KR100531413B1 - 실리콘 결정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투과부 및 차단부의 폭을 크게한 마스크를 이용하여 레이저 조사 공정을 진행하여 그레인 경계부의 융기(grain boundary protrusion) 현상을 감소시켜 소자 성능을 향상시키고 공정 또는 장비의 마진(margin)을 확보할 수 있는 비정질 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실리콘 결정화 방법은 비정질 실리콘층이 형성된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에, 조사 후 조사 부위의 양측에서 측면 성장하는 단결정들이 서로 만나지 않고 상기 단결정들 사이에 소핵 형성(nucleation)부를 가질 수 있는 투과부 및 차단부를 갖는 마스크를 위치시키는 단계와, 상기 마스크를 이용하여 완전 용융 에너지(complete melting energy)로 상기 비정질 실리콘층을 조사하여 조사 부위의 양측의 단결정들과 상기 단결정들 사이의 소핵 형성부를 형성하는 단계와, 상기 소핵 형성부를 완전 용융 근접 에너지(near complete melting energy)로 조사하여 소핵 형성부 내 소핵을 씨드로 하여 상기 단결정들에 연결되는 결정을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.

Description

실리콘 결정화 방법{Crystallization Method of Silicon}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로 특히, 투과부 및 차단부의 폭을 크게한 마스크를 이용하여 레이저 조사 공정을 진행하여 그레인 경계부의 융기(grain boundary protrusion) 현상을 감소시켜 소자 성능을 향상시키고 공정 또는 장비의 마진(margin)을 확보할 수 있는 비정질 실리콘의 결정화 방법에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 표시장치에 대한 요구도 다양한 형태로 점증하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 여러 가지 평판 표시 장치가 연구되어 왔고 일부는 이미 여러 장비에서 표시장치로 활용되고 있다.
그 중에, 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력을 장점으로 인하여 이동형 화상 표시장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송신호를 수신하여 디스플레이 하는 텔레비전, 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.
이와 같이 액정표시장치가 여러 분야에서 화면 표시장치로서의 역할을 하기 위해 여러 가지 기술적인 발전이 이루어 졌음에도 불구하고 화면 표시장치로서 화상의 품질을 높이는 작업은 상기 장점과 배치되는 면이 많이 있다.
따라서, 액정표시장치가 일반적인 화면 표시장치로서 다양한 부분에 사용되기 위해서는 경량, 박형, 저 소비전력의 특징으로 유지하면서도 고정세, 고휘도, 대면적 등 고품위 화상을 얼마나 구현할 수 있는가에 발전의 관건이 걸려 있다고 할 수 있다.
이와 같은 액정표시장치는, 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있으며, 상기 액정 패널은 일정 공간을 갖고 합착된 제 1, 제 2 유리 기판과, 상기 제 1, 제 2 유리 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 유리 기판(TFT 어레이 기판)에는, 일정 간격을 갖고 일방향으로 배열되는 복수개의 게이트 라인과, 상기 각 게이트 라인과 수직한 방향으로 일정한 간격으로 배열되는 복수개의 데이터 라인과, 상기 각 게이트 라인과 데이터 라인이 교차되어 정의된 각 화소영역에 매트릭스 형태로 형성되는 복수개의 화소 전극과, 상기 게이트 라인의 신호에 의해 스위칭되어 상기 데이터 라인의 신호를 상기 각 화소전극에 전달하는 복수개의 박막트랜지스터가 형성된다.
그리고 제 2 유리 기판(칼라필터 기판)에는, 상기 화소 영역을 제외한 부분의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층과, 칼라 색상을 표현하기 위한 R,G,B 칼라 필터층과 화상을 구현하기 위한 공통 전극이 형성된다.
이와 같은 상기 제 1, 제 2 유리 기판은 스페이서(spacer)에 의해 일정 공간을 갖고 액정 주입구를 갖는 실(seal)재에 의해 합착되어 상기 두 기판 사이에 액정이 주입된다.
이때, 액정 주입 방법은 상기 실재에 의해 합착된 두 기판 사이를 진공 상태로 유지하여 액정 용기에 상기 액정 주입구가 잠기도록 하면 삼투압 현상에 의해 액정이 두 기판 사이에 주입된다. 이와 같이 액정이 주입되면 상기 액정 주입구를 밀봉재로 밀봉하게 된다.
상기 일반적인 액정 표시 장치의 구동 원리는 액정의 광학적 이방성과 분극 성질을 이용한다. 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 갖고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자 배열의 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 상기 액정의 분자 배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자 배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의하여 상기 액정의 분자 배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상 정보를 표현할 수 있다.
