KR20040089918A - 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 제조 방법 - Google Patents

레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정표시소자의 TFT어레이 기판의 제조 방법에 관한 것으로써 특히 박막트랜지스터의 채널로 사용되는 비정질 실리콘 막을 다결정화시키는 레이저 조사 방법에 관한 것이다. 일정한 간격을 유지하며 배열되고 폭이 일정한 다수의 개구부를 포함하는 마스크를 적용하여 비정질 실리콘 막에 레이저를 조사함에 있어서, 상기 마스크를 적용하여 제1 조사를 실시하고 개구부의 넓이와 개구부 사이의 거리의 합을 레이저 조사 수로 나눈 값을 기판 또는 레이저 조사 장치의 이동 거리(translation distance)로 적용하여 레이저 조사를 함으로써 동일한 크기의 수평으로 성장한 다결정 실리콘을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 레이저 조사 방법에 의하여 본 발명의 액정표시장치는 고속의 균일한 동작 특성을 가지는 스위칭 소자를 제작할 수 있다.

Description

레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 제조 방법{FABRICATION METHOD OF POLYCRYSTALLINE SILICON USING LASER ANNEALING METHOD}
본 발명은 액정표시소자의 TFT어레이 기판을 제조하는 공정에 있어서 박막트랜지스터의 채널 층으로 사용되는 비정질 실리콘 막을 다결정 실리콘 막으로 변화시키는 방법에 관한 것으로써, 특히 비정질 실리콘을 레이저 어닐링하여 그레인이 수평방향으로 배열하는 순차적 수평 결정화(sequential lateral solidification, SLS)에 관한 것이다.
지금까지 액정디스플레이(Liquid Crystal Display ;LCD)등 영상 표시장치의 스위칭 소자로서 비정질 실리콘 박막트랜지스터(Amorphous Silicon Thin Film Transistor ; a-Si TFT)가 널리 이용되어 왔으나, 현재 연구 추세는 LCD의 고화질화 요구에 따라 비정질 실리콘 박막 트랜지스터보다 동작 속도가 빠른 다결정 실리콘 박막트랜지스터 (Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor ; poly-Si TFT)를 스위칭 소자로 이용하고 있다.
다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제작 방법으로는 다결정 실리콘 막을 직접 성막하는 방법과 비정질 실리콘 막을 열처리하는 방법이 주로 사용되고 있다. 비정질 실리콘 막을 결정화하는 열처리 방법에는 엑시머 레이저를 이용하는 방법이 사용될 수 있다.
LCD의 경우, 기판으로 사용되는 유리기판이 600℃ 이상이 되는 일반적인 열처리 공정에 견딜 수가 없기 때문에, 엑시머 레이저를 이용한 어닐링 방법이 주로 사용되는데, 엑시머 레이저 어닐링은 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 비정질 실리콘 박막에 조사하는 것으로써 수십 nsec 정도의 순간적인 가열에 의해 결정화가 일어나므로 유리 기판에 손상을 주지 않는 장점이 있다.
또한 엑시머 레이저를 이용하여 제작된 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성이 일반적인 열처리 방법으로 제작된 다결정 실리콘 박막보다 우수하다. 이는 엑시머 레이저 조사에 의해 비정질 실리콘 박막이 액체 상태로 용융된 후 고체로 고상화될 때 실리콘 원자들이 우수한 결정성을 갖는 그레인 형태로 재배열되기 때문으로 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 전기적 이동도가 0.1 내지 0.2cm2/Vsec 정도이고, 일반적인 열처리 방법으로 제작된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 전기적 이동도가 10 내지 20cm2/Vsec 정도인데 반해, 엑시머 레이저를 이용하여 제작된 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 전기적 이동도는 100cm2/Vsec가 넘는 값을 가진다.
그러나 엑시머 레이저 어닐링을 이용하여 제작된 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 전기적 특성이 전기적 이동도와 구동 전류 측면에서 우수하긴 하지만 이는 스위치-온(ON) 상태 특성에만 해당되는 것으로 스위치-오프(OFF) 상태에서는 누설 전류가 높게 흐른다. 이상적으로 스위치-OFF 상태에서는 누설 전류가 전혀 흐르지 않아야 하는 점을 감안하면 이는 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 해결해야할 문제점으로 대두된다.
다결정 실리콘 박막트랜지스터의 누설 전류의 생성원인은 다음과 같다. 스위치-OFF 상태는 게이트(gate)의 스위치 OFF 작용에 의해 트랜지스터의 채널(channel) 양단 간, 즉 소오스(source)와 드레인(drain)사이에 약 5∼10V 정도의 전압을 인가하더라도 소오스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 못하는 상태로서 소오스와 드레인 사이에 높은 전계가 형성된다.
이러한 높은 전계가 형성된 환경에서 실리콘 원자간의 결합이 상대적으로 약한 그레인 경계 부위에서 전류의 공급원으로 작용하는 전자-홀 쌍이 생성되며, 이 전자-홀 쌍이 누설전류를 발생시킨다.
