KR102105075B1 - 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법 및 시스템, 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법 및 시스템, 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법을 개시한다.
본 발명의 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법은, 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 단계: 상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계; 및 상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법은, 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 단계: 상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계; 및 상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법 및 시스템, 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법에 관한 것이다.
결정화 분석 방법으로, 상이한 어닐링 시간을 이용하여 고온의 퍼니스(furnace)에서 비정질 실리콘을 결정화한 후 결정화를 분석하는 방법이 있다. 그러나, 상기 방법은 비정질 실리콘을 퍼니스에서 가열하여 결정화하는 파괴적인 방법이다.
다른 분석 방법으로, 결정화된 다결정질 실리콘을 라만(Raman) 분광 분석법, X-선회절분석기(XRD)를 이용한 분석 방법, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용한 분석 방법 등 분석기를 이용한 방법이 있다. 그러나, 상기 방법들은 대량 생산(mass production)에 사용하기 어렵다.
본 발명은 다양한 종류의 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 간단하게 분석 및 모니터링할 수 있는 방법 및 툴을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법은, 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 단계: 상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계; 및 상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저이고, 상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상일 수 있다.
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착될 수 있다.
상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값 산출 단계는, 상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출하는 단계; 상기 피크 비를 시간별로 플롯팅함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성하는 단계; 및 상기 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 감쇠 파라미터 값이 기준 값에 일치하면 상기 비정질 실리콘 박막의 성막 조건을 갖는 비정질 실리콘 박막이 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터 제조에 사용될 수 있다.
상기 감쇠 파라미터 값은 상기 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응할 수 있다.
상기 피크 비 산출 단계는, 상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션을 통해 상기 피크 비를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조 방법은, 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링함과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계; 상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계; 및 상기 결정화 특성 값과 기준 특성 값이 일치하면, 상기 비정질 실리콘 박막의 성막 조건에 따라 비정질 실리콘 박막을 증착하여 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저이고, 상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상일 수 있다.
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템은, 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 광원: 상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 분광기; 및 상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 신호처리기;를 포함할 수 있다.
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저이고, 상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상일 수 있다.
상기 광원 전면에 집속 렌즈가 구비될 수 있다.
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착될 수 있다.
상기 신호 처리기는, 상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출하고, 상기 피크 비를 시간별로 플롯팅함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성하고, 상기 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출할 수 있다.
상기 감쇠 파라미터 값은 상기 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응할 수 있다.
상기 신호 처리기는, 상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션을 통해 상기 피크 비를 산출할 수 있다.
본 발명은 비정질 실리콘 박막에 대해 높은 파워의 라만 산란 유도 레이저 광을 조사하여 어닐링함과 동시에 라만 산란 스펙트럼을 측정함으로써, 다양한 종류의 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 간단하고 신속하게 모니터링할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 측정된 라만 산란 스펙트럼의 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 형성된 피크 비 패턴 그래프를 나타낸 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 비정질 실리콘 박막에 대해 산출된 감쇠 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에서 사용된 동일한 6가지 비정질 실리콘 박막 샘플에 대해 분광 엘립소미터(spectral ellipsometer)를 사용하여 측정한 Tauc 밴드 갭 값(Tauc band gap value)을 나타낸 도 6의 비교예이다.
도 8은 도 6의 감쇠 파라미터(A0)와 Tauc 밴드 갭과의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 측정된 라만 산란 스펙트럼의 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 형성된 피크 비 패턴 그래프를 나타낸 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 비정질 실리콘 박막에 대해 산출된 감쇠 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에서 사용된 동일한 6가지 비정질 실리콘 박막 샘플에 대해 분광 엘립소미터(spectral ellipsometer)를 사용하여 측정한 Tauc 밴드 갭 값(Tauc band gap value)을 나타낸 도 6의 비교예이다.
도 8은 도 6의 감쇠 파라미터(A0)와 Tauc 밴드 갭과의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
액티브 매트릭스형(Active Matrix type, AM) 유기 발광 표시 장치는 각각의 픽셀마다 픽셀 구동회로를 구비하며, 이 픽셀 구동회로는 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터를 포함한다. 박막 트랜지스터를 구성하는 실리콘으로는 비정질 실리콘 또는 다결정질 실리콘이 사용된다.
