전계 유도 방향성 결정화의 메커니즘 고찰 및 다결정 실리콘 박막 트랜지스터로의 응용

Abstract

디지털 카메라, 휴대 전화기 등 휴대용 전자기기들이 전세계적으로 보급되면서 정보표시용 표시 소자는 휴대용 전자기기의 핵심 부품으로 각광받고 있으며, 특히 액정 표시 소자(Liquid Crystal Display: LCD)가 평판 표시 소자 시장의 대부분을 점유하게 되었다. 또한 최근 들어서는 자체 발광 소자로 유기발광소자(Organic Lighting Emitting Display: OLED)가 개발되어 차세대 디스플레이 소자로서 주목을 받고 있다. 이러한 평판 소자의 능동 구동(Active Matrix driving)을 위해서는 각각의 화소마다 박막 트랜지스터가 필요하게 되는데, 고해상도 디스플레이 소자 제작과 동영상 구현을 위해서는 고성능 박막 트랜지스터가 요구 된다. 특히 전압이 아닌 전류 구동 소자인 OLED 의 경우에는 이를 정확히 제어할 수 있는 다결정 박막 트랜지스터 개발이 필수적이다. 한편, 저가의 상용 유리 기판위에 다결정 박막 트랜지스터를 형성하기 위해서는 비정질 실리콘의 저온 결정화 기술이 필요하게 되었고, 이를 위해 다양한 저온 결정화 방법이 연구되고 있다. 지금까지 연구된 비정질 실리콘의 저온 결정화 기술로는 금속 촉매를 이용한 금속 유도 결정화, 금속 유도 측면 결정화, 레이져 열처리 등이 있으나, 각 결정화 기술의 경우 제한적인 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서 제안한 전계 유도 방향성 결정화(Field Aided Lateral Crystallization) 기술의 경우, 전계 효과에 의해 열처리 온도를 효과적으로 낮출 수 있으며 결정화 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 방향성 측면 결정화로 인한 다결정 입자의 크기와 모양을 제어하며, 첨가된 금속 촉매의 오염도 효과적으로 제거할 수 있는 등 고성능 다결정 박막트랜지스터 제작에 있어 필수적인 기술이다. 본 논문에서는 먼저 전계를 인가하는 새로운 개념의 전계 유도 방향성 결정화 기술의 결정화 거동을 관찰한다. Ni 과 Cu 를 금속 촉매로 사용하여 비정질 실리콘의 저온 결정화를 유도하였으며, 그 결과 MILC 공정보다 저온에서 빠른 결정화 속도를 갖는 고품위 다결정 실리콘을 형성할 수 있었다. 이렇게 얻어진 결과를 이용하여 전계 유도 방향성 결정화 기술의 결정화 기구를 제안하였으며, 이는 인가된 전계에 의한 실리사이드의 electro-migration 과 electrical potential gradient 에 의한 것으로 드러났다. FALC 공정을 LCD/OLED 소자에 적용하기 위한 다결정 박막 트랜지스터 어레이 제작을 시도하였다. 결정화에 필요한 전계를 공통 전극을 통해 인가하여 FALC 공정의 장점을 실제 디바이스 제작에 응용하였으며, 그 결과 MILC 공정으로 제작된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터보다 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있었다.; Over the last several years, extensive research has been carried out to develop low temperature polycrystalline silicon (poly-Si) for the high performance poly-Si based thin film transistors (TFTs) that can be applied for either active matrix liquid crystal displays (AMLCDs) or, more recently, active matrix organic light emitting diode (AMOLED) displays. Such an advantage enables us to fabricate a superior flat panel display that has a high-resolution and high-aperture ratio as a result of having reduced the size of the pixel transistor and the width of the metal line. The most important technical issues with regarding to high-performance poly-Si TFT array are the development of a low temperature process and the achievement of homogenous crystallization of amorphous silicon. Up to now, the thermal process for crystallization of a-Si has shown a better uniformity than that of the laser-assisted process, which has the advantage in applications to large area devices. Among many thermal processes for fabrication of poly-Si, particular attention has been paid to the metal induced lateral crystallization (MILC) process because it can lower the crystallization temperature below 550oC. However, it shows drawbacks such as a low crystal growth rate and metal impurity incorporation in transistor channel region. In this dissertation, a modified technique called field aided lateral crystallization (FALC) in which the electric field is applied during heat treatment is intruduced. Due to the influence of the electric field, the crystallization rate accelerates considerably and the grains become larger compared with those of MILC process. In the second part of this dissertation, the possible mechanism of the FALC is proposed after observing various crystallization behaviors. Using the Nernst-Einstein equation, it can be proved that the FALC process is governed by competition between the field-assisted diffusion and electromigration. The last part of this dissertation is about fabrication of poly-Si TFT using FALC process. The common electrode was used for applying homogeneous electric field to each transistor. As a result, each channel of TFTs in an array shows not only the uniform crystallization rate but also homogeneous grain morphology, and all of these crystallization behaviors attribute the electrical properties of TFT array such as field effect mobility, threshold voltage, on/off current ratio.