KR100575235B1 - 레이저 광학계 및 이를 이용한 결정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리실리콘 결정화 방법 및 이에 적용되는 레이저 광학계에 관한 것으로써, 특히 복수의 레이저 발생부가 서로 연동하여 작동하는 레이저 광학계 및 이를 이용한 결정화 방법에 관한 것이다. 본 발명의 레이저 광학계는 복수개의 레이저 발생부, 감쇠기, 조준경 및 동질화기를 구비한다. 본 발명의 레이저 광학계는 복수개의 레이저 발생부가 일정한 시간 간격을 가지고 레이저를 발생시키고 이를 이용하여 타겟을 결정화 하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 시간간격을 제 1레이저 조사후 결정화가 완성되기 전에 제 2 레이저를 조사함으로써 용융시간을 길게하여 결정화되는 그레인의 크기를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

레이저 결정화, 복수개의 레이저 발생부

Description

레이저 광학계 및 이를 이용한 결정화 방법{OPTICAL SYSTEM USING LASER AND CRYSTALLIZATION METHOD USING THEREOF}

도 1은 조사되는 레이저 강도와 결정화되는 그레인의 크기와의 관계를 나타내는 그래프.

도 2는 종래의 레이저 광학계를 나타내는 모식도.

도 3은 종래의 레이저 결정화 방법을 나타내는 사시도.

도 4는 종래의 레이저 광학계에서 발생하는 레이저 펄스를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 레이저 광학계를 나타내는 모식도.

도 6은 본 발명의 레이저 광학계에서 발생하는 레이저 펄스를 나타내는 그래프.

도 7a및 7b는 본 발명의 레이저 광학계를 적용하고 ELA 방법에 의해 결정화를 나타내는 모식도.

도 8은 본 발명의 레이저 광학계에 의해 수평결정화되는 모습을 나타내는 모식도.

도 9 및 10은 본 발명에 의한 수평결정화되는 모습을 나타내는 모식도.

도 11은 본 발명의 액정표시소자를 나타내는 단면도.

도 12a~12d는 본 발명에 의한 박막트랜지스터 제조공정을 나타내는 수순도.

************도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**********

501a,501b:레이저 발생부 502:조준경

503:동질화기 504:투사렌즈

505:타겟 510:제어부

701:기판 702:버퍼층

703:액티브층 704:제 1 절연층

705:게이트 전극 706:제 2 절연층

707:소오스 전극 708:드레인 전극

709:화소전극 710:보호막

본 발명은 폴리실리콘 결정화 방법 및 이에 적용되는 레이저 광학계에 관한 것으로써 특히, 복수개의 레이저 발생부를 구비하는 레이저 광학계와 이를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법에 관한 것이다.

액정표시장치는 경박단소한 특성으로 인하여 오늘날 널리 사용되고 있다. 특히 오늘날에는 고속의 동작특성을 가지는 영상표시장치가 요구되고 고속의 동작이 가능한 영상표시장치를 개발하는 노력이 경주되고 있다.

액정표시장치에 있어서도 고속의 동작특성을 가지는 영상표시장치의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 그 중에서 액정표시장치의 동작특성을 결정할 수 있는 스 위칭 소자의 동작속도 개선에 많은 노력이 집중되고 있다.

액정표시소자의 스위칭 소자는 보통, 박막트랜지스터(Thin Film Transistor,TFT)가 주로 사용되고 있는데, TFT의 동작 속도를 결정하는 것을 채널을 구성하는 실리콘 박막의 성능에 크게 의존한다.

보통, TFT의 채널층으로는 비정질의 실리콘이 사용되는데, 비정질의 실리콘은 전기 전도도에 있어서 일정한 한계를 가지고 있다.

그러므로 종래의 비정질 실리콘보다 전기 이동도가 수십 배 내지 수백 배에 이르는 폴리실리콘을 채널로 적용하는 연구가 진행되고 있다.

폴리실리콘은 그 전기 이동도가 100cm²/Vsec 정도에 이르므로 전기이동도가 0.1 내지 0.2cm²/Vsec 인 비정질 실리콘에 비해 월등히 우수한 동작속도를 나타 낼 수 있다.

폴리실리콘을 형성하는 방법에는 비정질의 박막을 결정화하는 방법이 주로 사용되는데, 비정질 실리콘을 결정화하는 방법에는 비정질의 실리콘을 퍼니스(furnace)내에서 가열하는 방식이 적용되어 왔다. 그런데 상기 방법은 결정화 속도에 있어서 느린 문제점이 있다. 또한, 액정표시장치는 기판으로써 유리기판을 주로 사용하는데, 유리기판은 600℃이상에서 용융되므로 600℃이상의 고온에서 결정화가 이루어지는 가열방식은 유리를 기판으로 적용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법에는 적합하지 않다.

상기 문제를 해결하기 위하여 고안된 것이 레이저 결정화 방법인데, 레이저 결정화 방법은 국소부위에 고 강도의 레이저 에너지를 조사하여 순간적으로 비정질 실리콘층을 용융한 다음, 냉각하는 과정을 통하여 결정화를 유도하는 방법이다.

