KR100303401B1 - Crystallization method of amorphous silicon thin film for thin film transistor and heat treatment apparatus used therein - Google Patents
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Abstract
본 발명은 램프를 사용한 스캐닝(scanning)법에 의하여 TFT-LCD용 대면적 유리기판상의 비정질 실리콘 박막을 균일하고 급속하게 결정화시켜 유리기판의 변형을 방지할 수 있는 TFT용 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법 및 이에 사용되는 열처리 장치에 관한 것이다.The present invention provides a method for crystallizing an amorphous silicon thin film for TFT which can prevent the deformation of the glass substrate by uniformly and rapidly crystallizing the amorphous silicon thin film on the large-area glass substrate for TFT-LCD by a scanning method using a lamp, and It relates to a heat treatment apparatus used for this.
상기 열처리장치는 비정질 실리콘 박막이 형성된 적어도 하나의 유리기판을 지지하는 지지수단과, 상기 유리기판의 상부로부터 유리기판에 집속된 선형 광을 조사하기 위한 광원과, 상기 선형 광이 비정질 실리콘 박막을 스캐닝방식으로 조사하도록 상기 지지수단과 광원 중 어느 하나를 상대적으로 이동시키기 위한 스캐닝 구동수단으로 구성된다.The heat treatment apparatus includes support means for supporting at least one glass substrate on which an amorphous silicon thin film is formed, a light source for irradiating linear light focused on the glass substrate from an upper portion of the glass substrate, and the linear light scans the amorphous silicon thin film. Scanning means for relatively moving either of the support means and the light source to irradiate in a manner.
본 발명의 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법은 유리기판 위에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계와, 상기 유리기판의 상부로부터 상기 비정질 실리콘 박막에 대한 선형 광을 스캐닝 방식으로 조사하는 단계로 구성된다. 또한 상기한 결정화 방법을 응용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 유리기판 위에 형성하는 단계와, 선형 광을 사용한 스캐닝 방법으로 상기 박막 트랜지스터의 비정질 실리콘을 결정화시키는 단계로 구성된다.The method for crystallizing an amorphous silicon thin film of the present invention comprises forming an amorphous silicon thin film on a glass substrate, and irradiating linear light to the amorphous silicon thin film from a top of the glass substrate by a scanning method. In addition, the method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor using the above crystallization method includes forming an amorphous silicon thin film transistor on a glass substrate and crystallizing the amorphous silicon of the thin film transistor by a scanning method using linear light.
Description
본 발명은 TFT용 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법 및 이에 사용되는 열처리 장치에 관한 것으로, 특히 램프로부터 방사되는 선형 광을 사용한 스캐닝(scanning)법에 의하여 TFT-LCD용 대면적 유리기판상의 비정질 실리콘 박막을 균일하고 급속하게 결정화시켜 유리기판의 변형을 방지할 수 있는 TFT용 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법과 이를 응용한 다결정 TFT의 제조방법 및 이에 사용되는 열처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for crystallizing an amorphous silicon thin film for TFT and a heat treatment apparatus used therein. In particular, the amorphous silicon thin film on a large-area glass substrate for TFT-LCD by a scanning method using linear light emitted from a lamp The present invention relates to a method of crystallizing an amorphous silicon thin film for TFT that can be uniformly and rapidly crystallized to prevent deformation of a glass substrate, a method of manufacturing a polycrystalline TFT using the same, and a heat treatment apparatus used therein.
평판 디스플레이 장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 간련 기술의 많은 발전으로 인하여 노트북 또는 데스크탑 컴퓨터나 벽걸이형 TV 등에 널리 사용되고 있다. 그 중에서 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)- LCD 방식에서는 화소 구동소자로서 비정질 실리콘 TFT를 이용하고 있다. 그러나, 구동속도, 선명도의 향상 및 구동회로 집적을 통한 생산성 향상을 위해서 비정질 실리콘 TFT를 다결정 실리콘 TFT로 대체하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.Among the flat panel display devices, liquid crystal displays (LCDs) are widely used in notebooks or desktop computers or wall-mounted TVs due to many advances in the technology. Among them, in the thin film transistor (TFT) -LCD method, an amorphous silicon TFT is used as the pixel driving element. However, researches are being actively conducted to replace amorphous silicon TFTs with polycrystalline silicon TFTs in order to improve driving speed, sharpness, and productivity through driving circuit integration.
이러한 다결정 실리콘 박막을 제조할 때 발생되는 어려움은 기판으로 사용되는 유리의 변형을 방지하기 위하여 유리기판이 변형되지 않고 견디는 온도와 시간 내에서 비정질 실리콘을 결정화시키는데 있다. 이를 극복하기 위한 방법에는 엑시머 레이저 어닐링(Exicimer Laser Annealing; ELA) 방법과 금속촉매를 이용한 금속유도 측면결정화(Metal Induced Lateral Crystalization; MILC) 방법 등이 있다.The difficulty in producing such a polycrystalline silicon thin film is to crystallize the amorphous silicon within the temperature and time that the glass substrate withstands the deformation in order to prevent deformation of the glass used as the substrate. Methods for overcoming this include excimer laser annealing (ELA) and metal induced lateral crystallization (MILC) using a metal catalyst.
먼저 ELA 방법은 유리기판의 손상이 없으며 TFT의 특성이 우수하지만 제조장비가 고가이며 결정화 균일도(crystalization uniformity)가 떨어진다는 단점을 가지고 있다.First, the ELA method does not damage the glass substrate and has excellent TFT characteristics, but has disadvantages in that the manufacturing equipment is expensive and the crystallization uniformity is poor.
MILC 방법은 비정질 실리콘의 결정화 온도를 500℃ 이하로 낮출 수 있고, 다른 결정화 방법에 비하여 장비와 공정이 간단하다는 장점을 가지고 있다. MILC 방법은 비정질 실리콘 박막의 표면이나 기판과의 계면에 부분적으로 Ni, Pd 등의 금속박막을 형성하고 500℃ 정도의 온도에서 열처리하여 금속이 형성된 부분과 그의 측면으로 결정화를 진행시키는 방법이다. 이러한 MILC를 이용하여 다결정 실리콘 TFT를 제작할 수 있는데 이때 500℃ 이하의 온도에서 우수한 전기적 특성을 갖는 소자를 제작할 수 있다.The MILC method can lower the crystallization temperature of amorphous silicon below 500 ° C and has the advantage of simpler equipment and process than other crystallization methods. The MILC method is a method in which a metal thin film such as Ni or Pd is partially formed on the surface of an amorphous silicon thin film or an interface with a substrate and heat-treated at a temperature of about 500 ° C. to proceed crystallization to the metal-formed portion and its side. The MILC can be used to fabricate a polycrystalline silicon TFT, and at this time, a device having excellent electrical characteristics at a temperature of 500 ° C. or less can be manufactured.
도 1은 MILC 방법을 사용한 TFT의 제조공정 단면도로서, 먼저 유리기판(100)의 전면에 아일랜드(island) 형상의 비정질 실리콘 박막(10)을 형성하고, 게이트 절연막(12)과 게이트 전극(13)을 형성한 뒤, 니켈로 이루어진 금속막(14)을 소오스 영역(10S)과 드레인 영역(10D)을 포함하는 기판의 전면에 증착한 다음 열처리하여 비정질 실리콘 박막(10)의 채널영역(10C)을 MILC에 의해 결정화시킨다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a TFT manufacturing process using a MILC method. First, an amorphous silicon thin film 10 having an island shape is formed on an entire surface of a glass substrate 100, and a gate insulating film 12 and a gate electrode 13 are formed. After the deposition, the metal film 14 made of nickel is deposited on the entire surface of the substrate including the source region 10S and the drain region 10D, and then heat-treated to form the channel region 10C of the amorphous silicon thin film 10. Crystallize by MILC.
