KR20050121548A - 실리콘 결정화 방법과 이를 이용한 박막트랜지스터 기판의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직사각형 형태의 기판소재에 증착되어 있는 아몰퍼스 실리콘 박막을 폴리 실리콘 박막으로 결정화하는 방법에 관한 것으로서, 펄스 반복 주파수가 300 Hz 내지 10kHz 사이이며 띠 형태인 레이저 광을 발생시키는 단계, 이송방향이 상기 레이저광의 길이방향과 10내지 80도를 이루도록 상기 레이저광과 상기 아몰퍼스 실리콘 박막을 단속적으로 상대 이동하면서, 상기 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 조사하여 상기 폴리 실리콘 박막을 상기 기판소재의 판면과 평행한 방향으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 박막트랜지스터의 채널부 특성을 균일하게 할 수 있다.
Description
본 발명은, 실리콘 결정화 방법과 이를 이용한 박막트랜지스터 기판의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 레이저광을 기판소재와 소정의 각도를 이루게 조사하는 실리콘 결정화 방법과 이를 이용한 박막트랜지스터 기판의 제조방법에 관한 것이다.
표시장치 중에서 최근에 평판표시장치(flat display device)가 각광을 받고 있다. 평판표시장치는 액정표시장치(LCD), 플라즈마 표시 패널(PDP), 그리고 유기전계발광 표시장치(OLED)를 포함한다.
액정표시장치, 플라즈마 표시 패널, 그리고 유기전계발광 표시장치는 서로 다른 메커니즘에 의해 영상을 표시하지만, 공통적으로 영상을 표시하기 위해 박막트랜지스터를 갖는다.
박막트랜지스터는 채널부, 게이트, 소스 전극, 데이터 전극 등으로 이루어져 있다. 이 중 채널부는 아몰퍼스 실리콘으로 형성할 수 있다. 그런데 아몰퍼스 실리콘은 낮은 이동도로 인해 전기적 특성과 신뢰성이 낮으며, 표시소자를 대면적화하는데 어려움이 있다.
이에 따라 높은 이동도를 얻을 수 있는 폴리 실리콘이 많이 연구되고 있다. 이러한 폴리 실리콘을 얻는 방법으로는 로 열처리, 급속열처리(RTA), 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 등의 다양한 방법이 가능하다.
이중에서 특히 엑시머 레이저 어닐링 기술의 일종인 SLS(sequential lateral solidification)는 상대적으로 적은 조사 횟수에 의해 양질의 폴리 실리콘을 제조할 수 있다는 장점이 있다. SLS방법은 폴리 실리콘의 그레인이 레이저가 조사된 액상영역과 레이저가 조사되지 않은 고상영역의 경계에서, 그 경계면에 대하여 수직방향으로 성장한다는 사실을 이용한 기술이다.
SLS 방법을 사용하여 제조된 폴리 실리콘 박막은 1 내지 2㎛의 폭을 가지는 띠형상의 그레인(grain) 서로 평행하게 배치되는 구조를 가지고 있다. 각 그레인 간의 경계는 그레인 바운더리(grain boundary)라고 불린다.
그러나 종래의 SLS방법에서는 300Hz이하의 낮은 수준의 펄스 발생 주파수를 가지는 레이저 광을 사용하는 반면, 펄스의 출력은 1J/펄스 수준으로 매우 높다. 이렇게 높은 출력은 레이저 장치에 부담을 주어 레이저를 발생시키는 레이저 발생 튜브의 교체시기가 짧은 문제가 있다.
이 밖에 폴리 실리콘 박막은 박막트랜지스터의 채널부로 사용되는데 채널부에 포함되는 그레인의 개수나 품질에 따라 채널부의 특성이 변화하는 문제도 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 개선된 레이저광을 사용하며 박막트랜지스터 채널부의 특성을 균일하게 할 수 있는 실리콘 결정화 방법과, 상기 실리콘 결정화 방법을 사용한 박막트랜지스터 기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은 직사각형 형태의 기판소재에 증착되어 있는 아몰퍼스 실리콘 박막을 폴리 실리콘 박막으로 결정화하는 방법에 있어서, 펄스 반복 주파수가 300 Hz 내지 10kHz 사이이며 띠 형태인 레이저 광을 발생시키는 단계와, 이송방향이 상기 레이저광의 길이방향과 10내지 80도를 이루도록 상기 레이저광과 상기 아몰퍼스 실리콘 박막을 단속적으로 상대 이동하면서, 상기 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 조사하여 상기 폴리 실리콘 박막을 상기 기판소재의 판면과 평행한 방향으로 성장시키는 단계를 포함하는 것에 의하여 달성될 수 있다.
