KR100478758B1 - A method for crystallizing of an amorphous Si - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 비정질 선행막에 조사되는 레이저빔 에너지의 밀도가 강한 부분과 약한 부분으로 나누어지도록 하는 레이저 빔 마스크와 이를 이용한 폴리실리콘 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a crystallization method of silicon, and more particularly, to a laser beam mask and a method of forming polysilicon using the same, wherein the laser beam energy irradiated to the amorphous preceding film is divided into a strong portion and a weak portion.
본 발명에 따른 마스크는 레이저 빔이 투과되는 투과영역이 서로 다른 투과율을 가지도록 구성하여, 투과영역의 중앙부에 더 높은 에너지 밀도의 레이저가 조사되도록 한다.The mask according to the present invention is configured such that the transmission region through which the laser beam is transmitted has different transmittances, so that a laser of higher energy density is irradiated at the center of the transmission region.
이와 같이 하면, 상기 투과영역에 대응하는 실리콘층의 중앙부로 그레인(grain)이 더 성장하는 결과를 얻을 수 있다.In this way, grains grow further toward the center of the silicon layer corresponding to the transmission region.
따라서, 레이저 입사 펄스의 샷(shot)수와 스테이지(stage)의 이동횟수를 감소시켜 생산성을 향상시키고, 레이저(laser)입사에 의한 박막의 결함을 감소 시 킬 수 있다.Therefore, productivity can be improved by reducing the number of shots of the laser incident pulse and the number of stage movements, and the defects of the thin film due to laser incidence can be reduced.
Description
본 발명은 저온으로 폴리실리콘(poly silicon)을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 그레인(grain)의 측면성장을 유도하여 결정성장 길이를 길게하고 공정시간을 단축할 수 있는 결정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming polysilicon at low temperature, and more particularly, to a crystallization method capable of inducing grain lateral growth to lengthen crystal growth length and shortening processing time.
일반적으로, 실리콘은 결정상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다.In general, silicon may be classified into amorphous silicon and crystalline silicon according to a crystalline state.
비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막(thin film)을 형성하는 것이 가능하여, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 기판으로 사용하는 액정패널(liquid crystal panel)의 스위칭 소자(switching device)에 많이 사용한다.Amorphous silicon can be deposited at a low temperature to form a thin film, and is mainly used in switching devices of liquid crystal panels using glass having a low melting point as a substrate.
그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 액정패널 구동소자의 전기적 특성과 신뢰성 저하 및 표시소자 대면적화에 어려움이 있다.However, the amorphous silicon thin film has difficulty in deteriorating electrical characteristics and reliability of the liquid crystal panel driving device and increasing the display device large area.
대면적, 고정세 및 패널 영상구동회로, 일체형 랩탑컴퓨터(laptop computer), 벽걸이 TV용 액정표시소자의 상용화는 우수한 전기적 특성(예를 들면 높은 전계효과 이동도와 고주파 동작특성 및 낮은 누설전류(leakage current))의 화소 구동소자를 요구하며 이는 고품위 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)의 응용을 요구하고 있다.Commercialization of large-area, high-definition and panel image driving circuits, integrated laptop computers, and wall-mounted liquid crystal display devices has shown excellent electrical characteristics (e.g. high field effect mobility, high frequency operation characteristics and low leakage current). ), Which requires the application of high quality poly crystalline silicon.
특히, 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성은 결정립(grain)의 크기에 큰 영향을 받는다. 즉, 결정립의 크기가 증가함에 따라 전계효과 이동도도 따라 증가한다.In particular, the electrical properties of the polycrystalline silicon thin film are greatly influenced by the grain size. That is, as the grain size increases, the field effect mobility also increases.
따라서, 이러한 점을 고려하여 실리콘을 단결정화 하는 방법이 큰 이슈로 떠오르고 있으며, 최근 들어 에너지원을 레이저로 하여 실리콘 결정의 측면성장을 유도하여 거대한 단결정 실리콘을 제조하는 SLS(sequential lateral solidification)(측면성장 결정화)기술이 제안되었다.Therefore, the method of single crystallization of silicon has become a big issue in consideration of this point, and recently, the sequential lateral solidification (SLS), which manufactures huge single crystal silicon by inducing lateral growth of silicon crystals using an energy source as a laser, has been emerging. Growth crystallization) technology has been proposed.
상기 SLS 기술은 실리콘 그레인이 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 것으로, 레이저 에너지대의 강도와 레이저빔(laser beam)의 조사범위의 이동을 적절하게 조절하여, 실리콘 그레인을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로서 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것이다.The SLS technology takes advantage of the fact that the silicon grain grows in the direction perpendicular to the interface at the interface between the liquid silicon and the solid silicon, and by appropriately controlling the intensity of the laser energy band and the shift of the irradiation range of the laser beam. In this case, the amorphous silicon thin film is crystallized by lateral growth of silicon grain by a predetermined length.
이러한 SLS기술을 실현하기 위한 SLS 장비는 이하, 도 1에 도시한 바와 같다.SLS equipment for realizing such an SLS technology is as shown in FIG. 1 below.
