KR20040093257A - Method of fabricating polysilicon thin film for display device and display device using polysilicon thin film - Google Patents
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Abstract
Description
[산업상 이용분야][Industrial use]
본 발명은 디스플레이 디바이스용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조된 다결정 실리콘 박막을 사용한 디스플레이 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다결정 실리콘 박막의 결정립의 모양을 조절할 수 있는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 및 이 다결정 실리콘 박막을 사용하여 제조되는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film for a display device and a display device using the polycrystalline silicon thin film manufactured by the method, and more particularly, to a polycrystalline silicon thin film capable of controlling the shape of crystal grains of a polycrystalline silicon thin film. A manufacturing method and a display device manufactured using this polycrystalline silicon thin film.
[종래 기술][Prior art]
통상적으로 SLS 방법은 비정질 실리콘 층에 레이저빔을 2회 이상 중첩 조사하여 결정립 실리콘을 측면 성장시킴으로써 결정화하는 방법이다. 이를 이용하여 제조한 다결정 실리콘 결정립은 한 방향으로 길쭉한 원주형 모양을 가지는 것을 특징으로 하며, 결정립의 유한한 크기로 인하여 인접한 결정립 사이에는 결정립 경계가 발생한다.In general, the SLS method is a method of crystallizing by side-growing grain silicon by irradiating an amorphous silicon layer with a laser beam two or more times. The polycrystalline silicon crystal grains prepared using the same have an elongated columnar shape in one direction. Due to the finite size of the crystal grains, grain boundaries occur between adjacent grains.
SLS 결정화 기술을 이용하여 기판 상에 다결정 또는 단결정인 입자가 거대 실리콘 그레인(large silicon grain)을 형성할 수 있으며, 이를 이용하여 TFT를 제작하였을 때, 단결정 실리콘으로 제작된 TFT의 특성과 유사한 특성을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다.Using SLS crystallization technology, polycrystalline or monocrystalline particles can form large silicon grains on a substrate, and when TFTs are manufactured, they exhibit characteristics similar to those of TFTs made of monocrystalline silicon. It is reported that it can be obtained.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 통상의 SLS 결정화 방법을 나타낸다.1A, 1B and 1C show a conventional SLS crystallization method.
SLS 결정화 방법에서는 도 1a와 같이 레이저빔이 투과되는 영역과 투과하지 못하는 영역을 가진 마스크를 통하여 레이저빔을 비정질 실리콘 박막층에 조사하면 레이저빔이 투과한 영역에서는 비정질 실리콘의 용해가 일어나게 된다.In the SLS crystallization method, as shown in FIG. 1A, when the laser beam is irradiated to the amorphous silicon thin film layer through a mask having a region through which the laser beam is transmitted and a region that cannot transmit, amorphous silicon dissolution occurs in a region where the laser beam is transmitted.
레이저빔의 조사가 끝난 후 냉각이 시작되면 비정질 실리콘/용융 실리콘 계면에서 우선적으로 결정화가 일어나고, 이때 발생한 응고 잠열에 의해 비정질 실리콘/용융 실리콘 계면으로부터 용융된 실리콘층 방향으로 온도가 점차 감소되는 온도 구배가 형성된다.When cooling starts after the laser beam is irradiated, crystallization occurs preferentially at the amorphous silicon / melt silicon interface, and the temperature gradient gradually decreases from the amorphous silicon / melted silicon interface toward the molten silicon layer due to the latent solidification heat generated. Is formed.
따라서, 도 1b를 참조하면, 열 유속은 마스크 계면으로부터 용융된 실리콘층의 중앙부 방향으로 흐르게 되므로 다결정 실리콘 결정립은 용융된 실리콘 층이 완전히 응고될 때까지 측면 성장이 일어나게 되므로 한 방향으로 길쭉한 원주형 형태의 결정립을 가지는 다결정 실리콘 박막층이 형성된다.Therefore, referring to FIG. 1B, since the heat flux flows from the mask interface toward the center of the molten silicon layer, the polycrystalline silicon grains have a lateral columnar shape in one direction because side growth occurs until the molten silicon layer is completely solidified. A polycrystalline silicon thin film layer having crystal grains of is formed.
