KR100482163B1 - 마스크와 이를 이용한 실리콘 결정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 그레인(grain)의 측면성장을 유도하는 방법(SLS : Sequential Lateral Solidification)에 사용되는 마스크의 구성과 이러한 마스크를 이용한 실리콘 결정화 방법에 관한 것이다.

본 발명은 SLS 방법으로 실리콘을 결정화하기 위해 사용하는 마스크의 설계를 변형하여, 기존의 2샷 방식으로 형성한 결정 영역을 1샷만으로 결정화가 진행되도록 한다.

이때, 투과영역과 차단영역으로 구성된 마스크의 구성 중 차단영역의 폭(평면적으로 세로길이)은 (1 샷당 성장한 그레인의 길이-(마스크의 투과영역의 폭/2))*2로 설계한다.

이와 같이 마스크를 구성하게 되면, 종래의 2샷방식에 비해 공정 시간을 대폭 절약할 수 있는 효과가 있다.

Description

마스크와 이를 이용한 실리콘 결정화방법 {MASK and method for crystallizing Si using the same}

본 발명은 저온으로 폴리실리콘(poly silicon)을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 그레인(grain)의 측면성장을 유도하는 결정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘은 결정상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다.

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.

그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 액정패널 구동소자의 전기적 특성과 신뢰성 저하 및 표시소자 대면적화에 어려움이 있다.

대면적, 고정세 및 패널 영상구동회로, 일체형 랩탑컴퓨터(laptop computer), 벽걸이 TV용 액정표시소자의 상용화는 우수한 전기적 특성(예를 들면 높은 전계효과 이동도(30㎠/VS)와 고주파 동작특성 및 낮은 누설전류(leakage current))의 화소 구동소자를 요구하며 이는 고품위 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)의 응용을 요구하고 있다.

특히, 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성은 결정립(grain)의 크기에 큰 영향을 받는다. 즉, 결정립의 크기가 증가함에 따라 전계효과 이동도도 따라 증가한다.

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)(연속적인 측면 고상화라함.)기술이 국제특허 "WO 97/45827"과 한국 공개특허"2001-004129"에 제안되었다.

상기 SLS 기술은 실리콘 그레인이 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 것으로, 레이저 에너지의 크기와 레이저빔(laser beam)의 조사범위의 이동을 적절하게 조절하여 실리콘 그레인을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로서 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것이다.

이러한 SLS기술을 실현하기 위한 SLS 장비는 이하, 도 1에 도시한 바와 같다.

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 상, 하부에 위치하여 상기 마스크를 통과한 레이저빔(34)을 일정한 비율로 축소하는 축소렌즈(42)로 구성된다.

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.

상기 마스크(38)에 대응되는 위치에는 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판(44)이 고정된 X-Y스테이지(46)가 위치한다.

이때, 상기 기판(44)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(46)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정영역을 확대해 나가는 방법을 사용한다.

전술한 구성에서, 상기 마스크(38)는 상기 레이저 빔을 통과시키는 투과영역(A)과, 레이저 빔을 차단하는 차단영역(B)으로 구분된다.

상기 차단영역(B)의 너비(투과영역 사이의 거리)는 그레인의 측면성장 길이를 결정한다.

전술한 바와 같은 종래의 SLS 결정화 장비를 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.

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 수소를 많이 함유하고 있다.

상기 수소는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정질 선행 막을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 거치는 것이 필요하다.

왜냐하면, 수소를 미리 제거하지 않은 경우에는 결정박막의 표면이 매우 거칠어져 전기적으로 특성이 좋지 않기 때문이다.

도 2는 탈수소화 과정을 거치고 일부분이 결정화된 비정질 실리콘(52)막이 형성된 기판(54)이다.

도시한 바와 같이, 레이저 빔을 이용한 결정화는 기판(54)의 전 면적을 동시에 결정화 할 수 없다.

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.

이때, 상기 단일 마스크의 축소면적(C)만큼 결정화 된 영역을 한 블록이라 정의하면, 상기 한 블록내의 결정화 또한 다차(多次)의 레이저 빔 조사를 통해 이루어진다.