이 방법은 기판 위에 비정질 실리콘 박막을 전면 증착하고 결정화시킨 후에 게이트를 형성하는 방법보다 열처리 시간이 짧고, 채널영역만을 결정화시키는 방법이므로 불량률이 대폭 개선된다.This method has a shorter heat treatment time and a crystallization of only the channel region than the method of depositing an amorphous silicon thin film on the substrate and crystallizing the gate, thereby greatly improving the defect rate.
금속을 형성하지 않은 상태로 열처리에 의해 비정질 실리콘을 결정화하기 위해서는 600℃ 이상의 온도에서 약 30시간 이상의 열처리가 필요하다. 그러나, MILC 기술에 의하면 500℃에서 1.6㎛/hr 이상의 결정화 속도를 보이므로 매우 유용한 결정화 방법이다. 또한 MILC 방법에 있어서 열처리 온도를 600℃ 이상으로 할 경우에는 측면 결정화의 진행속도가 온도에 따라 더욱 빠르게 진행되어 금속이 형성된 부분의 측면부분은 모두 MILC에 의해 결정화된다.In order to crystallize amorphous silicon by heat treatment without forming a metal, heat treatment of about 30 hours or more is required at a temperature of 600 ° C. or higher. However, according to the MILC technology, it shows a crystallization rate of 1.6 µm / hr or more at 500 ° C., which is a very useful crystallization method. In addition, in the MILC method, when the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher, the rate of lateral crystallization progresses more rapidly according to the temperature, and all the side portions of the metal-formed portion are crystallized by MILC.
한편 차세대 대면적 유리기판인 경우에는 노(furnace) 열처리장치의 구성이 용이하지 않으며 장시간의 열처리 시간은 생산성 향상에 어려움이 될 수 있다. 이러한 이유로 도 2에 도시된 다수의 램프를 사용한 열처리장치가 제안되었다.On the other hand, in the case of the next-generation large-area glass substrate, the configuration of the furnace heat treatment apparatus is not easy, and long heat treatment time may be difficult to improve productivity. For this reason, a heat treatment apparatus using a plurality of lamps shown in FIG. 2 has been proposed.
도 2는 종래기술에 따라 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는데 사용되는 램프 열처리장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 이 기술은 기판(21) 위에 바닥층 산화막(22)을 형성하고, 그 위에 형성된 비정질 실리콘 박막(23) 표면에 니켈 금속층(24)을 형성하고 램프(29)로 1초 동안 높은 온도로 열처리하고, 5초 동안 냉각시키는 공정을 1회 이상 실행함으로써 MILC에 의하여 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 방법이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a lamp heat treatment apparatus used to crystallize an amorphous silicon thin film according to the prior art. This technique forms a bottom layer oxide film 22 on the substrate 21, forms a nickel metal layer 24 on the surface of the amorphous silicon thin film 23 formed thereon, and heat-treats at a high temperature for 1 second with the lamp 29, It is a method of crystallizing an amorphous silicon thin film by MILC by performing one or more cooling processes for 5 seconds.
이 방법에 의하면 불투명한 비정질 실리콘 박막만이 가열되어 결정화되면서도 유리기판은 투명하므로 램프에 의해 가열되지 않아 유리기판의 변형을 방지할 수 있게 된다. 이 방법을 사용할 때 5초 동안 정도의 냉각을 시키는 이유는 비정질 실리콘이 가열되면서 유리기판으로 열을 전달하여 유리기판이 변형되는 것을 방지하기 위해서이다.According to this method, since only the opaque amorphous silicon thin film is heated and crystallized, the glass substrate is transparent, and thus the glass substrate is not heated by the lamp, thereby preventing deformation of the glass substrate. When using this method, the reason for cooling for about 5 seconds is to transfer the heat to the glass substrate while the amorphous silicon is heated to prevent the glass substrate from being deformed.
그러나 기판 전면을 동시에 가열하는 이 방법 역시 대면적 유리기판, 예를 들어, 600mm×500mm 이상의 기판을 균일하게 가열시키도록 열처리장치를 고안하는 것은 매우 어렵다. 이와 같이 기판의 모든 부분이 균일하게 가열되지 못하면 모든 영역을 결정화시키기 위하여 열처리 시간이 길어져야 하며 이때 비정질 실리콘이 국부적으로 온도가 크게 상승될 수 있으며, 그 결과 기판이 변형될 가능성이 존재하게 된다.However, this method of simultaneously heating the entire surface of the substrate is also very difficult to devise a heat treatment apparatus to uniformly heat a large-area glass substrate, for example, 600mm x 500mm or more. As such, when all parts of the substrate are not uniformly heated, the heat treatment time may be lengthened to crystallize all regions, and the amorphous silicon may locally increase in temperature, resulting in the possibility of deformation of the substrate.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 빛을 이용한 연속공정 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing; RTA) 방법을 사용하여 기판의 크기에 제한되지 않고 대면적 투명 유리기판을 변형 없이 비정질 실리콘을 결정화시킬 수 있는 비정질 실리콘의 결정화 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its object is to provide a large-area transparent glass substrate without being limited to the size of the substrate by using a rapid thermal annealing (RTA) method using light. The present invention provides a method of crystallizing amorphous silicon that can crystallize amorphous silicon without deformation.
본 발명의 다른 목적은 연속공정 급속 열처리와 금속유도 측면결정화(MILC) 방법을 동시에 적용하여 저온에서 결정화 균일도와 결정화 속도를 크게 개선할 수 있는 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a low temperature polycrystalline silicon thin film transistor which can greatly improve crystallization uniformity and crystallization rate at low temperature by applying a continuous process rapid heat treatment and a metal induced side crystallization (MILC) method simultaneously.
본 발명의 또다른 목적은 램프로부터 방사되는 선형 광을 사용한 연속공정 또는 스캐닝법에 의하여 TFT-LCD용 대면적 유리기판상의 비정질 실리콘 박막을 균일하고 급속하게 결정화시켜 유리기판의 변형을 방지할 수 있는 TFT용 비정질 실리콘 박막의 결정화에 사용되는 열처리 장치를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to uniformly and rapidly crystallize an amorphous silicon thin film on a large-area glass substrate for a TFT-LCD by a continuous process or a scanning method using linear light emitted from a lamp, thereby preventing deformation of the glass substrate. The present invention provides a heat treatment apparatus used for crystallization of an amorphous silicon thin film for TFT.
도 1은 금속유도 측면결정화를 설명하기 위한 TFT의 단면도,1 is a cross-sectional view of a TFT for explaining metal induced side crystallization;
도 2는 종래의 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환하는데 사용되는 열처리장치의 개략적인 구성 단면도,2 is a schematic cross-sectional view of a heat treatment apparatus used to convert conventional amorphous silicon into polycrystalline silicon;
도 3은 본 발명에 따른 비정질 실리콘 박막을 결정화시키기 위한 열처리장치를 보여주는 사시도,3 is a perspective view showing a heat treatment apparatus for crystallizing an amorphous silicon thin film according to the present invention;
도 4는 도 3의 열처리장치에서 기판의 이송속도를 제어하기 위한 자동조정장치를 보여주는 개략 단면도,Figure 4 is a schematic cross-sectional view showing an automatic adjustment device for controlling the feed rate of the substrate in the heat treatment apparatus of FIG.