현재에는 박막 트랜지스터와 상기 박막 트랜지스터에 연결된 화소 전극이 행렬 방식으로 배열된 능동 행렬 액정 표시 장치(Active Matrix LCD)가 해상도 및 동영상 구현 능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
이러한 박막 트랜지스터의 반도체층으로는 전계 효과 이동도가 높으며, 광 전류가 적어 다결정 실리콘이 주로 이용된다.
상기 다결정 실리콘의 제조 방법은 공정 온도에 따라 저온 공정과 고온 공정으로 나눌 수 있으며, 이 중 고온 공정은 공정 온도가 1000℃ 근처로 절연 기판의 변형 온도 이상의 온도 조건이 요구되어, 유리 기판은 내열성이 떨어지므로 열 저항력이 높은 고가의 석영 기판을 써야 된다는 점과, 이 고온 공정에 의한 다결정 실리콘 박막의 경우 성막시 높은 표면 조도(surface roughness)와 미세 결정립 등의 저품위 결정성으로, 저온 공정에 의한 다결정 실리콘보다 소자 응용 특성이 떨어진다는 단점이 있으므로, 저온 증착이 가능한 비정질 실리콘을 이용하여 이를 결정화시켜 다결정 실리콘으로 형성하는 기술이 연구/개발되고 있다.
상기 저온 공정은 레이저 열처리(laser annealing), 금속 유도 결정화(Metal Induced Crystallization) 등으로 분류할 수 있다.
이 중 레이저 열처리 공정은 펄스(pulse) 형태의 레이저 빔을 기판 상에 조사하는 방법을 이용하는데, 이 펄스 형태의 레이저 빔에 의하면 용융과 응고가 10~102 나노세컨드(nano second) 단위로 반복되어 진행되는 방식으로써, 하부 절연기판에 가해지는 데미지(damage)를 최소화시킬 수 있는 장점을 가져 저온 결정화 공정에서 가장 주목받고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 레이저 열처리 공정에 따른 실리콘의 결정화 방법에 대해서 설명한다.
도 1은 레이저 에너지 밀도별 비정질 실리콘의 입자의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 1과 같이, 비정질 실리콘의 결정화는 레이저 에너지의 세기에 따라 제 1, 제 2, 제 3 영역으로 분류할 수 있다.
제 1 영역은 부분 용융 영역(partial melting region)으로, 비정질 실리콘층의 표면만이 용융될 정도의 세기로 레이저 에너지가 비정질 실리콘층에 조사되는 영역이며, 상기 제 1 영역에서는 이러한 조사 후 비정질 실리콘층의 표면의 부분 용융이 이뤄지고, 고상화(solidification) 과정을 거쳐 상기 비정질 실리콘층 표면에 작은 결정 입자가 형성된다.
제 2 영역은 완전 용융 근접 영역(near-complete melting region)으로, 상기 제 1 영역보다 레이저 에너지 세기를 높여 비정질 실리콘층이 거의 용융될 정도로 레이저 에너지를 조사하는 영역이며, 용융 후 남아있는 작은 핵들을 씨드(seed)로 하여 결정을 성장시켜 제 1 영역에 비해 성장한 결정 입자를 얻을 수 있으나, 균일한 결정 입자를 얻기는 곤란하다. 여기서, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역에 비해 상당히 소폭이다.
제 3 영역은 완전 용융 영역(complete melting region)으로, 상기 제 2 영역보다 레이저 에너지 세기를 높여 비정질 실리콘층을 모두 용융시킬 정도로 레이저를 조사하는 영역이며, 비정질 실리콘층이 모두 용융된 후 고상화가 진행되어 균일한 결정 핵 생성(homogeneous nucleation)이 가능하여 조사 후, 미세한(fine) 균일 결정 입자로 이루어진 결정 실리콘층이 형성된다.
다결정 실리콘을 제조하는 공정에서는 제 2 영역대의 에너지 밀도를 이용하여 균일하게 조대한 결정 입자를 형성하기 위하여, 레이저 빔의 조사 횟수 및 중첩비를 조절한다.
