KR19980060717A - 실리콘박막의 결정화방법 - Google Patents

Abstract

결정의 크기가 크고 우수한 특성을 갖는 다결정 실리콘박막을 얻을 수 있는 실리콘박막의 결정화방법에 대해 기재되어 있다. 이 결정화방법은, 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계와, 비정질 실리콘박막 상에 반사막 패턴을 형성하는 단계, 및 비정질 실리콘박막에 레이저를 조사함으로써 실리콘박막을 결정화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 방법에 따르면, 결정의 크기가 크고 균일하며 우수한 특성을 갖는 다결정실리콘박막을 얻을 수 있다.

Description

실리콘박막의 결정화 방법

본 발명은 실리콘박막의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 레이저(laser)를 이용하여 우수한 특성을 갖는 다결정실리콘막을 얻을 수 있는 실리콘박막의 결정화 방법에 관한 것이다.

지금까지의 표시장치의 대명사이던 음극선관 (CRT: Cathode - Ray Tube)을 대신하여 저 전력소모 및 경박단소화가 가능한 새로운 개념의 표시 소자로서, 액정 표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 플라즈마 방전을 이용하는 PDP(Plasma Display Panel), 일렉트로 루미네센스(Electro-Luminescence; EL) 등의 각종 표시장치가 개발되었다. 그 중에서도 특히 LCD는, 전기장에 의하여 분자의 배열이 변화하는 액정의 광학적 성질을 이용하는 액정기술과 반도체기술을 융합한 대표적인 평판 표시장치이다.

이러한 LCD의 스위칭소자로 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; 이하, TFT로 칭함)가 사용되고 있는데, 이 TFT의 채널(channel)로 사용되는 반도체층을 다결정실리콘으로 제작(이하, 다결정실리콘- TFT라 칭함)하기 위하여 기판 상에 형성된 비정질 상태의 실리콘박막을 결정화해야 할 필요가 있다. 상기 다결정실리콘-TFT의 반도체층인 다결정실리콘 박막을 형성하는 대표적인 결정화 방법은 퍼니스(Furnace)를 이용하는 방법이고, 최근 주목받는 방법으로는 레이저(laser)를 이용하는 방법이다.

레이저를 이용한 어닐링(annealing)은 1976년 Khaibullin이 처음 개발한 이후로 대규모 집적회로(Large Scale Integration; LSI) 공정에서 불순물 이온을 주입한 실리콘의 어닐링을 목적으로 개발되어 오다가, 대면적의 표시소자 개발에 적용되면서 비교적 근래에 와서 TFT-LCD의 다결정실리콘 박막의 제조에 응용되기 시작하였다. 비정질실리콘 박막을 레이저를 사용하여 어닐링함으로써 양질의 다결정실리콘을 제작하는 방법은, 녹는 온도가 높음에도 불구하고 짧은 시간에 열처리되기 때문에 기판에 손상을 주지않는 장점을 가지고 있다.

도 1은 종래의 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도면 참조부호 10은 투명기판을, 15은 상기 투명기판(10) 상에 형성된 비정질 상태의 실리콘박막을 각각 나타낸다.

상기 도 1을 참조하여 종래 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하면, 이 방법은 단순히 레이저를 비정질의 실리콘박막(15)에 조사하여 실리콘박막을 일시적으로 용융 및 냉각시킴으로써 결정화를 수행한다. 이 때, 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따라 비정질 실리콘박막의 용융 정도 및 그에 따른 결정화의 상태가 변화한다. 예를 들어, 조사하는 레이저의 에너지 밀도를 높이면 비정질 실리콘박막은 표면으로 부터 더 깊은 곳까지 용융되는데, 에너지 밀도가 증가할수록 용융되는 양이 많아지며, 소정의 임계 에너지밀도 이상에서는 비정질 실리콘박막이 완전히 용융되어 버린다. 그리고, 결정화되는 다결정실리콘의 그레인의 크기(grain size)는 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 비례한다(즉, 비정질 실리콘박막이 많이 용융될수록 그레인 크기가 증가된다). 이는 임계 에너지 이하의 에너지 밀도에서는 비정질 실리콘박막의 윗쪽(표면쪽)만이 용융되었다가 냉각되는 과정을 통해 작은 그레인으로 결정화되는 것을 의미한다. 임계 에너지 밀도에 근접한 레이저의 에너지 밀도에서는 아랫쪽의 소량의 비정질 실리콘박막만 남고 나머지는 거의 용융된 상태(nearly complete melting) 이므로 용융되지 않는 실리콘박막이 시드(seed)로서 작용하여, 결국 큰 그레인으로 결정화된다. 다만, 레이저의 에너지 밀도를 상기에서 언급한 임계 에너지밀도 이상으로 하여 비정질 실리콘박막이 완전히 용융되면, 시드로서 작용할 아무런 실리콘박막도 남지 않으며, 불규칙한 핵형성 및 결정성장에 의거하여 결정화가 일어나기 때문에 오히려 그레인의 크기가 감소되어 버린다.

