Si wafers by low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) at 550oC using SiH4 and they were crystallized by the VIC process using the vapor transport of AlCl3 and Al/Ni chloride. In the VIC process, two heating systems are required: one for source evaporation, the other for sample annealing. The source temperature was 200oC and the sample annealing temperature was varied from 450 to 600oC. The source was transported from the source zone to the annealing zone as a vapor phase by Ar flow. Ar was continuously supplied before and during the annealing with a flow rate of 0.5 l/min.
AlCl3 vapor lowered the crystallization temperature of a-Si films. A-Si films under the vapor at 530oC were completely crystallized in 20 hrs. The final grain size was uniform and larger than 100 um. Poly-Si grain was high quality with low defect density. Al/Ni chloride vapor had been employed to more lower the crystallization temperature of a-Si film. A-Si films under the Al/Ni chloride vapor at 480oC were completely crystallized in 5 hrs. The final grain size was about 15 um and uniform size distribution. The final grain size was depended on the process condition. VIC process enhanced crystallization and made high quality poly-Si films.
The Al concentration in crystallized Si film was 5X10^19 atoms/cm3 at the surface of the film and 5X10^17 atoms/cm3 in the body of the film. Al was accumulated at the surface. The surface Al concentration was same level to the conventional metal-induced crystallization. But the body concentration was lowered to 10^2 times. The surface-accumulated concentration of Al was lowered by reducing source supply time. Ex-situ annealing by microwave was more effective to reduce Al concentration at the surface.
The double surface-oxide layer formed during the VIC process. The surface layer was found to be composed of a top layer with Al and O components and a bottom layer with Si and O components, indicating that the surface layer is an Al2O3/SiO2 double layer. The poly-Si film showed a very smooth surface with the RMS roughness of 0.426 nm. The surface oxide layer limits the supply of the metal source and limits the growth direction of poly-Si grains, resulting in a low metal contamination in the poly-Si film and a very smooth surface of the poly-Si film. The double surface-oxide layer was formed due to the supply of Al from AlCl3 gas on the a-Si film.
At the initial stage of AlCl3 VIC, Si seed grain was formed evenly whole of the film and the size was uniform. Increasing annealing time, no more nucleation was occurred. The grain growth was occurred all directions and the grain maintained spherical shape. That could make over 100 um grains. And the grain was high quality without defects. At the initial stage of Al/Ni chloride VIC, the seed grains were nucleated evenly through the film and their grain size was uniform. The poly-Si grains had round shaped cores with needle-shaped edges. During grain growth, the needle-shaped edges also grew laterally and merged coherently to form grain core. This results high quality poly-Si film although the crystallization temperature was low and the crystallization speed was fast.
N-channel poly-Si TFTs using the poly-Si have been fabricated. The n-channel poly-Si TFTs using uniformly crystallized poly-Si films by the AlCl3 VIC process showed the maximum field-effect mobility of 126 cm2/Vs at drain voltage Vd = 1 V. The n-channel poly-Si TFTs using poly-Si films by the Al/Ni chloride VIC process showed the maximum filed-effect mobility of 76 cm2/Vs at drain voltage Vd = 0.1 V.
다결정 Si 박막은 여러 가지 반도체 소자에 응용 가능한 기초 재료이나 결정립계가 존재하여 단결정 Si에 비하여 많은 결함들이 존재하게 되고, 이로 인해 소자 특성이 저하되는 단점이 있다. 다결정 Si 박막을 실제 소자에 적용하기 위해서는 결정립 크기를 증가시켜 결정립계를 줄이는 것이 필수적이며, 결정립 내의 결함도 최소한으로 줄이는 것이 필요하다. 고상결정화법은 다결정 Si 박막을 직접 증착하는 것보다 큰 결정립을 만들 수 있으나, 공정 온도가 높은 단점이 있어, 이를 극복하기 위해 대표적으로 금속유도결정화가 연구되고 있다. 금속유도결정화는 금속을 비정질 Si 박막에 가해 결정화 온도를 낮추는 방법으로 결정화 후 박막 내 금속이 남는 단점이 있다. 결정성을 증가시킬 수 있는 금속유도측면결정화법으로 대표적으로 연구되고 있는 Ni의 경우 Si 내에서 잔류 시 deep level에 존재하게 되어 추후 소자에 적용할 경우 소자특성을 저하시키는 원인이 된다.
