KR100348342B1 - 레이저 어닐링 방법 및 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

조사 표면(illumination surface)에 적용되는 선형 펄스 레이저빔은 초점에서 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 < L3 ≤ L1 을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖도록 형성되는데, 여기서, 최대 에너지는 1 이고, L1 은 0.95의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 은 0.70의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 주변부들을 점유하는 것으로 가정한다. 본 발명의 다른 양상에 따라, 섹션 방식으로 펄스 레이저빔을 확장하기 위한 겹눈형 플라이-아이 렌즈가 레이저빔을 선형 빔으로 수렴하기 위한 원통형 렌즈의 상부에 제공된다.

Description

레이저 어닐링 방법 및 장치{Laser annealing method and apparatus}
본 발명은 예를 들면 반도체 재료를 레이저 광선을 사용하여 조사시키는 반도체 재료의 어닐링 기술에 관한 것이다. 본 발명은 일반적으로, 대상물을 레이저 광선으로 조사하여 여러 가지 방식으로 처리 또는 변형하는 기술에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 선형 레이저빔을 사용하여, 반도체 재료를 어닐링하는 레이저 어닐링 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들면, 비정질 실리콘 막을 결정질 실리콘 막으로 변환하는 공정, 결정질 실리콘 막의 결정성을 개선시키는 공정, 및 불순물을 결정질 실리콘 막에 이식함으로써 생성된 격자 결함을 복구하는 공정에 사용될 때 특히 효과적이며, 예를 들면 이들 모든 공정들은 레이저 어닐링에 의해 실행된다.
최근에, 반도체 장치 제조 공정의 온도를 감소시키기 위한 각종의 연구가 광범위하게 진행되어 오고 있다. 이러한 동향의 주요 이유는 단가가 낮고 가공성이 매우 큰 유리 기판 등의 절연 기판 상에 반도체 장치를 형성해야할 필요성에 있다. 특히, 활성 매트릭스 액정 표시 장치를 생산하는데 있어서 유리 기판 상에 수백개 x 수백개의 박막 트랜지스터를 형성해야하기 때문이다. 미세 장치 및 다층 장치를 형성해야 하는 등의 다른 필요성 또한, 이러한 연구를 촉진시켜 왔다.
반도체 제조 공정에서, 때때로 반도체 재료에 함유된 비정질 반도체 재료 또는 비정질 성분을 결정화하고, 본질적으로는 결정성이지만 불순물 이식에 대한 이온 조사에 기인한 결정도가 저하되는 반도체 재료의 결정성을 회복시키고 또는, 이미 결정화된 결정질 반도체 재료의 결정도를 향상시킬 필요가 있다. 통상적으로, 열적 어닐링이 이러한 목적을 위해 사용된다. 상기 반도체 재료가 실리콘인 경우, 비정질 실리콘의 결정화, 결정성의 회복 또는 향상 등은 600 내지 1,100 ℃ 에서 0.1 내지 48 시간 이상 동안 어닐링함으로써 얻어진다.
일반적으로, 상기 열적 어닐링은 온도가 상승할 때 보다 짧은 처리시간으로실행된다. 그러나, 온도가 500℃ 이하일 때는 거의 효과가 없다. 따라서, 처리 온도를 감소시키는 관점에서, 통상적으로 열적 어닐링을 사용하는 단계를 일부 다른 수단으로 대체할 필요가 있었다.
특히, 유리 기판을 사용하는 경우, 열적 어닐링 온도는 700 ℃ 이하이어야 하고, 가열 시간은 가능한 한 짧아야 한다. 가열시간이 짧아야 하는 이유는 장시간의 가열 처리가 유리 기판을 변형시킬 수 있기 때문이다. 액정 표시 장치에서, 액정은 수 μm 의 갭을 갖는 한쌍의 유리 기판 사이에 유지된다. 따라서, 유리 기판의 변형은 액정 표시 장치의 표시 성능에 큰 영향을 미친다.
레이저 광선 조사를 사용하는 다양한 유형의 어닐링 기술이 열적 어닐링을 대체하기 위한 처리 공정으로서 공지되어 있다. 레이저 광선은 원하는 부분만을 열적 어닐링시킴으로써 얻어지는 에너지와 동등한 높은 에너지를 부여할 수 있으며, 그래서, 기판 전체를 고온 분위기에 노출시킬 필요가 없게 된다.
일반적으로, 다음과 같은 2 가지 레이저 광선 조사 방법이 제안되어 있다.
제 1 방법에서, 아르곤 이온 레이저 같은 CW 레이저가 사용되고, 스폿형 빔이 반도체 재료에 적용된다. 상기 반도체 재료는 용융된 다음, 빔의 경사 에너지 프로파일 및 그 이동으로 인해 점진적으로 고화되도록, 결정화된다.
제 2 방법에서, 엑시머 레이저 같은 펄스된 진동 레이저가 사용된다. 반도체 재료는 높은 에너지의 레이저 펄스가 인가된 후 고체화됨으로써 이 재료가 즉시 용융되도록 결정화된다.
제 1 방법은 CW 레이저의 에너지가 불충분하고, 그에 따라 빔의 스폿 크기가기껏해야 수 제곱 밀리미터이기 때문에 장기간의 가공을 요하는 문제가 있다. 이와는 대조적으로, 제 2 방법은 레이저의 최대 에너지가 매우 크고, 그에 따라 빔의 스폿 크기가 수 제곱 센티미터 이상으로 될 수 있기 때문에 큰 대량 생산성을 제공할 수 있다.
그러나, 제 2 방법에서, 통상의 사각 또는 직사각 빔을 갖는 단일의 큰 면적의 기판을 처리하기 위해서는, 빔이 수직 및 수평으로 이동될 필요가 있어서, 대량 생산의 관점에서 해결해야 할 불편 사항이 여전히 남아 있게 된다.
이러한 문제는 레이저빔을 선형 형태로 변형시키고, 효율적인 스캐닝을 위해, 상기 선형 빔을 그 종방향에 대해 수직으로 이동시킴으로써 개선될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "스캐닝" 이라는 용어는 선형 레이저빔을 점차로 빔의 폭 방향으로 즉, 빔의 종방향에 대해 거의 수직으로 중첩, 이동시키면서 대상물을 조사시키는 것을 의미한다.
해결하지 못한 문제점은 레이저 광선의 조사 효과의 불충분한 균일성이다. 균일성을 개선하기 위해 후술하는 측정을 행하였다. 제 1 측정은 레이저빔을 슬릿을 통해 통과시킴으로써 빔의 프로파일을 가능한 한 직사각형에 근접하게 만들고, 그로 인해 선형 빔의 에너지 편차를 감소시키는 것이다.
도 4A 및 4B 는 레이저빔의 에너지 프로파일을 나타낸다. 도4A 는 직사각 에너지 프로파일의 예를 나타낸다. 본 명세서에 사용된 "직사각"이라는 용어는 L2, L3 ≤ 0.2 L1의 관계를 의미하며, 여기서 L1 내지 L3 은 도 4B 에 정의되어 있다.
상술한 기술을 이용하는 데 있어서, 보다 강한 펄스 레이저 광선에 의한 조사(이하, "주요 조사"라 칭함) 전에 보다 약한 펄스 레이저 광선에 의한 예비 조사를 수행하는 것이 균일성을 더 개선될 수 있는 것으로 보고되어 있다.
이러한 측정은 반도체 장치의 특성을 크게 개선시킬 수 있는 효과를 제공한다. 이는 상이한 조사 에너지 레벨을 갖는 2 단계 레이저 광선 조사가 반도체막을 점차로 결정화함으로써, 갑작스런 상 변화에 따른 결정성의 불균일 분포, 결정 입자의 형성 및 스트레스의 농도 등과 같은 문제를 저감시키기 때문이다.
단계식의 조사는 조사 단계수를 증가시키는 것이 보다 효과적이다.
따라서, 상기 2 종류의 측정은 레이저 광선 조사 효과의 균일성을 크게 개선시킬 수 있다.
그러나, 상기 2 단계 조사 방법에 따라, 레이저 처리 시간이 2 배로 되며, 즉 처리 능력이 감소된다.
또한, 2 단계 조사 방법에 이용되는 설비가 단일 단계 조사 방법의 설비보다 더 복잡하므로, 단가의 증가를 초래한다.
또한, 상기 측정은 레이저 광선 조사 효과의 균일성을 보다 크게 개선시키지만, 개선 정도는 여전히 불충분하다.
사각 또는 직사각 광 빔을 선형 빔으로 변형하기 위해서는 특별한 광학 시스템이 필요하다.
도 14 는 종래의 레이저 어닐링 장치의 광학 시스템의 예를 나타낸다.
도 14 의 광학 시스템은 후술하는 부품으로 구성된다. 엑시머 레이저빔 생성 수단(A')은 엑시머 레이저빔을 발생시킨다. 빔 확장기(B',C')는 엑시머 레이저 빔을 확장시킨다. 수직 확장 플라이-아이 렌즈(D') 및 수평 확장 플라이-아이 렌즈(D2')는 레이저빔을 단면 방식으로 확장시킨다. 제 1 원통형 렌즈(E')는 레이저빔을 선형으로 수렴한다. 제 2 원통형 렌즈(F')는 선형 레이저빔의 균일성을 그 수직 방향으로 개선시킨다. 스테이지(I')는 조사 대상물, 조사 대상물을 갖는 기판 등이 그 위에 놓인 상태로 도 14 에서 화살표로 나타낸 J' 방향으로 이동된다.
도 14 에서, 경로 절첩 거울(G') 및 원통형 렌즈(H')는 스테이지(I') 상의 대상물에 레이저빔을 인가하는 작용을 한다. 특정 유형의 배치에서, 빔 확장기(B', C')는 생략된다.
균일한 선형 레이저빔은 상기 광학 시스템에 의해 얻어질 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 광학 시스템에서, 레이저빔을 단면적으로 확장시키기 위한 2 개의 플라이-아이 렌즈 즉, 수직 확장을 위한 플라이-아이 렌즈(D') 및 수정 확장을 위한 플라이-아이 렌즈(D2')를 사용함으로써 전체 플라이-아이 렌즈 시스템의 투과율을 저하시킴으로써 낮은 레이저빔 에너지 효율을 초래한다. 결과적으로, 레이저 어닐링에서, 조사 대상물에 인가된 에너지의 양은 감소될 수 있고, 어닐링을 불충분하게 할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 레이저 광원의 출력을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 레이저 광원에 대한 부하를 증가시킴으로써 전체 장치의 수명이 짧아질 수 있다.
상술의 관점에서, 본 발명의 제 1 목적은 펄스 레이저로부터 방사된 선형 레이저빔을 사용하여 반도체 코팅을 결정화하는데 있어서 균일성이 우수한 레이저 광선 조사 효과를 얻고자 하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 단일 단계 조사에 의해 즉, 예비 조사 및 주요 조사로 이루어진 2 단계 방식을 사용하지 않고서, 균일성이 우수한 레이저 광선 조사 효과를 얻고자 하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 유리 기판 등의 절연 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 막을 결정화하도록 레이저 어닐링에 사용하기 위한 균일한 선형 레이저빔을 생성하거나, 또는 유리 기판 등의 절연 기판 상에 형성된 열적으로 결정화된 실리콘 막의 결정성을 개선시키는 어닐링 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 이러한 어닐링 장치 및 방법을 제공함으로써, 사용된 광학 시스템이 에너지 손실이 적고, 조사 대상물에 충분한 에너지를 적용할 수 있고, 레이저 광원이 긴 수명을 갖는다.
본 발명은 선형 레이저빔의 에너지 프로파일을 적절히 조절함으로써 상기 제 1 목적을 달성한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 선형 레이저빔이 그 초점에서 그 폭 방향 (즉, 레이저빔 스캐닝 방향)으로 유사 사다리꼴 에너지 (밀도) 프로파일을 갖게 한다.
결정화 등의 처리는 반도체 재료 코팅을 레이저빔으로 스캐닝하면서 상기 코팅에 에너지 프로파일을 갖는 레이저빔을 적용하는 것에 의해 실행된다.
본 발명의 주요 양태에 대해 후술한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 펄스된 레이저 광원으로부터 방사된 선형 레이저빔이 반도체 코팅인 조사 표면에 적용되는 레이저 어닐링 방법에 있어서, 최대에너지가 1 이고, L1 이 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 가 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 가 빔 폭의 2 주변부들을 차지하는 것으로 가정할 때, 선형 레이저빔은 초점에서, 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖는 레이저 어닐링 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따라,
레이저빔 및 조사 표면이 선형 레이저빔의 폭 방향으로 서로 상대적으로 이동하는 동안, 펄스된 레이저 광원으로부혀 방사된 선형 레이저빔이 반도체 코팅인 조사 표면에 여러 차례 조사되는 레이저 어닐링 방법에 있어서, 최대 에너지를 1, L1 을 0.95의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭, L1 + L2 + L3 를 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점의 빔 폭, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 주변부들을 차지하는 것으로 가정할 때, 상기 선형 레이저빔은 초점에서, 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖는 레이저 어닐링 방법이 제공된다.