상기 SLS 장비(32)는 레이저 빔(34)을 발생하는 레이저 발생장치(36)와, 상기 레이저 발생장치를 통해 방출된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(40)와, 기판(44)에 레이저 빔을 나누어 조사시키는 마스크(38)와, 상기 마스크(38)의 하부에 위치하여 상기 마스크를 통과한 레이저빔(34)을 일정한 비율로 축소하는 축소렌즈(42)로 구성된다.The SLS device 32 includes a laser generator 36 for generating a laser beam 34, a focusing lens 40 for focusing a laser beam emitted through the laser generator, and a laser beam on a substrate 44. The mask 38 for irradiating and dividing the light, and the reduction lens 42 positioned at the lower portion of the mask 38 to reduce the laser beam 34 passing through the mask at a constant ratio.
상기 레이저빔 발생장치(36)는 광원에서 가공되지 않은 레이저빔을 방출시키고, 어테뉴에이터(미도시)를 통과시켜 레이저빔의 에너지 크기를 조절하고, 상기 집속렌즈(40)를 통해 레이저 빔(34)을 조사하게 된다.The laser beam generator 36 emits an unprocessed laser beam from a light source, passes through an attenuator (not shown) to adjust the energy of the laser beam, and the laser beam 34 through the focusing lens 40. ).
상기 마스크(38)에 대응되는 위치에는 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판(44)이 고정된 X-Y스테이지(46)가 위치한다.The X-Y stage 46 to which the substrate 44 on which the amorphous silicon thin film is deposited is fixed is positioned at a position corresponding to the mask 38.
이때, 상기 기판(44)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(46)또는 마스크를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정영역을 확대해 나가는 방법을 사용한다.In this case, in order to crystallize all regions of the substrate 44, a method of enlarging the crystal region by moving the X-Y stage 46 or the mask slightly is used.
전술한 구성에서, 상기 마스크(38)는 상기 레이저 빔을 통과시키는 투과영역(A)과, 레이저 빔을 차단하는 차단영역(B)으로 구분된다.In the above-described configuration, the mask 38 is divided into a transmission region A for passing the laser beam and a blocking region B for blocking the laser beam.
전술한 바와 같은 SLS 결정화 장비를 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.A method of crystallizing silicon using the SLS crystallization equipment as described above will be described.
일반적으로, 결정질 실리콘은 상기 기판에 절연막인 버퍼층(buffer layer)(미도시)을 형성하고, 상기 버퍼층 상부에 비정질 선행 막을 증착 한 후에 이를 이용하여 형성한다. 상기 비정질 선행 막은 일반적으로 화학 기상증착법(CVD)등을 사용하여 기판에 증착하게 되며, 이는 박막 내에 수소(H)를 많이 함유하고 있다.In general, crystalline silicon is formed by forming a buffer layer (not shown) which is an insulating film on the substrate, and using an amorphous predecessor film on the buffer layer. The amorphous preceding film is generally deposited on a substrate using chemical vapor deposition (CVD) or the like, which contains a large amount of hydrogen (H) in the thin film.
상기 수소(H)는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정질 선행 막을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 거치는 것이 필요하다.Since the hydrogen (H) is characterized by leaving the thin film by heat, it is necessary to undergo a dehydrogenation process by primarily heat treating the amorphous preceding film.
왜냐하면, 수소를 미리 제거하지 않은 경우에는 결정박막의 표면이 매우 거칠어져 전기적으로 특성이 좋지 않기 때문이다.This is because if the hydrogen is not removed in advance, the surface of the crystal thin film becomes very rough and its electrical characteristics are poor.
도 2는 탈수소화 과정을 거치고 일부분이 결정화된 비정질 실리콘(52)막이 형성된 기판(54)이다. FIG. 2 is a substrate 54 in which an amorphous silicon 52 film is formed by undergoing dehydrogenation and partially crystallized.
도시한 바와 같이, 레이저 빔을 이용한 결정화는 기판(54)의 전 면적에 동시에 이루어 질 수 없다.As shown, crystallization using a laser beam cannot be simultaneously performed over the entire area of the substrate 54.
왜냐하면, 레이저 빔의 빔폭과 마스크(도 1의 38)의 크기가 제한되어 있기 때문에 대면적으로 갈수록 상기 하나의 마스크(도 1의 38)를 여러번 정렬하고, 그 때마다 결정화 과정을 반복함으로써 결정화가 이루어진다.Because the beam width of the laser beam and the size of the mask (38 in FIG. 1) are limited, the crystallization is performed by aligning the single mask (38 in FIG. 1) many times in large areas and repeating the crystallization process each time. Is done.
이때, 상기 단일 마스크의 축소면적(C)만큼 결정화된 영역을 한 블록(block)이라 정의하면, 상기 한 블록내의 결정화 또한 다차(多次)의 레이저 빔 조사를 통해 이루어진다.In this case, if a region crystallized by the reduced area C of the single mask is defined as one block, crystallization in the one block is also performed through multiple laser beam irradiation.
이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 종래의 제 1 예에 따른 비정질 실리콘 막의 결정화 공정을 설명한다.(종래의 예는 스캔 & 스텝(scan&step)방식으로 진행되며, 제 1 예의 특징은 상기 마스크에 구성된 투과영역의 너비가 레이저 빔 조사시 최대 성장하는 그레인의 길이의 2배 보다 크다.)The crystallization process of the amorphous silicon film according to the first conventional example will now be described with reference to FIGS. 3A to 3D. (The conventional example is performed by a scan & step method, and the feature of the first example is the mask. The width of the transmissive area configured in the laser beam is greater than twice the length of the maximum growing grain upon laser beam irradiation.)