픽셀 구동회로에 사용되는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(amorphous silicon TFT: a-Si TFT)는 소스, 드레인 및 채널을 구성하는 반도체 활성층이 비정질 실리콘이기 때문에 1㎠/Vs 이하의 낮은 전자 이동도를 갖는다. 이에 따라 최근에는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터(polycrystalline silicon TFT: poly-Si TFT)로 대체하는 경향으로 가고 있다. 상기 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 전자 이동도가 크고, 빛의 조사에 대한 안정성이 우수하다. 따라서, 이 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터는 AM 유기 발광 표시장치의 구동 및/또는 스위칭 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용되기에 매우 적합하다.
상기와 같은 다결정질 실리콘은 여러 가지 방법으로 제작할 수 있는데, 일 예로서 비정질 실리콘을 증착한 후 이를 결정화하는 방법이 있다. 이 경우 다결정질 실리콘의 이동도 특성은 다결정질 실리콘의 결정화도와 관련되며, 다결정질 실리콘의 결정화도를 평가하는 방법 중 하나가 라만 분광 분석법(Raman spectroscopy)이다. 라만 분광 분석법은 물질에 단일 파장의 광을 조사하여 산란광을 분광하면 입사광와 같은 파장을 가진 광 외에 그보다 약간 긴 파장 또는 짧은 파장의 스펙트럼선이 관측되는 라만 효과를 응용한 분광 분석방법이다.
본 발명의 실시예는 비정질 실리콘을 어닐링하면서 라만 분광 분석을 동시에 수행함으로써 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 모니터링한다. 이에 따라 특정한 박막 트랜지스터 특성(예를 들어, 전자 이동도 및 문턱 전압(Vth) 등)을 갖는 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터를 형성하기 위한 최적의 결정화 조건을 갖는 비정질 실리콘을 선택할 수 있다.
도 1을 참조하면, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템은 광원(20), 분광기(30), 제어기(40) 및 신호 처리기(50)를 포함한다.
광원(20)은 비정질 실리콘 박막(10)의 상면으로부터 이격 배치되고, 비정질 실리콘 박막(10)의 상면을 향해 광을 조사한다. 광원(20)은 비정질 실리콘 박막(10)의 상면의 국부 영역으로 광을 조사한다. 광원(20)은 라만 산란 유도 레이저(Raman excitation laser)일 수 있다.
광원(20)은 비정질 실리콘 박막(10)의 라만 산란 측정을 위한 조사 외에 비정질 실리콘 박막(10)의 결정화를 위한 가열(어닐링) 기능을 수행한다. 광원(20)으로 라만 산란 유도 레이저(Raman excitation laser)를 사용하는 경우, 레이저가 비정질 실리콘 박막(10)의 국부를 소정 온도도 가열하기 위해서는 정확한 포커싱이 요구된다. 따라서, 레이저의 전면에 집속 렌즈(focusing lens)(25)를 배치하여 레이저를 포커싱시킴으로써, 10mW 이상의 파워로 비정질 실리콘 박막(10)을 가열하도록 한다. 따라서, 본 발명의 광원(20)은 비정질 실리콘 박막(10)의 라만 산란 유도 및 어닐링을 동시에 수행하기 때문에, 비정질 실리콘 박막(10)을 결정화하기 위한 별도의 결정화 장비가 요구되지 않는다.
분광기(30)는 비정질 실리콘 박막(10)의 상면으로부터 이격 배치되고, 광원(10)으로부터 조사되어 비정질 실리콘 박막(20)의 상면에서 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 측정한다. 분광기(30)는 일정 시간 간격으로 라만 산란 스펙트럼을 측정한다.
제어기(40)는 광원(20)의 이동, 파워 및 조사 시간 등을 제어하고, 분광기(30)의 이동 및 스펙트럼 측정을 위한 설정값을 제어한다.