본 연구에서는 금속유도결정화 방법으로 Si 내에서 shallow level acceptor로 존재하여 결정화 후 잔류하여도 전기적 특성 저하에 영향이 적은 Al을 이용한 새로운 결정화 방법으로, 기상의 AlCl3를 이용하여 결정화 하는 기상유도결정화 (vapor induced crystallization, VIC)를 제안하였다. 기상유도결정화에는 시편 열처리 부분과 소스 공급용 열처리 부분의 두 개의 열처리 시스템이 필요하다. 200℃로 고정된 소스 열처리 부분에서 승화된 AlCl3 기상 소스는 450℃에서 600℃ 온도범위에서 열처리 가능한 시편 열처리 부분으로 Ar 가스를 이용해 공급되어 결정화를 촉진시킨다. 기상유도결정화로 제조된 다결정 Si 박막은 AlCl3 만을 이용 시 520℃에서 20 시간 열처리로 결정화가 완료되었으며, 결정립 크기 분포가 균일하고 그 크기가 100 um 이상이며 결정립 내에도 결함이 적은 고품위 박막이었다. 또한, AlCl3 소스에 10대 1 비율로 소량의 NiCl2를 첨가하여 기상유도결정화 할 경우, 더욱 낮은 온도와 짧은 열처리 시간인 480℃에서 5 시간 열처리로 결정화가 완료되었으며 15 um 크기의 균일한 결정립 크기 분포를 보였다. 이와 같이 기상유도결정화를 이용하여 저온에서 결정화가 가능하였으며, 또한 결정화가 완료된 다결정 Si 박막은 0.4 nm의 매우 평탄한 표면을 보여 추후 소자 제작 시 계면 특성이 우수할 것으로 예상되었다. 기상유도결정화로 제조된 다결정 Si 박막 내의 잔류 Al은 박막 표면에서는 5X10^19 atoms/cm3, 내부에서는 5X10^17 atoms/cm3로 표면에 누적되는 분포를 보였다. 그러나, 표면에 누적된 양은 일반적인 금속유도결정화와 비슷하며, 내부의 농도는 10^2 정도 낮은 분포를 보였다. 소스 공급시간을 줄여 표면 누적 Al의 양을 줄일 수 있었으며, microwave를 이용한 ex-situ annealing으로 표면 누적 양을 더욱 줄일 수 있었다. 기상유도결정화에서는 열처리 중에 표면의 Al2O3와 SiO2의 두 층의 산화막이 생성되었다. 기상의 AlCl3는 비정질 Si 박막에 직접적 접촉으로 공급되지 않고 표면의 산화막을 통해 공급되어, 다결정 Si 내의 Al의 오염을 감소시켰으며, 표면 산화막 생성으로 인해 결정화가 완료된 다결정 Si 박막의 표면의 평탄도가 우수하였다.
AlCl3를 이용한 기상유도결정화에서 Si 결정립은 초기 박막 전체에 걸쳐 균일한 분포의 핵이 생성 후 더 이상의 핵 생성 없이 열처리 시간이 증가함에 따라 둥근 모양을 유지하면서 일정한 크기의 결정립들이 전 방향으로 성장하였다. 이로 인해, AlCl3만을 이용한 기상유도결정화에서는 100 um 이상의 크기를 가지는 결정립을 얻을 수 있었으며, 결정립은 내부에 결함이 없는 고품위를 보였다.
AlCl3에 NiCl2를 첨가한 기상유도결정화에서도 결정화 초기 박막 전체에 걸쳐 균일한 분포의 핵이 저온에서 생성 후 더 이상의 핵 생성 없이 결정립들이 비슷한 크기로 성장하여 결정화를 완료하였다. Ni의 첨가로 결정립의 성장 첨단은 침상의 형태로 성장하였다. 침상의 결정립은 결함이 없는 단결정의 형태를 하고 있었으며, Al의 영향으로 침상의 결정립이 침상 성장방향과 수직인 방향으로도 성장이 가능하여, 증가된 침상 결정립의 폭을 얻을 수 있었다. 또한, 침상의 결정립들은 격자 불일치 없이 서로 합쳐지면서 결정립의 결정성을 높이고, 둥근 모양의 결정립 형태를 유지시켜 주었다. 이로 인해, 낮은 온도에서 빠른 시간에 결정화를 완료시킨 AlCl3에 NiCl2를 첨가한 기상유도결정화에서도 고품위의 다결정 Si 박막을 얻을 수 있었다.
기상유도결정화로 균일하게 결정화된 다결정 Si 박막을 이용하여 n-channel 다결정 Si 박막트랜지스터를 제조하여 결정립 크기가 매우 큰 AlCl3만을 이용한 경우 드레인 전압이 1 V에서 최대전계효과이동도 126 cm2/Vs, AlCl3와 NiCl2를 이용한 경우 드레인 전압이 0.1 V일 때 76 cm2/Vs의 최대전계효과이동도를 얻을 수 있었다.