그러나, 다결정 실리콘의 다수 개의 결정 입자 경계부는 전류 흐름의 장애요소로 작용하여 신뢰성 있는 박막 트랜지스터 소자를 제공하기 어렵고, 다수개의 결정 입자 내에서는 전자간의 충돌에 의한 충돌 전류 및 열화에 의해 절연막이 파괴되어 제품 불량을 초래하는 문제점을 갖고 있으므로, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 실리콘 결정 입자가 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서, 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 SLS(Sequential Lateral Solidification) 기술에 의해 단결정 실리콘을 형성하는 기술(Robert S. Sposilli, M.A. Crowder, and James S. Im, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.452, 956~957, 1997)이 제안되었다.
상기 SLS 기술에서는, 레이저 에너지 크기와 레이저 빔의 조사 범위 및 이동 거리(translation distance)를 적절히 조절하여, 실리콘 결정 입자를 소정의 길이만큼 측면 성장시킴으로써, 비정질 실리콘을 단결정 수준으로 결정화시킬 수 있다.
이러한 SLS 공정에 이용되는 조사 장치는 좁은 영역에 빔을 집중시키게 되므로 넓은 면적의 기판에 적층된 비정질 실리콘층을 동시에 다결정질로 변화시킬 수 없다. 따라서, 기판의 조사 위치를 변경시키도록, 비정질 실리콘층이 적층된 기판을 스테이지에 장착한 후, 소정 면적에 조사가 이루어진 후, 기판을 이동시켜 다음 면적을 조사시키는 방식으로 기판의 전 영역에 조사가 이루어지도록 한다.
도 2는 일반적인 SLS 조사 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2와 같이, 상기 SLS 조사 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 발생장치(1)와, 상기 레이저 발생장치(1)를 통해 방출된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(2)와, 기판(10)에 레이저 빔을 나누어 조사시키는 마스크(3)와, 상기 마스크(3)의 하부에 위치하여 상기 마스크(3)를 통과한 레이저빔을 일정한 비율로 축소하는 축소렌즈(4)로 구성된다.
상기 레이저빔 발생장치(1)는 엑시머 레이저(Excimer Laser)로서 308nm의 XeCl나 248nm의 KrF가 주로 이용된다. 상기 레이저 발생장치(1)는 가공되지 않은 레이저 빔(laser beam)을 방출시키며, 상기 방출된 레이저 빔은 어테뉴에이터(attenuator, 미도시)를 통과하여 에너지 크기를 조절한 후, 상기 집속렌즈(2)를 통해 조사되게 된다.
상기 마스크(3)에 대응되어 비정질 실리콘층이 증착된 기판(10)이 고정된 X-Y스테이지(5)가 위치한다.
이때, 상기 기판(10)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(5)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정 영역을 점진적으로 확대해 나가는 방법을 사용한다.
여기서, 상기 마스크(3)는 상기 레이저 빔을 통과시키는 투과부(A)와, 레이저 빔을 흡수하는 차단부(B)로 구분된다. 상기 투과부의 폭은 1회 노광시 형성되는 그레인의 측면성장 길이를 결정한다.
이하, 도 2의 일반적인 SLS 조사 장치를 이용한 종래의 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.
도 3은 종래의 레이저 열처리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 기판(20) 상에 버퍼층(21), 비정질 실리콘층(22)을 차례대로 형성한 후, 이 비정질 실리콘층(22)이 형성된 기판(20) 상에 투과부와 차단부가 순차 교차하는 마스크(미도시)를 배치한 후, 상기 비정질 실리콘층(22)에 레이저 조사 공정을 진행한다.
상기 비정질 실리콘층(22)은 일반적으로 화학 기상 증착법(CVD)등을 사용하여 기판(20)에 증착하게 되는데, 증착 직후 상기 비정질 실리콘층(22) 내에 수소를 많이 함유하고 있다. 수소는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정질 실리콘층(22)을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 진행한다. 이는, 수소를 미리 제거하지 않은 경우에는 결정화된 실리콘층의 표면이 매우 거칠어져 전기적으로 특성이 좋지 않기 때문이다.
도 4는 탈수소화 과정을 거치고 임의의 영역이 결정화된 비정질 실리콘층이 형성된 기판을 나타낸 평면도이다.
도 4와 같이, 레이저 빔의 빔폭과 마스크의 크기가 제한되어 있기 때문에, 레이저 빔(laser beam)을 이용한 결정화는 기판(20)의 전 면적에 동시에 이루어질 수 없다. 따라서, 기판의 사이즈가 대면적으로 갈수록 상기 하나의 마스크를 여러번 정렬하고, 그 때마다 결정화 과정을 반복함으로써 결정화가 이루어진다.
이 때, 상기 단일 마스크의 축소면적(C)만큼 결정화 된 영역을 한 블록이라 정의하면, 상기 한 블록내의 결정화 또한 다수의 레이저 빔 조사를 통해 이루어진다.