도 5a는 열처리될 시편의 단면도,5a is a sectional view of a specimen to be heat treated;
도 5b는 열처리 시작단계에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프,5b is a graph showing a temperature gradient of a silicon thin film at a start of heat treatment;
도 5c는 열처리 중간단계에서 MIC가 진행될 때 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프,5c is a graph showing a temperature gradient of a silicon thin film when MIC is performed in an intermediate heat treatment step;
도 5d는 열처리 중간단계에서 MILC가 진행될 때 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프,5d is a graph showing a temperature gradient of a silicon thin film when MILC is performed in an intermediate heat treatment step;
도 6은 본 발명에 따라 TFT의 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 경우 기판의 온도분포를 설명하기 위한 기판의 단면도 및 이에 대응하는 온도분포 그래프,6 is a cross-sectional view of a substrate for explaining the temperature distribution of the substrate when crystallizing the amorphous silicon thin film of the TFT according to the present invention and a temperature distribution graph corresponding thereto;
도 7은 본 발명의 스캐닝방법에 따라 열처리가 실행되는 경우 시간에 따른 기판의 온도변화를 나타낸 그래프,7 is a graph showing a temperature change of a substrate with time when heat treatment is performed according to the scanning method of the present invention;
도 8은 캡핑 산화막을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우의 최고 열처리 온도에 따른 금속유도 측면결정화 거리를 나타낸 그래프,8 is a graph showing the metal induced side crystallization distance according to the maximum heat treatment temperature when the capping oxide film is formed and when it is not formed;
도 9는 종래기술과 본 발명에 따라 제작된 다결정 실리콘 TFT의 트랜스퍼 특성을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the transfer characteristics of the polycrystalline silicon TFT fabricated according to the prior art and the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *
30 ; 광 31 ; 하부 가열부30; Light 31; Bottom heating part
32 ; 예열램프 34 ; 반사경32; Preheating lamp 34; Reflector
35 ; 램프 36 ; 광원35; Lamp 36; Light source
37 ; 컨베이어 벨트 40,50,700 ; 유리기판37; Conveyor belts 40,50,700; Glass substrate
41 ; TFT 어레이 42 ; 감지패턴41; TFT array 42; Detection pattern
51,72 ; 비정질 실리콘 박막 52,75 ; 금속 박막51,72; Amorphous silicon thin film 52,75; Metal thin film
53,78 ; 캡핑 산화막 58A,58B ; 투과도 감지센서53,78; Capping oxide films 58A, 58B; Transmittance Sensor
59 ; 자동제어부 73 ; 게이트 절연막59; Automatic control unit 73; Gate insulating film
74 ; 게이트 전극74; Gate electrode
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비정질 실리콘 박막을 결정화하기 위한 열처리장치에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막이 형성된 적어도 하나의 유리기판을 지지하는 지지수단과, 상기 유리기판에 광을 조사하기 위하여 배치된 적어도 하나의 램프 및 상기 램프로부터 발광된 광을 상기 비정질 실리콘 박막에 선형광으로 수렴되도록 집속하기 위한 집속수단으로 구성되는 광원과, 상기 선형 광이 비정질 실리콘 박막의 적어도 하나의 영역에 스캐닝방식으로 조사하도록 상기 지지수단과 광원 중 어느 하나를 상대적으로 이동시키기 위한 스캐닝 구동수단으로구성되는 것을 특징으로 하는 열처리장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a heat treatment apparatus for crystallizing an amorphous silicon thin film, the support means for supporting at least one glass substrate on which the amorphous silicon thin film is formed, and for irradiating light to the glass substrate A light source comprising at least one lamp arranged and a focusing means for converging light emitted from the lamp to linear light onto the amorphous silicon thin film, and the linear light is scanned in at least one region of the amorphous silicon thin film It provides a heat treatment apparatus comprising a scanning drive means for relatively moving any one of the support means and the light source to irradiate with.
상기 열처리장치에서 지지수단과 스캐닝 구동수단은 컨베이어 벨트로 구성되는 것이 바람직하다.In the heat treatment apparatus, the support means and the scanning drive means are preferably composed of a conveyor belt.
또한, 상기 열처리장치에는 유리기판을 400℃ 이하로 예비가열하기 위한 예비가열수단과, 상기 예비가열수단으로부터 유리기판으로 조사된 광의 투과도를 감지하기 위한 적어도 하나의 투과도 감지센서와, 상기 투과도 감지센서로부터 수신된 투과도 데이터에 기초하여 상기 스캐닝 구동수단의 스캐닝 속도와 광원에 대한 전력을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함한다.In addition, the heat treatment apparatus includes a pre-heating means for preheating the glass substrate below 400 ℃, at least one transmittance sensor for detecting the transmittance of light irradiated from the preheating means to the glass substrate, and the transmittance sensor Control means for controlling the scanning speed of the scanning drive means and the power to the light source based on the transmittance data received from the.
유리기판의 일측변에 기판의 이송방향을 따라 설치되어 상기 광의 스캐닝에 따라 상기 비정질 실리콘의 결정화 과정을 모니터할 수 있는 띠형상의 비정질 실리콘으로 구성되는 감지패턴을 더 포함하며, 상기 투과도 감지센서는 상기 감지패턴을 통하여 수신되는 광의 투과도를 감지하여 제어수단으로 신호를 출력한다.And a sensing pattern formed on a side of the glass substrate along a transport direction of the substrate, the sensing pattern including a band-shaped amorphous silicon capable of monitoring the crystallization process of the amorphous silicon according to the scanning of the light. The transmittance of the light received through the detection pattern is detected and the signal is output to the control means.
상기 광원은 상기 스캐닝 방향과직교하는 방향으로 배치된 적어도 하나의 램프를 포함한다.The light source includes at least one lamp disposed in a direction orthogonal to the scanning direction.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유리기판 위에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계와, 상기 비정질 실리콘 박막에 대해 램프로부터 방사되는 적어도 하나의 집속된 선형 광을 적어도 하나의 영역에 스캐닝 방식으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법을 제공한다.According to another feature of the present invention, forming an amorphous silicon thin film on a glass substrate, and scanning at least one region of at least one focused linear light emitted from a lamp with respect to the amorphous silicon thin film in a scanning manner It provides a crystallization method of an amorphous silicon thin film comprising a.
상기 비정질 실리콘 박막 위에 결정화 유도를 위한 적어도 하나의 금속 박막패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속 박막은 Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd,Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금 중에서 선택된 금속물질로 이루어진다.Forming at least one metal thin film pattern for crystallization induction on the amorphous silicon thin film, the metal thin film is Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, It is made of a metal material selected from any one selected from V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag or alloys thereof.
한편, 상기한 결정화 방법을 응용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 유리기판 위에 형성하는 단계와, 램프로부터 방사되는 적어도 하나의 집속된 선형 광을 적어도 하나의 영역에 스캐닝 방법으로 조사하여 상기 박막 트랜지스터의 비정질 실리콘을 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor using the above crystallization method includes forming an amorphous silicon thin film transistor on a glass substrate and scanning at least one focused linear light emitted from a lamp in at least one region. Irradiating and crystallizing the amorphous silicon of the thin film transistor.
여기서 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 형성하는 단계는 유리기판 위에 비정질 실리콘으로 이루어진 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 위에 게이트 절연막과 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 결과를 갖는 유리기판 위에 금속 박막을 증착하는 단계로 구성되며, 상기 게이트 절연막 하부의 채널영역에 대한 비정질 실리콘은 상기 금속 박막을 이용한 금속유도 측면 결정화에 의해 결정화되는 것을 특징으로 한다.The forming of the amorphous silicon thin film transistor may include forming an active layer of amorphous silicon on the glass substrate, forming a gate insulating film and a gate electrode on the active layer, and depositing a metal thin film on the glass substrate having the result. The amorphous silicon of the channel region under the gate insulating layer is crystallized by metal-induced side crystallization using the metal thin film.
상기 선형 가열에 의한 스캐닝 전에 유리기판을 400℃ 이하로 예열하는 단계를 갖는 것이 결정화 속도를 향상하는데 바람직하다. 또한 상기 비정질 실리콘 트랜지스터의 전면에 투명한 캡핑 산화막을 형성하는 경우에도 결정화 속도를 크게 향상할 수 있다.It is preferable to have a step of preheating the glass substrate to 400 ° C. or lower before scanning by the linear heating to improve the crystallization rate. In addition, even when a transparent capping oxide film is formed on the entire surface of the amorphous silicon transistor, the crystallization rate may be greatly improved.
