Silicide Induced Crystallization phenomenon and Its Application for Low Temperature Polycrystalline Silicon Thin Film Transistors

Abstract

과거 음극선관 디스플레이 이후 비정질 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터의 집적이 가능하게 되었고, 액정표시장치가 플라즈마 디스플레이 패널과 함께 평판 디스플레이 산업을 점유하게 되었다. 결국 박막 트랜지스터는 스마트 폰, 대형 디스플레이, 등 많은 전자기기에 있어서 필수적인 요소가 되었다. 하지만 최근에 능동형 유기 발광 디스플레이가 차세대 디스플레이로 주목을 받기 시작했고, 과거 액정 표시장치에서 활성층으로 사용되었던 비정질 실리콘의 낮은 전계 이동도 및 신뢰성 등의 한계로 인해 새로운 활성층 물질의 요구가 절실해 졌다. 기존의 비정질 실리콘을 대체할 물질로 산화물, 유기물, 다결정 실리콘 등이 주목을 받고 있는데, 유기물 및 산화물을 공정의 어려움과, 신뢰성, 낮은 전계 이동도의 문제로 고해상도 유기발광 디스플레이 제작에 어려움이 있다. 또한 다결정 실리콘의 경우 결정화 방법에 있어서 레이저를 이용한 방법과 비레이저 방식이 있는데, 현재 상용화 된 레이저 방식은 대면적화에 한계가 있어 새로운 결정화 방법이 요구되는 시점이다. 본 연구에서는 레이저 결정화의 차세대 대체 기술로 주목 받고 있는 금속유도 결정화 방법의 문제점들을 보완하여 실리사이드 유도 결정화 기술을 제시하였다. 특히 본 연구는 기존 금속유도 측면 결정화의 누설전류를 다음과 같이 두 가지 원인으로 분류하여 원인을 찾아 해결 방안을 도출 하는데 집중하였으며, 그 결과 다음과 같은 기술 들을 개발할 수 있었다. 금속 유도 측면 결정화 된 다결정 실리콘 영역 내에 존재하는 실리사이드 오염을 줄이기 위하여 기존에 사용한 니켈 금속 대신 직접 실리사이드를 이용하여 저온 결정화를 진행하였고, 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 제작, 그 응용 가능성을 확인 하였다. 본 연구에서 사용된 실리사이드는 스퍼터링으로 증착된 니켈 박막을 황산에서 제거함으로써 씨앗 형태로 얻게 된 것으로 상온에서도 비정질 실리콘 표면에 실리사이드가 형성됨을 확인 할 수 있었다. 실리사이드는 니켈의 증착 온도가 높아질수록 실리사이드 씨앗의 밀도가 높아졌고, 결정화 후 결정립 크기가 작아졌으며, 결정립계의 면적이 커져 소자 제작 시 전기적 특성이 열화되는 사실을 실험을 통해 증명 하였다. 상온에서도 실리사이드가 효과적으로 형성된다는 장점을 이용해 실리사이드 유도 측면 결정화에 대해 연구를 수행 하였고, 기존 금속 유도 측면 결정화에 비해 낮은 누설전류를 갖는 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 제작 할 수 있었다. 또한 기존 금속 유도 측면 결정화 기술에서 금속 유도 결정화/금속 유도 측면 결정화 경계 있는 많은 결함으로 인한 한계로 알려졌던 자기정렬 측면 결정화된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 제작을 가능하게 하였다. 금속유도 측면 결정화 된 박막 트랜지스터의 누설전류 원인으로 잘 알려진 측면 성장 결정 경계를 제거할 수 있는 비대칭 실리사이드 형성과 같은 새로운 공정 개발에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과 높은 역방향 게이트 바이어스 영역에서 누설전류가 낮아 졌으며, 낮은 전류밀도에서 노이즈 또한 줄어드는 결과를 보였다. 금속유도 결정화 및 실리사이드 유도 결정화 공정후 다결정 실리콘 표면에 남아있는 실리사이드 오염물을 제거하기 위해 게터링 공정을 적용하였고, 다결정 실리콘 내에 함유되어 있던 실리사이드 오염물을 효과적으로 제거하여 누설전류를 줄일 수 있었다. 또한 게터링층을 효과적으로 제거하고, 수월한 공정을 위해 화학적 산화물 형성을 연구하였고, 활성층과 게터링층의 효과적인 분리를 통해 균일한 게터링층 제거를 가능하게 하였다. 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 누설전류의 원인에 관해 분석하고, 이를 해결하기 위해 실리사이드 유도 측면 결정화 기술 외에 저농도 도핑된 드레인 구조를 적용하여 높은 측면 전계에서도 낮은 누설전류를 유지 할 수 있는 소자를 제작하였다. 누설 전류 감소에서 더 나아가 구동전류 및 이동도 등의 구동 특성을 향상시키기 위해 갈라진 채널을 갖는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 전기적 스트레스에 관해 추가적으로 연구가 되었다. 본 연구에서 제시된 기술 및 구조는 복잡한 공정 및 기술을 포함하지 않고 있어 즉각적인 생산기술에 적용이 가능하며, 6 장에서 제시된 향후 과제가 수행되면, 현재의 생산 기술 한계를 넘어 대면적 초 고화질 디스플레이를 제작 가능하게 할 것으로 생각된다.