또한, 다결정 실리콘 박막 내부의 그레인 경계는 스위치 ON 상태에서도 소자의 전기적 이동도를 저하시키는 요인이 되는데 그레인 경계는 실리콘 원자간의 결합이 끊어져 있거나 불완전하게 결합하고 있는 상태로서 전자가 이동하는데 장해요인으로 작용한다.
다결정 실리콘으로 제작된 소자가 비정질 실리콘으로 제작된 소자보다는 전기적 이동도가 높지만 단결정 실리콘으로 제작된 소자보다는 전기적 이동도가 낮은 이유가 바로 다결정 실리콘 내부에 높은 밀도로 존재하는 그레인 경계 때문이다.
상기한 다결정 실리콘의 문제점을 해결할 수 있는 근본적인 방법은 그레인의 크기를 증가시켜 문제의 그레인 경계의 밀도를 낮게 하는 것이다. 그레인 크기를 증가시키는 일반적인 방법은 레이저 에너지를 증가시키거나 기판을 가열하는 방법이 있다.
그레인의 크기와 레이저 에너지 강도와의 관계를 도 1을 통하여 살펴본다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 일정한 에너지 강도에 이를 때까지는 그레인 크기와 조사되는 레이저 에너지의 강도 사이에는 비례관계가 성립한다.
그러나 일정한 에너지 이상에서는 그레인 크기가 100nm 정도의 작은 그레인이 성장하는 것을 볼 수 있다.(도 1에서 B영역)
그 이유는 다음과 같다.
비정질 실리콘 막에 레이저 조사될 때 비정질 실리콘 막은 녹게 되는데 레이저 광선에 직접 노출되는 비정질 실리콘 막의 표면에는 강한 레이저 에너지가 조사되고 비정질 실리콘 막의 하부에는 상대적으로 약한 레이저 에너지가 조사됨으로써 표면은 완전 용융 상태가 되지만 하부는 완전한 용융상태가 되지 않는데, 그레인은 핵을 중심으로 성장하므로 하부에 완전히 용융되지 않은 비정질 실리콘 입자들이 핵으로 작용하여 그 핵을 중심으로 그레인이 성장하여 큰 크기의 그레인을 만든다.
반면 레이저 에너지 강도가 일정 수준 이상이 될 때에는 조사되는 영역의 비정질 실리콘이 모두 용융 되고 그레인이 성장할 수 있는 핵이 존재하지 않게 된다.
이후, 강한 강도의 레이저를 조사받은 비정질 실리콘이 냉각 과정에서 레이저 조사 영역 내에서 무작위로 핵을 형성하고 그 핵을 중심으로 결정화가 진행된다.
이 때 발생하는 그레인은 그 크기가 도 1의 그래프의 B영역에서 보는 바와 같이 매우 작다.
비정질 실리콘 상에 레이저 에너지의 조사가 끝난 직후부터 비정질 실리콘은 양 측면, 즉 레이저가 조사되지 않은 비정질 실리콘 층을 통해 냉각된다. 이는 비정질 실리콘층 하부의 절연층보다 측면의 고체상의 비정질 실리콘층이 더 큰 열 전도도를 가지기 때문이다.
레이저 조사가 끝난 비정질 실리콘은 측면의 레이저 조사를 받지 않은 비정질 실리콘이 핵으로 작용하여 그레인 성장이 일어나는데, 이때 그레인은 수평방향으로 일정한 패턴을 가지고 결정화가 일어난다.
핵으로 삼을 고상의 비정질 실리콘층과 인접하지 않은 용융된 비정질 실리콘 층은 냉각과정에서 무작위로 분포하는 핵을 포함하게 되고, 그 핵을 중심으로 그레인이 성장한다.
도 2는 상기의 결정화 방법에 의해 결정화가 이루어진 비정질 실리콘의 구조를 나타내는 도면이다.
먼저 비정질 실리콘의 일부를 마스크를 적용하여 가리고 레이저를 조사한다.
마스크를 적용한 영역의 비정질은 용융되지 않고 레이저 조사를 받은 비정질 실리콘은 완전 용융된 후 냉각 과정을 거친다.
냉각과정에서 용융된 비정질 실리콘은 측면의 고상 비정질 실리콘을 핵으로 삼아 수평으로 결정화되고, 고상의 비정질 실리콘과 접촉하지 않은 영역의 용융된 비정질 실리콘은 그레인이 수백 nm의 적은 크기로 성장한다. 이때 노광되는 레이저 에너지가 작으면 상기의 결과를 얻을 수 없다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 그레인이 수평으로 성장하는 관계로 상기의 결정화 과정을 순차적 수평 결정화(Sequential Lateral Solidification, SLS)라고 부른다.
수평으로 성장하는 그레인의 크기는 보통 1~1.2㎛의 크기를 보인다.
일반적인 레이저 어닐링을 통한 그레인의 크기는 수백nm의 크기를 보이는 반면 상기의 SLS 결정화 방법을 통하여 얻어진 그레인의 크기는 수㎛에 이르므로 상기의 그레인 크기를 가진 다결정 실리콘을 소자로 적용하면 큰 이동도를 가진 소자를 구현할 수 있다.