상기 유리기판은 일측변에 기판의 이송방향을 따라 설치되어 상기 광의 스캐닝에 따라 상기 비정질 실리콘의 결정화 과정을 모니터할 수 있는 감지패턴을 더 포함하며, 상기 감지패턴을 통하여 수신되는 광의 투과도를 감지하여 스캐닝 속도와 광의 전력을 제어하는 것에 의해 결정화 균일도를 향상할 수 있다.The glass substrate may further include a sensing pattern installed at one side of the substrate along a transport direction of the substrate to monitor the crystallization process of the amorphous silicon according to the scanning of the light, and to sense the transmittance of the light received through the sensing pattern. The crystallization uniformity can be improved by controlling the scanning speed and the power of light.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 열처리장치는 선형으로 집속된 램프의 광을 유리기판에 조사하는 상태에서 기판이 이송되는 스캐닝 방식으로 결정화될 비정질 실리콘에 대한 국부적인 가열이 이루어지므로 열처리장치의 크기를 3차원적으로 확장하지 않고도 기판 크기의 제한 없이 TV용 LCD와 같은 대면적 투명 유리기판을 변형 없이 균일한 정도로 비정질 실리콘을 결정화시킬 수 있다.As described above, in the heat treatment apparatus according to the present invention, local heating is performed on the amorphous silicon to be crystallized by the scanning method in which the substrate is transferred while the light of the linearly focused lamp is irradiated onto the glass substrate. It is possible to crystallize amorphous silicon to a uniform degree without deformation in large area transparent glass substrates such as LCD for TV without limiting the size of the substrate without expanding in three dimensions.
더욱이 램프를 다수개로 설치하는 경우 다수의 위치에서 비정질 실리콘 박막을 결정화시킬 수 있어 결정화 속도가 향상될 수 있고, 투과도 감지센서를 구비한 자동조절장치에 의해 비정질 실리콘에 대한 결정화를 실시간적으로 개별적으로 제어하므로 열처리된 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있어 대면적 LCD 제품의 수율을 크게 향상시키게 된다.Furthermore, when a plurality of lamps are installed, the crystallization rate of the amorphous silicon thin film can be improved at a plurality of positions, and the crystallization speed can be improved. By controlling, the quality of heat-treated product can be maintained uniformly, which greatly improves the yield of large area LCD products.
또한 본 발명에 따른 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 방법은 상기 열처리장치를 사용하여 선형으로 집속된 램프광을 스캐닝하는 방식으로 박막에 국부적으로 조사하므로 비정질 실리콘 박막을 균일한 정도로 결정화할 수 있고 기판의 변형을 방지할 수 있다.In addition, the method of crystallizing the amorphous silicon thin film according to the present invention can be locally irradiated to the thin film by scanning a linearly focused lamp light using the heat treatment device, so that the amorphous silicon thin film can be crystallized to a uniform degree and the deformation of the substrate Can be prevented.
더욱이 본 발명을 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조에 적용하는 경우 기판에 변형을 일으키지 않으면서 물리적 특성이 우수한 소자를 제작할 수 있다.Furthermore, when the present invention is applied to the production of polycrystalline silicon thin film transistors, devices having excellent physical properties can be manufactured without causing deformation to the substrate.
(실시예)(Example)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도 3은 본 발명에 따른 비정질 실리콘 박막을 결정화시키기 위한 열처리장치를 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 열처리장치에서 기판의 이송속도를 제어하기 위한 자동조정장치를 보여주는 개략 단면도이다.3 is a perspective view showing a heat treatment apparatus for crystallizing an amorphous silicon thin film according to the present invention, Figure 4 is a schematic cross-sectional view showing an automatic adjustment device for controlling the feed rate of the substrate in the heat treatment apparatus of FIG.
먼저 도 3을 참고하면 본 발명의 열처리장치는 유리기판(40) 위에 형성된 TFT 어레이(41)에 선형으로 집속된 광(30)을 조사하기 위한 광원(36)으로서 할로겐 램프(35)와, 램프(35)로부터 조사된 광을 선형으로 유리기판(40)에 집속하기 위한 타원형 반사경(34)을 구비한다. 상기 광원(36)의 하측에는 다수의 할로겐 예열램프(32)를 포함하는 하부 가열부(31)가 고정 설치되어 있고, 하부 가열부(31)에는 다수의 유리기판(40)을 연속적으로 운반하기 위한 이송장치로서 컨베이어 벨트(37)가 설치되어 있다. 상기한 컨베이어 벨트(37)는 기판(40)을 지지함과 동시에 기판을 일측 방향으로 연속적으로 이송한다.First, referring to FIG. 3, the heat treatment apparatus of the present invention includes a halogen lamp 35 and a lamp as a light source 36 for irradiating light 30 focused linearly on a TFT array 41 formed on a glass substrate 40. An elliptical reflector 34 for condensing the light irradiated from 35 to the glass substrate 40 linearly is provided. A lower heating part 31 including a plurality of halogen preheating lamps 32 is fixedly installed under the light source 36, and the lower heating part 31 continuously carries a plurality of glass substrates 40. A conveyor belt 37 is provided as a conveying device for the same. The conveyor belt 37 supports the substrate 40 and continuously transfers the substrate in one direction.
상기한 광원(36)은 도 4에 도시된 자동조정장치와 결합하여 연속적이고 균일한 가열장치를 구성한다. 이 경우 컨베이어 벨트(37)가 기판(40)을 화살표 방향(X)으로 연속적으로 이동시킴에 따라 광원(36)은 기판(40)을 스캐닝하면서 기판(40)의 과도한 가열없이 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 필요에 따라 광원(36) 또한 화살표 반대방향으로 일정한 길이만큼 연속적으로 이동하면서 기판을 스캐닝하는 것도 가능하다.The light source 36 combines with the automatic adjustment device shown in FIG. 4 to form a continuous and uniform heating device. In this case, as the conveyor belt 37 continuously moves the substrate 40 in the direction of the arrow X, the light source 36 scans the substrate 40 and determines the amorphous silicon thin film without excessive heating of the substrate 40. It becomes possible to become angry. In this case, it is also possible to scan the substrate while continuously moving the light source 36 by a predetermined length in the direction opposite to the arrow as necessary.
한편, 상부 광원(36)에는 빛의 투과도를 감지하기 위한 한쌍의 투과도 감지센서(58A,58B)가 도 4에 도시된 바와 같이 전후방에 설치되어 있고, 한쌍의 투과도 감지센서(58A,58B)로부터 얻어진 각 부분의 투과도 데이터는 이 데이터에 의하여램프(35)의 전력과 컨베이어 벨트(37)의 이동속도를 제어하는 자동제어부(59)에 공급된다.On the other hand, in the upper light source 36, a pair of transmittance detection sensors 58A and 58B for detecting light transmittance are provided in front and rear as shown in FIG. 4, and from the pair of transmittance detection sensors 58A and 58B. The obtained transmittance data of each part is supplied to the automatic control part 59 which controls the electric power of the lamp 35 and the moving speed of the conveyor belt 37 by this data.
이하에 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 열처리 장치의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the heat treatment apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
컨베이어 벨트(37) 위에 놓여서 열처리장치로 이송되는 각각의 유리기판(40)은 그 위에 결정화가 이루어질 비정질 실리콘을 포함하는 TFT 어레이(41)가 형성된 구조이다. 또한 유리기판(40)의 일측변에는 기판의 이송방향을 따라 긴띠형상의 비정질 실리콘으로 이루어짐에 의해 비정질 실리콘의 결정화를 모니터할 수 있는 감지패턴(42)이 형성되어 있다.Each glass substrate 40 placed on the conveyor belt 37 and transferred to the heat treatment apparatus has a structure in which a TFT array 41 containing amorphous silicon to be crystallized is formed thereon. In addition, a sensing pattern 42 for monitoring the crystallization of the amorphous silicon is formed on one side of the glass substrate 40 by being made of long band amorphous silicon along the transfer direction of the substrate.
