KR20130026671A - 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결정화 효율과 소자 이동도를 향상시킬 수 있는 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 결정화 방법은 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하는 단계; 상기 비정질 실리콘 박막 상에 열전달층을 형성하는 단계; 상기 열전달층 상에 레이저 결정화 장치를 정렬하고, IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및 상기 열전달층을 제거하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 결정화 효율을 향상시킬 수 있는 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급격하게 변해가면서 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시 장치(Flat Panel Display)의 필요성이 대두되었는데, 그 중 색 재현성 등이 우수한 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display)나 별도의 광원이 요구되지 않는 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Display Device)가 활발하게 개발되고 있다.
알려진 바와 같이, 액정 표시 장치는 일측에 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을, 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입함으로써 형성된다. 액정 표시 장치는 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 영상을 표현하는 장치이다.
이와 같은 액정 표시 장치의 하부 기판은 화소 전극에 신호를 인가하기 위한 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판이며, 금속막 및 절연막을 형성하고 사진 식각하는 공정을 반복함으로써 형성된다. 그리고, 액정 표시 장치의 상부 기판은 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이 기판이며, 컬러 필터는 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)의 세 가지 색이 순차적으로 배열되어 있으며, 안료 분산법이나 염색법, 전착법 등의 방법으로 제작된다.
일반적으로, 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터의 반도체층은 비정질 실리콘(Amorphous silicon; a-Si)이 주류를 이루고 있으나, 비정질 실리콘은 원자 배열이 무질서하기 때문에 레이저를 이용하여 결정화한다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 결정화 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 1a와 같이, 기판(10) 상에 버퍼층(20)을 형성하고, 버퍼층(20) 상에 비정질 실리콘 박막(Amorphous Silicon; a-Si)(30a)을 형성한다. 그리고, 도 1b와 같이, 비정질 실리콘 박막(30a) 상에 레이저 결정화 장치(50)를 정렬하고, 엑시머 레이저(Excimer Laser)를 조사하여 비정질 실리콘 박막(30a)을 결정화하여 도 1c와 같이 다결정 실리콘 박막(30b)을 형성한다.
이 때, 엑시머 레이저는 스테이지 상에 올려진 기판(10) 상에 위치하여 비정질 실리콘 박막(30a)에 레이저를 단속(Pulse)으로 조사하는데, 비정질 실리콘 박막(30a)이 순간적으로 용융된 후 응고되면서 결정화가 진행된다. 즉, 엑시머 레이저는 수 ㎱동안 비정질 실리콘 박막(30a)에 조사하므로, 고열에 의해 비정질 실리콘 박막(30a)이 순간적으로 가열되어 다결정 실리콘 박막(30b)이 형성된다.
그러나, 엑시머 레이저는 가스 레이저의 일종으로 주기적으로 가스를 교체해야하며, 공정 범위가 좁아 레이저 조사 영역마다 발생하는 빔 에너지 밀도가 다르다. 따라서, 결정질의 크기 및 이동도 등과 같은 특성이 달라 균일한 결정질의 다결정 실리콘 박막(30b)을 형성하기 어려우며, 다결정 실리콘 박막(30b)의 표면이 거칠다. 따라서, 균일한 다결정 실리콘 박막(30b)을 형성하기 위해서는 기판(10)을 천천히 이동시켜 넓은 영역에 엑시머 레이저를 조사해야하므로, 이동 속도가 느려 제조 수율이 저하된다.
더욱이, 이러한 다결정 실리콘 박막(30b)을 박막 트랜지스터의 반도체층으로 사용하는 경우, 박막 트랜지스터의 문턱전압 및 이동도 등이 불균일한 특성을 가져 휘도 편차가 발생할 수 있으며, 이로 인해 얼룩(Mura)이 발생할 수 있다. 또한, 얼룩은 시인성이 높아 화질을 직접적으로 떨어뜨리고, 이로 인해 박막 트랜지스터의 생산성을 감소시킨다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, IR(Infrared Ray) 다이오드 레이저를 이용하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 결정화 방법은, 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하는 단계; 상기 비정질 실리콘 박막 상에 열전달층을 형성하는 단계; 상기 열전달층 상에 레이저 결정화 장치를 정렬하고, IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및 상기 열전달층을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 IR 다이오드 레이저의 광 에너지는 상기 열전달층에서 열로 변환되고, 상기 열이 상기 비정질 실리콘 박막에 전달되어 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시킨다.