특히, 순차적 수평 결정화에 의해 성장시킬 수 있는 그레인의 최대 크기를 고려해 본다면 순차적 수평 결정화를 양쪽에서 진행시키면 그레인은 단 하나의 그레인 경계를 가지면서 더 큰 결정 크기를 가진 결정체를 얻을 수 있다.
도 3은 상기의 방법에 의하여 성장한 그레인의 모습을 나타낸 도면이다.
약 2㎛의 폭을 가진 개구부를 포함하는 마스크를 사용하여 순차적 수평결정화를 진행하면 그레인은 도 3에서와 같이 가운데 하나의 그레인 경계를 가지는 수평으로 성장한 결정체를 얻을 수 있다. 상기와 같이 수평으로 성장한 다결정 실리콘을 박막트랜지스터의 채널로 적용하면 고속의 동작특성을 가진 스위칭 소자를 구현할 수 있다.
상기의 수평 결정화 방법을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법을 도 4을 통하여 상세히 설명한다.
상기에서 설명한 바와 같이 최소의 그레인 경계를 가지는 결정화 방법은 순차적 수평 결정화 방법을 이용할 수 있는데, 레이저가 조사되는 폭이 2㎛정도인 경우에는 단 하나의 그레인 경계를 가지는 다결정 실리콘 막을 형성할 수 있다.
폭이 2㎛인 개구부를 가진 마스크(Mask)를 적용하여 제 1 레이저를 조사하면, 도 4a에서와 같이 그레인은 측면의 비정질 실리콘 층을 핵으로 삼아 수평으로 성장하여 서로 접촉한다. 순차적 수평 결정화에 의해 성장하는 그레인의 크기는 통상 1㎛이고 본 발명의 개구부의 폭은 2㎛이므로 그레인 경계는 가운데 하나만 존재한다.
개구부의 폭이 2㎛인 마스크를 적용하여 성장된 그레인의 형상을 도 4a에서 볼 수 있는데 4a에서 제 1영역(1)과 제 2영역(2)의 폭은 1㎛이고 개구부(H)를 통해 레이저가 조사된 영역의 그레인이 서로 수평하게 성장한 모습을 보여주고 있다.
다음으로, 제 1레이저 조사 후 기판 또는 레이저 조사 장치를 일정한 거리만큼 Y축으로 수평 이동한다. 상기의 이동거리 (즉, 제 1레이저 조사 후 제2 레이저 조사를 위해 기판 또는 레이저 조사 장치가 이동하는 거리)를 트랜스레이션 디스턴스(translation distance)라고 하며 설명의 편의상 도 4에서는 이동 거리를 1.5㎛로 한다.
기판을 이동 거리만큼 Y축으로 이동하면 도 4b에 도시된 바와 같이 제1 레이저 조사영역(4b의 점선부)과 제 2 레이저 조사영역은 A만큼 겹치게 되고 그 폭은 0.5㎛가 된다. 이렇게 도 4a 중 2 영역의 일부와 겹치도록 마스크를 배치한 후 제 2 레이저 조사를 한다.
이때, 이미 제1 레이저 조사에 의해 결정화가 이루어진 제 2영역의 일부와 마스크 상의 개구부(H) 아래의 비정질 실리콘 영역이 용융되어 순차적 수평 결정화가 진행된다.
제 2영역 중 용융되지 않은 결정질 실리콘과 용융되지 않은 비정질 실리콘이결정화의 핵으로 작용하여 수평 결정화가 이루어진다.
상기의 결과, 제 2영역을 핵으로 삼아 결정화가 이루어진 영역은 그레인의 크기가 1㎛ 이상이 된다. 즉, 제 2영역 중 레이저 조사를 받지 않은 영역의 크기와 새로이 성장한 그레인 크기 1㎛의 합만큼( 제 3영역)의 다결정의 그레인 크기를 가진다. 본 발명에서 이동 거리를 1.5㎛로 하였으므로 제 3영역의 폭은 1.5㎛가 된다.
레이저 조사되지 않은 비정질 실리콘을 핵으로 삼아 성장한 그레인은 제 4영역으로써 그 크기가 보통의 수평 결정화 크기인 1㎛이다.
제 2 레이저 조사가 끝난 후에, 다시 기판을 이동 거리만큼 Y축으로 수평이동 하면, 마스크는 제2 레이저 조사영역의 일부(제 4영역)와 겹치게 되고 제 3레이저를 조사하면 도 4b의 제 4영역 일부(여기서는 0.5㎛)와 비정질 실리콘이 용융하여 수평 결정화가 진행된다. 이때, 도 4b에서와 같이 도 4b의 제 4영역 중 용융되지 않은 결정질 실리콘과 용융되지 않은 비정질 실리콘이 결정화의 핵으로 작용하여 결정화가 진행된다.
