KR20070071082A - 레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법 - Google Patents

레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 비정질 실리콘막을 형성한 후 동일한 프로세스 챔버에서 제어된 고온의 N2(Hot N2)를 이용하여 가스 탱크에서 셋팅(setting)된 N2 유량으로 분출(blowing)과 동시에 레이저 빔(laser beam)을 조사하면서 탈수소화 및 결정화 공정을 동시에 진행하여 폴리실리콘막을 형성하는 레이저 결정화 장비 및 구동방법을 제공하고, 상기 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다.
상기 탈수소화 및 결정화가 동시에 가능한 결정화 장비를 통해 폴리실리콘막의 결정화 특성 향상, 공정단순화, 공정시간 단축 및 장비 투자 비용을 절감할 수 있다.
레이저 결정화 장비, 폴리실리콘, 결정화, 탈수소화

Description

레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법{Laser crystallization apparatus and method for driving the same and fabrication method of poly-silicon, TFT and LCD using it}
도 1a 내지 도 1d는 종래의 ELA 기술에 의한 폴리실리콘 결정화 방법을 설명하기 위한 공정단면도.
도 2는 종래의 ELA 기술에 의한 폴리실리콘 결정화 방법을 위한 레이저 결정화 장비를 나타낸 개략도.
도 3은 도 2의 레이저 결정화 장비를 이용하여 결정화된 폴리실리콘막의 표면 거칠기를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 탈수소화 및 결정화가 동시에 가능한 레이저 결정화 장비를 나타낸 개략도.
도 5는 도 4의 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법을 나타낸 순서도.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법을 도시한 공정단면도.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 액정표시 장치의 제조 방법을 나타낸 공정단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
100 : 프로세스 챔버 110 : 가스 탱크
112 : 가스방출부 114 : 씰링 윈도우
116 : 제1 온도측정기 118 : 가스 농도 측정기
120 : 제1 가스공급부 125 : 제1 가스공급관
130 : 온도제어시스템부 140 : 레이저 장치
145 : 레이저 빔 150 : 보조 가스 탱크
155 : 제2 온도측정기 157 : 게이트 밸브
160 : 제2 가스공급부 165 : 제2 가스공급관
170 : 유틸리티 탱크 175 : 제1 보조차단막
180 : X-Y 스테이지 190, 300, 700 : 기판
195 : 제2 보조차단막 305, 705 : 버퍼층
310, 710 : 비정질 실리콘막 310' : 폴리실리콘막
710' : 폴리실리콘막, 액티브층 720 : 게이트 절연막
730 : 게이트 전극 740 : 층간절연막
750 : 소스 전극 760 : 드레인 전극
780 : 화소 전극
본 발명은 레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 비정질 실리콘 막을 형성한 후 동일한 프로세스 챔버에서 탈수소화 및 결정화 공정을 동시에 진행하여 폴리실리콘막을 형성하는 레이저 결정화 장비 및 구동방법을 제공하고, 상기 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판표시장치(Flat Panel Display)의 필요성이 대두되었는데, 그 중 색 재현성 등이 우수한 액정표시장치(Liquid Crystal Display;LCD)가 활발하게 개발되고 있다.
일반적으로 액정표시장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 서로 대향하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정층을 형성한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직임으로써 액정 분자의 움직임에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
액정표시장치의 하부 기판은 스위칭 소자(switching device)인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor;TFT)를 포함하는데, 상기 TFT의 채널(Channel)로 사용되는 액티브층은 비정질 실리콘(amorphous silicon;a-Si:H)이 주류를 이루고 있다.
상기 비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막(thin film)을 형성하는 것이 가능하며, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 사용하는 액정패널의 스위칭 소자에 많이 사용된다.
그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 소규모 TFT LCD의 제작에는 유리하지만, 이동도가 낮다는 단점 때문에 대화면 TFT LCD의 제조에는 적용하기 곤란하다.
그래서, 최근에는 이동도가 우수한 폴리실리콘막(Si:H)을 액티브층으로 이용하는 폴리실리콘 TFT의 연구가 활발하며, 이러한 폴리실리콘 TFT는 대화면 TFT LCD의 제작에 용이하게 적용시킬 수 있음은 물론, TFT 어레이 기판에 구동 드라이브 IC를 함께 직접시킬 수 있기 때문에 직접도 및 가격 경쟁력이 우수한 장점이 있다.