상기 열전달층은 몰리브덴, 티타늄, 몰리티타늄 중 선택된 물질로 형성된다.
상기 열전달층을 형성하기 전에, 상기 비정질 실리콘 박막의 수소를 제거하는 단계를 더 포함한다.
또한, 동일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표시 장치의 제조 방법은, 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하는 단계; 상기 비정질 실리콘 박막 상에 열전달층을 형성하는 단계; 상기 열전달층 상에 레이저 결정화 장치를 정렬하고, IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계; 상기 열전달층을 제거한 후, 상기 다결정 실리콘 박막을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 상기 반도체층에 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 정의하는 단계; 상기 게이트 전극 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막을 선택적으로 제거하여 상기 소스 영역과 드레인 영역을 노출시키는 단계; 상기 층간 절연막 상에 상기 소스 영역과 접속하는 소스 전극과 상기 드레인 영역과 접속하는 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스, 드레인 전극을 포함하는 상기 층간 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계; 및 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 상기 드레인 전극을 노출시킨 후, 상기 드레인 전극과 접속하는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 IR 다이오드 레이저의 광 에너지는 상기 열전달층에서 열로 변환되고, 상기 열이 상기 비정질 실리콘 박막에 전달되어 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시킨다.
상기 열전달층은 몰리브덴, 티타늄, 몰리티타늄 중 선택된 물질로 형성된다.
상기 열전달층을 형성하기 전에, 상기 비정질 실리콘 박막의 수소를 제거하는 단계와, 상기 보호막 표면을 수소화하는 단계를 더 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법 은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 비정질 실리콘 박막에 열전달층(Heat transition layer; HTL)을 형성하고, 열전달층 상에 IR(Infrared Ray) 다이오드 레이저를 조사한다. 따라서, 열전달층에 조사된 레이저의 광 에너지는 고온의 열로 변환되고, 이 열이 비정질 실리콘 박막에 간접적으로 전달됨으로써 균일한 소자 특성을 얻을 수 있다. 또한, 이로 인해, 결정화 열에 의해 기판이 휘거나 수축되는 것을 방지할 수 있다.
둘째, IR 다이오드 레이저를 이용하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하며, 특히 IR 다이오드 레이저는 비정질 실리콘 박막 상의 열전달층에 연속(Continuous Wave; CW)으로 조사하므로, 열전달층 전면에 균일하게 레이저를 조사하여, 비정질 실리콘 박막을 균일하게 결정화할 수 있다.
셋째, 결정화 전 비정질 실리콘 박막의 표면을 N2O 플라즈마 처리하여 비정질 실리콘 박막과 열전달층 사이에 실리사이드(Silicide)가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 실리사이드를 제거하는 공정이 필요하지 않아 제조 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, N2O 플라즈마 처리로 인해, 프로세스 윈도우가 넓어져 불량률이 감소하며, 레이저 파워가 증가하여도 실리콘 기공이 형성되지 않으며 고 결정화 영역이 증가한다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 결정화 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 결정화 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 3은 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 5a는 N2O 플라즈마 처리하지 않고 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진.
도 5b는 N2O 플라즈마 처리한 후 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진.
도 6은 레이저 파워에 따른 소자 이동도를 나타낸 그래프.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 결정화 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 3은 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 5a는 N2O 플라즈마 처리하지 않고 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진.
도 5b는 N2O 플라즈마 처리한 후 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진.
