KR20040061189A - crystallizing method of silicon layer and manufacturing method of polycrystalline silicon thin film transistor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 결정화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비정질 실리콘의 결정화 방법 및 이를 이용한 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a crystallization method, and more particularly, to a crystallization method of amorphous silicon and a manufacturing method of a thin film transistor using the same.
최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시 장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었는데, 이 중 액정 표시 장치(liquid crystal display)가 해상도, 컬러표시, 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터에 활발하게 적용되고 있다.Recently, with the rapid development of the information society, there is a need for a flat panel display having excellent characteristics such as thinness, light weight, and low power consumption. It is excellent in color display and image quality, and is actively applied to notebooks and desktop monitors.
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 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.In general, a liquid crystal display device is formed by arranging two substrates on which electric field generating electrodes are formed so that the surfaces on which two electrodes are formed face each other, injecting a liquid crystal material between the two substrates, and then applying voltage to the two electrodes. By moving the liquid crystal molecules by an electric field, the device expresses an image by the transmittance of light that varies accordingly.
액정 표시 장치의 하부 기판은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터를 포함하는데, 일반적으로 박막 트랜지스터에 사용되는 액티브층은 비정질 실리콘(amorphous silicon ; a-Si:H)이 주류를 이루고 있다. 이는 비정질 실리콘이 저온에서 저가의 유리 기판과 같은 대형 기판 상에 형성하는 것이 가능하기 때문이다.The lower substrate of the liquid crystal display includes a thin film transistor which is a switching element. In general, an active layer used in the thin film transistor is made of amorphous silicon (a-Si: H). This is because amorphous silicon can be formed on a large substrate such as a low cost glass substrate at low temperature.
그러나, 비정질 실리콘은 원자 배열이 무질서하기 때문에 약한 결합(weak Si-Si bond) 및 댕글링 본드(dangling bond)가 존재하여 빛의 조사나 전기장 인가시 준안정상태로 변화되어 박막트랜지스터로 활용시 안정성이 문제로 대두되고 있다. 특히 비정질 실리콘은 빛의 조사에 의해 특성이 저하되는 문제점이 있고, 전기적 특성(전계 효과 이동도 : 0.1~1.0㎠/V·s)과 신뢰성이 열악하여 구동회로에 쓰기 어렵다.However, because amorphous silicon has disordered atomic arrangements, weak Si-Si bonds and dangling bonds exist, and thus they become metastable when irradiated with light or applied with electric fields. This problem is emerging. In particular, amorphous silicon has a problem in that its properties are deteriorated by irradiation of light, and its electrical characteristics (field effect mobility: 0.1-1.0 cm 2 / V · s) and reliability are poor, making it difficult to use in driving circuits.
따라서, 비정질 실리콘 박막트랜지스터는 화소의 스위칭 소자로만 사용하고 구동 회로는 TCP(Tape Carrier Package) 구동 IC(Integrated Circuit)를 이용하여 절연기판과 PCB(Printed Circuit Board)를 연결하는 방식으로 실장된다. 이에 따라, 구동 IC 및 실장 비용이 원가에 많은 부분을 차지한다.Therefore, the amorphous silicon thin film transistor is used only as a switching element of the pixel, and the driving circuit is mounted in a manner of connecting an insulating substrate and a printed circuit board (PCB) using a tape carrier package (TCP) driving IC. As a result, the driving IC and the mounting cost take a large part of the cost.
더욱이, 액정표시장치용 액정패널의 해상도가 높아지면, 박막트랜지스터 기판의 게이트 배선 및 데이터 배선을 상기 TCP와 연결하는 기판 외부의 패드 피치(Pitch)가 짧아져 TCP 본딩 자체가 어려워진다.In addition, when the resolution of the liquid crystal panel for a liquid crystal display device is increased, the pad pitch outside the substrate connecting the gate wiring and the data wiring of the thin film transistor substrate with the TCP becomes short, and the TCP bonding itself becomes difficult.
반면, 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)은 비정질 실리콘에 비하여 전계 효과 이동도가 매우 크기 때문에 기판 위에 구동 회로를 만들 수 있어, 구동 IC 비용도 줄일 수 있고 실장도 간단해진다.On the other hand, since polycrystalline silicon has much higher field effect mobility than amorphous silicon, a driving circuit can be made on a substrate, thereby reducing driving IC cost and simplifying mounting.