도 5 는 유사 사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 선형 레이저빔이 어떻게 적용되는가를 도시한다.
도 5 를 참조하면, 도 4B 에 도시된 바와 같이, 에너지 밀도 프로파일을 갖는 펄스 레이저빔(빔의 폭은 레이저빔의 최대 에너지값의 1/2 폭으로 정의.)은 중첩되어 점진적으로 이동되면서 적용된다. 이 경우, 특정 위치에서의 선형 영역은 복수 개의 펄스로 조사된다. 복수 개의 펄스로 조사되는 동안, 펄스의 조사 에너지밀도는 제 1 스테이지에서 계단 형식으로 증가 및 감소한다.
즉, 본 발명은, 선형 펄스 레이저빔들을 한 방향으로 이동시키면서 적용할 때, 상기 선형 펄스 레이저빔들이, 조사 대상물 상의 임의의 지점이 펄스 레이저빔에 의해 여러 차례, 즉 3 내지 100 회, 바람직하게는 10 내지 40 회 조사되도록, 중첩 방식으로 적용되는 것을 특징으로 한다.
제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상기 양태들에 있어서, 선형 펄스 레이저빔을 이들의 폭 방향으로 이동시키면서 적용하면, 상기 선형 펄스 레이저빔들은 즉 방향으로 유사 사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게된다.
상기 유사 사다리꼴 에너지 프로파일은 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1을 만족시키는 프로파일을 의미하며, 여기서, 최대 에너지는 1 이고, L1 은 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3은 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 주변부들을 차지하는 것으로 가정한다.
상기 에너지 프로파일을 갖는 선형 레이저빔을 이동시키면서 이들을 적용할 때, 조사 영역의 임의 지점은 사다리꼴 에너지 프로파일의 기저부에 대응하는 낮은 에너지 밀도 레이저빔으로 먼저 조사된다. 레이저빔이 실질적으로 이동될 때, 에너지 밀도는 점진적으로 증가하고, 사다리꼴 에너지 프로파일의 상부 베이스(최대 수치를 가짐)에 대응하는 에너지 밀도를 갖는 레이저빔이 적용된다. 마지막으로, 에너지 밀도는 점진적으로 감소한다.
이러한 방식으로, 조사 영역의 임의 지점은 사다리꼴 에너지 프로파일에 대응하도록 그 에너지 밀도가 연속적으로 변화하는 레이저빔에 의해 조사된다.
따라서, 상기 사다리꼴 에너지 프로파일의 에너지 구배를 갖는 기저부는 예비 조사 및 주요 조사로 이루어진 상기 2 단계 레이저 광선 조사 중 약한 레이저 광선 에너지의 예비 조사의 역할을 실질적으로 하게 된다. 따라서, 본 발명은 조사 에너지를 계단모양의 방식으로 변화시키는 경우와 동일한 효과를 제공할 수 있다.
즉, 조사 영역의 임의 지점이 약한 레이저빔에 의해 먼저 조사된 후, 레이저빔의 세기가 점진적으로 증가되고, 이어서 레이저빔의 세기가 점진적으로 감소되고, 조사가 종료되는 상황과 동일한 상황은 2 단계 조사를 사용하는 것보다는 오히려 상술한 방식으로 레이저빔을 적용함으로써 실현될 수 있다.
상기 레이저 광선 조사에 따라, 조사 영역에 공급되는 에너지는 갑작스럽게 변화하지 않기 때문에, 갑작스런 상 변화 등이 조사 대상물에서 발생하는 것이 방지될 수 있다.
그러므로, 예를들면, 갑작스런 상 변화의 부재에 의해, 레이저 광선을 사용하여 비정질 반도체를 조사하여 결정화하는데 있어서, 내부 스트레스의 축적이나 표면의 거칠어짐이 발생되지 않아, 결정의 균일한 분포 즉, 균일한 어닐링 효과가 얻어지게 된다.
또한, 사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 레이저빔의 조사가 레이저빔의 초점 심도를 종래의 레이저빔의 초점 심도 보다 더 넓게 함으로써, 레이저 처리를 촉진시킨다.
직사각형의 에너지 프로파일을 갖는 종래의 레이저빔이 약 ±200 μm 의 초점 심도를 갖는다는 사실과는 대조적으로, 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 레이저빔은 약 ±400 μm의 초점 심도를 제공한다.
도 7 은 레이저빔 에너지 프로파일과 초점 심도(절대값)사이의 관계를 개략적으로 나타낸다. 해칭된 영역(b)은 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1을 만족시키는 본 발명의 레이저빔 에너지 프로파일에 대응한다. 수평축은 L2 / L1 (또는, L3 / L1)을 나타낸다. 상기 값이 0 에 근접하면, 레이저빔 에너지 프로파일은 직사각형에 근접하게 된다. 역으로, 상기 값이 보다 커지면, 에너지 프로파일은 사다리꼴 또는 삼각형으로 추정된다.
레이저빔의 넓은 초점 심도는 언듈레이션 또는 애스퍼리티 정도를 갖는 조사 표면상에서도 균일한 레이저 처리를 실행하게 한다.
예를 들면, 0.2 μm 두께의 산화 규소막 및 0.1 μm 두께의 비정질 실리콘막이 유리 기판 상에 실질적으로 침착되고, 열적 결정화가 600 ℃ 에서 수행될 때, 상기 유리 기판은 그 크기가 약 300 × 300 mm2인 경우에 ± 수십 μm 내지 수백 μm의 언듈레이션을 갖기 쉽다.
이 경우, 도 7 의 종래의 직사각 프로파일을 갖는 레이저빔 (0.5L1 > L2, L3)은 약 ±200 μm 의 초점 심도를 가지며, 불균일 결정화가 비정질 실리콘 막에서 발생된다. 결과적으로, 결정화된 실리콘 막은 기판 영역 내에 10% 이상 큰 이동성 편차를 갖기 쉽다.
대조적으로, 초점 심도가 너무 넓은 영역(c) (L2, L3 > L1)에서는, 초점 조정이 어려우며, 조사 대상물에 인가되는 에너지 밀도가 너무 낮아진다. 결과적으로, 비정질 실리콘 막의 결정화는 불충분해지며, 소망의 이동성은 얻어지지 않는다.
상기 방식으로 생성한 레이저빔은 약 ±400 μm의 초점 심도를 갖고, 따라서 악 2 내지 8 개의 인자에 의해, 종래의 레이저빔보다 기판 또는 코팅의 언듈레이션에 대한 저항이 크다. 따라서, 상기 유형의 애스퍼리티를 갖는 실리콘 막에 대한 레이저 처리는 충분히 큰 에너지 밀도로 매우 균일하게 수행될 수 있다.
따라서, 수백 마이크로미터의 언듈레이션을 갖는 기판 상에 형성된 실리콘 막조차 10% 미만의 편차 및 충분히 큰 이동 값을 갖는 균일한 이동성 분포를 갖도록 처리될 수 있다.
본 발명의 사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 이러한 레이저빔은 언듈레이션 또는 애스퍼리티를 갖는 반도체 코팅 등의 조사 표면에서조차 매우 균일한 레이저 광선 조사를 제공할 수 있다.
이러한 효과는 기판 크기가 보다 커질 때 보다 효과적이다.
본 발명의 상기 양태는 약 ±400 μm 의 초점 심도를 제공하기 때문에, 애스퍼리티가 약 ±400 μm 보다 적은 조사 대상물 상의 균일한 결정화가 가능하다.
상기 레벨의 초점 심도에 있어서, 레이저 광선 조사에 의한 실리콘 코팅의 결정화 시에, 결정화는 코팅의 이동성 편차가 ±10% 이내로 균일하게 이루어질 수 있다.
상기 값은 펄스 레이저빔의 방사별(shot-by-shot) 에너지 편차가 3σ에서 ±3% 이내로 떨어지는 경우에 얻어진 것이다. 상기 펄스 레이저빔이 3σ에서 ±3%와 같거나 그 이상의 에너지 편차를 갖는 경우, 초점 심도는 감소된다. 3σ에서 ±3% 와 같거나 그 이상의 에너지 편차를 갖는 펄스 레이저빔은 반도체의 결정화에 적절하지 못하다.
본 발명의 다른 양태에 따라서 제 2 목적을 달성하기 위해,
펄스 레이저빔을 생성하는 펄스 레이저빔 생성 수단(K);
생성된 레이저빔을 확장시키기 위한 빔 확장기(L,M);
상기 확장된 레이저빔을 단면적으로 확장시키는 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N) ;
상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 선형 레이저빔으로 수렴하기 위한 제 1 원통형 렌즈(O);
상기 선형 레이저빔의 종방향의 균일성을 향상시키는 제 2 원통형 렌즈(P); 및
상기 선형 레이저빔에 대한 조사 대상물을 그 종방향으로 이동시키기 위한 스테이지(S)를 포함하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다 (도 9 참조).
본 발명의 또 다른 양태에 따라,
레이저빔을 생성하는 펄스 레이저빔 생성 수단(k);
상기 레이저빔을 단면적으로 확장시키는 겹눈형 플라이-아이 렌즈(l);
단면적으로 확장된 레이저빔을 선형 레이저빔으로 수렴하기 위한 제 1 원통형 렌즈(m);
상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 개선시키는 제 2 원통형 렌즈(n); 및
상기 선형 레이저빔에 대한 조사 대상물을 그 종방향에 거의 수직으로 이동시키는 스테이지(q)를 포함하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(도 10 참조).
상기 구성들에 있어서, 펄스 레이저빔 생성 수란은 엑시머 레이저빔 생성수단인 것이 바람직하다.
상기 선형 레이저빔의 주변부를 제거하기 위한 슬랫이 상기 제 1 원통형 렌즈의 하부에 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 겹눈형 플라이-아이 렌즈가 각각 다각형의 단면형상을 갖는 복수개의 볼록 렌즈가 평면 형상으로 인접하여 규칙적으로 배열되도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 각각의 볼록 렌즈는 사각형, 직사각형, 육각형 등의 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라 제 2 목적을 달성하기 위해,
펄스 레이저빔을 겹눈형 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장시키는 단계;
단면적으로 확장된 레이저빔을 선형 레이저빔으로 수렴하는 단계; 및
조사 대상물을 선형 레이저빔을 사용하여 조사 및 스캐닝하는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다.
상기 방법에서, 펄스 레이저빔은 엑시머 레이저빔인 것이 바람직하다.
상기 어닐링 장치 및 방법에서, 엑시머 레이저빔 생성 수단에 의해 생성된 레이저빔 또는 이렇게 생성된 후 빔 확장기에 의해 확장되어 형태화된 레이저빔은단일의 겹눈형 플라이-아이 렌즈에 의해 단면적으로 부분 확장된다.
이러한 구성에 의해, 수직 확장 및 수평 확장을 위해 2 개의 플라이-아이렌즈를 사용하는 경우에 비해 광 손실량이 감소된다. 결과적으로, 레이저빔 에너지의 손실이 크게 감소되어, 에너지 효율이 개선된다. 그래서, 우수한 레이저 어닐링 및 실리콘 막의 결정화가 이루어지고, 레이저 광원의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 8 은 겹눈형 플라이-아이 렌즈의 예를 도시한다. 본 발명의 겹눈형 플라이-아이 렌즈는 각각 다각형 예를 들면, 사각, 단면 형상을 갖는 복수 개의 볼록 렌즈(801)를 평면 형상으로 인접하게 규칙적으로 배열시킴으로써 형성된다. 이러한 겹눈형 플라이-아이 렌즈는 비록 단일 렌즈이더라도 수직 및 수평 방향 모두로 일시적인 레이저 광선을 단면적으로 균일하게 확장시키는 작용을 한다.
상기 플라이-아이 렌즈를 구성하는 개개의 볼록 렌즈는 다각, 특히, 직사각, 사각, 육각형 등인 것이 바람직하다. 이는 상기의 경우 이들이 규칙적으로 용이하게 배열될 수 있기 때문에 플라이-아이 렌즈는 용이하게 형성 및 가공될 수 있다. 또한, 플라이-아이 렌즈는 보다 높은 정밀도를 갖게된다.
레이저 어닐링 장치의 부품으로서 상술한 렌즈는 레이저빔을 선형 빔으로 수렴하고 빔 에너지 프로파일을 폭 방향으로 균일하게 한다. 레이저빔이 빔 확장기 및/또는 플라이-아이 렌즈에 의해 확장된 후, 한 방향으로 원통형인 예를 들어 원통형 렌즈인 막대-형상의 수렴 렌즈에 의해 선형 빔으로 수렴된다.
방사 직후, 펄스 레이저빔으로서 엑시머 레이저빔은 직사각 단면을 갖고, 단면에서 일반적으로 균일한 세기 분포를 갖는다.