특히, 상기 레이저 결정화 방법은 유리가 용융되는 온도보다 낮은 저온에서 결정화가 가능하다. 상기 레이저 결정화 방법에 의해 비정질의 실리콘이 결정화되는 원리를 도 1을 통하여 간단히 살펴본다.

도 1은 비정질 실리콘에 조사되는 레이저 밀도와 결정화되는 입자의 크기와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1의 그래프와 같이, 비정질 실리콘의 결정화는 조사되는 레이저 에너지의 세기에 따라 제 1,2 3 영역으로 나눌 수 있다.

제 1영역은 부분 용융 영역(prartial melting region)으로, 비정질 실리콘층의 표면만이 용융될 정도의 세기로 레이저 에너지가 비정질 실리콘층에 조사되는 영역이다. 상기 제 1 영역에서는 레이저 조사에 의해 비정질 실리콘의 표면만이 부분 용융되고 고상화(solidification)과정을 거쳐 상기 비정질 실리콘층 표면에 작은 결정 입자가 형성된다.

제 2 영역은 완전 용융 근접 영역(near-complete melting region)으로, 상기제 1 영역보다 강한 레이저 에너지를 비정질 실리콘에 조사하여 비정질 실리콘층이 거의 용융되게 한다. 그러나 완전히 용융되지는 않는데, 용융되지 않고 남는 작은 핵들이 씨드(seed)로 작용하여 결정성장되며 제 1 영역에 비해 큰 결정 입자를 얻을 수 있다. 그러나 제 2 영역에서 성장하는 결정은 균일하지 못하며 또한 제 2 영역은 제 1 영역에 비해 그 폭이 상당히 작다.

제 3 영역은 완전 용융 영역(comlpete melting region)으로, 조사되는 레이저 에너지의 강도를 제 2 영역보다 높여 비정질 실리콘층을 모두 용융시킨다. 완전히 용융된 실리콘층은 냉각 과정을 거치면서 고상화가 진행되는데 이때 형성되는 결정은 균일한 핵 형성(homogeneous nucleation)이 가능하나 형성하는 입자가 매우 미세하다.

다결정 실리콘을 제조하는 공정에서 사용하는 레이저 강도 범위는 상기 제 2 영역으로 균일하고 조대한 결정을 얻기 위하여 레이저 빔의 조사 횟수 및 중첩비를 조절하여 결정화를 이룬다.

통상 엑시머 레이저가 레이저 광원으로서 사용되는데, 이러한 레이저의 강도가 제 2 영역의 레이저 강도로서 결정화되는 방법을 엑시머 레이저 어닐링(Eximer Laser Annealing,ELA)라 부른다.

특히 상기 ELA방법에 의한 결정화 과정을 살펴보면, 레이저 빔에 직접 노출되는 비정질 실리콘막의 표면에는 강한 레이저 에너지가 조사되지만 비정질 실리콘막의 하부에는 상대적으로 약한 레이저 에너지가 조사되기 때문에 표면은 완전 용융 상태가 되지만 하부는 완전히 용융되지 않고 남는 실리콘이 씨드(seed)로 작용하고 상기 씨드를 중심으로 결정화가 이루어져 결정이 성장하여 크고 작은 크기의결정을 만든다.

한편, 상기 결정화에 사용되는 레이저는 선형 빔 형태의 레이저인데, 상기 레이저를 발생시키는 레이저 광학계(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(201)과 상기 레이저 광원(201)에서 방사되는 레이저 광을 가로방향 및 세로방 향으로 모으는 조준경(telescope lenz)(202)과, 상기 조준경에 의해 조준된 레이저 광의 단면 프로파일을 일정하게 변형하는 동질화기(homogenizer)(203) 및 투사렌즈(rojection lenz)(204) 및 타겟(205)을 포함하여 형성된다.

그런데, 액정표시장치의 소자에 적용되는 폴리실리콘을 형성하기 위하여 적용되는 레이저는 주로 엑시머 레이저인데, 상기 엑시머 레이저를 사용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법을 도 3을 통하여 살펴본다. 도 3은 레이저 빔이 비정질 실리콘층에 조사되는 모습을 나타내는 모식도인데, 투사렌즈(301)에서 타겟물질(303)로 조사되는 엑시머 레이저 빔(302)은 일정한 길이와 넓이를 가지는 선형의 빔이다. 타겟물질이 형성된 기판은 엑시머 레이저 빔의 넓이 방향과 평행하게 움직이면서 결정화가 진행된다. 상기 레이저 빔은 빔의 폭이 수 ㎛에서 수백 ㎛일 수 있으나 육안으로 보기에는 선형의 가는 빔이다.

엑시머 레이저가 조사된 타겟 영역은 순간적으로 용융되어 결정화가 진행되는데, 상기에서 설명한 바와 같이, ELA방법에 의하면, 엑시머 레이저가 조사되는 타겟을 표면은 상대적으로 고 에너지의 레이저가 조사되어 완전 용융되지만 타겟의 깊은 곳에서는 레이저 에너지가 약하게 도달하여 완전히 용융되지 않게 되는데, 상기 남는 실리콘입자가 씨드로 작용하여 결정성장을 유도한다.

