KR100652060B1 - poly-Si layer, method for crystallizing to the same and method for fabricating TFT array substrate by using the said - Google Patents
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Abstract
본 발명은 얇은 두께의 비정질실리콘층을 주기적으로 수차례 증착한 후 수소화 처리함으로써 균일하고 결함이 적은 양질의 마이크로 실리콘층을 형성하고자 하는 폴리실리콘층 및 그 결정화 방법 그리고, 이를 이용한 액정표시소자의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 폴리실리콘층은 기판 상에 형성되어 복수개의 단위층으로 이루어지고 단위층 사이에 다공성 계면을 가지는 비정질 실리콘층과, 상기 비정질 실리콘층의 표면으로부터 확산된 수소가 상기 다공성 계면에서 반응하여 형성된 결정화씨드와, 상기 비정질 실리콘층의 표면으로부터 확산된 수소에 의해 상기 결정화씨드를 중심으로 결정화된 복수개의 결정립을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a polysilicon layer and its crystallization method to form a uniform and low quality micro silicon layer by periodically depositing a thin layer of amorphous silicon layer several times and then hydrogenating it, and manufacturing a liquid crystal display device using the same. The polysilicon layer according to the present invention comprises an amorphous silicon layer formed on a substrate and composed of a plurality of unit layers and having a porous interface between the unit layers, and hydrogen diffused from the surface of the amorphous silicon layer. And crystallized seeds formed by reacting at the porous interface, and a plurality of crystal grains crystallized about the crystallized seeds by hydrogen diffused from the surface of the amorphous silicon layer.
수소 플라즈마, 마이크로 실리콘층, 보이드성 결함Hydrogen Plasma, Micro Silicon Layer, Void Defects
Description
도 1은 종래 기술에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도.1 is a process cross-sectional view showing a crystallization process according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 의한 문제점을 설명하기 위한 마이크로 실리콘층의 SEM 표면 관찰도.Figure 2 is an SEM surface observation of the microsilicon layer for explaining the problems caused by the prior art.
도 3a 내지 도 3b는 또다른 종래 기술에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도.Figure 3a to 3b is a cross-sectional view showing a crystallization process according to another prior art.
도 4는 또다른 종래 기술에 의한 문제점을 설명하기 위한 마이크로 실리콘층의 SEM 표면 관찰도.Figure 4 is an SEM surface observation of the microsilicon layer for explaining another conventional problem.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도.5a to 5c is a cross-sectional view showing a crystallization process according to the present invention.
도 6a 내지 도 6c는 수소화 처리 시간에 따른 마이크로 실리콘층의 SEM 표면관찰도.6A to 6C are SEM surface observation diagrams of the microsilicon layer according to the hydrogenation time.
도 7은 수소화 처리 시간에 따른 결정화 부피분율 및 결정립 크기를 나타낸 그래프.7 is a graph showing the crystallization volume fraction and grain size according to the hydrogenation time.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명에 의한 TFT 어레이 기판의 공정단면도.8A to 8F are process cross-sectional views of a TFT array substrate according to the present invention.
도 9는 서로 다른 수소화 처리 시간에 있어서, 게이트 전압에 대한 드레인 커런트를 도시한 그래프.9 is a graph showing drain current versus gate voltage at different hydrogenation times.
도 10a 내지 도 10c는 수소화 처리 시간에 따른 Ion, Ioff, μ의 수치를 각각 도시한 그래프.10A to 10C are graphs showing the values of Ion, Ioff, and μ, respectively, according to the hydrogenation time.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
11,211 : 절연기판 12 : 게이트 전극11,211
13 : 게이트 절연막 14,213 : 비정질실리콘층 13: gate insulating film 14,213: amorphous silicon layer
24 : 반도체층 15 : 데이터 배선 24
15a,15b : 소스/드레인 전극 16 : 보호막 15a, 15b: source / drain electrodes 16: protective film
17 : 화소전극 18 : 콘택홀 17
213a: 단위층 215 : 결정립 213a: unit layer 215: grain
217 : 결정화 씨드 217: Crystallized Seed
본 발명은 폴리실리콘 결정화 방법에 관한 것으로, 보이드성 결함이 적은 양질의 마이크로 실리콘층을 형성하고자 하는 폴리실리콘층 및 그 결정화 방법 그리고, 이를 이용한 액정표시소자의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polysilicon crystallization method. The present invention relates to a polysilicon layer, a crystallization method thereof, and a method of manufacturing a liquid crystal display device using the same, to form a microsilicon layer having a low void defect.
정보화 사회가 발전함에 따라 표시 장치에 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 표시 장치로 활용되고 있다.As the information society develops, the demand for display devices is increasing in various forms, and in recent years, liquid crystal display devices (LCDs), plasma display panels (PDPs), electro luminescent displays (ELDs), and vacuum fluorescence (VFDs) have been developed. Various flat panel display devices such as displays have been studied, and some of them are already used as display devices in various devices.