도 6은 레이저 파워에 따른 소자 이동도를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 결정화 방법 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 결정화 방법을 나타낸 공정 단면도이며, 도 3은 제 1 실리콘 산화막 두께에 따른 레이저 흡수율 및 결정화 파워를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 결정화 방법은 도 2a과 같이, 기판(100) 상에 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiO2)을 포함하는 실리콘 절연 물질 중 선택된 물질로 버퍼층(110)을 형성한다. 그리고, 버퍼층(110) 상에 비정질 실리콘 박막(130a)을 형성한다. 버퍼층(110)은 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화할 때, 열에 의해 기판(100) 내부에서 알칼리 물질의 용출을 방지하기 위한 것이다.
그리고, 비정질 실리콘 박막(130a) 표면을 N2O 플라즈마 처리한다. 일반적으로, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 금속 물질을 증착하면, 비정질 실리콘 박막(130a)과 금속 물질 사이에 실리사이드(Silicide)가 형성되고, 실리사이드는 박막 트랜지스터의 채널 영역에서 전류 누설을 발생시킨다. 따라서, 실리사이드를 제거하는 공정이 추가로 필요하며, 실리사이드를 제거할 때 실리사이드 하부의 비정질 실리콘 박막(130a)이 손상되어, 비정질 실리콘 박막(130a)의 두께가 일정하지 않은 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 결정화 방법은 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 바로 금속 물질로 열전달층을 형성할 때, 비정질 실리콘 박막(130a)과 열전달층 사이에 실리사이드가 형성되는 것을 방지하기 위해, 비정질 실리콘 박막(130a) 표면을 N2O 플라즈마 처리한다.
이어, 도 2b와 같이, 기판(100)에 열을 가하여 비정질 실리콘 박막(130a)에 포함된 수소(H2)를 제거한다. 기판(100)에 400℃ 내지 500℃ 열을 가하여, 비정질 실리콘 박막(130a)에 포함된 수소를 제거할 수 있다. 상기와 같은 탈수소화 공정 공정은 이후에 진행되는 비정질 실리콘 박막(130a)의 결정화시 막 들뜸(Films Ablation) 현상을 방지할 수 있다.
그리고, 도 2c와 같이, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 열전달층(Heat transition layer; HTL)(140)을 형성한다. 일반적으로, 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화하기 위해, 비정질 실리콘 박막(130a)에 레이저를 조사하면, 레이저를 조사하여 발생된 열이 직접적으로 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시키지만, 본 발명과 같이, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 열전달층(140)을 형성하면, 열전달층(140)에 조사된 광 에너지는 열전달층(140)에서 고온의 열로 변환되고, 이 열이 비정질 실리콘 박막(130a)에 간접적으로 전달됨으로써 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시킨다.
따라서, 열전달층(140)은 레이저를 흡수하여 발생된 열을 비정질 실리콘 박막(130a)에 전달되도록 하여, 비정질 실리콘 박막(130a)에 직접적으로 레이저를 조사하는 방법보다 간접적인 고상 결정화가 가능하여 균일한 소자 특성을 얻을 수 있게 되고, 이로써 결정화된 다결정 실리콘 박막은 고신뢰성을 갖는다.
상기와 같은 열전달층(140)은 레이저를 흡수할 수 있는 물질, 특히 IR(Infrared Ray) 다이오드 레이저를 흡수할 수 있는 금속 물질로 형성되며, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo alloy), 크롬(Cr), 크롬 합금(Cr alloy), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy) 등과 같은 금속 물질로 형성된다. 특히, 열전달층(140)은 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 몰리티타늄(MoTi) 중 선택된 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
이 때, 열전달층(140)의 두께가 너무 얇으면 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시킬 만큼의 열을 전달하기 못하며, 열전달층(140)의 두께가 너무 두꺼우면 기판(100)까지 열이 전달되어 기판(100)이 휘거나 들뜨는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 열전달층(140)의 두께는 300Å 내지 1000Å인 것이 바람직하다.