상기 빔 확장기는 레이저빔의 폭을 증가시키고, 빔의 단면을 사각(또는 직사각)형상으로 확장 및 형태화함으로써, 단면적을 증가시킨다.
그러나, 빔 확장기를 사용함으로써, 렌즈수의 증가만큼 에너지 효율을 감소시킨다. 따라서, 빔 확장기는 생략될 수 있다.
빔 영역을 확장시키는 것에 부가하여, 플라이-아이 렌즈는 빔 에너지 프로파일을 균일하게 만드는 기능을 갖는다. 원래 플라이-아이 렌즈는 균일한 빔을 제공하도록 개발된 것임에 주목해야 한다.
구형 수차로 인해, 선형으로 수렴되는 레이저빔은 가우스 분포에서와 같이 빔 주변부들에서 낮은 에너지 밀도 부분을 포함하는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖는다. 그러므로, 선형 레이저빔의 주변부는 일정한 방식으로 종결되지는 않는다.
상기 관점에서, 주변부가 원통형 렌즈를 통해 통과한 후 선형 레이저빔에서 발생하는 폭 방향으로, 가우스 분포형 에너지 프로파일의 주변부(기저부)를 절단하기 위해 적절한 슬릿을 사용할 수 있다.
레이저빔은 적절한 중첩에 의해 스테이지를 이동시키면서 대상물이 스테이지 상에 위치하는 유리 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 막 등의 조사 대상물에 적용된다.
본 발명의 레이저 어닐링 장치 및 방법은 예를 들어, 비정질 실리콘 막을 레이저 어닐링에 의해 결정질 실리콘 막으로 변환시키는 단계, 결정질 실리콘 막의 결정도를 개선시키는 단계 및 불순물 이온이 결정질 실직콘 막에 이식될 때 전도성이 발생하는 격자 결함을 복구하는 단계에 적용될 때 특히 효과적이다.
특히, 상기 장치 및 방법은 유리 기판 상에 형성된 다양한 종류의 막에 효율적으로 적용된다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 사용된 레이저 어닐링 장치의 개념을 나타낸 도면.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 사용된 레이저 어닐링 광학 시스템의 예를 나타낸 도면.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 사용된 레이저 어닐링 광학 시스템의 예를 나타낸 도면.
도 4A 및 4B 는 레이저빔의 에너지 프로파일을 나타낸 도면.
도 5 는 선형 레이저빔의 폭 방향(스캐닝 방향)의 에너지 밀도 프로파일을 나타낸 도면.
도 6A 내지 6F 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조공정을 나타낸 도면.
도 7 은 레이저빔 에너지 프로파일과 초점 심도 사이의 관계를 개략적으로 나타낸 도면.
도 8 은 겹눈형 플라이-아이 렌즈의 예를 나타낸 도면.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시예에 사용된 레이저 어닐링 광학 시스템의 예를 나타낸 도면.
도 10 은 본 발명의 제 4 실시예에 사용된 레이저 어닐링 광학 시스템의 예를 나타낸 도면.
도 11 은 원통형 렌즈의 동작을 나타낸 도면.
도 12 는 레이저 광선 조사가 선형 레이저빔을 사용하여 어떻게 실행되는지를 나타낸 도면.
도 13A 내지 13F 는 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 공정을 나타낸 도면.
도 14 는 종래의 레이저 어닐링 장치의 레이저 어닐링 광학 시스템의 예를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 로더/언로더 챔버 12 : 얼라인먼트 챔버
13 : 전송 챔버 14 : 기판 전송 로봇
15 : 열처리 챔버 16 : 어닐링 챔버
17 : 서냉 챔버
실시예 1
본 실시예에서, 반도체 재료로서 실리콘 막을 사용하였다. 레이저 광선에 의해 실리콘 막을 조사시켜서 그 결정성을 개선시키는 기술에 대해 설명한다.
먼저, 장치에 대해서 설명한다.
도 1 은 본 실시예에서 사용된 다중 챔버 형태의 레이저 어닐링 장치의 개념을 나타낸다. 각각의 기판은 로더/언로더 챔버(11)을 통해 입력되어, 이어서 얼라인먼트 챔버(12)내에 적절히 위치된다. 다음에, 기판은 전송 챔버(13)에 제공되는 기판 전송 로봇(14)에 의해 전송 챔버(13)을 통해 각각의 챔버에 순차로 전송되어, 각 챔버에서 처리된다.
즉, 기판은 먼저, 열 처리 챔버(15)에 입력된다. 열 처리된 후, 기판은 레이저 어닐링 챔버(16)에서 레이저 어닐링되고, 서냉 챔버(17)내에서 냉각된 후 로더/언로더 챔버(11)로 이동한다.
기밀 상태에서, 상기 레이저 어닐링 장치는 불순물에 의한 오염이 없다. 이러한 장치는 레이저 광선 조사 동안 분위기를 조절하는 기능을 갖는다. 또한, 상기 장치는 기판을 가열하는 기능을 가짐으로써 대상물이 레이저 광 조사 동안 목적하는 온도에서 유지될 수 있다.
이러한 레이저 어닐링 장치에서, 하나의 펄스로부터 다른 펄스까지의 에너지편차는 3σ에서 ±3% 내에 속한다. 상기 범위보다 더 큰 에너지 편차를 갖는 펄스 레이저가 사용될 수 있지만, 초점 심도는 이러한 경우에 보다 짧아진다. 3σ에서 ±10% 이상의 에너지 편차를 갖는 레이저 어닐링 장치는 본 실시예에서 사용하기는 적절치 못하다.
본 실시예의 레이저 어닐링 장치에는 레이저빔 방사 수단(도시하지 않음)이 제공된다. 레이저빔 방사 수단으로부터 방사되는 선형 빔은 레이저 어닐링 챔버(16)에 입력되고, 레이저 어닐링 챔버(16)의 스테이지 상에 위치하는 시료에 적용된다.
레이저빔 방사 수단의 오실레이터(oscillator)는 Lumnics Corp.의 EX 748 타입이며, KrF 엑시머 레이저 광선(파장: 248 nm; 펄스폭: 25 ns)을 생성한다.
물론, 다른 엑시머 레이저 및 다른 유형의 레이저가 펄스 오실레이션 유형인 경우에는 사용될 수 있다.
방사된 레이저빔은 그 형상을 변형되도록 도 2 에 도시된 광학 시스템으로 입력된다.
광학 시스템에 도입되기 직전, 레이저빔은 약 3 × 2 cm2의 직사각형인 것으로 추정된다. 이 빔은 광학 시스템에 의해 10 내지 30 cm 길이 및 0.01 내지 0.3 cm 폭의 길고 좁은 빔(선형 빔)으로 변환된다.
광학 시스템을 통해 통과된 후, 폭 방향의 선형 레이저빔은 도 4B 에 도시된 바와 같이, 사다리꼴의 에너지 밀도 프로파일을 갖고 최대 에너지는 800mJ/shot 인것으로 가정한다.
방사된 레이저빔을 길고 좁은 빔으로 변환시키는 이유는 그 가공성을 개선시키고자 하는 것이다. 즉, 선형 레이저빔을 사용하여 시료를 조사할 때, 전체 시료는 빔이 시료 폭보다 더 긴 경우에 한 방향으로 시료를 이동시킴으로써 조사시킬 수 있다.
빔이 시료의 폭보다 더 짧은 경우, 그 처리는 직사각 빔의 경우에서보다 더 용이하다. 그러나, 이 경우, 빔을 시료에 대해 상대적으로 수직 및 수평으로 이동시킬 필요가 있다.
레이저빔에 의해 조사될 기판(시료)은 레이저 어닐링 챔버(15)내에 제공되는 스테이지 상에 놓인다. 상기 스테이지는 컴퓨터에 의해 제어되며, 선형 레이저 빔의 종방향에 대해 수직으로 이동하도록 고안되었다.
빔의 수직 방향으로 이동하는 기능이 스테이지에 추가된 경우, 빔의 길이보다 더 넓은 시료가 전체적으로 레이저 처리될 수 있다. 또한, 스테이지가 그 하부에서 히터와 합체되어 있기 때문에, 시료는 레이저 광선 조사 동안 주어진 온도에서 유지될 수 있다.
다음으로, 도 2 를 참조하면, 레이저빔을 선형 빔으로 변환시키기 위한 광학 시스템에서 광학 경로에 대해 설명한다.
광학 시스템에 입력되는 레이저빔은 원통형 오목 렌즈(B), 원통형 볼록 렌즈(C)(렌즈 B 및 C 는 함께 빔 확장기라 칭함.), 겹눈형 플라이-아이 렌즈(D)를 통해 통과한다. 상기 겹눈형 플라이-아이 렌즈(D)는 2개의 플라이-아이 렌즈(D,D2)에 의해 수직 및 수평 확장을 위해 대체될 수 있다. 겹눈형 플라이-아이 렌즈에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제 3 실시예에서 설명한다.
이후, 레이저빔은 생성된 레이저빔의 종방향의 균일성을 향상시키기 위해 원통형 볼록 렌즈(1)(제 1 원통형 렌즈) 및 원통형 볼록 렌즈(F)(제 2 원통형 렌즈)를 통해 통과되어, 거울(G)에 의해 반사되고, 원통형 렌즈(H)에 의해 수렴되어, 마지막으로 조사 표면에 적용한다.
원통형 렌즈(A, B)사이의 간격, 플라이-아이 렌즈(D, D2)사이의 간격, 플라이 아이(D)와 원통형 렌즈(F)사이의 간격 및 원통형 렌즈(F)와 조사 표면 사이의 간격은 각각 230 mm, 230 mm, 650 mm, 및 650 mm로 설정한다(각각의 간격은 각각의 관련 렌즈의 초점 길이의 합과 일치한다). 이들 간격은 필요에 따라 변화될 수 있다. 원통형 렌즈(H)는 120 mm의 초점 길이를 갖는다.
초점에서 레이저빔의 에너지 프로파일은 렌즈(H)를 수직으로(즉, 방향 J) 이동시킴으로써 사다리꼴 형태를 취한다.
조사 표면을 렌즈(H)에 대해 수직으로(즉, 방향 J) 이동시킴으로써, 조사 표면상의 레이저빔의 에너지 프로파일(즉, 초점에서)은 도 2 의 하부에 도시된 바와 같이, 사각형에서 사다리꼴 형태로 변화될 수 있다. 에너지 프로파일은 레이저빔의 경로에 슬릿을 삽입함으로써 보다 예리해질 수 있다.
임의의 광학 시스템은 레이저빔을 본 발명에서 필요로 하는 형상을 갖는 빔으로 변형시킬 수 있는 한 사용될 수 있다.
광학 시스템은 도 2 에 도시된 것으로 제한되지 않고; 렌즈(B, C)를 포함하지 않는 도 3 에 도시된 광학 시스템을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따라 레이저 광선 조사를 사용함으로써 유리 기판 상에 결정질 실리콘 막을 형성하는 예에 대해 설명한다.
먼저, 30 cm × 30 cm 의 사각형 유리 기판 (예를 들면, 코닝 7059 또는 1737) 이 준비된다.
2,000 Å 두께의 산화 규소막이 재료로서 TEOS를 사용하는 플라즈마 CVD에 의해 유리 기판 상에 형성된다. 상기 산화 규소막은 불순물이 유리 기판 측면으로부터 반도체 막으로 확산되는 것을 방지하기 위한 언더코트막으로서 작용한다.
다음으로, 비정질 실리콘 막이 플라즈마 CVD에 의해 형성된다. 저압 열 CVD 가 플라즈마 CVD 대신에 사용될 수 있다. 비정질 실리콘 막의 두께는 본 실시예에서 500 Å 으로 설정하였지만, 원하는 값으로 설정할 수 있다.
다음에, 상기 구조물을 질소 분위기에서, 1 시간 동안 450 ℃ 로 유지시킴으로써 수소를 비정질 실리콘 막에서 제거한다. 그래서, 비정질 실리콘 막에 의도적으로 현수 결합(dangling bonds)을 형성함으로써 연속되는 결정화 단계에서 임계 에너지 값이 감소된다.
이후, 실리콘의 결정화를 가속화시키기 위한 금속 원소가 도입된다. 본 실시예에서는, 금속 원소로서 니켈을 사용하였다. 니켈 원소를 도입하기 위해, 니켈 아세테이트 염 용액을 비정질 실리콘 막에 적용하여, 니켈 원소를 비정질 실리콘 막의 표면에 접촉, 유지시킨다. 상기 비정질 실리콘 막은 질소분위기에서 4 시간 동안 550℃ 로 열처리함으로써 결정화된다.
