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KR100740124B1 - 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents

다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100740124B1
KR100740124B1 KR1020060099926A KR20060099926A KR100740124B1 KR 100740124 B1 KR100740124 B1 KR 100740124B1 KR 1020060099926 A KR1020060099926 A KR 1020060099926A KR 20060099926 A KR20060099926 A KR 20060099926A KR 100740124 B1 KR100740124 B1 KR 100740124B1
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laser beam
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silicon thin
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한규완
류상길
김형식
보로노프 알렉산더
노철래
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Abstract

본 발명에 따른 레이저 어닐링 방법은 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔과 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 중첩 주사하여 기판상에 형성된 비정질 상태의 실리콘 박막을 다결정 상태의 실리콘 박막으로 변화시킨다. 이러한 방법에 의하여 저온 다결정화 공정의 결정화 효율을 증대시킬 수 있고, 결정의 균일도가 높고 결정의 크기가 일반적으로 알려진 방법보다 크게 형성할 수 있는 장점이 있다.
다결정, 실리콘, 트랜지스터, 레이저 어닐링, 연속발진레이저, 펄스 레이저

Description

다결정 실리콘 박막 트랜지스터 및 그 제조방법{Poly Silicon Thin Film Transistor and the Method Therefor}
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법의 레이저 빔 투시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법의 결정화 공정을 순서대로 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2d의 공정에 의하여 발생하는 겹침부(duplication)의 결정화 상태를 나타낸 개념도이다.
도 4는 808nm 파장의 레이저 빔에 대한 실리콘 결정의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 녹색 펄스 레이저 만을 사용한 경우와 녹색레이저를 CW LD 레이저를 함께 중첩하여 사용할 경우에 대하여 그 공정 효율을 비교하여 나타내는 그림이다.
도 6은 종래의 결정화 공정과 이에 의하여 제조된 실리콘 기판의 전자현미경 사진이다.
도 7의a 내지 도 7의 c는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실리콘 기판과 비교예에 따라 제조된 실리콘 기판의 표면을 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 8의 a와 도 8의 b는, 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 1회의 샷으로 결 정을 성장한 경우 제조된 결정의 크기를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 광학계를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 박막 트랜지스터의 단면을 나타내는 단면도이다.
본 발명은 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔을 중첩 조사하여 비정질상태의 실리콘 박막을 균일한 다결정 실리콘 박막으로 변화시키는 박막트랜지스터 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 첨단 표시장치로 각광받고 있는 평판표시장치 즉, 예를 들면 능동구동형 액정표시장치 (Active Matrix Liquid Crystal Display; AMLCD), 전자방출표시장치 (Electron Emission Display Device; FED) 또는 유기발광표시장치 (Organic Light Emitting Diode Display; OLED)에는 각 화소를 구동하기 위하여 박막트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 사용하고 있다.
이러한 TFT는 주로 실리콘을 사용하여 제조되며 이러한 실리콘은 비정질상태보다 다결정질상태로 제작될 경우 전계 효과 이동도가 높기 때문에 고속으로 평판표시장치를 구동할 수 있다.
그리고 평판표시장치에 사용되는 기판으로는 단결정 실리콘 기판이나 석영기판, 유리기판 또는 플라스틱 기판등이 사용될 수 있으나, 비용이 저렴하고 투명하 며 제작이 용이하다는 장점 때문에 유리 기판이 많이 사용되고 있다.
그러나 유리기판상에 형성된 비정질상태의 실리콘을 결정질 상태의 실리콘으로 변화시키기 위해서는 유리기판이 변형되지 않는 온도범위에서 결정화 열처리를 진행하여야만 한다.
이와 같이 낮은 온도에서 다결정 실리콘을 제조하는 기술(Low Temperature Polysilicon; LTPS)로는 레이저 어닐링 방법이 있다. 레이저 어닐링 방법은 제조 가격이 낮고 효율성이 높기 때문에 다른 저온 결정화 기술보다 우수한 것으로 알려져 있다.
일반적으로 레이저 어닐링 방법에서는 엑시머 레이저(Excimer Laser)를 주로 사용한다.
이러한 엑시머 레이저를 이용한 레이저 어닐링 방법은 사용하는 레이저 파장이 비정질 실리콘에서 높은 흡수율을 갖기 때문에 기판에 손상을 가하지 않고 짧은 시간 내에 비정질 실리콘을 가열하고 용융시켜 다결정 실리콘을 제조할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 엑시머 레이저를 이용한 레이저 어닐링 방법은 제조된 다결정 실리콘의 전자 이동도가 낮고, 전체 TFT의 균일성을 확보하기 어렵기 때문에 고품질의 평판표시장치에 사용되는 다결정 실리콘 TFT(Poly-Silicon Thin Film Transistor; p-Si TFT)를 제조하기에는 한계가 있다.