또한, 다결정 실리콘은 비정질 실리콘보다 전계효과 이동도가 높아 고해상도 패널의 스위칭 소자로 유리하고, 비정질 실리콘에 비하여 광전류가 적어 빛이 많이 쬐이는 디스플레이(display)에도 적용할 수 있다.In addition, polycrystalline silicon has a higher field effect mobility than amorphous silicon, and is advantageous as a switching device of a high resolution panel. The polycrystalline silicon may be applied to a display in which a lot of light is emitted due to less light current than amorphous silicon.
다결정 실리콘을 형성하는 방법으로는 비정질 실리콘 박막에 기판 온도를 250℃ 정도로 가열하면서 엑시머 레이저를 가해서 성장시키는 레이저 열처리(laser annealing) 방법과, 비정질 실리콘 상에 금속을 증착하여 금속을 씨드로 다결정 실리콘을 형성하는 금속유도 결정화(metal induced crystallization : MIC) 방법, 비정질 실리콘을 고온에서 장시간 열처리하여 형성하는 고상 결정화(solid phase crystallization : SPC) 방법, 그리고 기판 상에 직접 다결정 실리콘을 증착하는 방법 등이 있다.As a method of forming polycrystalline silicon, a laser annealing method of growing an amorphous silicon thin film by applying an excimer laser while heating the substrate temperature to about 250 ° C., and depositing a metal on the amorphous silicon to produce polycrystalline silicon as a seed The metal induced crystallization (MIC) method to be formed, the solid phase crystallization (SPC) method of forming amorphous silicon by heat treatment for a long time at high temperature, and the method of depositing polycrystalline silicon directly on a substrate.
여기서, 고상 결정화 방법은 600 ℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 석영 기판에 불순물의 확산을 방지하기 위해 소정의 두께로 완충층을 형성하고, 완충층 상에 비정질 실리콘을 증착한 후, 퍼니스(furnace)에서 고온 장시간 열처리하는데, 이러한 고상 결정화 방법은 고온에서 장시간 수행되므로 원하는 다결정 실리콘 상(phase)을 얻을 수 없으며, 그레인(grain) 성장 방향성이 불규칙하여 박막 트랜지스터에 응용시 다결정 실리콘과 접촉되는 게이트 절연막이 불규칙하게 성장되므로 소자의 항복전압이 낮아진다. 또한, 다결정 실리콘의 그레인 크기가 불균일하여 소자의 전기적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 고가의 석영기판을 사용해야 하는 문제점이 있다.Here, the solid phase crystallization method forms a buffer layer with a predetermined thickness to prevent diffusion of impurities on a quartz substrate that can withstand high temperatures of 600 ° C. or higher, deposits amorphous silicon on the buffer layer, and then, for a long time at a high temperature in a furnace. Since the solid crystallization method is performed for a long time at high temperature, it is impossible to obtain a desired polycrystalline silicon phase, and because the grain growth direction is irregular, the gate insulating film in contact with the polycrystalline silicon grows irregularly when applied to a thin film transistor. Therefore, the breakdown voltage of the device is lowered. In addition, the grain size of the polycrystalline silicon is non-uniform, thereby lowering the electrical characteristics of the device, and there is a problem of using an expensive quartz substrate.
한편, 금속 유도 결정화 방법은 금속이 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추어 대면적의 유리 기판을 사용할 수 있으나, 촉매로 사용된 금속 물질이 실리콘막 내에 남게 되어 불순물로 작용할 수 있다.In the metal induction crystallization method, the metal may lower the crystallization temperature of amorphous silicon to use a large-area glass substrate, but the metal material used as a catalyst may remain in the silicon film to act as an impurity.
레이저 열처리 방법은 현재 가장 널리 연구되고 있는 다결정 실리콘 형성 방법으로, 비정질 실리콘이 증착된 기판에 순간적(수십 내지 수백 nano second)으로 레이저 에너지를 공급하여 상기 비정질 실리콘을 용융 상태로 만든 후 냉각에 의해 다결정 실리콘을 형성하는 방법이다.Laser heat treatment method is the most widely studied method of polycrystalline silicon formation, which supplies instantaneous laser energy to the substrate on which amorphous silicon is deposited (tens of tens to hundreds of nanoseconds) to make the amorphous silicon in a molten state and then polycrystalline by cooling It is a method of forming silicon.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 레이저를 이용한 결정화 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a crystallization method using a laser will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 레이저 결정화 방법을 이용한 비정질 실리콘의 결정화 과정을 도시한 단면도이다.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a crystallization process of amorphous silicon using a general laser crystallization method.