상기 레이저광의 출력에너지는 50 내지 1000 mJ/펄스인 것이 바람직하다.
상기 띠 형상 레이저광의 폭은 10 내지 30㎛인 것이 바람직하다.
상기 레이저광과 상기 아몰퍼스 실리콘 박막의 1회 상대 이송거리는 1 내지 10㎛인 것이 바람직하다.
또한 다른 분야의 상기 목적은, 박막트랜지스터 기판의 제조방법에 있어서, 기판소재 상에 아몰퍼스 실리콘 박막을 증착하는 단계, 펄스 반복 주파수가 300 Hz 내지 10kHz 사이인 레이저 광을 발생시키는 단계, 상기 레이저광과 상기 아몰펄스 실리콘 박막을 단속적으로 상대 이송하면서, 상기 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 조사하여 상기 폴리 실리콘 박막을 상기 기판소재의 판면과 평행한 방향으로 성장시키는 단계, 상기 폴리 실리콘 박막을 패터닝한 후 채널부를 포함하는 박막트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 폴리 실리콘 박막의 성장방향과 상기 채널부는 10 내지 80도의 각을 이루는 것에 의하여 달성될 수 있다.
상기 기판소재는 직사각형 형태이며, 상기 기판소재의 일변과 상기 폴리 실리콘 박막의 성장 방향은 10 내지 80도의 각을 이루는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본발명을 더욱 상세히 설명하겠다.
도 1은 아몰퍼스 실리콘 박막에 레이저광이 조사되는 것을 나타낸 개략도이고,도 2는 레이저광의 조사에 따라 아몰퍼스 실리콘 박막이 폴리 실리콘 박막으로 결정화되는 것을 나타낸 개략도이다.
레이저광(110)은 아몰퍼스 실리콘 박막(51)에 띠 형상으로 조사된다. 레이저광(110)의 펄스 반복 주파수는 300Hz 내지 10kHz이며, 출력은 50 내지 1000mJ/펄스인 것이 바람직하다. 레이저광(110)의 펄스 반복 주파수가 높기 때문에 출력이 낮아도 실리콘 결정화가 충분히 이루어진다. 띠형상에 있어서 그 폭(W1)은 10 내지 30㎛ 정도이고, 길이(L)는 기판소재의 한변의 길이와 유사하거나 더 크다. 따라서 길이는 경우에 따라 1m이상이 될 수도 있다. 아몰퍼스 실리콘 박막(51)은 기판소재(10)상에 형성되어 있으며, 아몰퍼스 실리콘 박막(51)과 기판소재(10)사이에는 통상 버퍼층(21)이 위치하고 있다.
레이저광(110)의 조사에 의해 아몰펄스 실리콘 박막(51)이 용융된다. 용융된 아몰펄스 실리콘 박막(51)은 액상영역과 고상영역의 양 경계로부터 액상영역의 가운데 부분을 향하여 성장한다. 즉 성장방향은 띠형상 레이저광(110)의 길이방향과 직각을 이룬다. 또한 성장방향은 기판소재(10) 평면방향의 직각방향이 아닌, 평행한 방향으로 성장한다.
이렇게 한 영역(S)의 아몰퍼스 실리콘 박막(51)이 폴리 실리콘 박막(30)으로 결정화 되면, 도 2와 같이 레이저광(110)의 조사영역을 아몰퍼스 실리콘 박막(51), 즉 기판소재(10)에 대하여 상대 이동하여 인접한 다른 영역(S')을 결정화 시킨다. 여기서 한 영역(S)과 이어지는 인접한 다른 영역(S')은 일부가 서로 겹쳐져 있으며, 상기 상대적 이동은 단속적으로 이루어진다.
즉 제1영역에 대하여 결정화 후 제2영역으로 옮기고, 제2영역을 결정한 후 제3영역으로 옮기는 것을 반복한다. 이 같은 반복은 아몰퍼스 실리콘 박막(51)이 모두 폴리 실리콘 박막(30)으로 결정될 때까지 반복한다.
조사영역간의 거리, 즉 레이저광(110)과 아몰퍼스 실리콘 박막(51)간의 1회 이동거리(W2)는 1 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 이동거리(W2)가 1㎛보다 작으면 결정화 효율이 낮으며, 이동거리(W2)가 10㎛보다 크면 조사영역의 중간지점에서 결정핵이 발생할 수 있다.