도 3은 종래의 2샷 방식을 이용한 결정화 공정을 위한 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 마스크(60)에 패턴된 투과영역(G)과 차단영역(H)의 모양을 가로방향의 스트라이프 형태가 되도록 구성하여 결정화 공정을 진행한다.

이때, 상기 투과영역(G)의 세로길이(즉, 빔 패턴의 너비)는 한번의 레이저 조사공정에 의해 성장하는 그레인의 최대성장 길이의 두 배의 길이보다 작은 길이를 가지도록 구성하고, 상기 차단영역(H)의 세로길이(빔 패턴의 간격)는 투과영역의 세로길이 보다 약간 작게 구성한다.

이와 같이 하면, 1차 레이저빔을 조사하였을 경우, 용융영역에서는 비정질 실리콘층의 양측 계면에서 그레인이 각각 측면 성장하게 되고, 각 측면성장한 그레인(grain)의 바운더리(boundary)가 충돌하면서 성장이 멈추게 된다.

왜냐하면, 상기 빔 패턴의 너비가 한번의 레이저 조사 공정으로 이루어진 그레인의 최대성장길이의 두배 또는 그 이하의 길이가 된다면 투과영역에 대응한 부분에 핵생성 영역이 존재하지 않기 때문이다.

결정화 공정 중, 상기 마스크(60)를 통과하여 상기 축소렌즈(도 1의 42)에 의해 축소된 빔 패턴은 X축으로 움직이며 결정화를 진행한다. 이때 상기 이동경로는 상기 마스크(60)의 가로방향의 길이만큼 즉, 상기 렌즈에 의해 축소된 패턴의 가로길이 만큼 ㎜단위로 이동하며 결정화 공정을 진행한다.

따라서, 상기 마스크 또는 X-Y스테이지의 X 방향으로의 움직임의 범위가 커지므로 결정화를 위한 공정시간을 단축할 수 있다.

이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여, 종래에 따른 결정화 방법을 상세히 설명한다.

도 4a 내지 도 4d는 종래에 따른 폴리실리콘 결정화 공정을 도시한 공정 평면도이다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 마스크(60)를 기판(62)상에 위치시키고 1차 레이저빔 조사하여, 투명한 절연기판(62)에 증착된 비정질 실리콘막의 결정화를 진행한다.

이때, 상기 마스크를 통한 빔패턴의 세로길이는 그레인의 최대 측면성장 길이(그레인의 길이)(D)의 두 배 또는 그 이하로 한다.

결정화된 영역은 상기 마스크의 투과영역(도 3의 G)에 대응하는 부분이며, 마스크의 투과영역이 3개라고 가정한다면, 결정화 영역 또한 가로방향으로 소정의 길이를 가지는 3개의 결정영역(I,J,K)이 형성될 것이다.

이때, 결정영역(I,J,K)내에서의 결정화 상태를 설명하면, 상기 레이저를 통해 완전히 녹아버린 비정질 실리콘의 용액이 상기 녹지 않은 양측의 비정질 실리콘을 씨드(seed)로 하여, 평면적으로는 상부와 하부로 부터 그레인(66a, 66b)이 각각 자라게 되며, 상기 각 그레인의 바운더리가 도시한 바와 같이 점선(64)부근에서 만나게 된다.

이때, 열전도에 의해 마스크(100)의 차단영역(B)에 대응하는 일부 영역(a)까지 결정화가 진행된다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 1차 결정화가 완료되면, 상기 기판(62)이 놓여진 스테이지(미도시)를 상기 축소된 마스크 패턴(빔패턴)의 가로 길이(E)보다 작게 ㎜단위로 이동한 후, 2차 레이저빔을 조사하여 연속적으로 X축 방향으로의 결정화를 진행한다.

다음으로, 도 4c에 도시한 바와 같이, X축 방향으로의 결정화가 모두 이루어 졌다면, 상기 마스크(60)가 움직일 경우에는 Y축으로, 상기 X-Y스테이지가 움직일 경우에는 -Y축으로 미소하게 이동한다.