상기 TFT에 사용되는 액티브층을 폴리실리콘 박막으로 형성하기 위해서는 순수 비정질 실리콘(Intrinsic amorphous silicon)을 소정의 방법 즉, 절연 기판에 플라즈마화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition;PECVD)이나 저압화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition;LPCVD) 방법으로 비정질 실리콘 막을 증착한 후, 이를 다시 결정화하는 방법을 사용했다.
상기 결정화는 고출력 펄스 레이저인 엑시머 레이저를 순간적으로 조사하여 열을 가함으로써 비정질 실리콘을 결정화하는 엑시머 레이저 어닐링법(ELA법;Excimer Laser Annealing), 반응로(furnace) 속에서 노(爐) 가열법을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 고상결정화법(SPC법;Solid Phase Crystallization), 완전 멜팅 영역대의 에너지를 사용하는 순차적 측면 고상화법(SLS;Sequential Lateral Solidification) 또는 비정질 실리콘막 상에 금속을 선택적으로 증착한 후 전기장을 인가하여 금속을 씨드(seed)로 하여 결정화가 일어나도록 유도하는 금속 유도결정화법(MIC;Metal Induced Crystallization) 등 중에서 어느 하나를 선택할 수 있다.
이 중, 상기 ELA법은 300~800Å 정도의 두꺼운 두께의 실리콘막을 용융시키기 위해 단파장(λ=0.3㎛)의 강한 에너지를 펄스 형태로 투과시키기 때문에 빠른 속도의 결정화가 가능하고, 결정성이 뛰어나 소자의 이동도가 향상됨으로써 소자의 동작특성이 좋다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 ELA 기술에 의한 폴리실리콘 결정화 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
폴리실리콘 결정화 방법은, 우선 도 1a에서와 같이 유리 기판(10) 전면에 PECVD 또는 LPCVD 방법을 수행하여 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하여 버퍼층(buffer layer)(12)을 형성하고, 상기 버퍼층(12) 상에 PECVD, LPCVD 또는 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 비정질 실리콘을 증착하여 비정질 실리콘막(14)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 비정질 실리콘막(14)을 반응로(furnance)나 RTA(Rapid Thermal Anneal), 오븐(oven) 등을 이용하여 열처리하여 탈수소화 과정을 거친다.
종래의 비정질 실리콘막은 화학기상증착법(CVD)을 사용하여 증착하므로 박막 내에 수소를 많이 함유한다.
상기 수소(H2)는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정 질 실리콘막을 레이저를 이용한 결정화시 비정질 실리콘막에 포함된 수소 기체의 급격한 부피 팽창에 의해 결정화막의 박리가 일어나기 때문에 탈수소화 공정을 거치는 것이 필요하다.
도 1c를 참조하면, 상기 비정질 실리콘막(14)에 엑시머 레이저를 조사하여 순간적인 에너지를 가함으로써 비정질 실리콘막(14)을 용융시킨다. 이때, 비정질 실리콘막(14) 저부에 용융되지 않은 성장씨드층(16)이 존재하게 된다.
도 1d를 참조하면, 이후, 용융된 비정질 실리콘막(14)을 응고시켜 결정을 설장시킴으로써 폴리실리콘막(14')으로 전환시킨다. 결정성장은 성장씨드층(16)을 중심으로 일어나며, 레이저에 의한 에너지에 의해 성장씨드층(16)이 확산하여 일정방향으로 이동하면서 결정화가 진행된다.
도 2는 종래의 ELA 기술에 의한 폴리실리콘 결정화 방법을 위한 레이저 결정화 장비를 나타낸 개략도이고, 도 3은 도 2의 레이저 결정화 장비를 이용하여 결정화된 폴리실리콘막의 표면 거칠기를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래의 폴리실리콘 결정화 방법을 위한 제조 장치는, 프로세스 챔버(20)와, 상기 프로세스 챔버(20) 하부에 비정질 실리콘막이 증착된 기판(21)이 배치되는 X-Y 스테이지(23)와, 상기 프로세스 챔버(20) 상부에 레이저 빔을 투과시키기 위한 어닐 윈도우(Anneal Window)(25)와, 상기 프로세스 챔버(20) 외부의 상부에 레이저 빔(27)을 조사하기 위한 레이저 장치(29)가 형성되어 있다.
