KR100997275B1 - 실리콘 결정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 그레인의 내부 결함 낮추는 순차적 측면 결정화(SLS : Sequential Lateral Solidification) 방법을 이용한 실리콘 결정화 방법에 관한 것이다.
본 발명은 순차적 측면 결정화(SLS) 방법을 이용시 레이저 마스크를 N 블럭으로 나누고 레이저가 차단되는 영역을 레이저 광이 부분적으로 통과하도록 하는데, 구체적으로 각 블럭에 레이저 빔이 완전히 투과되는 투과패턴과 레이저 빔을 부분적으로 투과시켜 회절에 의해 에너지 밀도를 낮추는 다수의 좁은 슬릿을 차단 영역에 형성시킴으로써 한번의 레이저 공정으로 높은 레이저 에너지와 낮은 레이저 에너지를 동시에 얻을 수 있도록 하여 높은 레이저 에너지에 의해서 생긴 결정화 막의 결함을 낮은 레이저 에너지로 동시에 활성화하여 치료할 수 있도록 한다. 따라서, 공정 수율의 저하 없이 양질의 다결정 실리콘을 형성할 수 있다.
SLS, 마스크, 회절, 투과패턴, 레이저, 슬릿

Description

실리콘 결정화 방법{A method of crystallizing silicon}
도 1은 SLS 결정화 방법에 이용되는 장비를 보여주는 도면.
도 2는 레이저 에너지 밀도별 실리콘의 결정화 곡선 그래프로서, 그레인 크기(grain size)에 따라 레이저 결정화 영역을 분류한 도면.
도 3는 종래 SLS 기술을 이용하여 실리콘을 결정화하기 위한 마스크를 개략적으로 도시한 평면도.
도 4a 내지 도 4c는 종래 2 샷(shot) SLS 폴리실리콘 결정화 방법을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 마스크(2 블럭 마스크로 함)의 실시예를 개략적으로 도시한 평면도.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 결정화 공정을 순서대로 도시한 공정 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 마스크의 다른 실시예를 개략적으로 보여주는 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
220 : 기판 222 : 비정질 실리콘막
270, 370 : 마스크 272a, 272b, 372a, 372b : 투과패턴
273a, 273b, 374a, 374b : 차단영역 275 : 슬릿
282a, 287a : 제 1 그레인 영역 282b, 287b : 제 2 그레인 영역
284, 287c : 그레인 바운더리 285 : 내부 결함
283a : 제 1 활성 영역 283b : 제 2 활성 영역
284 : 제 3 활성 영역 286a : 제 1 결정 영역
286b : 제 2 결정 영역 286c : 제 3 결정 영역
375 : 사각형 슬릿
본 발명은 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 그레인의 내부 결함 낮추는 순차적 측면 결정화(SLS : Sequential Lateral Solidification) 방법을 이용한 실리콘 결정화 방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시장치(Flat Panel Display)의 필요성이 대두되었는데, 그 중 색 재현성 등이 우수한 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display)가 활발하게 개발되고 있다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 삽입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자 를 움직임으로써 액정 분자의 움직임에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
액정 표시 장치의 하부 기판은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터를 포함하는데, 박막 트랜지스터에 사용되는 액티브층은 비정질 실리콘(amorphous silicon ; a-Si:H)이 주류를 이루고 있다.
상기 비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막(thin film)을 형성하는 것이 가능하여, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 기판으로 사용하는 액정패널(liquid crystal panel)의 스위칭 소자(switching device)에 많이 사용한다.
그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 액정패널 구동소자의 전기적 특성과 신뢰성을 저하하고 표시소자 대면적화가 어려운 문제점이 있다.
특히, 대면적, 고정세 및 패널 영상구동회로, 일체형 랩탑컴퓨터(laptop computer), 벽걸이 TV용 액정표시소자의 상용화는 우수한 전기적 특성(예를 들면 높은 전계효과 이동도(30㎠/VS)와 고주파 동작특성 및 낮은 누설전류(leakage current)의 화소 구동소자를 요구하며 이는 고품위 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)의 응용을 요구하고 있다.
특히, 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성은 그레인(grain)의 크기에 큰 영향을 받는다.
즉, 그레인의 크기가 증가함에 따라 전계효과 이동도가 증가한다.
