KR20050073656A - 실리콘 결정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그레인(grain)의 측면성장을 유도하는 실리콘 결정화 방법에 관해 개시한 것으로서, 기판 위에 완충막을 형성하는 단계와, 완충막 위에 하부 비정질 실리콘층 및 상부 비정질 실리콘층을 연속 증착하되 하부 비정질 실리콘층은 상부 비정질 실리콘층에 비해 열전도도를 크게 하여 증착하는 단계와, 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위에 선택적으로 레이저를 조사하여 완전 용융시키는 단계와, 완전 용융된 지역의 양쪽 가장자리로부터 실리콘 그레인이 중심방향으로 측면성장하여 실리콘 그레인의 성장길이가 증가되는 단계를 포함한다.

Description

실리콘 결정화 방법{method for crystallizing silicon}

본 발명은 실리콘 결정화 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 그레인(grain)의 측면성장을 유도하는 실리콘 결정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘은 결정상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다. 이때, 상기 비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막(thin film)을 형성하는 것이 가능하여, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 기판으로 사용하는 액정패널(liquid crystal panel)의 스위칭 소자(switching device)에 많이 사용한다.

그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 액정패널 구동소자의 전기적 특성과 신뢰성 저하 및 표시소자 대면적화에 어려움이 있다.

대면적, 고정세 및 패널 영상구동회로, 일체형 랩탑컴퓨터(laptop computer), 벽걸이 TV용 액정표시소자의 상용화는 우수한 전기적 특성(예를 들면 높은 전계효과 이동도(30㎠/VS)와 고주파 동작특성 및 낮은 누설전류(leakage current))의 화소 구동소자를 요구하며 이는 고품위 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)의 응용을 요구하고 있다.

특히, 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성은 그레인(grain)의 크기에 큰 영향을 받는다. 즉, 그레인의 크기가 증가함에 따라 전계효과 이동도(mobility)도 따라 증가한다.

따라서, 이러한 점을 고려하여 실리콘을 단결정화 하는 방법이 큰 이슈로 떠오르고 있으며, 최근 들어 에너지원을 레이저로 하여 실리콘 결정의 측면성장을 유도함으로써, 거대한 단결정 실리콘을 제조하는 SLS(sequential lateral solidification)(연속적인 측면 고상화라함.)기술이 국제특허 'WO 97/45827'과 한국 공개특허'2001-004129'에 제안되었다.

상기 SLS 기술은 실리콘 그레인이 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 것으로, 펄스 레이저 (pulse laser) 에너지의 크기와 레이저빔(laser beam)의 조사범위의 이동을 적절하게 조절하여 실리콘 그레인을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로서 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 것이다. 이는, 마스크의 형태와 진행방법에 따라 결정화 형태가 달라지게 된다. 상술한 SLS방법에서 그레인 크기는 그레인 성장길이에 의해 결정된다.

그러나, 종래의 기술에서 비정질 실리콘은 동일한 물성을 지니고 있기 때문에 열전도가 비정질 실리콘 내에서 균일하게 일어나게 되고, 이에 따라 수직방향으로의 열전도가 크기 때문에 측면성장 길이도 작게 되는 문제점이 있다.

따라서, 상기 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 비정질 실리콘을 증착 시, 상부 비정질 실리콘에 비해 열전도도가 크도록 하부 비정질 실리콘층을 증착함으로써, 수직보다는 측면으로 열이 방출되어 측면방향으로의 성장을 촉진시켜 그레인 성장길이를 증가시킬 수 있는 실리콘 결정화 방법을 제공하려는 것이다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법은 기판 위에 완충막을 형성하는 단계와, 완충막 위에 하부 비정질 실리콘층 및 상부 비정질 실리콘층을 연속 증착하되 하부 비정질 실리콘층은 상부 비정질 실리콘층에 비해 열전도도를 크게 하여 증착하는 단계와, 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위에 선택적으로 레이저를 조사하여 완전 용융시키는 단계와, 완전 용융된 지역의 양쪽 가장자리로부터 실리콘 그레인이 중심방향으로 측면성장하여 실리콘 그레인의 성장길이가 증가되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부 비정질 실리콘층은 상기 상부 비정질 실리콘층에 비해 두께가 얇게 증착하는 것이 바람직하다.