이 때 레이저광(110)과 기판소재(10)의 상대적인 이송방향(d2)과 레이저광(110)의 길이방향에 수직하는 방향(d1)은 소정의 각도(θ)를 이룬다. 여기서 레이저광(110)과 기판소재(10)의 상대적인 이송방향(d2)은 기판소재(10)의 어느 일변과, 바람직하게는 상대적으로 긴 변과 평행한 방향을 나타내며, 레이저광(110)의 길이방향에 수직하는 방향(d1)은 결국 그레인(35)의 전체적인 성장방향 내지 연장방향을 나타낸다. 상기 소정의 각도(θ )는 10 내지 80도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 상기 소정의 각도(θ )가 10도보다 작거나 80도보다 크면 채널부의 특성이 심하게 저하되거나 개선의 효과가 미미할 수 있다.
이러한 실리콘 결정화에 의해 형성된 폴리 실리콘 박막(30)은 각 그레인(35)의 성장방향이 기판소재(10)에 대하여 10 내지 80도 기울어져 있다. 그레인(35)사이의 경계를 나타내는 그레인 바운더리(36) 역시 기판소재(10)에 대하여 10 내지 80도 기울어지게 형성된다. 각 그레인의 폭(W3)은 통상 1 내지 2㎛의 범위이다.
도 3는 본발명의 실시예에 따른 레이저 장치의 개념도이다.
레이저 장치는 크게 광원(200), 감쇠기(301), 집속기(303), 광 형상 조절장치(305)로 이루어진다.
광원(200)은 가공되지 않은 원시 레이저광(110a)을 발생한다. 광원(200)에는 레이저 발생 튜브(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 레이저 발생 튜브(202)는 각각 상부전극과 하부전극을 포함하며, 이들 사이에 Ze, Cl, He, Ne 가스 등이 충진되어 있는 구조이다.
광원(200)은 300Hz 내지 10KHz범위의 펄스 반복 주파수를 가지는 원시 레이저광(110a)을 발생시킨다. 원시레이저광(110a)의 펄스 에너지는 50 내지 1000mJ/펄스인 것이 바람직하다. 펄스 에너지가 1000mJ/펄스보다 크게 되면 레이저 발생 튜브에 무리가 되어 교체시기가 빨라지며, 반대로 펄스에너지가 50mJ/펄스보다 작으면 아몰퍼스 실리콘 박막(51)의 용융이 용이하지 않다. 그러나 펄스 반복 주파수가 더 높아진다면 펄스에너지는 50mJ보다 낮아져도 무방하다.
감쇠기(301)는 광원(200)과 인접한 곳에 배치되며, 감쇠기(301)로는 광원(200)으로부터의 원시 레이저광(110a)이 입력된다. 감쇠기(301)는 원시 레이저광(110a)의 출력에너지의 레벨을 정밀하게 조절한다.
집속기(303)는 감쇠기(301)와 인접한 곳에 배치되며, 감쇠기(301)를 통과하면서 출력에너지 레벨이 조절된 레이저광(110b)을 집속한다. 집속기(303)는 한 개 또는 복수개의 포커스 렌즈를 포함한다.
광 형상 조절 장치(305)는 집속기(303)와 인접한 곳에 배치되며, 집속기(303)를 통과한 레이저광(110c)의 형상을 변경시킨다. 통상 광원(200)으로부터 발생한 원시 레이저광(110a), 감쇠기(301)를 통과한 레이저광(110b) 및 집속기(303)를 통과한 레이저광(110c)은 모두 횡단면이 원형 형상을 갖는다.
광형상 조절 장치(305)는 집속기(303)를 통과한 레이저광(110c)을 오목렌즈 또는 볼록 렌즈를 이용하여 타원 형상 또는 띠 형상으로 변경시킨다. 본 실시예에서, 광 형상 조절 장치(305)는 종단면이 원형 형상인 레이저광(110c)을 폭보다 길이가 긴 띠 형상으로 변경시킨다. 따라서, 광형상 조절 장치(305)를 통과한 레이저광(110)은 아몰퍼스 실리콘 박막(51)에 띠 형상으로 조사된다.
이와 다르게, 광 형상 조절 장치(305)는 레이저광(110c)의 형상을 조절하기 위한 마스크(305a)를 사용하여도 무방하다.
반사미러(302, 304)는 레이저광(110a, 110c)을 원하는 방향으로 반사시키는 역할을 한다.
광 형상 조절 장치(305)를 거친 띠 형상의 레이저광(110)은 그레인(35)의 성장방향이 기판과 소정의 각도를 이루도록 조사된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 기판의 제조과정을 나타낸 단면도이다.