따라서, 이러한 점을 고려하여 실리콘을 단결정화 하는 방법이 큰 이슈로 떠 오르고 있으며, 최근 들어 에너지원을 레이저로 하여 실리콘 결정의 측면성장을 유도하여 거대한 단결정 실리콘을 제조하는 SLS(sequential lateral solidification)(순차적 측면 고상화)기술이 국제특허 'WO 97/45827'과 한국 공개특허'2001-004129'에 제안되었다.
상기 SLS 기술은 실리콘 그레인이 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 것으로, 레이저 에너지의 크기와 레이저 빔(laser beam)의 조사범위의 이동을 적절하게 조절하여 실리콘 그레인을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로서 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것이다.
이러한 SLS 기술을 이용한 결정화 방법에 대하여 이하 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1은 SLS 결정화 방법에 이용되는 장비를 보여주는 도면이다.
상기 SLS 장비(100)는 레이저 빔(112)을 발생하는 레이저 발생장치(111)와, 상기 레이저 발생장치(111)를 통해 방출된 레이저 빔(112)을 집속시키는 집속렌즈(113)와, 기판(116)에 레이저 빔(112)을 나누어 조사시키는 마스크(114)와, 상기 마스크(114)의 하부에 위치하여 상기 마스크(114)를 통과한 레이저 빔(112)을 일정한 비율로 축소하는 축소렌즈(115)로 구성된다.
상기 레이저 발생장치(111)는 광원에서 가공되지 않은 레이저 빔(112)을 방출시키고, 어테뉴에이터(미도시)를 통과시켜 레이저 빔(112)의 에너지 크기를 조절하고, 상기 집속렌즈(113)를 통해 레이저 빔(112)을 조사하게 된다.
상기 마스크(114)에 대응되는 위치에는 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판(116)이 고정된 X-Y스테이지(117)가 위치한다.
이때, 상기 기판(116)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(117)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정 영역을 점진적으로 확대해 나가는 방법을 사용한다.
전술한 구성에서, 상기 마스크(114)는 상기 레이저 빔(112)을 통과시키는 투과 영역(114a)과, 레이저 빔(112)을 흡수하는 차단영역(114b)으로 구분된다.
상기 투과영역(114a) 사이의 거리(차단영역의 너비)은 그레인의 측면 성장길이를 결정한다.
전술한 바와 같은 종래의 SLS 결정화 장비를 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.
일반적으로, 결정질 실리콘은 상기 기판(116)에 절연막인 버퍼층(buffer layer)(미도시)을 형성하고, 상기 버퍼층 상부에 비정질 실리콘막을 증착 한 후에 이를 이용하여 형성한다.
상기 비정질 실리콘막은 일반적으로 화학 기상증착법(CVD)등을 사용하여 기판(116)에 증착하게 되며, 이는 박막 내에 수소를 많이 함유한다.
상기 수소는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정질 실리콘막을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 거치는 것이 필요하다.
왜냐하면, 수소를 미리 제거하지 않은 경우에는 결정화시 비정질 실리콘막에 포함된 수소 기체의 급격한 부피 팽창에 의해 결정화막의 박리가 일어나기 때문이 다.
여기서, 레이저를 이용한 결정화는 기판(116)의 전 면적을 동시에 결정화 할 수 없다.
왜냐하면, 레이저 빔(112)의 빔폭과 마스크(114)의 크기가 제한되어 있기 때문에 대면적으로 갈수록 상기 하나의 마스크(38)를 여러번 정렬하고, 그 때마다 결정화 과정을 반복함으로써 결정화가 이루어진다.
이때, 상기 단일 마스크(114)의 축소 면적만큼 결정화 된 영역을 한 블럭(block)이라 정의하면, 상기 한 블럭 내의 결정화 또한 다차(多次)의 레이저 빔 조사를 통해 이루어진다.
도 2는 레이저 에너지 밀도별 실리콘의 결정화 곡선 그래프로서, 그레인 크기(grain size)에 따라 레이저 결정화 영역을 분류한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 그래프 상의 제 1 영역은 부분 용융 영역(partial melting regime)으로서, 실리콘층의 표면만을 용융시켜 작은 그레인을 형성하게 된다.
그리고, 제 2 영역은 완전 용융 근접 영역(near complete melting regime)으로서, 제 1 영역보다 조대한 그레인을 형성할 수 있으나 균일한 그레인을 수득하기가 어렵다.