제어기(40)는 광원(20)이 비정질 실리콘 박막(10)의 국부 영역을 포커싱하며 광을 조사하도록 광원(20)의 위치 이동을 제어할 수 있다. 그리고, 제어기(40)는 비정질 실리콘 박막(10)의 어닐링 온도 및 어닐링 시간에 따라 광원(20)의 파워 및 조사 시간을 제어할 수 있다. 또한 제어기(40)는 분광기(30)가 비정질 실리콘 박막(10)으로부터 산란된 광을 집광할 수 있도록 분광기(30)의 위치 이동을 제어할 수 있다. 그리고, 제어기(40)는 분광기(30)가 산란 광으로부터 스펙트럼을 측정하기 위한 파라미터를 설정할 수 있다.
신호 처리기(50)는 분광기(30)가 측정한 시간별 라만 산란 스펙트럼을 전달받아 라만 산란 스펙트럼을 분석할 수 있다. 신호 처리기(50)는 라만 산란 스펙트럼을 기초로 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출한다.
신호 처리기(50)는 라만 산란 스펙트럼으로부터 일정 간격의 어닐링 시간별로 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출할 수 있다. 이때 신호 처리기(50)는 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션을 통해 피크 비를 산출할 수 있다. 다음으로, 신호 처리기(50)는 피크 비를 시간별로 플롯팅하여 피크 비 패턴 그래프를 형성할 수 있다. 그리고, 신호 처리기(50)는 피크 비 패턴 그래프의 값을 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출할 수 있다. 감쇠 파라미터 값은 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 비정질 실리콘 박막을 어닐링한다(S201).
비정질 실리콘 박막은 촉매 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition: CVD) 또는 플라즈마 화학 기상 증착법 등 화학 기상 증착법을 사용하여 증착될 수 있다. 화학 기상 증착법은 증착 챔버 내에 소스 가스(Source Gas)로서 실란(SiH4) 및 수소(H2)를 공급함으로써 수소화된 비정질 실리콘 박막이 기판(미도시) 상에 증착되도록 할 수 있다. 이때 수소(H2)와 실란(SiH4)의 비율(H2/SiH4) 및 양, 성막 파워, 압력, 성막 두께 등과 같이 성막 조건을 조절하여 비정질 실리콘 박막의 특성을 조절할 수 있다. 즉, 비정질 실리콘 박막은 성막 조건에 따라 비정질 실리콘 박막의 증착율(deposition rate), 즉 초당 증착되는 시간이 달라지며, 이에 따라 비정질 실리콘 박막의 특성, 예를 들어, Si-H, Si-Si 결합 구조(bonding structure) 및 화학 조성이 달라질 수 있다.
비정질 실리콘 박막의 특성에 따라 결정화 속도가 달라지며, 이에 따라 결정화에 의한 다결정질 실리콘 박막의 특성 또한 달라진다. 따라서, 다결정질 실리콘 박막으로 제조되는 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터의 특성 또한 달라진다.
본 발명의 실시예는 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 모니터링함으로써, 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터를 제조하기 위한 최적의 비정질 실리콘 박막을 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예는 비정질 실리콘 박막의 어닐링을 위해 라만 산란 유도 레이저를 광원으로 사용할 수 있다. 라만 산란 유도 레이저는 10mW 이상의 파워로 비정질 실리콘 박막 상면의 국부를 가열함으로써 소정 온도로 비정질 실리콘 박막을 어닐링하고, 동시에 비정질 실리콘 박막으로부터 산란 광을 발생시킨다.
비정질 실리콘 박막을 어닐링함과 동시에 분광기를 이용하여 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 측정한다(S203). 비정질 실리콘 박막을 어닐링하면서 산란 광을 측정하기 때문에, 분광기는 비결정 상태의 라만 산란 광과 결정화된 상태의 라만 산란 광을 동시에 측정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 측정된 라만 산란 스펙트럼의 예이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 상이한 물질 특성 및/또는 두께를 갖는 두 개의 비정질 실리콘 박막 샘플에 10mW의 레이저를 조사하여 어닐링하면서 일정 시간 간격으로 라만 산란 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다.
