KR20010004129A - 레이저 어닐링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 박막을 결정화하는데 사용되는 레이저 어닐링 방법에 관한 것으로, 결정화 속도를 증가시키고, 실리콘 그레인이 크게 성장된 다결정 실리콘 박막을 형성하기 위하여, 실리콘 박막을 완전히 용융시킬 수 있는 에너지 밀도를 가지되, 한 번의 레이저빔 조사로 성장되는 실리콘 그레인의 길이의 두배보다 작은 크기의 폭을 가지는 레이저빔을 마련하는 단계와, 상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 1차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계와, 상기 레이저빔 폭의 1/2 이하의 중첩율을 가지도록 실리콘 박막에 대하여 상기 레이저빔을 상대적으로 이동시키는 단계와, 상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 2차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법을 제공하며, 레이저빔의 중첩정도를 작게 하여 레이저빔의 조사횟수를 줄임으로써 결정화 시간을 단축시킬 수 있고, 레이저의 다수회 조사로 인한 표면이 거칠어지는 것을 방지하기 위한 진공조건을 구비하지 않아도 되기 때문에 장비 조건을 용이하게 설정할 수 있고, 상대적으로 적은 레이저빔의 조사횟수로도 더 큰 크기의 실리콘 그레인을 형성할 수 있기 때문에 특성이 좋은 박막트랜지스터를 제작할 수 있다.

Description

레이저 어닐링 방법{LASER ANNEALING METHOD}
본 발명은 레이저 어닐링 방법에 관한 것으로 특히, 실리콘 박막을 결정화하는데 사용되는 레이저 어닐링 방법에 관한 것이다.
레이저 어닐링은 실리콘 박막 패턴에 불순물 도핑을 진행하여 비정질화된 부분을 활성화시키거나, 실리콘 박막을 결정화시키는 기술로 이용된다.
통상적인 경우, 레이저를 사용하는 실리콘 박막의 결정화는 소정 형상의 프로파일을 가지는 레이저빔을 실리콘 박막에 중첩 스캐닝(scanning)하면서 박막 전면에 레이저 에너지를 공급하는 방식으로 진행된다.
도 1은 엑시머 레이저로 비정질 실리콘 박막을 단일조사(single shot)할 경우, 레이저 에너지 밀도에 따른 결정입자의 크기를 나타낸 것이다.
소정 크기 이하의 에너지 영역(영역 I)에서는 그 레이저 에너지의 크기가 증가하여도 결정입자의 크기는 서서히 증가하지만, 소정 크기 이상의 에너지 영역(영역 II)에서는 결정입자의 크기가 급격히 증가한다. 그리고 그 이상의 에너지 영역(영역 III)에서는 결정입자의 크기는 급격히 작아진다. 즉, 비정질 실리콘 박막이 레이저 빔에 의하여 용융된 후 냉각되어 형성된 결정입자의 크기는 레이저 에너지의 밀도에 따라서 크게 달라진다.
각 영역에 대해서 자세히 설명하면 아래와 같다.
영역 I은 레이저의 에너지 밀도가 낮아 비정질 실리콘 박막이 상층 일부만 용융되게 하는 영역이다. 이 경우, 하층 비정질 실리콘 박막내의 미세 결정립 씨드(seed)로부터 상부 용융된 실리콘으로 응고과정이 진행되면서 결정입자가 성장한다. 결정입자들이 수직으로 성장하기 때문에, 에너지 밀도의 변화에 따른 결정입자 크기의 변화가 적고, 그 크기도 작다.
영역 II는 비정질 실리콘 박막이 계면까지 녹지만, 그 계면 일부에 녹지 않은 실리콘 입자가 존재하게 되는 부분이다. 이 경우, 녹지 않고 남은 실리콘 결정 입자들을 씨드(seed)로 하여 용융된 실리콘 쪽으로 결정입자의 측면 성장이 일어나기 때문에 결정입자의 크기는 크게 증가한다. 이 때, 씨드의 밀도가 적을수록 형성되는 결정입자의 크기는 크다. 이 경우, 결정입자의 크기는 영역 I에 비하여 10 배 이상 증가하기도 한다.