도 4a는 기판 소재(10)상부에 버퍼층(21)과 폴리실리콘 박막(30)이 형성되어 있는 것을 나타낸다. 폴리실리콘 박막(30)은 채널부 형성을 위하여 패터닝되어 있다. 버퍼층(21)은 주로 산화실리콘으로 이루어져 있으며 공정 중에 발생되는 불순물이 폴리실리콘 박막(30)으로 침투하는 것을 방지한다.
폴리실리콘 박막(30)은 버퍼층(21)의 상부에 증착되어 있던 아몰퍼스 실리콘 박막(51)을 레이저광(110)을 이용하여 결정화한 뒤 패터닝한 것이다.
결정화공정을 자세히 보면 다음과 같다. 300Hz 내지 10KHz의 펄스 반복 주파수를 가지며 띠 형상을 가지고 있는 레이저광(110)을 아몰퍼스 실리콘 박막(51)에 조사하여 초기 폴리실리콘 박막(30)을 생성한다.
이 때 그레인(35)의 성장방향이 기판소재(10)와 10 내지 80도를 이루도록 레이저광(110)의 조사를 조절한다. 이는 바람직하게는 레이저광(110)을 기판소재(10)에 기울여서 조사함으로써 달성할 수 있다. 초기 폴리실리콘 박막(30)이 형성되면 레이저광(110)과 아몰퍼스 실리콘 박막(51)을 단속적으로 상대 이동하여 폴리실리콘 박막(30)을 성장시킨다. 폴리실리콘 박막(30)은 기판소재(10)와 평행한 평면방향으로 성장한다.
도 4b는 폴리실리콘 박막(30)과 폴리실리콘 박막(30)으로 덮이지 않은 버퍼층(21)상에 게이트 절연막(41)을 형성하고, 또한 게이트 절연막(41)의 상부에 게이트(42)를 형성한 것을 나타낸다. 여기서 폴리실리콘 박막(30)은 불순물이 주입된 영역(31, 32)과 불순물이 주입되지 않은 영역(33)으로 나누어 진다.
불순물의 주입을 설명하면 다음과 같다. 게이트(42)를 형성한 뒤 게이트(42)를 마스크로 하여 폴리실리콘 박막(30)에 불순물을 주입한다. 박막트랜지스터가 nTFT이면 주로 5족 원소인 인을 주입하며, 박막트랜지스터가 pTFT이면 주로 3족원소인 보론을 주입한다. 상부에 위치한 게이트(42)로 인하여 불순물이 주입되지 않은 폴리실리콘 박막(33)이 채널부가 된다.
도시하지는 않았지만 불순물이 주입된 영역(31, 32)과 불순물이 주입된 영역(33)의 경계부에는 박막트랜지스터의 오프 전류특성을 향상시키기 위한 LDD(lightly doped drain)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 4c에서는 층간절연막(43), 소스 전극(44), 그리고 드레인 전극(45)이 더 형성되어 있다.
제조과정을 보면 게이트(42)의 상부와 게이트(42)가 가리지 않은 게이트 절연막(41)의 상부에 층간절연막(43)을 증착한다. 그 다음 소스 전극(44)과 드레인 전극(45)을 위한 콘택홀을 형성하고, 데이터 금속층을 증착한다. 데이터 금속층은 패터닝되어 소스 전극(44)과 드레인 전극(45)을 형성한다. 소스 전극(44)와 드레인 전극(45)은 각각 불순물이 주입된 폴리실리콘 박막(31, 33)과 접촉하게 된다.
이 후 도시하지는 않았지만 보호막을 증착하고 화소전극을 드레인 전극(45)과 연결하면 박막트랜지스터 기판이 마련된다.
도 5a 내지 도 5c는 박막트랜지스터의 채널부를 이루는 폴리 실리콘 박막의 성장방향을 나타낸 개략도이다.
폴리실리콘 박막(30) 중에서 게이트(42)와 겹쳐진 부분이 채널부(33)가 된다. 채널부(33)의 폭(W4)은 통상 4㎛정도이다. 채널부(33)는 앞서 설명한 바와 같이 불순물이 도핑되어 있지 않다. 불순물이 도입된 폴리 실리콘 영역(31, 32)은 각각 콘택홀(51, 52)을 통해 소스 전극(44) 및 드레인 전극(45)과 연결되어 있다.
도 5a의 제1실시예에서 채널부(33)의 길이방향(d3)과 폴리실리콘 박막(30)의 그레인(35)의 성장방향(d4)사이의 각도(θ1)는 약 30도이다. 이러한 각도는 그레인(35)의 성장방향과 기판소재(10)간의 각도가 30도를 이루고, 채널부(33)는 기판소재(30)와 평행하게 마련되어 이루어진다.