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이 기판(10) 위에 버퍼층(20)을 형성하고, 그 위에 비정질 실리콘층(30)을 형성한다. 버퍼층(20)은 기판(10) 내의 불순물이 이후 공정에서 비정질 실리콘막(30)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 20 is formed on a substrate 10, and an amorphous silicon layer 30 is formed thereon. The buffer layer 20 prevents impurities in the substrate 10 from diffusing into the amorphous silicon film 30 in a subsequent process.
이어, 도 1b에 도시한 바와 같이 비정질 실리콘층(30)에 레이저를 조사하면 비정질 실리콘층(30)이 결정화되어 다결정 실리콘층(40)이 형성된다. 여기서, 비정질 실리콘층(30)으로 조사된 레이저빔의 빛 에너지는 열에너지로 바뀌어 비정질 실리콘층(30)을 용융시키고, 이후 열에너지는 소산(消散)되어 용융되었던 비정질 실리콘층(30)이 응고함으로써 다결정 실리콘층(40)이 형성된다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, when the laser is irradiated to the amorphous silicon layer 30, the amorphous silicon layer 30 is crystallized to form the polycrystalline silicon layer 40. Here, the light energy of the laser beam irradiated with the amorphous silicon layer 30 is converted into thermal energy to melt the amorphous silicon layer 30, and then the thermal energy is dissipated so that the amorphous silicon layer 30 that has been melted is solidified. Silicon layer 40 is formed.
다결정 실리콘층(40)의 하나의 그레인(grain)에서의 결정화 과정을 살펴보면 그레인의 중앙이 먼저 응고되고 그 이후에 그레인 바운더리(grain boundary(입경) : 42)가 응고된다. 따라서, 그레인의 중앙은 고상(solid phase)이고 그레인 바운더리(42)는 액상(liquid phase)인 상태를 거치게 되는데, 고상의 밀도가 액상의 밀도보다 크므로 그레인의 중앙에서 그레인 바운더리(42)로 갈수록 그레인의 표면의 높이는 높아지게 된다. 이때, 비정질 실리콘층(30) 하부에는 버퍼층(20)이 형성되어 있는 반면 상부에는 공기층이 위치하므로, 비정질 실리콘층(30)의 상부와 하부로 열에너지의 소산 정도가 달라지는데, 이는 그레인 바운더리(42)의 높이에 영향을 미친다.Looking at the crystallization process in one grain of the polycrystalline silicon layer 40, the center of the grain solidifies first, and then the grain boundary 42 is solidified. Therefore, the center of the grain is in a solid phase and the grain boundary 42 is in a liquid phase. Since the density of the solid phase is greater than the density of the liquid phase, the grain boundary 42 goes from the center of the grain to the grain boundary 42. The height of the surface of the grain becomes high. In this case, since the buffer layer 20 is formed below the amorphous silicon layer 30, but the air layer is positioned at the upper portion, the degree of dissipation of thermal energy is changed to the upper and lower portions of the amorphous silicon layer 30, which is a grain boundary 42. Affects its height.
따라서, 도 1c에 도시한 바와 같이 다결정 실리콘층(40)은 매우 많은 그레인 바운더리(42)를 가지며, 표면은 매우 거칠어지게 된다. 이때의 표면 거칠기(surface roughness)는 약 200 내지 500 Å이 된다. 이러한 거칠기는 다결정 실리콘층(40)과 이후 그 상부에 형성될 게이트 절연막과의 계면(interface) 특성에 나쁜 영향을 미쳐, 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 저하시킨다.Thus, as shown in FIG. 1C, the polycrystalline silicon layer 40 has a very large grain boundary 42, and the surface becomes very rough. The surface roughness at this time is about 200 to 500 kPa. Such roughness adversely affects the interface characteristics between the polycrystalline silicon layer 40 and the gate insulating film to be formed thereon, thereby lowering the electrical characteristics of the thin film transistor.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다결정 실리콘층의 표면 거칠기를 개선할 수 있는 비정질 실리콘층의 결정화 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for crystallizing an amorphous silicon layer which can improve the surface roughness of the polycrystalline silicon layer.