용융되지 않고 남는 비정질 실리콘들이 씨드로 작용하여 성장하는 결정은 약 2000~3000Å의 그레인(grain) 크기를 가진다. 이때, 그레인과 그레인 사이에 바운더리(boundary)가 형성된다. 또한 그레인과 그레인 사이에 불균일한 크고 작은 그레인이 존재한다.

그레인 경계(grain boundary)는 캐리어인 전자 또는 전공의 이동을 방해하는 장벽으로 작용하는데, 그레인의 크기가 작으면 그만큼 그레인 경계의 숫자가 증가하게 되어 전기이동도를 저하시킨다. 따라서, 그레인의 크기가 큰 폴리실리콘을 형성하는 것이 소자특성을 향상시키기 위해 매우 중요하지만, 이에 못지 않게 그레인의 크기가 균질한 폴리실리콘을 형성하는 것도 중요하다. 특히, 그레인 성장의 핵이 서로 멀리 존재하면 결정화된 그레인 경계간에 결정화가 진행되지 못하는 영역이 존재하게 되는데, 이것은 균일하지 못한 그레인이 형성되는 중요한 원인이 된다.

또한, 상기 레이저 광학계를 이동하여 결정화를 진행하는 경우에도 상당한 시간이 소요되어 공정 지연의 문제를 일으킨다.

본 발명은 상기에서 설명한 바와 같이, 비정질 실리콘을 결정화하는데 사용되는 종래의 레이저 광학계에 의해서 발생하는 불균일한 그레인이 성장하는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 복수개의 레이저 광원이 연동된 레이저 광학계를 고안하여 큰 그레인을 가지는 폴리실리콘을 형성하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 레이저 광학계는 복수개의 레이저 발생부, 상기 레이저 발생부로 부터 발생하는 레이저 광원의 에너지 강도를 일정한 수준으로 감쇠시키는 감쇠기, 상기 감쇠기로부터 진행하는 레이저 광원을 길이방향 및 넓이방향으로 조절하는 조 준경, 상기 조준경으로부터 진행하는 레이저광의 단면 프로파일(profile)을 변형하는 동질화기, 상기 동질화된 레이저를 타겟으로 조사하는 투사렌즈를 포함하여 구성된다. 특히, 상기 레이저 발생부는 일정한 시간 간격을 가지고 레이저를 발생시킬 수 있게 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 엑시머 레이저는 예로들어 아르곤 플루오라이드(Argon Fluoride) 혼합가스에서 발생하는 레이저 에너지를 라인 빔 형상으로 가공한 레이저 광인데, 상기 레이저 광은 도 4에 도시된 그래프와 같이 일정한 펄스(pulse)주기를 가지며 발생한다. 하나의 레이저 에너지 펄스는 도 4의 A영역과 같이 수십 나노초에서 수백 나노초의 짧은 시간동안 에너지를 방출한다. 상기와 같은 펄스 시간동안 엑시머 레이저가 타겟에 조사되면 순간적으로 타겟은 가열 및 용융되어 결정화가 진행된다.

즉, ELA 방법에 의해 엑시머 레이저가 타겟인 비정질의 실리콘에 조사되면 레이저 에너지에 의해 비정질 실리콘이 용융된다. 이때 비정질의 실리콘의 표면은 레이저 에너지에 직접 노출되므로 완전 용융되고 비정질 실리콘의 하부의 용융되지 않는 비정질 실리콘은 결정성장의 씨드로 남을 수 있다. 즉, 상기 씨드는 냉각과정에서 결정성장의 중심으로 작용하여 결정질의 실리콘을 형성할 수 있고 상기 씨드를 중심으로 단일 결정체의 그레인이 형성된다. 그런데 상기 과정에서 성장하는 그레인은 그 지름이 수 천Å이내로 극히 제한적이다. 또한 씨드를 중심으로 바닦으로부터 성장하는 그레인은 씨드간 거리가 멀 경우에는 씨드간에 결정화가 진행되어 작은 그레인 영역이 형성된다.

그러므로 본 발명은 일정한 시간 간격을 가지고 레이저를 발생하는 레이저 광학계를 구성하여 연속적으로 레이저 조사하고 비정질 실리콘층을 결정화한다.

본 발명의 레이저 광학계는 타겟인 비정질 실리콘이 제 1 레이저 발생부에서 생성되는 제 1 레이저 에너지 조사에 의해 결정화되는 시간 내에 제 2의 레이저 발생부에서 발생한 제 2레이저를 다시 한번 더 조사하여 용융시간을 두배로 널린다.

비정질실리콘은 씨드를 중심으로 성장함에 있어서, 비정질 실리콘의 용융시간에 비례하여 결정화가 진행될 수 있다. 즉, 용융시간이 길어지면 씨드를 중심으로 성장하는 그레인의 크기도 크지게 된다.

그러므로 본 발명은 일정한 시간 간격을 가지고 레이저를 발생시키는 레이저 광학계를 구성하여 비정질 실리콘을 결정화한다.

상기 시간 간격은 한번의 레이저 조사에 의해 비정질 실리콘이 결정화되는 10~1000ns의 시간 간격 안에서 결정된다.

