유도결합 플라즈마 화학 기상 증착법에 의해 제조된 저온 다결정 실리콘 박막의 특성

Abstract

최근 평판 디스플레이 시장 구조가 변화함에 따라, 패널 가격의 급격한 하락으로 노트북 PC용 디스플레이 시장의 성장률이 크게 둔화된 대신, 휴대용 정보기기의 고속 성장과 더불어 이에 탑재되는 디스플레이의 고성능화 및 경량 박형화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 차세대 디스플레이 응용분야의 핵심 기술이 바로 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 제조 기술이다. 하지만 유리 기판과 같은 비정질 물질 위에 직접적으로 다결정 실리콘 을 증착하는 기술은 증착 온도가 높고, grain의 크기가 작으며, grain 경계면의 높은 상태밀도 등 박막의 질이 SPC 또는 ELA를 이용한 박막보다 떨어지므로 TFT 제조 시 낮은 이동도가 문제시 되고 있다. 그러나 증착 장비의 개선으로 증착 온도를 낮추고, 박막의 막질이 개선된다면 현재 사용되고 있는 비정질 실리콘 TFT-LCD 라인을 대체 가능하고, 그 밖의 기능성 소자의 제조가 가능할 것이다. 따라서, 본 연구에서는 빠른 이동도와 높은 on-off ratio, 그리고 적절한 문턱전압 등의 디바이스 특성들을 고루 만족시키기 위한 유도 결합 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제작과 특성평가에 관하여 논의하고자 한다. 먼저, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제작에 앞서 각 박막의 증착조건을 최적화하고 전기적, 구조적 특성을 분석하였다. 우선 직접 증착한 다결정 실리콘 박막은 증착조건에 따라 물성이 크게 변하기 때문에 박막트랜지스터의 채널층으로 사용하기에 앞서 적절한 전기적 특성을 확보하기 위하여 유도 결합 플라즈마 화학 기상 증착법으로 증착 시 주요 변수인 파워, 가스, 온도 등을 조절하여 증착 조건을 최적화하는데 중점을 두었다. 마지막으로 앞선 실험을 통해 확보한 증착 조건을 바탕으로 top gate구조와 bottom gate 구조의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 제작하여 출력 및 전달 특성을 확인하였다. 이상 본 연구를 통해서 높은 이동도는 아니지만, 양호한 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 제작하였고, 이는 앞으로 차세대 디스플레이 구동 소자로의 응용에 새로운 가능성을 열어준 결과라고 할 수 있다.; The formation of high-quality poly-silicon (poly-Si) on a low cost substrates has important application in the development of thin film solar cells, transistors, image sensors, etc. Recently, there are generally two ways how to prepare nanocrystalline-Silicon (nc-Si:H) or poly-Si at low temperature, for example by hot-wire vapor deposition (HW-CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), DC magnetron sputtering, inductively coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD), or by deposition of amorphous-Silicon (a-Si) and its subsequent crystallization. Many efforts have been directed towards developing various approaches for crystallization of a-Si films, for example by solid phase crystallization (SPC), furnace annealing, excimer laser annealing (ELA). However, the temperature for common furnace crystallization of a-Si films must reach at least 600℃ and this is not compatible with low-cost glass or plastic substrates. In this study, we demonstrated the directly deposited poly-Si thin film using ICP-CVD. The process parameters such as gas flow rate, plasma power, substrate temperature were changed to optimize the process. We evaluated the quality of directly deposited poly-Si thin films at various deposition conditions. Furthermore, The effect of a seed layer was evaluated. From the micro-Raman analysis, it was confirmed that poly-Si film with seed layer showed higher degree of crystallization than that without seed layer. The grain size of poly-Si was about 5-100A through high resolution transmission electron microscopy. We also evaluated n-channel thin film transistors (n-TFTs) characteristics using these films. The TFTs are fabricated in a top-gate and bottom gate geometry. The size of channel were varied from 10/10μm to 100/100μm, and 3500A-thick-SiN was used as a gate dielectric. Electrical characteristics of the devices such as I-V and field effect mobility have been investigated. poly-Si TFTs made of these materials exhibited a mobility of 4.4cm2/Vs, a threshold voltage of 0.3V and an on-off ratio of 7×102. It is noted that a low temperature poly-Si TFTs can be obtained by using ICP-CVD process.