KR100270315B1 - Method of re-crystallization of amorphous silicon layer using selective laser annealing - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 선택적 레이저 어닐링을 이용한 비정질 실리콘막의 재결정화 방법에 관한 것으로, 대면적에서 균일한 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 레이저 어닐링을 이용한 비정질 실리콘막의 재결정화 방법을 제공하고자 한다. 본 발명은 대면적에서 균일한 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막의 형성하기 위하여 비정질 실리콘 박막의 레이저 재결정화에 있어서 전체 면적에 걸친 레이저 조사 대신에 박막의 상부에 레이저 에너지를 흡수할 수 있는 흡수층을 형성시키고, 이를 패터닝한 다음 레이저를 조사함으로써 박막을 선택적으로 재결정화하는 기술이다. 이때 흡수층 패턴의 넓이와 간격을 조정함으로써 다결정 실리콘과 비정질 실리콘의 중간 특성을 갖는 동시에 상대적으로 레이저 에너지의 미세한 변동에도 균일한 특성을 갖는 박막을 구현하는 것이 가능하다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to a method of recrystallization of an amorphous silicon film using selective laser annealing. To provide a method. The present invention is to form an absorption layer capable of absorbing laser energy on top of the thin film instead of laser irradiation over the entire area in the laser recrystallization of the amorphous silicon thin film to form a polycrystalline silicon thin film having a uniform characteristic in a large area and This technique is to selectively recrystallize the thin film by patterning it and then irradiating a laser. At this time, by adjusting the width and the spacing of the absorbing layer pattern, it is possible to realize a thin film having intermediate characteristics between polycrystalline silicon and amorphous silicon and having uniform characteristics even with minute fluctuations in laser energy.
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 선택적 레이저 어닐링을 이용한 비정질 실리콘막의 재결정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to a method of recrystallization of an amorphous silicon film using selective laser annealing.
박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)는 다결정 실리콘 박막을 활성층으로 사용하는 스위칭 소자로서, 차세대이동통신시스템(International Mobile Telecommunication-2000, IMT-2000) 또는 미래공중육상이동통신시스템(Furture Public Land Mobile Telecommunication System, FPLMTS)용 이동통신 화상 단말기인 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 화소 스위칭 소자로 사용하기 위해서는 보다 고품질의 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 방법을 요한다.Thin Film Transistors (TFTs) are switching devices that use polycrystalline silicon thin films as active layers, and are a next generation mobile communication system (International Mobile Telecommunication-2000, IMT-2000) or future public land mobile telecommunication system (Furture Public Land Mobile Telecommunication). In order to be used as a pixel switching element of a liquid crystal display (LCD) which is a mobile communication image terminal for a system (FPLMTS), a method of forming a higher quality polycrystalline silicon thin film is required.
유리 기판에 박막 트랜지스터를 집적시키기 위해서는 유리 기판에 손상을 주지 않는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 등의 저온 증착법을 이용하여 비정질 실리콘을 증착한 다음 레이저 어닐링을 실시하여 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법이 가장 유리한 것으로 보고되고 있으며, 따라서 이에 대한 많은 연구가 진행 중이다.In order to integrate a thin film transistor on a glass substrate, amorphous silicon is deposited using a low temperature deposition method such as plasma chemical vapor deposition (PECVD), which does not damage the glass substrate, followed by laser annealing and crystallization into polycrystalline silicon. It is reported that many studies are in progress.