하부 가열부(31)는 유리기판(40)의 열처리 시간을 단축하기 위하여 미리 비정질 실리콘의 결정화가 일어나지 않는 온도, 예를 들어 400℃ 이하로 예열시키는 역할을 하며, 상부 광원(36)으로부터는 램프(35)로부터 발생된 광(30)이 내주부가 타원형으로 이루어지며 램프(35)를 커버하도록 길게 형성된 반사경(34)에 의해 선형으로 집속되어 유리기판(40)으로 조사된다. 이 상태에서 화살표 방향(X)으로 컨베이어 벨트(37)를 구동시키면 유리기판(40)의 연속적인 이송이 이루어지면서 유리기판(40)은 선형 광(30)에 의한 스캐닝 조사가 이루어진다.The lower heating part 31 serves to preheat to a temperature at which amorphous silicon does not crystallize in advance, for example, 400 ° C. or lower, in order to shorten the heat treatment time of the glass substrate 40, and the lamp from the upper light source 36. The light 30 generated from 35 is linearly focused by the reflector 34 formed to have an inner circumferential portion of an elliptical shape and long to cover the lamp 35 and is irradiated onto the glass substrate 40. In this state, when the conveyor belt 37 is driven in the arrow direction X, the glass substrate 40 is continuously transported while the glass substrate 40 is scanned and irradiated with the linear light 30.
따라서, 램프(35)의 스캐닝 조건을 조절함에 의해 80℃/초 이상의 빠른 가열이 가능하게 된다. 이때 냉각공기를 계속적으로 기판으로 송출함에 의해 광의 전도에 의한 가열효과만이 기판에 대한 유일한 열원이 되도록 한다. 이에 따라 투명한 유리기판(40)은 램프(35)나 하부 예열램프(32)로부터 조사된 빛에 의해 가열되지않는 반면에 유리기판(40)에 형성된 TFT 어레이(41)의 비정질 실리콘 박막은 램프(35)로부터 조사된 광(30)의 파장에 해당하는 에너지를 흡수하여 국부적인 가열이 이루어진다.Therefore, rapid heating of 80 ° C / sec or more is possible by adjusting the scanning conditions of the lamp 35. At this time, by continuously cooling the air to the substrate, only the heating effect by conduction of light becomes the only heat source for the substrate. Accordingly, the transparent glass substrate 40 is not heated by the light irradiated from the lamp 35 or the lower preheat lamp 32, while the amorphous silicon thin film of the TFT array 41 formed on the glass substrate 40 is a lamp ( Local heating is achieved by absorbing energy corresponding to the wavelength of light 30 irradiated from 35.
한편, 상기 램프(35)는 1개 이상으로 구성될 수 있으며, 이들 램프(35)의 배열은 균일한 온도 구간을 얻기 위하여 기판의 면적과 공정조건에 따라 조정될 수 있다.On the other hand, the lamp 35 may be composed of one or more, the arrangement of these lamps 35 may be adjusted according to the area and the processing conditions of the substrate to obtain a uniform temperature interval.
이러한 빛을 이용하는 열처리 공정에서 유리기판(40)은 빛을 투과시키므로 가열되지 않고 비정질 실리콘만이 빛을 흡수하여 가열된다. 이때, 비정질 실리콘이 결정질 실리콘으로 변하면 다시 투명해지므로 더 이상 가열되지 않는 셀프 스톱 프로세스(self-stop process)가 가능하다.In the heat treatment process using the light, the glass substrate 40 transmits light, so that only amorphous silicon is absorbed and heated without being heated. In this case, when the amorphous silicon is changed to crystalline silicon, it becomes transparent again, thereby enabling a self-stop process that is no longer heated.
도 3 및 도 4를 참고하면, 감지패턴(42) 또한 비정질 실리콘으로 이루어져 있으므로 TFT 어레이(41)의 비정질 실리콘이 결정화되는 과정에서 결정질 실리콘으로 변하면서 투명해진다. 부재번호 42-1은 램프(35)의 광 조사에 의해 결정질 실리콘으로 되면서 투명해진 부분이고, 부재번호 42-2는 아직 조사되지 않은 비정질 상태의 투명하지 않은 비정질 실리콘 부분이다.3 and 4, since the sensing pattern 42 is also made of amorphous silicon, it becomes transparent while changing to crystalline silicon in the process of crystallizing the amorphous silicon of the TFT array 41. Reference numeral 42-1 denotes a portion that becomes crystalline silicon and becomes transparent by light irradiation of the lamp 35, and reference numeral 42-2 denotes a non-transparent amorphous silicon portion in an amorphous state that has not yet been irradiated.
램프(35)로부터 광(30)의 조사에 의해 감지패턴(42)이 결정화되는 과정에도 하부 가열부(31)의 예열램프(32)도 기판(40)에 적절한 정도의 열을 공급할 수 있도록 빛을 조사한다. 이 빛은 감지패턴(42-1,42-2)을 투과하여 투과도 감지센서(58A,58B)에 도달하게 된다. 이때, 투명한 감지패턴(42-1)을 투과한 빛(L1)과 일부는 감지패턴(42-2)에서 반사되고 일부가 투명하지 않은 감지패턴(42-2)을 투과한 빛(L2)은 투과된 광량의 차이에 따라 투과도 감지센서(58A,58B)에 각각 다른 값으로 감지된다.Even when the sensing pattern 42 is crystallized by the irradiation of the light 30 from the lamp 35, the preheating lamp 32 of the lower heating part 31 may also supply light to the substrate 40. Investigate The light penetrates through the sensing patterns 42-1 and 42-2 and reaches the transmittance sensing sensors 58A and 58B. At this time, the light L1 transmitted through the transparent sensing pattern 42-1 and the light L2 transmitted through the sensing pattern 42-2 that is partially reflected by the sensing pattern 42-2 are partially transparent. According to the difference in the amount of light transmitted, the transmittance detection sensors 58A and 58B are respectively sensed with different values.
이에 따라 자동제어부(59)는 투과도 감지센서(58A,58B)가 감지패턴(42-1,42-2) 각 부분에서 읽은 투과도값을 기준값과 비교/판단하여 열처리장치 각 구성부분의 작동을 자동적으로 조절한다. 즉, 감지센서(58A,58B)로부터 얻어진 투과도 값에 따라 램프(35,32)의 전력 및 컨베이어 벨트(37)의 운반속도 또는 상부 광원(36)의 이동속도 등을 자동적으로 조절한다. 따라서, 열처리 도중에 실리콘 결정이 대면적의 유리기판(40)에서 균일하게 형성되지 않거나 공정 간의 균일성 정도가 변하면서 감지센서(58A,58B)에서 실시간으로 측정된 결과는 자동제어부(59)로 피드백되어 유리기판(40)과 광원(36) 사이의 상대적인 스캐닝 속도와 램프전력과 같은 공정변수를 조절할 수 있게 된다.Accordingly, the automatic control unit 59 automatically compares and judges the transmittance values read by the transmissivity sensors 58A and 58B in the respective portions of the sensing patterns 42-1 and 42-2 with the reference values to automatically operate the respective components of the heat treatment apparatus. Adjust with That is, the power of the lamps 35 and 32 and the conveying speed of the conveyor belt 37 or the moving speed of the upper light source 36 are automatically adjusted according to the transmittance values obtained from the detection sensors 58A and 58B. Therefore, the silicon crystals are not uniformly formed on the large-area glass substrate 40 during the heat treatment or the degree of uniformity between the processes is changed, and the results measured in real time by the detection sensors 58A and 58B are fed back to the automatic controller 59. Thus, process variables such as relative scanning speed and lamp power between the glass substrate 40 and the light source 36 can be adjusted.
이와같이 비정질 실리콘 박막이 결정화됨에 따라 투명도가 변하게 되므로 대면적 유리기판(40)을 하나씩 열처리 공정을 진행하면서 비정질 실리콘 박막의 결정화 정도를 측정하여 실시간으로 공정조건을 조절할 수 있게 된다. 그 결과 본 발명에서는 다수의 대면적 유리기판을 일시에 열처리하는 종래의 로(furnace) 열처리 방법에 비하여 결정화 균일도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.As the amorphous silicon thin film is crystallized as described above, the transparency is changed, so that the process conditions can be adjusted in real time by measuring the crystallization degree of the amorphous silicon thin film while performing the heat treatment process on the large-area glass substrate 40 one by one. As a result, in the present invention, it is possible to greatly improve the uniformity of crystallization as compared to the conventional furnace heat treatment method in which a large number of large glass substrates are heat treated at one time.