이러한 엑시머 레이저의 문제점을 개선하기 위한 방법으로 연속발진 레이저(Continuous Wave laser; CW 레이저)를 이용한 레이저 어닐링 방법이 알려져 있 다. 이러한 CW 레이저를 이용한 레이저 어닐링 방법은 레이저 주사 방향과 동일한 방향으로 결정립이 거의 존재하지 않는 결정을 형성시킬 수 있어서 높은 전자 이동도를 갖는 p-Si TFT를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 이 방법은 대면적에 균일한 다결정 실리콘을 제조하는 것이 용이하지 않으며, 실리콘 박막에 충분히 흡수 할 수 있는 파장의 CW 레이저를 출력할 수 있는 최대 파워가 한정되어 있어서 양산화 공정에 적용하기에는 한계가 있다는 문제가 있다.
또한 지금까지 알려진 레이저 어닐링 방법을 이용하여 대형 기판을 제작할 경우 레이저 빔을 입사시키면서 여러 번 주사(scan)하여 대형 기판 전면에 p-Si TFT를 제조하게 된다. 이때 최초 레이저 빔이 지나간 자리에 다시 레이저 빔의 일부가 겹쳐서 지나가게 되고 이와 같이 레이저 빔이 겹쳐진 부분은 이미 결정화된 실리콘이 다시 용융되어 2차 결정화가 일어나는 부분이 나타나게 된다. 이와 같이 레이저 빔이 일부 겹쳐져서 지나간 부분에 형성된 2차 결정된 다결정 실리콘은 2차 결정이 일어나지 않은 다결정 실리콘과는 다른 결정 특성을 나타나게 된다.
따라서 지금까지 알려진 레이저 열처리 기술을 이용하여 p-Si TFT를 제조할 경우 하나의 기판에 서로 다른 결정특성을 갖는 TFT를 형성하게 되고 이러한 특성을 갖는 p-Si TFT를 이용하여 평판표시소자를 제조할 경우 재결정된 다결정 실리콘을 따라 줄무늬(mura)와 같은 결점을 갖게 되는 문제점이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 적색부터 근적외선 영역의 연속 발진 레이저 빔과 가시광선에서부터 자외선 영역의 펄스 레이저 빔을 조합하여 기판상에 증착된 비정질 상태의 실리콘 박막을 다결정 상태의 실리콘 박막으로 변화시키는 TFT용 다결정 실리콘 박막을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 한 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법은 기판의 상부에 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계와; 상기 비정질 실리콘 층에 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔을 주사하여 비정질 실리콘 층을 예열하는 단계와; 상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 중첩하여 주사하여 상기 예열된 비정질 실리콘 층을 용융하는 단계와; 상기 펄스 레이저 빔의 주사를 중지하여 용융된 실리콘 층을 결정화 시키는 단계; 를 포함한다.
상기 레이저 빔들은 라인빔으로 형성할 수 있다.
상기 연속 발진 레이저 빔의 빔 폭(W1)은 상기 펄스 레이저 빔의 빔 폭(W2)보다 클 수 있다.
상기 연속 발진 레이저 빔의 출력은 상기 비정질 실리콘을 용융하는데 필요한 출력보다 낮을 수 있다.
상기 기판은 유리 또는 플라스틱으로 사용할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 기판과, 상기 기판의 상부에 형성되고 소스와 드레인 그리고 채널영역을 형성하는 반도체층과, 게이트 전극과, 상기 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하 며, 상기 반도체층은 다결정 실리콘 박막으로 이루어지며, 상기 다결정 실리콘 박막은 비정질 실리콘이 최초 결정화된 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 채널은 평균 10㎛ 이상일 수 있다.
상기 채널은 단일 결정립으로 이루어질 수 있다.
상기 다결정 실리콘 박막은 연속 발진 레이저와 펄스 레이저의 중첩 주사에 의한 레이저 어닐링 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법은 기판상에 형성된 비정질 실리콘 박막 상부에 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔을 주사하는 단계와; 상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 주기적으로 중첩하여 주사하는 단계를; 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법은 기판상에 형성된 비정질 실리콘 박막 상부에 연속 발진 레이저 빔을 빔 폭이 W1이 되도록 주사하고, 상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 펄스 레이저 빔을 빔 폭이 W2가 되도록 주기적으로 중첩하여 주사하며, 상기 W1이 상기 W2보다 큰 상태로 주사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화 시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 결정화 레이저 장치는 550~100nm 파장 영역의 펄스 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발진기와; 600~900nm 파장 영역의 연속 발진 레이저 빔을 발생시키는 제2레이저 발진기; 그리고 상기 제2레이저 발진기에서 발생된 연속 발진 레이저 빔과 상기 제1레이저 발진기에서 발생된 펄스 레이저 빔을 동시에 동일한 방향으로 하나의 주사면에 주사하는 레이저 광학계; 를 포함한다.
상기 제1 레이저 발진기는 532nm 파장을 발생시키는 녹색레이저 발진기를 사용할 수 있다.