도 5는 도 2의 SLS 조사 장치를 이용하여 1회 조사 후, 투과부에 대응되는 비정질 실리콘층의 부위가 결정화된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5와 같이, 비정질 실리콘층(22)의 상부에 위치한 상기 마스크(미도시)를 통해 레이저 빔을 1회 조사한다. 이 때, 조사되는 레이저빔은 상기 마스크에 구성된 다수의 투과부(A)로 통과되어, 조사되는 부위의 비정질 실리콘층(22)이 녹아 액상화한다. 이와 같은 경우, 상기 레이저 에너지의 정도는 조사 부위의 상기 비정질 실리콘층이 완전히 녹을 정도의 고 에너지 영역대(complete melting region)를 사용한다.
이와 같이, 레이저 빔의 조사 후 비정질 실리콘 영역과 완전히 용융되어 액상화된 실리콘 영역의 계면(32)으로부터 조사 영역 쪽으로 실리콘 그레인(silicon grain)(33)의 측면성장이 진행된다. 그레인의 측면성장은 상기 계면(32)에 대해 수직하는 방향으로 일어난다.
비정질 실리콘층(22)의 투과부에 대응되는 조사되는 부위에서는 마스크의 투과부(A)의 폭이 상기 실리콘 그레인 성장 길이의 두배 보다 작으면, 상기 실리콘영역의 양측 계면에서 안쪽으로 수직하게 성장한 양측의 그레인은 중간지점(31)에서 부딪히게 되면서 성장을 멈추게 된다.
이러한 1회 조사를 통한 결정화 공정으로, 상기 마스크(도 2의 3)에 구성한 투과부(A)의 수만큼 한블럭 내에 결정화된 영역이 발생한다.
이어, 실리콘 그레인을 더욱 성장시키기 위해서는 상기 기판이 형성된 스테이지를 이동시켜 상기 조사된 부위에 인접한 영역을 조사하여 상기 1회 노광에서 형성된 결정에 연결되는 결정을 형성한다. 마찬가지로, 조사시 순간적으로 완전히 용융된 조사 부위는 양측으로부터 측상으로 결정이 형성된다. 일반적으로 레이저 조사 공정으로 진행되는 인접한 조사부와 연결된 결정성장의 길이는 일반적으로 1.5 내지 2㎛의 길이로 성장하게 된다.
이와 같은 공정을 다수 반복하여, 도 4에 도시한 바와 같이 한블럭(C)에 해당하는 비정질 실리콘층을 결정화할 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 실리콘 결정화 방법은 마스크의 투과부(A)가 차단부(B)에 비해 상대적으로 폭이 작기 때문에, 한 블록의 영역을 결정화하기 위해 스테이지가 여러번 미소 이동함으로써 결정화되는 방법이므로, 상기 마스크 또는 스테이지를 이동하는 총 소요시간이 전체 결정화 공정시간에 대해 큰 비중을 차지하게 되어 공정 수율이 감소하는 원인이 된다.
이하, 차단부의 폭을 줄여 투과부와 대등한 수준으로 형성한 종래의 마스크와 이를 이용하여 레이저 조사시 결정화 상태를 살펴본다.
도 6은 종래의 SLS 조사 장치에 이용되는 다른 형상의 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 6과 같이, 종래의 SLS 장비에 이용되는 마스크(40)는 가로 방향으로 형성된 투과부(A)와 차단부(B)가 교차하여 나타난다. 이러한 투과부(A)와 차단부(B)의 폭 크기는 조절 가능하다. 도 6에는 투과부(A)가 차단부(B)와 거의 대등한 폭으로 도시되어 있는데, 이 경우 1회 조사에서 노광되지 않는 영역을 2회 조사에서 노광하는 방식으로 한 블록에 대해 2 회 노광으로 결정화가 가능하다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 마스크를 이용하여 비정질 실리콘층을 전 영역을 조사 후 결정화된 상태를 나타낸 평면도이며, 도 8은 조사 부위의 결정화된 후 측면 성장된 결정이 만났을 때 형성되는 융기부를 나타낸 단면도이다.