이하, 도 3a 내지 도 3d는 상기 SLS 장비를 이용한 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 순서대로 도시한 도면이다.(이때, 한 블록 단위의 결정화를 예를 들어 설명하였다. 또한, 상기 마스크에는 3개의 슬릿이 형성되었다고 가정한다.)3A to 3D are diagrams sequentially illustrating a crystallization process of an amorphous silicon thin film using the SLS device. In this case, crystallization in units of blocks has been described as an example. In addition, three slits are provided in the mask. Assume that it was formed.)
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 투명한 절연 기판(52)상에 버퍼층(56)이 형성되고, 버퍼층(56)의 상부에는 비정질 실리콘층(58)이 형성된다.First, as shown in FIG. 3A, a buffer layer 56 is formed on a transparent insulating substrate 52, and an amorphous silicon layer 58 is formed on the buffer layer 56.
상기 버퍼층(58)은 실리콘 질화막(SiNX)과 실리콘 산화막(SiO2)을 포함하는 실리콘 절연물질 중 선택된 하나로 형성된다.The buffer layer 58 is formed of one selected from a silicon insulating material including a silicon nitride film (SiN X ) and a silicon oxide film (SiO 2 ).
상기 비정질 실리콘층은 수소를 포함한 것이기 때문에 결정화 하기전 탈수소화 공정을 반드시 진행한다. Since the amorphous silicon layer contains hydrogen, a dehydrogenation process is necessarily performed before crystallization.
상기 탈수소화 공정이 진행된 기판(52)의 상부에 마스크(38)를 위치시킨다. 상기 마스크(38)는 앞서 설명한 바와 같이 투과영역(A)과 차단영역(B)으로 구성된다.The mask 38 is positioned on the substrate 52 on which the dehydrogenation process is performed. As described above, the mask 38 includes a transmission area A and a blocking area B.
상기 마스크의 상부에서 레이저 빔을 1차 조사하게 되면, 조사된 레이저빔은 상기 마스크에 구성된 다수의 슬릿(투과 영역)(A)에 의해 나누어져 부분적으로 비정질 실리콘 박막(58)을 녹여 액상화한다. When the laser beam is first irradiated from the upper portion of the mask, the irradiated laser beam is divided by a plurality of slits (transmission regions) A formed in the mask to partially dissolve and liquefy the amorphous silicon thin film 58.
따라서, 상기 비정질 실리콘 박막(58)은 액상 실리콘 역역(E)과 고상 실리콘 영역(F)으로 나누어진다.Thus, the amorphous silicon thin film 58 is divided into a liquid silicon inverse region E and a solid silicon region F. As shown in FIG.
이와 같은 경우, 상기 레이저 에너지의 정도는 상기 비정질 실리콘 박막이 완전히 녹을 정도의 고 에너지 영역대(complete melting regime)를 사용한다.In this case, the degree of laser energy uses a high melting region (complete melting regime) such that the amorphous silicon thin film is completely melted.
상기 완전히 멜팅되어 액상화된 실리콘은 레이저 빔의 조사가 끝나면 고상 실리콘 영역(E)과 액상 실리콘 영역(F)의 계면(60a,60b)에서 실리콘 그레인이 측면 성장하게 된다.When the fully melted and liquefied silicon is irradiated with laser beam, the silicon grains are laterally grown at the interfaces 60a and 60b of the solid silicon region E and the liquid silicon region F.
따라서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 실리콘 그레인(61,62)의 측면성장이 진행된다. 그레인(61,62)의 측면성장은 상기 계면(60a,60b)에 대해 수직으로 일어난다. Therefore, as shown in FIG. 3B, the lateral growth of the silicon grains 61 and 62 proceeds. Lateral growth of grains 61 and 62 occurs perpendicular to the interfaces 60a and 60b.
일반적으로 레이저빔 조사공정으로 진행되는 결정성장의 길이는 일반적으로 1㎛∼1.5㎛의 길이로 성장하게 되며, 빔 패턴이 상기 그레인 성장길이의 두 배 보다 크다면, 도시한 바와 같이 상기 실리콘 영역의 양측 계면에서 각각 성장한 그레인(61,62)과 그레인이 근접하는 영역은 다수의 핵생성영역(미세 다결정 실리콘 입자영역)(H)이 존재하게 된다. In general, the length of crystal growth proceeded by a laser beam irradiation process is generally grown to a length of 1 μm to 1.5 μm, and if the beam pattern is larger than twice the grain growth length, as shown in FIG. In the regions where the grains 61 and 62 grown at both interfaces and the grains are adjacent, a plurality of nucleation regions (fine polycrystalline silicon particle regions) H exist.
전술한 바와 같은 1 차 레이저빔 조사를 통한 결정화 공정으로, 상기 마스크(도 3a의 38)에 구성한 투과 영역(도 3a의 A)의 수만큼 한블럭내에 부분적으로 결정화된 영역(E)이 발생한다.In the crystallization process through the first laser beam irradiation as described above, a partially crystallized region E is generated in one block by the number of transmission regions (A in FIG. 3A) configured in the mask 38 of FIG. 3A. .
다음으로, 도 3c는 레이저 빔을 2차 조사하여, 그레인이 성장한 모양을 도시한 도면이다.Next, FIG. 3C is a view showing a state in which grains are grown by irradiating a laser beam secondarily.