도 3(a) 및 도 3(b)에서, 가로축은 라만 이동도(Raman shift)(cm-1)를 나타내고, 세로축은 비정질 실리콘 박막의 어닐링 시간(annealing time)(s), 즉 광원 조사 시간을 나타낸다. 도 3(a) 및 도 3(b)는 어닐링 시간별로 산란 광의 세기(intensity)를 라만 산란 스펙트럼으로 표현하고 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 480 cm-1 부근에서 폭이 넓은 피크(peak)가 나타나고, 510~520 cm-1 부근에서 뾰족한 피크(peak)가 나타난다. 480 cm-1 부근의 피크는 비정질 실리콘(a-Si) 박막의 피크(이하, '비정질 피크'라 함)이고, 510~520 cm-1 부근의 피크는 다결정질 실리콘(poly-Si) 박막의 피크(이하, '다결정질 피크'라 함)이다.
도 3(a) 및 도 3(b) 각각의 라만 산란 스펙트럼의 형태가 상이하다. 즉, 비정질 실리콘 박막의 물질 특성 및/또는 성막 두께에 따라 라만 산란 스펙트럼의 형태가 상이함을 알 수 있다. 따라서, 어닐링 시간별로 측정된 라만 산란 스펙트럼을 분석함으로써 비정질 실리콘의 결정화 과정을 모니터링할 수 있다.
다음으로, 라만 산란 스펙트럼을 기초로 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출한다(S211).
구체적으로, 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비(amorphous to crystalline peak ratio)를 산출한다(S205). 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션(deconvolution)을 통해 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출할 수 있다.
그리고 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 일정 간격의 어닐링 시간별로 플롯팅(plotting)함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성한다(S207).
다음으로, 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 결정화 특성 값으로서 산출한다(S209). 감쇠 파라미터 값은 피크 비 패턴 그래프에서 포화(saturation) 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응한다.
본 발명의 실시예에 적용되는 지수감쇠(exponential decay) 식은 하기 식 1과 같다. 여기서, C는 시간 t에서의 피크 비이고, b는 상수, t0는 초기 시간이다.
감쇠 파라미터(A0)는 t가 무한대일 때의 C 값, 즉, 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 피크 비에 대응한다. 비정질 실리콘 박막의 종류에 따라 감쇠 파라미터(A0) 값이 달라진다. 어닐링 시간에 따라 피그 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용함으로써, 일정한 값으로 수렴하는 감쇠 파라미터(A0), 상수 b, 초기 시간 t0를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 비정질 실리콘 박막에 대해 형성된 피크 비 패턴 그래프를 나타낸 예이다.
도 4에서, 가로축은 비정질 실리콘 박막의 어닐링 시간을 나타내고, 세로축은 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 어닐링 시간에 따라 피크 비를 플로팅하게 되면, 시간이 경과하면서 피크 비가 일정한 값으로 수렴한다. 플로팅된 피크 비로부터 도출된 피크 비 패턴 그래프의 각 좌표값을 식 1의 지수감쇠 식에 대입하면, 시간이 경과함에 따라 지수감쇠 식의 A0, b, t0값이 일정한 값으로 수렴한다. 도 4에서는 서로 다른 비정질 실리콘 박막에 대해 수행된 피크 비 패턴 그래프를 도시하고 있다. 도 4로부터 서로 다른 비정질 실리콘 박막의 포화 상태에서의 A0 값이 달라짐을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 소정의 성막 조건으로 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 증착한다.
비정질 실리콘 박막에 광원을 조사하여 어닐링하면서 어닐링 시간이 경과함에 따라 일정 간격으로 라만 산란 스펙트럼을 측정하고 이를 분석한다(S501). 광원은 라만 산란 유도 레이저일 수 있으며, 약 10mW 이상의 파워로 비정질 실리콘 박막을 가열하여 비정질 실리콘 박막이 소정 온도로 어닐링되도록 할 수 있다. 어닐링과 동시에 분광기를 이용하여 비정질 실리콘 박막으로부터 산란되는 광을 수집하여 일정 간격의 어닐링 시간별로 라만 산란 스펙트럼을 측정한다. 어닐링 시간별로 측정된 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 결정질 피크의 피크 비를 산출하고, 이를 기초로 포화 상태에서의 피크 비를 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값으로 산출한다. 비정질 실리콘 박막의 라만 산란 스펙트럼 측정 및 분석은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하였으므로, 상세한 설명은 생략하겠다.