도 1c에서 도시한 바와 같이, 스테이지 이동에 의해 마스크를 이동하여 비정질 실리콘 박막층과 이미 결정화된 다결정 실리콘층의 일부가 노출되도록 중첩하여 레이저빔을 조사하면 비정질 실리콘 및 결정질 실리콘이 용해되고 이후 냉각이 되면서 마스크에 가려 용해되지 않은 기 형성된 다결정 실리콘 결정립에 실리콘 원자가 부착되어 결정립의 길이가 증가하게 된다.As shown in FIG. 1C, when the mask is moved by stage movement, the amorphous silicon thin film layer and a portion of the already crystallized polycrystalline silicon layer are overlapped so that the laser beam is irradiated to dissolve the amorphous silicon and the crystalline silicon and then cooled. Silicon atoms are attached to the preformed polycrystalline silicon grains that are not dissolved by being masked to increase the length of the grains.
따라서, TFT 제작시 액티브 채널 방향이 SLS 방법에 의하여 성장된 결정립 방향에 대하여 평행한 경우 전하 캐리어 방향에 대한 결정립계의 배리어 효과가 최소가 되므로 단결정 실리콘에 버금가는 TFT 특성을 얻을 수 있는 반면, 액티브 채널 방향과 결정립 성장 방향이 90°인 경우 TFT 특성이 전하 캐리어의 트랩으로 작용하는 많은 결정립 경계가 존재하게 되며, TFT 특성이 크게 저하된다.Therefore, when the active channel direction is parallel to the grain direction grown by the SLS method during TFT fabrication, the barrier effect of the grain boundary with respect to the charge carrier direction is minimized, so that TFT characteristics comparable to that of single crystal silicon can be obtained. In the case where the direction and the grain growth direction are 90 degrees, there are many grain boundaries in which the TFT characteristics serve as traps of charge carriers, and the TFT characteristics are greatly degraded.
이와 같이, 기존의 SLS 방법으로 제조한 TFT의 경우 액티브 채널의 방향에 따라 TFT 특성에 큰 변화가 생기게 되므로 회로 내장 정도에 제약이 따르게 된다.As described above, in the case of the TFT manufactured by the conventional SLS method, a large change occurs in the TFT characteristics depending on the direction of the active channel, thereby limiting the degree of circuit embedding.
한편, PCT 국제 특허 WO 97/45827호 및 미국 특허 6,322,625호에서 개시된 바와 같이, 비정질 실리콘을 증착한 후 SLS 기술로 전체 기판 상의 비정질 실리콘 다결정 실리콘으로 변환하거나, 기판 상의 선택 영역만을 결정화하는 기술이 개시되어 있다.Meanwhile, as disclosed in PCT International Patent Nos. WO 97/45827 and US Pat. No. 6,322,625, a technique is disclosed in which amorphous silicon is deposited and then converted into amorphous silicon polycrystalline silicon on the entire substrate by SLS technology, or crystallization of only selected regions on the substrate. It is.
또한, 미국 특허 6,177,391호에서는 SLS 결정화 기술을 이용하여 거대 입자 실리콘 그레인을 형성하여 드라이버와 화소 배치를 포함한 LCD 디바이스용 TFT 제작시 액티브 채널 방향이 SLS 결정화 방법에 의하여 성장된 결정립 방향에 대하여 평행한 경우 전하 캐리어 방향에 대한 결정립계의 배리어 효과가 최소가 되므로, 단결정 실리콘에 버금가는 TFT 특성을 얻을 수 있는 반면, 이러한 특허에서도 역시 액티브 채널 영역과 결정립 성장 방향이 90°인 경우 TFT 특성이 전하 캐리어의 트랩으로 작용하는 많은 결정립 경계가 존재하게 되며, TFT 특성이 크게 저하된다.In addition, US Pat. No. 6,177,391 discloses that when the active channel direction is parallel to the grain direction grown by the SLS crystallization method when forming a TFT for an LCD device including a driver and a pixel arrangement by forming a large particle silicon grain using the SLS crystallization technique. Since the barrier effect of grain boundaries on the charge carrier direction is minimized, TFT characteristics comparable to that of single crystal silicon can be obtained, while the patent also shows that TFT characteristics are trapped in charge carriers when the active channel region and the grain growth direction are 90 °. There exist many grain boundaries which act as a factor, and TFT characteristics are greatly deteriorated.