상기 1 차 레이저 빔 조사 후에, 상기 핵생성영역(도 3b의 H)을 기준으로 일측의 그레인의 측면성장 길이보다 작게 상기 X-Y 스테이지(도 1의 46) 또는 마스크를 수㎛ 이동한 후, 다시 2차 레이저빔 조사를 실시한다. After the primary laser beam irradiation, the XY stage (46 in FIG. 1) or the mask is moved several micrometers smaller than the lateral growth length of the grain on one side with respect to the nucleation region (H in FIG. 3B), and then again 2 Different laser beam irradiation is performed.
이때, 상기 마스크의 투과영역이 상기 핵 생성영역을 포함한 영역에 대응하여 구성되지 않는다면, 상기 그레인은 1차 레이저 빔 조사시 성장한 길이 이상으로 길게 성장시킬 수 없게 된다.In this case, if the transmission region of the mask is not configured to correspond to the region including the nucleation region, the grain cannot grow longer than the length grown during the first laser beam irradiation.
따라서, 상기 레이저 빔 패턴이 상기 핵 생성영역(도 3a의 H)을 포함하여 위치할 수 있도록 하기 위해 전술한 바와 같이, 상기 레이저 빔 패턴(마스크 패턴)을 상기 그레인의 측면성장 길이보다 작게 즉, 1 ㎛이하로 이동해야 한다.Therefore, as described above, the laser beam pattern (mask pattern) is smaller than the lateral growth length of the grain, so that the laser beam pattern may be located including the nucleation region (H in FIG. 3A). It should move below 1 μm.
그러므로, 상기 2 차 조사된 레이저빔에 닿은 실리콘 부분은 상기 결정영역의 상당 부분과 비정질 영역을 포함하며, 이 두 영역은 액상화 된 후 다시 결정화된다. Therefore, the portion of the silicon that hits the secondary irradiated laser beam includes a substantial portion of the crystal region and an amorphous region, which are liquefied and then crystallized again.
이때, 1 차 조사결과로 형성된 다결정 실리콘 영역의 실리콘 그레인(도 3a의 62)에 연속하여 실리콘 용융영역으로 그레인의 측면성장이 이루어진다.At this time, the lateral growth of the grain is formed in the silicon melting region in succession to the silicon grain (62 in FIG. 3A) of the polycrystalline silicon region formed as a result of the primary irradiation.
2 차 레이저빔 조사가 끝난 후의 실리콘 결정은 1 차 조사에 의해 성장한 제 1 그레인 영역(66)과 핵생성 영역(I)과 새로운 제 2 그레인 영역(70)으로 형성된다.After the secondary laser beam irradiation, the silicon crystal is formed of the first grain region 66, the nucleation region I, and the new second grain region 70 grown by the primary irradiation.
따라서, 전술한 바와 같은 공정을 다수 반복하여 도 3d에 도시한 바와 같이 한 블록에 해당하는 비정질 박막을 결정질 실리콘 박막(72)으로 형성할 수 있다.Therefore, the above-described process may be repeated a number of times to form an amorphous thin film corresponding to one block as the crystalline silicon thin film 72 as shown in FIG. 3D.
또한, 상기 블록단위의 결정화 공정을 반복하여, 큰 면적의 비정질 박막을 결정질 박막으로 형성할 수 있다.In addition, the crystallization process of the block unit may be repeated to form an amorphous thin film having a large area as a crystalline thin film.
이하, 도 4는 마스크에 의해 형상화된 레이저빔의 에너지 밀도(energy density)와, 그에 따른 비정질 실리콘의 결정화를 나타낸 도면이다.4 is a view showing an energy density of a laser beam shaped by a mask, and thus crystallization of amorphous silicon.
도시한 바와 같이, 상기 마스크(38)는 석영(quartz)과 같은 투명한 기판(10) 상부에 크롬(Cr) 또는 알루미늄(Al) 같은 불투명한 금속을 증착하고 부분적으로 패턴한다.As shown, the mask 38 deposits and partially patterns an opaque metal such as chromium (Cr) or aluminum (Al) on top of a transparent substrate 10 such as quartz.
상기 패턴된 박막층(12)은 차단 영역(B)이 되고, 차단영역(B)의 사이 영역은 투과영역(A)이 된다. The patterned thin film layer 12 becomes a blocking region B, and a region between the blocking regions B becomes a transmission region A. FIG.
이때, 상기 마스크(38)의 투과 영역(A)을 통과하는 레이저 빔의 에너지 밀도는 완전 멜팅 영역(complete melting )대의 에너지로서, 투과영역(A) 전체에 대해 모두 동일하다. At this time, the energy density of the laser beam passing through the transmission region A of the mask 38 is the energy of the complete melting region (complete melting), the same for all the transmission region (A).
이러한 에너지를 가지는 레이저 빔을 마스크를 통해 하부의 실리콘 박막에 조사하게 되면, 수십 ns의 레이저 펄스 지연 시간 후 최고의 온도에 도달 후 냉각되기 시작하여 레이저 빔 폭이 외곽부인 액상 실리콘 영역(E)과 고상 실리콘 영역(F)대의 양측 계면(60a,60b)에서 중심부쪽으로 결정(61,62)이 성장한다.When the laser beam having such energy is irradiated to the lower silicon thin film through the mask, after reaching the highest temperature after the laser pulse delay time of several tens of ns, it starts to cool, and the liquid silicon region (E) and the solid phase of which the laser beam width is the outer part Crystals 61 and 62 grow toward the center portion at both interfaces 60a and 60b of the silicon region F band.