제 3 영역은 완전 용융 영역(complete melting regime)으로서, 비정질 실리콘층 전체를 용융시킨 후 균일한 결정핵 생성(homogeneous nucleation)에 의해 미세한(fine) 그레인으로 형성된다.
여기서, 기존의 SLS 기술을 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법은 레이저 결정화를 위해 실리콘을 완전히 녹이는 에너지 영역대인 완전 용융 영역(제 3 영역)에서 공정을 진행한다.
도 3는 종래 SLS 기술을 이용하여 실리콘을 결정화하기 위한 마스크를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 마스크(114)에 패턴된 투과 영역(114a)과 차단 영역(114b)의 모양을 가로방향으로 긴 슬릿(slit) 형태가 되도록 구성하여 결정화 공정을 진행한다.
이때, 상기 투과 영역(114a)의 세로 길이(d)는 기본적으로 1차 레이저 조사 공정에 의해 측면 성장하는 그레인의 최대 길이의 두 배 또는 그 이하의 길이를 가지도록 구성한다.
이와 같이 마스크를 구성한 후, 1차 그레인 빔을 조사하였을 경우 상기 마스크의 투과영역에 대응하여 비정질 실리콘상의 멜팅 영역(melting regime)에서는 용융된 비정질 실리콘층의 양측 계면에서 그레인이 측면 성장하게 되고, 각 측면 성장한 그레인은 액상 중간에서 바운더리(boundary)가 충돌하면서 성장을 멈추게 된다.
이 때, 결정화 공정 중, 상기 마스크(114)를 통과하여 상기 축소렌즈(도 1의 115)에 의해 축소된 빔 패턴은 X축으로 움직이며 결정화를 진행한다.
이 때, 상기 이동경로는 상기 마스크(114)의 가로방향의 길이만큼 즉, 상기 렌즈에 의해 축소된 패턴의 가로길이 만큼 수백 ㎛∼수 ㎜단위로 이동하며 결정화 공정을 진행한다.
이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 종래의 SLS 기술을 이용한 결정화 방법을 상세히 설명한다.
여기서, 도 4a 내지 도 4c는 2 샷(shot) SLS 폴리실리콘 결정화 방법을 예를 들어 설명한다(마스크에는 3개의 투과 패턴이 형성되었다고 가정하자.)
상기 2샷 폴리실리콘 결정화 방법은 기판 위의 임의의 영역에 레이저 빔을 2회 조사함으로써 상기 투과영역에 대응하는 비정질 실리콘 영역의 결정화를 완료하고, 이러한 결정화를 가로방향으로 연속하여 진행하여, 기판에 대한 가로방향으로의 결정화가 완료되면 세로 방향으로 ㎛단위로 미세이동한 후, 다시 가로방향으로의 결정화를 진행하여 원하는 영역의 결정화 공정을 완료하는 방식이다.
먼저, 전술한 도 3의 마스크(114, 미도시)를 기판 상에 위치시키고 1차 레이저 빔을 조사하여, 투명한 절연 기판에 증착된 비정질 실리콘막의 결정화를 진행한다.
이때, 조사된 레이저 빔은 상기 마스크에 구성된 다수의 슬릿(도 3의 114a, 114b)에 의해 나누어져 부분적으로 비정질 실리콘 박막을 녹여 액상화한다.
이와 같은 경우, 상기 레이저 에너지의 정도는 상기 비정질 실리콘 박막이 완전히 녹을 정도의 높은 에너지 영역대(complete melting regime)를 사용한다.
상기 완전히 용융되어 액상화된 실리콘은 레이저 빔의 조사가 끝나면 고상의 비정질 실리콘 영역과 액상화된 실리콘 영역의 계면 부근에서 실리콘 그레인의 측면 성장이 진행된다.
이 때, 상기 마스크를 통한 빔 패턴의 폭은 그레인의 측면성장 길이(그레인의 길이)의 두배 또는 그 이하로 하며, 결정화된 영역은 상기 마스크의 투과 영역(도 3의 114a)에 대응하는 부분이며, 이 투과 영역(114a)에 대응하여 결정화 영역 또한 가로방향으로 소정의 길이를 가지는 결정 영역(A1, A2, A3)이 형성되고, 상기 마스크의 차단 영역(도 3의 114b)에 대응하여 비정질 실리콘 영역(167)이 형성되어 있다.