본 발명의 다른 목적은 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor capable of improving electrical characteristics.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 레이저 결정화 방법을 이용한 비정질 실리콘의 결정화 과정을 도시한 단면도.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a crystallization process of amorphous silicon using a general laser crystallization method.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 비정질 실리콘층의 결정화 과정을 도시한 단면도.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a crystallization process of an amorphous silicon layer according to the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a polycrystalline silicon thin film transistor according to the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
110 : 기판 120 : 버퍼층110 substrate 120 buffer layer
130 : 비정질 실리콘층 140 : 실리콘 산화막130: amorphous silicon layer 140: silicon oxide film
150 : 다결정 실리콘층 152 : 그레인 바운더리150: polycrystalline silicon layer 152: grain boundary
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 비정질 실리콘층의 결정화 방법은 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층 상부에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘층 상부에 실리콘 산화막을 형성하는 단계, 그리고 상기 실리콘 산화막이 형성된 기판에 레이저빔을 조사하고 상기 비정질 실리콘층을 결정화시켜 다결정 실리콘층을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of crystallizing an amorphous silicon layer according to the present invention comprises the steps of forming a buffer layer on a substrate, forming an amorphous silicon layer on the buffer layer, a silicon oxide film formed on the amorphous silicon layer And irradiating a laser beam to the substrate on which the silicon oxide film is formed and crystallizing the amorphous silicon layer to form a polycrystalline silicon layer.
여기서, 버퍼층은 실리콘 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that a buffer layer consists of a silicon oxide film.
실리콘 산화막을 형성하는 단계는 비정질 실리콘층을 산소에 노출시켜 산화시키는 단계를 포함한다.Forming the silicon oxide film includes exposing the amorphous silicon layer to oxygen to oxidize it.
본 발명에서, 다결정 실리콘층의 표면 거칠기는 약 50 Å 이하일 수 있다.In the present invention, the surface roughness of the polycrystalline silicon layer may be about 50 GPa or less.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법은 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층 상부에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘층 상부에 실리콘 산화막을 형성하는 단계, 상기 실리콘 산화막이 형성된 기판에 레이저빔을 조사하고, 상기 비정질 실리콘층을 결정화시켜 다결정 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 다결정 실리콘층 및 상기 실리콘 산화막을 패터닝하여 다결정 실리콘 패턴과 제 1 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 1 게이트 절연막 상부에 제 2 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 2 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극을 마스크로 상기 다결정 실리콘 패턴에 불순물을 주입하여 액티브층과 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계, 상기 소스 및 드레인 영역의 불순물을 활성화시키는 단계, 상기 게이트 전극을 덮으며 상기 소스 및 드레인 영역을 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀을 가지는 층간 절연막을 형성하는 단계, 그리고 상기 층간 절연막 상부에 상기 제 1 및 제 2 콘택홀을 통해 각각 상기 소스 및 드레인 영역과 연결되는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor according to the present invention comprises the steps of forming a buffer layer on a substrate, forming an amorphous silicon layer on the buffer layer, forming a silicon oxide film on the amorphous silicon layer, the silicon oxide film Irradiating a laser beam on the formed substrate, crystallizing the amorphous silicon layer to form a polycrystalline silicon layer, patterning the polycrystalline silicon layer and the silicon oxide film to form a polycrystalline silicon pattern and a first gate insulating film, Forming a second gate insulating layer on the first gate insulating layer, forming a gate electrode on the second gate insulating layer, and implanting impurities into the polycrystalline silicon pattern using the gate electrode as a mask to form an active layer, a source, and a drain Forming a region, said source and de Activating an impurity in the phosphorus region, forming an interlayer insulating film covering the gate electrode and having first and second contact holes respectively exposing the source and drain regions, and forming an interlayer insulating film on the interlayer insulating film And forming source and drain electrodes connected to the source and drain regions through two contact holes, respectively.
여기서, 버퍼층은 실리콘 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that a buffer layer consists of a silicon oxide film.
또한, 실리콘 산화막을 형성하는 단계는 비정질 실리콘층을 산소에 노출시켜 산화시키는 단계를 포함한다.In addition, the forming of the silicon oxide film includes exposing the amorphous silicon layer to oxygen to oxidize it.
제 1 및 제 2 게이트 절연막의 두께의 합은 약 1,700 내지 2,000 Å일 수 있다.The sum of the thicknesses of the first and second gate insulating layers may be about 1,700 to 2,000 mm 3.