그 결과 생성되는 그레인의 크기가 도 4C에서 도시된 바와 같이 제 5영역과 제 6영역이 된다. 상기에서 설명한 바와 같이 제 4영역의 크기는 제 3영역 중 용융되지 않은 영역(여기서는 0.5㎛)+새로 성장한 그레인 크기 1㎛만큼인 1.5㎛가 된다. 제 4영역의 크기는 통상의 수평 결정화 크기인 1㎛이다.
Y축 방향으로 상기의 과정을 반복하여 개구부 사이의 비정질 실리콘을 모두 결정화 한 다음, 기판을 X축 방향으로 마스크 상의 개구부 길이 만큼 수평 이동하고 상기의 과정을 반복하여 기판 전체를 레이저 어닐링 한다.
상기의 결과, 기판은 레이저 어닐링되어 수평으로 성장한 균일한 크기의 그레인을 얻을 수 있다.
본 실시 예에서는 이동 거리를 2㎛내의 임의의 값을 취하더라도 동일한 크기의 수평 결정화된 그레인을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나, 레이저 어닐링 시 레이저가 조사되는 속도가 300Hz정도로 이동 거리를 1.5㎛로 할 경우 1초당 4.5*10-2cm정도 어닐링을 할 수 있어 기판 전체를 어닐링 하기에는 시간이 너무 많이 걸리는 문제가 있다. 1m * 1m 크기의 기판을 예로 들면 상기의 방법에 의해 레이저 어닐링 할 대 한 장의 기판을 어닐링하는데만 200시간 이상이 걸린다.
본 발명은 순차적 수평 결정화 방법을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화 하는 방법에 있어서, 스위칭 소자로서의 박막트랜지스터의 구동특성이 균일하고 높은 이동도를 가지게 하고 빠른 시간에 기판 상의 비정질 실리콘을 결정화하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 조사되는 레이저 강도와 형성되는 결정질의 크기와의 관계를 나타내는 그래프.
도 2는 레이저 어닐링을 통해 수평 결정화되는 비정질 실리콘의 모습을 나타내는 단면도.
도 3은 순차적 수평 결정화된 다결정 실리콘의 모습을 나타내는 단면도.
도 4는 종래의 레이저 어닐링 방법을 사용하여 순차적 수평 결정화하는 방법을 나타내는 수순도.
도 5는 본 발명에 의한 레이저 어닐링 시 기판과 마스크의 배열을 개략적으로 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 레이저 어닐링 방법을 적용하여 순차적 수평 결정화하는 방법을 나타내는 수순도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 순차적 수평 결정화 방법을 나타내는 단면도.
***** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *****
M:마스크 H:개구부
G:개구부 간의 간격 W:개구부의 폭
L:개구부의 길이 41:기판
본 발명은 상기의 목적을 이루기 위해 일정한 거리를 두고 Y축 방향으로 배열되고 폭이 일정하며 직사각형인 다수의 개구부를 포함하는 마스크를 준비하는 단계와, 상기 마스크를 적용하여 비정질 실리콘 막 상에서 제 1레이저를 조사하는 단계와, 상기 개구부의 폭과 상기 개구부 사이의 거리를 합한 값을 레이저 조사 수로 나눈 값을 이동 거리(translation distance)로 적용하여 레이저 어닐링하는 기판을 Y축으로 수평 이동하는 단계와, 상기 기판의 수평이동 후 제 2 레이저를 조사하는 단계와, 다시 상기 기판을 Y축으로 이동 거리만큼 수평 이동하여 레이저 조사하는 단계를 기판의 끝단까지 반복하는 단계와, 상기 기판을 X축으로 마스크 상의 개구부의 길이만큼 이동하고 상기의 공정을 반복함으로써 비정질 실리콘 막 전체를 레이저로 조사하여 균일한 크기의 그레인을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링을 통한 다결정 실리콘 막 형성 방법을 제공한다.
엑시머 레이저를 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법은 기판을 가열하지 않고도 큰 그레인을 형성할 수 있기 때문에 저온에서 비정질 실리콘을 결정화 시키는데 적합하다.
비정질 실리콘 층이 완전히 용융되는 강도 이상의 레이저를 조사하면 비정질 실리콘은 완전히 용융 상태가 된다. 특히, 본 발명의 실시 예로써 비정질 실리콘 층의 두께가 500Å일 때 비정질 실리콘 층을 완전히 용융하기 위하여 400mJ/cm2이상의 에너지 강도(energe density)를 가진 레이저를 조사한다.
비정질 실리콘의 일부를 마스크로 가리고 레이저를 조사하면 용융된 비정질 실리콘은 용융되지 않은 측면의 비정질 실리콘을 핵으로 삼아 수평으로 결정화가 진행된다.
상기의 방법에 의해 성장한 그레인은 그 크기가 약 1㎛ 내외이다. 수평으로성장한 이들 그레인은 일직선상으로 배열할 수 있고 극히 작은 양의 그레인 경계를 포함하는 다결정 실리콘을 형성할 수 있으므로 고속의 소자 특성을 요하는 영상표시장치에 적합하다.