이때, 상기 결정 영역(A1, A2, A3) 내에서는 상기 레이저를 통해 용융된 액상 실리콘과 고상 실리콘의 계면으로부터 수직하게 그레인(166a, 166b)이 자라게 되며, 상기 각 그레인(166a, 166b)이 측면 성장하여 도시한 바와 같이 점선부근에서 만나 그레인 바운더리(166c)를 형성하게 된다.
다음으로, 상기 기판이 놓여진 스테이지(미도시)를 상기 축소된 마스크 패턴(빔패턴)의 가로 길이만큼 수백㎛∼수 ㎜단위로 이동하면서, 연속적으로 X축 방향으로의 결정화를 진행한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, X축 방향(가로)으로의 결정화가 모두 이루어 졌다면, 상기 마스크(114) 또는 X-Y스테이지는 Y축 방향(세로)으로 미소하게 이동한다.
다음으로, 1차 결정화 공정이 끝난 부분을 처음으로 하여 2차 레이저 조사 공정을 X축으로 이동하면서 진행하게 된다.
이와 같이 하면, 상기 1차 레이저 조사에 의해 결정화된 실리콘의 그레인이 연속하여 더욱 성장하게 된다.
즉, 1차 레이저 조사 공정시 형성된 결정 영역(A1)에서 각 그레인이 부딪히는 그레인 바운더리(166c)로부터, 이웃한 다음 결정 영역(A2)의 그레인 바운더리까지의 거리(k)의 1/2에 해당하는 길이를 가지는 그레인으로 재 성장하게 된다.
따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 일정하게 성장한 길이를 가지는 그레인(168a, 168b)으로 구성된 폴리실리콘 박막층을 구성할 수 있다.
이때, 새롭게 형성된 결정 영역(B1, B2) 내에서는 상기 레이저를 통해 용융된 액상 실리콘과 고상 실리콘의 계면으로부터 수직하게 그레인(168a, 168b)이 자라게 되며, 상기 각 그레인(168a, 168b)이 재 성장하여 도시한 바와 같이 중간 부근에서 만나 새로운 그레인 바운더리(168c)를 형성하게 된다.
이와 같이 형성된 결정 모양의 일부분을 도 4c에서 확대하여 보여주고 있다.
전술한 종래의 SLS 방법을 이용한 비정질 실리콘의 결정화 방법은 실리콘을 완전히 녹이는 에너지 영역인 완전 용융 영역에서 이루어지지만, 이러한 완전 용융대에서의 측면 결정화 방법은 큰 그레인 내부에 많은 결함(169)을 포함하는 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 그레인 내부 결함(169)을 치료하기 위해서 완전 용융대보다 낮은 에너지 영역인 완전 용융 근접 영역에서 두번째 ELA(Eximer Laser Annealing)를 해서 결함을 치료한다.
그러나, 상기 그레인 내부 결함을 치료하기 위하여 높은 에너지의 레이저를 사용한 후 추가 공정으로 낮은 에너지를 사용하는 방법은 전체 결정화 공정 시간을 늘리게 되어 공정 수율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 실리콘을 결정화하기 위하여 순차적 측면 결정화(SLS) 방법을 이용시 레이저 마스크를 N 블럭으로 나누고 레이저가 차단되는 영역을 레이저 광이 부분적으로 통과하도록 함으로써 SLS 공정 진행과 동시에 낮은 레이저 에너지 영역에 의해 양질의 그레인을 얻을 수 있는 실리콘 결정화 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실리콘의 결정화 방법은, 비정질 실리콘 박막이 형성된 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판의 상부에 다수의 블럭으로 나누어지며 각 블럭에는 투과 패턴이 서로 엇갈리게 배치되고 상기 투과 패턴 사이에 복수의 슬릿을 형성하는 마스크를 위치시키는 단계와; 상기 마스크에 레이저 빔을 조사하는 단계와; 상기 기판이 마스크의 투과 패턴을 통해서 레이저 빔이 조사되어 결정화되는 단계와; 상기 기판이 이동함에 따라 마스크의 투과 패턴에 의해서 결정화된 영역이 상기 복수의 슬릿에 의해서 활성화되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 스테이지 또는 마스크가 이동함에 따라 결정화가 이루어지고, 1회 이동 거리는 마스크 블럭의 너비만큼인 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 투과 패턴의 세로 길이는 레이저 빔을 한번 조사하였을 경우 성장할 수 있는 그레인의 최대 성장길이 보다 작거나 같은 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 슬릿은 사각형, 원형, 삼각형, 스트라이프형으로 이루어지는 것 을 특징으로 한다.