따라서, 결정질 실리콘 막이 유리 기판 상에서 얻어진다. 그러나, 이러한 방식으로 얻어진 결정질 실리콘 막은 내부에 많은 비정질 성분을 함유한다. 이러한 상태의 결정질 실리콘 막은 전기적 특성의 결함 또는 변형을 유발할 수 있다. 본 실시예에서는, 이러한 문제를 피하기 위해, 상기 열 처리에 의한 결정화에 부가하여 레이저 광선 조사를 행함으로써 결정성이 개선된다.
이 상태에서, 유리 기판 및 그 위에 형성된 실리콘 막은 약 ±200 μm의 애스퍼리티를 갖는다.
본 실시예에서, KrF 엑시머 레이저 광선(파장:248 nm, 펄스 폭: 25 ns)이 도 1 의 장치를 사용함으로써 결정질 실리콘 막에 적용된다. 결정성은 이러한 레이저 광선 조사에 의해 개선될 수 있다.
레이저빔은 조사 표면상에 125 mm × 1 mm의 빔 영역을 갖도록 선형 빔으로 형성된다. 빔의 폭은 레이저빔 에너지의 최대 수치의 1/2 폭으로서 정의한다.
선형 레이저빔의 폭 방향의 에너지 프로파일은 유사 사다리꼴이며, L1 = 0.4 mm 및 L2 = L3 = 0.25 mm 의 치수를 갖는다 (도 4B 참조). 이들 치수는 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시킨다.
이러한 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장 정도는 레지저 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리에 의존한다. 레이저 광선 처리 동안, 레이저 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리는 조사 대상물의 애스퍼리티로 인해 변화된다. 따라서, 레이저빔 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장도가 변화된다. 그러나, 편차 범위가 상기 부등식의 범위 내에 속하는 경우, 균일한 레이저 광선 처리가 실행된다. 본 명세서에 사용되는 "균일한" 이라는 용어는 기판 영역 내의 레이저 광선 조사된 막의 이동성 편차가 ±10% 내에 속하는 경우를 의미한다.
시료는 레이저 어닐링 챔버(16)의 스테이지 상에 놓이며(도 1 참조), 조사는 스테이지가 2 mm/s 로 이동할 때 효과적이다. 레이저 광선 조사는 레이저 광선 에너지 밀도가 100 내지 500 mJ/cm2(본 실시예에서 300 mJ/cm2)이고, 펄스 속도는 30 펄스/s 가 되도록 설정된다. 본 명세서에 사용된 "에너지 밀도" 라는 용어는 사다리꼴 빔 프로파일의 상부 베이스부(최대값을 가짐)의 밀도를 의미한다.
레이저 광선 조사가 상기 조건하에 수행되는 경우, 시료의 임의의 지점은 15-단계 조사가 이루어진다. 즉, 빔은 임의의 지점을 통해 0.5 초 통과하기 때문에, 그 지점은 1 회의 스캐닝 동안 15 빔 펄스로 조사된다. 15 회의 조사 동안, 조사 에너지 밀도는 조사의 초기에 여러 차례 점진적으로 증가하고, 조사 후기에는 여러 차례 점진적으로 감소된다.
도 5 는 이러한 조사 작용에 대해 개략적으로 도시한 것이다. 레이저 광선 에너지는 15-단계의 처음 절반(도 5 의 문자 A로 나타냄)에서는 점진적으로 증가하고, 나중 절반(도 5 의 문자 B 로 나타냄)에서는 점진적으로 감소한다. 번호 15 는 레이저빔의 폭, 스테이지의 이동 속도 및 레이저 펄스 속도로부터 용이하게 산출할 수 있다.
본 발명자들의 실험 결과에 의하면, 가장 큰 결정도를 갖는 실리콘 막이 3 내지 100 단계, 바람직하게는 10 내지 40 단계의 조사에 의해 얻어졌다.
레이저 광선 조사로 인한 기판 표면의 온도의 증가 및 감소 속도를 저하시키기 위해, 기판의 온도는 레이저 광선 조사 동안 500 ℃로 유지하였다. 일반적으로 환경 조건의 갑작스런 변화는 기판의 균일성을 손상시키는 것으로 알려져 있다. 레이저 광선 조사로 인한 기판 표면의 균일성의 저하는 본 실시예에서 기판의 온도를 높게 유지함으로써 최소화된다. 기판의 온도를 본 실시예에서 500 ℃ 로 설정하였지만, 본 발명을 실시하는데 있어서, 실온 범위로부터 유리 기판의 스트레인 지점 범위까지의, 레이저 어닐링에 적절한 온도로 설정할 수 있다.
본 실시예에서는 특정 분위기 제어를 실행하지 않고, 즉, 조사는 대기 상태에서 실행하였다. 또한, 조사는 전공 상태, 아르곤 또는 헬륨 등의 불활성 기체의 분위기, 또는 수소, 질소 등의 분위기에서 수행될 수 있다.
본 실시예에서, 조사 대상물은 약 ±200 μm의 애스퍼리터를 갖지만, 결정화된 코팅에서 기판의 이동성 편차는 약 ±7% 로 가능한 한 작고, 이는 레이저 처리가 균일하게 수행됨을 의미한다.
한편, 다른 실험으로, 직사각형(즉, L1 = 0.5 mm 및 L2 = L3 = 0.2 mm)에 가까운 유사 사다리꼴 형상으로 만들어진 폭 방향의 선형 레이저빔의 에너지 프로파일이 0.5 L1 > L2 = L3 을 만족시키도록 실행하였다(도 4B 참조). 상기 레벨의 애스퍼리티를 갖는 조사 대상물(실리콘 막)이 레이저 어닐링될 때, 이동성 편차는 ±13% 였다.
또 다른 실험으로, 직사각형(즉, L1 = 0.2 mm 및 L2 = L3 = 0.3 mm)에 가까운 유사 사다리꼴 형상으로 만들어진 폭 방향의 선형 레이저빔의 에너지 프로파일이 L1 > L2 = L3을 만족시키도록 수행하였다(도 4B 참조), 상기 레벨의 애스퍼리티를 갖는 조사 대상물(실리콘 막)이 레이저 어닐링될 때, 이동성 편차는 ±8% 였다. 그러나, 이동성 수치는 결정질 실리콘 막을 위해서는 매우 적은 값이다.
실시예 2
본 실시예는 비정질 실리콘 막인 복수개의 섬모양으로 패턴화된 영역이 유리 기판 상에서 레이저 어닐링에 의해 실질적으로 단일 결정질 실리콘 막으로 전환되고, 박막 트랜지스터의 활성 층으로서 사용되는 경우에 관한 것이다.
제 1 실시예의 경우와 같이, 도 1 의 레이저 어닐링 장치를 본 실시예에서도 사용한다.
Lambda Physic Corp. 제품인 3000-308 타입의 오실레이터가 사용되며, 이는 XeCl 엑시머 레이저 광선(파장: 308 nm; 펄스폭: 26 ns)을 방사한다. 물론, 다른 엑시머 레이저 및 다른 유형의 레이저도 펄스 오실레이션 타입이면 사용될 수 있다.
방사된 레이저빔의 형태를 변형시키도록, 도 3 에 도시된 광학 시스템으로 입력된다.
광학 시스템에 도입되기 직전, 약 3 × 2 cm2의 직사각으로 추정되는 레이저빔은 광학 시스템에 의해 10 내지 30 cm 길이 및 0.01 내지 0.3 cm 의 폭의 길고 좁은 빔(즉, 선형 빔)으로 형태화된다.
광학 시스템으로부터 출력될 때 선형 레이저빔은 폭 방향으로 도 4B 에 도시된 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖고, 1000 mJ/shot 의 최대 에너지를 갖는다.
방사된 레이저빔을 길고 좁은 빔으로 전환시키는 이유는 그 가공성을 개선시키기 위함이다. 즉, 선형 레이저빔을 사용하여 시료를 조사하는데 있어서, 전체 시료는 빔이 시료 폭보다 더 긴 경우에 한 방향으로 시료를 이동시킴으로써 조사될 수 있다.
빔이 시료의 폭보다 더 짧은 경우, 그 처리는 직사각 빔의 경우에서보다 더 용이하다. 그러나, 이 경우, 빔을 시료에 대해 상대적으로 수직 및 수평으로 이동시킬 필요가 있다.
조사될 기판(시료)이 놓이는 스테이지는 컴퓨터에 의해 조절되며, 선형 레이저빔의 종방향에 대해 수직으로 이동하도록 설계되었다.
스테이지에 빔의 종방향으로 이동하는 부가 기능이 제공된 경우, 빔의 길이보다 더 넓은 시료가 전체적으로 레이저 처리될 수 있다. 또한, 스테이지가 그 하부에서 히터와 합체되어 있기 때문에, 시료는 레이저 광선 조사 동안 주어진 온도로 유지될 수 있다.
다음으로, 도 3 을 참조하면, 레이저빔을 선형 빔으로 전환시키는 광학 시스템의 광학 경로에 대해 설명한다.
먼저, 레이저 광원(a)으로부터 방사되어 광학 시스템에 입력되는 레이저빔은 수직 및 수평 확장을 위해 플라이-아이 렌즈(b, c)를 통해 통과한다.
이후, 레이저빔은 생성된 레이저빔의 종방향의 균일성을 향상시키기 위해 원통형 볼록 렌즈(d)(제 1 원통형 렌즈) 및 원통형 볼록 렌즈(e)(제 2 원통형 렌즈)를 통해 통과되고, 거울(f)에 의해 반사되고, 원통형 렌즈(g)에 의해 수렴하여, 마지막으로 시료에 적용된다.
광학 경로 길이에 대해서, 레이저 광원과 거울(g)사이의 거리는 2,000 mm이고, 거울(g)과 조사 표면사이의 거리는 440 mm 이다. 원통형 렌즈(e)는 100 mm의 초점 길이를 갖는다.
초점에서 레이저빔의 에너지 프로파일은 렌즈(g)를 수직으로(즉, 방향 i) 이동시킴으로써 사다리꼴 형태를 취한다.
조사 표면을 렌즈(g)에 대해 수직으로(즉, 방향 i) 이동시킴으로써, 조사 표면상의 레이저빔의 에너지 프로파일(즉, 초점에서)은 도 2 의 하부에 도시된 바와 같이, 사각형에서 사다리꼴 형태로 변화될 수 있다. 에너지 프로파일은 레이저 빔의 경로에 슬릿을 삽입함으로써 보다 예리해질 수 있다.
임의의 광학 시스템은 레이저빔을 본 발명에서 필요로 하는 형상을 갖는 빔으로 변형시킬 수 있는 한 사용될 수 있다.
광학 시스템은 도 3 에 도시된 것으로 제한되지 않고; 렌즈 (B, C)를 포함하는 도 2 에 도시된 광학 시스템을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 6A 내지 6F 를 참조하여, 본 실시예에 따른 제조 공정에 대해 설명한다.
먼저, 30 cm × 30 cm 의 사각형 유리 기판(예를 들면, 코닝 7059 또는 1737)이 준비된다.
2,000Å 두께의 산화 규소막이 재료로서 TEOS를 사용하는 플라즈마 CVD에 의해 유리 기판 상에 형성된다. 상기 산화 규소막(602)은 불순물이 유리 기판 측면으로부터 반도체 막으로 확산되는 것을 방지하기 위한 언더코트막으로서 작용한다.
다음으로, 비정질 실리콘 막(603)이 플라즈마 CVD 에 의해 형성된다. 저압 열 CVD 가 플라즈마 CVD 대신에 사용할 수 있다. 비정질 실리콘 막 (603)의 두께는 본 실시예에서 500Å으로 설정하였지만, 원하는 값으로 설정할 수 있다. (도 6A 참조).
다음에, 실리콘의 결정화를 가속화시키기 위한 금속 원소가 도입된다. 본 실시예에서, 금속 원소로서 니켈을 사용하였다. 상기 니켈 원소를 도입하기 위해, 니켈 아세테이트 염 용액을 비정질 실리콘 막에 적용하여, 니켈 원소를 비정질 실리콘 막의 표면에 접촉, 유지시킨다.
이후, 복수 개의 섬모양 영역이 비정질 실리콘 막(603)을 패턴화하여 유리 기판 상에서 형성됨으로써, 각각의 섬모양 영역은 각 측면이 수십 μm 내지 수백 μm 이고, 본 실시예에서는 90 μm 인 사각형으로 추정된다. 각각의 섬모양 영역은 나중에 형성되는 복수 개의 박막 트랜지스터의 위치에 위치하며, 현재는 박막 트랜지스터의 활성층(604)을 구성한다. 이 상태에서 활성층(604)은 비정질 실리콘 막이다(도 6B 참조).
이 상태에서, 도 1 의 장치를 사용함으로써 활성층(604)은 XeCl 엑시머 레이저 광선(파장: 308 nm; 펄스 폭: 25 ns)으로 이를 조사시킴으로써 결정화된다.
레이저빔은 조사 표면상에 150 mm × 0.4 mm의 빔 영역을 갖도록 선형 빔으로 형성된다. 빔의 폭은 레이저빔 에너지의 최대 수치의 1/2 폭으로서 정의한다.
