KR20020005815A - 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘 박막의결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 빔을 이용하여 액정표시기용 비정질 실리콘 막을 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정실리콘 막으로 결정화하기 위한 개선된 방법을 개시한다. 본 발명의 결정화 방법은, 유리기판과의 점착성 향상 및 오염방지용으로 증착되는 산화막 위에 비정질 실리콘 막을 약 500 ~ 2,000 Å 정도의 두께로 증착하고, 이 비정질 실리콘 막에 전자 빔을 조사하여 비정질 실리콘 막을 다결정 실리콘 막으로 결정화 시킨다. 선택적으로, 비정질 실리콘 막 위에 결정핵을 형성하고, 전자 빔을 조사하는 것도 가능하다.
Description
본 발명은 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액정표시기와 같은 평판 표시기의 기판으로 사용되는 유리기판 위에 구동 회로나 박막 트랜지스터를 형성하는데 사용되는 다결정 실리콘 층의 형성 방법에 관한 것이다.
다결정 실리콘은 비정질실리콘에 비하여 매우 높은 전자 이동도를 갖는다.따라서 현재 박막 트랜지스터 액정표시기(TFT LCD:Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)의 표시영역에 쓰여지는 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 대체 할 수 있다면 고품격의 대구경 화면을 고속으로 동작시킬 수 있다. 아울러 액정표시기 패널과 분리된 별도의 구동 IC를 제작하지 않고 유리기판 위에 직접 구동 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 형성하는 칩 온 글라스(Chip on Glass)가 가능해져 공정 및 비용상의 장점이 있다.
따라서 여러 가지의 방법으로 비정질실리콘을 다결정 실리콘으로 만드는 방법이 제시되고 있으며, 현재 가장 많이 사용되는 기술은 엑시머(Excimer) 레이저 어닐링 방법으로 이전 공정이 마무리된 유리기판에 비정질 실리콘을 증착후 엑시머 레이저를 이용하여 이 비정질실리콘을 용융하여 결정화시킨다. 즉, 이 방법은 단순히 레이저를 비정질 실리콘 막에 조사하여 순간적으로 용융 및 냉각시킴으로써 결정화를 수행한다. 이때 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따라 비정질 실리콘 막의 용융정도 및 그에 따른 결정화의 상태가 변한다. 즉 조사하는 레이저 빔의 에너지 밀도를 높이면 비정질 실리콘 막은 표면으로부터 아주 깊은 곳까지 용융되는데 에너지의 양이 많아질수록 용융되는 양이 많아지며 소정의 임계 에너지 밀도 이상에서는 비정질 실리콘 막이 완전히 용융 되어버린다.
결정화되는 다결정 실리콘의 그레인(Grain)의 크기는 조사되는 에너지 밀도에 비례한다. 즉, 비정질 실리콘 막이 많이 용융될수록 그레인의 크기가 증가된다.
일반적으로 우수한 성능의 TFT LCD를 얻기 위해서는 다결정실리콘의 결정립의 크기가 커야 하며 결정결함 및 표면 거칠기가 작아야 한다. 이렇게 하기 위해서는 레이저의 에너지 밀도를 임계에너지 밀도에 가능한 한 근접하도록 하여 최소한의 결정핵 역할을 할 수 있는 비정질 실리콘 박막을 남겨두어야 하나 이 방법에서 사용되어지는 레이저 에너지 밀도구간이 매우 좁기 때문에 공정진행 시 허용오차가 매우 작은 어려움이 있다. 또한 다결정 실리콘화 한 막에 있어서도 그레인이 임의로 위치하기 때문에 균일한 소자 특성을 확보하는데 어려움이 있다.
TFT LCD의 동작을 최적화 할 수 있는 다결정 실리콘의 그레인 크기는 수백 나노미터 수 마이크로미터(㎛)이다. 그런데, 현재 사용하고 있는 엑시머 레이저의 레이저 빔은 수십 센티미터에 이르는 장방향의 길이와 수 미리의 폭을 갖는 거의 직선에 가까운 구조를 갖는다.
이러한 구조적인 제한으로 인하여, 한 번의 레이저 광의 펄스는 수 만개 내지 수십만개 정도의 그레인에 영향을 주게 된다.
그러므로, 레이저 빔을 이용한 종래의 결정화 방법은 그레인의 크기를 원하는 정도로 성장시키기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 그레인의 크기를 원하는 크기로 조절할 수 있는 비정질 실리콘 막의 결정화 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비교적 낮은 융점을 갖는 투광성 기판 상에 전자 빔을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 유리기판 위에 비정질 실리콘층이 도포된 상태의 기판 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 결정핵의 형성없이 비정질 실리콘 막의 결정화 방법을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비정질 실리콘 막의 결정화 방법을 보여주는 단면도.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 결정화 방법은, 먼저 일측 표면에산화막이 형성된 유리기판 위에 비정질 실리콘층을 약 500 ~ 2000 Å 두께 범위로 형성한다. 다음으로, 비정질 실리콘 층에 소정 에너지 밀도를 갖는 전자 빔을 조사한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법은, 비정질 실리콘 층이 형성된 유리기판 위에 전자 빔을 조사하기 전에, 비정질 실리콘층 위에 소정의 직경을 갖는 결정핵을 형성하는 공정을 포함한다.