종래의 레이저 결정화 장비는 프로세스 챔버(20) 내부의 산소(O2)에 의한 표 면 거칠기 증가를 방지하기 위하여 진공 분위기로 상기 프로세스 챔버(20)을 배기한 후 어닐 윈도우(25)를 통해 레이저 장치(29)에서 레이저 빔(27)을 조사하여 비정질 실리콘을 용융시켜 결정화가 진행되며, 상기 X-Y 스테이지(23)를 X, Y 방향으로 이동시키면서 상기 공정을 반복하여 기판(21) 전체에 대하여 결정화를 진행하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 결정화 장비를 이용하여 폴리실리콘을 결정화하면 기판(30) 상에 절연막으로 이루어지는 버퍼층(32)이 형성되고, 상기 버퍼층(32) 상에 돌출부(36)를 갖는 폴리실리콘막(34)이 형성된다.
상기 돌출부(36)는 비정질 실리콘막에 포함되어 있던 수소가 레이저를 이용한 결정화 공정 진행시 Si:H의 약한 결합으로 인해 프로세스 챔버 내부에 존재하는 산소(O2)와의 폭발적 반응에 의해 형성되며, 이로 인해 폴리실리콘막(34)의 표면 거칠기가 나빠진다.
그러나, 도 2에서와 같이 진공 분위기에서 결정화를 진행함에 따라 종래의 N2 또는 대기에 비해 충분히 작은 폴리실리콘막(34)의 표면 거칠기를 획득할 수 있다.
상기한 바와 같이, 종래에는 비정질 실리콘막의 결정화 공정 진행 전에 박막의 박리를 방지하게 위해 반드시 탈수소 공정을 거쳐야 하는데, 탈수소화 공정과 결정화 공정을 다른 장비에서 진행하므로 공정 시간이 오래 걸린다.
또한, 폴리실리콘막의 표면 거칠기를 충분히 작게 하기 위해 진공 분위기에 서 결정화를 진행하는데, 진공 분위기 결정화는 용융된 실리콘에 의한 어닐 윈도우 오염을 유발하여 투과율을 떨어뜨리고, 장비 유지 관리에 어려움이 발생한다.
이로 인해 통상의 경우 진공 후 N2 분위기로 전환하여 N2 분위기 결정화를 진행하고 있다. 이 경우 진공 챔버 등의 사용으로 장비가 복잡해지고 크게 되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 탈수소 공정 및 박막트랜지스터 제조 시 폴리실리콘막에 불순물 주입 후 불순물 주입에 의한 실리콘(Si)의 손상방지 및 도펀트(dopant)의 활성화를 위한 활성화 공정 진행 시 별도의 열처리 장비를 필요로 하므로 초기 장비 투자 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명은 비정질 실리콘 막을 형성한 후 동일한 챔버에서 탈수소화 및 결정화 공정을 동시에 진행하여 폴리실리콘막을 형성하는 레이저 결정화 장비 및 구동방법, 그를 이용한 폴리실리콘막, 박막트랜지스터 및 액정표시장치의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비는, 기판 상에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 장치, 프로세스 챔버 내부에 형성되며 가스방출부를 구비한 가스 탱크, 상기 가스 탱크에 가스를 주입하는 가스공급부, 및 상기 가스의 온도를 제어하는 온도제어시스템부를 포함하여 박막의 탈수소화와 결정화가 동시에 수행되는 프로세스 챔버를 구비한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비의 구동방법은, 프로세스 챔버를 열고 X-Y 스테이지 상에 비정질 실리콘막이 형성된 기판을 위치시키는 단계, 온도제어시스템부에 의해 제어된 N2를 가스공급부로부터 가스주입관을 통해 가스 탱크로 공급하는 단계, 상기 가스 탱크에서 셋팅된 N2를 가스방출부를 통해 상기 기판으로 분출하고, 레이저 장치에서 발생한 레이저 빔을 씰링 윈도우를 거쳐 가스방출부를 통해 상기 기판에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 폴리실리콘막의 제조방법은, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계, 및 상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 탈수소화 및 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 박막트랜지스터의 제조방법은, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 탈수소화 및 결정화하는 단계, 상기 결정화된 폴리실리콘막을 마스크를 이용하여 패터닝하여 액티브층을 형성하는 단계, 상기 액티브층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 증착하는 단계, 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 패터닝하여 형성하는 단계, 상기 액티브층에 상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 형성하는 단계, 및 상기 기판을 열처리를 통해 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정표시장치의 제조 방법은, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 탈수소화 및 결정화하는 단계, 상기 결정화된 폴리실리콘막을 마스크를 이용하여 패터닝하여 액티브층을 형성하는 단계, 상기 액티브층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 증착하는 단계, 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 패터닝하여 형성하는 단계, 상기 액티브층에 상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 형성하는 단계, 상기 기판을 열처리를 통해 활성화하는 단계, 상기 게이트 전극 상에 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 표면 일부를 노출시키는 콘택홀을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계, 상기 층간절연막 상에 콘택홀을 통해 상기 소스 영역에 드레인 영역과 전기적으로 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 상기 드레인 전극의 표면 일부를 노출시키는 비아홀을 포함하는 보호층을 형성하는 단계, 및 상기 보호층 상에 비아홀을 통해 상기 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 탈수소화 및 결정화가 동시에 가능한 레이저 결정화 장비를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비는 크게 기판(190) 상에 레이저 빔(145)을 조사하기 위한 레이저 장치(140), 프로세스 챔버(100) 내부에 형성되며 가스방출부(112)를 구비한 가스 탱크(110)와, 상기 가스 탱크(110)에 소정 온도 이상의 고온 가스를 주입하는 제1 가스공급부(120) 및 상기 가스의 온도를 제어하는 온도제어시스템부(130)을 포함하여 형성된다.