그 중에, 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력의 특징 및 장점으로 인하여 이동형 화상 표시 장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송 신호를 수신하여 디스플레이하는 텔레비전 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.Among them, LCD is the most widely used as the substitute for CRT (Cathode Ray Tube) for mobile image display device because of its excellent image quality, light weight, thinness, and low power consumption. In addition to the use of the present invention has been developed in a variety of monitors, such as television and computer for receiving and displaying broadcast signals.
일반적인 액정표시장치는, 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동 신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있으며, 상기 액정 패널은 일정 공간을 갖고 합착된 컬러필터 어레이 기판 및 박막트랜지스터 어레이 기판과, 상기 두 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성된다.A general liquid crystal display device may be broadly divided into a liquid crystal panel displaying an image and a driving unit for applying a driving signal to the liquid crystal panel, wherein the liquid crystal panel has a predetermined space and is bonded to the color filter array substrate and the thin film transistor array substrate. And a liquid crystal layer injected between the two substrates.
이 때, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판에는 일정 간격을 갖고 일 방향으로 배열되는 복수개의 게이트 배선과, 상기 각 게이트 배선과 수직한 방향으로 일정한 간격으로 배열되는 복수개의 데이터 배선과, 상기 각 게이트 배선 및 데이터 배선이 교차되어 정의된 각 화소 영역에 매트릭스 형태로 형성되는 복수개의 화소 전극과, 상기 게이트 배선의 신호에 의해 스위칭되어 상기 데이터 배선의 신호를 각 화소 전극에 전달하는 복수개의 박막트랜지스터(TFT : Thin Film Transistor)가 구비된다.In this case, the thin film transistor array substrate includes a plurality of gate lines arranged in one direction at a predetermined interval, a plurality of data lines arranged at regular intervals in a direction perpendicular to the gate lines, and each of the gate lines and data. A plurality of pixel electrodes formed in a matrix form in each pixel region defined by crossing lines, and a plurality of thin film transistors (TFTs) that are switched by signals of the gate lines to transfer signals of the data lines to each pixel electrode. Film Transistor) is provided.
여기서, 박막트랜지스터는 액티브층으로 어떤 실리콘을 사용하느냐에 따라, 비정질 실리콘(아몰퍼스 실리콘:a-Si)으로 이루어지는 액티브층을 사용하는 것과 결정상을 갖는 폴리 실리콘(마이크로 실리콘: μc-Si)으로 이루어지는 액티브층을 사용하는 것으로 분류할 수 있다. Here, the thin film transistor uses an active layer made of amorphous silicon (amorphous silicon: a-Si) and an active layer made of polysilicon (micro silicon: μc-Si) having a crystalline phase, depending on which silicon is used as the active layer. Can be classified as using.
마이크로 실리콘으로 이루어지는 액티브층은 비정질 실리콘으로 이루어지는 액티브층과 비교하여 캐리어의 이동도(mobility)가 10배에서 100배정도 더 높아, 기판 위에 구동회로를 만들 수 있으므로, 고해상도 패널의 스위칭소자로 유리하다. The active layer made of microsilicon has a carrier mobility of about 10 to 100 times higher than that of an active layer made of amorphous silicon, and thus can be a driving circuit on a substrate, which is advantageous as a switching element of a high resolution panel.
따라서, 마이크로 실리콘을 액티브층으로 사용하는 액정표시소자는 차세대의 고성능 지능 표시 시스템을 실현하는 기술로 인식되고 있다. Accordingly, liquid crystal display devices using microsilicon as the active layer have been recognized as a technology for realizing next generation high performance intelligent display systems.
이 때, 상기 마이크로 실리콘층을 형성하는 방법은 다결정 실리콘을 직접 증착하는 방법과, 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)을 증착한 후 다결정으로 결정화하는 방법이 있다. In this case, the micro silicon layer may be formed by directly depositing polycrystalline silicon or by depositing amorphous silicon and then crystallizing it into polycrystal.
전자의 방법으로는 550℃이상의 고온상태에서 증착하여야 하는 저압화학기상증착법(LPCVD법 : Low Pressure Chemical Vapor Deposition)과, 400℃이하에서 SiF4/SiH4/H2 혼합가스를 사용하여 증착하는 플라즈마 화학기상증착(PECVD법 : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등이 있다. The former method is LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) to be deposited at a high temperature of 550 ° C. or higher, and plasma deposited using SiF 4 / SiH 4 / H 2 mixed gas at 400 ° C. or lower. PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
한편, 후자의 방법으로는 유리기판 위에 비정질 실리콘을 증착한 후 고온에서 장시간 열처리하여 결정화하는 고상결정화법(SPC법 : Solid Phase Crystallization)과, 250℃ 정도로 가열하면서 엑시머 레이저를 가하여 순간적으로 결정화하는 엑시머 레이저 어닐링법(ELA법 : Eximer Laser Annealing)과, 비정질 실리콘층 상부에 금속을 증착하여 결정화를 유도하는 금속유도결정화법(Metal Induced Crystallization)과, 여러 구역으로 분할된 비정질실리콘에 대해 순차적으로 레이저를 조사하여 결정화하는 SLS법 등이 있다.On the other hand, the latter method is a solid phase crystallization method (SPC method: Solid Phase Crystallization), which crystallizes by depositing amorphous silicon on a glass substrate and heat treatment at a high temperature for a long time, and an excimer that is instantaneously crystallized by applying an excimer laser while heating to 250 ℃ Laser annealing (ELA: Eximer Laser Annealing), metal induced crystallization (CVD) that induces crystallization by depositing metal on top of the amorphous silicon layer, and amorphous silicon divided into several zones SLS method to investigate and crystallize.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 마이크로 실리콘층의 형성방법에 대해서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Hereinafter, a method of forming a microsilicon layer will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 기술에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도이고, 도 2는 종래 기술에 의한 문제점을 설명하기 위한 마이크로 실리콘층의 SEM 표면 관찰도이다.1 is a process cross-sectional view showing a crystallization process according to the prior art, Figure 2 is a SEM surface observation of the microsilicon layer for explaining the problem according to the prior art.