이때, 중심부의 온도가 용융점 미만으로 과냉각될 때 발생하는 상기 핵 생성영역(H)의 성장에 의해 이러한 그레인의 측면성장 길이는 제한된다.At this time, the growth of the lateral growth of the grain is limited by the growth of the nucleation region H generated when the temperature of the center portion is subcooled below the melting point.
또한, 이러한 그레인 성장길이의 제한으로 인해 상기 마스크(38) 또는 스테이지(도 1의 46)가 여러번 미소 이동하여 결정화하는 공정을 반복해야 만이 원하는 길이의 그레인으로 이루어지는 결정층을 얻을 수 있다.In addition, due to the limitation of the grain growth length, a crystal layer made of grain having a desired length can be obtained only by repeating a process in which the mask 38 or the stage (46 in FIG. 1) is micro-migrated several times.
따라서, 원하는 면적의 결정화를 모두 이루기 위해서는, 상기 마스크(38) 또는 스테이지(도 1의 46)를 이동하는 총 소요시간이 전체 결정화 공정시간에 큰 비중을 차지하게 되어 공정 수율이 감소하는 원인이 된다.Therefore, in order to achieve all the crystallization of the desired area, the total time required for moving the mask 38 or the stage (46 in FIG. 1) occupies a large proportion of the total crystallization process time, which causes a decrease in process yield. .
그러나, 상기 핵생성 영역이 발생하는 시간을 지연시킬 수 있다면 상기 레이저 1 펄스에 의한 측면성장길이를 증가시킬 수 있다.However, if the time for generating the nucleation region can be delayed, the lateral growth length due to the laser 1 pulse can be increased.
이러한 방법으로, 온도 증가에 의해 핵 생성 시간 지연을 이루기 위해서는 레이저 펄스당 에너지 밀도를 증가시켜 빔폭 전체에 해당하는 비정질 실리콘 영역을 가열하는 방법을 생각할 수 있으나, 에너지 증가에 의한 박막의 응집에 의해 박막이 뜯겨나가는 문제가 있다.In this way, in order to achieve a nucleation time delay by increasing the temperature, a method of heating the amorphous silicon region corresponding to the entire beam width by increasing the energy density per laser pulse can be considered. There is this tearing-off problem.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 마스크의 투과 영역을 통과하는 에너지 밀도의 공간적 분포를 달리하도록 마스크의 구성을 새롭게 설계함으로써, 투과영역의 중앙부에 대응하여 발생하는 핵생성 시간을 지연시켜 상기 핵생성 영역만큼 그레인이 성장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve this problem, and by redesigning the configuration of the mask to change the spatial distribution of the energy density passing through the transmission region of the mask, delaying the nucleation time generated corresponding to the central portion of the transmission region. It is aimed to allow grain to grow as much as the nucleation region.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폴리실리콘 형성방법은 기판 상에 비정질 실리콘을 증착하여 비정질 선행막을 형성하는 단계와; 상기 비정질 선행막의 상부에 차단영역과 투과 영역으로 구성된 마스크를 위치시키는 단계와; 상기 마스크의 상부로 1 차 레이저 빔을 조사하여, 상기 투과 영역에 대응하는 비정질 실리콘층의 제 1 영역을 완전 용융하고 결정화하는 단계와; 상기 비정질 실리콘층의 상부에서, 상기 제 1 영역과 중첩되는 제 2 영역과 상기 투과 영역을 대응시키는 단계와; 상기 마스크의 상부로 2 차 레이저 빔을 조사하여, 상기 비정질 실리콘층의 제 2 영역을 완전 용융하여 결정화하는 단계를 포함하고, 상기 투과영역의 중앙부를 통과한 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 투과영역의 주변부를 통과한 레이저 빔의 에너지 밀도보다 높다.Polysilicon forming method according to the present invention for achieving the object as described above comprises the steps of depositing amorphous silicon on a substrate to form an amorphous preceding film; Placing a mask consisting of a blocking region and a transmitting region on an upper portion of the amorphous preceding film; Irradiating a primary laser beam onto the mask to completely melt and crystallize the first region of the amorphous silicon layer corresponding to the transmission region; Mapping a second region overlapping the first region and the transmission region on the amorphous silicon layer; Irradiating a secondary laser beam over the mask to completely melt and crystallize the second region of the amorphous silicon layer, wherein the energy density of the laser beam passing through the central portion of the transmission region is Higher than the energy density of the laser beam passing through the periphery.
경우에 따라서, 상기 폴리실리콘은 결정화를 여러번 반복하여 형성한다.In some cases, the polysilicon is formed by repeating crystallization several times.
상기 마스크의 차단 영역에는 기판 상에 불투명한 금속 패턴이 구성되고, 상기 투과영역의 일부에는 기판 보다 흡수 계수가 높고 금속패턴 보다 흡수 계수가 낮은 유전물질인 제 2 패턴이 구성되는 것을 특징으로 한다.An opaque metal pattern is formed on the substrate in the blocking region of the mask, and a second pattern, which is a dielectric material having a higher absorption coefficient than the substrate and a lower absorption coefficient than the metal pattern, is formed in a part of the transmission region.
상기 금속패턴은 알루미늄(Al) 또는 크롬(Cr)으로 형성한다.The metal pattern is formed of aluminum (Al) or chromium (Cr).