그러나 이 영역은 도면에서도 알 수 있듯이 레이저 에너지 밀도에 따른 결정입자의 크기 변화가 매우 크다. 즉, 작은 에너지 밀도의 변화에 의해서 결정입자의 크기의 변동폭이 매우 크기 때문에 프로세서 윈도우(process window)가 매우 적다. 따라서 이 영역을 이용하여 레이저 결정화 작업을 진행할 경우, 프로세서 윈도우가 적어서 장비유지가 힘들고, 수율 또한 낮게 되어 대량생산에 불리하다.
영역 III은 비정질 실리콘 박막이 계면까지 완전히 녹아서 계면에 남아 있는 결정입자가 없는 부분이다. 이 경우, 용융된 실리콘이 고상화되는 과정중에 동시 다발적으로 핵이 생성되고 성장한다. 따라서, 크기가 매우 작은 미세 결정입자(fine grain)가 형성된다.
도 2a부터 도 2c는 종래 기술에 따른 레이저 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면으로, 레이저빔 조사에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도면에 보인 실리콘 그레인은 그 형상을 단순화시킨 것이다.
레이저 어닐링을 위한 레이저빔의 형상은 광학계를 이용하여 패터닝되는데, 통상적인 경우 라인 형상으로 가공된다. 이 때, 레이저빔은 0.1∼2 ㎜정도의 폭과 수십∼수백 ㎜정도의 길이를 가지도록 하고, 에너지 밀도는 비정질 실리콘 박막을 거의 융용시킬 정도의 크기를 가지도록 구성한다.
도 2a를 참조하면, 광학계를 이용하여 상술된 조건을 가지도록 구성된 레이저빔을 실리콘 박막에 1차로 조사한다.
1차 조사된 비정질 실리콘 부분은 계면까지 녹지만, 그 계면 일부에 녹지 않은 실리콘 입자가 존재하게 되고, 이 입자들이 결정화 씨드(seed)로 작용하여 용융된 실리콘 쪽으로 측면성장하는 방식으로 결정화가 일어난다. 그 결과, 다수개의 실리콘 그레인으로 구성된 다결정 실리콘 영역이 형성된다.
도 2b를 참조하면, 실리콘 박막을 소정 거리만큼 이동하여 다시 레이저빔을 2차로 조사한다.
기판의 이동거리는 레이저빔의 중첩정도와 관계가 있는데, 기판의 이동거리가 클수록 레이저빔의 중첩정도는 작아지게 된다. 일반적으로 실리콘 그레인을 4000∼5000Å정도로 키우기 위해서는 실리콘 박막에 레이저빔을 10∼20회로 중복조사하여 반복적으로 레이저 에너지를 공급해야 가능하다.
통상적인 경우에는 레이저빔의 중첩정도는 80∼99%가 되도록 설정된다.
레이저빔의 단일조사(single shot)에 의한 결정화된 실리콘 박막에는 수십∼수천Å 정도의 작은 크기로 무수히 많은 형태의 실리콘 그레인이 존재하게 된다. 이러한 형태의 다결정 실리콘 박막의 같은 위치에 계속해서 수 회이상의 레이저빔을 조사하게 되면, 작은 실리콘 그레인이 재결정화되어 그 크기가 성장되고, 결국에는 동일 시점에서는 사이즈가 균일하게 큰 실리콘 그레인들이 남게 된다. 따라서, 실리콘 박막을 결정화하는 과정에서 박막 전체에 균일하게 큰 실리콘 그레인이 존재하도록 하기 위해서는 실리콘 박막의 한 부분에 레이저빔을 수 회 이상 조사할 필요가 있다.
도면부호 (21)은 실리콘 박막에 대한 레이저빔의 상대적인 이동방향과 이동거리를 화살표로 나타낸 것을 표시한 것이다.
2차 조사된 비정질 실리콘 부분은 다시 용융되고 실리콘 그레인을 성장시키는 과정을 통하여 결정화된다. 이 때, 레이저빔이 1차에 이어 2차로 중복조사된 부분은 실리콘 그레인의 크기가 더 커지게 된다.
도면부호 (G1)은 레이저빔이 한 번 조사되어 형성된 실리콘 그레인을 나타내고, (G2)는 레이저빔이 두 번 중복조사되어 형성된 실리콘 그레인을 나타낸다.
그 다음, 상술된 바와 같은 레이저 조사와 결정화를 반복함으로써 기판 전면을 스캐닝하여 비정질 실리콘 박막 전체를 결정화한다.