특히 레이저를 조사할 때 개구부의 넓이가 2㎛내외인 마스크를 적용하면 용융된 비정질 실리콘은 서로 대향하면서 그레인이 성장되고, 도 3에서 도시된 바와 같이 단 하나의 그레인 경계를 가지는 다결정 실리콘을 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에서는 마스크의 개구부의 넓이가 반드시 2㎛일 필요는 없다. 마스크의 개구부의 넓이는 비정질 실리콘 층을 용융하기 위하여 사용되는 레이저의 종류에 따라 달라질 수 있다.
그레인 경계는 분자의 배열이 단락하는 부분으로서 전자이동의 방해 요소로 작용한다. 그러므로 고속의 소자를 제작하기 위해서는 그레인 경계를 줄이는 것이 필수적이다.
상기에서 설명한 바와 같이 수평 결정화된 폴리 실리콘은 그레인 경계 밀도도 적을 뿐 아니라 단결정에 가까운 결정화를 보임으로써 고속의 소자를 제작하는데 적합하다.
고속 동작 특성을 가지는 스위칭 소자를 제조하기 위해서는 그레인 경계가 적은 다결정 실리콘을 제작하는 것이 필수적이나 그레인의 크기가 일정하지 않다면 소자의 특성이 일정하지 않은 문제가 생기므로 소지 특성을 균일하게 하기 위해서는 비정질 실리콘의 수평 결정화를 이루면서도 일정한 크기의 그레인 경계를 가지는 다결정 실리콘 막을 형성하는 것이 필요하다.
일정한 그레인 크기를 가지는 다결정 실리콘을 형성하는 것은 본 발명의 레이저를 조사하는 방법을 통하여 구현될 수 있다.
액정표시장치의 TFT어레이 기판은 유리기판 상에 게이트 배선을 형성하고 게이트 전극을 절연하기 위한 게이트 절연막과 스위칭 소자의 채널로 사용될 비정질 실리콘 층을 형성한다. 본 발명은 상기의 비정질 실리콘 층을 레이저 어닐링을 통하여 수평 결정화된 다결정 실리콘을 얻고자하는 것을 목적으로 하고 있다.
- 제 1실시 예-
어닐링을 위한 레이저 조사의 폭은 기판 전체 면적에 비해 매우 적기 때문에 여러 번의 레이저 조사가 필요하다. 본 발명에서 사용하는 한 번의 레이저 조사 폭은 4mm*4mm 이며, 도 5는 기판(51)과 다수의 개구부를 포함하는 마스크(M)의 배치를 개략적으로 표시하고 있다.
도 6은 상기의 도 5에서 도시된 마스크를 확대 표시한 것으로 마스크의 크기는 한번에 조사할 수 있는 레이저 범위에 해당한다. 한번의 레이저 조사로 노광될 수 있는 영역의 크기는 레이저 장비의 종류에 따라 다를 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 의한 마스크는 2㎛의 폭(W)과 소정의 길이를 가지는 개구부(H)가 소정의 간격을 두고 다수 배치되어 있다.
폭(W)을 2㎛로 한 것은 순차적 수평 결정화로 성장 가능한 그레인 길이가 약1㎛이므로 하나의 그레인 경계만 가지도록 그 폭을 2㎛로 한 것이다.
마스크의 재질은 레이저광의 차단효과가 뛰어나고 반사율이 좋은 알루미늄 계열의 금속을 사용할 수 있다.
개구부와 개구부 간의 간격은 이동 거리와 더불어 레이저 노광횟수를 결정하는 변수가 될 수 있다. 상기의 개구부 간의 간격은 임의의 값으로 정할 수 있으나 본 발명의 제 1실시 예에서는 개구부 간의 간격을 4㎛ 로하여 레이저 조사하는 것을 설명한다.
다수의 개구부를 포함하는 마스크를 사용하여 일정한 크기의 다결정 실리콘을 형성하기 위해서는 개구부 간의 간격과 기판의 이동거리 사이에는 일정한 관계를 가져야한다. 즉, 개구부의 폭과 개구부 간의 간격의 합을 단위 조사 수로 나눈 값을 이동 거리로 적용하여 레이저 어닐링을 실시해야 한다.
단위 조사 수란 다수의 개구부를 포함하는 마스크를 적용하여 레이저 어닐링을 할 때, 제 1개구부로부터 제 2개구부에 이르는 범위의 비정질 실리콘을 결정화하기 위하여 필요한 레이저 조사 횟수를 의미한다. 즉, 제 1개구부와 제 2개구부간의 비정질 실리콘을 결정화하기 위하여 4번 또는 5번의 레이저 조사를 하였다면 4또는 5가 단위 조사 수가된다.
상기의 개구부 간의 거리와 개구부의 폭과 단위 레이저 조사 수와의 관계를 적용하여 이동거리를 산출해 보면, 본 발명의 제 1실시 예에서 개구부(W)의 폭을 2㎛, 개구부 간의 간격이 4㎛, 단위 조사 수를 4로 할 때 이동 거리를 1.5㎛로 해야 기판 전체를 통해 동일한 크기로 수평 성장한 그레인을 얻을 수 있다.