실제로, 액티브 매트릭스 디스플레이 제작시 구동 회로내의 TFT와 화소 셀영역 내의 TFT는 일반적으로 90°의 각도를 갖는 경우가 있으며, 이때, 각 TFT의 특성을 크게 저하시키지 않으면서 TFT간 특성의 균일성을 향상시키기 위해서는 결정 성장 방향에 대한 액티브 채널 영역의 방향을 30°내지 60°의 각도로 기울어지게 제작함으로써 디바이스의 균일성을 향상시킬 수 있다.In fact, when fabricating an active matrix display, the TFTs in the driving circuit and the TFTs in the pixel cell region generally have an angle of 90 °, whereby the uniformity of the TFT characteristics is improved without significantly deteriorating the characteristics of each TFT. In order to achieve this, the uniformity of the device can be improved by making the direction of the active channel region inclined at an angle of 30 ° to 60 ° with respect to the crystal growth direction.
그러나, 이 방법 역시 SLS 결정화 기술에 의해 형성되는 유한 크기의 결정립을 이용함으로써 치명적인 결정립 경계가 액티브 채널 영역 내에 포함될 확률이 존재하며, 따라서, TFT 간 특성 차이를 야기시키는 예측할 수 없는 불균일성이 존재하게 된다는 문제점이 있다.However, this method also uses the finite size grains formed by the SLS crystallization technique, so that there is a possibility that fatal grain boundaries are included in the active channel region, and thus there is an unpredictable nonuniformity causing the difference between the TFTs. There is a problem.
한편, 대한민국 공개 특허 번호 제2002-93194호에 의하면 레이저빔 패턴을 삼각형상("◁")으로 구성하는 것을 특징으로 하며, 상기 삼각형상("◁")의 빔 패턴을 가로 방향으로 이동하면서 결정화를 진행하는 방법이 설명되어 있으나, 이 경우 기판 전체에 걸쳐 결정화를 시킬 수 없으며 항상 결정화가 안된 영역이 존재하는 단점이 있다.Meanwhile, according to Korean Patent Laid-Open No. 2002-93194, the laser beam pattern is configured in a triangular shape ("◁"), and the crystallization is made while moving the triangular ("◁") beam pattern in the horizontal direction. Although a method of proceeding has been described, in this case, there is a disadvantage in that crystallization is not possible over the entire substrate and there is always a region that is not crystallized.
본 발명은 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 SLS 결정화법으로 다결정 실리콘 박막을 제조하는 경우 제조되는 다결정 실리콘의 형상을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems as described above, an object of the present invention is to provide a method for controlling the shape of the polycrystalline silicon produced when the polycrystalline silicon thin film by the SLS crystallization method.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 위에서 제조된 다결정 실리콘 박막을 사용하여 액티브 채널 방향에 따른 TFT 특성의 의존성이 없는 우수한 특성을 갖는 TFT를 사용하는 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a display device using a TFT having excellent characteristics without using the polycrystalline silicon thin film manufactured above and having no dependency of TFT characteristics on the active channel direction.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 통상의 SLS 결정화 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.1A, 1B and 1C are schematic diagrams of a conventional SLS crystallization method.
도 2는 통상의 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에서 사용되는 마스크의 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.2 is a plan view schematically showing the structure of a mask used in a conventional method for producing a polycrystalline silicon thin film.
도 3은 도 2의 마스크를 사용하여 제조되는 다결정 실리콘 박막의 평면도이다.FIG. 3 is a plan view of a polycrystalline silicon thin film manufactured using the mask of FIG. 2.
도 4a는 도트 형태 패턴에 레이저를 한번 조사한 경우를 나타내는 것이고, 도 4b는 마스크 패턴을 일정 간격 이동하여 레이저를 2번 조사한 경우 도 4c는 다시 마스크 패턴을 일정 간격 이동하여 레이저를 조사한 경우 결정립의 성장 과정을 나타내는 도면이다.4A illustrates a case where a laser is irradiated to a dot pattern once, and FIG. 4B illustrates a case where the laser is irradiated twice by moving the mask pattern at regular intervals, and FIG. 4C is a growth of crystal grains when the laser is irradiated by moving the mask pattern at regular intervals. It is a figure showing a process.