도 5b의 제2실시예에서 채널부(33)의 길이방향(d3)과 폴리실리콘 박막(30)의 그레인(35)의 성장방향(d5)사이의 각도(θ2)는 약 60도이다.
채널부(33)에 위치하는 그레인(35)이 소정의 각도를 이루고 있기 때문에 도 5c와 같이 채널부(33)의 길이방향과 폴리실리콘 박막(30)의 그레인(35)의 성장방향이 평행을 이루고 있는 경우에 비하여 채널부(33)에 속하는 그레인(35)의 개수가 많아진다. 이에 의해 그레인(35)의 폭(W1)이 각 그레인(35)별로 상이하거나, 또는 각 그레인(35)의 특성이 상이한 경우 채널부(33)의 특성에 편차가 생기는 것을 감소시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 개선된 레이저광을 사용하며 채널부에 포함되는 그레인의 개수를 증가시켜 박막트랜지스터 채널부의 특성을 균일하게 할 수 있는 실리콘 결정화 방법이 제공된다. 또한 이 방법을 이용하여 박막트랜지스터의 채널 특성이 균일한 박막트랜지스터 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 아몰퍼스 실리콘 박막에 레이저광이 조사되는 것을 나타낸 개략도이고,
도 2는 레이저광의 조사에 따라 아몰퍼스 실리콘 박막이 폴리 실리콘 박막으로 결정화되는 것을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본발명의 실시예에 따른 레이저 장치의 개념도이고,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 기판의 제조과정을 나타낸 단면도이며,
도 5a 내지 도 5c는 박막트랜지스터의 채널부를 이루는 폴리 실리콘 박막의 성장방향을 나타낸 개략도이다.
* 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 *
30 : 폴리 실리콘 박막 51 : 아몰퍼스 실리콘 박막
110 : 레이저광
Claims (6)
- 직사각형 형태의 기판소재에 증착되어 있는 아몰퍼스 실리콘 박막을 폴리 실리콘 박막으로 결정화하는 방법에 있어서,펄스 반복 주파수가 300 Hz 내지 10kHz 사이이며 띠 형태인 레이저 광을 발생시키는 단계,이송방향이 상기 레이저광의 길이방향과 10내지 80도를 이루도록 상기 레이저광과 상기 아몰퍼스 실리콘 박막을 단속적으로 상대 이동하면서, 상기 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 조사하여 상기 폴리 실리콘 박막을 상기 기판소재의 판면과 평행한 방향으로 성장시키는 단계를 포함하는 실리콘 결정화 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저광의 출력에너지는 50 내지 1000 mJ/펄스인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 띠 형상 레이저광의 폭은 10 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저광과 상기 아몰퍼스 실리콘 박막의 1회 상대 이송거리는 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정화 방법.
- 박막트랜지스터 기판의 제조방법에 있어서,기판소재 상에 아몰퍼스 실리콘 박막을 증착하는 단계,펄스 반복 주파수가 300 Hz 내지 10kHz 사이인 레이저 광을 발생시키는 단계,상기 레이저광과 상기 아몰펄스 실리콘 박막을 단속적으로 상대 이동하면서, 상기 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 조사하여 상기 폴리 실리콘 박막을 상기 기판소재의 판면과 평행한 방향으로 성장시키는 단계,상기 폴리 실리콘 박막을 패터닝한 후 채널부를 포함하는 박막트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하며,상기 폴리 실리콘 박막의 성장방향과 상기 채널부는 10 내지 80도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 기판의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 기판소재는 직사각형 형태이며,상기 기판소재의 일변과 상기 폴리 실리콘 박막의 성장 방향은 10 내지 80도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 기판의 제조방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101107166B1 (ko) * | 2010-03-12 | 2012-01-25 | 삼성모바일디스플레이주식회사 | 비정질 실리콘막의 결정화 방법 |
| KR20160005273A (ko) * | 2014-07-04 | 2016-01-14 | 삼성디스플레이 주식회사 | 박막트랜지스터 기판 제조방법, 디스플레이 장치 제조방법, 박막트랜지스터 기판 및 디스플레이 장치 |
-
2004
- 2004-06-22 KR KR1020040046712A patent/KR20050121548A/ko not_active Application Discontinuation
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| US8367564B2 (en) | 2010-03-12 | 2013-02-05 | Samsung Display Co., Ltd. | Crystallization method of amorphous silicon layer |
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| KR20160005273A (ko) * | 2014-07-04 | 2016-01-14 | 삼성디스플레이 주식회사 | 박막트랜지스터 기판 제조방법, 디스플레이 장치 제조방법, 박막트랜지스터 기판 및 디스플레이 장치 |
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