개구부의 폭이 2㎛, 개구부 간의 간격이 4㎛일 때 스캔 수가 6이면 이동 거리는 1㎛가 되어야 수평으로 성장한 동일한 크기의 그레인을 얻을 수 있다.
폭이 2㎛이고 소정의 길이를 가진 3개의 개구부와, 개구부 간의 간격이 4㎛,단위 레이저 조사 수가 4인 경우를 예로 들어 도 6을 통하여 비정질 실리콘의 레이저 어닐링하는 방법을 설명한다.
제 1단계로 도 6a에서 도시된 바와 같이 일정한 간격으로 배열되며 폭이 2㎛이고 소정의 길이를 가진 직사각형의 개구부를 가진 마스크를 준비한다.
상기의 마스크를 비정질 실리콘이 증착된 기판 상에 위치시키고 제 1레이저 조사를 실시한다. 그 결과, 도 6a에서 보는 바와 같이 일정한 크기로 수평으로 성장한 그레인을 얻는다.
다음으로, 개구부의 폭(w)+개구부 간의 간격/단위 레이저 조사 수에 의해 산출된 값을 이동거리로 적용하여 기판을 이동하고 제 2레이저 조사를 실시한다.제 1실시 예에서는 이동거리는 1.5㎛이다.
본 실시 예에서는 기판 상에 레이저를 조사하기 위하여 기판을 움직이고 레이저 발생기는 고정시킨다. 그러나, 레이저 발생기를 이동하면서 기판 상에 레이저를 조사할 수도 있다.
기판을 상기의 공식에 의해 산출된 이동거리만큼 이동하고 제 2레이저 조사를 실시한다. 상기의 결과, 기판 상에 수평 성장한 그레인의 모습을 도 6b에서 볼 수 있다.
제 1레이저 조사 후 1.5㎛ 기판이 이동하였기 때문에 도 6a의 제 2영역(62)의 일부이 제2 레이저 조사 영역과 겹치므로 제 2 레이저 조사 후 새롭게 성장한 그레인은 도 6b의 제 3영역(63)과 제 4영역(64)이 되며 제 3영역의 크기는 1.5㎛, 제 4영역의 크기는 1㎛가 된다.
이어서, 기판을 Y축 방향으로 이동거리 만큼 이동하고 제 3레이저 조사를 실시한다. 그 결과, 도 6b의 제 4영역(63) 중 용융되지 않은 결정질 실리콘과 마스크 하단의 비정질 실리콘을 핵으로 삼아 결정화가 진행되고 도 6c의 제 5영역(65)과 제 6영역(66)과 같은 수평 결정화된 그레인이 된다. 그 크기는 제 5영역의 폭이 1.5㎛이고 제 6영역의 폭이 1㎛이다.
다음으로, 본 실시예의 이동거리에 해당하는 1.5㎛ 만큼 Y축 방향으로 이동하여 레이저 조사하면 도 6d에서 도시된 바와 같이 도 6c의 제 6영역과 제 2 개구부를 통해 조사된 레이저에 의해 형성된 제 7영역(67)의 그레인을 핵으로 삼아 수평결정화가 이루어지고, 6d의 제 8영역(68)과 제 9영역(69)의 다결정질이 된다. 순차적 수평 결정화된 결정질 실리콘 제 8영역과 제 9영역의 다결정질 폭의 크기는 모두 1.5㎛가 된다.
상기의 결과, 4번의 레이저 조사를 통해 동일한 크기의 수평 결정화된 폴리 실리콘을 얻는다.
마스크의 개구부가 세 개라면 4번의 레이저 조사를 통하여 수직 길이로 18㎛를 수평 결정화할 수 있다. 마스크의 개구부가 4이라면 4번의 레이저 조사를 통하여 24㎛의 길이를 결정화할 수 있고, 동일한 크기를 가지며 수평으로 성장한 폴리 실리콘을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에서 사용되는 레이저의 폭은 4mm정도이므로 600개 이상의 개구부를 구비하는 마스크를 제작하여 레이저 어닐링에 사용할 수 있다.
기판의 세로 방향으로 레이저 어닐링이 끝나면, 비정질 실리콘이 증착된 기판을 마스크 상의 개구부의 길이 만큼 X축으로 이동하고 상기의 공정을 반복한다.
이때 기판이 X축으로 이동하기 전에 이미 수평 결정화된 폴리 실리콘 영역과 기판이 이동한 후에 레이저 조사되는 비정질 실리콘 영역을 일부 겹치고 레이저 어닐링을 실시할 수 있다.
상기의 공정을 반복하여 기판의 X축 끝단까지 레이저 어닐링을 하고 기판을 마스크의 폭만큼 Y축으로 이동하여 레이저 어닐링을 실시한다. 상기의 과정을 반복함으로써 기판 전체를 균일한 크기의 폴리 실리콘으로 결정화한다.