상기 복수의 슬릿은 이웃하는 투과 패턴으로부터 일정 간격 이격하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 투과 패턴을 통과한 레이저 에너지가 복수의 슬릿을 통과한 레이저 에너지보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 투과 패턴은 가로로 긴 스트라이프 패턴인 것을 특징으로 한다.
상기 투과 패턴의 크기가 투과 패턴 사이의 슬릿 크기보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 마스크에는 동일한 에너지의 레이저가 전면에 조사되는 것을 특징으로 한다.
상기 마스크의 복수의 슬릿은 조사되는 레이저를 회절시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명에서는 SLS 기술을 이용하여 레이저 마스크를 일정 간격의 N 블럭으로 나누고, 각각의 블럭에 투과영역 및 차단영역의 패턴을 변형하여 가로 방향으로의 레이저 빔 스캔을 통해서 원하는 영역의 비정질 실리콘을 결정화 하는 '싱글 스캔(single scan) 방식'을 사용한다.
도 5는 본 발명에 따른 마스크(2 블럭 마스크를 실시예로 함)를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도시한 바와 같이, 마스크(270)에 구성된 다수의 투과패턴(272a)이 세로방향으로 소정간격 이격하여 구성된 제 1 블럭(C)과, 상기 제 1 블럭(C)의 투과영역 패턴과 동일한 제 2 블럭(D)으로 구성되며, 상기 제 2 블럭(D)에 속하는 투과패턴(272b)은 상기 제 1 블럭(C)의 투과패턴(272a) 사이의 간격에 대응되도록 구성된다.
따라서, 전술한 바와 같은 투과패턴(272a, 272b)을 가진 마스크(270)를 가로방향으로 레이저 빔 패턴의 절반(w/2)만큼 이동하게 되면, 상기 제 1 블럭(C)에 속하는 투과패턴(272a)은 상기 제 2 블럭(D)의 투과패턴(272b) 사이의 차단영역(273b)에 대응되는 비정질 실리콘의 상부에 위치하게 되는 결과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 투과패턴의 너비는 한번의 레이저 빔 조사에 의한 그레인의 최대성장 길이의 두배 보다 작거나 같도록 구성한다.
여기서, 상기 마스크의 차단 영역(273a, 273b)에는 좁은 슬릿(275)을 다수 개 형성시킨다.
상기 차단 영역(273a, 273b)에 형성된 좁은 슬릿(275)은 이를 통과하는 레이저를 회절시킨다.
따라서, 상기 마스크(270)의 차단 영역(273a, 273b)은 레이저 조사시에 레이저를 완전히 차단시키는 것이 아니라 상기 차단 영역(273a, 273b)에 형성되어 있는 슬릿(275)을 통해서 레이저를 일부 통과시킴으로써 상기 좁은 슬릿(275)을 통과한 레이저 광이 서로 회절하여 결과적으로 낮은 에너지 밀도를 가지고 실리콘막에 조 사되도록 한다.
결과적으로, 상기 마스크(270)를 이용하여 스테이지를 가로 방향으로 이동하면서 결정화를 진행하게 된다면 원하는 영역의 결정화를 한번의 레이저 빔 스캔 공정으로 완료 할 수 있는 장점이 있다.
이 때, 상기 차단 영역(273a, 273b)의 다수 슬릿(275)들은 영역 중간 부분을 중심으로 배치되도록 한다.
즉, 동 도면에서 확대하여 나타낸 바와 같이, 차단 영역(273a, 273b)의 다수개의 슬릿(275)들을 모서리(edge)로부터 소정 간격(d) 이격하여 배치시켜 측면 결정화를 위한 시드(seed)를 제공한다.