상기 시간 간격 안에서 레이저가 발생하는 펄스 간격을 조절하기 위하여 본 발명의 복수개의 레이저 발생부는 레이저 발생 간격을 조절하는 제어부를 더 구비한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저광학계 및 이를 이용한 결정화방법을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 레이저 광학계를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저광학계는 복수개의 레이저 발생부(501), 상기 레이저 발생부에서 발생한 레이저 광을 가로 방향 및 세로 방향으로 모으는 조준경(502), 상기 조준경에 의해 모여진 레이저 광의 단면 프로파일을 변형시키는 동질화기(503), 상기 동질화기로부터 진행하는 레이저 빔을 타겟물질(505)에 조사하는 투사렌즈(504)를 구비하여 형성된다. 도 5에서는 일 실시 예로서 2개의 레이저 발생부를 구비하는 레이저 광학계를 소개하고 있다.

또한, 본 발명의 레이저 발생부(501)는 복수개의 레이저 발생부에서 발생하는 레이저를 일정한 시간 간격을 가지고 발생할 수 있게 구성한다. 본 실시 예에서 사용되는 레이저는 308nm의 파장대를 가지는 고 강도의 엑시머 레이저이며 상기 엑시머 레이저는 도 6에 도시된 바와 같이 1/300초의 펄스 주기를 가지고 한 펄스에는 두대의 에시머 레이저 발생기에서 각각 발진하는 두개의 레이저 피크가 있는데, 각 레이저 피크간의 시간 간격(Ti)은 10∼1000나노초(ns) 사이가 될 수 있다. 즉, 본 발명의 복수개의 레이저 발생부(501) 중 제 2 레이저 발생부(501b)는 제 1 레이저 발생부(501a)에서 발생한 레이저에 의해 결정화가 완료되는 시간, 즉,도 6에 도시된 바와 같이, 두 레이저 피크간의 간격을 10~1000ns 이내에서 제 2의 레이저를 발생시켜 타겟이 결정화되도록 실리콘의 용융시간을 연장시킨다. 또한, 상기 제 1 레이저 발생부(501a) 및 제 2 레이저 발생부(501b)에서 발생하는 레이저 피크(peak) 간격을 조절하기 위하여 본 발명의 레이저 발생부는 레이저 피크 제어부(510)를 구비한다. 제 2 레이저 피크의 크기는 제 1 레이저 피크의 크기와 같거나 작을 수 있다.

본 발명의 레이저 광학계는 복수개의 레이저 발생부를 구비하지만 하나의 조준경, 동질화기 및 투사렌즈를 구비한다. 즉, 복수개의 레이저 발생부에서 발생하는 레이저를 동일한 광학경로를 거쳐 균질화한 다음, 상기 균질화된 레이저를 타겟에 조사한다.

다음으로 본 발명의 레이저 광학계를 사용하고 ELA 방법에 의해 레이저 결정화가 진행되는 과정을 살펴본다.
도 5에 도시된 제 1 레이저 발생부(501a)에서 발생한 레이저 빔은 투사렌즈(504)를 통해서 타겟(505)에 조사된다. 타겟의 레이저 조사 영역은 조사되는 레이저 빔에 의해 용융된다. 이때 미쳐 용융되지 못한 타겟 하부의 실리콘 입자들이 씨드로 작용하여 냉각과정에서 결정질의 실리콘이 성장한다. 상기 용융 및 결정화되는 시간은 수십 나노초(ns)에서 수백 나노초(ns)의 극히 짧은 시간이다.

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다음으로 상기 결정화가 완성되기 전에, 상기 제 1 레이저 조사를 받은 영역에 제 2 레이저 발생부에서 발생한 레이저를 조사한다. 이러한 제 1 레이저발생부(501a)의 레이저에 의해 용융된 타겟은 다시 용융되어 결정 성장을 계속하게 된다. 그 결과, 결정화되는 결정질의 실리콘의 그레인 크기가 종래에 비해서 커지게 된다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 ELA방법에 의해 결정화되는 결과를 나타낸 도면으로, 7a는 결정화되는 비정질 실리콘층의 단면도이며 도 7b의 ｉ는 제 1 피크의 레이저에 의해 결정화가 진행되고 있는 그레인 경계를 나타내며 ⅱ는 제 2 피크의 레이저에 의해 결정화된 그레인 경계를 나타낸다.

즉, ELA방법에 의하고 복수의 레이저를 서로 연동하여 조사한 결과, 종래보다 큰 크기의 결정질을 얻을 수 있다.

본 발명은 큰 그레인이 결정화가 완전히 끝나기 전에 다시 한번 더 결정화가 진행되고 있는 동일 영역에 레이저 조사를 하여 작은 그레인은 녹이고 큰 그레인은 계속 결정성장 할 수 있게 한다.

상기 제 1 및 제 2 레이저 발생부에서 발생한 레이저로 타겟에 제 1 ,2 피크 를 포함하는 제 1 샷(shot)을 한 후에, 레이저의 폭 방향으로 타겟을 이동하여 결정화를 계속 진행한다.

상기의 방법의 의해서 비정질의 실리콘은 종래에 비해 큰 그레인을 가지는 결정질의 실리콘을 얻을 수 있다. 또한, 상기 결정화 방법을 적용하면 그레인의 크기가 큰 다결정질의 채널을 가지는 액정표시소자를 제조할 수 있다.