이때, 전자 빔의 스폿 직경은 결정화된 다결정 실리콘에서 원하는 그레인 직경에 따라서 조절된다.
상기 결정핵은 산화막과 비정질 실리콘 층이 형성된 기판이 장착된 반응로 내에 소정 유량의 실란(SiH4) 또는 이실란(Si2H6) 가스를 공급하여 형성하고, 이 결정핵의 직경은 바람직하게는 약 100 Å미만으로 형성한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘막의 결정화 방법을 보여주는 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 상부측 표면 위에 산화막(4)과 비정질 실리콘 막(6)이 각각 소정 두께로 순차적으로 형성된 절연성 기판(2)이 제공된다. 이 절연성 기판(2)은, 예를 들어 광 투광성을 갖으며, TFT LCD의 기판으로 적용되는 유리기판이지만, 반드시 유리기판에만 한정되는 것은 아니고 석영기판 또는 투명한 플라스틱 기판 등이 사용될 수도 있다.
산화막(4)은 비정질 실리콘 막(6)과 유리기판(2)과의 점착성을 높이기 위하여 비정질 실리콘막(6)과 유리기판(2) 사이에 개재된다.
다음으로, 소정의 에너지 밀도와 소정의 스폿(Spot) 직경을 갖는 전자 빔(12)을 비정질 실리콘 막(6)의 상부로부터 비정질 실리콘 층(6)을 향하여 조사하여 비정질 실리콘 막(6)을 어닐링한다. 이 전자 빔(12)의 스폿 사이즈는 원하는 다결정 그레인의 크기에 따라 조절될 수 있고, 전자 빔(12)의 경로는 전자기적 코일을 이용한 셔터로 조절한다. 셔터의 사용은 전자 빔의 스캔 속도를 증가시킬 수 있다.
전자 빔(12)의 조사에 의하여, 비정질 실리콘 막(6)은 다결정 실리콘 층으로 결정화된다.
상기한 결정화 방법에 의하여 균일하고, 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘을 얻기 위해서, 비정질 실리콘의 일부가 비용융 상태로 남아 있어야 한다. 그러므로, 전자 빔의 에너지 밀도는 유리기판 위에 형성된 고체 상태의 비정질 실리콘의 일부가 전자 빔의 조사후에도 비용융 상태로 남아 있을 때까지로 제한된다.
상기한 방법으로 다결정 실리콘 막의 형성이 완료되면, 통상의 TFT-LCD 형성을 위한 공정들, 즉 박막 트랜지스터, 게이트 라인, 데이터 라인 등의 형성공정이 수행된다.
한편, 상기한 결정화 방법은 박막 트랜지스터를 형성하기 위한 후속 공정에서도 적용될 수 있는데, 박막 트랜지스터를 구성하는 채널층이나 배선과 같은 재료를 다결정실리콘층으로 구성하는 경우, 제 2 비정질 실리콘 층으로서 비소(As),인(P), 붕소와 같은 3가 또는 5가의 불순물 원자들을 갖는 비정질 실리콘 층을 제 2 비정질 실리콘 막으로 이용하는 것이다. 이 불순물 원자들을 갖는 비정질 실리콘 층의 사용으로 비정질 실리콘 층 내에 불순물을 위치시키기 위한 이온 주입공정이 생략될 수 있으므로, 공정의 간소화에 기여할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 소정 두께의 산화막(미도시)과 비정질 실리콘 막(6)이 상부에 형성된 유리기판(2) 위에 소정 직경의 시드가 형성된다. 이들 시드(8)는 산화막(4)과 비정질 실리콘 층(6)이 형성된 기판(2)이 장착된 반응로(미도시)에 소정 유량의 실란(SiH4) 또는 이실란(Si2H6) 가스를 공급하여 형성한다. 이때 형성되는 시드층(8)을 구성하는 각 결정핵은 약 100 Å미만의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 실란이나 이실란 가스의 구체적인 유량(Flow rate)은 구체적으로 언급되지 않았지만, 상기에서 언급한 직경을 갖도록 하는 정도의 량이면 충분한 것으로 간주될 수 있다. 그러므로, 이 분야에 통상의 기술을 가진 자가 단순히 실란이나 이실란 가스의 유량을 변화시키는 것은 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.