그 결과, 도 2c에 보인 바와 같이, 4000∼5000Å정도로 성장된 실리콘 그레인(G3)으로 구성된 다결정 실리콘 박막이 형성된다. 상술한 설명에 따르면, 도 2c에 보인 실리콘 그레인(G3)은 평균 10∼20회로 레이저 에너지를 중복적으로 공급받아 형성된 것이라 할 수 있다.
그러나 상술된 바와 같은 종래 기술에서는 레이저빔의 중첩정도가 크기 때문에 일정한 크기를 가지는 실리콘 박막에 레이저빔의 조사횟수가 많아서 공정시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, 다수회의 레이저빔 조사로 인하여 그레인 바운더리가 높아져서 표면거칠기가 커지기도 하는데 이를 방지하기 위하여 진공조건에서 레이저 어닐링 공정을 진행한다. 따라서, 진공조건을 맞추도록 어닐링 장비를 준비해야 하는 어려움고 있다. 그리고, process window가 작은 에너지 영역을 이용하기 때문에 이를 위한 광학계의 구성이 용이하지 않다는 문제가 있다.
상술된 문제점들은 모두 생산성 저하와 연결되기 때문에 종래 기술에 있어서 생산수율을 향상시키는데 한계가 있다.
본 발명은 종래 기술에 따른 문제점을 해결한 레이저 어닐링 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 비정질 실리콘을 완전히 용융시킬 수 있는 정도의 에너지를 가지는 레이저빔을 기판에 조사하되, 레이저빔의 중첩정도를 빔폭의 1/2 이하가 되게 하여 기판 전면을 스캐닝함으로써 공정속도를 증가시키고, 실리콘 그레인이 크게 성장된 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 레이저 어닐링 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여 본 발명은 실리콘 박막을 완전히 용융시킬 수 있는 에너지 밀도를 가지되, 한 번의 레이저빔 조사로 성장되는 실리콘 그레인의 길이의 두배보다 작은 크기의 폭을 가지는 레이저빔을 마련하는 단계와, 상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 1차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계와, 상기 레이저빔 폭의 1/2 이하의 중첩율을 가지도록 실리콘 박막에 대하여 상기 레이저빔을 상대적으로 이동시키는 단계와, 상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 2차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법을 제공한다.
도 1은 레이저빔의 단일조사에 있어서 레이저 에너지 밀도에 따른 결정입자의 크기를 나타낸 도면
도 2a부터 도 2c는 종래 기술에 따른 레이저 어닐링에 있어서, 레이저빔 조사횟수에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도
도 3a부터 도 3c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 어닐링에 있어서, 레이저빔 조사횟수에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 어닐링에 있어서의 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도
도 5a부터 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 레이저 어닐링에 있어서, 레이저빔 조사횟수에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
레이저 어닐링을 위한 레이저빔의 형상은 광학계를 이용하여 패터닝되는데, 본 발명에 의한 경우 도면에 보인 바와 같이, 라인형상으로 구성된다. 이 때, 레이저빔은 수 ㎛정도의 폭과 수십∼수백 ㎜정도의 길이를 가지도록 구성한다. 따라서, 레이저빔의 폭에 있어서, 0.1∼2 ㎜정도의 폭을 가지는 종래 기술에 비하여 훨씬 작음을 알 수 있다.
레이저빔의 폭은 레이저의 에너지 밀도와 실리콘 박막의 상태에 따라 결정되는 요소인데, 본 발명에서는 레이저빔의 폭을 "한 번의 레이저빔 조사에 따라 성장되는 실리콘 그레인의 길이"의 두 배이하가 되도록 구성한다. 한 번의 레이저 조사로 얻을 수 있는 그레인의 측면성장의 길이는 레이저 에너지의 크기와 비정질 실리콘 박막의 상태에 따라 다르다. 그리고, 레이저 에너지 밀도는 비정질 실리콘 박막을 완전히 융용할 정도의 크기를 가지도록 예를 들어, 도 1에서의 영역 Ⅲ에 해당하는 에너지 밀도를 가지도록 한다. 따라서, 종래 기술에 보인 경우보다 윈도우 프로세서가 넓다.
도 3a부터 도 3c는 종래 기술에 따른 레이저 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면으로, 레이저빔 조사에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도면에 보인 실리콘 그레인은 그 형상을 단순화시킨 것이다.
도 3a를 참조하면, 광학계를 이용하여 구성된 레이저빔을 실리콘 기판에 1차로 조사한다. 그 결과, 레이저빔에 노출된 실리콘 부분은 완전히 용융된 후, 결정화된다. 이 때, 비정질 실리콘 영역과 실리콘 용융영역의 계면으로부터 그레인의 측면성장이 진행된다.