한편, 비정질 실리콘은 조사되는 레이저 에너지 강도가 일정 수준 이상이 될 때에는 조사되는 영역의 비정질 실리콘이 모두 용융되고 그레인이 성장할 수 있는 핵이 존재하지 않게 할 수 있다.

일반적으로 완전 용융 영역(complete melting region)에서, 완전 용융된 비정질 실리콘은 냉각과정에서 무작위로 핵이 형성되고 상기 핵이 씨드(seed)로 작용하여 결정화가 진행된다.

이 때 발생하는 결정립은 그 크기가 매우 작고 균질하다.

그런데, 상기 레이저 조사에 의해 비정질 실리콘을 완전 용융 상태로 만들 때 레이저 빔을 일부 차단하는 마스크를 적용하면 마스크에 의해 가려지는 영역의 비정질 실리콘이 냉각 과정에서 결정성장의 씨드로 작용하여 수평으로 결정화가 진행되는 현상을 나타낸다. 특히, 완전 용융된 비정질 실리콘은 측면의 레이저 조사되지 않은 비정질 실리콘을 통해 냉각된다. 이는 비정질 실리콘층 하부의 절연층보다 측면의 고체 상의 비정질 실리콘층이 더 큰 열 전도도를 가지기 때문이다.

상기 원리에 의해 타겟인 비정질 실리콘이 완전히 용융되고 순차적으로 수평으로 결정화되는 것을 순차적 수평 결정화(Sequential Lateral Solidification, SLS)라 부른다.

수평결정화 과정을 간단히 살펴보면, 먼저 비정질 실리콘의 일부를 마스크를 적용하여 가리고 레이저를 조사한다.

마스크를 적용한 영역의 비정질 실리콘은 용융되지 않고 레이저 조사를 받은 비정질 실리콘은 완전 용융된 후 냉각과정을 거친다.

냉각 과정에서 용융된 비정질 실리콘은 측면의 고상 비정질 실리콘을 씨드(seed)로 삼아 수평으로 결정화되고, 고상의 비정질 실리콘과 접촉하지 않은 영역의 용융된 비정질 실리콘은 그레인이 수백 nm의 적은 크기로 성장한다. 이때 조사되는 레이저 에너지는 비정질 실리콘층을 완전히 용융할 수 있을 정도로 강해야 한다. 그렇지 않으면 상기의 결과를 얻을 수 없다.

상기 SLS방법에 의해 수평결정화되는 그레인의 크기는 보통 1~2㎛의 크기를 보인다.

일반적인 레이저 어닐링을 통한 그레인의 크기는 수백nm의 크기를 보이는 반면 상기의 SLS 결정화 방법을 통하여 얻어진 그레인의 크기는 수㎛에 이르므로 상기의 그레인 크기를 가진 다결정 실리콘을 소자로 적용하면 큰 이동도를 가진 소자를 구현할 수 있다.

그러나 SLS 결정화 방법에 의해서 성장할 수 있는 그레인의 크기는 최대 2㎛정도로 한계를 가진다. 그런데, 본 발명의 복수개의 레이저 발생부를 포함하는 레이저 광학계를 적용하면 그보다 큰 수평결정화된 폴리실리콘을 얻을 수 있다.

이하 본 발명의 레이저 광학계를 적용하여 수평결정화하는 방법에 대해서 살 펴본다.

레이저 광학계에서 발생하는 레이저의 폭은 수㎛ ~수백㎛인데, 하나의 레이저 발생부를 구비하는 레이저 광학계로 수평결정화를 할 경우, 한 번의 레이저 조사에 의해 비록 수㎛폭 정도가 용융되더라도 수평결정화되는 폭은 2㎛이하가 된다. 그러나 수평결정화되는 실리콘층에 미쳐 결정화가 완성되기 전에 다시한번 레이저 조사하여 용융시간을 늘려주면 수평결정화는 계속 진행되어 더 큰 수평결정화된 실리콘층을 얻을수 있다.

도 8은 비정질 실리콘층의 일측을 마스크를 적용하여 본 발명에 의해 수평 결정화하는 과정을 나타내는 모식도이다. 도 8에서 부호 504는 레이저 투사 렌즈를 나타내며 그 아래 마스크와 기판이 각각 도시되어 있다.

본 발명의 수평결정화 과정을 보면, 4㎛이상의 개구폭을 가지는 마스크를 적용하여 레이저를 조사하면 제 1 레이저 발생기에서 발생하는 레이저 피크에 의해 수평결정화가 진행된다. 그러나 이때 수평결정화의 한계는 약 2㎛로 마스크 개구면의 가운데에는 자체 냉각에 의해 미세한 그레인들이 형성된다. 이때 결정화가 완료되기 전에 제 2 레이저 발생기에서 제 2 피크의 레이저를 조사하여 미세한 그레인 들은 다시 녹이고 수평결정화 중에 있는 결정들을 씨드로 삼아 수평 결정성장을 계속하게 한다. 그 결과 종래 보다 큰 수평결정을 얻을 수 있다.

도 9 및 10은 본 발명에 의해 수평결정화되는 모습을 나타내는 평면도이다. 부호 651은 마스크의 개구면을 통해 레이저 조사되어 결정화가 진행되는 실리콘 영역을 나타낸다.