선형 레이저빔의 폭 방향의 에너지 프로파일은 유사 사다리꼴이며, L1 = 0.1 mm 및 L2 = L3 = 0.08 mm 의 치수를 갖는다(도 4B 참조). 이들 치수는 부등식 0.5 L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5 L1 ≤ L3 ≤ L1을 만족시킨다.
이러한 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장 정도는 레이저 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리에 의존한다. 레이저 광선 처리 동안, 레이저 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리는 조사 대상물의 애스퍼리티로 인해 변화된다. 따라서, 레이저빔 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장도는 변화된다. 그러나, 편차 범위가 상기 부등식의 범위 내에 속하는 경우, 균일한 레이저 광선 처리가 실행된다. 본 명세서에 사용되는 "균일한" 이라는 용어는 기판 영역 내의 레이저 광선 조사된 막의 이동성 편차가 ±10% 내에 속함을 의미한다.
유리 기판(601)은 스테이지 상에 놓이며, 조사는 스테이지가 2.5 mm/s로 이동하면서 이루어진다. 레이저 광선 조사에서, 활성층(604)은 선형 레이저빔으로 그 한쪽 측면에서 반대쪽 측면으로 스캐닝된다.
레이저 광선 조사 조건은 레이저 광선 에너지 밀도가 100 내지 500 mJ/cm2(본 실시예에서 400 mJ/cm2)이고, 펄스 속도는 200 펄스/s 가 되도록 설정된다. 본 명세서에 사용된 "에너지 밀도" 라는 용어는 사다리꼴 레이저빔 프로파일의 상부 베이스 부분(최대값을 가짐)의 밀도를 의미한다.
레이저 광선 조사가 상기 조건하에 수행되는 경우, 시료의 임의의 지점은32-단계 조사가 이루어진다. 즉, 빔은 임의의 지점을 통해 0.4 초 통과하기 때문에, 그 지점은 1 회의 스캐닝 동안 32 빔 펄스로 조사된다. 32 회의 조사 동안, 조사 에너지 밀도는 조사의 초기에 여러 차례 점진적으로 증가하고, 조사 후기에는 여러 차례 점진적으로 감소된다.
도 5 는 이러한 조사 작용에 대해 개략적으로 도시한 것이다. 레이저 광선 에너지는 32-단계의 처음 절반(도 5 의 문자 A 로 나타냄)에서 점진적으로 증가하고, 나중 절반(도 5 의 문자 B 로 나타냄)에서는 점진적으로 감소한다. 번호 32 는 레이저빔의 폭, 스테이지의 이동 속도 및 레이저 펄스 속도로부터 용이하게 산출할 수 있다.
레이저 광선 조사로 인한 기판 표면의 온도의 증가 및 감소 속도를 저하시키기 위해, 기판의 온도는 레이저 광선 조사 동안 500 ℃ 로 유지하였다. 일반적으로 환경 조건의 갑작스런 변화는 기판의 균일성을 손상시키는 것으로 알려져 있다. 레이저 광선 조사로 인한 기판 표면의 균일성의 저하는 본 실시예에서 기판의 온도를 높게 유지함으로써 최소화된다. 기판의 온도를 본 실시예에서 500 ℃ 로 설정하였지만, 본 발명을 실시하는 데 있어서 실온 내지 유리 기판의 변형 지점 범위에서 레이저 어닐링에 적절한 온도로 설정할 수 있다.
본 실시예에서는 특정 분위기 제어를 실행하지 않고 즉, 조사는 대기 중에서 실행하였다. 또한, 조사는 진공 상태, 아르곤 또는 헬륨 등의 불활성 기체의 분위기, 또는 수소, 질소 등의 분위기에서 수행될 수 있다.
선형 레이저빔이 비정질 실리콘 막인 활성층(604)에 적용될 때, 조사된 부분은 일시적으로 용융된다. 활성층(604)이 스캐닝되는 동안 조사될 때, 결정 성장이 점진적으로 진행되어, 실질적으로 의도된 단결정인 영역이 생성되었다.
즉, 비정질 실리콘 막인 활성층(604)이 그 한쪽 단부로부터 점진적으로 스캐닝되는 동안 선형 광선 빔으로 조사되면(도 6C 참조), 실질적으로 의도된 단결정인 부분(605)이 성장한다. 마지막으로, 전체 활성층(604)은 단결정 상태로 있게된다.
단결정으로 고려될 수 있는 부분(605)은 영역에서 후술하는 조건을 만족시킨다;
- 실질적으로 결정 그레인이 없다.
- 1 × 1015내지 1 × 1020원자/cm-3의 농도로 결함 지점을 중화시키기 위해 수소 또는 할로겐 원소를 함유한다.
- 1 × 1016내지 5 × 1018원자/cm-3의 농도로 탄소 또는 질소 원자를 함유한다.
- 1 × 1017내지 5 × 1019원자/cm-3의 농도로 산소 원자를 함유한다.
실리콘의 결정화를 가속화시키는 금속 원소가 본 실시예에서 사용되는 경우, 막은 1 × 1016내지 5 × 1019cm-3농도의 금속 원소를 함유해야 한다. 이러한 농도 범위는 농도가 이 범위보다 클 경우, 금속의 특성은 반도체 특성을 저해하며, 농도가 이 범위보다 작은 경우는, 실리콘의 결정화를 가속화시키는 기능이 얻어지지 않는다.
상술한 바와 같이, 레이저 광선의 조사에 의해 생성되고 실질적으로 단결정으로 고려될 수 있는 실리콘 부분은 단결정 웨이퍼 같은 통상의 단결정과는 전혀 다르다.
상기 막은 레이저 광선 조사에 의한 결정화 동안에 수축되고, 생성된 스트레인은 활성층(604)의 주변부에서 보다 축적된다.
또한, 일반적으로, 활성층(604)의 두께는 수백 Å 내지 수천 Å 범위이고, 각각의 측면이 수 μm 내지 수백 μm인 사각형 즉, 매우 박막인 것으로 추정된다. 도 6C 에 나타낸 바의 결정 성장이 매우 박막인 활성층(604)에서 진행될 때, 스트레인은 주변부 즉, 결정 성장의 종말점 주변 부분, 및 결정 성장이 진행되지 않는 부분에 집중된다.
주로, 상기 2가지 이유 때문에, 스트레인은 활성층(604)의 주변부에 집중된다. 상기 활성층(604)에서 이러한 부분이 존재함으로써 생성된 박막 트랜지스터의 동작에 부작용을 미치기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 에칭에 의해 활성층(604)의 전체 주변부를 제거하는 것이 바람직하다.
그래서, 실질적으로 부분(605)과 같은 단결정으로 고려될 수 있는 활성층(606)이 얻어지며, 스트레스에 의해서 거의 영향을 받지 않는다.
상기 활성층(606)이 얻어진 후, 게이트 절연막(607)으로서 1000 Å 두께의 산화 규소막은 활성층(606)을 덮도록 플라즈마 CVD에 의해 형성된다. 그 위에, 인(P)으로 도핑된 5000 Å 두께의 다결정질 실리콘 막이 게이트 전극(608)을 형성하도록, 저압 CVD에 의해 형성된 후 패턴화된다.
이 후, 소스 영역(609) 및 드레인 영역(611)이 플라즈마 도핑 또는 이온 이식에 의해 인(P) 이온을 이식함으로써 자동 정렬 방식으로 형성된다. 마스크로서 작용하는 게이트 전극(608)의 존재 때문에 불순물 이온이 이식되지 않은 영역(610)은 채널 형성 영역으로 한정된다(도 6E 참조).
다음에, 층간 절연막(612)으로서 7000 Å 두께의 산화 규소막은 TEOS 가스를 사용함으로써 플라즈마 CVD 에 의해 형성된다. 접촉 구멍이 형성된 후, 소스 전극(613) 및 드레인 전극(614)이 티탄 몇 알루미늄의 다층막으로 형성된다. 게이트 전극(608)을 위한 접촉 전극이 동시에 형성된다(도시생략). 마지막으로, 열처리는 350 ℃ 의 수소 분위기에서 1 시간 동안 수행된다. 따라서, 도 6F 에 도시된 박막 트랜지스터가 완성된다.
상기 방식으로 유리 기판(601) 상에 형성된 복수 개의 박막 트랜지스터는 약 ±5% 의 이동 편차를 가지므로, 결정화가 균일하게 수행된다.
또한, 각각의 활성층(606)은 실질적으로 매우 양호한 단결정층이다.
상기 활성층(606)이 단결정인 실리콘 막으로 제조되기 때문에, 본 실시예의 박막 트랜지스터는 SOI 기술 등에 의해 형성된 단결정 실리콘 막을 사용하여 생산한 박막 반도체와 동일한 전기적 특성을 갖는다.
실시예 3
본 실시예는 도 1 의 레이저 어닐링 장치를 사용한다.
도 9 는 본 실시예에 사용된 레이저 어닐링을 위한 광학 시스템의 예를 도시한다.
도 9 의 광학 시스템은 하기 성분으로 이루어져 있다. 엑시머 레이저빔 생성 수단(K)(펄스 레이저빔 생성 수단)은 엑시머 레이저빔을 생성한다. 빔 확장기(L, M)는 레이저빔을 확장시킨다. 겹눈형 플라이-아이 렌즈 (N)는 레이저빔을 부분 방식으로 확장시킨다. 제 1 원통형 렌즈(O)는 레이저빔을 선형으로 수렴한다. 제 2 원통형 렌즈(P)는 레이저빔의 종방향 균일성을 향상시킨다. 스테이지(S)는 조사 대상물을 표면상에 갖고 있는 기판이 놓여진 상태에서 도 9 의 화살표 방향(T)으로 이동한다.
도 9 에서, 경로 절첩 거울(Q) 및 원통형 렌즈(R)는 스테이지(S)상에 놓인 대상물 상에서 레이저 처리를 실행시킨다.
본 실시예에서, 레이저 광원(K)과 원통형 렌즈(L)사이의 간격, 플라이-아이 렌즈(N)와 제 1 원통형 렌즈(O)사이의 간격, 및 원통형 렌즈(P)와 조사 표면사이의 간격은 각각 230 mm, 650 mm, 및 650 mm 로 설정한다(각각의 간격은 각각의 관련 렌즈의 초점 길이의 합과 일치한다). 이들 간격은 필요에 따라 변화될 수 있다. 원통형 렌즈(R)는 120 mm 의 초점 길이를 갖는다.
Lumnics Corp.의 EX 748 타입(KrF 엑시머 레이저, 파장: 248 nm, 에너지 갭(Eg): 5.0 eV, 펄스폭: 25 ns)이 상기 광학 시스템에 입력되는 엑시머 레이저빔의 광원(즉, 오실레이터)으로서 사용된다. 광원의 다른 예는 Lamda Physic Corp.의 3000-308 타입(XeCl 엑시머 레이저, 파장: 308 nm, 펄스폭: 26 ns)이다. 물론, 다른 엑시머 레이저 몇 다른 유형의 레이저가 펄스 오실레이션 타입이면 사용가능하다.
상기 광학 시스템으로부터 출력되는 레이저빔은 800 mJ/shot 의 최대 에너지 를 갖는다.
광원으로부터 방사되는 엑시머 레이저빔은 20 mm × 30 mm 의 단면 형상을 갖는다. 이러한 빔은 빔 확장기(L, M)에 의해 30 mm × 30 mm의 사각 빔으로 형성 및 확장된다.
레이저빔을 실질적으로 사각 빔으로 형성하는 이유는 하부의 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)가 일반적으로 사각 단면 형상을 갖기 때문이다.
이와 유사한 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)에 레이저빔의 단면 형상을 도입함으로써, 플라이-아이 렌즈(N)의 능력이 최대로 이용될 수 있으므로, 상기 레이저 빔이 용이하고 균일하게 분할될 수 있다. 따라서, 최종적으로 얻어진 선형 레이저 빔의 균일성이 개선될 수 있다.
상기 레이저빔을 인제나 사각 빔으로 할 필요는 없다. 그러나, 상기 빔이 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)에 도입되기 전에 다소 확장되는 경우, 상기 렌즈의 크기는 대형이므로, 겹눈형 플라이-아이 렌즈를 형성하는 데 필요한 처리의 정밀도가 저하될 수 있다.
도 8 에 도시된 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)는 단면적으로 확장하므로, 레이저빔을 이렇게 형성 및 확장된다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 전체 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)의 단면 형상은 다각형인데, 본 실시예에서는 일반적으로 사각형이다. 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)는 각각 다각형 단면을 갖는 복수의 볼록 렌즈(801)를 규칙적으로 인접하게 배열하여 구성한다. 본 실시예에서는, 사각 단면 형상을 갖는 볼록 렌즈들이 매트릭스 형태로 인접하게 배열된다.