상기 가스 탱크(110)에 공급되는 가스는 N2이며, 상기 N2 가스의 온도는 약 400 ~ 700℃로서 상기 온도제어시스템부(130)에 의해 제어된다.
탈수소화 공정은 400℃ 이상에서 진행되므로 본 발명에서는 온도의 제어가 중요하며, 따라서 상기 가스 탱크(110)의 일측에는 N2의 온도를 측정하기 위한 제1 온도측정기(116)가 구비된다.
또한, 상기 가스 탱크(110)의 일측에는 제2 온도측정기(155)를 갖는 보조 가스 탱크(150)가 형성되며, 상기 보조 가스 탱크(150)는 온도 균일도(uniformity) 및 상기 기판(190) 상에 균일하게 N2 유량을 공급하기 위한 장치이다.
상기 보조 가스 탱크(150)는 400℃ 이상인 고온의 제1 가스공급부(120)에 연결된 제1 가스공급관(125)과 400℃ 미만인 저온의 제2 가스공급부(160)에 연결된 제2 가스공급관(165)을 통해 가스가 공급된다. 여기서, 상기 제1 가스공급부(120)와 제2 가스공급부(160)는 유틸리티 탱크(170)에 연결된다.
즉, 상기 보조 가스 탱크(150)는 제2 온도측정기(155)를 통해 측정된 온도로부터 고온의 N2의 공급 온도와 저온 N2를 이용하여 원하는 온도 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비는 진공 분위기에서 공정이 진행되지 않으므로 상기 가스 탱크(110)의 일측에 표면 폴리실리콘 박막의 표면 거칠기에 영향을 미치는 프로세스 챔버(100) 내부의 산소(O2)의 농도를 모니터링 하기 위한 가스 농도 측정부(118)가 구비된다.
다음으로, 상기 가스 탱크(110) 상부에는 레이저 장치(140)로부터 조사된 레이저 빔(145)이 투과되는 씰링 윈도우(114)가 형성되고, 하부에는 상기 레이저 빔(145)과 함께 상기 가스 탱크(110)의 고온의 N2가 분출(blowing)되는 가스방출부(112)가 형성된다. 상기 레이저 장치(140)는 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 장비이며, 레이저 조사부, 광학계, 마스크를 포함한다.
상기 가스 탱크(110)와 상기 보조 가스 탱크(150) 사이에는 필요시 온/오프(On/Off) 제어가 가능한 게이트 밸브(157)가 구비된다.
상기 가스 탱크(110) 하부에는 X-Y 스테이지(180) 위에 기판(190)이 위치하며, 상기 기판(190)의 양측면에는 일정 간격 이격되어 제2 보조차단막(195)이 형성되어 스테이지(180)가 이동하면서 N2 조사 시 상기 기판(190)으로 산소의 이동을 차단하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 결정화 진행 시 보조 가스 탱크(150)와 가스 탱크(110) 사이에 게이트 밸브(157)를 오픈하면 상기 가스 탱크(110)에 고온으로 제어된 N2가 균일하게 공급되고, 따라서 가스방출부(112)를 통해 상기 기판(190) 상에 N2가 분출되 면서 상기 기판(190)을 가열시킨다.
상기 기판(190)과 상기 가스 탱크(110)의 바닥면 사이의 거리(d)는 10mm 이하로 형성되며, 따라서 레이저 빔이 조사되는 부분의 02가 분출되는 N2에 밀려 O2 잔량이 제거되면서 결정화가 진행된다.