비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 기준 특성 값과 비교하여 일치 여부를 판단한다(S503).
비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값이 기준 특성 값과 다르면 비정질 실리콘 박막은 폐기된다(S505).
비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값이 기준 특성 값과 일치하면, 동일한 성막 조건으로 증착된 비정질 실리콘 박막을 이용하여 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터를 제조한다(S507).
본 발명이 실시예는 제조하고자 하는 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터의 특성에 대응하는 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 갖는 비정질 실리콘 박막을 선택할 수 있다. 선택된 비정질 실리콘 박막의 성막 조건으로 비정질 실리콘 박막을 기판 상에 증착하고, 이를 다결정질 실리콘 박막으로 결정화한 후 박막 트랜지스터를 제조한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 비정질 실리콘 박막에 대해 산출된 감쇠 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 6은 서로 다른 성막 조건으로 증착된 제1 비정질 실리콘 박막(V1), 제2 비정질 실리콘 박막(V2), 제3 비정질 실리콘 박막(V3), 제4 비정질 실리콘 박막(V4), 제5 비정질 실리콘 박막(V5), 및 제6 비정질 실리콘 박막(V6) 샘플에 대해, 복수 횟수로 레이저 어닐링과 동시에 라만 산란 스펙트럼 측정을 수행하고, 감쇠 파라미터(A0)를 산출한 결과를 도시한다.
도 6에서 사각형의 윗변은 감쇠 파라미터(A0)의 최대값(Max)을 나타내고, 아랫변은 감쇠 파라미터(A0)의 최소값(Min)을 나타내고, 굵은 선은 평균값(Avg)을 나타낸다. 즉, 성막 조건에 따라 구조 및 화학 조성이 상이한 비정질 실리콘 박막들의 감쇠 파라미터(A0) 값이 상이함을 알 수 있다.
제1 비정질 실리콘 박막(V1), 제2 비정질 실리콘 박막(V2), 및 제3 비정질 실리콘 박막(V3)은 감쇠 파라미터(A0) 값이 제4 비정질 실리콘 박막(V4), 제5 비정질 실리콘 박막(V5), 및 제6 비정질 실리콘 박막(V6)의 감쇠 파라미터(A0) 값에 비해 큰 값을 갖는다. 감쇠 파라미터(A0) 값이 클수록 결정화 속도가 느림을 의미한다. 따라서, 제1 비정질 실리콘 박막(V1), 제2 비정질 실리콘 박막(V2), 및 제3 비정질 실리콘 박막(V3)은 느린 속도로 결정화된 예이고, 제4 비정질 실리콘 박막(V4), 제5 비정질 실리콘 박막(V5), 및 제6 비정질 실리콘 박막(V6)은 빠른 속도로 결정화된 예이다.
도 7은 도 6에서 사용된 동일한 6가지 비정질 실리콘 박막 샘플에 대해 분광 엘립소미터(spectral ellipsometer)를 사용하여 측정한 Tauc 밴드 갭 값(Tauc band gap value)을 나타낸 도 6의 비교예이다.
도 7에서 사각형의 윗변은 밴드 갭의 최대값(Max)을 나타내고, 아랫변은 밴드 갭의 최소값(Min)을 나타내고, 굵은 선은 평균값(Avg)을 나타낸다. 즉, 성막 조건에 따라 구조 및 화학 조성이 상이한 비정질 실리콘 박막들의 밴드 갭 값이 상이함을 알 수 있다.
제1 비정질 실리콘 박막(V1), 제2 비정질 실리콘 박막(V2), 및 제3 비정질 실리콘 박막(V3)은 밴드 갭 값이 작고, 제4 비정질 실리콘 박막(V4), 제5 비정질 실리콘 박막(V5), 및 제6 비정질 실리콘 박막(V6)의 밴드 갭 값은 상대적으로 크다.
도 8은 도 6의 감쇠 파라미터(A0)와 도 7의 Tauc 밴드 갭 간의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 도 6의 본 발명의 실시예에 따라 산출된 감쇠 파라미터(A0)를 이용한 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 분석 결과가, 도 7의 비교예에 따라 산출된 비정질 실리콘 박막의 밴드 갭 분석 결과가 역 대칭함을 알 수 있다.