상기 제2 레이저 발진기는 808nm파장을 발생시키는 LD레이저 발진기를 사용할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 TFT용 다결정 실리콘 기판의 제조방법의 한 가지 실시예로서 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔과 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 조합하여 기판상에 증착된 비정질 상태의 실리콘 박막을 다결정 상태의 실리콘 박막으로 변화시킨 경우를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법에 의한 레이저 빔의 투시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법은 비정질 실리콘 막(110)이 증착된 기판(100)에 CW 레이저(200)와 펄스 레이저(250)를 중첩(overlap)하여 조사한다.
CW 레이저(200)는 적색부터 근적외선 영역의 파장(600~900nm)을 사용하고 빔의 길이(L1)가 빔의 폭(W1)보다 긴 라인 빔(Line beam)을 사용하는 것이 바람직하다. 펄스 레이저(250)는 가시광 또는 이 보다 짧은 영역의 파장(550~100nm)를 사용하고 빔의 길이(L2)가 빔의 폭(W2)보다 긴 라인 빔(Line beam)을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 CW 레이저(200) 소스로는 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저)나 고체레이저 또는 기체레이저를 사용할 수 있다. LD레이저의 예로는 갈륨비소(GaAs) 레이저나, 화합물 반도체(GaAlAs, GaP, GaAlAsP)레이저가 있으며, 고체레이저의 예로는 ND:YAG 레이저와 Nd;YVO4 레이저가 있다.
또한 펄스 레이저(250) 소스로는 기체레이저나 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저) 또는 고체레이저를 사용할 수 있다. 기체레이저의 예로는 Ar레이저나, Kr레이저 그리고 CO2레이저가 있고, LD레이저의 예로는 갈륨비소(GaAs) 레이저나, 화합물 반도체(GaAlAs, GaP, GaAlAsP)레이저가 있으며, 고체레이저의 예로는 ND:YAG 레이저와 Nd;YVO4 레이저가 있다.
도1에서 나타나 있는 레이저 어닐링 방법은 CW 레이저(200) 소스로서 808nm의 파장을 갖는 반도체 레이저(Laser Diode; CW LD레이저)를 사용하고, 펄스 레이저(250) 소스로서 532nm의 파장을 갖는 녹색 레이저를 사용한 것을 예로 들어 설명한다.
도 1을 참고하면, 기판(100)상에 조사되는 레이저 빔은 CW LD 레이저의 폭(W1)과 길이(L1)는 녹색레이저의 폭(W2)과 길이(L2) 보다 크게 하는 것이 바람직하다.
그러면 도 1에 도시한 레이저 어닐링 방법에 대하여 도 2a-2d 및 도 3을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법의 결정화 공정을 순서대로 나타낸 개념도이고, 도 3은 1차로 중첩 레이저 빔을 주 사(scan)하여 비정질 실리콘이 결정화 된 다음, 2차로 중첩 레이저 빔을 주사한 경우, 레이저 빔이 두 번 주사된 겹침부(duplication)의 결정화 상태를 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시한 레이저 어닐링 방법은 CW LD 레이저 빔(210)과 녹색레이저 빔(260)이 각각 별도의 레이저 광원에서 발진하여 이동하는 기판(100)위의 비정질 실리콘 박막(110)층에 중첩되어 조사되고 있는 것을 나타내고 있다.
먼저, 도 2a(t=t0)를 참고하면, 비정질 실리콘 박막(110)층에 CW LD 레이저 빔(210)이 조사되어 단시간에 비정질 실리콘 박막(110)층을 가열한다. 이때 비정질 실리콘 박막(110)층에서의 온도 분포는 용융온도(T m) 이하에 머물고 있다. 따라서 CW LD 레이저 빔(210)이 입사된 비정질 실리콘 박막층 영역(230)은 가열되어 온도는 높지만 아직 고체 상태를 유지하게 된다.
다음, 도 2b(t=t1)를 참고하면, CW LD 레이저 빔(210)이 입사되고 있는 상태에서 녹색레이저 빔(260)이 비정질 실리콘 박막층(110)에 입사된다. 이때 비정질 실리콘 박막(110)층에서의 온도 분포는 CW LD 레이저 빔(210)이 입사되고 있는 영역(230)은 여전히 용융온도(T m) 이하에 머물고 있지만, 녹색레이저 빔(260)이 중첩되어 입사되고 있는 영역(231)에서는 용융온도(T m) 이상으로 올라가게 된다. 따라서 CW LD 레이저 빔(210)과 녹색레이저 빔(260)이 중첩되어 입사되어 비정질 실리콘 박막층 영역(231)은 용융되게 된다. 이러한 경우 비정질 실리콘 박막층 (110)은 입사된 녹색레이저 빔(260)에 의하여 용융될 뿐만이 아니라 CW LD 레이저 빔(210) 역시 용융된 비정질 실리콘 박막층 영역(231)에 의하여 그 흡수가 증가되 어 비정질 실리콘 박막층(110)은 기판(100)의 표면까지 완전히 용융되게 된다.