그러나, 이러한 레이저 어닐링에 의한 결정화 방법은 우수한 특성에 불구하고 대면적에서의 균일하지 않은 소자 특성 때문에 상업화하기에 상당히 어려운 실정이다. 이에 고상 결정화와 레이저 어닐링의 두 단계 열처리를 하여 균일도를 향상시키는 방법과 후지(Fuji), 제록스(Xerox) 등에서 제안한 여러 단계의 레이저 에너지를 조절하여 점차 균일한 그레인을 만드는 방법 등이 제시되고 있으나, 복잡한 공정으로 인해 상업화된 라인에서의 적용에는 많은 어려움이 있다.However, this crystallization method by laser annealing is very difficult to commercialize due to the non-uniform device characteristics in a large area despite the excellent characteristics. Therefore, the method of improving the uniformity by performing two-stage heat treatment of solid phase crystallization and laser annealing, and the method of making the uniform grain gradually by controlling the laser energy of various stages proposed by Fuji, Xerox, etc. Due to the complex process, there are many difficulties in application in commercialized lines.
현재 레이저 어닐링 기술을 보완하기 위하여 히타치(Hitachi), 샤프(Sharp), 세이코-엡손(Seiko-Epson) 등에서 주로 집중적으로 연구가 이루어지고 있으며, 스탠포드(Stanford) 대학에서는 미리 패터닝된 활성층의 레이저 결정화로 고품질의 다결정 실리콘 박막을 제작하는 연구가 진행되고 있으며, 일본 도쿄 기술연구소(Tokyo Institute of Technology)의 마쯔무라(Matsumura) 연구팀에서 레이저 어닐링의 메카니즘에 대한 시뮬레이션이 활발히 이루어지고 있는 실정이다.At present, research is mainly focused on Hitachi, Sharp, Seiko-Epson, etc. to complement the laser annealing technology. Research into fabrication of high-quality polycrystalline silicon thin films is underway, and Matsumura's team at the Tokyo Institute of Technology in Japan is actively simulating the mechanism of laser annealing.
그러나, 레이저 어닐링의 결정성 균일도 향상 연구는 아직까지 메커니즘 고찰 실험에 국한되어 있으며, 균일도 향상을 위한 새로운 실험적 접근 방식의 시도는 미비한 실정이다.However, studies on the improvement of crystallinity uniformity of laser annealing are still limited to mechanism investigation experiments, and attempts of a new experimental approach to improving the uniformity have been insufficient.
본 발명은 대면적에서 균일한 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 레이저 어닐링을 이용한 비정질 실리콘막의 재결정화 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a method of recrystallization of an amorphous silicon film using laser annealing, which can form a polycrystalline silicon thin film having uniform characteristics in a large area.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 어닐링 공정 모식도.1 is a schematic view of a laser annealing process according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 선택적으로 결정화된 박막의 전자현미경(SEM) 사진도.2 is an electron micrograph (SEM) photograph of a thin film selectively crystallized in accordance with one embodiment of the present invention.
도 3은 종래의 소자와 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 전달 특성도.3 is a transfer characteristic diagram of a conventional device and a device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 비정질 실리콘막1: amorphous silicon film
2 : TEOS 산화막2: TEOS oxide film
3 : 비정질 실리콘막3: amorphous silicon film
4 : 격자 선의 넓이4: width of grid line
5 : 격자 선간의 간격5: spacing between grid lines
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명으로부터 제공되는 특징적인 레이저 어닐링을 이용한 비정질 실리콘막의 재결정화 방법은, 소정의 하부층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계; 상기 비정질 실리콘막 상에 레이저 광을 투과하되, 상기 레이저 광에 의해 발생된 열을 흡수하는 열흡수층을 형성하는 단계; 상기 열흡수층 상에 광 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 광 마스크 패턴을 사용하여 선택적 레이저 어닐링을 실시함으로써 상기 비정질 실리콘막의 재결정화를 이루는 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above technical problem, a method of recrystallization of an amorphous silicon film using the characteristic laser annealing provided from the present invention, forming an amorphous silicon film on a predetermined lower layer; Forming a heat absorption layer that transmits laser light on the amorphous silicon film and absorbs heat generated by the laser light; Forming a photo mask pattern on the heat absorption layer; And recrystallizing the amorphous silicon film by performing selective laser annealing using the photo mask pattern.