도 5는 레이저가 투과하지 못하는 도트 형태의 패턴이 사각형 형태로 배열된 패턴 그룹이 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼(Δy) 어긋나게 배치되어 있는 마스크를 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a mask in which a pattern group in which a dot-shaped pattern through which a laser cannot transmit is arranged in a rectangular shape is arranged to be shifted by a predetermined distance (Δy) in the vertical (y) direction.
도 6은 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 사각형 형태로 배열된 패턴 그룹4개가 배열되어 있는 마스크를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a mask in which four pattern groups in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a quadrangular shape are arranged.
도 7은 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 사각형으로 배열된 패턴 그룹이 가로(x), 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼, Δx, Δy 만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a square is arranged to be shifted by Δx and Δy by a predetermined distance in the horizontal (x) and vertical (y) directions.
도 7은 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 사각형으로 배열된 패턴 그룹이 가로(x), 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼, Δx, Δy 만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a square is arranged to be shifted by Δx and Δy by a predetermined distance in the horizontal (x) and vertical (y) directions.
도 8은 레이저가 투과하지 못하는 도트 형태의 패턴이 삼각형 형태로 배열된 그룹이 세로(y) 방향으로 일정한 거리(Δy)만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of dot-shaped patterns through which a laser does not transmit is arranged in a triangular shape and arranged to be shifted by a predetermined distance Δy in the vertical (y) direction.
도 9는 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 삼각형 형태로 배열된 패턴의 그룹이 4개가 배열되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a mask pattern in which four groups of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a triangular form are arranged.
도 10은 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 삼각형 형태로 배열된 패턴의 그룹이 가로(x), 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼, Δx, Δy 만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a triangular shape is arranged to be shifted by Δx and Δy by a predetermined distance in the horizontal (x) and vertical (y) directions. to be.
도 11은 도 6에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의 결정립을 나타내는 도면이다.FIG. 11 is a view illustrating crystal grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask illustrated in FIG. 6.
도 12은 도 8에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의 결정립을 나타내는 도면이다.FIG. 12 is a view illustrating grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask illustrated in FIG. 8.
도 13은 도 9에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의결정립을 나타내는 도면이다.FIG. 13 is a view showing crystal grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask shown in FIG. 9.
도 14는 도 11의 결정립 구조를 가지는 다결정 실리콘 박막을 이용하여 제조한 박막 트랜지스터의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 14 is a graph illustrating current-voltage characteristics of a thin film transistor manufactured using a polycrystalline silicon thin film having the grain structure of FIG. 11.
도 15는 도 3과 도 12의 결정립 구조를 가지는 다결정 실리콘 박막을 이용하여 제조한 박막 트랜지스터의 채널방향에 따른 전계이동도 특성을 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating field mobility characteristics according to channel directions of a thin film transistor manufactured using a polycrystalline silicon thin film having the grain structures of FIGS. 3 and 12.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여,The present invention to achieve the above object,
레이저가 투과하는 패턴 그룹과 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹이 혼합된 구조를 갖는 마스크를 사용하여 비정질 실리콘을 레이저를 이용하여 결정화하며, 상기 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹이 규칙적으로 배열되어 있고, 상기 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹은 스테이지 이동 방향에 수직한 방향에 대하여 서로 각각 일정한 간격만큼 서로 어긋나 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이 디바이스용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법을 제공한다.Crystallization of amorphous silicon using a laser using a mask having a structure in which a pattern group through which a laser penetrates and a pattern group through which a laser cannot penetrate is crystallized using a laser, and the group of patterns through which the laser cannot penetrate is regularly arranged. The pattern group that the laser does not transmit provides a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film for a display device, wherein the pattern group has a structure shifted from each other by a predetermined interval with respect to a direction perpendicular to the stage moving direction.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