상기 비정질 실리콘의 결정화되는 영역은, 상기 용융 영역과 상기 용융 영역 양측의 비용융 영역의 계면 각각에서 상기 용융영역으로 결정이 성장하는 제 1 결정영역과 제 2 결정영역으로 구성된다.The region in which the amorphous silicon is crystallized is composed of a first crystal region and a second crystal region in which crystal grows from the interface between the melt region and the non-melt region on both sides of the melt region.
상기 마스크의 투과영역을 통과한 레이저빔은 비정질 실리콘을 완전히 녹일 수 있는 완전멜팅 영역대의 에너지 밀도를 가진다. 상기 제 2 영역과 상기 투과영역을 대응시키는 단계는, 상기 마스크를 이동하여 이루어진다.The laser beam passing through the transmission region of the mask has an energy density of the complete melting region to completely dissolve the amorphous silicon. The step of matching the second area with the transmission area is performed by moving the mask.
본 발명의 특징에 따른 레이저 빔 마스크는 투과영역과 차단영역으로 정의된 투명한 기판과; 상기 차단영역에 구성된 불투명한 금속 패턴인 제 1 패턴과; 상기 투과영역의 주변부에 구성되고, 상기 기판 보다 흡수계수가 높고 상기 금속 패턴보다 흡수 계수가 낮은 제 2 패턴을 포함하고, 상기 투과영역의 중앙부를 통과한 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 투과영역의 주변부를 통과한 레이저 빔의 에너지 밀도보다 높다.According to an aspect of the present invention, a laser beam mask includes: a transparent substrate defined as a transmission region and a blocking region; A first pattern which is an opaque metal pattern formed in the blocking region; A second pattern configured at a periphery of the transmission region, the second pattern having an absorption coefficient higher than that of the substrate and having an absorption coefficient lower than that of the metal pattern, wherein an energy density of the laser beam passing through the central portion of the transmission region is at the periphery of the transmission region; It is higher than the energy density of the laser beam passing through.
상기 제 2 패턴은 유전체(dielectric materal)로 구성된다.The second pattern is composed of a dielectric materal.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 폴리실리콘 결정화 방법(SLS 결정화 방법)을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, a polysilicon crystallization method (SLS crystallization method) according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
-- 실시예 --Example
도 5는 본 발명에 따라 제작된 마스크와 그에 따른 레이저 빔의 에너지 밀도 분포를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an energy density distribution of a mask manufactured according to the present invention and a laser beam according thereto.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 빔 마스크(M)는 석영과 같은 투명한 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 부분적으로 크롬(Cr), 알루미늄(Al)과 같은 불투명한 금속물질을 증착하고 패턴하여 제 1 패턴(102)을 형성한다.As shown, the laser beam mask M according to the present invention is a transparent substrate 100, such as quartz, and an opaque metal material such as chromium (Cr), aluminum (Al) partially on the substrate 100 Is deposited and patterned to form a first pattern 102.
상기 제 1 패턴은 마스크(M)에서 차단 영역(B)이 된다.The first pattern becomes a blocking region B in the mask M. FIG.
다음으로, 상기 각 차단영역(B)의 사이 영역인 투과 영역(A)의 일부 영역에 대응하여 상기 기판(100)보다는 흡수 계수가 크고 불투명한 금속보다는 흡수 계수가 작은 유전 물질(dielectric material)로 제 2 패턴(104)을 형성한다.Next, a dielectric material having a larger absorption coefficient than the substrate 100 and a smaller absorption coefficient than an opaque metal may correspond to a partial region of the transmission region A, which is an area between the blocking regions B. The second pattern 104 is formed.
상기 제 2 패턴(104)은 제 1 패턴(102)의 상부에 증착되어 패턴되므로, 차단 영역(B)의 전부와 투과 영역(A)의 일부를 덮는 형태로 형성된다.Since the second pattern 104 is deposited and patterned on the first pattern 102, the second pattern 104 is formed to cover the entirety of the blocking region B and a part of the transmission region A. FIG.
이때, 경우에 따라서 제 1 패턴(102)과 제 2 패턴(104)은 순서를 바꾸어 형성하여도 된다.At this time, the first pattern 102 and the second pattern 104 may be formed in reverse order.
전술한 바와 같이 제작된 마스크(M)의 상부로 레이저 빔(laser beam)을 조사하게 되면, 상기 투과 영역(A)을 통과한 레이저 빔 에너지 밀도의 공간적 분포(D)는 투과 영역(A)의 중심부에 해당하는 부분의 에너지 밀도(D1)가 제일 높고, 투과 영역의 주변에 대응하는 부분의 에너지 밀도(D2)는 낮아지도록 조절된다.When the laser beam is irradiated to the upper portion of the mask M manufactured as described above, the spatial distribution D of the laser beam energy density passing through the transmission region A is determined by The energy density D1 of the portion corresponding to the center portion is the highest, and the energy density D2 of the portion corresponding to the periphery of the transmission region is adjusted to be lower.
이때, D1,D2에 해당하는 에너지 밀도는 모두 완전 멜팅 영역대의 에너지 밀도에 해당한다.In this case, the energy densities corresponding to D1 and D2 correspond to the energy densities of the complete melting region.