본 발명에서, 소스 및 드레인 영역의 불순물을 활성화시키는 단계는 레이저 열처리 방법에 의하여 이루어질 수 있다.In the present invention, the step of activating impurities in the source and drain regions may be performed by a laser heat treatment method.
이와 같이, 본 발명에서는 비정질 실리콘층 상부에 실리콘 산화막을 형성하여 레이저 결정화함으로써, 그레인의 크기가 크고 표면 거칠기가 개선된 다결정 실리콘층을 형성할 수 있다. 이러한 다결정 실리콘층을 이용하여 다결정 박막 트랜지스터를 형성할 경우 실리콘 산화막을 게이트 절연막으로 사용할 수 있으며, 다결정 실리콘층과 게이트 절연막 사이의 계면 특성을 좋아져 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, in the present invention, by forming a silicon oxide film on the amorphous silicon layer and laser crystallizing, a polycrystalline silicon layer having a large grain size and improved surface roughness can be formed. When the polycrystalline thin film transistor is formed using the polycrystalline silicon layer, the silicon oxide film may be used as the gate insulating film, and the interfacial properties between the polycrystalline silicon layer and the gate insulating film may be improved to improve the electrical characteristics of the thin film transistor.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비정질 실리콘층의 결정화 방법 및 이를 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of crystallizing an amorphous silicon layer and a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 비정질 실리콘층의 결정화 과정을 도시한 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a crystallization process of an amorphous silicon layer according to the present invention.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 기판(110) 위에 버퍼층(120)을 형성하고 그 위에 비정질 실리콘층(130)을 형성한다. 버퍼층(120)은 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있으며, 기판(110)으로부터 불순물이 비정질 실리콘층(130)으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 비정질 실리콘층(130)은 플라즈마 기상 증착(PECVD) 장치나 저압 기상 증착(LPCVD) 장치를 이용하여 형성할 수 있다. 이어, 비정질 실리콘층(130)을 질소 분위기에 노출시켜 탈수소한 후, 산소 분위기의 고압에서 어닐링(high pressure annealing)하여 비정질 실리콘층(130) 표면을 산화시킴으로써, 실리콘 산화막(silicon oxide layer: 140)을 형성한다. 일반적으로 결정화를 위한 비정질 실리콘층(130)은 300Å에서 800Å사이의 두께로 형성하는데, 본 발명에서는 비정질 실리콘층(130)의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막(140)을 형성하므로, 실리콘 산화막(140)의 두께를 고려하여 비정질 실리콘층(130)을 더 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.First, as shown in FIG. 2A, a buffer layer 120 is formed on a substrate 110 and an amorphous silicon layer 130 is formed thereon. The buffer layer 120 may be formed of a silicon oxide layer, and prevents impurities from flowing into the amorphous silicon layer 130 from the substrate 110. The amorphous silicon layer 130 may be formed using a plasma vapor deposition (PECVD) device or a low pressure vapor deposition (LPCVD) device. Subsequently, the amorphous silicon layer 130 is exposed to a nitrogen atmosphere to be dehydrogenated, and then annealed at a high pressure in an oxygen atmosphere to oxidize the surface of the amorphous silicon layer 130 to thereby oxidize the silicon oxide layer 140. To form. In general, the amorphous silicon layer 130 for crystallization is formed to a thickness between 300 kPa and 800 kPa. In the present invention, since the surface of the amorphous silicon layer 130 is oxidized to form a silicon oxide film 140, the silicon oxide film 140 In consideration of the thickness of the amorphous silicon layer 130 is preferably formed to be thicker.
다음, 도 2b에 도시한 바와 같이 비정질 실리콘층(130)에 레이저 빔을 조사하면, 비정질 실리콘층(130)이 용융된 후 응고하여 결정화됨으로써 다결정 실리콘층(150)이 형성된다. 여기서, 비정질 실리콘층(130)의 하부와 상부에는 각각 버퍼층(120)과 실리콘 산화막(140)이 형성되어 있는데, 버퍼층(120) 또한 실리콘 산화막으로 이루어지기 때문에, 레이저 빔에 의한 열에너지는 비정질 실리콘층(130)의 상부와 하부로 소산되는 정도가 같아진다. 또한, 실리콘 산화막(140)이 비정질 실리콘층(130)의 표면을 덮고 있기 때문에, 결정화시 그레인 바운더리(152)가 돌출되는 정도를 감소시킬 수 있다.Next, as shown in FIG. 2B, when the laser beam is irradiated onto the amorphous silicon layer 130, the polycrystalline silicon layer 150 is formed by melting and solidifying the amorphous silicon layer 130. Here, the buffer layer 120 and the silicon oxide film 140 are formed on the lower and upper portions of the amorphous silicon layer 130, respectively. Since the buffer layer 120 is also made of a silicon oxide film, the thermal energy of the laser beam is an amorphous silicon layer. The degree of dissipation to the top and bottom of the 130 is the same. In addition, since the silicon oxide film 140 covers the surface of the amorphous silicon layer 130, the degree of the grain boundary 152 protruding during crystallization may be reduced.