상기의 방법을 사용하여 제조되는 다결정 실리콘 박막을 사용하는 디스플레이 디바이스를 제공하며, 상기 디스플레이 디바이스는 유기 전계 발광 소자 또는 액정 박막 장치를 포함한다.A display device using a polycrystalline silicon thin film manufactured using the above method is provided, and the display device includes an organic electroluminescent element or a liquid crystal thin film device.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
레이저가 투과하는 패턴 그룹과 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹이 혼합된 구조를 갖는 마스크를 사용하여 비정질 실리콘을 레이저를 이용하여 결정화하며, 상기 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹이 규칙적으로 배열되어 있고, 상기 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹은 스테이지 이동 방향 및 이 이동 방향에 수직한 방향에 대하여 서로 각각 일정한 간격만큼 서로 어긋나 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이 디바이스용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법을 제공한다.Crystallization of amorphous silicon using a laser using a mask having a structure in which a pattern group through which a laser penetrates and a pattern group through which a laser cannot penetrate is crystallized using a laser, and the group of patterns through which the laser cannot penetrate is regularly arranged. The group of patterns through which the laser does not transmit provides a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film for a display device, wherein the pattern group has a structure shifted from each other by a predetermined interval with respect to the stage moving direction and the direction perpendicular to the moving direction.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
상기의 방법을 사용하여 제조되는 다결정 실리콘 박막을 사용하는 디스플레이 디바이스를 제공하며, 상기 디스플레이 디바이스는 유기 전계 발광 소자 또는 액정 박막 장치를 포함한다.A display device using a polycrystalline silicon thin film manufactured using the above method is provided, and the display device includes an organic electroluminescent element or a liquid crystal thin film device.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings of the present invention will be described in more detail.
도 2는 통상의 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에서 사용되는 마스크의 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 3은 이러한 마스크를 사용하여 제조되는 다결정 실리콘 박막의 평면도이다.FIG. 2 is a plan view schematically showing the structure of a mask used in a conventional method for producing a polycrystalline silicon thin film, and FIG. 3 is a plan view of a polycrystalline silicon thin film manufactured using such a mask.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 한쪽 방향으로 길쭉한 직사각형 형태로 레이저빔이 투과할 수 있는 라인 형태의 패턴을 가진 마스크를 통과하여 레이저빔을 조사할 경우 열유속은 레이저빔 투과 패턴의 가장 자리에서부터 중심부로 형성되므로 다결정 실리콘 결정립은 한 방향으로 길쭉한 형태의 모양을 가지게 된다.As can be seen in Figure 2, when irradiating the laser beam through a mask having a line-shaped pattern through which the laser beam can pass in an elongated rectangular shape in one direction, the heat flux is centered from the edge of the laser beam transmission pattern. Since the polycrystalline silicon grains are formed in the elongated shape in one direction.
도 2에 도시된 마스크 패턴을 사용한 경우, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 레이저 투과부의 계면으로부터 서로 반대 방향으로 성장한 실리콘 결정립은 패턴의 중심부에서 서로 만나게 되어 돌출부(protrusion)가 높은 프라이머리 결정립계를 형성하게 되어 프라이머리 결정립계가 스트라이프 형태로 나열된 원주형 결정립이 형성된다.In the case of using the mask pattern shown in FIG. 2, as shown in FIG. 3, silicon grains grown in opposite directions from the interface of the laser transmitting portion meet each other at the center of the pattern to form a primary grain boundary having a high protrusion. As a result, columnar grains with primary grain boundaries arranged in a stripe form are formed.
도 4a 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 결정립의 성장 과정을 도시한 도면으로서, 도 4a는 도트 형태의 패턴인 불투명 영역에 레이저를 한번 조사한 경우를 나타내는 것이고, 도 4b는 마스크 패턴을 일정 간격 이동하여 레이저를 2번조사한 경우 도 4c는 다시 마스크 패턴을 일정 간격 이동하여 레이저를 조사한 경우 결정립의 성장 과정을 나타내는 도면이다.4A to 4 are diagrams illustrating a process of growing grains according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4A illustrates a case in which a laser is irradiated to an opaque region, which is a dot pattern, and FIG. 4B is a mask pattern. When the laser is irradiated twice by moving a predetermined interval FIG. 4C is a diagram illustrating a process of growing grains when the laser is irradiated by moving the mask pattern by a constant interval again.