그리고, 도 3a 내지 도 3b는 또다른 종래 기술에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도이고, 도 4는 또다른 종래 기술에 의한 문제점을 설명하기 위한 마이크로 실리콘층의 SEM 표면 관찰도이다.3A and 3B are cross-sectional views showing another crystallization process according to the prior art, and FIG. 4 is an SEM surface observation diagram of a microsilicon layer for explaining another conventional problem.
먼저, 마이크로 실리콘(μc-Si)을 단일층으로 직접 증착하는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(111) 상에 실리콘 질화물(SiNx) 또는 실리콘 산화물(SiOx)로 기저막(113)을 형성하고, 그 위에 증착가스인 실란가스(SiH4)와 수소가스(H2) 비를 1:60~1:300으로 희석하여 마이크로 실리콘을 증착한다. 이 때, 증착온도는 250~300℃의 높은 온도로 하고, 증착 RF 파워는 300~1000W로 한다. First, in the case of directly depositing micro silicon (μc-Si) as a single layer, as shown in FIG. 1, the
그러나, 이러한 경우 250~300℃의 고온에서 열적으로 활성화 된 기저막(113)의 수소원자들이 증착 가스인 수소 라디칼 등과 반응하여 수소 가스(H2)가 생성되면서 마이크로 실리콘층(114) 내부에 보이드(Void)성 결함(118)들이 형성된다. 이러한 보이드성 결함(118)들은 결함율(defect density)을 높이고 결정화율 (Crystallinity)을 낮추는 요인으로 작용한다.(도 2참고) However, in this case, hydrogen atoms of the
이와같이, 마이크로 실리콘을 직접 증착하는 방식은 증착시의 높은 RF파워에 의한 이온 데미지(ion damage) 발생과 기저막 및 수소가스 반응에 기한 보이드성 결함 발생에 의해서 이동도(μ)도가 0.05~0.2 cm2/Vs까지 낮아지게 된다.As such, the method of directly depositing micro silicon has a mobility (μ) of 0.05 to 0.2 cm 2 due to ion damage caused by high RF power during deposition and void defects caused by the base film and hydrogen gas reaction. Will be lowered to / Vs.
한편, 성장씨드층을 이용하여 비정질 실리콘을 다결정화하는 방법은, 먼저 도 3a에 도시된 바와 같이, 씨드생성층(152)으로 비정질 실리콘을 20Å의 두께로 증착하고 10~30초 동안 수소화 처리를 하여 결정화 씨드(153)를 형성한다. 이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 결정화 씨드(153)가 형성된 씨드생성층(152)에 다시 비정질 실리콘을 200~300Å의 두께로 증착하고, 상기 비정질 실리콘층(154) 표면에 10∼40분 동안 수소화 처리를 수행한다. Meanwhile, in the method of polycrystallizing amorphous silicon using the growth seed layer, first, as shown in FIG. 3A, the amorphous silicon is deposited to the
그러나, 이경우 비정질 실리콘층(154) 두께가 두꺼워서 수소화 처리시 수소의 확산경로가 길게 형성되어 결국, 성장씨드층(152)으로부터의 결정성장시 스트레스가 증가하는 등 결함이 발생한다. 결과적으로 15분동안 수소화 처리를 하더라도 20% 이하의 낮은 결정성(Xc)이 나타나고, 이동도(μ)도 0.2~0.4cm2/Vs로 낮게 나타난다. However, in this case, the thickness of the
따라서, 본 발명은 기존의 결정화 방식이 아닌, 얇은 두께의 비정질실리콘층을 주기적으로 수차례 증착한 후 수소화 처리함으로써 균일하고 결함이 적은 양질의 마이크로 실리콘층을 형성하고자 하는 폴리실리콘층 및 그 결정화 방법을 제공 하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is a polysilicon layer and a crystallization method for forming a uniform, low defect quality microsilicon layer by periodically depositing a thin thickness of amorphous silicon layer several times and then hydrogenating instead of the conventional crystallization method. The purpose is to provide.