더욱이, 상기 가스 탱크(110)에는 하부면과 나란하게 제1 보조차단막(175)이 더 형성되어 상기 기판(190)으로 고온의 N2를 분출할 경우, 고온의 N2가 상기 기판(190)에 골고루 퍼질 수 있도록 돕는 역할을 하며, 상기 기판(190) 상에 존재하는 산소를 상기 기판(190) 외부로 밀어내는 역할을 돕는다. 따라서, 폴리실리콘막의 거칠기를 진공분위기 수준으로 제어가 가능하다.
또한, 상기한 바와 같이 기판(190)과 가스 탱크(110)의 바닥면 사이의 거리(d)가 충분히 작으므로 결정화가 진행되기 전에 상기 기판(190)이 가열될 수 있으므로 탈수소 과정이 먼저 일어나므로 레이저가 조사되는 부분은 충분히 탈수소가 선행될 수 있다.
뿐만 아니라, N2 분출과 레이저 조사는 안정화 시간을 설정하여 상기 기판(190)이 먼저 가열된 후 레이저 조사가 시작될 수 있도록 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 고온으로 N2 가스의 온도를 제어한 후 상기 가스 탱크(110)에서 셋팅된 N2 유량으로 상기 가스방출부(115)를 통해 N2 가스를 분출하여 고온의 N2 가스에 의해 상기 기판(190) 이 가열됨으로써 온도 제어 시간을 매우 빠르게 제어할 수 있고, 동시에 레이저를 조사함으로써 탈수소화 및 결정화를 동시에 진행할 수 있다.
따라서, N2 분출에 의해 결정화 진행시 기판(190) 상에 존재하는 산소가 제거되어 폴리실리콘 표면 거칠기를 진공분위기 수준으로 제어하므로 결정화 특성이 향상되고, 공정을 단순화할 수 있고, 공정 소요 시간을 단축할 수 있다.
또한, 탈수소화 공정을 위한 별도의 열처리 장비가 필요 없으므로 초기 투자 비용을 절감할 수 있다.
언급한 레이저 결정화 장비의 모든 장치의 작동은 콘트롤러(미도시)가 조절하고 있으며, UV 미러가 레이저 빔의 경로를 조절한다.
상술한 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비의 작동을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
프로세스 챔버(100)를 열고 X-Y 스테이지에 기판(190)을 위치시키고, 온도제어시스템(130)에 의해 제어된 N2를 제1 가스공급부(120)로부터 제1 가스공급관(125)을 통해 보조 가스 탱크(150)의 게이트 밸브(157)를 열어 가스 탱크(110)로 공급하고, 상기 가스 탱크(110)에서 셋팅된 가스를 가스방출부(112)를 통해 상기 기판(190)으로 분출한다. 이때, 상기 고온의 N2를 이용하여 상기 기판(190)을 가열하여 탈수소 공정이 선행될 수 있고, 이 후 레이저 장치(140)에서 발생한 레이저 빔(145)을 씰링 윈도우(114)를 거쳐 가스방출부(112)를 통해 상기 기판(190)에 조사하여 결정화를 진행한다. 이때, 레이저가 소정의 반복률로 비정질 실리콘 박막을 조사하게 되고, 비정질 실리콘 박막은 연속적으로 이동하기 때문에 비정질 실리콘 박막의 전 구간에 걸쳐 레이저가 연속적으로 조사된다. 상기 레이저 결정화 장비는 N2를 상기 기판(190)에 분출함과 동시에 레이저(145)를 조사함으로써 탈수소화 공정과 결정화 공정을 동시에 진행할 수 있다.
여기서, 상기 제1, 2 온도측정기(116, 155)를 통해 측정된 온도로부터 고온의 N2와 저온의 N2를 이용하여 원하는 온도를 제어한다. 즉, 온도가 소정 온도(400~700℃) 이상일 경우에는 제2 가스주입부(160)로부터 제2 가스공급관(165)을 통해 저온의 N2를 공급하여 온도를 소정 온도로 다시 설정하고, 온도가 400℃ 이하일 경우에는 제1 가스주입부(120)로부터 제1 가스공급관(125)을 통해 고온의 N2를 공급하여 온도를 소정 온도로 다시 설정한다.
도 5는 도 4의 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법을 도시한 공정단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 폴리실리콘을 결정화하는 순서는 다음과 같다.