다음으로, 1차 결정화 공정이 끝난 부분을 처음으로 하여 다시 한번 가로방향으로 결정화를 진행하게 되는데, 이때 마스크(M)의 투과영역(A)은 상기 결정화된 영역(I,J,K)을 포함한 비정질 선행막에 대응하여 위치하게 된다.

이와 같이 하면, 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 공정에 의해 결정화된 결정질 실리콘의 그레인이 연속하여 더욱 성장하게 된다. 즉, 상기 1차 공정시 결정화된 각 영역(도 4a의 I,J,K)의 그레인 충돌영역(64) 사이의 거리의 1/2에 해당하는 길이(65)를 가지는 그레인으로 다시 성장하게 된다.

전술한 바와 같은 공정을 통해 종래의 2샷 방식(마스크에 대응하는 영역을 결정화 하기 위해 두 번의 레이저 조사공정을 필요로 하는 방식)으로 결정화를 진행할 수 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 2샷 방식의 결정화 공정을 1샷 방식으로 하여 공정시간을 더욱 단축하기 위한 목적으로 제안된 것으로, 투과 영역과 차단영역으로 정의되는 마스크 패턴 중 상기 차단부의 폭을 (1 샷당 성장한 그레인의 길이(SLG)-마스크의 오픈부의 폭/2)*2로 설계하여 1샷의 레이저 빔 조사로 종래의 2 샷으로 결정화된 영역을 결정화한다.

이와 같은 마스크의 변형된 패턴과 이를 이용한 측면 성장 결정화 방법은 결정화 공정을 단축하여 수율을 개선할 수 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폴리실리콘 결정화 방법은

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 SLS 결정화방법을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명한다.

-- 실시예 --

도 5는 본 발명에 따른 측면성장 결정화 공정에 사용되는 마스크와 이에 따라 결정화된 다결정 실리콘층의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 마스크(100)를 크게 레이저빔을 투과시키는 투과영역(A)과, 레이저빔을 차단하는 차단영역(B)으로 구성한다.

상기 투과영역(A)의 폭이 L이라면, 차단영역(B)의 폭은 ((1샷당 그레인의 최대 성장 길이)-L/2)*2로 설계한다.

이때, 투과영역(A)에 대응하여 성장하는 그레인(102)의 최대 성장 길이(D)는 이에 대응하는 투과영역의 폭인 L/2 보다 조금 더 크게 성장하게 된다. (이는 조사된 레이저 빔의 열전도에 의한 것이다.) 이때, 더 크게 성장하는 길이를 α라 하자.

이때, α는 한 쪽의 그레인(102)에 대해 연장된 길이이므로 투과영역에 대응하여 성장한 양측의 그레인에서 연장된 길이를 합하면 2α가 된다.

따라서, 상기 차단 영역(B)의 폭을 2α로 하면, 종래와는 달리 핵생성 영역이 발생하지 않고 상기 차단영역(B)에서는, 차단영역을 중심으로 상/하부의 투과영역(A)에 대응한 부분에서 성장한 그레인(102a,102b)들이 만나게 된다.

따라서, 마스크(100) 패턴의 전체를 놓고 보면 1 샷으로 마스크에 대응하는 영역(물론 렌즈에 의해 축소된 영역임)이 핵 생성영역 없이 모두 결정화가 진행되는 결과를 얻을 수 있게 된다.

이하, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여, 본 발명에 따른 마스크를 이용한 실리 결정화 공정을 설명한다.(6a는 설명의 편의상 단면도와 평면도를 동시에 사용한다.)

도 6a에 도시한 바와 같이, 기판(200)상에 질화 실리콘(SiN_X)과 산화 실리콘(SiO₂)을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나를 증착하여 버퍼층(202)을 형성한다.

다음으로 상기 버퍼층(202)의 상부에 비정질 선행막(204)을 형성한다.

연속하여, 비정질 선행막(204)의 상부에 투과영역(A)과 차단영역(B)으로 구성된 마스크(100)를 위치시킨다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 마스크(100)의 상부에서 레이저빔을 조사하면, 상기 비정질 선행막(204)중 마스크(100)에 대응한 영역이 결정층(206)이 된다.