그리고, 본 발명은 보이드성 결함이 적은 양질의 마이크로 실리콘층을 반도체층으로 형성함으로써 소자의 이동도, 서브-스레스홀드 전압 등 전기적 특성을 향상시키고자 하는 액정표시소자의 제조방법을 제공하는데 또다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a liquid crystal display device for improving the electrical properties such as mobility of the device, sub-threshold voltage, etc. by forming a high quality micro silicon layer having few void defects as a semiconductor layer. There is another purpose.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 폴리실리콘층은 기판 상에 형성되어 복수개의 단위층으로 이루어지고 단위층 사이에 다공성 계면을 가지는 비정질 실리콘층과, 상기 비정질 실리콘층의 표면으로부터 확산된 수소가 상기 다공성 계면에서 반응하여 형성된 결정화씨드와, 상기 비정질 실리콘층의 표면으로부터 확산된 수소에 의해 상기 결정화씨드를 중심으로 결정화된 복수개의 결정립을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Polysilicon layer according to the present invention for achieving the above object is formed on a substrate consisting of a plurality of unit layers and having a porous interface between the unit layer and the diffusion from the surface of the amorphous silicon layer And a crystallization seed formed by reacting hydrogen at the porous interface, and a plurality of crystal grains crystallized about the crystallization seed by hydrogen diffused from the surface of the amorphous silicon layer.
그리고, 상기 폴리실리콘층을 결정화 방법은 기판 상에 비정질실리콘의 증착과 비증착을 주기적으로 반복 수행하는 단계와, 상기 비정질실리콘층에 수소화 처리하여 결정화씨드를 형성하고 성장시켜 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정화하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the polysilicon layer crystallization method comprises the steps of periodically repeating the deposition and non-deposition of amorphous silicon on the substrate, and hydrogenated the amorphous silicon layer to form and grow a crystallized seed crystal silicon to polysilicon Characterized in that it comprises a step of crystallization.
한편, 상기 폴리실리콘 결정화 방법을 적용한 액정표시소자의 제조방법은 기판 상에 게이트 배선 및 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 배선을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 비정질실리콘의 증착과 비증착을 주기적으로 반복 수행하는 단계와, 상기 비정질실리콘층에 수소화 처리하여 결정화씨드를 형성하고 성장시켜 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정화하는 단계와, 상기 폴리실리콘을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 배선에 교차하는 데이터 배선 및 상기 반도체층 상부에 적층되는 소스/드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 데이터 배선을 포함한 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막을 관통하여 드레인 전극에 콘택되는 화소전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. Meanwhile, a method of manufacturing a liquid crystal display device using the polysilicon crystallization method includes forming a gate wiring and a gate electrode on a substrate, forming a gate insulating film on the entire surface including the gate wiring, and forming a gate insulating film on the gate insulating film. Periodically repeating deposition and non-deposition of amorphous silicon, hydrogenating the amorphous silicon layer to form and growing a crystallization seed to crystallize amorphous silicon to polysilicon, and patterning the polysilicon to a semiconductor layer Forming a layer; forming a data line crossing the gate line; and forming a source / drain electrode stacked on the semiconductor layer; forming a passivation layer on the entire surface including the data line; and penetrating the passivation layer. To form a pixel electrode in contact with the drain electrode. Characterized in that made.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 폴리실리콘층 및 그 결정화 방법 그리고, 이를 이용한 액정표시소자의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a polysilicon layer according to the present invention, a crystallization method thereof, and a method of manufacturing a liquid crystal display device using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 결정화 과정을 나타낸 공정단면도이고, 도 6a 내지 도 6c는 수소화 처리 시간에 따른 마이크로 실리콘층의 SEM 표면관찰도이며, 도 7은 수소화 처리 시간에 따른 결정화 부피분율 및 결정립 크기를 나타낸 그래프이다.5A to 5C are cross-sectional views illustrating a crystallization process according to the present invention, and FIGS. 6A to 6C are SEM surface views of microsilicon layers according to hydrogenation time, and FIG. 7 is a crystallization volume fraction according to hydrogenation time. And graphs showing grain size.