이어서, 도 2c(t=t2)를 참고하면, 계속해서 CW LD 레이저 빔(210)이 X 방향으로 이동하면서 입사되고 있는 상태에서 녹색레이저 빔(260)의 입사를 종료시킨다. 이때 비정질 실리콘 박막(110)층에서의 온도 분포는 CW LD 레이저 빔(210)이 X 방향으로 이동하는 방향으로 옮겨(shift)간다. 따라서, 완전히 용융된 실리콘 영역(232)에서부터 종방향(lateral)으로 결정이 성장하기 시작한다. 그러나 비록 녹색레이저 빔(260)이 종료되었지만, 지속적으로 CW LD 레이저 빔(210)이 입사되고 있으므로 용융된 실리콘 영역(232)은 CW LD 레이저 빔(210)을 흡수하여 그 냉각속도가 늦어지게 되어 성장하는 결정은 더욱 큰 결정으로 계속하여 성장하게 된다. 그리고 완전히 용융된 실리콘 영역(232)의 표면은 CW LD 레이저 빔(210)이 계속 입사되고 있으므로 얕은 깊이로 용융상태를 유지하게 된다. 또한 X 방향으로 이동한 CW LD 레이저 빔(210)은 새로이 입사하는 비정질 실리콘 영역(233)을 가열한다. 여기서 CW LD 레이저 빔(210)의 이동은 레이저 빔 자체를 이동하면서 주사할 수도 있고, 기판(100) 자체를 이동할 수도 있으나, 기판(100)자체를 이동시키는 것이 바람직하다.
계속해서, 도 2d(t=t3)를 참고하면, CW LD 레이저 빔(210)이 X 방향으로 수 마이크로 미터 정도 이동한 상태에서 새로이 녹색레이저 빔(260)을 입사시킨다. 이때 비정질 실리콘 박막(110)층에서의 온도 분포는 CW LD 레이저 빔(210)만 입사되는 영역(234)의 경우 용융온도(T m)에 근접하고, 새로이 녹색 레이저(260)가 입사된 영역(235)에서는 용융온도(T m) 이상으로 올라가게 된다. 이러한 온도 분포에 의하여 종방향으로 성장되는 결정(232)은 지속적으로 성장하게 된다.
그리고, 도 2e(t=t4)를 참고하면, 계속해서 CW LD 레이저 빔(210)이 X 방향으로 이동하면서 입사되고 있는 상태에서 또 다시 녹색레이저 빔(260)의 입사를 종료시킨다. 이상과 같이 도2a 내지 도 2e 과정을 연속적으로 진행하게 되면, 성장하는 결정(232)은 종방향으로 지속적으로 확장시켜 성장하게 된다.
도 3은 이미 결정화된 실리콘 층(110)에 다시 2차로 중첩 레이저 빔을 주사한 경우를 보여주며, 레이저 빔이 두 번 주사된 겹침부(120) 주변의 온도 분포를 함께 보여준다.
도 3을 보면, 겹침부(120)의 온도 분포는 실리콘의 용융온도(T m) 이하에 있으며, 레이저 빔이 겹치지 않은 2차 주사부(130)의 온도 분포는 용융온도(T m) 이상에 있다. 따라서 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법에 의하면 중첩 레이저 빔의 1차 주사에 의하여 이미 결정화된 실리콘은 다시 용융되지 않으며, 레이저 빔의 2차 주사에 의하여 아직 결정화 되지 않은 비정질 실리콘 영역(130)만 선택적으로 용융하여 결정화 할 수 있다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 의하면 비정질 실리콘 박막만을 선택적으로 결정화하는 것이 가능하다.
이하에서는 비정질 실리콘 박막만을 선택적으로 결정화되는 것에 대하여 좀 더 자세히 설명한다.
실리콘의 경우 그 결정조직의 상태(비정질, 결정질) 및 빛의 파장에 따라 레이저의 흡수율이 다르게 나타난다. 그 한 가지 예를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 808nm 파장의 레이저 빔에 대한 실리콘 결정의 흡수율을 나타내고 있 다. 여기서 λ 는 레이저 파장을, H는 비정질 박막(110)의 두께를, a-Si는 비정질 실리콘을, nc-Si는 나노크기의 결정립을 갖는 실리콘을, c-Si는 결정질 실리콘을 각각 나타내고 있다.
도 4를 보면, 결정상태에 관계없이 온도가 높아질수록 레이저 빔의 흡수율은 증가한다는 것을 알 수 있다. 그러나 동일한 온도에서 결정상태에 따라 레이저 빔의 흡수율에 많은 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 1000℃에서의 레이저 빔의 흡수율을 비교해 보면, 비정질 실리콘의 경우 60 이상의 흡수율을 나타내는 반면, 결정질 실리콘의 경우 20 이하의 흡수율을 나타내고 있다. 이것은 이미 결정화가 이루어진 실리콘의 경우 레이저 빔의 흡수율이 낮기 때문에, 레이저 빔이 겹쳐져서 조사되는 영역(120)에서는 이미 결정화 된 실리콘 영역은 빔이 흡수되지 않고 투과하게 되어 이미 결정화 된 실리콘 영역(120)은 용융과 응고를 반복하는 재결정이 이루어지지 않는 것이다. 이에 반하여 비정질 실리콘의 경우 레이저 빔의 흡수율이 높기 때문에 레이저 빔의 2차 주사시에는 결정화 되지 않은 비정질 실리콘 영역(130)만 선택적으로 가열이 되고 용융되어 결정화가 이루어지게 된다.