본 발명은 대면적에서 균일한 특성을 가지는 다결정 실리콘 박막의 형성하기 위하여 비정질 실리콘 박막의 레이저 재결정화에 있어서 전체 면적에 걸친 레이저 조사 대신에 박막의 상부에 레이저 에너지를 흡수할 수 있는 흡수층을 형성시키고, 이를 패터닝한 다음 레이저를 조사함으로써 박막을 선택적으로 재결정화하는 기술이다. 이때 흡수층 패턴의 넓이와 간격을 조정함으로써 다결정 실리콘과 비정질 실리콘의 중간 특성을 갖는 동시에 상대적으로 레이저 에너지의 미세한 변동에도 균일한 특성을 갖는 박막을 구현하는 것이 가능하다.The present invention is to form an absorption layer capable of absorbing laser energy on top of the thin film instead of laser irradiation over the entire area in the laser recrystallization of the amorphous silicon thin film to form a polycrystalline silicon thin film having a uniform characteristic in a large area and This technique is to selectively recrystallize the thin film by patterning it and then irradiating a laser. At this time, by adjusting the width and the spacing of the absorbing layer pattern, it is possible to realize a thin film having intermediate characteristics between polycrystalline silicon and amorphous silicon and having uniform characteristics even with minute fluctuations in laser energy.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced so that those skilled in the art can more easily implement the present invention.
첨부된 도면 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 어닐링 공정 모식도로서, 차례로 적층된 비정질 실리콘막(3)/산화막(2)/비정질 실리콘막(1) 구조를 형성하고, 엑시머 레이저를 조사하여 맨 위의 비정질 실리콘막(1)이 격자 구조로 정렬되도록 하였다. 아래쪽의 비정질 실리콘막(3)은 패터닝된 상부의 비정질 실리콘막(1)에 의해 선택적으로 결정화될 수 있다. 산화막(2)은 상부의 비정질 실리콘막(1)으로부터의 열의 흐름을 차단하면서 XeCl 엑시머 레이저(λ=308㎚)를 하부의 비정질 실리콘막(3)으로 투과시킨다. 격자 선의 넓이(4)와 격자 선간의 간격(5)은 각각 1∼2㎛ 범위에서 조절하였다.1 is a schematic view of a laser annealing process according to an embodiment of the present invention, in which an amorphous silicon film 3, an oxide film 2, and an amorphous silicon film 1 are sequentially stacked and irradiated with an excimer laser. As a result, the amorphous silicon film 1 at the top is aligned in a lattice structure. The lower amorphous silicon film 3 may be selectively crystallized by the patterned upper amorphous silicon film 1. The oxide film 2 transmits the XeCl excimer laser (λ = 308 nm) to the lower amorphous silicon film 3 while blocking the flow of heat from the upper amorphous silicon film 1. The width 4 of the lattice lines and the spacing 5 between the lattice lines were adjusted in the range of 1 to 2 mu m.
본 실시예에서 비정질 실리콘막(1, 3)은 PECVD법을 이용하여 800Å 두께로 증착하였으며, 산화막(2)은 500Å 두께의 TEOS(tetra ethyl ortho silicate) 산화막을 사용하였다. XeCl 엑시머 레이저 결정화는 250mJ/㎠의 에너지 밀도에서 행해졌다. 좁은 격자 무늬(1∼2㎛)의 마스크를 통해 레이저가 조사되는 동안, 액상 실리콘은 마스크에 의해 레이저가 가려지는 경계 부분에서 수직방향으로 응고되면서 재결정화 된다. 따라서, 그레인 경계부가 다결정 실리콘의 격자 선과 만날 때까지 그레인이 자라는 것으로 기대된다. 이때, 남아있는 비정질 영역 또한 규칙성을 가지고 배열된다.In the present embodiment, the amorphous silicon films 1 and 3 were deposited to a thickness of 800 kPa by PECVD, and the oxide film 2 was a tetra ethyl ortho silicate (TEOS) oxide film of 500 kW thick. XeCl excimer laser crystallization was performed at an energy density of 250 mJ / cm 2. While the laser is irradiated through a narrow lattice (1 to 2 mu m) mask, the liquid silicon is recrystallized while solidifying in the vertical direction at the boundary where the laser is covered by the mask. Therefore, the grain is expected to grow until the grain boundary meets the lattice lines of the polycrystalline silicon. At this time, the remaining amorphous region is also arranged with regularity.