본발명에 의한 폴리실리콘층은 도 5c에 도시된 바와 같이, 절연기판(211) 상에 형성되어 복수개의 단위층(213a)으로 이루어지고 단위층 사이에 다공성 계면을 가지는 비정질 실리콘층(213)과, 상기 비정질 실리콘층(213)의 표면으로부터 확산된 수소가 상기 다공성 계면에서 반응하여 형성된 결정화씨드(217)와, 상기 비정질 실리콘층(213)의 표면으로부터 확산된 수소에 의해 상기 결정화씨드(217)를 중심으로 결정화된 복수의 결정립(215)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. As shown in FIG. 5C, the polysilicon layer according to the present invention includes an
구체적으로, 비정질실리콘층(213)의 표면에서부터 단위층 사이의 다공성 계면에까지 수소가 확산되어 단위층 사이의 계면에 결정화씨드(217)가 형성되고, 이 와같이 형성된 결정화씨드(217)는 수소 확산에 의해 더 하부층에 있는 결정화씨드까지 성장하게 된다. 이와같은 방식으로 양질의 결정립으로 구성되는 마이크로 실리콘층을 얻을 수 있다. Specifically, hydrogen is diffused from the surface of the
상기 폴리실리콘층의 결정화 과정을 살펴보면, 먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 화학기상증착(CVD)법으로 절연기판(211) 상에 비정질실리콘(a-Si)의 단위층(213a)을 10∼20Å의 두께로 증착한다. 이 때, 증착 가스로 실란가스(SiH4)와 수소가스(H2)를 사용하는데, 그 비는 1:10이하로 하고, 증착 RF 파워는 100~300W로 한다. Referring to the crystallization process of the polysilicon layer, first, as shown in FIG. 5A, the
다음, 상기 RF파워를 오프시켜 비정질 실리콘의 증착 과정을 중단한 후, 소정 시간이 흐른 후에 다시 RF파워를 100~300W로 온시켜 비정질실리콘의 단위층을 증착한다. 이 때, RF파워는 주기적으로 오/오프되도록 설정하여 비정질실리콘의 단위층이 동일한 증착조건 하에서 간헐적으로 증착되도록 한다.Next, the RF power is turned off to stop the deposition of amorphous silicon, and after a predetermined time passes, the RF power is turned on again to 100 to 300 W to deposit a unit layer of amorphous silicon. At this time, the RF power is periodically turned on / off so that the unit layer of amorphous silicon is intermittently deposited under the same deposition conditions.
도 5b에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘을 10∼15회 정도 반복 증착한 후에는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 수소 가스(H2)를 이용한 수소화 처리를 수행하여 비정질 실리콘층(213)을 결정화시킨다. 수소화 처리시 RF 파워는 300~1000W로 하고, 10∼40분 동안 공정을 수행한다.As shown in FIG. 5B, after repeatedly depositing amorphous silicon about 10 to 15 times, as shown in FIG. 5C, a hydrogenation process using hydrogen gas (H 2 ) is performed to form the
이와같이, 비정질 실리콘을 간헐적으로 10∼15회 정도 반복 증착한 후 수소화 처리를 수행하면, 비정질 실리콘층(213) 표면에서 확산된 수소는 단위층(213a) 계면의 다공성 단속면에서 충분한 시간 및 수소에 의해 결정화 씨드를 형성하고 이 후 결정화 성장을 하게 된다. As described above, when the amorphous silicon is intermittently deposited about 10 to 15 times and then hydrogenated, the hydrogen diffused on the surface of the
이러한 반응은 도 5c에 도시된 바와 같이, 수소 가스의 확산 경로상 비정질 실리콘층(213) 표면에서부터 순차적으로 발생할 것이고, 비교적 밀하고 균일한 결정립을 형성할 수 있고 그 반응 역시 안정적이다. This reaction will occur sequentially from the surface of the
도 6a 내지 도 6c는 수소화 처리 시간에 따른 결정화 현상을 나타낸 SEM 표면관찰도로서, 도 6a는 수소화 처리를 하기 전의 사진도이고, 도 6b는 수소화 처리를 5분동안 한 사진도이고, 도 6c는 수소화 처리를 15분동안 한 사진도이다. 이와같이, 수소화 처리 시간이 길어질수록 결정립의 크기가 커진다는 것을 확인할 수 있다. 6A to 6C are SEM surface observation diagrams showing the crystallization phenomenon according to the hydrogenation time, FIG. 6A is a photographic view before the hydrogenation treatment, FIG. 6B is a photographic view of the hydrogenation treatment for 5 minutes, and FIG. The photograph shows the hydrogenation treatment for 15 minutes. In this way, it can be confirmed that the longer the hydrogenation treatment time, the larger the grain size.
도 7은 비정질실리콘을 복수회 간헐적으로 증착한 후 수소화처리를 수행하였을 경우 결정화 부피분율과 결정립 크기를 나타낸 그래프로서, 그래프의 상단에 있는 곡선이 수소화처리 시간에 따른 결정의 부피분율(Xc : 비정질 실리콘의 부피에 대한 폴리실리콘의 부피비)을 나타낸 것으로 수소화 처리시간이 길어짐에 따라 그 수치가 커지는 것으로 보아 마이크로 실리콘의 부피분율이 커진다는 것을 알 수 있다.7 is a graph showing the crystallization volume fraction and grain size when the hydrogenation treatment is performed after the deposition of amorphous silicon a plurality of times intermittently, the curve at the top of the graph shows the volume fraction of the crystals according to the hydrogenation time (Xc: amorphous). The volume ratio of polysilicon to the volume of silicon) shows that as the hydrogenation time increases, the numerical value increases, indicating that the volume fraction of microsilicon increases.
그리고, 그래프의 하단에 있는 곡선은 수소화 처리 시간에 따른 결정립의 크기에 대한 것을 나타낸 것으로 10분이상 수소화처리를 했을때 결정립의 크기가 커진다는 것을 확인할 수 있다. In addition, the curve at the bottom of the graph shows the size of the grains according to the hydrogenation time, and it can be seen that the grain size increases when the hydrogenation treatment is performed for 10 minutes or more.