이어, 도 2d와 같이, 스테이지(미도시) 상에 기판(100)을 올려놓고, 이동하는 기판(100) 상에 레이저 결정화 장치(500)를 정렬하고, 열전달층(140) 상에 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화하여 다결정 실리콘 박막(130b)을 형성한다. 이 때, 레이저 결정화 장치(500)는 IR 다이오드 레이저를 조사한다. IR 레이저는 800㎚ 내지 810㎚정도의 파장을 가지며, 연속(Continuous Wave; CW)으로 조사하므로, 열전달층(140) 전면에 균일하게 레이저를 조사한다.
따라서, 열전달층(140) 하부의 비정질 실리콘 박막(130a)을 균일하게 결정화하며, 이로 인해 얼룩(Mure)이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 스테이지 상에 올려진 기판(100)이 빠르게 이동하여도 균일하게 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있으며, IR 다이오드 레이저는 가스를 교체할 필요가 없으므로 제조 비용을 절감할 수 있다. 이어, 도 2e와 같이, 다결정 실리콘 박막(130b)을 형성한 후, 열전달층(140)을 제거한다.
상기와 같은 본 발명의 결정화 방법은, 상술한 바와 같이, 비정질 실리콘 박막(130a)에 열전달층(140)을 형성하고 열전달층에 IR 다이오드 레이저를 조사하여, 열전달층에 조사된 레이저의 광 에너지는 고온의 열로 변환되고, 이 열이 비정질 실리콘 박막(130a)에 간접적으로 전달되어 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화할 수 있다.
그리고, IR 다이오드 레이저는 비정질 실리콘 박막(130a) 상의 열전달층(140)에 연속(Continuous Wave; CW)으로 조사되어, 열전달층(140) 전면에 균일하게 레이저를 조사하여, 비정질 실리콘 박막(130a)을 균일하게 결정화할 수 있다. 또한, 결정화 전 비정질 실리콘 박막(130a)의 표면을 플라즈마 처리하여 비정질 실리콘 박막(130a)과 열전달층(140) 사이에 실리사이드(silicide)가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 결정화 방법을 이용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 순서도이며, 도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
본 발명의 결정화 방법을 적용하여 표시 장치의 박막 트랜지스터 어레이 기판을 형성하는 단계는, 도 3 및 도 4a과 같이, 기판(100)을 준비(S5)한다. 기판(100)은 글래스(Glass) 기판, 서스(SUS) 기판, 플라스틱 기판 중 선택된 하나인 것이 바람직하다. 그리고, 기판(100) 상에 버퍼층(120)을 형성하고, 버퍼층(120) 상에 비정질 실리콘 박막(130a)을 증착(S10)한다.
그리고, 비정질 실리콘 박막(130a) 표면을 N2O 플라즈마 처리(S15)한다. 일반적으로, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 금속 물질을 증착하면 비정질 실리콘 박막(130a)과 금속 물질 사이에 실리사이드(Silicide)가 형성되어, 실리사이드는 박막 트랜지스터의 채널 영역에서 전류 누설을 발생시킨다. 따라서, 일반적인 결정화 방법은 실리사이드를 제거하는 공정이 추가로 필요하며, 실리사이드를 제거할 때 실리사이드 하부의 비정질 실리콘 박막(130a)이 손상되어, 비정질 실리콘 박막(130a)의 두께가 일정하지 않은 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 결정화 방법은 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 바로 금속 물질로 열전달층을 형성하면 비정질 실리콘 박막(130a)과 열전달층 사이에 실리사이드가 형성되는 것을 방지하기 위해, 비정질 실리콘 박막(130a) 표면을 N2O 플라즈마 처리한다.
이어, 도 4b와 같이, 기판(100)에 열을 가하여 비정질 실리콘 박막(130a)에 포함된 수소(H2)를 제거(S20)한다. 비정질 실리콘 박막(130a)에 포함되어 있는 수소는 레이저를 이용하여 결정화 공정을 진행할 때, 챔버 내부에 존재하는 산소와 폭발적 반응을 일으켜 비정질 실리콘 박막(130a) 표면의 특성을 저하시키므로, 기판(100)에 400℃ 내지 500℃ 열을 가하여, 비정질 실리콘 박막(130a)에 포함된 수소를 제거할 수 있다.