일반적으로, 우수한 성능의 TFT 소자를 제조하기 위해서는 다결정실리콘의 결정립의 크기가 커야 하고, 결정의 결함밀도 및 표면 거칠기(surface roughness)가 작아야 한다. 특히, 결정립계와 결정 결함들은 전하운반자의 이동에 의해 산란인자로 작용하여 전계효과 이동도를 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다. 이 때문에 종래에는 레이저의 에너지밀도를 임계 에너지밀도에 가능한 한 근접하도록 하여 최소한의 시드 역할을 담당할 비정질 실리콘박막만이 남도록 하는 방법을 사용하였다.

그러나, 종래의 방법에서 큰 그레인을 얻을 수 있는 에너지 밀도의 구간이 매우 좁기 때문에, 공정수행시의 허용 가능한 마아진 (margin)의 폭이 매우 작은 어려움이 있었다. 또한, 결정화한 다결정실리콘에 있어서 그레인이 임의로 위치하기 때문에, 이러한 조건의 결정화영역을 예컨대 TFT의 채널영역이 형성되는 반도체패턴으로 사용할 경우에는 균일한 소자특성을 확보하기 어려운 문제점도 있었다.

최근에는, 절연막을 비정질실리콘 박막위에 증착하여 비정질실리콘의 선택적 완전녹음을 유도한 레이저 결정화방법이 발표된 바 있다(H. J. Kim and James S. Im, Applied Physics Letter 68, 1513(1996)).

도 2는 종래의 다른 방법에 의한 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 2㎛ 정도 두께의 산화막(20) 상에 500 ∼ 2,000Å 정도 두께의 비정질 상태의 실리콘박막(30)을 형성한다. 다음에, 상기 실리콘박막(30) 상에 500Å 정도의 두께로 실리콘산화막(SiO₂)과 같은 투명한 절연물질을 증착하여 절연막(40)을 형성한 후 상기 절연막을 패터닝한다.

상기 절연막(40)은 반사방지막(Anti Reflective Coating; ARC) 역할을 함으로써, 절연막 하부의 실리콘박막(30)에 레이저를 조사했을 때 레이저의 반사를 방지하여 상기 실리콘박막(30)에 더 높은(많은) 에너지가 조사되도록 한다.

도 3a 내지 도 3d는 종래의 방법에 의한 실리콘박막의 결정화 과정을 평면도로 나타낸 것이고, 도 4a 내지 도 4d는 상기 도 3a 내지 도 3d를 단면도로 나타낸 것이다. 도 3a 내지 도 3d에서 도면참조 부호 A는 절연막 패턴이 형성되지 않은 부분의 비정질실리콘막을 나타내고, B는 절연막 패턴이 형성되어 있는 비정질실리콘막을 나타낸다.

도 3a 및 도 4a는 실리콘박막의 결정화를 진행하기 전의 초기상태를 나타낸 평면도 및 단면도로서, 비정질의 실리콘박막(30) 상에 실리콘산화막으로 이루어진 절연막(40) 패턴이 형성되어 있다.

도 3b 및 도 4b는 절연막(40) 하부에 형성된 비정질의 실리콘박막(30)에 레이저가 조사되어 결정화가 시작된 상태를 나타낸 평면도 및 단면도이다. 조사된 레이저의 에너지 밀도에 의해 상기 절연막(30)이 형성된 곳의 실리콘박막(B)은 완전히 용융(complete melting)된 상태, 절연막이 형성되지 않은 곳의 실리콘박막(A)은 부분적으로 용융(partial melting)된 상태를 나타낸다.

도 3c 및 도 4c는 시간이 경과되어 절연막(30)이 형성된 경계부로부터 횡방향으로 결정성장이 진행되고 있는 상태를 나타낸다.