따라서, 도 2c에 도시한 바와 같이 형성된 다결정 실리콘층(150)은 크기가 큰 그레인을 가지며, 그레인 바운더리(152)의 높이는 낮아진다. 이러한 다결정 실리콘층(150)의 표면 거칠기(surface roughness)는 약 50 Å 이하가 된다.Therefore, the polycrystalline silicon layer 150 formed as shown in FIG. 2C has a large grain size, and the height of the grain boundary 152 is lowered. The surface roughness of the polycrystalline silicon layer 150 is about 50 GPa or less.
이러한 본 발명의 다결정 실리콘을 이용하여 박막 트랜지스터를 형성할 경우, 다결정 실리콘층과 게이트 절연막 사이의 계면 특성이 좋아져 박막 트랜지스터의 전기적 특성은 향상된다. 또한, 다결정 실리콘층 상부의 실리콘 산화막을 게이트 절연막으로 사용할 수 있는데, 이때 계면 특성은 더욱 좋아진다.When the thin film transistor is formed by using the polycrystalline silicon of the present invention, the interface property between the polycrystalline silicon layer and the gate insulating film is improved, thereby improving the electrical properties of the thin film transistor. In addition, a silicon oxide film on the polycrystalline silicon layer can be used as the gate insulating film, whereby the interfacial properties are further improved.
이러한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 상세히 설명한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 단면도이다.A method of manufacturing the polycrystalline silicon thin film transistor will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 3E. 3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a polycrystalline silicon thin film transistor according to the present invention.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 기판(210) 위에 버퍼층(220)을 형성하고 그 위에 비정질 실리콘층(도시하지 않음)을 형성한다. 다음, 앞선 도 2a 내지 도 2c의 방법에 의해 비정질 실리콘층을 결정화시킨 후 다결정 실리콘층과 실리콘 산화막을 패터닝하여 아일랜드 형태의 다결정 실리콘 패턴(230)과 제 1 게이트 절연막(240)을 형성한다. 여기서, 버퍼층(220)은 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있으며, 기판(210) 내의 불순물이 비정질 실리콘층으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.First, as shown in FIG. 3A, a buffer layer 220 is formed on a substrate 210 and an amorphous silicon layer (not shown) is formed thereon. Next, after the amorphous silicon layer is crystallized by the method of FIGS. 2A to 2C, the polycrystalline silicon layer and the silicon oxide layer are patterned to form an island-type polycrystalline silicon pattern 230 and a first gate insulating layer 240. Here, the buffer layer 220 may be formed of a silicon oxide film, and serves to prevent the impurities in the substrate 210 from diffusing into the amorphous silicon layer.
이어, 도 3b에 도시한 바와 같이 제 1 게이트 절연막(240) 상부에 제 2 게이트 절연막(242)과 금속층을 차례로 증착한 후, 금속층을 패터닝하여 다결정 실리콘 패턴(도 3a의 230) 상부에 게이트 전극(250)을 각각 형성한다. 일반적으로 게이트 절연막의 두께는 약 1,700 Å 내지 2,000 Å 정도인데, 본 발명에서는 비정질 실리콘층을 산화시켜 제 1 게이트 절연막(240)을 형성하므로, 증착되는 제 2 게이트 절연막(242)의 두께는 제 1 게이트 절연막(240)의 두께에 따라 결정된다. 여기서, 제 1 및 제 2 게이트 절연막(240, 242)은 게이트 전극(250)과 같은 모양을 가지도록 형성할 수도 있다. 다음, 게이트 전극(250)을 마스크로 다결정 실리콘 패턴(도 3a의 230)에 이온 도핑(ion doping)을 실시한다. 이온 도핑 후 다결정 실리콘 패턴(도 3a의 230)은 불순물이 주입된 소스 및 드레인 영역(234, 236)과 주입되지 않은 액티브층(232)으로 나뉘어진다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, the second gate insulating layer 242 and the metal layer are sequentially deposited on the first gate insulating layer 240, and then the metal layer is patterned to form the gate electrode on the polycrystalline silicon pattern 230 (FIG. 3A). 250 is formed, respectively. In general, the thickness of the gate insulating film is about 1,700 kPa to 2,000 kPa. In the present invention, since the first gate insulating film 240 is formed by oxidizing the amorphous silicon layer, the thickness of the second gate insulating film 242 deposited is 1st. The thickness of the gate insulating layer 240 is determined. Here, the first and second gate insulating layers 240 and 242 may be formed to have the same shape as the gate electrode 250. Next, ion doping is performed on the polycrystalline silicon pattern 230 of FIG. 3A using the gate electrode 250 as a mask. After ion doping, the polycrystalline silicon pattern 230 (in FIG. 3A) is divided into source and drain regions 234 and 236 implanted with impurities and an active layer 232 not implanted.
