KR100579178B1 - 박막트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비정질 실리콘층을 레이져 결정화법으로 결정화할 때, 레이져 빔의 스캔 피치를 제어하여 SRU가 1.8% 이하의 값을 갖도록 하는 박막트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 박막트랜지스터 및 그 제조 방법은 절연 기판; 상기 기판상에 SRU가 1.8% 이하를 갖는 다결정 실리콘층으로 형성된 반도체층; 상기 반도체층상에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막의 소정 영역에 형성된 게이트 전극; 상기 기판 전면에 걸쳐 형성된 층간절연막; 및 상기 층간절연막 및 게이트 절연막의 소정 영역상에 형성된 콘택홀을 통해 상기 반도체층의 소오스/드레인 영역과 콘택하는 소오스/드레인 전극을 포함하여 이루어진 박막트랜지스터 및 그 제조 방법에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 박막트랜지스터 및 그 제조 방법은 레이져 결정화시 레이져 빔의 스캔 피치를 제어하여 SRU가 1.8% 이하의 값을 갖음으로서, 표시 소자의 화상 불균일이 없고, 항복 전압이 5MV/㎠ 이상으로 우수한 특성을 갖는 박막트랜지스터를 제조할 수 있는 효과가 있다.
레이져 결정화법, 평균거칠기, 휘도불균일, 박막트랜지스터
Description
도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 박막트랜지스터 제조 공정의 단면도.
도 5는 스캔 피치에 따른 SRU 및 평균 거칠기를 나타내는 그래프.
도 6a 내지 도 6e은 스캔 피치에 따른 평균 거칠기를 측정한 AFM 이미지 사진.
도 7은 평균 거칠기에 따른 항복 전압을 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
103 : 비정질 실리콘층 104 : 레이져 빔
107 : 다결정 실리콘층 110 : 스캔 피치
본 발명은 박막트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 비정질 실리콘층을 레이져 결정화법으로 결정화할 때, 레이져 빔의 스캔 피치를 제어하여 SRU가 1.8% 이하의 값을 갖도록 하는 박막트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 음극선관(cathode ray tube)과 같이 무겁고, 크기가 크다는 종래의 표시 소자의 단점을 해결하는 액정 표시 장치(liquid crystal display device), 유기 전계 발광 표시 장치(organic electroluminescence display device) 또는 PDP(plasma display plane) 등과 같은 평판형 표시 장치(plat panel display device)가 주목 받고 있다.
상기와 같은 평판형 표시 장치에 이용되는 박막트랜지스터는 주어진 신호에 따라 고속으로 작동하는 특성 또는 기판 전체에 걸처 균일한 특성이 요구되어지는데, 이러한 박막트랜지스터의 특성을 만족시키기 위해서는 박막트랜지스터의 반도체층의 특성을 제어하는 것이 가장 중요하다.
상기 반도체층은 일반적으로 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)을 이용하여 형성한 비정질 실리콘층을 결정화법으로 다결정 실리콘층으로 결정화하여 형성한다.
이때, 상기 결정화법에는 고상 결정화법(Solid Phase Crystallization), 금속 유도 결정화법(Metal Induced Crystallization) 및 금속 유도 측면 결정화법(Metal Induced Lateral Crystallization) 등이 있는데, 고상 결정화법은 비정질 실리콘층을 박막트랜지스터가 사용되는 디스플레이 소자의 기판을 형성하는 물질인 유리의 변형 온도인 약 700℃ 이하의 온도에서 수 시간 내지 수십 시간에 걸쳐 어 닐링하는 방법이고, 금속 유도 결정화법은 니켈, 팔라듐, 금, 알루미늄 등의 금속을 비정질 실리콘층과 접촉시키거나 주입하여 상기 금속에 의해 비정질 실리콘이 폴리 실리콘을 상변화가 유도되는 현상을 이용하는 방법이고, 금속 유도 측면 결정화법은 금속과 실리콘이 반응하여 생성된 실리사이드가 측면으로 계속하여 전파되면서 순차로 실리콘의 결정화를 유도하는 방법을 이용하여 실리콘층을 결정화시키는 방법이다.