우선, 기판 상에 버퍼층을 형성하고(S10), 상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘 막을 형성하고(S20), 상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 탈수소화 및 결정화한다(S30).
도 6a 내지 도 6c를 참조하여 보다 상세하게 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 결정화 방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 6a를 참조하면, 유리 기판(300) 전면에 PECVD 또는 LPCVD 방법을 수행하여 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하여 버퍼층(buffer layer)(305)을 형성하고, 상기 버퍼층(305) 상에 PECVD, LPCVD 또는 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 비정질 실리콘을 증착하여 비정질 실리콘막(310)을 형성한다.
도 6b를 참조하면, 상기 비정질 실리콘막(310)을 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 탈수소화 및 결정화 공정을 동시에 진행한다.
상기 탈수소화 및 결정화 공정은 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 진행되며, 보다 상세하게는 상기 기판(300) 가열 후 탈수소화가 먼저 진행된 후 결정화가 일어날 수 있다.
상기 탈수소화는 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 고온으로 N2 가스의 온도를 제어한 후 상기 가스 탱크(110)에서 셋팅된 N2 유량으로 상기 가스방출부(112)를 통해 상기 기판(300)으로 N2 가스를 분출함으로써 가능하다.
이때, 상기 기판(300)은 상기 고온의 N2 가스에 의해 가열됨으로써 온도 제어 시간을 매우 빠르게 제어 가능하다.
또한, N2를 분출함에 의해 결정화 진행시 상기 기판(300) 상에 존재하는 산소가 제거되어 폴리실리콘막의 표면 거칠기를 진공분위기 수준으로 제어가 가능하 다.
상기 비정질 실리콘막(310)에 레이저를 조사하여 순간적인 에너지를 가할 때 비정질 실리콘막(310) 저부에는 용융되지 않은 성장씨드층(320)이 형성된다.
도 6c를 참조하면, 상기 비정질 실리콘막(310) 저부에 용융되지 않은 성장씨드층(320)이 확산하여 일정방향으로 이동하면서 결정화가 진행되며 상기 비정질 실리콘막(310)을 응고시켜 폴리실리콘막(310')으로 전환된다.
이로써, 본 발명에 따른 탈수소화 및 결정화가 동시에 가능한 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘막의 제조방법이 완성된다.
한편, 이와 같은 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 제조 방법은 박막트랜지스터 및 액정표시장치를 제조하는데 있어 매우 유용하게 이용될 수 있다.
그러면, 이와 같은 폴리실리콘 제조방법을 이용하여 박막트랜지스터 및 액정표시장치를 제조하는 과정에 대하여 간략하게 설명해 보기로 한다. 알려진 바와 같이, 액정표시장치의 TFT 기판을 제조하는 공정 중에는 박막트랜지스터를 제조하는 공정이 포함되어 있으므로, 여기서는 액정표시장치의 TFT 기판을 제조하는 공정을 기준으로 하여 통합하여 설명하기로 한다.
즉, 본 발명에 의하면, 기판 상에 버퍼층, 액티브층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간절연막, 소스 전극 및 드레인 전극, 보호층 및 화소 전극을 형성하는 액정표시장치의 TFT 기판을 제조함에 있어, 비정질 실리콘막의 탈수소화 및 결정화를 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 진행하여 폴리실리콘막을 형성하는 것을 포함한다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 액정표시장치의 제조 방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 7a를 참조하면, 기판(700) 상에 버퍼층(705)을 형성하고, 상기 버퍼층(705) 상에 비정질 실리콘막(710)을 형성한다.
도 7b를 참조하면, 상기 비정질 실리콘막(710)을 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 열처리 및 엑시머 레이저를 조사함으로써 탈수소화 및 결정화하여 폴리실리콘막(710')을 형성한다.
상기 버퍼층(705), 비정질 실리콘막(710), 탈수소화 및 결정화 방법은 본 발명에 따른 폴리실리콘막 형성 방법 및 형성 물질과 동일하다.
도 7c를 참조하면, 상기 폴리실리콘막(710')을 패터닝하여 액티브층(710')을 형성하고, 상기 액티브층(710') 상부의 기판(700) 전면에 걸쳐 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하여 게이트 절연막(720)을 형성한다.
도 7d를 참조하면, 상기 게이트 절연막(720) 상에 상기 액티브층(710')의 소정 영역에 대응하도록 도전성 물질을 증착 후 패터닝하여 게이트 전극(730)을 형성하고, 상기 게이트 전극(730)을 마스크로 하여 상기 액티브층(710')에 불순물을 주입하여 소스 영역(710'a), 드레인 영역(710'c) 및 불순물이 주입되지 않은 채널 영역(710'b)을 포함하는 액티브층(710')을 형성한다.