그리고, 도 4c와 같이, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 열전달층(Heat transition layer; HTL)(140)을 형성(S25)한다. 일반적으로, 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화하기 위해, 비정질 실리콘 박막(130a)에 레이저를 조사하면, 레이저를 조사하여 발생된 열이 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시키지만, 본 발명과 같이, 비정질 실리콘 박막(130a) 상에 열전달층(140)을 형성하면, 열전달층(140) 상에 레이저를 조사하여, 조사된 레이저의 광 에너지는 열전달층(140)에서 고온의 열로 변환되고, 이 열이 비정질 실리콘 박막(130a)에 간접적으로 전달됨으로써 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시킨다.
따라서, 열전달층(140)은 레이저를 흡수하여 발생된 열을 비정질 실리콘 박막(130a)에 전달되도록 하여, 비정질 실리콘 박막(130a)에 직접적으로 레이저를 조사하는 방법보다 간접적인 고상 결정화가 가능하여 균일한 소자 특성을 얻을 수 있게 되고, 이로써 결정화된 다결정 실리콘 박막은 고신뢰성을 갖는다.
상기와 같은 열전달층(140)은 레이저를 흡수할 수 있는 물질, 특히 IR(Infrared Ray) 다이오드 레이저를 흡수할 수 있는 금속 물질로 형성되며, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo alloy), 크롬(Cr), 크롬 합금(Cr alloy), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy) 등과 같은 금속 물질로 형성된다. 특히, 열전달층(140)은 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 몰리티타늄(MoTi) 중 선택된 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 열전달층(140)의 두께가 너무 얇으면 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화시킬 만큼의 열을 전달하기 못하며, 열전달층(140)의 두께가 너무 두꺼우면 기판(100)까지 열이 전달되어 기판(100)이 휘거나 들뜨는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 열전달층(140)의 두께는 300Å 내지 1000Å인 것이 바람직하다.
이어, 도 4d와 같이, 스테이지(미도시) 상에 기판(100)을 올려놓고, 이동하는 기판(100) 상에 레이저 결정화 장치(500)를 정렬하고, 열전달층(140) 상에 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화하여(S30) 다결정 실리콘 박막(130b)을 형성한다. 이 때, 레이저 결정화 장치(500)는 IR 다이오드 레이저를 조사한다. IR 레이저는 800㎚ 내지 810㎚정도의 파장을 가지며, 연속(Continuous Wave; CW)으로 조사하므로, 열전달층(140) 전면에 균일하게 레이저를 조사한다.
따라서, 열전달층(140) 하부의 비정질 실리콘 박막(130a)을 균일하게 결정화하며, 이로 인해 얼룩(Mura)이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 스테이지 상에 올려진 기판(100)이 빠르게 이동하여도 균일하게 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있으며, IR 다이오드 레이저는 가스를 교체할 필요가 없으므로 제조 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 도 4e와 같이, 다결정 실리콘 박막(130b)을 형성한 후, 열전달층(140)을 제거(S35)하고, 도 4f와 같이, 다결정 실리콘 박막(130b)을 패터닝하여 반도체층(150)을 형성(S40)한다. 그리고, 반도체층(150)을 포함한 버퍼층(120) 전면에 게이트 절연막(160)을 형성하고, 게이트 절연막(160) 상에 게이트 전극(160a)을 형성(S45)한다.
이어, 도 4g와 같이, 게이트 전극(160a)을 마스크로 이용하여, 반도체층(150)에 불순물을 주입하여 반도체층(150)의 양측에 소스 영역(150a)과 드레인 영역(150c)을 형성(S50)하고, 게이트 전극(160a) 하부의 반도체층(150)에 채널 영역(150b)을 정의한다. 그리고, 도 4h와 같이, 게이트 전극(160a)을 포함한 게이트 절연막(160) 전면에 층간 절연막(170)을 형성(S55)한 후, 층간 절연막(170)과 게이트 절연막(160)을 선택적으로 제거하여, 소스 영역(150a)과 드레인 영역(150c)을 노출시킨다. 그리고, 층간 절연막(170) 전면에 금속층을 형성하고, 이를 패터닝하여 소스 영역(150a)과 접속하는 소스 전극(180a)과 드레인 영역(150c)과 접속하는 드레인 전극(180b)을 형성(S60)한다.
