KR20020012983A - Method for crystallizing amorphous silicon thin film for liquid crystal display - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액정표시기와 같은 평판 표시기의 기판으로 사용되는 유리기판 위에 구동 회로나 박막 트랜지스터를 형성하는데 사용되는 다결정 실리콘 층의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of crystallizing amorphous silicon into polycrystalline silicon, and more particularly, to a method of forming a polycrystalline silicon layer used to form a driving circuit or a thin film transistor on a glass substrate used as a substrate of a flat panel display such as a liquid crystal display. It is about.
다결정 실리콘은 비정질실리콘에 비하여 매우 높은 전자 이동도를 갖는다. 따라서 현재 박막 트랜지스터 액정표시기(TFT LCD:Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)의 표시영역에 쓰여지는 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 대체 할 수 있다면 고품격의 대구경 화면을 고속으로 동작시킬 수 있다. 아울러 액정표시기 패널과 분리된 별도의 구동 IC를 제작하지 않고 유리기판 위에 직접 구동 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 형성하는 칩 온 글라스(Chip on Glass)가 가능해져 공정 및 비용상의 장점이 있다.Polycrystalline silicon has a very high electron mobility compared to amorphous silicon. Therefore, if amorphous silicon, which is currently used in the display area of a thin film transistor liquid crystal display (TFT LCD), can be replaced with polycrystalline silicon, high-quality large-diameter screens can be operated at high speed. In addition, it is possible to produce a chip on glass (IC) that directly forms an integrated circuit (IC) on a glass substrate without fabricating a separate driving IC separated from the liquid crystal display panel.
따라서 여러 가지의 방법으로 비정질실리콘을 다결정 실리콘으로 만드는 방법이 제시되고 있으며, 현재 가장 많이 사용되는 기술은 엑시머(Excimer) 레이저 어닐링 방법으로 이전 공정이 마무리된 유리기판에 비정질 실리콘을 증착후 엑시머 레이저를 이용하여 이 비정질실리콘을 용융하여 결정화시킨다. 즉, 이 방법은 단순히 레이저를 비정질 실리콘 막에 조사하여 순간적으로 용융 및 냉각시킴으로써 결정화를 수행한다. 이때 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따라 비정질 실리콘 막의 용융정도 및 그에 따른 결정화의 상태가 변한다. 즉 조사하는 레이저 빔의 에너지 밀도를 높이면 비정질 실리콘 막은 표면으로부터 아주 깊은 곳까지 용융되는데 에너지의 양이 많아질수록 용융되는 양이 많아지며 소정의 임계 에너지 밀도 이상에서는 비정질 실리콘 막이 완전히 용융 되어버린다.Therefore, various methods have been proposed to make amorphous silicon into polycrystalline silicon, and the most commonly used technique is the excimer laser annealing method. After the deposition of amorphous silicon on the glass substrate where the previous process is completed, the excimer laser is used. This amorphous silicon is melted to crystallize. In other words, this method performs crystallization by simply irradiating an amorphous silicon film with the laser to melt and cool instantly. At this time, the degree of melting of the amorphous silicon film and the state of crystallization thereof change according to the energy density of the irradiated laser. That is, when the energy density of the laser beam to be irradiated is increased, the amorphous silicon film is melted from the surface to a very deep place. As the amount of energy increases, the amount of melting increases, and the amorphous silicon film melts completely above a predetermined critical energy density.
결정화되는 다결정 실리콘의 그레인(Grain)의 크기는 조사되는 에너지 밀도에 비례한다. 즉, 비정질 실리콘 막이 많이 용융될수록 그레인의 크기가 증가된다.The size of the grain of the polycrystalline silicon to be crystallized is proportional to the energy density to be irradiated. That is, the more the amorphous silicon film is melted, the grain size increases.