도 3d 및 도 4d는 결정립계(Grain boundary)가 제어된 미세구조의 다결정 실리콘박막(30a)이 형성된 상태를 나타내는 평면도 및 단면도로서, 가운데 부분은 단결정립계(Single Grain Boundary)를 나타내며, 결정이 비교적 크고 균일하게 형성됨을 나타낸다.

상기한 종래의 결정화 방법에 의하면, 비정질 실리콘박막 위에 반사방지막을 형성하여 실리콘박막에서의 레이저의 반사를 방지하여 더 높은 에너지가 조사되도록 함으로써, 결정의 크기가 비교적 크고 균일한 구조의 다결정실리콘 박막을 형성할 수 있다. 그러나, 상기한 방법은 레이저를 에너지 밀도를 조절해서 비정질실리콘 박막의 부분적 녹음(partial melting)과 완전 녹음(completely melting)을 선택적으로 유발시켜야만 하는 어려움이 있다. 또한, 결정의 크기가 크고 결정립이 균일하게 형성되는 부분은 절연막(40)이 형성된 중심부(도 3d의 참조부호 b1)이고, 절연막 패턴의 경계부의 실리콘박막(도 3d의 참조부호 b2 및 b3)에서는 결정화 초기에 결정들간의 경쟁(competition)에 의해 결정립이 작게 형성되므로 박막의 특성이 좋지 않게 된다. 또한, 반사방지막 역할을 하는 절연막 패턴의 측면이 일직선을 이루고 있기 때문에, 결정립이 크고 특성이 우수한 박막을 대량으로 얻을 수 없는 제한이 따른다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다결정실리콘의 결정성을 향상시키고 결정구조의 균일성을 향상시킬 수 있는 실리콘박막의 결정화 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 종래의 다른 방법에 의한 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 3d는 종래의 방법에 의한 실리콘박막의 결정화 과정을 평면도로 나타낸 것이고, 도 4a 내지 도 4d는 상기 도 3a 내지 도 3d를 단면도로 나타낸 것이다.

도 5a 및 도 5c는 본 발명에 의한 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 6은 본 발명에 의해 결정화된 상태를 평면도로 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 레이저 결정화에 사용되는 결정화 장비를 간략하게 도시한 것이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 실리콘박막의 결정화 방법은, 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계; 상기 비정질 실리콘박막 상에 반사막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 실리콘박막에 레이저를 조사함으로써, 상기 실리콘박막을 결정화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 반사막 패턴은 박막 트랜지스터의 채널이 형성될 부분의 상기 비정질실리콘막을 노출시키는 모양으로 형성하고, 금속을 사용하여 500 ∼ 700Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 실리콘박막을 결정화하는 단계는 비 스캔(Non-Scan) 방식의 다중 펄스(Multiple pulse) 방식을 사용하며, 기판의 온도를 500℃ 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 결정성이 좋고 결정구조가 균일한 양질의 다결정실리콘 박막을 얻을 수 있다. 이렇게하여 얻어진 다결정실리콘막은 이동도가 높기 때문에, 이를 이용하면 우수한 특성을 갖는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 실리콘박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 5a를 참조하면, 기판(50) 상에 비정질실리콘을 증착하여 소정 두께의 비정질실리콘막(52)을 형성한 다음, 상기 비정질실리콘막(52)의 전면에 금속을 증착하여 금속막(54)을 형성한다. 상기 금속막(54)은 LCD 제조라인에서 흔히 사용되는 금속으로서, 예를 들어 TFT의 게이트전극 물질로 사용되는 알루미늄(Al)-네오지움(Nd)과 같은 알루미늄 합금을 사용하여 형성할 수 있으며, 그 두께는 500 ∼ 700Å 정도가 바람직하다.

도 5b를 참조하면, 통상의 사진공정을 적용하여 상기 금속막(54) 상에 감광막 패턴(56)을 형성한다. 상기 감광막 패턴(56)은 단순 줄무늬(stripe) 모양으로 형성되는데, 박막 트랜지스터의 채널(channel)이 될 부분의 길이와 기판의 최대 가열온도에 따라 그 크기가 결정된다. 즉, 상기 감광막 패턴(56)이 형성되지 않은 부분이 채널이 형성될 부분이 된다. 다음에, 상기 감광막 패턴(56)을 마스크로 사용하여 상기 금속막(54)을 패터닝하여 채널이 형성될 부분의 금속막을 제거한다.