각각의 볼록 렌즈는 사각형 이외의 단면 형상을 취하며, 예를들어, 직사각, 삼각 몇 육각형의 다각 형상이 규칙적인 방식으로 용이하게 배열될 수 있기 때문에 바람직하다.
균일한 레이저빔은 겹눈형 플라이-아이 렌즈(N)를 사용하여 레이저빔을 단면적으로 확장시킴으로써 형성될 수 있다.
다음에, 상기 레이저빔은 원통형 렌즈(O)에 의해 수평으로 긴 빔으로 수렴된다. 마지막으로, 약 1 mm 폭 및 약 120 mm 길이의 선형 레이저빔이 조사 표면상에 얻어진다(빔 폭은 그 에너지 밀도 프로파일의 1/2 폭으로서 정의된다).
폭 방향의 생성된 선형 레이저빔의 에너지 밀도 프로파일은 유사-정상 분포를 취한다.
유사-정상 분포가 처리를 위해 적절하지 못한 경우, 에너지 밀도 프로파일은 슬릿을 사용하여 사각형에 보다 근접할 수 있다. 이 경우, 슬릿은 원통형 렌즈(O)의 하류, 예를 들면 원통형 렌즈(D)와 거울(Q)사이에 삽입된다. 상기 슬릿의 위치 및 폭은 소망에 따라 결정할 수 있다.
한편, 원통형 렌즈(P)는 레이저빔의 종방향 균일성을 향상시키기 위해 사용된다.
도 11 은 원통형 렌즈(P)(1103)의 동작을 도시한다. 상기 원통형 렌즈(1103)는 플라이-아이 렌즈(1102)의 각각의 렌즈로부터 나오는 레이저빔 (1101)이 조사표면(1104)상의 거의 동일한 위치에 도달하게 하는 역할을 한다. 이 방식에서, 레이저빔은 조사 표면(1104)상에서 균일하게 결합된다.
도 9 의 광학 시스템은 본 실시예에만 적용되는 것은 아니며, 어떠한 광학 시스템도 레이저빔을 본 실시예에서 요구하는 형상으로 변환시킬 수 있는 한 사용될 수 있다. 예를 들면, 렌즈 (L, M)을 포함하지 않는 도 10에 도시된 광학 시스템도 사용할 수 있다.
도 12 는 레이저 광선 조사가 선형 레이저빔을 사용하여 어떻게 실행되는가를 도시한 것이다. 기판 상의 조사 대상물(1202)은 빔의 종방향에 대해 수직인 스캐닝 방향(1203)(도 9의 방향 T)으로 스캐닝하는 동안, 120 mm 길이 및 1 mm 폭의 수렴된 선형 레이저빔(1201)으로 조사된다.
펄스 레이저를 사용하기 때문에, 선형 펄스 레이저빔이 레이저 진동 동안, 조사 대상물(1202)에 관련하여 스캐닝 방향(1203)(도 12 에서 화살표로 나타냄)으로 이동할 때, 상기 레이저빔들은 스캐닝 방향(1203)으로 서로 중첩된다. 결과적으로, 조사 대상물(1202) 상에서 균일한 레이저 어닐링 효과를 얻게된다.
선형 레이저빔에 의한 조사 대상물(1202)의 조사에 있어서, 전체 조사 대상물(1202)은 빔이 조사 대상물(1202)의 폭보다 더 긴 경우에 일 방향으로 이동시킴으로써 균일하게 조사될 수 있다. 이는 직사각형과 같은 스폿(spot) 형상을 갖는 레이저빔을 사용하는 경우 보다 더 큰 처리 능력을 제공한다.
빔이 조사 대상물(1202)의 폭보다 더 짧은 경우, 처리는 스폿 빔의 경우에서 보다 쉽게 실행된다. 그러나, 이 경우, 빔을 조사 대상물(1202)에 대해 수직 및 수평으로 이동시킬 필요가 있다.
기판이 놓여지는 스테이지는 컴퓨터에 의해 제어되며, 선형 레이저빔의 종방향에 대해 수직으로 이동하도록 구성된다.
스테이지에 부가적인 빔의 종방향 이동 기능이 제공되면, 빔의 길이보다 더 넓은 조사 대상물이 전체적으로 레이저 처리될 수 있다. 또한, 스테이지가 그 하부에서 히터와 합체되어 있기 때문에, 조사 대상물은 레이저 광선 조사 동안 주어진 온도로 유지될 수 있다.
도 13A 내지 13F 는 상기 레이저 어닐링 장치를 사용하여 유리 기판 상에 결정질 실리콘 TFT를 형성하는 제조 공정을 도시한 것이다.
먼저, 2,000 Å 두께의 산화규소 언더코트 막(102)이 유리 기판(101) 상에 형성되고(본 실시예에서는 각각의 측면이 100 mm인 스퀘어 코닝 7059 유리 기판을 사용한다), 500 Å 두께의 비정질 실리콘 막(103)이 플라즈마 CVD 에 의해 그 위에 연속적으로 형성된다. 다음, 10 ppm 의 니켈 아세테이트 수용액이 비정질 실리콘 막(103)에 적용되며, 니켈 아세테이트 층이 스핀 코팅에 의해 형성된다. 니켈은 비정질 막(103)의 결정화를 가속화시키는 작용을 한다. 니켈 아세테이트 수용액에 계면활성제를 첨가함으로써 보다 양호한 결과가 얻어진다. 니켈 아세테이트 층은 매우 얇기 때문에, 후속 단계에서 어떠한 문제도 유발하지 않을 막을 형성할 것으로 항상 추정할 수는 없다(도 13A 참조).
비정질 실리콘 막(103)은 550℃ 에서 4 시간 동안 열적 어닐링시킴으로써 결정화된다. 실행 중에, 니켈은 결정 핵으로서 작용하며, 그로 인해 비정질 실리콘막(103)의 결정화가 가속화된다.
니켈의 기능으로 인해, 결정화는 550 ℃ 의 낮은 온도(코닝 7095의 스트레인 지점보다 낮음)에서 4 시간의 단기간 동안 완료된다. 이러한 기능에 대한 상세한 설명은 일본 특개평 6-244104호에 개시되어 있다.
촉매 원소의 농도가 1 × 1015내지 1 × 1019원자/cm3의 범위일 때 양호한 결과가 얻어졌다. 상기 농도가 1 × 1019원자/cm3보다 크면, 실리콘 막은 금속 특성을 가지며, 즉 반도체 특성이 없어진다.
본 실시예에서, 실리콘 막의 촉매 원소의 농도는 막의 최소값에서 1 × 1017내지 5 × 1018원자/cm3이였다. 보다 상세하게는, 촉매 성분의 농도 수치는 2 차 이온 질량 분석(STEM)에 의한 분석 및 측정에 의해 얻어진 실리콘 막의 최소값이다.
이렇게 얻은 결정질 실리콘 막의 결정성을 향상시키고 막에서 니켈 분리 정도를 저하시키기 위해, 대량 출력 엑시머 펄스 레이저로부터 방사된 레이저 광선을 막에 적용한다. 이 레이저 광선은 1 × 120 mm2의 선형 빔으로 형성된다.
유리 기판(101)은 스테이지 상에 놓이고, 레이저빔과 관련하여 이동하면서 레이저빔으로 조사된다. 본 실시예에서, 레이저빔 조사 위치는 고정된 반면에, 스테이지는 레이저빔의 종방향에 대해 거의 수직으로 이동한다(이는 가장 효율적인 레이저빔 처리를 가능케 한다).
레이저빔 펄스 속도는 30 펄스/s 로 설정하고, 스테이지 이동 속도는 2 mm/s 로 설정한다. 이러한 설정에 따라, 조사 대상물 상의 임의의 지점은 15 쇼트(shot)의 레이저빔으로 조사된다. 이러한 쇼트 수가 2 내지 20 범위로 설정될 때 레이저 광선 조사에 의해 매우 균일한 실리콘 막이 얻어진다. 기판 온도는 레이저 광선 조사 동안 200 ℃ 로 설정된다.
본 실시예에서, 2-단계 레이저 광선 조사가 사용된다. 레이저 광선 조사 효과의 불균일성을 감소시키기 위해, 주요 조사/스캐닝을 강한 펄스의 레이저 광선으로 행하기 전에 약한 펄스의 레이저 광선으로 예비 조사/스캐닝을 실행하는 것이 효과적이다.
매우 효과적인 2 단계 조사는 생성되는 반도체 장치의 특성을 크게 개선시킨다. 2 단계 조사에서, 잔류하는 비정질 부분은 제 1 조사에 의해 결정화되고 전체 막의 결정화는 제 2 조사에서 가속화된다.
상기 방식으로 결정화를 완만히 가속화시킴으로써, 선형 레이저빔을 사용한 조사에 의해 발생되는 실리콘 막 상의 스트립된 요철(striped unevenness)은 어느 정도까지 억제된다. 레이저 에너지 밀도는 100 내지 500 mJ/cm2의 범위로 설정되고, 예를 들어, 제 1 실시예에서 220 mJ/cm2로, 제 2 실시예에서는 365 mJ/cm2로 설정된다.
상기 실시예에서, 니켈만을 결정화의 가속화를 위한 촉매 성분으로서 언급하였지만, 니켈, 철, 코발트, 백금 및 팔라듐을 포함한 1 개 이상의 성분을 니켈 대신에 사용할 수 있다(도 13B 참조).
이렇게 얻어진 결정질 실리콘 막을 사용함으로써 박막 트랜지스터가 형성된다.
먼저, 섬모양 실리콘 영역(105)은 결정질 실리콘 막을 에칭함으로써 형성된다. 게이트 절연막으로서 1,200 Å 두께의 산화 규소막 (106)이 TEOS 및 산소 물질 가스를 사용함으로써 플라즈마 CVD 에 의해 침착된다. 산화 규소막(106)의 침착동안, 기판의 온도는 250 내지 380 ℃, 예를 들면 300 ℃ 로 설정된다. 이어서, 알루미늄 막(실리콘 0.1 내지 2% 함유)이 스퍼터링에 의해 3,000 Å 내지 8,000 Å, 예를 들면 6,000 Å 두께로 스퍼터링에 의해 침착된다. 게이트 전극(107)은 이와 같이 침착된 알루미늄 막을 에칭함으로써 형성된다(도 13C 참조).
이 후, 불순물(붕소)이 마스크로서 사용된 게이트 전극(107)을 사용하여 이온 도핑시켜서 실리콘 영역(105)에 이식하였다. 도핑 가스는 수소를 사용하여 1 내지 10%, 예를 들면 5% 까지 희석한 디보란(B2H6)이다. 가속화 전압은 60 내지 90 kV, 예를 들면 65kV 로 설정되고, 그 선량은 2 × 1015내지 5 × 1015원자/cm2, 예를 들면 3 × 1015원자/cm2로 설정한다. 이온 도핑 동안, 기판 온도는 실온으로 설정한다. 그 결과, p-형 불순물 영역(108;소스, 109;드레인)이 형성된다(도 13D 참조).
주입된 붕소를 활성화시키기 위해, 동일한 레이저 어닐링 장치를 사용하여 상기한 바와 동일한 방식으로 레이저 어닐링이 실행된다. 레이저 에너지 밀도는100 내지 350 mJ/cm2예를 들면, 250 mJ/cm2로 설정된다. 조사 대상물 상의 임의의 지점은 2 내지 20 쇼트의 레이저빔으로 조사되도록 설정된다. 레이저 광선 조사 동안, 기판의 온도는 200 ℃ 로 설정된다. 이 후, 열적 어닐링은 450 ℃ 의 질소 분위기에서 2 시간 동안 실행하였다. 레이저 어닐링 및 열적 어닐링 모두를 상기 공정에서 실행하였지만, 이들 중 하나만을 실행할 수도 있다(도 13E 참조).
이어서, 층간 절연막으로서 6,000Å 두께의 산화 규소막(110)이 플라즈마 CVD 에 의해 형성되고, 접촉 구멍이 산화 규소막을 통해 형성된다. TFT의 소스 및 드레인을 위해 전극/배선(111,112)이 티탄 및 알루미늄의 다중층 등의 금속 물질로 형성된다. 마지막으로, 열적 어닐링은 1 기압의 수소 분위기에서 200 내지 350 ℃의 온도로 실행된다(도 13F 참조).
이렇게 형성된 TFT 는 100 cm2/Vs 의 매우 높은 이동성을 갖고, 매우 높은 이동성을 필요로 하는 TFT 로서 충분히 사용될 수 있으며, 액정 표시 장치의 시프트 레지스터로서 사용된다.
본 실시예에 의하면, 레이저 어닐링 장치의 레이저 광원의 수명은 2 개의 플라이-아이 렌즈를 사용하는 경우에 비해 5 내지 10% 연장될 수 있다.
실시예 4
본 실시예에서, 제 3 실시예와 구성이 다르고 폭 방향의 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖는 선형 레이저빔을 생성하는 광학 시스템을 사용하여, 결정질 실리콘 TFT 를 형성하는 경우에 대해 설명한다.