임계에너지 이하에서는 비정질 실리콘 막의 위쪽의 표면만 용융되었다가 냉각되는 과정을 통해 작은 그레인으로 결정화 됨을 말한다. 임계 에너지 밀도에 근접한 레이저 에너지 밀도에서는 아래쪽의 소량의 비정질 실리콘 막만 남고 나머지는 용융된 상태(nearly complete melting)이므로 용융되지 않은 실리콘 막이 결정화를 위한 결정핵(seed)으로 작용하여 결국은 큰 그레인으로 성장하게 된다. 다만레이저의 밀도를 어떤 임계에너지 이상으로 조사하면 비정질실리콘 막이 완전히 용융되어 결정핵으로 작용할 아무것도 남지 않으며 이것은 곧 불규칙한 핵 생성 및 결정성장에 의거하여 결정화가 일어나기 때문에 오히려 그레인의 크기가 감소되어진다.Below the critical energy, only the upper surface of the amorphous silicon film is melted and crystallized into small grains by cooling. At the laser energy density close to the critical energy density, only a small amount of the amorphous silicon film at the bottom remains and the remainder is completely complete melting, so the unmelted silicon film acts as a seed for crystallization and eventually grows to large grains. Done. However, if the density of the laser is irradiated above a certain critical energy, the amorphous silicon film is completely melted and there is nothing left to act as crystal nuclei. This is because the crystallization is caused by irregular nucleation and crystal growth.
따라서 결정립이 큰 다결정 실리콘을 얻으려면 거의 완전 용융 상태(nearly complete melting)영역의 레이저 에너지를 균일하게 조사하여야 하나 이 경우 다결정 막의 재현성 및 공정 마진 확보에 대한 어려움이 현실적으로 대두되고 있는 상황이다.Therefore, in order to obtain polycrystalline silicon having large grains, it is necessary to uniformly irradiate laser energy in a nearly complete melting region, but in this case, the difficulty of reproducing the polycrystalline film and securing process margins is becoming a reality.
일반적으로 우수한 성능의 TFT LCD를 얻기 위해서는 다결정실리콘의 결정립의 크기가 커야 하며 결정결함 및 표면 거칠기가 작아야 한다. 이렇게 하기 위해서는 레이저의 에너지 밀도를 임계에너지 밀도에 가능한 한 근접하도록 하여 최소한의 결정핵 역할을 할 수 있는 비정질 실리콘 박막을 남겨두어야 하나 이 방법에서 사용되어지는 레이저 에너지 밀도구간이 매우 좁기 때문에 공정진행 시 허용오차가 매우 작은 어려움이 있다. 또한 다결정 실리콘화 한 막에 있어서도 그레인이 임의로 위치하기 때문에 균일한 소자 특성을 확보하는데 어려움이 있다.In general, in order to obtain a high-performance TFT LCD, the grain size of polysilicon should be large, and crystal defects and surface roughness should be small. To do this, the laser energy density should be as close as possible to the critical energy density, leaving behind an amorphous silicon thin film that can act as a minimum nucleus, but the laser energy density range used in this method is very narrow. The difficulty is very small. In addition, even in a polycrystalline siliconized film, since grains are arbitrarily located, it is difficult to ensure uniform device characteristics.
또한 용융 지속시간과 결정립의 크기는 함수관계가 있으므로 현재의 기술로는 유리기판을 600 ℃ 가까이 가열하여 용융지속시간을 길게 하는 방법을 사용하고 있다.In addition, since the melting duration and the grain size have a functional relationship, the current technique uses a method of heating the glass substrate close to 600 ° C. to lengthen the melting duration.
따라서, 본 발명의 목적은 결정핵 성장을 위한 시드층을 결정화를 위한 비정질 실리콘 층의 하부에 위치시키는 것에 의하여, 비정질 실리콘층으로부터 균일하고 큰 다결정 실리콘 결정립이 생성되도록 하는 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing uniform and large polycrystalline silicon grains from an amorphous silicon layer by placing a seed layer for crystal growth under the amorphous silicon layer for crystallization.