도 5c를 참조하면, 상기 감광막 패턴을 제거한 후, 금속막(54)에 의해 부분적으로 마스킹된 상기 비정질실리콘막(52)에 소정 펄스의 레이저를 조사하여 상기 비정질실리콘막을 결정화시킨다. 상기 비정질실리콘막(52)에 레이저를 조사하면, 금속막(54) 아래의 실리콘 영역으로부터 금속막이 없는 쪽으로 결정의 측면성장이 일어나서 결정성이 좋은 다결정실리콘막(52a)을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 레이저 결정화 방법에 의해 결정화된 상태를 평면도로 나타낸 것으로서, 줄무늬 모양으로 비정질 상태의 실리콘막(52)과 다결정 상태의 실리콘막(52a)이 교대로 형성되어 있으며, 상기 다결정 실리콘막(52a)의 결정의 크기가 비교적 크고 균일함을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 레이저 결정화에 사용되는 결정화 장비를 간략하게 도시한 것으로, 도면 참조번호 60은 레이저 빔을 균질화하여 탑-햇(Top-Hat) 모양으로 바꾸어주는 균질기(Homogenizer)이고, 70은 상기 균질기를 통과한 레이저 빔을 반사시켜 기판에 도달하게 하는 반사경(mirror)이고, 80은 그 표면상에 비정질실리콘 박막과 패터닝된 금속막이 차례로 적층되어 있는 기판을, 그리고 90은 기판온도를 일정하게 유지시키기 위한 진공 챔버(chamber)를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 결정화는 기존의 레이저 결정화에 주로 사용되는 스캐닝 모드(scanning mode)를 사용하는 것이 아니라, 레이저 빔과 샘플(기판)이 고정되어 있는 다중 펄스(Multiple-Pulse) 방식을 사용한다. 이 때, 레이저 빔에 노출되는 부분은 금속막이 형성되지 않은 영역이고. 금속막 패턴이 형성되어 있는 부분은 레이저 빔이 95 ∼ 100％ 반사되어 거의 조사되지 않는다. 따라서, 레이저 어닐링 후에도 금속막 패턴이 형성되어 있는 비정질실리콘막은 여전히 비정질 상태로 남아있게 된다.

한편, 본 발명의 레이저 결정화 방법에서는 어닐링 전의 기판의 온도가 중요한 변수중의 하나이다. 결정의 측면성장이 충분히 일어나고 금속막 마스크가 없는 부분의 온도가 충분히 높아 핵생성(nucleation)을 방지할 수 있을 정도로 기판온도가 유지되어야 하는데, 바람직하게는 기판의 온도가 500℃ 이하로 유지되어야 한다. 이렇게하여 얻어진 다결정실리콘 박막은 이동도(mobility)가 100㎠/Vsec 정도로서, 이 다결정실리콘 박막을 이용하면 현재 비정질실리콘 또는 고온에서 고상결정화(Solid Phase Crystallization; SPC)로 얻어진 다결정실리콘으로 제작된 박막 트랜지스터들에 비해 매우 우수한 특성을 갖는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.

이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술적 사상내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 본 발명에 의한 실리콘박막의 결정화방법에 따르면, 비정질실리콘막 위에 금속막과 같이 조사된 레이저 빔을 반사시킬 수 있는 막질로 이루어진 마스크를 형성한다. 이렇게 하면, 금속막 마스크가 형성된 부분에서는 레이저 빔이 반사되어 결정화가 이루어지지 않고, 마스크가 없는 부분에서만 레이저가 조사되어 결정화가 이루어진다. 따라서, 결정성이 좋고 결정구조가 균일한 양질의 다결정실리콘 박막을 얻을 수 있다. 이렇게하여 얻어진 다결정실리콘막은 이동도가 높기 때문에, 이를 이용하면 우수한 특성을 갖는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;

   상기 비정질 실리콘박막 상에 반사막 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 비정질 실리콘박막에 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘박막을 결정화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사막 패턴은,

   박막 트랜지스터의 채널이 형성될 부분의 상기 비정질실리콘막을 노출시키는 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 반사막 패턴은,

   금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 반사막 패턴은,

   500Å ∼ 700Å 정도의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 실리콘박막을 결정화하는 단계에서,

   상기 기판의 온도를 500℃ 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘박막을 결정화하는 단계는,

   비 스캔(Non-Scan) 방식의 다중 펄스(Multiple pulse) 방식을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘박막의 결정화방법.