결과적으로, 완전 용융 영역대의 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저를 조사하면 상기 마스크(270)의 투과 패턴(272a, 272b)을 통과한 레이저는 높은 에너지로 실리콘을 측면 결정화시키고, 차단 영역(273a, 273b)의 좁은 슬릿(275)을 통과한 레이저 광은 회절되어 균일하게 낮은 에너지 밀도(완전 용융 근접 영역대 또는 부분 용융 영역대)로 결정화가 이루어진다.
여기서, 상기와 같이 마스크(270)에 1차 레이저를 조사하고 난 후, 기판 하부의 스테이지(도시되지 않음)를 가로 방향으로 마스크(270)의 제 1 블럭(C)의 투과 패턴(272a)의 가로 길이(W/2)만큼 이동시키게 되면 제 1 블럭(C)의 투과 패턴(272a)의 위치에 제 2 블럭(D)의 차단 영역(273b)이 위치하게 된다.
따라서, 이동 후 2차 레이저 조사시에 1차 레이저 조사로 형성되었던 그레인 영역을 다시한번 활성화(activation)시키게 된다.
이하, 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 결정화 방법을 설명한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 결정화 공정을 순서대로 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 기판(220)에 절연막인 버퍼층(buffer layer)(미도시)을 형성하고, 상기 버퍼층 상부에 비정질 실리콘막(222)을 증착한다.
다음으로, 상기 비정질 실리콘막(222)을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 거친다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 비정질 실리콘막(222)이 형성된 기판(220)의 상부에 상기 도 5에 도시한 마스크(미도시, 도 5에서 270)를 위치시킨다.
다음으로, 상기 마스크(270)의 상부에 1 차 레이저 빔을 조사하여, 상기 마스크(270)의 투과패턴(272a,272b)대로 형성된 빔 패턴을 상기 비정질 실리콘막(222)에 조사한다.
상기 마스크(270)의 투과 패턴(272a, 272b)을 통해서 레이저 빔이 조사된 영역은 완전 용융(complete melting)되며, 온도가 낮아지면 용융 영역의 양측 계면으로부터 그레인이 성장하여 제 1 그레인 영역(282a)과 제 2 그레인 영역(282b)과, 상기 두 영역이 만나는 그레인 바운더리(grain boundary, 284)로 구성된다.
이 때, 결정 영역 내에서의 결정화 상태를 설명하면, 상기 레이저를 통해 완전히 녹아버린 비정질 실리콘의 용액이 상기 녹지 않은 양측의 비정질 실리콘을 씨드(seed)로 하여, 평면적으로는 상부와 하부로 부터 그레인(282a, 282b)이 각각 자 라는 형상이 되며, 상기 각 그레인의 바운더리가 도시한 바와 같이 점선(284)부근에서 만나게 된다.
그리고, 상기 마스크(270)의 차단 영역(273a, 273b)을 통해서 레이저 빔이 조사된 영역은 부분 용융되어, 영역 내에 결정이 형성된다.
상기 차단 영역(273a, 273b)에는 좁은 슬릿(275)들이 다수개 형성되어 있으며, 상기 좁은 슬릿(275)들을 통과한 레이저 빔은 회절을 일으켜 낮은 에너지를 가지게 된다.
따라서, 상기 도 5에 설명하였던 마스크(270)의 제 1 블럭(C)에 대해서, 다수의 투과패턴(272a)에 대응하는 다수의 제 1 결정 영역(286a) 및 제 1 활성 영역(283a)이 형성된 제 1 결정 영역 그룹(C1)과, 상기 제 2 그룹(D)의 투과패턴(272b)에 대응하는 다수의 제 2 결정 영역(286b) 및 제 2 활성 영역(283b)이 형성된 제 2 결정 영역 그룹(D1)으로 이루어진다.
이 때, 상기 제 1 결정 영역(286a)과 제 2 결정 영역(286b)에는 고 에너지의 균일한 레이저가 동일한 면적에 조사되고 동일한 형상을 이루고 있으며, 제 1 활성 영역(283a)과 제 2 활성 영역(283b)은 비교적 낮은 에너지의 균일한 에너지가 동일한 면적에 조사되어 결정화를 이룬다.
이 때, 확대하여 도시된 바와 같이, 상기 결정 영역은 완전 용융대에서 측면 성장된 큰 그레인이 형성되어 있으나 많은 내부 결함(285)을 가져 소자특성을 저해하게 된다.