아울러, 상기에서는 결정핵으로 실란 또는 이실란 가스에 의하여 형성되는 실리콘 입자들의 예를 보이고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 금속이나 다른 비금속 입자들의 경우에도 적용이 가능함은 물론이다.
다음으로, 소정의 에너지 밀도와 소정의 스폿(Spot) 직경을 갖는 전자빔(12)을 비정질 실리콘 막(6)의 상부로부터 비정질 실리콘 층(6)을 향하여 조사하여 비정질 실리콘 막(6)을 어닐링한다. 이 전자 빔(12)의 스폿 사이즈는 원하는 다결정 그레인의 크기에 따라 조절될 수 있고, 전자 빔(12)의 경로는 전자기적 코일을 이용한 셔터로 조절한다. 앞선 실시예와 마찬가지로, 셔터의 사용은 전자 빔의 스캔 속도를 증가시킬 수 있다.
전자 빔(12)의 조사에 의하여, 비정질 실리콘 막(6)은 다결정 실리콘 층으로 결정화된다. 이 결정화 동안, 시드 층(8)의 각 시드들은 결정화를 위한 결정 핵으로 작용하는데, 전자 빔(12)의 에너지 밀도가 임계 에너지 밀도를 넘게 되어 비정질 실리콘 층(6)이 모두 용융되더라도 결정 핵(8)은 용융되지 않고 고체 상태로 남아 있기 때문에 매우 크고 원하는 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘이 형성된다. 아울러, 조사되는 전자 빔(12)의 밀도가 임계 에너지 밀도에 못 미쳐서 비정질 실리콘 막(6)의 일부가 용융되지 않고 남아 있더라도 시드 층(8)의 각 시드들이 결정 핵으로 작용하여 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘을 형성시킨다.
이처럼, 현재의 실시예에 따르면, 결정화를 위한 전자 빔(12)의 밀도를 낮게는 비정질 실리콘 막(6)을 부분적으로 용용시킬 정도의 에너지 밀도로부터 비정질 실리콘막(6)을 완전히 용융상태로 만들 정도의 임계 에너지 밀도 이상까지 에너지 밀도를 높힐 수 있으므로, 공정 마진이 넓어진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 상술한 본 발명에 따르면, 비정질 실리콘 막을 전자 빔을 이용하여 결정화하므로써, 우수한 능력의 TFT LCD를 만들기 위한 최소한의 조건인 비정질 실리콘 막의 결정화를 보다 쉽고 균일하고 극대화된 결정크기를 갖도록 하는 안정적인 방법을 구현 할 수 있다. 또한 기판의 온도를 올리지 않아도 결정립의 크기를 충분히 크게 할 수 있다.
아울러, 결정화를 위한 전자 빔의 에너지 밀도 범위를 종래에 비하여 더욱 넓게 할 수 있으므로, 충분한 공정 마진의 확보가 가능하다.
한편, 여기에서는, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 통상의 지식을 가진 자에 의하여 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 이하 특허청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 그러한 모든 변형과 변경을 포함하는 것으로 간주된다.
Claims (5)
- 일측 표면에 산화막이 형성된 절연기판 위에 비정질 실리콘층을 소정 두께로 형성하는 단계; 및상기 비정질 실리콘 층에 소정 에너지 밀도와 소정의 스폿 직경을 갖는 전자 빔을 상기 비정질 실리콘 층의 일부가 용융되지 않을 정도의 에너지 밀도로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 층은 약 500 Å 내지 약 2,000 Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 일측 표면에 산화막이 형성된 절연기판 위에 비정질 실리콘층을 소정 두께로 형성하는 단계;상기 절연기판 위에 소정의 직경을 갖는 결정핵을 형성하는 단계; 및상기 결정핵을 포함하는 상기 비정질 실리콘 층에 소정 에너지 밀도와 소정의 스폿 직경을 갖는 전자 빔을 소정의 에너지 밀도로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 결정핵은 SiH4나 Si2H6가스를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 절연기판은 액정표시기에 사용되기 위한 유리기판 또는 투명한 플라스틱 기판이며, 상기 레이저 빔 조사단계에 의하여 상기 제 1, 제 2 비정질 실리콘층은 다결정 실리콘으로 결정화되고, 상기 다결정 실리콘은 상기 액정 표시기의 표시영역에서 박막 트랜지스터의 형성 및/또는 상기 절연기판 위에 상기 액정표시기를 구동하기 위한 구동 집적회로를 형성하는 데에 적용되는 것을 특징으로 하는 전자 빔을 이용한 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법.
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| CN101894747A (zh) * | 2010-06-29 | 2010-11-24 | 深圳丹邦投资集团有限公司 | 非晶硅薄膜的晶化及多晶硅薄膜的制造方法和装置 |
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2000
- 2000-07-10 KR KR1020000039243A patent/KR20020005815A/ko not_active Application Discontinuation
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