도 7a와 같이, 도 6의 마스크를 이용하여 전술한 SLS 조사 장치를 통한 결정화 공정 진행시 비정질 실리콘의 1회 노광 영역을 제 1 결정부(Ia)라 하고, 제 2 노광 영역을 제 2 결정부(Ib)라 하면, 마스크의 투과부(A) 및 차단부(B)의 패턴 형상과 같이, 이러한 제 1 결정부(Ia)와 제 2 결정부(Ib)가 서로 교차하여 형성되는 것을 알 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 결정부(Ia)와 제 2 결정부(Ib)의 인접한 영역의 결정은 서로 연결되는 형상을 취할 수 있게 되며, 이 때의 연결된 결정의 사이즈로 그레인의 측면 성장 결정 길이(Lateral growth grain size)가 결정된다.
도 7b는 조사 후 고상화가 완료된 후를 나타낸 것으로, 화살표로 표시된 간격으로 측면 성장된 단일 결정이 형성됨을 알 수 있다.
여기서, D는 용융된 후 고상화가 진행시 측면 성장된 결정들이 충돌하는 부분으로 도 8의 단면도에서 나타난 바와 같이, 성장된 결정들이 융기(protrusion)되어 나타남을 알 수 있다. 실제 결정화된 실리콘층(82)의 두께가 500Å인데, 융기되어 올라간 부분의 높이가 500Å 정도로, 상기 결정화된 실리콘(82)을 반도체층으로 이용시 박막 트랜지스터의 신뢰성이 떨어지는 문제가 발생하게 된다.
상기와 같은 종래의 실리콘 결정화 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
결정을 측상 성장시키는 SLS(Sequential Lateral Solidification) 기술의 가장 큰 특징은 포토(photo) 공정처럼 마스크를 이용한다는 점이다. 따라서, 노광 장치와 마찬가지로 광학계의 해상도(Resolution)와 부가적으로 1회 노광시 한 쪽 측면에서 성장하는 결정(SLG: Super Lateral Growth)의 길이와 조사부 중앙에 형성되는 소핵 형성(nucleation)부의 유무에 따라 마스크의 패턴에 제약을 가진다.
레이저 조사로 측상 성장하는 단결정의 길이를 최대화하기 위해 마스크의 투과부 폭을 조사시 일측면에서 형성되는 결정 길이(SLG)의 2배보다 작게 형성하면, 조사 부위의 중앙에 양측에서 형성되어온 결정들이 충돌하여 융기부가 형성되고, 반대로 마스크의 투과부 폭을 조사시 일측면에서 형성되는 결정 길이의 2배보다 크게 형성하면 조사 부위의 양측에서 성장된 결정이 만나지 않게 되고, 중앙에 소핵 형성부가 형성된다. 상기 융기부는 박막 트랜지스터의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있으므로 이를 제거할 필요가 있으며, 소핵 형성부는 형성된 부위에서 전하 이동도가 타 결정 영역보다 확연히 떨어지므로, 결정화 공정 후 임의적으로 소핵 형성부가 채널 영역으로 이용될 경우 문제가 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 투과부 및 차단부의 폭을 크게한 마스크를 이용하여 레이저 조사 공정을 진행하여 그레인 경계부의 융기 현상을 감소시켜 소자 성능을 향상시키고 공정 또는 장비의 마진을 확보할 수 있는 실리콘의 결정화 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 결정화 방법은 비정질 실리콘층이 형성된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상의 비정질 실리콘층에 레이저 빔을 조사 후 조사 부위의 양측에서 측면 성장하는 단결정들이 서로 만나지 않고 상기 단결정들 사이에 소핵 형성(nucleation)부를 가질 수 있는 투과부 및 차단부를 갖는 마스크를 위치시키는 단계와, 상기 마스크를 이용하여 완전 용융 에너지(complete melting energy)로 상기 비정질 실리콘층을 조사하여 조사 부위의 양측의 단결정들과 상기 단결정들 사이의 소핵 형성부를 형성하는 단계와, 상기 소핵 형성부를 완전 용융 근접 에너지(near complete melting energy)로 조사하여 소핵 형성부 내 소핵을 씨드로 하여 상기 단결정들에 연결되는 결정을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사부위는, 완전 용융 에너지로 1회 조사 후 비정질 실리콘에서 측상으로 성장하는 단결정의 길이보다 큰 폭을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사 부위는, 1회 조사 후 상기 비정질 실리콘에서 성장하는 단결정 길이의 2배보다 5% 내지 20%의 큰 폭을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 차단부는 상기 투과부 간격에 비해 같거나 큰 폭을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사 부위의 폭은 2.6㎛ ~ 3.0㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 완전 용융 에너지는 SLS(Sequential Lateral Solidification) 장비를 이용하여 인가함을 특징으로 한다.