다음으로, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 비결정 영역을 1 차 레이저 빔 조사로 결정화시킨 후에 스테이지를 상기 마스크의 제 1 결정 영역(286a)의 가로 길이(W/2)만큼을 이동한다.
따라서, 상기 스테이지가 가로 방향으로 이동함에 따라 상기 마스크의 다수 투과패턴(272a, 272b)이 이동하게 되면, 상기 마스크의 제 2 블럭(D)에 속한 다수의 투과패턴(272a) 및 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273a)은 상기 1차 레이저 빔 조사로 결정화된 제 1 결정 영역 그룹(C1) 상부에 위치하게 되며, 이때, 제 2 블럭(D)에 속한 다수의 투과 패턴(272b)은 부분 결정화된 제 1 활성 영역(283a)의 상부에 위치하고 다수의 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273b)은 측면 결정화가 이루어진 제 1 결정 영역 상부에 위치하게 된다.
전술한 바와 같은 구성을 유지한 상태에서 상기 마스크(270)의 상부에 2 차 레이저 빔을 조사하게 되면, 상기 마스크(270)의 제 1 블럭(C)에 속한 투과 패턴(272a)에 대응하는 비정질 실리콘이 완전 용융되어 결정화되고 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273a)에 대응하는 비정질 실리콘이 부분 용융되어 결정화된다.
그리고, 제 2 결정 영역 그룹(D1) 상부에 위치한 마스크(270)의 제 2 블럭(D)의 투과 패턴(272b)에 대응하는 제 1 활성 영역(283a)이 완전 용융됨과 거의 동시에 결정화되고, 다수의 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(에 대응하는 제 1 결정 영역은 낮은 에너지대의 레이저에 의해 재결정화(활성화)되어 그레인 내부 결함(285)을 치료하게 된다.
따라서, 도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 1차 레이저 빔 조사에 의해서 형성된 제 1 결정 영역 그룹(C1)과 2차 레이저 빔 조사시에 마스크의 제 2 블럭(D)과 겹치는 영역은 완전한 결정 영역(C2)을 이루게 되고, 동시에 가로방향으로 새로운 제 3 결정 영역(286c) 및 제 3 활성 영역(283c)을 포함하는 제 3 결정 영역 그룹(E1)이 형성된다.
이 때, 상기 결정 영역(C2)내에 형성된 그레인은(287a, 287b) 상기 1 차 레이저 빔 조사에 의해 형성된 그레인 바운더리(284a)로부터, 제 2 차 레이저 빔 조사에 의해 형성된 인접한 그레인 바운더리(284b)까지의 거리(ℓ)의 1/2과 같으며, 중간 부분에 새로운 그레인 바운더리(287c)가 형성된다.
결과적으로, 확대하여 도시한 바와 같이, 2차 레이저 빔 조사에 의해서 상기 제 1 결정 영역 상에 낮은 에너지대의 ELA가 조사되면 그레인 내부가 활성화되면서 재결정화가 이루어져 그레인 내부 결함이 치료되는 효과가 발생한다.
이어서, 도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 스테이지를 가로 방향으로 이동하게 되면, 상기 마스크(270)의 제 2 블럭(D)에 속한 다수의 투과패턴(272b) 및 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(283b)은 상기 2차에 걸친 레이저 빔 조사로 새롭게 결정화된 제 3 결정 영역 그룹(E1)) 상부에 위치하게 되며, 이때, 제 2 블럭(D)에 속한 다수의 투과패턴(272b)은 부분 결정화된 제 3 활성 영역(283c)의 상부에 위치하고 다수의 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273b)은 측면 결정화가 이루어진 제 3 결정 영역 그룹(E1) 상부에 위치하게 된다.
전술한 바와 같은 구성을 유지한 상태에서 상기 마스크(270)의 상부에 3 차 레이저 빔을 조사하게 되면, 상기 마스크(270)의 제 1 블럭(C)에 속한 투과패턴(272a)에 대응하는 새로운 비정질 실리콘이 완전 용융되어 결정 영역(286d)이 형성되고 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273a)에 대응하는 비정질 실리콘이 부분 용융되어 활성 영역(283d)을 이루어 새로운 결정 영역 그룹(F1)을 형성한다.