본 발명의 다른 목적은 결정화를 위하여 엑시머 레이저 또는 전자 빔을 비정질 실리콘층에 조사할 때, 레이저 빔의 에너지 밀도 구간을 넓혀서 충분한 공정 마진을 확보하는데 있다.Another object of the present invention is to secure sufficient process margin by widening the energy density section of the laser beam when irradiating an amorphous silicon layer with an excimer laser or an electron beam for crystallization.
도 1은 유리기판 위에 산화막이 도포된 상태의 기판 단면도.1 is a cross-sectional view of a substrate in which an oxide film is applied on a glass substrate.
도 2는 도 1의 산화막 위에 결정핵을 형성한 상태의 기판 단면도.FIG. 2 is a sectional view of the substrate in a state in which crystal nuclei are formed on the oxide film of FIG. 1; FIG.
도 3은 도 2의 기판 위에 비정질 실리콘 층을 도포하고 어닐링 하는 과정을 보여주는 기판 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a process of applying and annealing an amorphous silicon layer on the substrate of FIG. 2.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 액정표시기용 비정질 실리콘의 결정화 방법은, 먼저 일측 표면에 산화막이 형성된 절연기판 위에 결정핵을 성장시켜 시드층을 형성한다. 그런 다음, 이 결정핵들로 구성된 시드층 위에 비정질 실리콘 막을 소정 두께로 증착한다. 그런 다음, 이 비정질 실리콘에 소정의 에너지 밀도를 갖는 빔을 조사하여 비정질 실리콘 층을 결정화 시킨다.In order to achieve the above objects, in the crystallization method of amorphous silicon for the liquid crystal display of the present invention, first, a seed layer is formed by growing crystal nuclei on an insulating substrate having an oxide film formed on one surface thereof. Then, an amorphous silicon film is deposited to a predetermined thickness on the seed layer composed of these nuclei. Then, the amorphous silicon is irradiated with a beam having a predetermined energy density to crystallize the amorphous silicon layer.
상기 빔은 바람직하게는 엑시머 레이저 빔 또는 전자 빔으로서, 레이저 빔 또는 전자 빔의 조사에 의하여 비정질 실리콘 층은 다결정 실리콘으로 결정화된다. 이때, 결정핵은 비정질 실리콘 층이 다결정 실리콘으로 결정화되기 위한 시드로서 작용하여, 빔의 에너지 밀도가 비정질 실리콘 층을 완전히 용융하는 임계 에너지 밀도 이상으로 높아지더라도 고체 상태의 결정핵의 존재로 인하여 매우 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘 층의 형성이 가능해진다.The beam is preferably an excimer laser beam or an electron beam, wherein the amorphous silicon layer is crystallized into polycrystalline silicon by irradiation of the laser beam or electron beam. At this time, the nucleus acts as a seed for the amorphous silicon layer to crystallize into polycrystalline silicon, so that even if the energy density of the beam becomes higher than the critical energy density at which the amorphous silicon layer is completely melted, it is very large due to the presence of the nucleus in the solid state. It is possible to form a polycrystalline silicon layer having a grain size.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘막의 결정화 방법을 보여주는 공정 흐름도이다.1 to 3 are process flowcharts illustrating a method of crystallizing an amorphous silicon film according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상부측 표면 위에 산화막(4)이 소정 두께로 형성된 절연성 기판(2)이 제공된다. 이 절연성 기판(2)은, 예를 들어 광 투과성을 갖으며, TFT LCD의 기판으로 적용되는 유리기판이지만, 반드시 유리기판에만 한정되는 것은 아니고 석영기판 또는 투명한 플라스틱 기판 등이 사용될 수도 있다.Referring to FIG. 1, an insulating substrate 2 is provided on which an oxide film 4 is formed to a predetermined thickness on an upper surface. The insulating substrate 2 is, for example, a glass substrate having light transmittance and applied to a substrate of a TFT LCD, but is not necessarily limited to a glass substrate, and a quartz substrate or a transparent plastic substrate may be used.