즉, 밴드 갭 값이 상대적으로 작은 제1 비정질 실리콘 박막(V1), 제2 비정질 실리콘 박막(V2), 및 제3 비정질 실리콘 박막(V3)은 느린 속도로 결정화된다. 밴드 갭 값이 상대적으로 큰 제4 비정질 실리콘 박막(V4), 제5 비정질 실리콘 박막(V5), 및 제6 비정질 실리콘 박막(V6)은 빠른 속도로 결정화된다.
본 발명의 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템은, 별도의 비정질 실리콘 박막의 결정화를 위한 레이저 장비가 불필요하고, 라만 분광 분석을 위한 라만 산란 유도 레이저를 사용하여 비정질 실리콘 박막의 결정화와 동시에 라만 산란 스펙트럼을 측정한다. 따라서, 비파괴적으로 신속하고 간단하게 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 모니터링하고 분석할 수 있다.
또한 본 발명은 어닐링 동안 일정 시간 간격으로 라만 분광 분석을 수행한다. 이에 따라, 결정화되는 과정을 분석하여 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성을 결정함으로써 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (20)
- 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 단계:
상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계; 및
상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값 산출 단계는,
상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출하는 단계;
상기 피크 비를 시간별로 플롯팅함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성하는 단계; 및
상기 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출하는 단계;를 포함하는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저인, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 제2항에 있어서,
상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상인, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 제1항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착된, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 감쇠 파라미터 값이 기준 값에 일치하면 상기 비정질 실리콘 박막의 성막 조건을 갖는 비정질 실리콘 박막이 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터 제조에 사용되는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 제1항에 있어서,
상기 감쇠 파라미터 값은 상기 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응하는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 제1항에 있어서, 상기 피크 비 산출 단계는,
상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션을 통해 상기 피크 비를 산출하는 단계;를 포함하는 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 방법. - 광원으로부터 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링함과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 단계;
상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 단계; 및
상기 결정화 특성 값과 기준 특성 값이 일치하면, 상기 비정질 실리콘 박막의 성막 조건에 따라 비정질 실리콘 박막을 증착하여 다결정질 실리콘 박막 트랜지스터를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값 산출 단계는,
상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출하는 단계;
상기 피크 비를 시간별로 플롯팅함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성하는 단계; 및
상기 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출하는 단계;를 포함하는, 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저인, 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상인, 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착된, 박막 트랜지스터 제조 방법. - 비정질 실리콘 박막에 광을 조사하여 어닐링하는 광원:
상기 비정질 실리콘 박막의 어닐링과 동시에 상기 비정질 실리콘 박막으로부터 산란된 광의 라만 산란 스펙트럼을 일정 시간 간격으로 측정하는 분광기; 및
상기 라만 산란 스펙트럼을 기초로 상기 비정질 실리콘 박막의 결정화 특성 값을 산출하는 신호처리기;를 포함하고,
상기 신호 처리기는,
상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 어닐링 시간별 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비를 산출하고, 상기 피크 비를 시간별로 플롯팅함으로써 피크 비 패턴 그래프를 형성하고, 상기 피크 비 패턴 그래프를 지수감쇠 식에 적용하여 감쇠 파라미터 값을 상기 결정화 특성 값으로 산출하는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 광원은 라만 산란 유도 레이저인, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 라만 산란 유도 레이저의 파워는 10mW 이상인, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 광원 전면에 집속 렌즈가 구비된, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막은 화학 기상 증착법으로 증착된, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 삭제
- 제13항에 있어서,
상기 감쇠 파라미터 값은 상기 피크 비 패턴 그래프에서 포화 상태에서의 비정질 피크와 다결정질 피크의 피크 비에 대응하는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템. - 제13항에 있어서, 상기 신호 처리기는,
상기 라만 산란 스펙트럼으로부터 비정질 피크와 다결정질 피크를 분리하는 디컨벌루션을 통해 상기 피크 비를 산출하는, 비정질 실리콘 박막의 결정화 모니터링 시스템.
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