또한 종래의 로 타입의 열처리장치는 기판 면적이 커짐에 따라 로의 크기가 3차원적으로 커져야 했기 때문에 이에 대한 기술적 한계가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 대면적 유리기판(40)을 가열하기 위해서 2차원적으로 확장된 가열장치, 즉 램프의 길이를 길게 구성함에 의해 해결된다. 이 경우 스캐닝장치, 즉 컨베이어벨트(37) 또는 광원 스캐닝장치(도시되지 않음)는 기판면적이 증가할지라도 유리기판에 조사되는 광의 1차원적인 균일도를 유지시키면 되므로 2차원적으로 균일한 온도를 요구하는 종래의 열처리장치의 구조에 비하여 열처리장치의 구성이 매우 유리하다. 이러한 장점은 노트북 또는 데스크탑 컴퓨터나 대형 TV에 사용되는 액정표시장치(LCD)와 같은 대면적 평판 디스플레이의 제작에 매우 유리하다.In addition, the conventional furnace type heat treatment apparatus has a technical limitation because the furnace size has to be increased three-dimensionally as the substrate area increases. However, in the present invention, it is solved by constructing a two-dimensionally expanded heating device, that is, a long length of the lamp, for heating the large-area glass substrate 40. In this case, the scanning device, that is, the conveyor belt 37 or the light source scanning device (not shown) requires two-dimensional uniform temperature because the one-dimensional uniformity of the light irradiated onto the glass substrate needs to be maintained even if the substrate area is increased. The construction of the heat treatment apparatus is very advantageous as compared to the structure of the conventional heat treatment apparatus. This advantage is very advantageous for the manufacture of large area flat panel displays such as liquid crystal displays (LCDs) used in notebook or desktop computers or large TVs.
한편, 비정질 실리콘이 높은 온도에서 결정화되려면 충분한 인큐베이션(incubation) 시간이 필요하다. 램프에 의한 열처리를 금속유도 측면 결정화(MILC)에 이용하면 금속층이 형성되지 않은 부분의 결정화에 필요한 인큐베이션 시간이 되기 전에 금속층이 형성된 부분에서부터 결정화가 시작되어 측면으로 결정화가 진행된다. 이때, 상기한 바와 같이 결정화 속도를 높이기 위하여 1개 이상의 램프(35)를 사용할 수 있다.On the other hand, sufficient incubation time is required for the amorphous silicon to crystallize at high temperatures. When the heat treatment by the lamp is used for MILC, the crystallization starts from the portion where the metal layer is formed and the crystallization proceeds to the side before the incubation time required for the crystallization of the portion where the metal layer is not formed. At this time, one or more lamps 35 may be used to increase the crystallization rate as described above.
이하에 도 5a 내지 도 5d를 참고하여 유리기판에 소자가 형성된 시편의 전면에 캡핑 산화막(capping oxide layer)이 존재하는 경우 램프를 사용한 열처리시에 비정질 실리콘 박막의 온도구배 변화를 열처리 시간에 따라 살펴본다.5A to 5D, when the capping oxide layer is present on the entire surface of the specimen on which the device is formed on the glass substrate, the temperature gradient change of the amorphous silicon thin film during the heat treatment using the lamp is examined according to the heat treatment time. see.
도 5a는 열처리될 시편의 단면도, 도 5b는 열처리 시작단계에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프, 도 5c는 열처리 중간단계에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프, 도 5d는 열처리에 따라 MILC가 이루어지는 과정에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프이다.Figure 5a is a cross-sectional view of the specimen to be heat-treated, Figure 5b is a graph showing the temperature gradient of the silicon thin film at the beginning of the heat treatment, Figure 5c is a graph showing the temperature gradient of the silicon thin film in the middle of the heat treatment, Figure 5d is a MILC made according to the heat treatment The graph shows the temperature gradient of the silicon thin film during the process.
도 5에서 점선으로 표시한 온도는 처리될 투명 유리기판(50)의 표면에 예를들어 SiO2로 이루어진 캡핑 산화막(53)이 증착된 실리콘 영역의 온도인데 투명한 캡핑 산화막(53)은 비정질 실리콘 박막(51)의 온도를 상승시키는 효과가 있다. 이와같이 본 발명의 열처리에는 램프 가열에 의한 급속 열처리(RTA) 효율을 높이기 위하여 비정질 실리콘 박막(51)의 상부를 덮는 캡핑 산화막(53)을 형성할 수 있다. 상기 캡핑 산화막(53)은 투명하므로 빛의 흡수를 돕고 열의 방출을 억제하는 열보호막으로서 비정질 실리콘만의 온도상승 효과를 크게 한다.The temperature indicated by a dotted line in FIG. 5 is a temperature of a silicon region in which a capping oxide film 53 made of, for example, SiO 2 is deposited on the surface of the transparent glass substrate 50 to be treated. The transparent capping oxide film 53 is an amorphous silicon thin film. There is an effect of raising the temperature of (51). As described above, in the heat treatment of the present invention, a capping oxide film 53 covering the top of the amorphous silicon thin film 51 may be formed in order to increase the rapid heat treatment (RTA) efficiency by lamp heating. Since the capping oxide film 53 is transparent, the temperature raising effect of only amorphous silicon is increased as a heat protection film that helps absorb light and suppresses the release of heat.
또한 캡핑 산화막(53)은 열전도율이 실리콘에 비하여 1/100 수준으로서 램프의 빛을 비정질 실리콘 박막(51)으로 투과시키며 국부적으로 가열된 실리콘 박막이 상온의 대기와 직접 접촉하여 냉각되는 것을 방지한다. 따라서, 대면적 투명 유리기판(50)은 변형온도에 이르지 않고 기판(50) 위에 패턴닝 되어 있는 비정질 실리콘 박막(51) 만이 결정화에 필요한 온도로 가열된다.In addition, the capping oxide film 53 has a thermal conductivity of about 1/100 of that of silicon, and transmits the light of the lamp to the amorphous silicon thin film 51 and prevents the locally heated silicon thin film from directly contacting the ambient air at room temperature. Therefore, the large-area transparent glass substrate 50 is heated to a temperature necessary for crystallization only of the amorphous silicon thin film 51 patterned on the substrate 50 without reaching the deformation temperature.
도 5a를 참고하면, 시편은 투명한 유리기판(50) 위에 불투명한 비정질 실리콘 박막(51)이 패턴 형성되어 아일랜드 형상으로 형성되고, 비정질 실리콘 박막(51)의 상부에는 부분적으로 5Å 이상 50Å 이내의 두께를 갖는 불투명한 금속막막(52)가 증착되며, 시편의 전면에 약 3000Å 정도의 두께로 투명한 캡핑 산화막(53)을 증착하여 이루어진 구조이다.Referring to FIG. 5A, an opaque amorphous silicon thin film 51 is patterned and formed into an island shape on a transparent glass substrate 50, and the upper portion of the amorphous silicon thin film 51 has a thickness of not less than 5 mm but not more than 50 mm. An opaque metal film 52 having a thickness is deposited and a structure is formed by depositing a transparent capping oxide film 53 having a thickness of about 3000 Å on the front surface of the specimen.
이 경우 비정질 실리콘 박막(51)의 상부에 증착되는 금속박막(52)은 비정질 실리콘 박막(51)의 결정화 온도를 낮추는 촉매로 작용하는데, 예를 들어 Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag 등의 금속물질또는 이들의 합금으로 이루어진 금속물질을 증착하여 사용할 수 있다.In this case, the metal thin film 52 deposited on the amorphous silicon thin film 51 serves as a catalyst for lowering the crystallization temperature of the amorphous silicon thin film 51. For example, Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Metal materials made of metals such as Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag or alloys thereof may be deposited.