SLS방법에서는 결정성장의 한계가 약 2㎛이기 때문에 최대한 그레인 경계가 적은 결정화를 이루기 위하여 개구부 폭이 약 4㎛에 이르는 것을 사용하여 SLS결정화를 이룬다. 이때, 약 4㎛의 개구부를 통하여 레이저 조사되는 영역의 비정질 실리콘층은 레이저 조사되지 않은 양 측면의 비정질실리콘 층을 씨드로 하여 양측에서 성장하여 성장하여 들어온다. 그 결과, 결정성장 방향으로는 하나의 그레인 경계를 가지는 수평결정화된 폴리실리콘을 얻을 수 있다. 즉, 양측에서 수평결정성장한 그레인이 2㎛씩 성장하여 전체 4㎛그레인이 성장하는데 상기 4㎛의 그레인은 단 하나의 그레인 경계를 가지는 것이다.

하지만 본 발명의 복수개의 레이저 발생부를 구비하는 레이저 광학계를 적용하여 SLS결정화하면 수평결정화의 한계를 더욱 크게 할 수 있고 일정 범위 내에서 종래보다 크고 그레인 경계가 없는 수평결정화된 결정질 실리콘을 얻을 수 있다.

즉, 본 발명의 제 1 레이저 발생부에서 발생한 레이저를 4㎛ 이상의 개구면을 가지는 마스크를 적용하여 타겟에 조사한다. 이때 레이저가 조사된 타겟은 레이저가 조사되지 않은 측면 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘을 씨드로 하여 수평결정화된다. 이 때, 수평결정화는 수십∼수백ns 내에서 이루어 지는데, 결정화가 완성되기 전에 제 2 레이저 발생부로부터 발생한 레이저를 조사하여 용융상태를 계속 유지하고 결정이 성장하는 시간을 연장시킨다. 그리하면 제 1 레이저 샷에 의해 결정화되는 실리콘은 계속 결정화가 진행되어 그레인의 크기를 2㎛ 이상에 이르게 할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 새롭게 결정화되는 영역은 이전 단계에서 수평 결 정화된 그레인을 씨드로 삼아 수평결정화가 진행될 수 있어 일정 방향으로는 그레인 경계를 가지지 않는 결정을 성장시킬 수 있다. 상기 수평 결정화된 방향을 채널 방향으로 적용하여 박막트랜지스터를 형성할 경우, 그레인 경계를 가지지 않는 채널을 형성할 수 있고 고속 동작이 가능한 스위칭 소자를 제조할 수 있다.

또한 본 발명의 레이저 광학계를 적용하면 결정화 속도도 향상시킬 수 있다.

즉, 큰 수평결정화되는 본 발명의 레이저 광학계를 적용하여 결정속도를 향상시키기 위하여 상기 순차적 수평결정화에 적용되는 마스크의 개구부 폭의 크기를 약 8㎛로하고 레이저 조사할 경우, 양 측면에서 각각 4㎛씩 수평결정화되어 레이저 조사영역의 가운데에서 하나의 그렌인 경계를 가지는 8㎛의 수평결정화된 그레인을 형성할 수 있다.이후, 기판을 약 8㎛이동하여 다시 레이저 조사하여 결정화 과정을 진행하면 기판의 이동속도를 향상시켜 타겟 전체를 결정화하는 시간을 단축할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 레이저 광학계를 적용하여 결정성장시켜 액정표시소자를 제조하는 방법에 대해서 살펴본다.

본 발명에서는 일 실시 예로써, 도 11에 도시된 바와 같이, 코플라나(Coplanar)구조를 제조하는 공정에 대해서 설명한다. 그러나, 본 발명의 레이저 결정화 방법은 폴리실리콘을 소자의 한 요소로서 적용하는 모든 소자의 제조에 적용될 수 있다.

도 11은 다결정 실리콘층을 채널로 적용하는 박막트랜지스터의 단면구조를 나타내는 것인데, 도 12과 같은 다결정질의 실리콘을 채널로 적용하는 박막트랜지스터는 기판(701) 상에 실리콘 산화막으로 구성되는 버퍼층(702)을 형성하는 단계, 상기 버퍼층(702) 상에 비정질의 실리콘을 형성하는 단계, 상기 비정질의 실리콘층을 결정화 하는 단계, 상기 결정화된 실리콘층을 패턴닝하여 액티브층(703)을 형성하는 단계, 상기 액티브층(703) 상에 게이트 절연막(704)을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막(704) 상에 게이트 전극(705)을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극(705) 상에 층간 절연막(706)을 형성하는 단계, 상기 층간 절연막(706) 상에 컨택홀을 형성는 단계, 상기 컨택홀을 통하여 상기 액티브층과 연결되는 소오스 및 드레인 전극(707,708)을 형성하는 단계, 상기 소오스 및 드레인 전극 상에 보호막(710)을 형성하는 단계 및 상기 보호막(710) 상에 화소전극(709)을 형성하는 단계를 포함하여 형성될 수 있다.

특히, 상기 기판 상에 비정질의 실리콘층을 결정질의 실리콘층으로 결정화하는데, 본 발명의 레이저 광학계를 적용하면 큰 결정질로 구성되는 채널을 포함하는 박막트랜지스터를 제조할 수 있다.