그리고, 도 4i와 같이, 소스, 드레인 전극을 포함하는 층간 절연막(170) 상에 보호막(190)을 형성(S65)하고, 보호막(190) 표면을 수소화(S70)한다. 수소화 공정은 결정화 전 탈수소화 공정에 의해 비정질 실리콘 박막에서 제거된 수소를 다시 주입하는 것으로, 주입된 수소는 박막 형성 공정에서 많은 손상을 받은 액티브층(150)을 안정화시키며, 계면 특성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 탈수소화 공정으로 수소가 제거된 액티브층(150)은 제거된 수소 부분에 전하의 이동이 트랩(Trap)되므로, 이를 방지하기 위한 것이다.
도 4j와 같이, 그리고, 보호막(190)을 선택적으로 제거하여 드레인 전극(180b)을 노출시킨 후, 드레인 전극(180b)과 전기적으로 접속하는 화소 전극(200)을 형성(S75)한다.
상기와 같은 본 발명의 표시 장치의 제조 방법은, 비정질 실리콘 박막(130a)에 열전달층(140)을 형성하고 열전달층에 IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막(130a)을 결정화하므로, IR 다이오드 레이저는 비정질 실리콘 박막(130a) 상의 열전달층(140)에 연속(Continuous Wave; CW)으로 조사되어, 열전달층(140) 전면에 균일하게 레이저를 조사한다. 따라서, 비정질 실리콘 박막(130a)을 균일하게 결정화하여, 이를 박막 트랜지스터의 반도체층(150)으로 사용하는 경우, 박막 트랜지스터의 문턱전압 및 이동도 등이 불균일한 특성을 가지는 것을 방지하여 박막 트랜지스터의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 결정화 전 비정질 실리콘 박막(130a)의 표면을 플라즈마 처리하여 비정질 실리콘 박막(130a)과 열전달층(140) 사이에 실리사이드(silicide)가 형성되는 것을 방지하여, 실리사이드를 제거하는 공정이 필요하지 않아 제조 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 5a는 N2O 플라즈마 처리하지 않고 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진이며, 도 5b는 N2O 플라즈마 처리한 후 레이저 파워를 증가시키며 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 사진이다. 그리고, 도 6은 레이저 파워에 따른 소자 이동도를 나타낸 그래프이다.
도 5a와 같이 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하지 않고 11.15W의 파워를 갖는 레이저를 조사하면, 결정화된 영역의 폭이 168.80㎛일 때 고 결정화(High Crystallinity)된 영역의 폭이 32.52㎛이다. 그리고, 레이저 파워를 증가시켜, 11.20W의 파워를 갖는 레이저를 조사하였을 때, 결정화된 영역의 폭과 고 결정화된 영역의 폭은 각각 171.56㎛과 53.67㎛로 증가하나, 고 결정화된 영역에 실리콘 기공(Si Pore)이 형성된다.
상기와 같이, N2O 플라즈마 처리하지 않은 경우, 결정화 파워를 0.5W 증가시켰을 뿐인데 실리콘 기공이 형성된다. 즉, 레이저 파워의 변화에 대해 결정화 정도가 큰 폭으로 변화하므로, 좁은 프로세스 윈도우(Process Window)의 문제를 발생시킨다. 프로세스 윈도우는 공정 중 불량이 발생하지 않는 범위 내에서 공정 오차 범위를 말하며, 프로세스 윈도우가 좁을 경우 불량률이 증가하여 장비 유지가 힘들어진다.