산화막(4)은 후속 공정에서 증착될 비정질 실리콘 막(8)과의 아이솔레이션 및 유리기판(2)과의 점착성 향상, 오염방지 등의 목적을 위하여 형성된다.The oxide film 4 is formed for the purpose of isolating the amorphous silicon film 8 to be deposited in a subsequent process, improving adhesion to the glass substrate 2, preventing contamination, and the like.
도 2를 참조하면, 산화막(4) 위에 소정 두께, 예를 들어 약 수 Å 내지 약 300 Å의 시드(Seed) 층(6)이 형성된다.Referring to FIG. 2, a seed layer 6 having a predetermined thickness, for example, about several micrometers to about 300 micrometers is formed on the oxide film 4.
다음으로, 도 3을 참조하면, 시드층(6)을 포함하는 산화막(4) 위에 비정질 실리콘 막(8)이 소정 두께로 형성된다.Next, referring to FIG. 3, an amorphous silicon film 8 is formed to a predetermined thickness on the oxide film 4 including the seed layer 6.
그런 다음, 소정의 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔(10)을 비정질 실리콘 막(8)의 상부로부터 비정질 실리콘 막(8)을 향하여 조사하여 비정질 실리콘 막(8)을 어닐링한다. 이 레이저 빔(10)은 바람직하게는 엑시머 레이저 빔이 사용되고, 선택적으로 아르곤 레이저 또한 사용될 수 있다.Then, the laser beam 10 having a predetermined energy density is irradiated from the top of the amorphous silicon film 8 toward the amorphous silicon film 8 to anneal the amorphous silicon film 8. The laser beam 10 is preferably an excimer laser beam, optionally an argon laser can also be used.
레이저 빔(10)의 조사에 의하여, 비정질 실리콘 막(8)은 다결정 실리콘 층으로 결정화된다. 이 결정화 동안, 시드 층(6)의 각 시드들은 결정화를 위한 결정 핵으로 작용하는데, 엑시머 레이저 빔의 에너지 밀도가 임계 에너지 밀도를 넘게 되어 비정질 실리콘 막이 모두 용융되더라도 시드 층(6)의 결정 핵들은 용융되지 않고 고체 상태로 남아 있기 때문에 매우 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘이 형성된다. 아울러, 조사되는 레이저 빔의 밀도가 임계 에너지 밀도에 못 미쳐서 비정질 실리콘 막(6)을 부분적으로 용융시킬 정도의 세기를 가지더라도 시드 층(6)의 각 시드들이 결정 핵으로 작용하여 큰 그레인 사이즈를 갖는 다결정 실리콘을 형성시킨다. 이처럼, 본 발명의 방법은 결정화를 위한 에너지 빔의 밀도를 낮게는 비정질 실리콘 막(6)을 부분적으로 용융상태로 만들 정도의 에너지 밀도로부터 비정질 실리콘 막(6) 모두를 용융상태로 만들 정도의 임계 에너지 밀도 이상까지 에너지 밀도를 높힐 수 있으므로, 공정 마진이 넓어진다.By irradiation of the laser beam 10, the amorphous silicon film 8 is crystallized into a polycrystalline silicon layer. During this crystallization, each seed of the seed layer 6 acts as a crystal nucleus for crystallization, even if the energy density of the excimer laser beam exceeds the critical energy density so that all of the amorphous silicon film is melted, the crystal nuclei of the seed layer 6 Since they do not melt and remain in a solid state, polycrystalline silicon with very large grain size is formed. In addition, even though the density of the irradiated laser beam is less than the critical energy density and has a strength enough to partially melt the amorphous silicon film 6, each seed of the seed layer 6 acts as a crystal nucleus to produce a large grain size. To form polycrystalline silicon. As such, the method of the present invention reduces the density of the energy beam for crystallization to a threshold such that all of the amorphous silicon film 6 is melted from an energy density such that the amorphous silicon film 6 is partially molten. Since the energy density can be increased to above the energy density, the process margin is widened.