After cathode ray tube (CRT) display in 1990s, the liquid crystal display (LCD) using thin film transistors (TFTs) with plasma display panel (PDP) using plasma led the display industry instead of CRT display as a result of the amorphous silicon (a-Si) TFTs have been integrated into the cheap glass substrate. Afterward the TFTs come to essential and fundamental electronic components in virtual all consumer and professional display products, from smart phones to large diagonal flat panel televisions. But recently, the active matrix light emitting diode (AMOLED) display worked by current receives attention from industry and academic. In order to meet the specific needs of AMOLED active material, a new active material having high field effect mobility became urgent requirement instead of a-Si which was used to active material on LCD panel because the a-Si exhibits low field-effect mobility and poor reliability. Many researchers concentrated on polycrystalline silicon (poly-Si), oxide type semiconductors, and organics to find new material. Among the new materials, the poly-Si has been being focused by many researchers due to its high field-effect mobility and good reliability instead of oxide type compounds and organics having complicated processes, low field-effect mobility, and poor reliability. In industry, the excimer laser crystallization is used for crystallization of a-Si thin film. But its high cost and long time for process act as obstacles to realize the large area and the high resolution AMOLED. In this study, the metal induced lateral crystallization (MILC), the unique alternate technology to supersede the laser crystallization, was advanced to a novel crystallization method – named silicide induced crystallization (SIC). The developed method could solve the problems of MILC technology such as low field-effect mobility and high leakage current. Particularly, we have concentrated on analyzing the mechanisms of leakage current through classification into two kinds of causes – trap assisted thermionic emission and pure tunneling due to lateral electric field. In order to obtain a low leakage current with decreasing Ni contamination in the channel of the MILC poly-Si TFTs, the Ni silicide was used for crystallization instead of Ni thin film, and was confirmed the applicability of the low temperature poly-Si TFTs. The Ni silicide used in this study was formed by removal of Ni thin film right after sputtering deposition at room temperature. The Ni silicide density on the a-Si surface was increased with increasing sputtering temperature. Therefore, the net area of grain boundary was increased due to decreased grain size. It was experimentally demonstrated that the increased grain boundary degraded the electrical properties of the SIC poly-Si TFTs. The silicide induced lateral crystallization (SILC) poly-Si TFTs was also fabricated by using room temperature silicidation demonstrated by SIC. The advantage of room temperature silicidation realized the high performance SILC poly-Si TFTs. Moreover, the self-aligned structured MILC poly-Si TFTs, having bad electrical properties due to defect at MIC/MILC boundary, were developed by SILC technology. It is well known that the MILC/MILC boundary (MMB) in the channel greatly affects the electrical properties of MILC poly-Si TFT. In this study, the asymmetrically formed silicide induced lateral crystallization method was also developed in order to eject the SILC/SILC boundary (SSB), formed by same mechanism of MILC growth, from the channel. Both a low off-state leakage current and a free short channel effect (kink effect) were observed in high electric-field conditions. Furthermore, it can be observed that the field-effect mobility and drain current noise were drastically improved by ejecting the SILC boundary in the source direction, when the trapped Ni silicide as scattering source was removed from the channel. After crystallization using the MIC or SIC, Ni silicide residues remained on the poly-Si surface and they degrade the electrical properties of devices. To remove the remained Ni silicide residues after crystallization, the gettering process was applied in this study. It has noticed that not only the leakage current but also the driving characteristics such as the on-state current, the field-effect mobility, the threshold voltage, and the subthreshold slope were considerably improved by the gettering of Ni silicide in the poly-Si channel. Moreover, the reduced trap state density, main cause of improved electrical performance of gettered SIC poly-Si TFTs, was systemically analyzed through Levinson-Proano plot. From analysis of second leakage current mechanism – pure tunneling emission at high lateral electric field, the lightly doped drain (LDD) structure was applied to SILC poly-Si TFTs. To form the LDD structure, gate insulator doping mask technique was used. As a result, the LDD structure effectively suppressed the leakage current at high reverse bias region. From the SILC method, the applications were expanded to previous studies on MILC poly-Si TFTS for better electrical performance. The first one is a channel splitting. The SILC poly-Si TFT having the split channel exhibits the improved driving characteristics because the Ni silicides at front of crystallites was filtered during lateral growth. Furthermore, the effective channel width was enlarged by channel splitting. The results were systemically analyzed by capacitance measurement and various electrical analyses. The second one is an electrical stress. The electrical stress enhanced not only leakage current but also driving characteristics. The electrical stress mechanism was modeled through experimental measurement at various electrical condition and computer simulation. Since the developed processes in this study is not complicated technique, it can be easily applicable to potential future flat panel display applications.