또한 이때 주사되는 녹색레이저는 그 에너지가 연속측면결정화 (Sequential Lateral Solidification; SLS)방법에서와 같이 녹색레이저 만을 사용하는 경우에 비하여 상대적으로 낮은 에너지만을 필요하게 된다. 따라서 중첩 레이저 빔을 이용하여 레이저 빔을 2차 주사할 경우에는 SLS 방법에서 녹색레이저 만을 이용하는 경우 보다 낮은 에너지의 녹색에너지를 입사하기 때문에 겹침부(120)에서 결정화된 실리콘이 용융되지 않게 된다. 이와 같이 중첩 레이저 빔을 사용할 경우에는 대면 적의 기판에 대하여 레이저빔을 왕복 주사하게 되더라도 레이저 빔이 겹쳐서 주사되는 부분(120)에서는 재용융되지 않게 되므로 결정화가 이루어 지지 않은 비정질 실리콘 층만에 대하여 선택적으로 결정화시키는 것이 가능하게 된다.
도 5는 녹색 펄스 레이저 만을 사용한 경우와 녹색레이저를 CW LD 레이저를 함께 중첩하여 사용할 경우에 대하여 그 공정 효율을 비교하여 나타낸 것이다.
도5를 보면, 녹색 레이저만을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화 할 경우 소요되는 펄스 레이저의 에너지를 100으로 보았을 때, 가열에 70% 정도가 소요되고 용융에 약 30%가 소요된다. 그러나 CW LD 레이저를 함께 중첩하여 녹색레이저를 이용할 경우 이때의 녹색레이저의 펄스 레이저 에너지는 녹색레이저 만을 사용한 경우에 비하여 약 50% 이하의 에너지만 소요되게 된다. 이 때 녹색레이저는 가열에 약 20% 정도의 에너지가 소요되며, 용융에 약 80%의 에너지가 소요되게 된다. 이것은 이미 중첩조사되는 CW LD 레이저가 비정질 실리콘을 가열시킨 상태이므로 함께 조사되는 녹색레이저의 에너지는 대부분 비정질 실리콘의 용융에 소비되게 된다.
비교를 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 중첩 레이저 빔을 사용하여 비정질 실리콘을 결정화 한 경우와 녹색레이저 만을 이용하여 SLS 방법으로 비정질 실리콘을 결정화한 실험예를 제시한다.
도 6은 유리기판에 100nm의 두께로 증착된 비정질 실리콘 박막을 532nm 파장의 펄스형 녹색 레이저만을 이용하여 SLS 방법으로 결정화시키는 과정과 이 결정화 과정에 의하여 제조된 실리콘 기판의 전자현미경 사진(SEM)을 나타내고 있다.
도 6을 보면, 녹색 레이저만을 사용하기 때문에 결정화를 위하여 다결정 실 리콘을 완전히 용융시킬 수 있을 정도의 높은 에너지가 필요하게 된다. 따라서 연속 주사에 의하여 비정질 영역(130)뿐만이 아니라 겹쳐진 영역(120)인 이미 결정화된 부분까지 다시 용융시키게 되고 이로 인하여 겹쳐진 영역(120)에서는 2차 결정이 일어나게 된다. 따라서 이 방법에 의하여 제조된 다결정 실리콘 박막은 최초 결정화 된 부분과 2차 결정이 일어난 부분이 명확하게 구분되는 줄무늬(mura)가 뚜렷하게 나타나고, 이로 인하여 기판의 전면적에 대하여 결정이 균일하지 않을 뿐만이 아니라, 표면 거칠기 또한 저하시키는 단점이 있다.
도 7의 a는 유리기판에 100nm의 두께로 증착된 비정질 실리콘 박막을 대상으로 왼쪽은 중첩 레이저 빔을 주사한 경우의 전자현미경 사진(SEM)을 나타낸 것이고, 오른쪽은 펄스형 녹색레이저 만을 주사한 경우의 전자현미경 사진(SEM)이다. 그리고 도7의 b는 도 7의 a에서 오른쪽 부분을 확대하여 나타낸 전자현미경 사진(SEM)이며, 도 7의 c는 도 7의 a에서 왼쪽 부분을 확대하여 나타낸 전자현미경 사진(SEM)이다. 여기서 도 7에 나타난 실시예의 실험조건은 다음과 같다. 도 7의 a에서 왼쪽 사진과 도 7의 c 는 808nm 파장의 CW LD레이저(CW Intensity; ~3KW/㎠)와 함께 532nm 파장의 펄스형 녹색 레이저(Pulse Fluence; ~1J/㎠)를 중첩하여 주사속도(scan speed)를 ~30mm/sec 으로 주사하여 실리콘 기판을 결정화 하였다. 그리고 도 7의 a에서 오른쪽 사진과 도 7의 b 는 532nm 파장의 펄스형 녹색 레이저(Pulse Fluence; ~1J/㎠)만을 주사속도(scan speed)를 ~30mm/sec 으로 주사하여 실리콘 기판을 결정화 하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 열처리 방법에 의하여 제조된 기판에서는 줄무늬가 나타나지 않는 반면, 녹색 레이저 만을 조사하여 결정화 시킨 기판에서는 줄무늬가 뚜렷이 관찰되었다.