도 7e를 참조하면, 상기 액티브층(710')을 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 활성화하여 불순물 주입에 의한 실리콘(Si)의 손상방비 및 도펀트(dopant)의 활성화를 돕는다.
상기 활성화 공정 시 레이저 조사 없이 고온의 N2 만을 이용하여 열처리를 진행한다. 따라서, 별도의 열처리 공정을 위한 장비 투자비가 필요 없으므로 비용을 절감할 수 있다.
도 7f를 참조하면, 상기 게이트 전극(730)을 포함한 기판(700) 전면에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하여 층간절연막(740)을 형성하고, 상기 층간절연막(740)의 일부를 식각하여 상기 액티브층(710')의 소스 영역(710'a) 및 드레인 영역(710'c)의 표면 일부를 노출시키는 콘택홀(745)을 형성하고, 상기 콘택홀(745)을 포함한 기판(700) 전면에 도전성 물질을 증착 후 패터닝하여 상기 소스 영역(710'a) 및 드레인 영역(710'c)과 전기적으로 연결되는 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760)을 형성한다.
이로써, 폴리실리콘막으로 이루어지는 액티브층(710'), 게이트 전극(730), 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760)을 포함하는 폴리실리콘 박막트랜지스터가 형성된다.
도 7g를 참조하면, 상기 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760)을 포함한 기판 (700) 전면에 걸쳐 보호층(770)을 형성하고, 보호층(770)의 일부를 식각하여 상기 드레인 전극(760)의 표면 일부를 노출시키는 비아홀(775)을 형성한다. 상기 비아홀(775)을 포함한 기판(700) 전면에 투명 도전성 물질을 증착 후 패터닝하여 상기 드레인 전극(760)과 전기적으로 연결되는 화소 전극(780)을 형성한다.
이로써, 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용한 폴리실리콘 박막트랜 지스터를 구비한 폴리실리콘 액정표시장치의 어레이 기판을 완성한다.
상기 박막트랜지스터는 탈수소화 공정 및 결정화 공정을 동시에 진행하므로 공정이 단순화되고, 폴리실리콘막의 결정화 특성이 향상된다.
또한, 상기 활성화 공정을 본 발명에 따른 레이저 결정화 장비를 이용하여 레이저 조사 없이 고온의 N2만을 이용하여 진행함으로써 별도의 열처리 장비가 필요 없기 때문에 초기 장비 투자 비용을 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 박막트랜지스터 제조 방법을 이용하여 액정표시장치를 제조함으로써 저렴한 비용과 단순한 공정으로 결정화 특성이 향상된 폴리실리콘 액정표시장치를 제작할 수 있다.
본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 액정패널 및 그 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 비정질 실리콘막을 형성한 후 레이저 결정화 장비의 동일한 프로세스 챔버에서 제어된 고온의 N2(Hot N2)를 이용하여 가스 탱크에서 셋팅(setting)된 N2 유량으로 분출(blowing)함과 동시에 레이저 빔(laser beam)을 조사하면서 탈수소화 및 결정화 공정을 동시에 진행하여 폴리실리콘막을 형성함으로써 결정화 특성을 향상시키고, 공정을 단순화하여 공정 시간을 단축하고, 장비 투자 비용을 절 감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 박막트랜지스터 제조 시 액티브층에 불순물 주입 후 상기 레이저 결정화 장비를 이용하여 고온의 N2만을 분출함으로써 활성화 공정을 진행할 수 있으므로 열처리를 위한 초기 장비 투자 비용을 절감할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims (30)

  1. 기판 상에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 장치;
    프로세스 챔버 내부에 형성되며 가스방출부를 구비한 가스 탱크;
    상기 가스 탱크에 가스를 주입하는 가스공급부; 및
    상기 가스의 온도를 제어하는 온도제어시스템부를 포함하여 박막의 탈수소화와 결정화가 동시에 수행되는 프로세스 챔버를 구비하는 레이저 결정화 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스는 N2 인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 탱크에 공급되는 가스의 온도는 400℃ 내지 700℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스공급부는 고온의 가스를 공급하는 제1 가스공급부와 저온의 가스를 주입하는 제2 가스공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 탱크는 일측면에 보조 가스 탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 탱크와 보조 가스 탱크 사이에 게이트 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 탱크와 상기 보조 가스 탱크의 일측면에 제1, 2 온도측정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 탱크는 일측면에 가스 농도 측정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 탱크의 바닥면과 기판 사이의 바닥면의 거리는 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 탱크의 바닥면의 양측면에 제1 보조차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판의 양측면에 일정 간격 이격된 제2 보조차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 탱크의 상부면에 씰링 윈도우를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비.