다수의 개구부를 포함하는 마스크를 사용하여 비정질 실리콘 막을 레이저 어닐링할 경우, 개구부의 폭 +개구부 간의 간격/단위 조사 수 의 공식에 의해 도출된 값을 기판의 이동거리로 하지 않은 경우는 순차적으로 수평 결정화된 그레인의 크기가 일정하지 않고 달라진다.
예를 들면, 개구부 폭이 2㎛, 개구부 간의 간격이 4㎛, 단위 스캔 수가 4인데 이동 거리를 1.75㎛로 하면 수평 결정화된 그레인의 크기는 2.5㎛ ,1.75㎛, 1.75㎛, 2.5㎛의 규칙을 가지며 기판 상에 수평 결정화된다.
순차적 수평 결정화된 폴리 실리콘을 스위칭 소자의 채널로 적용할 경우는 우수한 동작특성을 가진 스위칭 소자를 얻을 수는 있지만, 만약 그 크기가 서로 다른 폴리 실리콘이 스위칭 소자의 채널로 적용되면 동작 특성이 우수함에도 불구하고 서로 다른 동작특성을 나타내는 스위칭 소자로 구성된 영상표시장치를 얻게 되어 오히려 문제점으로 나타난다.
이와 같이, 균일하게 수평 결정화된 그레인을 얻은 후에 기판 상의 임의의지점에 액정표시소자용 박막트랜지스터를 형성하더라도 동일한 특성의 채널 층을 얻게 되고 TFT는 균일하고 고속의 동작 특성을 가지는 박막트랜지스터를 얻게된다.
-제 2 실시 예 -
비정질 실리콘을 레이저 어닐링을 통해 수평 결정화하는 다른 실시 예로서 마스크의 구조를 도 7에 도시된 바와 같이 계단형의 개구부를 가지도록 패턴을 형성한다. 상기의 패턴을 형성함에 있어서 중요한 것은 단차가 형성된 각 개구부 사이의 거리가 실시 예 1에서의 이동 거리 값을 만족해야 한다.
즉, 개구부의 폭이 W, 개구부 간의 간격이 D, 서로 접하는 개구부 수가 K, 단차가 형성된 개구부 간의 거리(즉, 실시예 1에서 이동거리에 해당하는 값)를 TD라 할 때 그 관계가 W+D/K= TD의 식을 만족해야한다.
예를 들면, 개구부의 폭이 2㎛, 개구부 간의 간격이 4㎛, 서로 인접하는 개구부 수가 4이면 단차가 형성된 개구부 간의 거리는 2+4/4= 1.5㎛가 되어야 하고, 개구부의 폭이 2㎛, 단위 단차 수가 3, 단차가 형성된 개구부 간의 거리가 1.5㎛라면 개구부 간의 간격은 2+X/3=1.5의 식을 만족하는 X=2.5㎛ 가 되어야 한다.
마스크의 개구부 수는 레이저의 크기에 따라 다를 수 있고 한번에 조사 가능한 레이저 조사 영역이 크면 클수록 개구부를 많이 형성할 수 있으므로 어닐링에 걸리는 시간이 단축될 수 있다.
개구부의 폭이 2㎛, 개구부 간의 간격이 2.5㎛, 인접한 개구부 수 T가 3, 단차가 형성된 개구부 간의 거리가 1.5㎛인 경우를 도 7에서 예로 들어 설명한다.
도 5에서와 같이 상기의 마스크를 비정질 실리콘이 증착된 기판 상에 정렬한다음, 제 1레이저 조사를 실시한다. 레이저는 마스크의 개구부 통해 조사되고 개구부 아래의 비정질 실리콘을 순차적 수평 결정화시킨다.
제 1레이저 조사가 끝난 후 기판을 X축으로 L만큼 이동한다. 상기에서 개구부의 길이인 L은 Y축 방향으로 결정화를 시키기 위해 적어도 개구부의 폭보다는 큰 값을 가지도록 개구부 패턴을 형성한다.
기판을 X축으로 L만큼 이동하면 개구부 Ⅱ는 Y축 방향으로 개구부 Ⅰ1아래의 비정질 실리콘 영역 Ⅰ2로 이동하게 되고 제 2레이저 조사를 실시하면 Ⅰ2영역의 비정질 실리콘은 용융되고 냉각을 거치면서 순차적 수평결정화를 이룬다.
다음으로, 기판을 다시 X축으로 L만큼 이동하고 제 3레이저 조사를 한다. 그 결과, 개구부 Ⅲ영역은 비정질 실리콘 영역 Ⅰ3로 이동하게 되고 Ⅲ개구부 아래 Ⅰ3영역의 비정질 실리콘은 순차적 수평 결정화가 이루어진다.
상기의 결과, 상기의 Ⅰ,Ⅰ2,Ⅰ3영역을 주목할 때 실시 예 1에서와 같이 동일한 크기로 수평 결정화된 그레인을 얻게된다.
한 번의 레이저 조사가 이루어 진 후, 이동하는 기판의 거리는 개구부의 길이에 해당하는 L이고 상기의 거리만큼의 이동을 계속해서 반복하여 기판의 다른 끝단가지 레이저를 조사하여 어닐링을 실시한다.