도트 형태의 불투명 영역을 가진 마스크에 레이저를 조사하게 되면 도트 패턴 주위의 비정질 실리콘 영역의 용해 및 냉각에 의해 다결정 실리콘이 형성되고, 여기에 도트 패턴을 이동하여 레이저를 조사하게 되면 이미 형성된 다결정 실리콘 결정립의 용해가 일어나고 냉각이 시작됨에 따라 결정화가 일어난다.When the laser is irradiated to the mask having the opaque region in the form of dots, polycrystalline silicon is formed by dissolving and cooling the amorphous silicon region around the dot pattern, and when the laser is irradiated by moving the dot pattern, the polycrystalline silicon crystal grains already formed are As dissolution occurs and crystallization begins as cooling begins.
여기서 비정질 실리콘이 녹는 영역과 녹지 않는 영역의 계면(도트 패턴의 계면)에서 결정립이 하나인 경우 하나의 결정립으로 성장이 일어나게 되고 여러 개의 결정립이 혼재하는 경우에는 여러 개의 결정립을 가진 다결정 실리콘이 형성된다. 따라서, 도트 형태의 패턴을 순차적으로 이동하여 결정립의 크기를 순차적으로 증가시킬 수 있다.Here, when one crystal grain is present at the interface between the melting region and the non-melting region (the interface of the dot pattern), growth occurs as a single grain, and when multiple grains are mixed, polycrystalline silicon having several grains is formed. . Therefore, the size of the crystal grains may be sequentially increased by sequentially moving the dot pattern.
본 발명에서는 레이저가 투과하지 않는 불투명 영역은 원형, 사각형, 삼각형 등 특정 형태에 한정되는 것은 아니고, 폐곡선을 이루기만 하면 가능하다. 이러한 불투명 영역은 상기 폐곡선이 이루는 내접원의 직경이 바람직하기로는 1 ㎛ 이상의 크기를 가지며, 이는 1 ㎛ 이하의 크기를 가질 경우 레이저 빔의 스캐터링에 의해 투과하는 영역과 투과하지 못하는 영역을 구별하기 힘들기 때문이다.In the present invention, the opaque region through which the laser does not penetrate is not limited to a specific shape such as a circle, a rectangle, a triangle, and the like, as long as it forms a closed curve. Such an opaque region preferably has a diameter of the inscribed circle formed by the closed curve of 1 µm or more, and when it has a size of 1 µm or less, it is difficult to distinguish between a region that cannot pass through and a region that cannot pass through by scattering of a laser beam. Because.
또한, 도트 형태의 불투명 영역이 원형이라고 가정하는 경우에도 상기 원형의 직경이 1 ㎛ 이상은 되어야 하므로, 원형이 아닌 경우 이러한 불투명 영역의 면적이 동일하면 가능하므로 불투명 영역의 면적은 0.78 ㎛2이상이어도 무방하다.In addition, since, even if we assume that the non-transparent area of the dot form circular the diameter of the circle should be more than 1 ㎛, if not circular, so if possible, the area of such a non-transparent area equal to the area of the opaque areas may be more than 0.78 ㎛ 2 It's okay.
도 5는 레이저가 투과하지 못하는 도트 형태의 패턴이 사각형 형태로 배열된 패턴 그룹이 세로(y) 방향으로 일정한 거리(Δy)만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크를 나타내는 도면이다. 상기 마스크를 통과하여 레이저를 조사한 후 x축 방향으로 a 만큼 이동하여 레이저를 조사하게 되면 커다란 결정립을 연속적으로 형성할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹이 규칙적으로 배열되어 있고, 상기 레이저가 투과하지 못하는 패턴 그룹은 스테이지 이동 방향에 수직한 방향에 대하여 서로 각각 일정한 간격만큼 서로 어긋나 있는 구조를 구비함으로써 연속적으로 레이저를 조사하여 비정질 실리콘을 결정화할 수 있다.FIG. 5 is a diagram illustrating a mask in which a pattern group in which a dot-shaped pattern through which a laser cannot pass is arranged in a rectangular shape is arranged to be shifted by a predetermined distance Δy in the vertical (y) direction. After irradiating a laser beam through the mask and then irradiating the laser beam by a in the x-axis direction, large crystal grains may be continuously formed. That is, in the present invention, as shown in Figure 5, the pattern group that the laser does not transmit is arranged regularly, the pattern group that the laser does not transmit by a predetermined distance from each other with respect to the direction perpendicular to the direction of the stage movement By providing a structure shifted from each other, it is possible to continuously irradiate a laser to crystallize amorphous silicon.