비정질 실리콘막(3)의 선택적인 결정화가 이루어지고 난 후, 패터닝된 비정질 실리콘막(1) 및 산화막(2)을 제거하고, 통상적인 방법으로 재결정화된 비정질 실리콘막(3)을 활성층으로 하는 TFT 소자를 제작하였다. 즉, 비정질 실리콘막(3) 상부에 1000Å 두께의 TEOS 게이트 산화막과 2000Å 두께의 몰리브덴(Mo)을 차례로 증착하고, 게이트 전극과 게이트 산화막을 패터닝한 후 소스와 드레인 영역을 얻기 위해 이후에 별도의 어닐링이 필요 없는 이온 샤워(ion shower) 방법을 사용하였다. 이후, 측정용 전극을 형성하고 수소화 공정을 수행함으로써 소자의 제작은 완료된다.After selective crystallization of the amorphous silicon film 3 is performed, the patterned amorphous silicon film 1 and the oxide film 2 are removed, and the amorphous silicon film 3 recrystallized in a conventional manner is used as an active layer. TFT device was produced. That is, a 1000 μm thick TEOS gate oxide film and a 2000 μm thick molybdenum (Mo) are sequentially deposited on the amorphous silicon film 3, and the gate electrode and the gate oxide film are patterned, and then separately annealed to obtain a source and a drain region. This needless ion shower method was used. Subsequently, fabrication of the device is completed by forming a measuring electrode and performing a hydrogenation process.
첨부된 도면 도 2는 상부 비정질 실리콘막(1)과 산화막(2)을 제거한 후의 다결정 실리콘 박막의 미세구조를 도시한 SEM(scanning electron microscopy) 사진도로서, 재결정화에 사용된 XeCl 엑시머 레이저의 에너지 밀도는 250mJ/㎠이며, 기판의 온도는 상온으로 유지하였으며, 마스킹 패턴의 크기와 간격은 각각 1㎛로 설정하였다. 본 SEM 사진으로부터 마스크를 통한 선택적 결정화가 성공적으로 수행되었음을 확인하였다. 비정질 실리콘은 세코 에치 방법에 의해 쉽게 제거되며, 따라서 도면의 어두운 부분(네 모퉁이 부분)은 비정질 실리콘 영역을 나타낸다.2 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph showing the microstructure of the polycrystalline silicon thin film after the upper amorphous silicon film 1 and the oxide film 2 are removed, and the energy of the XeCl excimer laser used for recrystallization. The density was 250 mJ / cm 2, the temperature of the substrate was maintained at room temperature, and the size and spacing of the masking pattern were set to 1 μm, respectively. From this SEM photograph it was confirmed that selective crystallization through the mask was performed successfully. Amorphous silicon is easily removed by the Saeco etch method, so that the darker portions (four corner portions) in the figure represent amorphous silicon regions.
첨부된 도면 도 3은 종래의 소자와 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 전달 특성 곡선을 도시한 것으로, 채널의 폭(width)과 길이(length)의 비(W/L, ㎛ 단위)를 10/10으로, 드레인 전압(VD)이 10V의 조건에서 게이트 전압(VG)에 따른 드레인 전류(ID)를 측정한 결과를 나타내고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 경우, 마스킹 패턴의 간격(a)과 마스킹 패턴의 크기(b)의 비(a/b, ㎛ 단위)를 각각 1/2, 2/2, 1/1, 2/1로 달리하여 측정하였다.3 is a diagram illustrating a transmission characteristic curve of a conventional device and a device according to an embodiment of the present invention, wherein a ratio of a width and a length of a channel (in W / L, μm) is shown. 10/10 shows the result of measuring the drain current I D according to the gate voltage V G under the condition that the drain voltage V D is 10V. In the case of the device according to an embodiment of the present invention, the ratio (a / b, μm unit) of the interval (a) of the masking pattern and the size (b) of the masking pattern is 1/2, 2/2, and 1/1, respectively. , 2/1 was measured differently.