본 실시예의 제조 공정을 상기 제 3 실시예의 제조 공정에서 참조한 도 13A 내지 13F 를 참조하여 설명한다.
먼저, 2,000 Å 두께의 산화규소 언더코트 막(102)이 유리 기판(101) 상에 형성되고(본 실시예에서는 0.7 mm 두께이고, 각각의 측면이 300 mm 인 스퀘어 코닝 1737 유리 기판을 사용했으며, 또한, 코닝 7059, OA2 및 NA45 등의 다른 유리재료도 사용할 수 있다), 500 Å 두께의 비정질 실리콘 막(103)이 플라즈마 CVD 에 의해 그 위에 연속적으로 형성된다.
이어서, 10ppm 의 니켈 아세테이트 수용액이 비정질 실리콘 막(103)에 도포되며, 니켈 아세테이트 층이 스핀 코팅에 의해 형성된다. 니켈은 비정질 막(103)의 결정화를 가속화시키는 작용을 한다. 니켈 아세테이트 수용액에 계면활성제를 첨가함으로써 보다 양호한 결과가 얻어진다. 니켈 아세테이트 층은 매우 얇기 때문에, 이어지는 단계에서 어떠한 문제도 유발하지 않을 막을 형성할 것으로 항상 추정할 수는 없다(도 13A 참조).
상기 비정질 실리콘 막(103)은 550 ℃에서 4 시간 동안 열적 어닐링시킴으로써 결정화된다. 이러한 작용 동안, 니켈은 결정 핵으로서 작용하며, 그로 인해 비정질 실리콘 막(103)의 결정화가 가속화된다.
니켈의 작용으로 인해 결정화는 550 ℃ 의 낮은 온도(코닝 1737의 스트레인 지점보다 낮음)에서 4 시간의 단기간 동안 완료된다.
바람직한 결과는 촉매 성분의 농도가 1 × 1015내지 1 × 1019원자/cm3의 범위에서 얻어졌다. 이 농도가 1 × 1019원자/cm3보다 더 크면, 생성된 막은 금속 특성을 갖는 것으로 추정되며, 즉 반도체 특성은 없어졌다.
본 실시예에서, 생성된 실리콘 막의 촉매 원소의 농도는 막의 최소값에서 1 × 1017내지 5 × 1018원자/cm3이였다. 보다 상세하게는, 촉매 원소의 농도 수치는 2 차 이온 질량 분석(STEM)에 의한 분석 및 측정에 의해 얻어진 실리콘 막에서 최소 수치이다.
결정질 실리콘 막이 상기한 방식으로 얻어진다.
이 상태에서, 유리 기판(101)이 휘어져, 결정질 실리콘 막으로 형성된 표면이 움푹 들어가 있으며, 그래서, 유리 기판(101)의 중심과 주변부 사이의 높이차가 약 300 μm 발생된다.
휘어짐 정도는 유리 기판의 크기 및 종류에 따라 좌우된다. 100 mm × 100 mm의 사각 기판에서 약 20 내지 200 μm 로 휘어지고, 500 mm × 500 mm의 사각 기판에서는 약 1 내지 20 mm 만큼 큰 양일 수 있다.
상기에서 얻어진 결정질 실리콘 막의 결정성을 개선하기 위해 실리콘 막은 대량 출력 엑시머 펄스 레이저로부터 방사된 레이저 광선에 의해 조사된다.
본 실시예에서, 도 1 의 레이저 어닐링 장치를 제 3 실시예의 경우와 마찬가지로 사용하였다.
이러한 레이저 어닐링 장치에서, 하나의 레이저빔 펄스로부터 다른 펄스까지의 에너지 편차는 3σ에서 ±3% 범위 내에 속한다. 상기 범위보다 더 큰 에너지 편차를 갖는 펄스 레이저가 사용되면, 1회 스캐닝의 전체 조사 단계에서 레이저빔의 심도는 이 경우 보다 낮아진다. 3σ에서 ±10% 보다 큰 에너지 편차를 갖는 레이저 어닐링 장치는 본 실시예에서 사용하기에는 부적절하다.
본 실시예에서, Lambda Physic Corp. 제품인 3000-308 타입(XeCl 엑시머 레이저; 파장: 308 nm; 펄스폭: 26 ns)이 오실레이터로서 사용된다. 자연적으로, 다른 유형의 펄스 진동 레이저가 사용될 수 있다.
광학 시스템에 도입되기 직전 약 3 × 2 cm의 사각형인 것으로 추정되는 레이저빔이 광학 시스템에 의해 10 내지 30 cm 길이 및 0.01 내지 0.3 cm 폭의 길고 좁은 빔(즉, 선형 빔)으로 형성된다.
방사된 선형 빔의 형상을 변형시키기 위해, 도 10 에 도시된 바와 같은 광학 시스템에 도입된다. 도 10은 본 실시예에 따라 레이저빔을 선형 빔으로 변형시키기 위한 레이저 어닐링 시스템의 예를 나타낸다. 이러한 광학 시스템의 광학 경로를 설명한다.
레이저 광원(k)으로부터 방사되고, 광학 시스템에 입력된 레이저빔은 겹눈형 플라이-아이 렌즈 (i)를 통해 통과되며, 그 구조는 도 8 에 도시되어 있다.
이 후, 레이저빔은 생성되는 레이저빔의 종방향 균일성을 개선시키기 위해 원통형 볼록 렌즈(m;제 1 원통형 렌즈) 및 원통형 볼록 렌즈(n;제 2 원통형 렌즈)를 통해 통과되고, 거울(o)에 의해 반사되고, 원통형 렌즈(p)에 의해 수렴된 다음, 마지막으로 조사 대상물에 적용된다.
광학 경로 길이에 대해서, 레이저 광원과 거울(o)사이의 거리는 2,000 mm 이고, 거울(o)과 조사 표면사이의 거리는 440 mm 이다. 원통형 렌즈(p)는 100 mm의 초점 길이를 갖는다.
슬릿은 주변부에서 폭 방향의 예리한 레이저빔 에너지 프로파일을 제공하도록 레이저빔 광학 경로에 삽입된다. 슬릿은 원통형 렌즈(n)의 하류, 예를 들면 원통형 렌즈(n)와 거울(o)사이 또는 원통형 렌즈(p)와 조사 대상물 사이에 삽입되는 것이 바람직하다(도 10 참조).
상기 광학 시스템이 겹눈형 플라이-아이 렌즈에만 사용되고 어떠한 빔 확장기도 사용하지 못하므로, 레이저빔의 에너지 효율을 저감을 방지하기 위해서는 하나의 구성이 가장 적합하다.
명백하게는, 본 실시예는 도 9 의 광학 시스템의 경우와 같이 빔 확장기를 포함하는 구성을 사용할 수 있다.
광학 시스템으로부터 출력된 레이저빔은 선형 빔으로 형성되며, 조사 표면 상에 300 mm × 0.4 mm 의 빔 영역을 갖는다(빔의 폭은 조사 에너지 프로파일의 1/2 폭으로서 정의한다). 광학 시스템으로부터 출력된 레이저빔의 에너지는 최대로 1,000 mJ/쇼트이다.
임의의 광학 시스템은 레이저빔을 본 발명에서 필요로 하는 형상을 갖는 빔으로 변형시킬 수 있는 한 사용될 수 있다.
도 12 에 도시된 바와 같이, 레이저 광선 조사는 선형 레이저빔이 조사 대상물에 대해 상대적으로 이동하면서 실행된다. 상기 레이저빔(실제로는 기판이 이동함)은 레이저빔의 종방향(즉, 도 10 의 방향 r)에 거의 수직으로 이동한다.
다음으로, 도 4A 및 4B 를 참조하여, 조사 표면상에서 선형 레이저빔의 폭 방향의 에너지 밀도 프로파일에 대해 설명한다.
본 실시예에서, 조사 표면상의 선형 레이저빔의 폭 방향의 에너지 밀도 프로파일은 슬릿을 사용하여 형성된다. 도 4A 에 도시된 통상적으로 사용되는 사각형 에너지 밀도 프로파일보다는 오히려 도 4B에 도시된 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일이 사용된다.
조사 표면상의 폭 방향으로 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖는 레이저 빔은 사각형 에너지 밀도 프로파일을 갖는 레이저빔보다 다음과 같은 장점을 갖는다:
1) 초점 심도; 및
2) 1회의 스캐닝으로 종래의 2-단계 조사에 의해 얻은 것과 동등한 효과를 제공한다.
현재, 레이저빔의 폭 방향으로 통상적으로 사용되는 에너지 밀도 프로파일은 도 4A 에 도시된 직사각형 프로파일이다. 직사각형 레이저빔은 조사 표면 상에 큰 에너지 밀도를 제공하지만, 좁은 초점 심도, 구체적으로 ±1200 μm 미만의 초점 심도를 갖는 경향이 있다. 따라서, 조사 표면의 애스퍼리티 또는 언듈레이션을 갖는 경우, 직사각 레이저빔은 사다리꼴 레이저빔에 비해 불균일한 결정성 분포를 유발하기 쉽다. 복수 개의 박막 트랜지스터가 이와 같이 불균일한 결정성 분포를 갖는 결정질 실리콘 막을 사용하여 형성된 경우, 이들은 불균일한 임계 전압(Vth)을갖게된다.
한편, 도 4B 에 도시된 에너지 밀도 프로파일은 레이저빔의 폭 방향으로, 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L2 를 만족시켜야 한다.
이러한 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖는 레이저빔은 보다 넓은 초점 심도, 구체적으로는 약 ±400 μm 의 초점 심도를 제공할 수 있다. 따라서, 조사 표면이 애스퍼리티 또는 언듈레이션을 갖더라도, 사다리꼴 레이저빔은 직사각 레이저빔보다 균일한 결정성 분포를 제공할 뿐만 아니라 결정화를 위해 충분히 큰 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
L2 (L3) > L1 의 관계를 갖는 사다리꼴 또는 삼각형 에너지 밀도 프로파일은 ±400 μm보다 넓은 초점 심도를 제공할 수 있다. 그러나, 이 경우, 초점 조정이 어렵고, 에너지 밀도가 낮다. 따라서, 생성된 실리콘 막은 결정도가 충분하지 못하게 되기 쉽고, 그래서, 소망의 이동성이 얻어지지 못하게된다.
따라서, 선형 레이저빔이 상기 부등식을 만족시키고 넓은 초점 심도를 갖는 사다리꼴 프로파일의 폭 방향의 에너지 밀도 프로파일에 의해, 애스퍼리티, 휨, 왜곡, 굽힘 등을 갖는 기판 같이 큰 높이 편차를 갖는 조사 표면에 적용되는 경우, 광선 빔 에너지는 조사 표면을 보다 균일하여 종래의 직사각 에너지 밀도 프로파일을 갖는 레이저빔을 사용하는 경우 보다 균일한 결정성 분포를 갖는 실리콘 막을 제공한다.
본 실시예에서, 조사 표면상의 레이저빔의 폭 방향의 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 제공하기 위해, 렌즈(p)의 위치를 수직으로 변화시킨다(도 10의 s 방향).
조사 표면상의 레이저빔의 에너지 밀도 프로파일은 조사 표면을 렌즈(p)에 대해 수직으로(도 10의 s 방향) 이동시킴으로써 직사각형에 근접하는 프로파일로부터 사다리꼴에 근접하는 프로파일로 변화될 수 있다.
본 실시예에서, 도 4B 를 참조하면, 선형 레이저빔의 폭 방향의 에너지 밀도 프로파일이 L1 = 0.4mm 및 L2 = L3 = 0.25mm 인 사다리꼴 프로파일이다. 이러한 프로파일은 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시킨다.
이러한 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장 정도는 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리에 의존한다. 레이저 처리 동안, 광학 시스템의 최종 렌즈와 조사 표면사이의 거리는 조사 표면(대상물)의 높이에 따라 변화된다. 레이저 빔 사다리꼴 프로파일의 기저부의 확장도는 그에 따라 변화된다. 그러나, 편차 범위가 상기 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1의 범위에 속하는 경우, 초점 심도는 충분히 넓으며, 이는 균일한 레이저 광선 처리를 가능케 한다. 본 명세서에 사용되는 "균일한" 이라는 용어는 기판 영역 내의 레이저 광선 조사된 막의 이동성 편차가 ±10% 내에 속하는 것을 의미한다.
유리 기판(101)은 스테이지 상에 놓이며, 조사는 스테이지가 2.5 mm/s로 이동하는 동안 효과적으로 행해진다.
레이저 광선 조사 조건은 레이저 광선 에너지 밀도가 100 내지 500 mJ/cm2(본 실시예에서 400 mJ/cm2)이고, 펄스 속도는 200 펄스/s가 되도록 설정된다. 본 명세서에 사용된 "에너지 밀도" 라는 용어는 사다리꼴 레이저빔 프로파일의 상부 베이스 부분(최대 수치를 가짐)의 밀도를 의미한다.