상기 a는 마스크상 조사되는 레이저빔 크기의 1/3이 바람직하다. 또한, 불투명 영역인 도트 형태의 패턴 사이의 간격은 1.5 내지 5 ㎛의 크기를 가지며, 어긋나 있는 간격인 Δy는 0.5 내지 3 ㎛의 크기를 가진다.A is preferably 1/3 of the size of the laser beam irradiated onto the mask. In addition, the interval between the patterns in the form of dots, which are opaque regions, has a size of 1.5 to 5 μm, and the shifted interval Δy has a size of 0.5 to 3 μm.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 결정화 방법으로 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 5개로 하나의 패턴 그룹을 이루며 이러한 패턴 그룹이 사각형 형태로 4개가 배열되어 있는 마스크를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a view illustrating a mask in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 forms one pattern group, and four pattern groups are arranged in a quadrangular form in a crystallization method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 도 5와 같은 도트 형태의 패턴이 사각형으로 배열된 패턴 그룹이 가로(x), 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼, Δx, Δy 만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다. 여기에서 Δx, Δy 는 다결정 실리콘 결정립이 측면 성장할 수 있는 거리보다 작아야 하며 대략 0.5 내지 3 ㎛의 크기를 가진다.FIG. 7 is a diagram illustrating a mask pattern in which a pattern group in which a dot-like pattern as shown in FIG. 5 is arranged in a rectangle is arranged to be shifted by Δx and Δy by a predetermined distance in the horizontal (x) and vertical (y) directions. Here, Δx, Δy should be smaller than the distance that the polycrystalline silicon grains can laterally grow and have a size of about 0.5 to 3 μm.
도 8은 레이저가 투과하지 못하는 도트 형태의 불투명 영역이 삼각형 형태로배열된 그룹이 세로(y) 방향으로 일정한 거리(Δy)만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다. 여기에서 Δy 는 다결정 실리콘 결정립이 측면 성장할 수 있는 거리보다 작아야 하며 대략 0.5 내지 3 ㎛의 크기를 가진다.FIG. 8 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of dot-shaped opaque regions through which a laser cannot transmit is arranged in a triangle shape so as to be shifted by a predetermined distance Δy in the vertical (y) direction. Here Δy should be smaller than the distance that the polycrystalline silicon grains can laterally grow and have a size of approximately 0.5 to 3 μm.
도 9는 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 삼각형 형태로 배열된 패턴의 그룹이 4개가 배열되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a mask pattern in which four groups of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a triangular form are arranged.
도 10은 도 5에 도시된 도트 형태의 패턴이 삼각형 형태로 배열된 패턴의 그룹이 가로(x), 세로(y) 방향으로 일정한 거리만큼, Δx, Δy 만큼 어긋나게 배치되어 있는 마스크 패턴을 나타내는 도면이다. 여기에서 Δx, Δy 는 다결정 실리콘 결정립이 측면 성장할 수 있는 거리보다 작아야 하며 대략 0.5 내지 3 ㎛의 크기를 가진다.FIG. 10 is a diagram illustrating a mask pattern in which a group of patterns in which a dot pattern illustrated in FIG. 5 is arranged in a triangular shape is arranged to be shifted by Δx and Δy by a predetermined distance in the horizontal (x) and vertical (y) directions. to be. Here, Δx, Δy should be smaller than the distance that the polycrystalline silicon grains can laterally grow and have a size of about 0.5 to 3 μm.
이상과 같이, 본 발명에서는 레이저가 투과하지 못하는 불투명 영역인 도트 형태의 패턴이 서로 일정한 도형을 형성하는 마스크 패턴을 사용한다.As described above, in the present invention, a mask pattern in which dot-shaped patterns, which are opaque regions through which the laser cannot penetrate, forms mutually constant figures is used.
도 11은 도 6에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의 결정립을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 프라이머리 결정립계가 평행하지 않으면서 2-3 ㎛ 이상의 크기를 가지는 결정립을 형성할 수 있다.FIG. 11 is a view illustrating crystal grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask illustrated in FIG. 6. According to one embodiment of the present invention, it is possible to form crystal grains having a size of 2-3 μm or more without the primary grain boundaries being parallel.