  13. 프로세스 챔버를 열고 X-Y 스테이지 상에 비정질 실리콘막이 형성된 기판을 위치시키는 단계;
    온도제어시스템부에 의해 제어된 N2를 가스공급부로부터 가스주입관을 통해 가스 탱크로 공급하는 단계;
    상기 가스 탱크에서 셋팅된 N2를 가스방출부를 통해 상기 기판으로 분출하고, 레이저 장치에서 발생한 레이저 빔을 씰링 윈도우를 거쳐 가스방출부를 통해 상기 기판에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비의 구동방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈수소화 공정이 선행되고 결정화 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비의 구동방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 온도제어시스템부는 측정된 온도로부터 제1 가스공급부를 통해 고온의 가스와 제2 가스공급부를 통해 저온의 가스를 공급하여 원하는 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비의 구동방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 분출과 레이저 조사는 안정화 시간을 설정하여 상기 기판이 먼저 가열된 후 레이저 조사가 시작될 수 있도록 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장비의 구동방법.
  17. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계; 및
    상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 탈수소화 및 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 탈수소화는 레이저 결정화 장비에서 고온으로 가스의 온도를 제어한 후 가스 탱크에서 셋팅된 가스 유량으로 가스방출부를 통해 가스를 기판 상으로 분출하여 고온의 가스에 의해 기판을 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 결정화는 레이저 장치에서 레이저 빔을 상기 기판에 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막의 제조방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 탈수소화 공정이 선행되고 결정화 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막의 제조방법.
  21. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 수행하여 탈수소화 및 결정화하는 단계;
    상기 결정화된 폴리실리콘막을 마스크를 이용하여 패터닝하여 액티브층을 형 성하는 단계;
    상기 액티브층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 증착하는 단계;
    상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 패터닝하여 형성하는 단계;
    상기 액티브층에 상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 기판을 열처리를 통해 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 탈수소화는 레이저 결정화 장비에서 고온으로 가스의 온도를 제어한 후 가스 탱크에서 셋팅된 가스 유량으로 가스방출부를 통해 가스를 기판 상으로 분출하여 고온의 가스에 의해 기판을 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 결정화는 레이저 장치에서 레이저 빔을 상기 기판에 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 탈수소화 공정이 선행되고 결정화 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 활성화 공정은 레이저 결정화 장비에서 레이저 조사 없이 고온으로 가스의 온도를 제어한 후 가스 탱크에서 셋팅된 가스 유량으로 가스방출부를 통해 가스를 기판 상으로 분출하여 고온의 가스에 의해 기판을 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  26. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘막을 동일한 프로세스 챔버에서 동시에 수행하여 탈수소화 및 결정화하는 단계;
    상기 결정화된 폴리실리콘막을 마스크를 이용하여 패터닝하여 액티브층을 형성하는 단계;
    상기 액티브층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 증착하는 단계;
    상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 패터닝하여 형성하는 단계;
    상기 액티브층에 상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 형성하는 단계;
    상기 기판을 열처리를 통해 활성화하는 단계;
    상기 게이트 전극 상에 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 표면 일부를 노출 시키는 콘택홀을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간절연막 상에 콘택홀을 통해 상기 소스 영역에 드레인 영역과 전기적으로 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 상기 드레인 전극의 표면 일부를 노출시키는 비아홀을 포함하는 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층 상에 비아홀을 통해 상기 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 탈수소화는 레이저 결정화 장비에서 고온으로 가스의 온도를 제어한 후 가스 탱크에서 셋팅된 가스 유량으로 가스방출부를 통해 가스를 기판 상으로 분출하여 고온의 가스에 의해 기판을 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 결정화는 레이저 장치에서 레이저 빔을 상기 기판에 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 탈수소화 공정이 선행되고 결정화 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 활성화 공정은 레이저 결정화 장비에서 레이저 조사 없이 고온으로 가스의 온도를 제어한 후 가스 탱크에서 셋팅된 가스 유량으로 가스방출부를 통해 가스를 기판 상으로 분출하여 고온의 가스에 의해 기판을 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
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