이하에서는, 본 발명에 의한 결정화 방법을 이용한 TFT 어레이 기판의 제조방법에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a TFT array substrate using the crystallization method according to the present invention will be described in detail.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명에 의한 TFT 어레이 기판의 공정단면도이고, 도 9는 서로 다른 수소화 처리 시간에 있어서, 게이트 전압에 대한 드레인 커런트를 도시한 그래프이며, 도 10a 내지 도 10c는 수소화 처리 시간에 따른 Ion, Ioff, μ의 수치를 각각 도시한 그래프이다.8A to 8F are process cross-sectional views of a TFT array substrate according to the present invention, and FIG. 9 is a graph showing drain current with respect to gate voltage at different hydrogenation processing times, and FIGS. 10A to 10C are hydrogenation processing times. Are graphs showing the values of Ion, Ioff, and μ, respectively.
먼저, 도 8a에 도시된 바와 같이, 절연기판(11) 상에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등의 저저항 금속층을 증착하여 포토식각공정으로 패터닝하여 게이트 배선(도시하지 않음) 및 게이트 전극(12)을 형성하고, 상기 게이트 전극(12)을 포함한 전면에 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx) 등의 무기 절연물질을 PECVD 방법으로 증착하여 게이트 절연막(13)을 형성한다.First, as shown in FIG. 8A, a low-resistance metal layer such as copper (Cu), aluminum (Al), aluminum alloy (AlNd: Aluminum Neodymium), molybdenum (Mo), and chromium (Cr) on the insulating
그리고, 그 위에 비정질실리콘(a-Si, 14)을 화학기상증착(CVD)법으로 10∼20Å 정도의 얇은 두께로 증착한다. 이 때, 증착 가스로 실란가스(SiH4)와 수소가스(H2)를 사용하는데, 그 비는 1:10 이하로 하고, 증착 RF 파워는 100~300W로 한다. Then, amorphous silicon (a-Si, 14) is deposited thereon in a thin thickness of about 10 to 20 kPa by chemical vapor deposition (CVD). In this case, silane gas (SiH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ) are used as the deposition gas. The ratio is 1:10 or less, and the deposition RF power is 100 to 300W.
다음, 상기 RF파워를 오프시켜 비정질 실리콘의 증착 과정을 중단한 후, 소정 시간이 흐른 후에 다시 RF파워를 100~300W로 온시켜 비정질실리콘을 증착한다. 이 때, RF파워의 오/오프는 주기적으로 교체되도록 설정하여 비정질실리콘이 동일한 증착조건 하에서 간헐적으로 증착되도록 한다.Next, the RF power is turned off to stop the deposition of amorphous silicon, and after a predetermined time passes, the RF power is turned on again to 100 to 300W to deposit amorphous silicon. At this time, the on / off of the RF power is set to be periodically replaced so that the amorphous silicon is intermittently deposited under the same deposition conditions.
이와 같이, 비정질 실리콘의 증착 과정과 비증착 과정을 10∼15회 정도 반복하게 되면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층(14)이 여러 단위층으로 이 루어지게 되고, 각 단위층의 계면은 다공성의 단속면이 된다. 이후, 상기 다공성의 단속면에 수소가 확산되어 결정화씨드가 형성되는 것이다. As such, when the deposition process and the deposition process of amorphous silicon are repeated about 10 to 15 times, as shown in FIG. 8B, the
이어서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층(14)을 수소화 처리하여 경화시킨다. 수소화 처리시 RF 파워는 300~1000W로 하고, 10∼40분 동안 공정을 수행한다.Subsequently, as shown in FIG. 8C, the
이와같이, 비정질 실리콘을 간헐적으로 10∼15회 정도 반복 증착한 후 수소화 처리를 수행하면, 비정질 실리콘층(14) 표면에서 확산된 수소는 비정질 실리콘 층간 계면의 다공성의 단속면에서 충분한 시간 및 수소에 의해 결정화 씨드를 형성하고 이후 결정화 성장을 하게 된다. 이러한 반응은 수소 가스의 확산 경로상 비정질 실리콘층(14) 표면에서부터 순차적으로 발생할 것이고, 비교적 밀하고 균일한 결정립을 형성할 수 있고 그 반응 역시 안정적이다. As described above, when the amorphous silicon is intermittently deposited about 10 to 15 times and then hydrogenated, the hydrogen diffused on the surface of the
이어서, 도 8d에 도시된 바와 같이, 결정화된 폴리실리콘층을 포토식각공정으로 패터닝하여 반도체층(24)을 형성한다. 상기 반도체층(24)은 상기 게이트 전극(12) 상부의 게이트 절연막(13) 상에 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 8D, the crystallized polysilicon layer is patterned by a photoetch process to form a