상기 완전 용융 근접 에너지는 ELA(Excimer Laser Annealing) 장비를 이용하여 인가함을 특징으로 한다.
상기 완전 용융 근접 에너지의 조사는 기판 전 영역에 고르게 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 기판은 스테이지에 고정시킨 후, 상기 스테이지를 이동시켜 마스크로 대응되어 조사되는 부위를 가변시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실리콘 결정화 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 실리콘 결정화 방법에 이용되는 SLS 조사 장치의 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 9와 같이, 본 발명의 실리콘 결정화 방법은 SLS 조사 장치에서 투과부(E) 및 차단부(F)의 폭을 키운 마스크를 이용하며, 상기 투과부(E) 및 차단부(F)의 폭이 늘어난 정도는 1회 조사시 조사 영역의 양측에서 측상 형성된 단결정들이 서로 만나는 것이 가능한 최대 마스크의 폭보다 5 % 내지 20% 크도록 한다.
현재, 조사 영역의 측상 형성된 단결정이 만나는 것이 가능한 최대 마스크의 폭은 2.5㎛이므로, 본 발명에서 적용하는 SLS 조사 장치의 마스크(100)는 비정질 실리콘층이 형성된 기판 기준으로 2.5㎛보다 5% 내지 20% 큰 2.6㎛ 내지 3.0㎛의 조사 영역을 갖는 것이다. SLS 조사 장치에 마스크 하부에 축소 렌즈가 위치함을 감안할 때, 축소 렌즈의 축소 비에 따라 상기 마스크의 패턴은 상기 2.6㎛ 내지 3.0㎛ 값에 해당 축소 비를 곱한 값으로 투과부(E) 및 차단부(F)의 폭을 형성하면 된다.
즉, SLS 조사 장치에 일반적인 5배 축소 렌즈가 이용되었을 경우, 실제 비정질 실리콘층에 조사되는 조사 영역은 상기 마스크의 투과부(E)의 폭의 1/5 영역이므로, 상기 조사 영역이 본 발명에서는 2.6㎛ 내지 3.0㎛이므로, 실제 마스크의 투과부 및 차단부의 폭은 13㎛ 내지 15㎛ 정도의 사이즈로 형성할 수 있다.
본 발명에서는 마스크(100)의 투과부(E)를 통해 완전 용융 에너지(complete melting energy) 밀도로 레이저 조사가 이루어지도록 하여, 비정질 실리콘층의 해당 조사 부위가 단결정이 만날 수 있는 범위를 넘게 되어, 조사 영역의 양측면에서 성장하는 단결정들이 서로 만나지 않을 정도로 성장이 이루어지고, 조사 영역 중앙에 소핵 형성(Nucleation)부가 형성된다.
마스크(100)의 기판에 대응되는 축소 면적을 한 블록이라 하면, 본 발명의 마스크(100)는 차단부(F)가 투과부(E)에 비해 상대적으로 크다면, 1회 조사 후, 한 블록의 조사 영역외의 나머지 비조사 영역을 조사하기 위해 복수의 조사 공정이 이루어지므로, 본 발명의 마스크(100)는 차단부(F)의 폭을 투과부(E)와 거의 대등한 폭을 유지하도록 하여 2회 조사로 상기 마스크의 기판에 대응되는 축소 면적에 대한 결정화가 이루어지도록 한다. 실제 조사 공정에서 조사가 이루어진 영역보다 약간 크게 단결정의 측면 성장이 이루어지므로, 차단부(F)가 투과부(E)에 비해 같거나 소정 폭 크게 형성될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실리콘 결정화 방법을 나타낸 평면도이며, 도 11a 및 도 11b는 도 10a 및 도 10b의 투과부 중심부에 대응되는 비정질 실리콘의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 10a와 같이, 도 9의 마스크가 장착된 SLS(Seqential Lateral Solidification) 조사 장치를 이용하여 완전 용융 에너지(complete melting energy)로 1차 레이저 조사를 하면, 마스크의 하나의 투과부에 대응된 기판 상의 비정질 실리콘층의 조사 부위는 전체 용융되고, 액상화된 조사 부위와 비정질 상태의 계면에서부터 액상화된 조사 부위쪽으로 측상 결정이 성장되고, 양측에서 성장한 단결정들은 서로 만나지 않고, 조사 부위의 중앙부에서 소핵 형성부(N)가 형성된다.