다음으로, 기판을 -Y축으로 마스크 상에 형성된 개구부의 폭과 개구부간의 간격의 합인 F만큼 이동하고 상기의 공정을 반복한다. 상기의 과정을 기판 전체가수평 결정화될 때까지 실시한다.
실시 예 2에서와 같이 마스크 상에 개구부를 형성할 때 W+D/K= TD를 만족하도록 개구부의 패턴을 형성하면 기판 전체를 균일한 크기로 수평 결정화된 그레인을 얻을 수 있다. 또한 실시예 1에서와는 달리 이동거리의 값만큼 기판을 Y축으로 이동하는 번거로움을 줄일 수 있다.
비정질 실리콘 막이 순차적 수평 결정화(SLS)하도록 레이저 어닐링을 실시하여, 박막트랜지스터가 형성될 기판 전체를 동일하고 균일한 크기의 다결정 폴리 실리컨을 가지도록 레이저 조사하는 방법을 제공함으로써, 결정화된 영역 중 어디에 박막트랜지스터를 형성하더라도 동일한 동작 특성을 가지는 박막트랜지스터를 제조 할 수 있다. 또한 다수의 개구부를 가짐으로써 특정한 이동 거리를 가져야 기판 전체를 균일한 특성을 가지는 결정질로 결정화 할 수 있기 때문에 그 방법을 제공함으로써 균일한 특성의 결정질을 형성하고 또한 빠른 시간 내에 기판을 결정화할 수 있는 방법을 제공한다.

Claims (20)

  1. 비정질 실리콘을 다결정화하기 위하여 다수의 개구부를 구비하는 마스크를 사용하여 레이저를 조사하는 다결정 실리콘 막 형성 방법에 있어서,
    상기 개구부의 폭과 개구부 간의 거리를 합한 값을 단위 레이저 조사 수로 나눔으로써 산출된 값을 기판의 이동 거리로 적용하여 기판을 이동시키면서 레이저 조사하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이동 거리는 개구부의 폭보다 적은 값인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 개구부의 길이는 개구부의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 마스크는 알루미늄(Al)합금계 금속인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다결정 실리콘은 순차적 수평 결정화된 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 조사 강도는 비정질 실리콘 층이 완전히 녹는 에너지 강도 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 개구부의 폭과 개구부 간의 거리를 합한 값을 단위 레이저 조사 수로 나눔으로써 산출된 값을 레이저 발생기의 이동 거리로 적용하여 레이저 발생기를 이동시키면서 레이저 조사하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  8. 반도체 층이 형성된 기판 상에 Y축 방향으로 일정한 간격을 이루며 배열된 다수의 개구부를 포함하는 마스크를 정렬하는 단계;
    상기 마스크를 통하여 제 1레이저 조사를 실시하는 단계;
    개구부의 폭 및 개구부 간의 거리의 합을 단위 레이저 조사 수로 나눔으로써 산출된 값을 기판 또는 레이저 발생기의 이동 거리로 적용하여 기판 또는 레이저 발생기를 수평 이동하고 제 2레이저 조사를 실시하는 단계;
    상기의 공정을 단위 레이저 조사 수만큼 반복하는 단계;
    기판을 X축 방향으로 이동하고 상기의 공정을 반복함으로써 반도체 층 전체를 다결정화하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 결정화 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 각각의 레이저 조사 시에는 레이저 조사 영역 중 일부가 서로 겹치는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 개구부는 길이가 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 이동 거리는 상기 개구부의 폭보다 적은 값인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 레이저 조사강도는 비정질 실리콘 층이 완전히 녹는 에너지 강도 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  13. 제 8항에 있어서, 기판을 X축 방향으로 이동하는 거리는 상기 개구부의 길이에 해당하는 거리인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 반도체 층은 비정질 실리콘 층인 것을 특징으로 하는레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 막 형성 방법.
  15. 반도체 층이 형성된 기판과 다수의 개구부가 서로 단차를 이루며 계단형으로 배열하고 서로 접하여 군을 이루는 복수의 개구부군을 포함하는 마스크를 상기 기판 상에 정렬하는 단계;
    제 1레이저 조사를 하는 단계;
    기판 또는 레이저 발생기를 X축 방향으로 이동하고 제 2레이저 조사를 하는 단계;
    기판 또는 레이저 발생기를 X축 방향으로 이동하고 레이저 조사하는 단계를 기판 전체가 다결정화 될 때 까지 반복하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 서로 인접하는 개구부 간의 단차 간격(TD)는 개구부의 폭(W) 과 개구부 군과 개구부 군간의 거리(L)의 합을 일 개구부 군을 이루는 개구부의 수로 나눈 값과 일치하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 반도체 층은 비정질 실리콘 층인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 조사되는 레이저 조사 강도는 비정질 실리콘 층이 완전히 녹는 에너지 강도 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 결정화된 다결정 실리콘은 순차적 수평 결정화된 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 단차진 개구부간의 단차 길이는 개구부의 폭보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법을 적용한 다결정 실리콘 형성 방법.
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