예를 들어, 약 300Å의 비정질 실리콘을 완전멜팅 하기위해 필요한 레이저 빔의 에너지밀도는 350mJ~500mJ 사이에 해당한다면, 상기 D1과 D2는 이 범위내에서 정해지는 것이다.For example, if the energy density of the laser beam required to fully melt amorphous silicon of about 300 mW is between 350 mJ and 500 mJ, the D1 and D2 are determined within this range.
전술한 바와 같이 인위적 공간 분포를 가지는 레이저 빔이 조사된 비정질 실리콘 영역은 시간에 따라 종래와는 다른 결정화 공정을 겪게 된다.As described above, the amorphous silicon region irradiated with the laser beam having the artificial spatial distribution undergoes a crystallization process different from the conventional one with time.
이하, 도 6을 참조하여 설명한다.A description with reference to FIG. 6 is as follows.
도 6은 본 발명에 따른 공간적 분포를 가지는 레이저 빔이 조사되었을 때, 시간에 따른 결정화 공정을 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a crystallization process with respect to time when a laser beam having a spatial distribution according to the present invention is irradiated.
도시한 바와 같이, 레이저 빔이 조사되면 th의 시간에서 비정질 실리콘은 완전 용융된다.As shown, the amorphous silicon melts completely at the time of th when the laser beam is irradiated.
종래에 따른 그래프(G)를 보면 상기 th의 시간으로부터 냉각되어 t1일 때 핵생성이 발생하기 시작한다.Referring to the graph G according to the related art, nucleation starts to occur when t1 is cooled from the time of th.
그러나, 본 발명에 따른 레이저 빔 분포에 따른 그래프(M)를 보면 상기 핵생성 시간을 t1에서 t2로 지연시키는 효과가 있다.However, looking at the graph (M) according to the laser beam distribution according to the present invention has the effect of delaying the nucleation time from t1 to t2.
이는 수십 ns의 펄스 지연 시간을 가지는 레이저 펄스가 입사할 때의 현상이 평형에서 크게 벗어나 있으므로 가능하다.This is possible because the phenomenon when a laser pulse with a pulse delay time of several tens of ns is incident is greatly out of balance.
따라서, 최고점 온도(th)에 도달 후 측면성장 하기 시작하는 길이는, 재 응고 고상/액상 계면의 이동속도가 v 라 할때 종래의 v(t1-th)에서, v(t2-th)로 증가하는 결과를 얻을 수 있다.Therefore, the length at which side growth starts after reaching the peak temperature (th) increases from v (t1-th) to v (t2-th) when the moving speed of the resolidification solid phase / liquid interface is v. You can get the result.
이를 이용하면 레이저 1 펄스에 의한 측면 성장 길이를 증가시킬 수 있다.This can be used to increase the lateral growth length by one laser pulse.
따라서, 동일한 최종 그레인 길이라도 레이저 빔의 펄스 수를 줄일 수 있고, 상기 도 1에서 설명하였던 스테이지의 이동(마스크의 이동 수)을 줄일 수 있다.Therefore, even the same final grain length can reduce the number of pulses of the laser beam, and can reduce the movement of the stage (number of movements of the mask) described in FIG.
전술한 바와 같은 구성으로 제작된 마스크를 이용한 본 발명에 따른 측면 성장 결정화 공정을 이하 도면을 참조하여 설명한다.The lateral growth crystallization process according to the present invention using a mask fabricated as described above will be described below with reference to the accompanying drawings.
도 7a 와 도 7b는 본 발명에 따른 측면 성장 결정화 공정을 순서대로 도시한 도면이다.7A and 7B are diagrams sequentially illustrating a lateral growth crystallization process according to the present invention.
먼저, 도 7a에 도시한 바와 같이 투명한 절연기판(300)상에 버퍼층(302)을 형성하고, 상기 버퍼층의 상부에 비정질 실리콘(a-Si:H)층(304)을 형성한다.First, as shown in FIG. 7A, a buffer layer 302 is formed on a transparent insulating substrate 300, and an amorphous silicon (a-Si: H) layer 304 is formed on the buffer layer.
상기 버퍼층(302)은 질화 실리콘(SiNX)과 산화 실리콘(SiO2)을 포함하는 실리콘 절연물질그룹 중 선택된 하나로 형성한다.The buffer layer 302 is formed of one selected from the group of silicon insulating materials including silicon nitride (SiN X ) and silicon oxide (SiO 2 ).
연속하여, 상기 비정질 박막층에 포함된 수소(H)를 제거하는 탈수소화 공정을 진행한다.Subsequently, a dehydrogenation process for removing hydrogen (H) contained in the amorphous thin film layer is performed.
상기 탈수소화 공정이 진행된 비정질 실리콘층(304)의 상부에 투과 영역(A)과 차단 영역(B)으로 구성된 마스크(M)를 위치시킨다.The mask M including the transmission region A and the blocking region B is positioned on the amorphous silicon layer 304 subjected to the dehydrogenation process.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 차단 영역(B)에는 크롬(Cr)또는 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속을 증착하고 패턴한 제 1 패턴(306)이 구성되고, 상기 차단 영역(B)과 투과 영역(A)의 일부에 걸쳐 유전물질을 증착하여 패턴한 제 2 패턴(308)을 형성한다.As described above, the blocking region B includes a first pattern 306 formed by depositing and patterning an opaque metal such as chromium (Cr) or aluminum (Al), and the blocking region B and the transparent region ( A dielectric pattern is deposited over a portion of A) to form a patterned second pattern 308.