그러나, 상기의 고상 결정화법은 기판을 고온에서 장시간 열처리함으로서, 기판에 손상이 가는 문제점이 있고, 상기 금속 유도 결정화법 내지 금속 유도 측면 결정화법은 결정화 공정 이후 다결정 실리콘층에 결정화를 유도한 금속 물질이 잔류하여 누설 전류를 증가시키는 등의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비정질 실리콘층을 레이져 결정화법으로 결정화할 때, 레이져 빔의 스캔 피치를 제어하여 SRU가 1.8% 이하의 값을 갖도록 하여 특성이 우수한 박막트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 절연 기판; 상기 기판상에 SRU가 1.8% 이하를 갖는 다결정 실리콘층으로 형성된 반도체층; 상기 반도체층상에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막의 소정 영역에 형성된 게이트 전극; 상기 기판 전면에 걸쳐 형성된 층간절연막; 및 상기 층간절연막 및 게이트 절연막의 소정 영역상에 형성된 콘택홀을 통해 상기 반도체층의 소오스/드레인 영역과 콘택하는 소오스/드레인 전극으로 이루어진 박막트랜지스터에 의해서 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 절연 기판을 준비하는 단계; 상기 절연 기판상에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 비정질 실리콘층에 소정의 스캔 피치를 갖는 레이져 빔을 조사하여 SRU가 1.8% 이하를 갖도록 다결정 실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 다결정 실리콘층을 패터닝하여 반도체층을 형성하고, 상기 반도체층상에 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간절연막 및 소오스/드레인 전극을 형성하는 단계로 이루어진 박막트랜지스터 제조 방법에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 박막트랜지스터 제조 공정의 단면도이다.
먼저, 도 1는 절연 기판상에 버퍼층 및 비정질 실리콘층을 형성하는 공정의 단면도이다. 도에서 보는 바와 같이 플라스틱 또는 유리와 같은 절연 기판(101)상에 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법으로 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막의 단층 또는 복층으로 버퍼층(102)을 형성한다.
이때, 상기 버퍼층은 하부 기판에서 발생하는 가스와 같은 불순물이 상부에 형성되는 소자들로 확산 또는 침투하지 못하게 방지하는 역활을 한다.
이어서, 상기 버퍼층상에 비정질 실리콘층(103)을 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법을 이용하여 형성한다. 이때, 상기 비정질 실리콘층 내에는 수소와 같은 가스가 다량 함유되어 있어, 이후 결정화 공정에서 터짐 현상과 같은 문제를 발생시킴으로, 이를 제거하는 탈수소 처리 공정을 진행한다.
다음, 도 2a 및 도 2b는 비정질 실리콘층을 레이져 결정화법으로 다결정화하는 공정의 단면도 및 평면도이다.(이때, 도 2b는 도 2a의 평면도를 나타내고 있다.) 도에서 보는 바와 같이 비정질 실리콘층상에 소정의 형상을 갖는 레이져 빔(104)(도 2a에서는 직사각형으로 도시하고 있으나 필요에 의해서는 다른 형상으로 조사할 수 있다.)을 조사하면서 레이져 빔을 일정한 방향으로 이동(105)하고 있다. 이때, 상기에서 형성된 비정질 실리콘층에서, 레이져 빔이 조사되고 있는 영역(106)의 비정질 실리콘층은 순간적으로 액상으로 용융되었다가 냉각하여 결정핵이 생성되면서 결정화되어 가는 과정을 진행하고 있는 영역이고, 레이져 빔이 이미 조사된 영역의 비정질 실리콘층은 결정화 과정이 종료되어 다결정 실리콘층(107)으로 결정화가 이루어진 영역이다.
상기 레이져 빔은 상기 비정질 실리콘층에 연속적으로 에너지를 가하는 것이 아니라 일정한 시간동안 에너지를 가하는 펄스(pulse)방식을 이용하는데, 일정한 시간동안 에너지를 가하는 것을 샷(shot)이라고 한다. 이때, 상기 샷을 이용하여 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화하게 되는데, 1회 샷만 조사하고 다음 조사 영역으로 이동하는 것도 가능하지만 다수의 샷을 조사하고 다음 조사 영역으로 이동하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 레이져 빔은 200 내지 700mJ/㎠의 에너지 밀도를 갖고, 10 내지 40ns 동안 조사하며, 308nm의 파장을 갖는 XeCl 엑시머 레이져에서 발생된다.