도 12은 도 8에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의 결정립을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 프라이머리 결정립계가 평행하지 않으면서 2-3 ㎛ 이상의 크기를 가지는 결정립을 형성할 수 있다.FIG. 12 is a view illustrating grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask illustrated in FIG. 8. According to one embodiment of the present invention, it is possible to form crystal grains having a size of 2-3 μm or more without the primary grain boundaries being parallel.
도 13은 도 9에 도시된 마스크를 이용하여 결정화한 다결정 실리콘 박막의 결정립을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 프라이머리 결정립계가 평행하지 않으면서 2-3 ㎛ 이상의 크기를 가지는 결정립을 형성할 수 있다.FIG. 13 is a diagram illustrating crystal grains of a polycrystalline silicon thin film crystallized using the mask illustrated in FIG. 9. According to one embodiment of the present invention, it is possible to form crystal grains having a size of 2-3 μm or more without the primary grain boundaries being parallel.
도 14는 도 11의 결정립 구조를 가지는 다결정 실리콘 박막을 이용하여 제조한 박막 트랜지스터의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 14 is a graph illustrating current-voltage characteristics of a thin film transistor manufactured using a polycrystalline silicon thin film having the grain structure of FIG. 11.
도 15는 도 3과 도 12의 결정립 구조를 가지는 다결정 실리콘 박막을 이용하여 제조한 박막 트랜지스터의 채널방향에 따른 전계이동도 특성을 그래프이다. 도 15를 참조하면, 각도에 대한 전류 이동도의 변화량이 NMOS의 경우 약 7.8 % 미만[(290-270)/270×100]이며, PMOS인 경우 거의 1 % 미만임을 알 수있다.FIG. 15 is a graph illustrating field mobility characteristics according to channel directions of a thin film transistor manufactured using a polycrystalline silicon thin film having the grain structures of FIGS. 3 and 12. Referring to FIG. 15, it can be seen that the amount of change in current mobility with respect to an angle is less than about 7.8% [(290-270) / 270 × 100] in the case of an NMOS, and less than about 1% in the case of a PMOS.
한편, 본 발명은 상기의 방법을 사용하여 제조되는 다결정 실리콘 박막을 사용하는 디스플레이 디바이스를 제공하며, 상기 디스플레이 디바이스는 유기 전계 발광 소자 또는 액정 박막 장치를 포함한다. 또한, 상기 디스플레이 디바이스는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 다결정 실리콘 박막은 프라이머리 결정립계와 상기 다결정 실리콘 박막으로 제조된 트랜지스터의 활성층이 이루는 각도에 대한 전류 이동도의 변화량이 7.8 % 미만이 된다.On the other hand, the present invention provides a display device using a polycrystalline silicon thin film manufactured using the above method, wherein the display device includes an organic electroluminescent element or a liquid crystal thin film device. In addition, the display device of the polycrystalline silicon thin film manufactured by the manufacturing method of the present invention is less than 7.8% of the change in current mobility with respect to the angle between the primary grain boundary and the active layer of the transistor made of the polycrystalline silicon thin film.
이상과 같이 본 발명에서는 라인 형태의 패턴과 도트 형태의 패턴이 혼합된 구조의 마스크를 사용하여 결정화함으로써 다양한 형태의 결정립 구조를 가지는 다결정 실리콘 박막을 제조할 수 있으며, 이러한 마스크 디자인에 의해 다결정 실리콘 박막의 미세 구조를 제어하여 채널 방향의 의존성이 없는 우수한 특성을 가지는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있으며 이를 통하여 패널 상에 회로부의 집적도를 향상시킬 수 있다.As described above, in the present invention, a polycrystalline silicon thin film having various grain structures may be manufactured by crystallizing using a mask having a structure in which a line pattern and a dot pattern are mixed. A polycrystalline silicon thin film may be manufactured by such a mask design. By controlling the microstructure of the thin film transistor having excellent characteristics without the dependence of the channel direction can be manufactured through this can improve the integration degree of the circuit portion on the panel.
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