도 5b는 시편에 대한 열처리가 시작될 때의 온도구배를 나타낸 것으로 불투명한 비정질 실리콘 박막(51)과 금속박막(52)이 증착된 실리콘 영역(A)은 투명한 기판 영역(C) 및 금속박막(52)이 도포되지 않은 비정질 실리콘 영역(B) 보다 상대적으로 빛을 더 많이 흡수하여 높은 온도로 가열되는 것을 보여준다. 여기서 캡핑 산화막(53)이 형성된 경우의 온도(점선)는 캡핑 산화막이 없을 때의 온도(실선) 보다 상대적으로 더 높게 나타난다.5B shows the temperature gradient when the heat treatment is started on the specimen. The silicon region A on which the opaque amorphous silicon thin film 51 and the metal thin film 52 are deposited is a transparent substrate region C and the metal thin film 52. ) Absorbs more light relative to the non-coated amorphous silicon region (B) and shows that it is heated to a high temperature. Here, the temperature (dotted line) when the capping oxide film 53 is formed is relatively higher than the temperature (solid line) when the capping oxide film is not present.
도 5c는 시편에 대한 열처리 중간단계에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸 그래프로서 금속박막(52)의 측면으로 금속유도 측면 결정화가 진행되면서 금속박막의 하부에 위치한 비정질 실리콘 영역(A)이 금속유도 결정화(Metal Induced Crystalization; MIC)에 의해 빠르게 투명한 결정질 실리콘으로 변하여, 빛 흡수율이 감소하면서 온도의 하강이 일어난다. 따라서, 기판으로의 열전달이 감소하여 기판 변형의 소지가 감소한다.FIG. 5C is a graph illustrating a temperature gradient of a silicon thin film in an intermediate step of heat treatment of a specimen. As the metal-induced side crystallization proceeds toward the side of the metal thin film 52, the amorphous silicon region A located at the bottom of the metal thin film is metal induced crystallization. (Metal Induced Crystalization; MIC) is rapidly converted into transparent crystalline silicon, the temperature decreases while the light absorption is reduced. Thus, heat transfer to the substrate is reduced, thereby reducing the need for substrate deformation.
도 5d는 계속된 열처리에 따라 결정화가 이루어진 금속박막(52) 하부의 비정질 실리콘 영역(A)으로부터 그의 측면에 위치한 비정질 실리콘 영역(B)으로 금속유도 측면 결정화가 진행되는 과정에서 실리콘 박막의 온도구배를 나타낸다. 결정화가 진행된 부분은 투명한 결정질 실리콘으로 변하며, 이에 따라 빛 흡수율이 감소하여 온도의 하강이 일어나므로 유리기판(50)의 온도는 비정질 실리콘의 결정화가 진행될수록 감소하는 것을 알 수 있다. 도 5d에서 화살표(Z1)는 금속유도 측면 결정화(MILC)가 진행되는 방향을 나타낸다.FIG. 5D illustrates a temperature gradient of a silicon thin film in a process in which metal-induced side crystallization proceeds from an amorphous silicon region A under the metal thin film 52 where crystallization is performed according to the subsequent heat treatment. Indicates. The crystallized portion is changed to transparent crystalline silicon, and thus the light absorption rate decreases, so that the temperature decreases, so that the temperature of the glass substrate 50 decreases as the crystallization of the amorphous silicon proceeds. Arrow Z1 in FIG. 5D indicates the direction in which metal induced side crystallization (MILC) proceeds.
도 8은 캡핑 산화막을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우의 최고 열처리 온도에 따른 금속유도 측면결정화 거리를 함께 나타낸 그래프로서 1mm/sec 정도의 속도로 스캐닝한 것이다. 도 8에 나타난 바와 같이, 캡핑 산화막이 형성된 시편은 캡핑 산화막이 없는 시편에 비하여 약 5배 정도의 빠른 결정화 속도를 나타내었으며, 캡핑 산화막에 의한 온도 상승효과가 있었음을 나타낸다.8 is a graph showing the metal-induced side crystallization distance according to the maximum heat treatment temperature when the capping oxide film is formed and when it is not formed, and is scanned at a speed of about 1 mm / sec. As shown in FIG. 8, the specimen in which the capping oxide layer was formed showed a crystallization rate about 5 times faster than the specimen without the capping oxide layer, indicating that there was a temperature increase effect by the capping oxide layer.
도 6은 본 발명에 따라 TFT의 비정질 실리콘 박막을 결정화할 때 기판의 단면도 및 이에 대응하는 온도구배를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a cross-sectional view of a substrate and a corresponding temperature gradient when crystallizing an amorphous silicon thin film of a TFT according to the present invention.
상기 TFT는 먼저 유리기판(700) 상에 비정질 실리콘 박막(72)을 형성하고, 패턴닝한 후 게이트 절연막(73)과 게이트 전극(74)을 형성한다. 그후 금속 박막(75)으로서 예를 들어, Ni 박막을 유리기판(700)의 전면에 5Å 이상의 두께로 증착한다. 상기 금속 박막(75)은 채널영역(A1)은 제외하고 소오스 및 드레인 영역(B1)에만 자동적으로 정렬하여 구분 형성된다.The TFT first forms an amorphous silicon thin film 72 on the glass substrate 700, and then patterns the gate insulating film 73 and the gate electrode 74. Thereafter, as the metal thin film 75, for example, a Ni thin film is deposited on the entire surface of the glass substrate 700 to a thickness of 5 GPa or more. The metal thin film 75 is formed to be automatically aligned with only the source and drain regions B1 except for the channel region A1.
이 경우 금속박막으로 사용 가능한 금속은 Ni 이외에 Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag 등의 금속물질 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속물질을 증착하여 사용할 수 있다.In this case, the metal that can be used as the metal thin film is a metal material such as Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag, or these, in addition to Ni. It can be used to deposit a metal material consisting of an alloy of.
이어서, 상기한 본 발명의 열처리장치를 사용하여 열처리를 실시함에 의해 비정질 실리콘 박막(72)을 MIC와 MILC에 의해 결정화시킨다. 이와 같이 게이트(74)가 형성된 상태의 기판(700)을 열처리하는 경우 게이트(74)가 불투명하기 때문에 램프에 의한 가열을 더욱 용이하게 할 수 있어 MILC를 촉진시킬 수 있다.Subsequently, the amorphous silicon thin film 72 is crystallized by MIC and MILC by performing heat treatment using the heat treatment apparatus of the present invention described above. As described above, when the substrate 700 in which the gate 74 is formed is heat-treated, the gate 74 is opaque, thereby facilitating heating by a lamp, thereby facilitating MILC.
즉, 열처리 초기에는 금속 박막(75)이 덮혀진 비정질 실리콘 영역(B1)(즉,소오스와 드레인 영역)과 투명하지 않은 게이트 전극(74)이 덮혀진 비정질 실리콘 영역(A1)(즉, 채널영역)은 실선으로 표시된 바와 같이 투명한 기판 영역(C1) 보다 빛을 더 많이 흡수하여 높은 온도로 가열된다.That is, at the initial stage of the heat treatment, the amorphous silicon region B1 (that is, the source and drain regions) covered with the metal thin film 75 and the amorphous silicon region A1 (ie, the channel region) covered with the non-transparent gate electrode 74 are covered. ) Absorbs more light than the transparent substrate region C1 and is heated to a high temperature as indicated by the solid line.