도 2b에서 보는 바와 같이 비정질 실리콘층을 레이져 빔으로 결정화할 때, 레이져 빔이 조사된 제1조사 영역(108)에서 비정질 실리콘층의 결정화가 일어나고, 상기 제1조사 영역에서 제2조사 영역으로 레이져 빔의 조사 영역을 이동시킨 후, 제2조사 영역(109)에 레이져 빔을 조사하게 된다. 즉, 레이져 결정화법에서 레이져 빔은 연속적으로 조사되지 않고 불연속적으로 조사되게 되는데 하나의 조사 영역에서 한 번의 샷만을 조사하기도 하고, 두 번 이상의 샷을 조사하기도 한다. 이때, 제1조사 영역과 제2조사 영역은 오버랩(Overlap)되는데, 이러한 이유는 레이져 빔이 조사되는 레이져 빔의 에너지 밀도가 균일하지 않고, 조사 영역의 가장자리로 갈수록 낮아지기 때문에, 비정질 실리콘층의 아주 작은 한 영역에는 여러 개의 조사 영역에 속하게 하여 기판 전체적으로는 조사되는 에너지의 양이 균일해지도록 하기 위해서이다.
이때, 상기 제1조사 영역에서 제2조사 영역으로 이동하는 거리 또는 제1조사 영역과 제2조사 영역의 간격을 스캔 피치(Scan Pitch)(110)라고 하는데, 상기 스캔 피치는 상기 비정질 실리콘층을 결정화하여 우수한 특성을 갖는 다결정 실리콘층을 형성하는데 많은 영향을 준다. 즉, 도 5에서 보는 바와 같이 레이져 빔의 스캔 피치를 변화시켜 결정화한 다결정 실리콘층을 이용하여 표시 소자를 형성할 경우의 SRU(Short Range Uniformity)와 다결정 실리콘층의 평균 거칠기를 표시하고 있는데, 스캔 피치가 작을 수록 SRU 값이 작아지고, 평균 거칠기는 점점 나빠지는 것을 볼 수 있다. 즉, 스캔 피치가 작아질 수록 화상 불균일도는 낮아지고, 평균 거칠기는 증가한다.
이때, 스캔 피치가 20㎛ 이상인 경우 화상 불균일도를 나타내는 SRU 값이 1.8% 이상이 되는데, 화상 불균일도가 1.8%인 경우에는 화상의 불균일이 사람의 눈으로도 식별이 가능한 정도가 됨으로 넘지 않는 것이 좋다. 따라서, 스캔 피치를 20㎛ 이하로 해서 결정화를 진행하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 스캔 피치가 작아 질수록, 평균 거칠기가 계속해서 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 도 6a 내지 도 6e에서 보여 주고 있다. 도 6a는 스캔 피치가 30㎛인 경우의 다결정 실리콘층의 표면의 평균 거칠기가 64.6Å임을 보여주는 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지 사진이고, 도 6b은 스캔 피치가 20㎛인 경우의 다결정 실리콘층의 표면의 평균 거칠기가 129Å임을 보여주는 AFM 이미지 사진이고, 도 6c는 스캔 피치가 10㎛인 경우의 다결정 실리콘층의 표면의 평균 거칠기가 210Å임을 보여주는 AFM 이미지 사진이고, 도 6d는 스캔 피치가 5㎛인 경우의 다결정 실리콘층의 표면의 평균 거칠기가 322Å임을 보여주는 AFM 이미지 사진이고, 도 6e는 스캔 피치가 2㎛인 경우의 다결정 실리콘층의 표면의 평균 거칠기가 522Å임을 보여주는 AFM 이미지 사진이다.
또한, 도 6a 내지 도 6e에서 보는 바와 같이 스캔 피치가 작아질 수록 평균 거칠기가 커지는 것을 볼 수 있었는데, 이러한 다결정 실리콘층 표면의 평균 거칠기가 커질수록 박막트랜지스터의 특성은 나빠지게 되는데, 특히 도 7에서 보는 바와 같이 항복 전압(Breakdown Voltage)가 나빠지게 된다. 즉, 도 7은 레이져 결정 화시 스캔 피치를 달리하여 결정화하여 다결정 실리콘층을 형성하고, 상기 다결정 실리콘층을 반도체층으로 형성한 후, 게이트 절연막을 1000Å의 두께로 형성하고, 항복 전압 특성을 측정하여 정리한 그래프로서, 다결정 실리콘층의 평균 거칠기가 증가할 수록 항복 전압 특성이 나빠지는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 평판 표시 장치에서 사용되는 박막트랜지스터의 항복 전압은 5MV/㎠ 이상의 값을 갖는 것이 바람직함으로, 도에서 보는 바와 같이 다결정 실리콘층의 평균 거칠기가 약 330Å 이상의 값을 갖는 것은 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다. 이때, 평균 거칠기가 330Å 이상의 값을 갖게하는 스캔 피치는 도 5에서 볼수 있는 바와 같이 5㎛ 이하임을 알 수 있다.