도 8의 a는 본 발명의 실시예와 같은 중첩 레이저 빔을 1회의 샷(Shot)으로 주사한 경우에 대한 종방향 결정의 크기를 나타내는 전자현미경 사진(SEM)을 나타낸 것이고, 도 8의 b는 펄스형 녹색레이저 만을 1회의 샷으로 주사한 경우에 대한 종방향 결정의 크기를 나타낸 전자현미경 사진(SEM)이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법은 종래의 녹색 레이저만을 이용한 레이저 어닐링 방법보다 종방향 결정의 크기를 더욱 크게 성장시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 종래의 결정화 방법보다 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법은 높은 생산성을 구현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법을 이용하여 레이저 어닐링을 수행할 경우, 이미 결정화된 실리콘을 제외하고 비정질상태의 실리콘만을 선택적으로 결정화시킬 수 있기 때문에 주사(scan)에 의한 줄무늬(mura)와 같은 결함이 발생하지 않게 된다. 또한 선택적인 결정화가 가능하여 무한히 큰 결정을 성장시킬 수 있다. 여기에 더하여 종래의 SLS방법에 의하여 발생하는 하나의 결정입자와 인접한 결정입자가 성장하면서 서로 만나 결정입자의 경계면(grain boundary)을 최소화 할 수 있어서, 결정입계 때문에 발생하는 전자 또는 전공의 이동을 방해하는 현상을 최소화할 수 있다. 이로 인하여 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 다결정 실리콘 기판을 이용하여 TFT를 제조할 경우 대면적으로 균일하고 전자의 이동도가 큰 평판소자를 제조할 수 있다.
그러면 도 9를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어닐링 방법을 실행하기 위한 레이저 광학계를 설명한다.
도 9를 참고하면, 본 실시예의 레이저 광학계는 550~100nm 파장 영역의 펄스 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발진기(300)와 600~900nm파장 영역의 CW 레이저를 발생시키는 제2 레이저 발진기(350)를 포함한다.
제1 레이저 발진기(300)로는 기체레이저나 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저) 또는 고체레이저를 사용할 수 있다. 기체레이저의 예로는 Ar레이저나, Kr레이저 그리고 CO2레이저가 있고, LD레이저의 예로는 갈륨비소(GaAs) 레이저나, 화합물 반도체(GaAlAs, GaP, GaAlAsP)레이저가 있으며, 고체레이저의 예로는 ND:YAG 레이저와 Nd;YVO4 레이저가 있다.
그리고 제2 레이저 발진기(350)로는 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저)나 고체레이저 또는 기체레이저를 사용할 수 있다. LD레이저의 예로는 갈륨비소(GaAs) 레이저나, 화합물 반도체(GaAlAs, GaP, GaAlAsP)레이저가 있으며, 고체레이저의 예로는 ND:YAG 레이저와 Nd;YVO4 레이저가 있다.
제1 레이저 발진기(300)에서 발생된 펄스 레이저 빔은 광 감쇠기(301)에서 빔의 세기를 줄인 다음, 빔 확대기(302)에서 광량을 증폭시키고, 라인빔 생성기(303)에서 라인 빔으로 변형시킨 다음 집광렌즈(304)에서 빔을 집속하고 투사렌즈(305)에서 에너지 밀도를 높인 상태에서 스테이지(390)상에 장착된 기판(100)에 주사된다.
한편, 제2 레이저 발진지(350)에서 발생된 CW 레이저는 제2 라인빔 생성 기(352)에서 라인빔의 변형시킨 다음 투사렌즈(305)를 통하여 에너지 밀도를 높인 상태에서 필스 레이저 빔이 주사되는 기판(100)상에 중첩되어 주사된다.
그리고 스테이지(390)는 기판(100)을 장착한 상태에서 X축 방향이나 Y축 방향 그리고 필요에 따라 Z 축 방향으로 정밀하게 이동할 수 있는 장치이다.