상기 하부와 상부 비정질 실리콘층은 PECVD, LPCVD 및 스퍼터링 공정 중 어느 하나를 이용하여 증착하는 것이 바람직하다.

상기 기판은 글라스, 플라스틱 및 웨이퍼 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 완충막은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 Au,Cu,Ag,Ti 및 W 중 어느 하나의 금속, 및 그 질화막 또는 산화막을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 비정질 실리콘층 증착 공정 시, 하부 비정질 실리콘층은 상부 비정질 실리콘층에 비해 열전도도가 크게 만듦으로써, 이후의 레이저 조사에 따른 결정화 공정에서 수직방향보다 측면방향으로 열이 많이 빠져 나가게 된다. 이로써 실리콘 그레인의 측면성장을 촉진시키게 되고, 결과적으로는 실리콘 그레인의 성장길이를 증가시킨다.

(실시예)

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 먼저 기판 (1)위에 완충막(3)을 형성한다. 이때, 상기 기판(1)은 글라스(glass), 플라스틱(plastic) 및 웨이퍼(wafer) 중 어느하나를 이용한다. 또한, 상기 완충막(3)은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 Au,Cu,Ag,Ti 및 W 중 어느하나의 금속, 및 그 질화막 또는 산화막을 이용한다. 한편, 상기 완충막(3)으로서 다중막으로 사용할 수도 있다.

이어, 상기 완충막(3) 위에 하부 비정질 실리콘층(5) 및 상부 비정질 실리콘층(7)을 연속 증착한다. 이때, 상기 하부 비정질 실리콘층(5) 및 상부 비정질 실리콘층(7)은 증착 조건을 서로 다르게 하여, 하부 비정질 실리콘층(5)의 열전도도가 상부 비정질 실리콘층(7)에 비해 크도록 만든다. 여기서, 상기 하부와 상부 비정질 실리콘층(5) 증착 공정은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 스퍼터링(sputtering) 공정 중 어느 하나를 이용할 수 있다. PECVD의 경우, 통상적인 공정보다 파워(power)를 낮게 하거나, 전극 간격을 좁게 하거나, 압력을 낮추는 조건으로 진행한다. 또한, 상기 하부 비정질 실리콘층(5)은 상기 상부 비정질 실리콘층(7)에 비해 두께를 얇게 증착한다.

그런다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 상부 비정질 실리콘층 위에 소정패턴이 구비된 마스크(11)를 제공한다. 이후, 상기 마스크(11)를 이용하여 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위에 선택적으로 펄스레이저 조사(13)를 실시함으로서, 레이저가 조사된 지역(a)을 완전 용융시킨다. 이때, 상기 펄스레이저 조사(13) 시, 에너지는 상기 상부 및 하부 비정질 실리콘층을 완전 용융시키는 범위로 가한다.

여기서, 마스크(11)의 형태와 진행방법에 따라 결정화 형태가 달라지게 되는데, 대표적인 공정으로 디렉셔널(directional), 도트(dot), 엔샷(n shot) SLS방법 등이 있다. 이외에도 마스크를 사용하지 않고 간섭(interference)현상을 이용하여 레이저빔을 패터닝하는 방법도 있다.

이어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 레이저조사에 의해 완전 용융된 지역(a)의 양쪽 가장자리로부터 실리콘 그레인(미도시)이 내부 중심방향으로 측면성장(b)한다. 이때, 하부 비정질 실리콘층(5)의 열전도도가 상부 비정질 실리콘층(7)의 것보다 크기 때문에 용융된 지역(a)에서는 수직(vertical)(c)보다는 측면(lateral)(d)으로 열이 많이 빠져 나가게 되며, 이로써 측면성장이 촉진된다.