상기와 마스크(M)의 상부로 레이저 빔을 조사하면, 상기 마스크(M)의 투과 영역(A)을 통과한 레이저 빔 폭은 서로 다른 에너지 밀도를 가지고 상기 비정질 실리콘을 용융하게 된다.When the laser beam is irradiated to the upper portion of the mask M, the laser beam width passing through the transmission region A of the mask M has different energy densities and melts the amorphous silicon.
이때, 상기 투과 영역(A)의 중앙부(A1)와 주변부(A2)에 해당하는 비정질 실리콘 영역은 모두 완전 멜팅되나 이때 투과 영역(A)의 중앙부(A1)에 해당하는 비정질 실리콘 영역에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 더 높다.In this case, all of the amorphous silicon regions corresponding to the central portion A1 and the peripheral portion A2 of the transmission region A are completely melted, but at this time, the laser is irradiated to the amorphous silicon region corresponding to the central portion A1 of the transmission region A. The energy density of the beam is higher.
상기와 같은 레이저 빔이 조사되어, 비정질 실리층(304)은 부분적으로 완전 용융됨과 동시에 냉각된다.The laser beam as described above is irradiated so that the amorphous silicide layer 304 is partially melted and cooled at the same time.
따라서, 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 액상 영역(E)과 고상 영역(F)의 양측 계면(310a,310b)으로부터 그레인(312a,312b)이 성장하게 된다.Therefore, as shown in FIG. 7B, grains 312a and 312b grow from both interfaces 310a and 310b of the liquid phase region E and the solid state region F. As shown in FIG.
이때, 마스크 투과 영역의 중앙부(도 7a의 A1)에 해당하는 부분은 온도가 높기 때문에 냉각시간이 지연되어 핵생성 시간이 지연된다.At this time, the portion corresponding to the center portion (A1 in FIG. 7A) of the mask transmission region has a high temperature, so that the cooling time is delayed and the nucleation time is delayed.
양측으로부터 성장한 그레인(312a,312b)은 계속 성장하여 서로 부딪히면서 성장을 멈추게 된다.The grains 312a and 312b grown from both sides continue to grow and hit each other to stop growth.
따라서, 각 액상 영역(E)마다 제 1 결정영역(J1)과 제 2 결정영역(J2)으로 이루어지는 결정영역을 얻을 수 있다.Therefore, a crystal region composed of the first crystal region J1 and the second crystal region J2 can be obtained for each liquid region E. FIG.
결과적으로, 기존에 비해 레이저 빔의 한 펄스에 대해 더 길게 성장한 그레인을 얻을 수 있다.As a result, grains grown longer for one pulse of the laser beam can be obtained.
이후 공정은 앞서 설명한 도 3c 내지 도 3d에서 설명한 공정과 동일하므로 이를 생략한다.Since the process is the same as the process described in Figures 3c to 3d described above it will be omitted.
전술한 바와 같은 공정을 통해 본 발명에 따른 마스크를 이용하여 측면 성장 결정화된 폴리실리콘층을 형성할 수 있다.Through the process as described above, it is possible to form the lateral growth crystallized polysilicon layer using the mask according to the present invention.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 빔 마스크를 이용하여 폴리 실리콘층을 형성하게 되면, 종래에 비해 한 펄스의 레이저 빔에 대해 더 길게 성장한 그레인을 얻을 수 있기 때문에 레이저 빔의 샷수와 마스크의 이동 횟수를 줄일 수 있다. Therefore, when the polysilicon layer is formed using the laser beam mask according to the present invention, grains grown longer with respect to a laser beam of one pulse can be obtained than in the prior art, thereby reducing the number of shots of the laser beam and the number of mask movements. Can be.
따라서, 공정시간 단축으로 인한 수율 개선효과가 있다. Therefore, there is an effect of improving the yield due to shortening the process time.
도 1은 측면 성장 결정화된 폴리실리콘층을 형성하기 위한 레이저 빔 발생장치를 개략적으로 도시한 도면이고,1 is a view schematically showing a laser beam generator for forming a lateral growth crystallized polysilicon layer,
도 2는 결정화가 일부 진행된 기판을 도시한 도면이고,2 is a view showing a substrate that is partially crystallized,
도 3a 내지 도 3c는 종래에 따른 측면 성장 결정화 방법을 공정 순서에 따라 도시한 공정 단면도이고,3A to 3C are cross-sectional views illustrating a conventional method of crystallizing lateral growth according to a process sequence;
도 4는 종래의 마스크에 따른 레이저 빔의 에너지 밀도 분포와 그에 따라 결정화된 상태를 도시한 도면이고,4 is a view showing an energy density distribution and a crystallized state of a laser beam according to a conventional mask,
도 5는 본 발명에 따른 마스크와, 그에 따른 레이저 빔의 에너지 밀도 분포를 나타낸 도면이고,5 is a view showing an energy density distribution of a mask according to the present invention, and a laser beam according thereto,
도 6은 시간에 따른 결정화 과정을 종래와 본 발명으로 비교한 그래프이고,6 is a graph comparing the crystallization process with time according to the present invention,
도 7a 와 도 7b는 본 발명에 따른 측면 성장 결정화 공정을 도시한 도면이다.7A and 7B illustrate a side growth crystallization process according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 투명한 기판 102 : 불투명한 제 1 패턴100: transparent substrate 102: opaque first pattern
104 : 유전물질로 형성된 제 2 패턴104: second pattern formed of a dielectric material
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