전체적으로 고찰할 때, 본 발명에 따른 소자는 종래의 소자에 비해 누설전류는 비교적 큰 반면, 온(ON) 전류가 크다. 온 전류 특성의 개선은 다결정 실리콘 박막의 규칙적인 미세 구조에 기인하는 것으로, 마스킹 패턴의 크기와 간격에 따라 온 전류가 다르게 나타난다. 마스킹 패턴의 크기와 간격은 채널에서 비정질 실리콘 영역과 다결정 실리콘 영역이 차지하는 비에 직접적으로 관계된다. 이로부터 우수한 온 전류 특성을 갖기 위해서는 비정질 실리콘 영역의 비가 상대적으로 줄어들어야 함을 알 수 있다. 도면을 통해 마스킹 패턴의 크기와 간격이 각각 1㎛와 2㎛ 일 때 가장 좋은 전기적 특성을 가짐을 확인할 수 있다.Considering as a whole, the device according to the present invention has a relatively large leakage current, while a large ON current, compared to the conventional device. The improvement of the on current characteristics is due to the regular microstructure of the polycrystalline silicon thin film, and the on current varies according to the size and spacing of the masking pattern. The size and spacing of the masking patterns are directly related to the ratio of amorphous and polycrystalline silicon regions in the channel. From this, it can be seen that the ratio of the amorphous silicon region should be relatively reduced in order to have excellent on-current characteristics. Through the drawings, it can be seen that the masking pattern has the best electrical properties when the size and spacing are 1 μm and 2 μm, respectively.
누설전류의 증가는 재결정화를 위한 레이저 어닐링시 미세 결정 영역에서 결합 밀도가 증가함에 따라 나타난 현상으로 레이저의 에너지 밀도를 충분히 키워주면 높은 저항값을 갖는 비정질 영역의 채널을 가짐으로써 오프(OFF) 상태에서의 누설전류의 감소시키고자 하는 원래의 의도대로 누설전류를 감소시킬 수 있다.The increase in leakage current is a phenomenon caused by an increase in the bond density in the microcrystalline region during laser annealing for recrystallization. When the energy density of the laser is sufficiently increased, the leakage current is turned off by having a channel of an amorphous region having a high resistance value. It is possible to reduce the leakage current as originally intended to reduce the leakage current at.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
예를 들어, 전술한 실시예서는 광 마스크층으로 비정질 실리콘막을, 열흡수층으로 TEOS 산화막을, 레이저 광원으로 XeCl 엑시머 레이저를 각각 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위라면 변경이 가능하다.For example, in the above-described embodiment, the amorphous silicon film is used as the photo mask layer, the TEOS oxide film is used as the heat absorption layer, and the XeCl excimer laser is used as the laser light source, respectively. It is possible.
전술한 본 발명은 대면적에서 크고 규칙적으로 정렬된 다결정 박막의 그레인 영역에 의하여 양질의 온 전류 특성을 확보할 수 있는 효과가 있으며, 레이저 조건만 완전 용해 조건에 맞추어 준다면 남아 있는 비정질 실리콘 영역에 의해 누설 전류 감소의 효과도 얻을 수 있게 된다.The present invention described above has the effect of ensuring good on-current characteristics by the large and regular grain regions of the polycrystalline thin film arranged in a large area, and by the remaining amorphous silicon region if only the laser conditions are matched to the complete dissolution conditions. The effect of reducing leakage current can also be obtained.
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