상기한 방법으로 다결정 실리콘 막의 형성이 완료되면, 통상의 TFT-LCD 형성을 위한 공정들, 즉 박막 트랜지스터, 게이트 라인, 데이터 라인 등의 형성공정이 수행된다.When the formation of the polycrystalline silicon film is completed by the above-described method, the processes for forming a conventional TFT-LCD, that is, a process of forming a thin film transistor, a gate line, a data line and the like are performed.
한편, 상기한 결정화 방법은 박막 트랜지스터를 형성하기 위한 후속 공정에서도 적용될 수 있는데, 박막 트랜지스터를 구성하는 채널층이나 배선과 같은 재료를 다결정실리콘층으로 구성하는 경우, 제 2 비정질 실리콘 층으로서 비소(As), 인(P), 붕소와 같은 3가 또는 5가의 불순물 원자들을 갖는 비정질 실리콘 층을 제 2 비정질 실리콘 막으로 이용하는 것이다. 이 불순물 원자들을 갖는 비정질 실리콘 층의 사용으로 비정질 실리콘 층 내에 불순물을 위치시키기 위한 이온 주입공정이 생략될 수 있으므로, 공정의 간소화에 기여할 수도 있다.On the other hand, the above crystallization method can be applied to subsequent processes for forming a thin film transistor. When the material such as a channel layer or a wiring constituting the thin film transistor is composed of a polysilicon layer, arsenic (As) is used as the second amorphous silicon layer. ), An amorphous silicon layer having trivalent or pentavalent impurity atoms such as phosphorus (P) and boron is used as the second amorphous silicon film. The use of an amorphous silicon layer having these impurity atoms can eliminate the ion implantation process for placing impurities in the amorphous silicon layer, thus contributing to the simplification of the process.
상기한 실시예들은 유리기판 위에 형성된 비정질 실리콘층을 결정화하기 위하여 레이저 빔을 사용하는 경우를 예를 들어 설명하였지만, 레이저 빔 대신 전자 빔을 사용하는 것 또한 가능하다.Although the above embodiments have described the case where a laser beam is used to crystallize an amorphous silicon layer formed on a glass substrate, it is also possible to use an electron beam instead of a laser beam.
현재까지의 실험에 따르면, 엑시머 레이저의 경우 에너지의 밀도는 대략 100~ 400 mJ 범위이다. 이러한 엑시머 레이저를 이용한 어닐링은 호모자이저를 통과하여 밀도가 균일해진 레이저 광이 비정질 실리콘 위에 순차적으로 조명되며, 다결정의 실리콘을 만드는 과정 중, TFT LCD의 동작을 최적화 할 수 있는 다결정 실리콘의 크기가 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터(㎛) 수준인데 반해 레이저 광은 수 밀리 정도의 수준이므로 한 번의 레이저 광의 펄스를 통해 수 만개 이상의 그레인에 영향을 준다. 이는 비정질 실리콘에서 다결정 실리콘으로의 변이 과정에서 핵 생성율에 따라 그레인 크기가 의존한다는 의미도 된다.Experiments to date indicate that for excimer lasers the energy density is in the range of approximately 100 to 400 mJ. The annealing using this excimer laser sequentially illuminates the amorphous silicon laser light through a homogenizer, and in the process of making polycrystalline silicon, there are hundreds of polycrystalline silicon sizes that can optimize the operation of the TFT LCD. While laser light is on the order of milliseconds, on the order of nanometers to several micrometers (μm), more than tens of thousands of grains are affected through a single pulse of laser light. This also means that grain size depends on the rate of nucleation during the transition from amorphous silicon to polycrystalline silicon.
한편, 전자 빔은 빔의 스폿 사이즈를 원하는 정도로 작게 만들 수 있고, 전자기적 코일을 이용한 셔터로 빔의 경로를 충분히 조절할 수 있으므로, 원하는 크기의 다결정 실리콘 그레인을 만드는 것이 더 쉬워진다.On the other hand, the electron beam can make the spot size of the beam as small as desired, and the path of the beam can be sufficiently controlled by a shutter using an electromagnetic coil, making it easier to produce polycrystalline silicon grain of a desired size.