이때, 마스크(100)의 투과영역(A)에 대응하여 양측으로 그레인(204a,204b)이 성장하게 되며, 세로 방향으로 이웃한 투과영역(A)에 대응하여 성장한 그레인(204b,206b)은 각각 차단부(B)로 연장 성장하여 서로 만나게 되면서 비로소 성장을 멈추게 된다.

따라서, 한번의 레이저 조사 공정으로 마스크(100)의 영역만큼의 결정영역이 발생하게 된다.

상기 마스크(100)에 대응한 영역의 비정질 선행막이 다결정 실리콘으로 결정화 되면 상기 마스크를 마스크의 가로 길이만큼(M) 또는 그 이하로 이동하는 공정을 진행한다.

도 6c에 도시한 바와 같이, 마스크를 가로 방향으로 이동하여 결정화 하는 공정이 기판의 가로방향에 대해 완료되면, 상기 마스크(100)를 마스크의 세로 길이만큼 세로축으로 이동한 후, 레이저를 조사하여 나머지 비정질 선행막(204)을 결정화 하는 공정을 진행한다.

전술한 바와 같은 공정을 반복적으로 시행하여 도 6d에 도시한 바와 같이 기판(200)에 대해 비정질 선행막층을 모두 결정질 실리콘층(206)으로 형성할 수 있다.

전술한 바와 같은 공정을 통해 측면성장에 의한 결정화 공정을 진행할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 결정화 방법으로 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정화한다면, 종래의 2 샷 방식과 비교하여 공정 시간을 1/2로 줄일 수 있기 때문에 공정시간을 단축하여 수율을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 SLS결정화 장비를 도시한 도면이고,

도 2는 결정화가 일부 진행된 기판을 도시한 도면이고,

3은 종래의 SLS 결정화를 위한 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이고,

도 4a 내지 도 4d는 종래에 따른 결정화 공정을 도시한 공정 평면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 마스크와, 이를 이용하여 결정화한 결정층을 도시한 평면도이고,

도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 결정화 공정을 순서대로 도시한 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 마스크 패턴 102a,102b : 그레인

Claims (5)

1. 기판 상에 비정질 선행막을 증착하는 단계와;

   상기 비정질 선행막이 증착된 기판의 상에 마스크를 위치시키는 단계에 있어서,

   상기 마스크는 가로방향으로 연장된 라인 형상의 투과영역과 차단영역으로 구성되고, 평면적으로 상기 차단영역의 세로길이는, "((투과영역에 대응하여 성장하는 그레인의 길이-(투과영역의 세로길이/2))×2)로 구성된 마스크를 위치시키는 단계와;

   상기 마스크의 상부에 레이저 빔을 조사하여, 상기 마스크에 대응한 영역을 결정화하는 단계와;

   상기 마스크를 결정화된 영역의 가로 길이만큼 이동하여 레이저를 조사한 후, 마스크에 대응한 영역을 결정화하는 단계와;

   상기 결정화 단계를 반복하여 기판의 가로방향으로의 결정화를 공정을 완료하는 단계와;

   상기 마스크를 마스크에 대응하여 결정화된 영역의 세로 길이만큼 세로축으로 이동한 후 마스크의 상부에서 레이저를 조사하여, 상기 마스크에 대응한 영역을 결정화하는 단계와;

   상기 결정화 공정을 반복하여 기판의 전면에 증착된 비정질 선행막을 결정화하는 단계를

   포함하는 폴리실리콘 결정화 방법.
2. 가로방향으로 연장된 라인 형상의 투과영역과 차단영역으로 구성된 마스크에 있어서, 평면적으로 상기 차단영역의 세로길이는, "((투과영역에 대응하여 성장하는 그레인의 길이-(투과영역의 세로길이/2))×2)로 구성된 마스크.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 투과영역의 세로길이는, (투과영역에 대응하여 성장하는 그레인의 길이)×2 보다 작은 폴리실리콘 결정화 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 차단영역에는, 상기 차단영역의 상부와 하부 각각에 위치한 상기 투과영역에서 성장한 결정들이 만나게 되는 폴리실리콘 결정화 방법
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 투과영역의 세로길이는, (투과영역에 대응하여 성장하는 그레인의 길이)×2 보다 작은 마스크.