도 9에서 미 설명 부호 309, 353은 빔의 경로를 변경시키는 거울을 나타내고 미 설명 부호 307, 354는 레이저 광학계를 구성하는 렌즈를 나타낸다. 그리고 도 9에 나타난 레이저 광학계는 본 발명의 한 실시예를 설명하기 위하여 개략적으로 나타낸 것이므로 통상적인 레이저 광학계를 구성하기 위해 필요한 장치들의 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 도 10을 참고하여 앞서 설명한 레이저 어닐링 방법 및 레이저 광학계를 이용하여 p-Si TFT를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, p-Si TFT를 제조하기 위한 기판(100)을 준비한다. 이러한 기판(100)으로는 바륨 붕규산유리나 알루미늄 붕규산유리 등과 같은 유리, 석영, 실리콘, 스테인레스 등과 같은 금속, 플라스틱을 사용할 수 있고 본 실시예의 처리 온도에 견딜 수 있는 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
다음, 기판(100) 상에 비정질 실리콘 박막(110)을 형성한다. 비정질 실리콘 박막은 통상의 알려진 방법(PECVD, LPCVD, 스퍼터링)으로 통상의 두께로 증착한다. 그리고 기판(100)의 종류에 따라서 기판(100)과 비정질 실리콘 박막(110)층 사이에는 버퍼층(105; 산화실리콘막, 질화규소막)이 형성될 수도 있다.
이어서, 도9에 나타난 레이저 광학계를 이용하여 비정질 실리콘 박막(110)에 대하여 레이저 어닐링을 실시한다.
이때 레이저 어닐링은 제1 레이저 발진기로는 532nm의 파장을 갖는 녹색 레이저를 사용하고, 제2 레이저 발진기로는 808nm의 파장을 갖는 CW LD레이저를 사용하여, 이들 레이저 빔을 중첩하여 비정질 실리콘 박막(110)상부에 조사한다. 레이저 어닐링이 실시되는 동안 스테이지(390)를 X 방향과 Y 방향으로 이동시켜 중첩 레이저 빔을 연속해서 주사한다.
이와 같은 방법으로 레이저 어닐링을 실시하면, 이미 결정화된 실리콘은 용융되지 않고, 비정질상태의 실리콘만을 선택적으로 결정화시킬 수 있다. 따라서 결정화 된 실리콘 박막층은 대부분 1차 결정화만 이루어진 상태로 존재하고, 레이저 어닐링의 조건 편차 등과 같은 공정 변수 의하여 2차 결정(결정화 된 실리콘 영역이 다시 용융 및 재결정화 한 것으로 비정질 실리콘에서 바로 결정화된 1차 결정화 된 부분과 결정학 적으로 구분되는 영역)이 발생하더라도 그 면적은 전체 기판 면적에 5% 이하가 된다.
이어서 결정화 된 실리콘 박막(110)을 사진식각법을 사용하여 패터닝처리를 하여 반도체층(150)을 형성한다.
이어서, 반도체층(150)의 상부에 게이트 절연막(160)을 형성한다. 이 때 게이트 절연막은 산화실리콘막이나 질화규소막과 같은 일반적으로 알려진 절연막을 일반적으로 알려진 방법과 일반적으로 알려진 두께로 형성한다.
이어서, 게이트 절연막(160)상부에 게이트 전극층을 형성한 다음 사진식각법 및 이온주입법 등으로 게이트 전극(170)과 반도체층(150)의 불순물 영역(150, 151) 과 채널 영역(232)을 순차적으로 형성한다. 후속하여 일반적으로 알려진 층간절연막 형성 공정과 콘택홀 형성 공정 및 메탈라이제이션 등의 후속 공정을 거침으로써 목적하는 p-Si TFT를 제조한다.
이상과 같이 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 p-Si TFT는 평판표시장치를 제조하는 적용된다. 이러한 평판표시장치로는 능동구동형 액정표시장치(AMLCD) 또는 유기발광표시장치 (OLED)가 있다. 본 발명의 한 실시예의 의하여 제조된 p-Si TFT는 이들 평판표시장치의 개별 화소를 구동하고 제어하는데 사용된다.
이상과 같이, 본 발명에서는 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔과 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 중첩하여 기판상에 형성된 비정질 상태의 실리콘 박막을 다결정 상태의 실리콘 박막으로 변화시키는 레이저 어닐링 방법을 구현한다.
본 발명의 실시예에 따라 레이저 어닐링을 실시할 경우 저온 다결정화 공정의 결정화 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 레이저 어닐링을 실시할 선택적 결정화에 의하여 1차 결정화만 이루어진 다결정 실리콘 층을 형성하므로 결정의 균일도가 높고 결정의 크기가 일반적으로 알려진 방법보다 크게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 p-Si TFT는 결정의 균일도가 높기 때문에 TFT의 성능을 균일화 할 수 있다. 이로 인하여 평판표시장치에서 SOP(System On a Panel)의 구현이 가능하다.