도 10b와 같이, 기판 상의 비정질 실리콘층에 ELA(Excimer Laser Annealing) 장비(미도시)를 이용하여 전 영역 고루 완전 용융 근접 에너지(near complete energy)의 밀도로 2차 레이저를 조사하면, 형성되어 있는 단결정들은 용융되지 않고 그 형태를 유지하고, 소핵 형성부에서는 소핵들이 용융된 후, 상기 측상 형성된 상기 단결정들을 씨드로 하여 결정이 성장하게 된다.
따라서, 양측에서 성장된 단결정의 매스 트랜스포트(mass transport)가 발생하지 않은 상태에서, 완전 용융 근접 에너지를 인가한 후, 용융 후 고상화를 진행함으로써 먼저 형성된 단결정을 씨드로 하고 방사상으로 결정을 성장시키게 되므로 결정이 만나는 계면(S)에서 융기(protrusion) 현상을 급격히 감소시킬 수 있다.
이를 단면도로 살펴보면, 도 11a와 같이, 상기 투과부 및 차단부의 폭이 넓은 마스크를 이용하여 완전 용융 에너지로 1차 레이저 조사시 실리콘(112)은 양측면에서부터 결정화가 이루어지고, 중앙에서는 소핵 형성부(N)가 형성된다. 상술한 바와 같이, 조사부의 양측으로부터 단결정이 성장이 중앙으로 못미쳐 끝나기 때문에 소핵 형성부(N)의 매스 트랜스포트(mass transport)가 발생하지 않게 된다.
도 11b와 같이, 완전 용융 근접 에너지로 2차 레이저 조사를 실리콘층 상에 전 영역 고르게 진행하면 상기 소핵 형성부(N)의 소핵들이 용융된 후, 양측의 단결정으로부터 연결된 결정이 형성되는 고상화가 진행된다. 1차 레이저 조사 후, 매스 트랜스포트가 발생하지 않으며, 또한, 완전 용융 근접 에너지 후의 결정화는 방사상으로 이루어지므로, 상기 중앙부위에서 결정이 만나는 계면(S)에서 발생하는 융기 현상은 급격히 감소하게 된다.
도 12a 및 도 12b는 비정질 실리콘층의 전 영역에 일어나는 본 발명의 실리콘 결정화 방법을 나타낸 평면도이다.
도 12a와 같이, 도 9의 마스크를 이용하여 완전 용융 에너지로 조사하는 1차 레이저 조사 공정을, 1회 노광 후 스테이지를 이동시켜 2회 노광을 진행하여 비정질 실리콘이 형성된 기판 전 영역에 비조사 부위없이 고르게 진행한다. 도 10a와 마찬가지로, 측면 성장된 단결정들이 만나지 않는 부위에서 소핵 형성부(N)가 형성된다.
도 12b와 같이, 완전 용융 근접 에너지로 2차 레이저 에너지 조사 공정을 ELA 장비에서 마스크를 장착시키지 않고, 선형 빔 형태로 비정질 실리콘이 형성된 기판 전 영역에 고르게 진행하면, 상기 소핵 형성부(N)의 해당되는 부위의 소핵들이 용융화 후 형성되어 있던 단결정들을 씨드로 하여 결정이 성장하게 된다. 도 10b와 마찬가지로, 계면(S)에서는 융기 현상이 급격히 감소하여 완만한 상태를 나타내게 된다.
본 발명에서의 실리콘의 결정화 방법은 SLS(Sequential Lateral Solidification) 기술을 진행하고, SLS 조사 장치의 투과부 및 차단부의 폭을 5 내지 20%의 크기의 여유를 두어 제작하여 레이저 조사를 실시한다.
따라서, 측면 성장(lateral growth)된 두 영역이 만나지 못하게 되며 그 사이에는 자발적 핵 생성에 의해 작은 그레인(small grain)을 가지는 소 핵 형성부(Nucleation) 영역이 형성된다. 이어, 상기 소핵 형성부(Nucleation) 영역을 종래의 ELA(Excimer Laser Annealing) 장비를 이용하여 완전 용융 근접 에너지(near complete melting) 영역의 에너지로 조사하게 되면 뉴클레이에이션(nucleation) 영역이 측면으로 성장하여 연결되게 되어 그레인 경계부의 융기 현상을 급격히 감소시킬 수 있다. 이와 동시에 상기 완전 용융 근접 에너지로 조사시 그레인 내부의 디펙트 큐어링(defect curing)이 이루어질 수 있으며, 마스크의 투과부 및 차단부의 폭을 크게 형성함으로써, 광학계나 공정 측면에서 마진을 확보할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실리콘 결정화 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 마스크의 투과부 및 차단부의 폭을 1회 조사시 일측면에서 성장되는 그레인 길이의 2배보다 크게 성장시켜 경계부 융기가 감소된다. 따라서, 이러한 방법으로 제조된 결정화 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터 구성시 소자 특성이 향상된다.