그레인의 측면성장은 상기 계면에 대하여 수직으로 일어난다. 실리콘 용융영역의 너비에 따라 측면성장은 (1) 양 계면에서 성장한 그레인들이 실리콘 용융영역의 중앙에서 충돌하는 경우 혹은, (2) 실리콘 용융영역이 결정핵들이 생길 정도로 충분히 고화되어 동시 다발적으로 다결정 실리콘 입자들이 형성되는 경우에 정지하게 된다.
그런데, 본 발명에서는 레이저빔의 폭을 한 번의 레이저빔 조사로 성장되는 실리콘 그레인의 길이의 두배보다 작게 구성했으므로 결정화 결과 도면에 보인 바와 같이, 양쪽에서 성장하여 실리콘 그레인이 충돌하는 형상으로 결정화가 진행된다.
도 3b를 참조하면, 기판을 소정 거리만큼 이동하여 다시 레이저빔을 2차로 조사한다. 기판의 이동거리는 레이저빔의 중첩정도와 관계가 있는데, 기판의 이동거리가 클수로 레이저빔의 중첩정도는 작아지게 된다. 본 발명에서는 레이저빔의 중첩정도를 레이저빔 폭의 1/2이하가 되게 하되, 최소한으로 작게 하는 것이 레이저빔의 조사횟수를 적게 할 수 있어서 유리하다.
도면부호(31)은 레이저빔이 중복조사된 영역을 나타낸다.
레이저빔의 2차 조사에 노출된 실리콘 부분은 용융된 후, 결정화된다. 이 때, 1차 조사 결과로 성장한 그레인들이 결정화의 씨드로 작용하여 실리콘 용융영역으로 측면성장을 계속 진행한다. 그리고, 반대편에서도 실리콘 그레인의 성장이 진행된다.
도면부호(G4)는 레이저빔의 1차 조사만으로 성장된 실리콘 그레인을 나타내고, (G5)는 레이저빔의 1차 조사에 의하여 성장된 실리콘 그레인이 다시 레이저빔의 2차 조사에 의하여 연속적으로 성장한 실리콘 그레인을 나타내고, (G6)는 레이저빔의 2차 조사에 의해서만 성장된 실리콘 그레인을 나타낸다.
그 다음, 상술된 바와 같은 레이저 조사와 결정화를 반복하여 기판 전면을 스캐닝하는 방법에 의하여 결정화하면, 도 3c에 보인 바와 같이, 실리콘 그레인의 크기가 큰 다결정 실리콘 박막이 형성될 수 있다.
도면에 보인 실리콘 그레인은 평균적으로 2회의 레이저 조사로 인하여 성장된 것이라 할 수 있다.
한 번의 레이저 조사에 의하여 성장되는 실리콘 그레인의 길이가 2∼4㎛ 정도인 것을 감안하고, 레이저빔의 폭을 4∼8㎛ 정도로 구성하여 본 발명을 진행할 경우, 실리콘 그레인을 최대 4∼8㎛길이로 성장시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 레이저빔의 중첩정도를 획기적으로 낮출 수 있으므로 공정시간을 대폭 줄일 수 있고, 레이저빔의 조사횟수를 종래 기술에 비하여 획기적으로 줄일 수 있으므로 결정화 공정을 진공하에서 진행하지 않아도 되기 때문에 공정조건이 용이하고, 레이저의 에너지 밀도를 실리콘 박막의 완전히 용융되는 영역으로 설정하므로 윈도우 프로세서가 넓어서 광학계의 준비가 용이하다. 이러한 장점은 생산성의 향상으로 연결된다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면으로, 레이저빔 조사에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
본 발명의 제 1 실시예와 동일한 조건으로 레이저 어닐링을 진행하되, 레이저빔을 광학계를 이용하여 2개 이상으로 구성하여 다수개의 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 결정화하는 경우를 나타낸 것이다. 결정화 진행은 본 발명의 제 1 실시예와 동일하다. 다만 도면에 보인 바와 같이, 실리콘의 결정화가 여러곳에서 동시에 진행할 수 있다는 특징이 있다. 이 경우에는 레이저빔의 개수만큼 공정속도를 향상시킬 수 있다.