다음, 도 8e에 도시된 바와 같이, 상기 반도체층(24)을 포함한 전면에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등의 저저항 금속층을 증착하여 포토식각공정으로 패터닝함으로써 데이터 배선(15) 및 소스/드레인 전극(15a, 15b)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 8E, copper (Cu), aluminum (Al), aluminum alloy (AlNd: Aluminum Neodymium), molybdenum (Mo), chromium (Cr), and the like on the entire surface including the
이로써, 상기 데이터 배선(15)은 게이트 배선에 수직교차하도록 형성하여 화소를 정의하고, 상기 소스/드레인 전극(15a,15b)은 상기 반도체층(24) 상에 형성하 여 게이트 전극(12), 게이트 절연막(13), 반도체층(24), 소스/드레인 전극(15a, 15b)으로 적층되는 박막트랜지스터를 구성하도록 한다.Thus, the
계속하여, 상기 데이터 배선(15)을 포함한 전면에 BCB(Benzocyclobutene), 아크릴계 수지(acryl resin) 등의 유기절연물질을 도포하여 보호막(16)을 형성하고, 상기 드레인 전극(15b)의 일부가 노출되도록 보호막(16)을 패터닝하여 콘택홀(18)을 형성한다. Subsequently, a
마지막으로, 도8f에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(16)을 포함한 전면에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등을 증착하고 패터닝하여 상기 콘택홀(18)을 통해 상기 드레인 전극(15b)에 콘택되도록 화소영역에 화소전극(17)을 형성한다.Finally, as shown in FIG. 8F, indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO), etc. are deposited and patterned on the entire surface including the
이상으로, 폴리실리콘 박막트랜지스터 어레이 기판이 완성되며, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판에 컬러필터층이 구비된 컬러필터 어레이 기판을 대향합착하고 상기 두 기판 사이에 액정층을 형성하면 액정표시소자가 된다.As described above, a polysilicon thin film transistor array substrate is completed, and when the color filter array substrate including the color filter layer is bonded to the thin film transistor array substrate and a liquid crystal layer is formed between the two substrates, the liquid crystal display device becomes a liquid crystal display device.
이와같이 제조된 소자는, 도 9에서와 같이, 수소화 처리 시간에 따라 이동도(mobility) 및 서브-스레스홀드 전압(Sub_threshold Voltage) 등의 값이 향상됨을 알 수 있다. 구체적으로, 게이트 전압(Vg)이 10V일 때, 곡선 그래프에 있어서, 수소화 처리를 5분한 경우보다 15분한 경우의 드레인 커런트(Id)의 수치가 높았다. 그리고, 직선 그래프는 상기 드레인 커런트의 결과를 제곱근으로 계산한 결과로서, 수소화 처리를 5분한 경우보다 15분한 경우의 기울기가 컸다. 이 때, 기울기는 서브-스레스홀드 전압을 나타내는 S-팩터(factor)에 반비례하므로 15분 수소화 처리 했을때, 서브-스레스홀드 전압이 커짐을 알 수 있다. As shown in FIG. 9, the device manufactured as described above may improve values of mobility and sub-threshold voltage according to the hydrogenation time. Specifically, when the gate voltage Vg was 10 V, the value of the drain current Id in the case of 15 minutes was higher in the curve graph than in the case of 5 minutes of the hydrogenation treatment. The linear graph is the result of calculating the result of the drain current by the square root, and the slope in the case of 15 minutes was larger than that in the case of five minutes of hydrogenation treatment. At this time, since the slope is inversely proportional to the S-factor representing the sub-threshold voltage, it can be seen that the sub-threshold voltage increases when the hydrogenation is performed for 15 minutes.
이러한 결과는 수소화 시간에 따라 수소확산 및 결정화, 결점 보호(defect passivation) 효과가 증가했음을 나타내며 결국, 소자성능 향상으로 판단할 수 있다. These results indicate that the effects of hydrogen diffusion, crystallization, and defect passivation increased with the hydrogenation time, which can be judged as improvement of device performance.
한편, 도 10a 내지 도 10c를 통해서, 비정질 실리콘 증착조건으로 복수개의 단위층을 형성한 후 수소화 처리를 한 소자(본 발명)와 성장씨드층을 형성하고 그 위에 두꺼운 비정질 실리콘을 증착한 후 수소화 처리하는 소자(종래 기술)의 성능차이를 살펴볼 수 있는데, 본 발명에 의해 제작된 소자의 성능향상성을 확인할 수 있다. Meanwhile, through FIGS. 10A to 10C, after forming a plurality of unit layers under an amorphous silicon deposition condition, a hydrogenated device (the present invention) and a growth seed layer are formed, and thick amorphous silicon is deposited thereon, followed by hydrogenation. The performance difference of the device (prior art) can be examined, and the performance improvement of the device manufactured by the present invention can be confirmed.