따라서, 비정질 실리콘층을 레이져 빔을 조사하여 다결정 실리콘층으로 결정화하는 레이져 결정화법에서 스캔 피치는 5 내지 20㎛로 하는 것이 바람직한데, 이는 스캔 피치가 20㎛ 이상인 경우에는 화상 불균일도가 너무 높아지고, 스캔 피치가 5㎛ 이하인 경우에는 항복 전압이 5MV/㎠ 이하의 값을 갖기 때문에 박막트랜지스터의 특성이 저하되기 때문이다.
다음, 도 3은 본 발명에 의해 형성된 다결정 실리콘층을 이용하여 반도체층을 형성하는 공정의 단면도이다. 도에서 보는 바와 같이 상기 레이져 결정화법에 의해 결정화된 다결정 실리콘층을 패터닝하여 반도체층(151)을 형성한다.
다음, 도 4는 본 발명에 의해 형성된 반도체층을 이용하여 박막트랜지스터를 제조하는 공정의 단면도이다. 도에서 보는 바와 같이 반도체층이 형성된 기판상에 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법을 이용하여 실리콘 산화막 또는 실리 콘 질화막의 단층 또는 복층을 증착하여 게이트 절연막(152)을 형성한다.
이어서, 상기 게이트 절연막상에 게이트 전극 형성 물질을 형성한 후, 패터닝하여 게이트 전극(153)을 형성하고, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막의 단층 또는 복층으로 층간절연막(154)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 전극을 형성한 후, 불순물 주입 공정을 진행하여 상기 반도체층의 소정 영역에 소오스/드레인 영역을 형성하는 공정을 진행할 수 있다.
이어서, 상기 층간절연막 및 게이트 절연막의 소정 영역을 식각하여 반도체층의 소정 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 상기 기판상에 소오스/드레인 전극 형성 물질을 증착한 후, 패터닝하여 상기 콘택홀을 통해 상기 반도체층의 소오스/드레인 영역에 콘택하는 소오스/드레인 전극을 형성하여 박막트랜지스터를 완성한다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 박막트랜지스터 및 그 제조 방법은 레이져 결정화시 레이져 빔의 스캔 피치를 제어하여 SRU가 1.8% 이하의 값을 갖음으로서, 표시 소자의 화상 불균일이 없고, 항복 전압이 5MV/㎠ 이상으로 우수한 특성을 갖는 박막트랜지 스터를 제조할 수 있는 효과가 있다.
Claims (9)
- 절연 기판;상기 기판상에 SRU가 1.8% 이하를 갖는 다결정 실리콘층으로 형성된 반도체층;상기 반도체층상에 형성된 게이트 절연막;상기 게이트 절연막의 소정 영역에 형성된 게이트 전극;상기 기판 전면에 걸쳐 형성된 층간절연막; 및상기 층간절연막 및 게이트 절연막의 소정 영역상에 형성된 콘택홀을 통해 상기 반도체층의 소오스/드레인 영역과 콘택하는 소오스/드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 SRU가 1.8% 이하를 갖는 다결정 실리콘층는 상기 다결정 실리콘층을 레이져 결정화할 때, 스캔 피치가 5 내지 20㎛일 때 형성됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 다결정 실리콘층의 평균 거칠기는 120 내지 330Å임을 특징으로 하는 박막트랜지스터
- 절연 기판을 준비하는 단계;상기 절연 기판상에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;상기 비정질 실리콘층에 소정의 스캔 피치를 갖는 레이져 빔을 조사하여 SRU가 1.8% 이하를 갖도록 다결정 실리콘층을 형성하는 단계; 및상기 다결정 실리콘층을 패터닝하여 반도체층을 형성하고, 상기 반도체층상에 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간절연막 및 소오스/드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 스캔 피치는 5 내지 20㎛임을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 다결정 실리콘층의 평균 거칠기는 120 내지 330Å임을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 박막트랜지스터의 항복 전압은 5MV/㎠ 이상임을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 다결정 실리콘층은 레이져 결정화법에 의해 결정화된 것임을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 레이져 빔은 200 내지 700mJ/㎠의 에너지 밀도를 갖고, 10 내지 40ns 동안 조사됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조 방법.
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| KR1020040073185A KR100579178B1 (ko) | 2004-09-13 | 2004-09-13 | 박막트랜지스터 및 그 제조 방법 |
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- 2004-09-13 KR KR1020040073185A patent/KR100579178B1/ko active IP Right Grant
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