둘째, 완전 용융 에너지로 1차 레이저 조사를 진행한 이후, 완전 용융 근접 에너지로 2차 레이저 조사를 진행하여 그레인 내부의 큐어링(curing) 효과로 결함이 감소한다.
셋째, 동일한 그레인 사이즈 형성시 마스크의 투과부 및 차단부의 폭을 키워 조사(shot) 수를 감소한다.
넷째, 마스크의 투과부 및 차단부의 폭을 키워 고해상도(high resolution)의 광학계가 요구되지 않는다.
다섯째, 상술한 효과로 공정 마진을 증가시킬 수 있다.
도 1은 레이저 에너지 밀도별 비정질 실리콘의 입자의 크기를 나타낸 그래프
도 2는 일반적인 SLS 조사 장치를 나타낸 개략도
도 3은 종래의 레이저 열처리를 개략적으로 나타낸 단면도
도 4는 탈수소화 과정을 거치고 임의의 영역이 결정화된 비정질 실리콘층이 형성된 기판을 나타낸 평면도
도 5는 도 2의 SLS 조사 장치를 이용하여 1회 조사 후, 투과부에 대응되는 비정질 실리콘층의 부위가 결정화된 상태를 나타낸 도면
도 6은 종래의 SLS 조사 장치에 이용되는 다른 형태의 마스크를 나타낸 평면도
도 7a 및 도 7b는 도 6의 마스크를 이용하여 비정질 실리콘층을 전 영역을 조사 후 결정화된 상태를 나타낸 평면도
도 8은 조사 부위의 결정화된 후 측면 성장된 결정이 만났을 때 형성되는 융기부를 나타낸 단면도
도 9는 본 발명의 실리콘 결정화 방법에 이용되는 SLS 조사 장치의 마스크를 나타낸 평면도
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실리콘 결정화 방법을 나타낸 평면도
도 11a 및 도 11b는 도 10a 및 도 10b의 투과부 중심부에 대응되는 비정질 실리콘의 상태를 나타낸 단면도
도 12a 및 도 12b는 비정질 실리콘층의 전 영역에 일어나는 본 발명의 실리콘 결정화 방법을 나타낸 평면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
100 : 마스크 110 : 기판
111 : 버퍼층 112 : 실리콘층
N : 소핵 형성(Nucleation)부 S : 단결정에 연결되는 양 결정의 계면

Claims (9)

  1. 비정질 실리콘층이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상부의 상기 비정질 실리콘층에 레이저 빔을 조사 후 조사 부위의 양측에서 측면 성장하는 단결정들이 서로 만나지 않고 상기 단결정들 사이에 소핵 형성(nucleation)부를 가질 수 있는 투과부 및 차단부를 갖는 마스크를 위치시키는 단계;
    상기 마스크를 이용하여 완전 용융 에너지(complete melting energy)로 상기 비정질 실리콘층을 조사하여 조사 부위의 양측의 단결정들과 상기 단결정들 사이의 소핵 형성부를 형성하는 단계;
    상기 소핵 형성부를 완전 용융 근접 에너지(near complete melting energy)로 조사하여 소핵 형성부 내 소핵을 씨드로 하여 상기 단결정들에 연결되는 결정을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 실리콘 결정화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사부위는, 완전 용융 에너지로 1회 조사 후 비정질 실리콘에서 측상으로 성장하는 단결정의 길이보다 큰 폭을 가진 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사 부위는, 1회 조사 후 상기 비정질 실리콘에서 성장하는 단결정 길이의 2배보다 5% 내지 20%의 큰 폭을 가진 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 차단부는 상기 투과부 간격에 비해 같거나 큰 폭을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 마스크의 투과부에 대응되는 기판 상의 조사 부위의 폭은 2.6㎛ ~ 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 완전 용융 에너지는 SLS(Sequential Lateral Solidification) 장비를 이용하여 인가함을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 완전 용융 근접 에너지는 ELA(Excimer Laser Annealing) 장비를 이용하여 인가함을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 완전 용융 근접 에너지의 조사는 기판 전 영역에 고르게 이루어짐을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 스테이지에 고정시킨 후, 상기 스테이지를 이동시켜 마스크로 대응되어 조사되는 부위를 가변시킴을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
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