다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 소스 및 드레인 영역(234, 236)에 주입된 불순물을 활성화시키기 위해 레이저를 이용하여 열처리를 수행한다. 한편, 도 3b의 이온 도핑시 이온 도핑 에너지로 인해 소스 및 드레인 영역(234, 236)의 반도체 구조가 다결정질에서 비정질로 변하는 경우가 있는데, 레이저를 이용하여 열처리함으로써 도핑된 이온을 활성화시킬 뿐만 아니라, 비정질화된 소스 및 드레인 영역(22, 23)을 다결정 상태로 복원시킬 수도 있다.Next, as shown in FIG. 3C, heat treatment is performed using a laser to activate impurities implanted into the source and drain regions 234 and 236. On the other hand, the semiconductor structure of the source and drain regions 234 and 236 may change from polycrystalline to amorphous due to the ion doping energy in the ion doping of Figure 3b, not only activate the doped ions by heat treatment using a laser In addition, the amorphous source and drain regions 22 and 23 may be restored to a polycrystalline state.
다음, 도 3d에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막으로 층간 절연막(260)을 형성하고, 제 1 및 제 2 게이트 절연막(240, 242)과 함께 패터닝하여 소스 및 드레인 영역(234, 236)을 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀(261, 262)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3D, an interlayer insulating film 260 is formed of a silicon oxide film or a silicon nitride film, and patterned together with the first and second gate insulating films 240 and 242 to form the source and drain regions 234 and 236. Respective first and second contact holes 261 and 262 are formed, respectively.
이어, 도 3e에 도시한 바와 같이 금속과 같은 물질을 증착하고 패터닝하여 소스 및 드레인 전극(272, 274)을 형성한다. 소스 및 드레인 전극(272, 274)은 제 1 및 제 2 콘택홀(261, 262)을 통해 소스 및 드레인 영역(234, 236)과 접촉한다.Subsequently, as shown in FIG. 3E, a material such as a metal is deposited and patterned to form source and drain electrodes 272 and 274. The source and drain electrodes 272 and 274 contact the source and drain regions 234 and 236 through the first and second contact holes 261 and 262.
이러한 다결정 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터는 전계 효과 이동도가 높아 응답 속도가 빠르며, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 액정 표시 장치에 이용할 경우에는 구동 회로를 동일 기판 위에 형성할 수 있으므로, 액정 표시 장치의 제조 공정 및 비용을 감소시킬 수 있다.Such a thin film transistor using polycrystalline silicon has a high field effect mobility and a fast response speed. When the polycrystalline silicon thin film transistor is used in a liquid crystal display device, a driving circuit can be formed on the same substrate, thus manufacturing process and cost of the liquid crystal display device. Can be reduced.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 이상 다양한 변화와 변형이 가능하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
본 발명에 의한 비정질 실리콘층의 결정화 방법에서는 열에너지의 소산을 균일하게 함으로써 그레인 크기를 증가시킬 수 있으며, 다결정 실리콘층의 표면 거칠기를 개선할 수 있다. 이를 이용하여 박막트랜지스터를 형성할 경우 다결정 실리콘층과 게이트 절연막 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.In the crystallization method of the amorphous silicon layer according to the present invention, the grain size can be increased by making the heat energy dissipation uniform, and the surface roughness of the polycrystalline silicon layer can be improved. When the thin film transistor is formed using this, it is possible to improve the interface between the polycrystalline silicon layer and the gate insulating film.
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