그후 금속유도에 의한 결정화(MIC)가 진행되면서 금속 박막(75) 하부의 비정질 실리콘 영역(B1)은 투명한 결정질 실리콘으로 변하며, 빛 흡수율이 감소하면서 온도의 하강이 일어난다. 또한 결정화가 이루어진 금속 하부의 비정질 실리콘 영역(B1)으로부터 그 측면에 위치한 비정질 실리콘 영역(A1)으로 금속유도 측면결정화(MILC)가 진행된다. 결정화가 진행된 부분은 투명한 결정질 실리콘으로 변하며, 이에 따라 빛 흡수율이 감소하여 온도의 하강이 일어난다. 도면에서 화살표(Z2)는 측면 결정화가 일어나는 방향을 나타낸다.Then, as the crystallization (MIC) due to the metal induction proceeds, the amorphous silicon region B1 below the metal thin film 75 turns into transparent crystalline silicon, and the temperature decreases while the light absorption rate decreases. In addition, the metal-induced lateral crystallization (MILC) proceeds from the amorphous silicon region B1 under the metal where the crystallization has been performed to the amorphous silicon region A1 located at the side thereof. The part where the crystallization has progressed turns into transparent crystalline silicon, which results in a decrease in light absorption and a drop in temperature. Arrow Z2 in the figure indicates the direction in which lateral crystallization occurs.
도 7은 본 발명의 스캐닝방법에 따라 열처리(annealing)가 실행되는 경우 시간에 따른 기판의 온도변화를 나타낸 그래프로서 도시된 바와 같이 예열램프에 의하여 400℃ 정도로 예열된 기판은 램프가 지나갈 때의 수초간, 예를 들어 10∼15초 동안 급격한 온도 상승이 이루어지면서 결정화가 이루어지고 그후 냉각이 이루어지는 것을 알 수 있다.Figure 7 is a graph showing the temperature change of the substrate with time when the heat treatment (annealing) is performed in accordance with the scanning method of the present invention as shown in the substrate preheated at about 400 ℃ by the preheat lamp as the number of times when the lamp passes It can be seen that crystallization occurs after a rapid temperature rise for 10 seconds, for example, 10 seconds, and then cooling takes place.
따라서, 스캐닝 속도와 램프 전력을 적절히 조절함에 의해 유리기판의 변형을 최소화하며 대면적 연속공정에 적합한 공정조건을 얻을 수 있게 된다.Therefore, by appropriately adjusting the scanning speed and the lamp power, it is possible to minimize the deformation of the glass substrate and obtain the processing conditions suitable for the large area continuous process.
도 9는 종래기술과 본 발명에 따라 제작된 다결정 실리콘 TFT의 트랜스퍼 특성을 나타낸 그래프이다. 특성 측정은 도 1에 도시된 구조를 갖는 트랜지스터를 사용하여 선형 RTA-MILC 방법에 따라 비정질 실리콘 박막에 대한 결정화를 진행하였고, 이와 비교되는 종래기술은 로 열처리장치를 사용한 로(Furnace)-MILC 방법으로 결정화를 진행하였다. 이 경우 본 발명에 따른 트랜지스터의 열처리시에 스캐닝 속도는 1mm/sec이고 기판의 예열온도는 400℃이며 열처리 라인(heating line)의 온도는 700℃이었다.9 is a graph showing the transfer characteristics of the polycrystalline silicon TFT fabricated according to the prior art and the present invention. The characteristic measurement was performed to crystallize the amorphous silicon thin film according to the linear RTA-MILC method using a transistor having the structure shown in Figure 1, compared with the prior art Furnace-MILC method using a furnace heat treatment apparatus Crystallization proceeded. In this case, the scanning speed during the heat treatment of the transistor according to the present invention was 1 mm / sec, the preheating temperature of the substrate was 400 ° C., and the temperature of the heating line was 700 ° C.
상기한 본 발명과 종래기술에 따른 방법으로 결정화를 진행시킨후 일반적인 후속공정을 거쳐 얻어진 TFT에 대하여 특성을 조사하였다. 먼저, 드레인 전압(VD)이 5V, W/L=10/8인 TFT에 대하여 게이트 전압의 변화에 따른 드레인 전류(A)를 측정하여 얻어진 트랜스퍼 특성은 도 9에 그래프로 나타내었다.After the crystallization was advanced by the method according to the present invention and the prior art described above, the characteristics of the TFTs obtained through the general subsequent steps were investigated. First, the transfer characteristics obtained by measuring the drain current A according to the change of the gate voltage with respect to a TFT having a drain voltage VD of 5V and W / L = 10/8 are shown in a graph in FIG. 9.
한편, 스레시홀드 전압(V), 서브스레시홀드 슬로프(mV/dec), 전계효과 이동도(field-effect mobility)(cm2/V·s), 및 최대 온/오프 전류비(maximum on/off current ratio) 값은 하기 표 1에 나타내었다.On the other hand, threshold voltage (V), subthreshold slope (mV / dec), field-effect mobility (cm 2 / V · s), and maximum on / off current ratio (maximum on) / off current ratio) values are shown in Table 1 below.
도 9 및 표 1로부터 알 수 있는 바와같이 본 발명에 따라 비정질 실리콘을 결정화하여 제작된 트랜지스터의 물리적 특성은 통상적인 다결정 실리콘 트랜지스터와 비교할 때 거의 동일한 특성을 나타낸다. 단, 온/오프 전류비와 전계효과 이동도에서는 본 발명에 따른 트랜지스터의 값이 크게 향상되었음을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 9 and Table 1, the physical properties of transistors fabricated by crystallizing amorphous silicon according to the present invention exhibit almost the same characteristics as compared with conventional polycrystalline silicon transistors. However, in the on / off current ratio and the field effect mobility, the value of the transistor according to the present invention is greatly improved.
상기한 바와같이 본 발명에 따른 열처리장치는 선형으로 집속된 램프광을 유리기판에 스캐닝 방식으로 조사하는 상태에서 기판이 이송되므로 결정화될 비정질 실리콘에 대한 국부적인 가열이 이루어져 열처리장치의 크기를 3차원적으로 확장하지 않고도 기판 크기의 제한 없이 TV용 LCD와 같은 대면적 투명 유리기판을 변형 없이 균일한 정도로 비정질 실리콘을 결정화시킬 수 있다.As described above, in the heat treatment apparatus according to the present invention, since the substrate is transported while scanning linearly focused lamp light onto the glass substrate in a scanning manner, local heating is performed on the amorphous silicon to be crystallized, thereby making the size of the heat treatment apparatus three-dimensional. It is possible to crystallize amorphous silicon to a uniform degree without deformation of a large-area transparent glass substrate, such as a TV for LCD, without limiting the substrate size without an expansion.
더욱이 램프를 다수개로 설치하는 경우 다수의 위치에서 동시에 비정질 실리콘 박막을 결정화시킬 수 있어 결정화 속도가 향상될 수 있고, 투과도 감지센서를 구비한 자동조절장치에 의해 비정질 실리콘에 대한 결정화를 실시간적으로 개별적으로 제어하므로 열처리된 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있어 대면적 LCD 제품의 수율을 크게 향상시키게 된다.Furthermore, in the case of installing a plurality of lamps, it is possible to crystallize the amorphous silicon thin film at multiple locations at the same time, so that the crystallization speed can be improved. Since the quality of the heat-treated product can be maintained uniformly, the yield of large-area LCD products is greatly improved.
또한 본 발명에 따른 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 방법은 상기 열처리장치를 사용하여 집속된 선형의 빛을 스캐닝 방식으로 박막에 국부적으로 조사하므로 비정질 실리콘 박막을 균일한 정도로 결정화할 수 있고 기판의 변형을 방지할 수 있다. 또한 캡핑 산화막을 이용하는 경우 결정화 속도의 향상을 기할 수 있다.In addition, the method of crystallizing the amorphous silicon thin film according to the present invention can irradiate the thin film locally by concentrating the linear light focused using the heat treatment device to the amorphous silicon thin film uniformly crystallized to prevent deformation of the substrate can do. In addition, when the capping oxide film is used, it is possible to improve the crystallization rate.
더욱이 본 발명을 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조에 적용하는 경우 기판에 변형을 일으키지 않으면서 물리적 특성이 우수한 소자를 제작할 수 있다.Furthermore, when the present invention is applied to the production of polycrystalline silicon thin film transistors, devices having excellent physical properties can be manufactured without causing deformation to the substrate.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to certain preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the general knowledge in the art to which the present invention belongs without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications can be made by those who have
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