도 6e에 나타낸 바와 같이, 제 3 결정 영역 그룹(E1) 상부에 위치한 마스크(270)의 제 2 블럭(D)의 투과패턴(272b)에 대응하는 제 3 활성 영역이(283c) 완전 용융됨과 거의 동시에 결정화되고, 다수의 슬릿(275)을 포함하는 차단 영역(273b)에 대응하는 제 3 결정 영역(286c)은 낮은 에너지대의 레이저에 의해 재결정화(활성화)되어 그레인 내부 결함을 치료하여 완전한 결정 영역(E2)을 형성하게 된다.
전술한 바와 같은 도 6a내지 6e의 과정을 반복하게 되면 다수의 그레인 영역으로 정의된 폴리실리콘 박막층을 얻을 수 있다.
상기 폴리실리콘 박막층을 형성하기 위한 결정화 공정에서 기판 하부의 스테이지를 이동하여 결정화를 실시하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 마스크를 이동하여 결정화를 실시하거나 마스크와 스테이지를 동시에 이동하면서 결정화를 실시하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명에 따른 마스크의 다른 실시예를 보여주는 평면도이다.
도시한 바와 같이, 마스크(370)에 구성된 다수의 투과 패턴(372a)이 세로방향으로 소정간격 이격하여 구성된 제 1 블럭(C')과, 상기 제 1 블럭(C')의 투과 패턴(372a)과 동일한 제 2 블럭(D'))으로 구성되며, 상기 제 2 블럭(D'))에 속하는 투과패턴(372b)은 상기 제 1 블럭(C')의 투과패턴(372a) 사이의 간격에 대응되도록 구성된다.
또한, 상기 마스크의 차단영역(374a, 374b)에는 다수개의 사각형 형태의 슬릿(375)을 포함하여 레이저 광을 부분적으로 통과시켜 회절에 의해 낮은 에너지 밀도를 가지도록 구성한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 높은 에너지를 사용하는 순차적 측면 결정화 방법을 이용하여 다결정 실리콘 형성시에 레이저 마스크를 N블럭으로 구분하여 각 블럭에 레이저 빔이 완전히 투과되는 투과패턴과 레이저 빔을 부분적으로 투과시켜 회절에 의해 에너지 밀도를 낮추는 다수의 좁은 슬릿을 차단 영역에 형성시킴으로써 한번의 레이저 공정으로 높은 레이저 에너지와 낮은 레이저 에너지를 동시에 얻을 수 있으므로, 높은 레이저 에너지에 의해서 생긴 결정화 막의 결함을 낮은 레이저 에너지로 동시에 활성화하여 치료할 수 있어 공정 수율의 저하 없이 양질의 다결정 실리콘을 형성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 비정질 실리콘 박막이 형성된 기판을 준비하는 단계와;
    상기 기판의 상부에 다수의 블럭으로 나누어지며 각 블럭에는 투과 패턴이 서로 엇갈리게 배치되고 상기 투과 패턴 사이에 복수의 슬릿을 형성하는 마스크를 위치시키는 단계와;
    상기 마스크에 레이저 빔을 조사하는 단계와;
    상기 기판 상의 상기 비정질 실리콘 박막이 상기 마스크의 투과 패턴을 통해서 조사된 레이저 빔에 의해 결정화되는 단계와;
    상기 기판이 이동함에 따라 상기 마스크의 투과 패턴에 의해서 결정화된 영역이 상기 복수의 슬릿을 통과하며 회절된 레이저에 의해서 재결정화되는 단계;를 포함하고,
    상기 기판은 스테이지 또는 마스크가 이동함에 따라 결정화가 이루어지고, 1회 이동 거리는 마스크 블럭의 너비만큼인 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 투과 패턴의 세로 길이는 레이저 빔을 한번 조사하였을 경우 성장할 수 있는 그레인의 최대 성장길이 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은 사각형, 원형, 삼각형, 스트라이프형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은 이웃하는 투과 패턴으로부터 일정 간격 이격하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 투과 패턴을 통과한 레이저 에너지가 복수의 슬릿을 통과한 레이저 에너지보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 투과 패턴은 가로로 긴 스트라이프 패턴인 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 투과 패턴의 크기가 투과 패턴 사이의 슬릿 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크에는 동일한 에너지의 레이저가 전면에 조사되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 복수의 슬릿은 조사되는 레이저를 회절시키는 것을 특징으로 하는 실리콘의 결정화 방법.
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