또한, 펄스 녹색 레이저의 경우 일반적으로 알려진 펄스 녹색 레이저보다 낮은 에너지를 사용할 수 있으므로 저가의 레이저를 사용하여 레이저 어닐링을 구현할 수 있다. 이로 인하여 경우 p-Si TFT 제작에 높은 생산성을 확보할 수 있고 생산비용을 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (24)

  1. 기판의 상부에 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘 층에 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔을 주사하여 비정질 실리콘 층을 예열하는 단계;
    상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 중첩하여 주사하여 상기 예열된 비정질 실리콘 층을 용융하는 단계;
    상기 펄스 레이저 빔의 주사를 중지하여 용융된 실리콘 층을 결정화 시키는 단계;
    를 포함하는 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 레이저 빔들은 라인빔인 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법.
  3. 제2항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔의 빔 폭(W1)은 상기 펄스 레이저 빔의 빔 폭(W2)보다 큰 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법.
  4. 제3항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔의 출력은 상기 비정질 실리콘을 용융하는데 필요한 출력보다 낮은 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 기판은 유리 또는 플라스틱인 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 제조방법.
  6. 기판,
    상기 기판의 상부에 형성되고 소스와 드레인 그리고 채널영역을 형성하는 반도체층,
    게이트 전극,
    상기 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 형성된 절연층,
    을 포함하며,
    상기 반도체층은 다결정 실리콘 박막으로 이루어지며, 상기 다결정 실리콘 박막은 비정질 실리콘이 최초 결정화된 다결정 실리콘으로 이루어진
    다결정 실리콘 박막 트랜지스터.
  7. 제6항에서,
    상기 채널은 평균 10㎛ 이상의 다결정 실리콘 결정립을 갖는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터.
  8. 제6항에서,
    상기 채널은 단일 결정립으로 이루어진 다결정 실리콘 박막 트랜지스터.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 다결정 실리콘 박막은 연속 발진 레이저와 펄스 레이저의 중첩 주사에 의한 레이저 어닐링 방법으로 형성된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터.
  10. 기판상에 형성된 비정질 실리콘 박막 상부에 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)의 연속 발진 레이저 빔을 주사하는 단계;
    상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)의 펄스 레이저 빔을 주기적으로 중첩하여 주사하는 단계;
    를 포함하는 레이저 어닐링 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 레이저 빔들은 라인빔인 레이저 어닐링 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔의 빔 폭(W1)은 상기 펄스 레이저 빔의 빔 폭(W2) 보다 큰 레이저 어닐링 방법.
  13. 제10항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔은 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저)나 고체레이저 또는 기체레이저 중 어느 하나의 레이저 장치에 의하여 발생되는 레이저 어닐링 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 LD 레이저는 갈륨비소(GaAs) 레이저나, 화합물 반도체(GaAlAs, GaP, GaAlAsP)레이저 중 어느 하나인 레이저 어닐링 방법.
  15. 제10항에서,
    상기 펄스 레이저 빔은 기체레이저나 반도체 레이저(Laser Diode; LD레이저) 또는 고체레이저 중 어느 하나의 장치에 의하여 발생되는 레이저 어닐링 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 기체레이저는 Ar레이저나, Kr레이저 또는 CO2레이저 중 어느 하나인 레이저 어닐링 방법.
  17. 기판상에 형성된 비정질 실리콘 박막 상부에 연속 발진 레이저 빔을 빔 폭이 W1이 되도록 주사하고,
    상기 기판상으로 주사되고 있는 상기 연속 발진 레이저 빔에 더하여 펄스 레이저 빔을 빔 폭이 W2가 되도록 주기적으로 중첩하여 주사하며,
    상기 W1이 상기 W2보다 큰 상태로 주사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화 시키는 레이저 어닐링 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔의 파장은 적색부터 근적외선 영역(600~900nm)인 레이저 어닐링 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 연속 발진 레이저 빔의 파장은 808nm이며 LD레이저에 의하여 발생되는 레이저 어닐링 방법.
  20. 제17항에서,
    상기 펄스 레이저 빔의 파장은 가시광선에서부터 자외선 영역(550~100nm)인 레이저 어닐링 방법.
  21. 제20항에서,
    상기 펄스 레이저 빔의 파장은 532nm이고 Ar레이저에 의하여 발생되는 레이 저 어닐링 방법.
  22. 550~100nm 파장 영역의 펄스 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발진기;
    600~900nm 파장 영역의 연속 발진 레이저 빔을 발생시키는 제2레이저 발진기;
    상기 제2레이저 발진기에서 발생된 연속 발진 레이저 빔과 상기 제1레이저 발진기에서 발생된 펄스 레이저 빔을 동시에 동일한 방향으로 하나의 주사면에 주사하는 레이저 광학계;
    를 포함하는 비정질 실리콘 박막의 결정화 레이저 장치.
  23. 제22항에서,
    상기 제1 레이저 발진기는 532nm 파장을 발생시키는 녹색레이저 발진기인 비정질 실리콘 박막의 결정화 레이저 장치.
  24. 제22항에서,
    상기 제2 레이저 발진기는 808nm파장을 발생시키는 LD레이저 발진기인 비정질 실리콘 박막의 결정화 레이저 장치.
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