그러나, 도 5b와 같이, N2O 플라즈마 처리한 후 11.1W의 파워를 갖는 레이저를 조사하면, 결정화된 영역의 폭이 128.90㎛이며, 레이저 파워를 11.4W로 증가시키면, 결정화된 영역의 폭이 130.73㎛이며 고 결정화된 영역의 폭이 74.31㎛로 증가하나, 고 결정화된 영역에 실리콘 기공이 형성되지 않는다. 그리고, 11.9W의 파워를 갖는 레이저를 조사하여도 실리콘 기공은 형성되지 않으며, 고 결정화된 영역이 폭이 93.58㎛로 증가한다.
즉, 상기와 같은 본 발명은 결정화를 위해 레이저를 조사하기 전 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리함으로써, 프로세스 윈도우가 넓어져 불량률이 감소한다. 따라서, 레이저 파워가 증가하여도 실리콘 기공이 형성되지 않으며 고 결정화 영역이 증가한다. 또한, 도 6과 같이, 본 발명은 레이저 파워를 증가시켜도 이동도의 폭은 크지 않으므로, 이러한 다결정 실리콘 박막을 박막 트랜지스터의 반도체층으로 사용하는 경우 박막 트랜지스터 특성이 불균일 해지는 것을 방지하여 균일한 소자 특성을 확보할 수 있으며, 표시 장치의 재현성을 향상시킬 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 110: 버퍼층
130a: 비정질 실리콘 박막 130b: 다결정 실리콘 박막
140: 열전달층 150: 반도체층
150a: 소스 영역 150b: 채널 영역
150c: 드레인 영역 160: 게이트 절연막
160a: 게이트 전극 170: 층간 절연막
180a: 소스 전극 180b: 드레인 전극
190: 보호막 200: 화소 전극
500: 레이저 결정화 장치
130a: 비정질 실리콘 박막 130b: 다결정 실리콘 박막
140: 열전달층 150: 반도체층
150a: 소스 영역 150b: 채널 영역
150c: 드레인 영역 160: 게이트 절연막
160a: 게이트 전극 170: 층간 절연막
180a: 소스 전극 180b: 드레인 전극
190: 보호막 200: 화소 전극
500: 레이저 결정화 장치
Claims (8)
- 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하는 단계;
상기 비정질 실리콘 박막 상에 열전달층을 형성하는 단계;
상기 열전달층 상에 레이저 결정화 장치를 정렬하고, IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및
상기 열전달층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 IR 다이오드 레이저의 광 에너지는 상기 열전달층에서 열로 변환되고, 상기 열이 상기 비정질 실리콘 박막에 전달되어 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 결정화 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열전달층은 몰리브덴, 티타늄, 몰리티타늄 중 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 결정화 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열전달층을 형성하기 전에, 상기 비정질 실리콘 박막의 수소를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법. - 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막 표면을 N2O 플라즈마 처리하는 단계;
상기 비정질 실리콘 박막 상에 열전달층을 형성하는 단계;
상기 열전달층 상에 레이저 결정화 장치를 정렬하고, IR 다이오드 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계;
상기 열전달층을 제거한 후, 상기 다결정 실리콘 박막을 패터닝하여 반도체층을 형성하는 단계;
상기 반도체층을 포함한 상기 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극을 마스크로 이용하여 상기 반도체층에 불순물을 주입하여 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 정의하는 단계;
상기 게이트 전극 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막을 선택적으로 제거하여 상기 소스 영역과 드레인 영역을 노출시키는 단계;
상기 층간 절연막 상에 상기 소스 영역과 접속하는 소스 전극과 상기 드레인 영역과 접속하는 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 소스, 드레인 전극을 포함하는 상기 층간 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계; 및
상기 보호막을 선택적으로 제거하여 상기 드레인 전극을 노출시킨 후, 상기 드레인 전극과 접속하는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 IR 다이오드 레이저의 광 에너지는 상기 열전달층에서 열로 변환되고, 상기 열이 상기 비정질 실리콘 박막에 전달되어 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 열전달층은 몰리브덴, 티타늄, 몰리티타늄 중 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 열전달층을 형성하기 전에, 상기 비정질 실리콘 박막의 수소를 제거하는 단계와, 상기 보호막 표면을 수소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
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