즉, 전자빔의 스폿 사이즈를 원하는 그레인의 크기로 만든 후 순차적으로 비정질 실리콘 위에 조사할 수 있으며, 이때 전자기적인 셔터를 이용하여 스캔 속도 또한 증가시킬 수 있다. 또한, 전자빔은 레이저 어닐링시 사용하는 빔의 형태, 즉 직선에 근접한 형태로도 만들 수 있다.That is, the spot size of the electron beam can be made to the desired grain size and then irradiated onto the amorphous silicon sequentially, and the scanning speed can also be increased by using an electromagnetic shutter. In addition, the electron beam may be made in the form of a beam used in laser annealing, that is, in a form close to a straight line.
이상에서 설명한 바와 같이, 상술한 본 발명에 따르면, 우수한 능력의 TFT LCD를 만들기 위한 최소한의 조건인 비정질 실리콘 막의 결정화를 보다 쉽게 하고, 균일하고 극대화된 결정크기를 갖도록 하는 안정적인 방법을 구현 할 수 있다. 또한 기판의 온도를 올리지 않아도 결정립의 크기를 충분히 크게 할 수 있다.As described above, according to the present invention described above, it is possible to implement a stable method to more easily crystallize the amorphous silicon film, which is a minimum condition for making a TFT LCD of excellent ability, and to have a uniform and maximized crystal size. . In addition, the size of the crystal grains can be sufficiently increased without raising the temperature of the substrate.
아울러, 결정화를 위한 레이저 빔 또는 전자 빔의 에너지 밀도 범위를 종래에 비하여 더욱 넓게 할 수 있으므로, 충분한 공정 마진의 확보가 가능하다.In addition, since the energy density range of the laser beam or electron beam for crystallization can be made wider than in the related art, sufficient process margin can be secured.
또한, 시드층을 결정화를 위한 비정질 실리콘 막의 하부에 형성하므로, 결정립의 사이즈를 더욱 크게 할 수 있다.In addition, since the seed layer is formed under the amorphous silicon film for crystallization, the size of the crystal grains can be further increased.
한편, 여기에서는, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 통상의 지식을 가진 자에 의하여 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 이하 특허청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 그러한 모든 변형과 변경을 포함하는 것으로 간주된다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been shown and described, modifications and variations will be apparent to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the following claims are intended to embrace all such alterations and modifications without departing from the spirit and scope of the invention.
Claims (6)
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| KR1020000046290A KR20020012983A (en) | 2000-08-10 | 2000-08-10 | Method for crystallizing amorphous silicon thin film for liquid crystal display |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020000046290A KR20020012983A (en) | 2000-08-10 | 2000-08-10 | Method for crystallizing amorphous silicon thin film for liquid crystal display |
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|---|---|
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Family
ID=19682589
Family Applications (1)
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| KR1020000046290A KR20020012983A (en) | 2000-08-10 | 2000-08-10 | Method for crystallizing amorphous silicon thin film for liquid crystal display |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100397762B1 (en) * | 2000-10-09 | 2003-09-13 | (주)쎄미시스코 | Method for crystallizing amorphous silicon thin film |
| KR100460209B1 (en) * | 2002-11-08 | 2004-12-04 | 엘지.필립스 엘시디 주식회사 | Method of Solidification for Amorphous Silicon layer |
-
2000
- 2000-08-10 KR KR1020000046290A patent/KR20020012983A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100397762B1 (en) * | 2000-10-09 | 2003-09-13 | (주)쎄미시스코 | Method for crystallizing amorphous silicon thin film |
| KR100460209B1 (en) * | 2002-11-08 | 2004-12-04 | 엘지.필립스 엘시디 주식회사 | Method of Solidification for Amorphous Silicon layer |
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