계속해서, 상기 측면성장은 실리콘 그레인이 충돌하여 융기(protrusion)될때까지 계속하여 진행되고, 도 1d에 도시된 바와 같이, 융기된 후에는 고화하여 폴리실리콘(a1)을 형성한다.

이후, 도면에 도시되지 않았지만, 다음 펄스레이저 조사에서는 먼저 형성된 폴리실리콘을 씨드(seed)로 하여 폴리실리콘을 연속적으로 측면성장시키며, 이때 실리콘 그레인의 크기는 그레인의 성장길이에 의해 결정되며, 상기 실리콘 그레인의 성장길이는 열전도도에 영향을 받는다. 즉, 하부 비정질 실리콘층의 열전도도를 상부 비정질 실리콘층에 비해 더 크게 하면, 수직방향으로의 열전도도에 비해 측면방향으로의 열전도도가 높아지게 되고, 이로써, 측정성장이 더욱 빠르고 길게 자라게 된다. 이러한 과정을 통해, 비정질 실리콘층으로부터 커다란 실리콘 그레인을 갖는 폴리실리콘층을 제조할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 비정질 실리콘층 대신에 Al,Cu,Ti,W,Au,Ag 또는 Ni 등의 금속 및 이들 금속막과 반도체 간의 화합물 중 어느 하나를 적용할 수 있다. 또는, 상기 비정질 실리콘층 대신 비정질의 Ge, SixGey, 폴리실리콘, 폴리-Ge, 폴리 -SixGex , 폴리-GaNx, 폴리-GaxAsy, 3족 및 5족 반도체 또는 그 화합물을 이용할 수도 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 비정질실리콘층 증착하는데 있어서, 하부 비정질 실리콘층과 상부 비정질 실리콘층의 증착조건을 다르게 하여, 상부 비정질 실리콘층보다 하부 비정질 실리콘층의 열전도도를 크게 함으로써, 수직보다는 측면방향으로 열이 많이 빠져 나가게 되고, 이로써 측면방향으로의 성장을 촉진시켜 그레인의 성장길이가 증가된다.

따라서, 본 발명은 기존의 SLS방법보다 더 큰 그레인을 가진 폴리실리콘막을 제조할 수 있으며, 이로써, 폴리실리콘 박막트랜지스터 특성을 향상시킬 수 있고, 고품위 FPD를 제조할 수 있다.

기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법을 설명하기 위한 공정단면도.

Claims (7)

1. 기판 위에 완충막을 형성하는 단계와,

   상기 완충막 위에 하부 비정질실리콘층 및 하부 비정질실리콘층을 연속 증착하되, 상기 하부 비정질 실리콘층은 상기 상부 비정질 실리콘층에 비해 열전도도를 크게 하여 증착하는 단계와,

   상기 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위를 선택적으로 완전 용융시키는 단계와,

   상기 완전 용융된 지역의 양쪽 가장자리로부터 실리콘 그레인이 중심방향으로 측면성장되어 상기 실리콘 그레인의 성장길이가 증가되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하부 비정질 실리콘층은 상기 상부 비정질 실리콘층에 비해 두께가 얇게 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하부와 상부 비정질 실리콘층은 PECVD, LPCVD 및 스퍼터링 공정 중 어느 하나를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 글라스, 플라스틱 및 웨이퍼 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 완충막은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 Au,Cu,Ag,Ti 및 W 중 어느하나의 금속, 및 그 질화막 또는 산화막을 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 완전 용융단계는, 소정형상의 마스크를 이용하여 상기 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위에 레이저를 조사시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 완전 용융단계는, 간섭현상을 이용하여 레이저빔을 패터닝하고 나서, 상기 상부 및 하부 비정질 실리콘층의 소정부위에 상기 패터닝된 레이저빔을 조사시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.