도면부호 (41)는 다수개의 레이저빔 중 제 1 레이저빔을 사용하여 결정화시킨 실리콘 영역을 나타낸 것이고, (42)는 다수개의 레이저빔 중 제 2 레이저빔을 사용하여 결정화시킨 실리콘 영역을 나타낸다.
도 5a부터 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면으로, 레이저빔 조사에 따른 실리콘 결정화의 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
본 발명의 제 3 실시에의 경우에는 다수개의 레이저빔을 배열하되, 빔 간의 간격(B)을 빔의 폭(A)보다 작게 하여 두 번의 레이저빔 조사로 실리콘 박막의 결정화를 이루려 하는 것이다.
도 5a를 참조하면, 소정의 폭 예를 들어, 2㎛정도의 폭을 가지는 다수개의 레이저빔을 광학계로 패터닝한 후에 기판에 조사한다. 이 때, 빔 간의 간격(B)은 빔 폭(A)보다 작게, 예를 들어, 1.9㎛정도의 간격을 두고 배열된다. 레이저빔에 조사된 실리콘 박막을 본 발명의 제 1 실시예에서 보인 바와 같이, 양 끝에서 실리콘 그레인이 성장하는 방식으로 실리콘 결정화가 이루어진다.
도 5b를 참조하면, 기판의 소정의 거리 예를 들어, 1.8∼2.0㎛정도 이동시켜서 레이저빔의 2차조사를 진행한다. 레이저빔의 2차조사에 노출된 실리콘 부분은 완전히 용융된 후에 결정화된다. 이 때, 상술한 바와 같이, 레이저빔의 1차조사에 의해 성장된 실리콘 그레인이 계속적으로 성장한다. 이 경우 용융된 영역의 양쪽에 위치한 실리콘 그레인이 결정화의 씨드로 작용하여 양방향으로부터 실리콘 결정화가 이루어지면서 실리콘의 결정화가 진행된다. 그 결과, 두 번의 레이저빔의 조사로 실리콘 박막의 소정영역을 레이저 결정화가 이루어지게 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 레이저빔의 중첩정도를 작게 하여 레이저빔의 조사횟수를 줄임으로써 결정화 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 레이저의 다수회 조사로 인한 표면이 거칠어지는 것을 방지하기 위한 진공조건을 구비하지 않아도 되기 때문에 장비 조건을 용이하게 설정할 수 있다. 그리고, 실리콘을 완전히 용융시키는 레이저 에너지 영역을 이용하기 때문에 process window가 넓어서 공정 조건을 설정하는 것이 용이하다. 또한, 본 발명은 상대적으로 적은 레이저빔의 조사횟수로도 더 큰 크기의 실리콘 그레인을 형성할 수 있기 때문에 특성이 좋은 박막트랜지스터를 제작할 수 있다.
본 발명은 제시된 실시예 뿐만이 아니라, 첨부된 특허청구범위 및 언급한 상술부분을 통하여 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 동업자에 의하여 다양한 방식으로 적용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 실리콘 박막을 완전히 용융시킬 수 있는 에너지 밀도를 가지되, 한 번의 레이저빔 조사로 성장되는 실리콘 그레인의 길이의 두배보다 작은 크기의 폭을 가지는 레이저빔을 마련하는 단계와,
    상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 1차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계와,
    상기 레이저빔 폭의 1/2 이하의 중첩율을 가지도록 실리콘 박막에 대하여 상기 레이저빔을 상대적으로 이동시키는 단계와,
    상기 레이저빔을 사용하여 실리콘 박막을 2차 조사한 후, 실리콘 그레인을 성장시키는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저빔을 이동시키고 상기 실리콘 박막에 조사하고 실리콘 그레인을 성장시키는 공정을 반복적으로 실시하여 상기 실리콘 박막 전면을 스캐닝하여 결정화하는 레이저 어닐링 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저빔의 1차조사로 성장된 실리콘 그레인이 상기 레이저빔의 2차조사에 의하여 연속적으로 성장시켜서 실리콘 그레인의 길이를 늘리는 레이저 어닐링 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저빔을 다수개로 마련하고, 배열하여 다수개의 레이저빔을 동시에 사용하여 상기 실리콘 박막을 결정화시키는 레이저 어닐링 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수개의 레이저빔은 상기 레이저빔의 폭보다 작은 크기의 간격을 가지고 배열되어 실리콘 박막을 결정화시키는 레이저 어닐링 방법.
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