구체적으로, 도 10a는 수소화 처리 시간에 따른 Ion의 수치를 나타낸 것으로, 씨드층을 이용하는 종래기술에서보다 복수개의 단위층으로 이루어진 비정질실리콘층을 이용하는 본 발명에서의 Ion 수치가 높음을 볼 수 있다. 여기서, Ion은 게이트 전압이 20V일 때의 드레인 커런트(Id)를 나타낸 것이다. Specifically, Figure 10a shows the value of Ion according to the hydrogenation time, it can be seen that the Ion value in the present invention using an amorphous silicon layer consisting of a plurality of unit layers than in the prior art using the seed layer. Here, Ion represents the drain current Id when the gate voltage is 20V.
그리고, 도 10b는 수소화 처리 시간에 따른 Ioff의 수치를 나타낸 것으로, Ioff가 1.E-11이하의 값이면 소자 적용에 문제가 없는데, 씨드층을 이용하는 종래기술은 물론, 복수개의 단위층으로 이루어진 비정질실리콘층을 이용하는 본 발명에서의 Ioff 수치도 1.E-11이하의 값임을 볼 수 있다. 여기서, Ioff은 게이트 전압이 -5V일 때의 드레인 커런트(Id)를 나타낸 것이다. In addition, Figure 10b shows the value of Ioff according to the hydrogenation time, there is no problem in the application of the device if Ioff is less than 1.E- 11 , the prior art using a seed layer, as well as consisting of a plurality of unit layers It can be seen that the Ioff value in the present invention using an amorphous silicon layer is also less than 1.E- 11 . Here, Ioff represents the drain current Id when the gate voltage is -5V.
마지막으로, 도 10c는 수소화 처리 시간에 따른 μ(이동도, mobility)의 수 치를 나타낸 것으로, 씨드층을 이용하는 종래기술에서보다 복수개의 단위층으로 이루어진 비정질실리콘층을 이용하는 본 발명에서의 μ수치가 높음을 볼 수 있다.Finally, Figure 10c shows the value of μ (mobility) according to the hydrogenation time, μ value in the present invention using an amorphous silicon layer consisting of a plurality of unit layers than in the prior art using the seed layer You can see high.
이와같이, 본 발명에 의한 결정화 방법은 종래 기술에 의한 결정화 방법보다 이동도 및 서브-스레스홀드 전압 등 전기적 특성 면에서 보다 우수함을 확인할 수 있다. 이것은 단위층 사이의 다공성의 계면을 따라 수소가 확산 및 반응함으로써 보다 효율적으로 수소 어닐링 효과를 나타내기 때문이다. As such, it can be seen that the crystallization method according to the present invention is superior in electrical characteristics such as mobility and sub-threshold voltage to the crystallization method according to the prior art. This is because hydrogen diffuses and reacts along the porous interface between the unit layers, thereby exhibiting a hydrogen annealing effect more efficiently.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. On the other hand, the present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, it is possible that various substitutions, modifications and changes within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in Esau.
즉, 발명의 상세한 설명에서는 폴리실리콘 박막트랜지스터를 구비한 액정표시소자에 한정하여 실시예를 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 폴리실리콘 박막트랜지스터를 구비하는 반도체 장치, 디스플레이 장치 등에도 적용가능하다.That is, in the detailed description of the present invention, the embodiment has been described with reference to a liquid crystal display device having a polysilicon thin film transistor. However, the present invention is not limited thereto and may be applied to a semiconductor device, a display device, or the like having a polysilicon thin film transistor.
상기와 같은 본 발명에 의한 폴리실리콘층 및 그 결정화 방법 그리고, 이를 이용한 액정표시소자의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.The polysilicon layer and the crystallization method thereof according to the present invention as described above, and the manufacturing method of the liquid crystal display device using the same have the following effects.
첫째, 마이크로 실리콘층 형성의 경우, 비정질 실리콘을 간헐적으로 10∼15회 정도 반복 증착한 후 수소화 처리를 수행하면, 비정질 실리콘층 표면에서 확산된 수소는 비정질 실리콘 층간 계면의 다공성의 단속면에서 충분한 시간 및 수소에 의해 결정화 씨드를 형성하고 이후 결정화 성장을 하게 된다. First, in the case of forming a microsilicon layer, when the amorphous silicon is intermittently deposited about 10 to 15 times and then hydrogenated, hydrogen diffused from the surface of the amorphous silicon layer is sufficient for an intermittent surface of porosity at the interface between the amorphous silicon layers. And crystallization seeds with hydrogen, followed by crystallization growth.
따라서, 종래의 마이크로 실리콘의 단일 증착 방식에 의한 높은 결함율 및 낮은 결정화율의 단점을 극복하고, 결함이 적은 양질의 마이크로 실리콘층을 획득할 수 있게 된다. Therefore, it is possible to overcome the disadvantages of the high defect rate and the low crystallization rate by the conventional single deposition method of micro silicon, and to obtain a high quality micro silicon layer with few defects.
둘째, 본 발명에 의해 형성된 마이크로 실리콘층을 반도체층으로 하는 소자는, 이동도(mobility) 및 서브-스레스홀드 전압(Sub_threshold Voltage) 등의 전기적 특성이 향상된다. Second, the device having the microsilicon layer formed by the present invention as a semiconductor layer has improved electrical characteristics such as mobility and sub-threshold voltage.
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