도 12을 통하여 본 발명의 일실시 예에 의한 폴리실리콘 액정표시소자의 제조방법에 대해서 살펴본다.

도 12a에 도시된 바와 같이, 투명한 기판(701) 상에 실리콘 산화막으로 구성되는 버퍼층(702)을 형성한다. 상기 버퍼층(702)는 비정질 실리콘을 결정화는 과정에서 기판 내에 포함되는 불순물이 실리콘층 내로 확산되는 것을 방지하기 위하여 사용된다.

다음으로 상기 버퍼층(702) 상에 비정질의 실리콘층(703a)를 플라즈마화학기상층착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)방식에 의해 형성하고 액티브층(703) 형성단계를 진행한다.

상기 액티브층 형성단계는 기판(701) 상에 비정질의 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘층을 가열하여 탈수소화하는 단계, 상기 비정질 실리콘층을 결정화하는 단계, 상기 결정화된 실리콘층을 패턴닝하는 단계로 구성된다.

상기 공정을 더욱 자세히 설명하면, 버퍼층(702)이 형성된 기판(701)상에 비정질의 실리콘층(703a)을 플라즈마화학기상층착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)방식에 의해 소정의 두께로 형성한다.

다음으로 먼저 형성된 비정질실리콘층 내에 포함된 수소를 제거하는 탈 수소 공정을 진행한다. 즉, 상기 비정질실리콘층을 가열로에 넣고 400℃내외에서 가열함으로 수소를 제거한다. 상기 비정질실리콘층은 형성과정에서 분자들 결합이 불안정한 비정질로 형성되며 각 분자는 잉여 결합기를 가지고 상기 결합기 내에 수소 이온등이 결합되어 있다. 상기 수소이온들은 비정질실리콘을 결정화하는 과정에서 불순물(defect)로 작용하며 결정화 과정에서 폭발하여 실리콘층을 손상시킬 수 있으므로 미리 제거한다.

탈 수소 공정 다음으로, 본 발명의 레이저 광학계를 적용하여 상기 비정질실리콘층을 결정화하는 공정을 진행한다. 즉,제 1 레이저 발생부에서 발생한 레이저를 타겟에 조사하고 제 1 레이저 조사에 의해 결정화가 완료되기 전에 제 1 레이저 발생부와 서로 연동하여 작동하는 제 2 레이저 발생부에서 발생한 레이저를 동일한 위치에 다시 조사하여 타겟의 용융상태를 지속시킨다. 그 결과 결정 성장 시간은 길어지고 결정은 크지게 된다.

또한 일정한 크기의 마스크를 적용하여 결정 성장 방향에 일정한 패턴을 가지는 수평결정화를 이룰 수도 있다. 수평결정화된 폴리실리콘을 제조하여 박막트랜지스터의 채널로 적용할 경우, 더욱 향상된 전기이동도를 가지는 소자를 형성할 수 있다.

다음으로 기판을 일정한 간격으로 이동하면서 타겟 전체가 결정화가 완성될 때 까지 레이저 결정화를 진행한다.

상기 결정화 방법에 의해 비정질의 실리콘층을 결정화 한 다음, 마스크를 적용하여 상기 폴리실리콘층을 액티브층으로 패터닝한다. 상기 액티브층 패터닝 공정은 사진식각 공정에 의해 형성될 수 있다.

즉, 폴리실리콘층 상에 감광막을 도포하고 상기 감광막 상에 상기 마스크를 적용하여 노광공정, 현상공정 및 폴리실리콘층 식각 공정을 진행한다. 상기 폴리실리콘층은 건식각에 의해서 효과적으로 패터닝될 수 있다.

액티브층(703)을 형성한 다음, 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 액티브층(703)층을 포함하는 기판 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘질화막으로 구성되는 제 1 절연막(704)을 PECVD방법에 의하여 형성한다.

또한, 상기 제 1 절연막(704) 상에 도전층을 스퍼터링 방법에 의해 형성한다. 상기 도전층은 게이트 전극을 형성하기 위한 것으로 알루미늄(Al) 또는 몰리브덴(Mo)을 사용할 수 있고 상기 알루미늄과 몰리브덴의 이중 층을 사용할 수도 있 다. 상기 도전막을 마스크 및 사진식각공정을 통하여 게이트 전극(705)을 형성한다.

상기 게이트 전극(705)를 마스크로 적용하여 상기 액티브층(703)에 소오스 및 드레인 영역을 형성하기 위한 불순물 이온을 주입한다. 본 실시 예에서는 P형의 TFT를 형성하기 위해 붕소(B)등의 3족 이온을 주입하는 것을 예시한다.

다음으로, 도 12c에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 전극(705) 상에 제 2 절연층(706)을 형성한다. 상기 제 2 절연층(706)은 층간 절연층으로써 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 구성되거나 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막의 이중층을 사용할 수 있다.

상기 제 2 절연층(706)을 형성한 다음, 공정 진행 중 손상을 입은 액티브층(703)을 안정화 시키기 위하여 수소화 열처리를 한다. 상기 수소화 열처리는 액티브층 내에 수소이온을 주입시켜 공정 진행 중 발생된 폴리실리콘 내의 잉여 결합기와 수소를 결합시킴으로써 폴리실리콘층을 안정화시키는 것이다.