레이저 광선 조사가 상기 조건하에 실행되는 경우, 시료의 임의의 지점은 32-단계 조사가 이루어진다. 즉, 빔은 임의의 지점을 통해 0.4 초 통과하기 때문에, 그 지점은 1회의 스캐닝 동안 32 빔 펄스로 조사된다. 최상의 결정성을 갖는 실리콘 풀림의 3 내지 100 단계, 바람직하게는 10 내지 40 단계의 레이저 광선 조사에 의해 얻어질 수 있다.
본 실시예에서, 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖는 선형 레이저빔은 중첩하면서 레이저빔의 폭 방향(즉, 수직 방향에 대해 수직으로)의 기판에 대해 이동하면서 기판에 적용된다. 레이저빔 에너지 밀도 프로파일은 경사된 부분을 갖기 때문에, 조사 표면 상의 임의의 지점이 약한 레이저빔에 의해 먼저 조사된 후, 레이저빔의 세기가 점진적으로 증가한 후, 레이저빔의 세기가 점진적으로 감소한다. 따라서, 조사 작용이 완료된다.
도 5 는 이러한 조사 작용을 개략적으로 나타낸다. 레이저 광선 에너지는 조사 작용의 초기 절반(도 5의 문자 A로 나타냄)에 점진적으로 증가하고, 후기 절반(도 5 의 문자 B 로 나타냄)에 점진적으로 감소한다.
따라서, 상기 사다리꼴 에너지 밀도 프로파일을 갖는 선형 레이저빔을 사용함으로써, 조사 영역에 공급되는 에너지의 편차는 종래의 직사각 에너지 밀도 프로파일을 갖는 선형 레이저빔을 사용하는 경우보다 훨씬 더 커지게 된다.
낮은 에너지 밀도의 레이저 광선이 먼저 적용된 후(예비 조사), 보다 큰 에너지 밀도의 레이저 광선이 적용되는(주 조사) 경우의 2-단계 조사에 의해 얻어진 것과 동등한 결과를 제공한다.
결과적으로, 본 실시예는 레이저-광선 조사된 실리콘 막에서의 갑작스런 상 변화를 방지하여, 표면의 거칠음 및 내부 스트레스의 축적을 방지한다. 따라서, 균일한 결정성 분포가 얻어질 수 있다.
레이저 광선 조사로 인한 기판 표면의 온도의 증가 및 감소 속도를 저하시키기 위해, 기판의 온도를 레이저 광선 조사 동안 500℃로 유지시켜서 조사 대상물의 균일성의 저하를 감소시킨다. 기판의 온도는 실온으로부터 유리 기판의 스트레인 지점까지의 범위에서 레이저 어닐링시키기에 적합한 수치로 설정한다.
공기중에서의 조사 실행과 같은 특정한 분위기 제어는 본 실시예에서는 실행하지 않았다. 또한, 조사는 진공에서, 아르곤 또는 헬륨 등의 불활성 기체의 분위기에서, 또는 수소, 질소 등의 분위기에서 실행될 수 있다(도 13B 참조).
이렇게 얻어진 결정질 실리콘 막은 유리기판(101)이 휘어진다는 사실에도 불구하고, 균일한 결정성 분포를 갖는다.
이 후, TFT 가 제 3 실시예와 동일한 방식으로 형성된다. 관련된 제조 공정에서, 도 1 의 레이저 어닐링 장치가 불순물 이온 이식 후에 결정성의 회복 단계에서와 마찬가지로 사용된다.
유리 기판(101)이 휘어졌더라도, 생성된 TFT는 기판 영역 내에 ±5% 편차의 임계 전압을 가지며 즉, 임계 전압은 매우 균일하다. 대조적으로, 선형 레이저 빔의 폭 방향의 에너지 밀도 프로파일이 현재 통상적으로 사용되는 직사각형 프로파일로 이루어진 경우, TFT의 임계 전압은 기판의 중심 부분과 주변 부분 사이에서 훨씬 더 상이하다. 이 경우, 기판 영역의 임계 전압 편차는 ±15% 내지 ±20% 로 된다.
또한, 본 실시예에 따라, 레이저 어닐링 장치의 레이저 광원의 수명은 2개의 플라이-아이 렌즈를 사용하는 경우에 비해 5 내지 10 % 연장된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 코팅의 결정화에 있어서의 생산성 뿐만아니라 반도체 코팅의 결정성의 균일 정도를 개선시킨다.
본 발명은 넓은 초점 심도를 제공할 수 있고, 균일한 레이저 어닐링이 큰 애스퍼리티 (±400 μm 미만)을 갖는 막 상에서 형성되도록 한다.
본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 임의의 유형의 레이저 처리에 적용할 수 있다. 특히, 반도체 장치로서 TFT를 제조하는 데 있어서, 본 발명은 TFT의 임계 전압의 기판 영역에서 균일성을 개선시킴으로써 이들의 특성중 균일성을 개선시킨다. 또한, 본 발명이 TFT의 소스 및 드레인에 주입된 불순물 성분을 활성화시키는 단계에서 사용되는 경우, 전기장의 기판 영역의 균일성, TFT의 이동성 또는 온-전류가 개선된다.
또한, 레이저 어닐링 장치에 겹눈형 플라이-아이 렌즈를 사용함으로써 빛의 손실량을 수직 확장 및 수평 확장을 위해 2 개의 플라이-아이 렌즈를 사용하는 경우를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 레이저빔 에너지의 손실이 크게 감소되고, 즉 에너지 효율이 개선된다. 이는 실리콘 막의 우수한 레이저 어닐링 및 결정화를 제공하고, 레이저 광원의 수명을 연장시킨다.

Claims (31)

  1. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 빔 확장기로 확장 및 형태화하는 단계와;
    상기 확장 및 형태화된 레이저빔을 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈로 선형 레이저빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써 선형 레이저빔이 상기 조사 표면상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 상기 조사 표면으로부터 -400μm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  2. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 빔 확장기로 확장 및 형성하는 단계와;
    상기 확장 및 형태화된 레이저빔을 겹눈형 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    상기 확장된 레이저빔의 크기를 슬릿으로 감소시키면서, 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈로 선형 레이저빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써 선형 레이저빔이 조사 표면상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -4OOμm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  3. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈로 선형 레이저빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써 선형 레이저빔이 조사 표면상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -400μm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  4. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 겹눈형 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    슬릿으로 상기 확장된 레이저빔의 크기를 감소시키면서 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈로 선형 레이저빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써 선형 레이저빔이 조사 표면상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -4OOμm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 최대 에너지가 1 이고, L1 은 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 은 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 주변부들을 차지한다고 가정하면, 상기 유사 사다리꼴 에너지 프로파일은 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  6. 펄스 레이저 광원으로부터 방사된 선형 레이저빔을 반도체 코팅부인 조사 표면에 조사하는 레이저 어닐링 방법에 있어서,
    최대 에너지가 1 이고, L1 은 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 은 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 개의 주변부를 차지한다고 가정하면, 상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -400μm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐, 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  7. 선형 레이저빔 및 조사 표면이 선형 레이저빔의 폭 방향으로 서로 상대적으로 이동하면서, 레이저 광원으로부터 방사된 선형 레이저빔을 반도체 코팅부인 조사 표면에 복수회 조사하는, 레이저 어닐링 방법에 있어서,
    최대 에너지가 1 이고, L1 은 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 은 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 빔 폭의 2 주변부들을 차지한다고 가정하면, 상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로 부터 -4OOμm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐, 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 선형 레이저빔은 엑시머 레이저빔인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반도체 코팅부는 유리 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반도체 코팅부는 결정질 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반도체 코팅부는 비정질 실리콘 막인것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  12. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반도체 코팅부는 박막 트랜지스터가 형성되는 위치에 놓이도록 패터닝 비정질 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  13. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 조사 표면은 약 ±400μm 이내의 애스퍼리티(asperities)를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 선형 레이저빔은 조사 표면상의 각 지점들에 복수회 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  15. 펄스 레이저저빔을 생성하기 위한 펄스 레이저빔 생성 수단과,
    상기 생성된 레이저빔을 확장하는 빔 확장기와;
    확장된 레이저빔을 제 1 방향 및 제 2 방향으로 단면적으로 확장하기 위한 겹눈형 플라이-아이 렌즈와;
    단면적으로 확장된 레이저빔을 선형 레이저빔으로 수렴시키기 위한 제 1 원통형 렌즈와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 개선시키기 위한 제 2 원통형 렌즈; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 대상물을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키기 위한 스테이지를 포함하며;
    상기 제 1 및 제 2 방향은 서로에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 펄스 레이저빔 생성 수단은 엑시머 레이저빔 생성 수단인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  17. 레이저빔을 생성하는 레이저빔 생성 수단과;
    상기 레이저빔을 제 1 방향 및 제 2 방향으로 단면적으로 확장하기 위한 겹눈형 플라이-아이 렌즈와;
    상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 선형 레이저빔으로 수렴시키기 위한 제 1 원통형 렌즈와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 개선시키기 위한 제 2 원통형 렌즈; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 대상물을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키기 위한 스테이지를 포함하며;
    상기 제 1 및 제 2 방향은 서로에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  18. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 조사 대상물은 비정질 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  19. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 조사 대상물은 결정질 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  20. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 조사 대상물은 불순물 이온들이 주입된 결정질 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 레이저빔 생성 수단은 엑시머 레이저빔 생성 수단인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  22. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 선형 레이저빔의 주변부를 제거하기 위해, 제 1 원통형 렌즈의 하부에 위치하는 슬릿을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  23. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 겹눈형 플라이-아이 렌즈는 각각 다각형 단면 형태를 갖는 복수 개의 볼록 렌즈들이 평면 형태로 규칙적으로 인접 배열되도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 볼록 렌즈들 각각은 사각형 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 블록 렌즈들 각각은 직사각형 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 볼록 렌즈들 각각은 육각형 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  27. 펄스 레이저 광원으로부터 방사된 선형 레이저빔을 반도체 코팅부인 조사 표면에 조사하는 레이저 어닐링 방법에 있어서,
    최대 에너지가 1 이고, L1 은 0.95 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이고, L1 + L2 + L3 은 0.70 의 에너지를 갖는 2 지점들의 빔 폭이며, L2 및 L3 은 상기 빔 폭의 2 주변부를 차지한다고 가정하면, 상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -4O0μm 내지 +400μm 범위의 초점 심도에 걸쳐, 부등식 0.5L1 ≤ L2 ≤ L1 및 0.5L1 ≤ L3 ≤ L1 을 만족시키는 폭 방향의 에너지 프로파일을 갖고,
    상기 조사 표면은 ±400μm 범위의 애스퍼리티를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  28. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 빔 확장기로 확장 몇 형태화하는 단계와;
    상기 확장 및 형태화된 레이저빔을 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈에 의해 선형 레이저 빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써 선형 레이저빔이 조사 표면상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 션형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 조사 표면으로부터 -400μm 내지 +400μm 범위의 심도에 걸친 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖고,
    상기 조사 표면은 ±400μm 범위의 애스퍼리티를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  29. 엑시머 레이저빔을 생성하는 단계와;
    상기 엑시머 레이저빔을 빔 확장기로 확장 및 형태화하는 단계와;
    상기 확장 및 형태화된 레이저빔을 플라이-아이 렌즈로 단면적으로 확장하는 단계와;
    상기 단면적으로 확장된 레이저빔을 제 1 원통형 렌즈로 선형 레이저빔으로 수렴시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 종방향 균일성을 제 2 원통형 렌즈로 개선시키는 단계와;
    상기 선형 레이저빔의 초점에 대해 조사 표면의 위치를 조절함으로써, 선형 레이저빔이 적어도 채널 형성 영역을 규정하는 반도체 코팅부의 조사 표면 상에서 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖게 하는 단계; 및
    상기 선형 레이저빔에 관련된 조사 표면을 선형 레이저빔의 종방향에 근사적으로 수직으로 이동시키는 단계를 포함하며;
    상기 선형 레이저빔은 상기 반도체 코팅부의 조사 표면으로부터 -400μm 내지 +400μm 범위의 심도에 걸쳐 유사-사다리꼴 에너지 프로파일을 갖고,
    상기 레이저는, 3σ에서 ±3% 내에 속하는 엑시머 레이저 펄스들의 에너지 편차를 갖는 엑시머 레이저로서, 각각 엑시머 레이저 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  30. 제 2 항에 있어서, 상기 겹눈형 플라이-아이 렌즈는 레이저 빔을 제 1 방향 및 제 2 방향으로 단면적으로 확장하고, 상기 제 1 및 제 2 방향은 서로에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  31. 제 4 항에 있어서, 상기 겹눈형 플라이-아이 렌즈는 레이저 빔을 제 1 방향및 제 2 방향으로 단면적으로 확장하고, 상기 제 1 및 제 2 방향은 서로에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
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