수소화 열처리를 마친 후, 상기 제 2 절연층(706) 상에 컨택홀을 형성한다. 상기 컨택홀은 액티브층의 일부를 이루는 소오스 및 드레인 영역 상에 형성한다.

상기 컨택홀은 소오스 및 드레인 영역 상부의 제 1 절연층(704) 및 제 2 절연층(706)을 건식각에 의해 제거함으로써 형성될 수 있다.

상기 컨택홀이 형성된 다음, 도 12c에 도시된 바와 같이, 소오스 및 드레인 전극(707,708)을 형성한다.

상기 소오스 및 드레인 전극(707,708)은 상기 컨택홀이 형성된 제 2 절연층(706) 상에 금속 박막을 형성하는 단계, 상기 금속 박막을 사진식각하는 단계를 통하여 형성된다.

상기 소오스 전극(707)은 연장되어 데이터 라인과 연결되고 상기 드레인 전극(708)은 화소전극과 연결된다.

소오스 및 드레인 전극(707,708)이 형성된 다음, 도 13d에 도시된 바와 같이, 무기막 또는 유기막으로 구성되는 보호막(710)을 형성하고 상기 보호막 상에 상기 화소전극(709)과 드레인 전극(708)을 연결하는 컨택홀을 더 형성하고 화소전극을 형성한다.

상기 공정 결과, 그레인의 크기가 향상된 폴리실리콘을 채널층으로 적용한는 박막트랜지스터가 완성된다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일정한 시간 간격으로 연동하여 작동하는 복수개의 레이저 발생부를 구비하는 레이저 광학계를 고안하고 상기 레이저 광학계를 적용하여 그레인의 크기가 큰 폴리실리콘을 형성할 수 있다. 또한, 수평결정화할 경우, 수평성장되는 결정의 크기를 종래에 비해 2배까지 크게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 레이저 광학계를 적용하여 제조된 폴리실리콘을 박막트렌지터의 채널로 적용할 경우, 동작 속도가 더욱 향상된 박막트랜지터를 형성할 수 있다.

Claims (15)

1. 복수개의 레이저 발생부;

   상기 레이저 발생부로부터 발생하여 입력되는 레이저를 길이방향 및 넓이방향으로 조절하는 조준경;

   상기 조준경으로부터 입력되는 레이저 빔의 단면 프로파일을 변형하는 동질화기;

   상기 동질화기로부터 일력된 레이저 빔을 타겟에 조사하는 투사렌즈; 및

   상기 복수개의 레이저발생부로부터 발생하는 레이저빔의 발생시간간격을 조절하여 복수의 레이저빔을 조절된 발생시간간격으로 타켓의 동일 영역에 조사하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학계;
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 복수개의 레이저 발생부에서 발생하는 레이저의 발생시간간격을 레이저 조사에 의해 타겟이 결정화가 완결되는 시간보다 짧게 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학계.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저 발생 시간간격은 10ns~1000ns사이인 것을 특징으로 하는 레이저 광학계.
5. 비정질실리콘에 레이저를 조사하여 용융시키는 단계;

   일정 시간간격으로 상기 비정질실리콘의 용융된 영역에 다시 레이저를 조사하는 단계;

   용융된 비정질실리콘을 결정화하는 단계;

   상기 비정질실리콘을 일정거리 이동하는 단계; 및

   상기 비정질실리콘의 비결정화 영역에 일정시간 간격으로 레이저를 연속 조사하여 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘을 결정화하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 시간 간격은 레이저 조사에 의해 비정질실리콘이 결정화가 완료되는 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 시간 간격은 10~1000ns사이인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질실리콘의 이동거리는 상기 레이저 빔의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질실리콘은 용융된 영역으로부터 수평방향으로 결정화되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
10. 제9 항에 있어서, 상기 레이저는 개구부 패턴을 구비하는 마스크를 통해 비정질실리콘에 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 마스크의 개구부패턴에 의해 상기 레이저가 조사된 비정질실리콘에 결정화시드가 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
12. 기판 상에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;

    상기 비정질 실리콘층 상에 일정한 시간간격으로 연속적으로 레이저를 조사하여 조사된 영역의 비정질실리콘을 결정화하는 단계;

    비정질실리콘층의 결정화되지 않은 영역에 결정화단계를 반복하여 상기 비정질실리콘층을 결정화하는 단계;

    상기 결정화된 실리콘층을 패턴닝하여 액티브층을 형성하는 단계;

    상기 다결정 실리콘층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

    상기 게이트 전극 상에 절연층을 형성하는 단계;

    상기 절연층 상에 소오스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;

    상기 소오스 및 드레인 전극 상에 보호막을 형성하는 단계;

    상기 보호막 상에 화소전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 액정표시소자 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 비정질실리콘은 용융된 영역으로부터 수평방향으로 결정화되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 액정표시소자 제조방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 비정질실리콘층에 연속 조사되는 레이저의 시간 간격은 레이저 조사에 의해 비정질실리콘이 결정화가 완료되는 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 액정표시소자 제조방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 시간 간격은 10~1000ns사이인 것을 특징으로 폴리실리콘 액정표시소자 제조방법.

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