[논문]폴리머 위에 엑시머 레이저 방법으로 결정화된 다결정 실리콘의 특성

김경보; 이종필; 김무진; 민영실

doi:10.22156/cs4smb.2019.9.3.075

초록
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본 논문은 유기물로 이루어진 폴리머 기판상에 저온 다결정 실리콘 박막트랜지스터 제조방법에 대해 연구하였다. 먼저, 폴리머 기판에 화학증착방식으로 비결정 실리콘 박막을 증착하였고, 열처리 장치인 퍼니스로 탈수소 및 활성화 공정을 430도에서 2시간동안 진행하였다. 이후 엑시머 레이저를 이용하여 결정화를 진행하여 다결정 실리콘 반도체 막을 제조하였다. 이 박막은 박막트랜지스터 제작을 위한 활성층으로 사용하였다. 제작된 p형 박막트랜지스터는 이동도 $77cm^2/V{\cdot}s$, on/off 전류비는 $10^7$이상의 동작특성을 보였고, 이는 결정화된 박막내부에 결함 농도가 낮음을 의미한다. 이 결과로 유기물 기판상에 엑시머 레이저로 형성된 다결정 실리콘으로 제작된 전자소자는 플렉서블 AMOLED 디스플레이 회로 형성에 최적의 기술임을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we investigated a low temperature polycrystalline silicon (LTPS) thin film transistors fabrication process on polymer layers. Dehydrogenation and activation processes were performed by a furnace annealing at a temperature of $430^{\circ}C$ for 2 hr. The crystallization of am...

In this work, we investigated a low temperature polycrystalline silicon (LTPS) thin film transistors fabrication process on polymer layers. Dehydrogenation and activation processes were performed by a furnace annealing at a temperature of $430^{\circ}C$ for 2 hr. The crystallization of amorphous silicon films was formed by excimer laser annealing (ELA) method. The p-type device performance, fabricated by polycrystalline silicon (poly-Si) films, shows a very good performance with field effect mobility of $77cm^2/V{\cdot}s$ and on/off ratio current ratio > $10^7$. We believe that the poly-Si formed by a LTPS process may be well suited for fabrication of poly-Si TFTs for bendable panel displays such as AMOLED that require circuit integration.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Photographs showing (a) Samsung Galaxy S6 Edge, (b) Samsung Gear S2 Classic, and (c) Samsung Galaxy Tab S 8.4-inch.
그림 Fig. 2. Flexible AMOLED panels of (a) LG display and (b)Samsung display.
그림 Fig. 3. Images of (a) Spin coater (Rotation speed: 0~8000 rpm, Hold time: 1~999 sec, Sample size: up to 4 inch) and (b) Furnace (Temperature: up to 1000 ^oC, Atmosphere: N₂, Ar, Air) equipments.
그림 Fig. 4. (a) Polymer solution (Fully imidized and excellently chemical resistance, Viscosity: 60∼80 Pa) and (b) Polymer film (Thickness: 15 μm, color: yellowish) coated on glass substrate.
그림 Fig. 5. Images of (a) PECVD (RF frequency: 13.56 MHz, Process temperature: 100~400 ^oC) and (b) ELA (Wavelength: 308 nm, Frequency: up to 300 Hz) equipments.
그림 Fig. 6. Images of (a) 50-nm amorphous silicon and (b)50-nm polycrystalline silicon film crystallized by XeCl laser processing.
그림 Fig. 8. Images of (a) Sputter (RF frequency: 13.56 MHz, Temperature: up to 150 ^oC) and (b) Ion shower (Acceleration voltage: 1 kV~15 kV, phosphorous (P) or boron (B) doping) equipments.
그림 Fig. 7. (a) SEM plane-view image and (b) AFM surface topography for poly-Si films in the laser irradiation area.
그림 Fig. 9. Structure of a p-type TFT device.
그림 Fig. 10. Temperature evolution after 10 seconds of laser pulse-on process: temperature gradient of the a-Si/multilayer film/polymer layer.
그림 Fig. 11. Pixel circuit design. The green arrow indicates the direction of the current flowing in the OLED by the driving thin film transistor.
그림 Fig. 13. Transfer curve of (a) before and (b) after delamination for p-type TFTs.
그림 Fig. 12. Image of probe station (Voltage: -200V~200V, Current level: < 10¹² A) equipment.
표 Table 1. Measured device parameters of the p-type TFTs for W/L = 7/7 μm. Values averaged over nine TFTs.

AI 본문요약
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문제 정의

레이저로 결정화된 폴리실리콘은 scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) 기법들을 이용하여 표면 형상, 입자 크기 및 결정 구조에 대해 분석을 진행하였다. 또한, 이 반도체 막을 기반으로 제조된 박막트랜지스터의 특성 및 플렉서블 AMOLED 디스플레이에 대한 연구를 진행하였다.
비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 바꾸는 결정화 기술 중 현재 가장 각광받고 양산에 적용되고 있는 것은 자외선 파장을 가진 엑시머 레이저를 비정질 실리콘에 조사하는 기술이다[1,2]. 또한, 이 방법은 국소영역을 녹여서 나노시간 내에 응고가 일어나기 때문에 하부 기판에의 영향이 적어, 유기물로 이루어진 플렉서블 기판상에 형성된 비정질 실리콘의 결정화에 대한 가능성을 제시한다. A.

가설 설정

5(b)의 엑시머 레이저 결정화시 박막이 뜯겨져 나가는 것을 막기 위해 질소 분위기의 430도 온도에서 약 2시간 정도 열처리[Fig. 3(b) 장비 사용]를 하면 비정질 실리콘 내부의 수소가 제거된다. 이미 코팅되어 있는 폴리머막은 유기물로 이루어졌기 때문에 일반적으로 200도 이상의 고온에서는 견딜 수 없지만 본 연구진이 개발한 열처리 방법을 통해 400도 이상에서도 견딜 수 있도록 하였으며, 이후 308nm 파장의 XeCl 레이저를 이용하여 비정질 실리콘 층을 조사하면 Fig.
그 이유는 레이저 조사된 비정질 실리콘은 순간적이지만, 액체로 변하기 때문이며, 이는 최상부의 온도가 아주 높게 올라감을 의미 한다. Energy balance 방정식을 이용하여 진행하였으며, 펄스 레이저 조건은 shot과 shot 사이의 overlap은 95%, 빔폭은 0.4mm, 주파수는 100Hz, 레이저 on시간은 50nsec, 에너지는 350mJ/cm² , 공정 시간은 10초 지났을 때로 가정하였으며, 이 시간이면, 가장 높은 온도 값이 거의 변하지 않는 상태이기 때문이다. 프로그램명은 ABQUS로 상용 소프트웨어다.

제안 방법

레이저 결정화에 따른 하부층 및 기판의 영향성을 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인하였다. 그 이유는 레이저 조사된 비정질 실리콘은 순간적이지만, 액체로 변하기 때문이며, 이는 최상부의 온도가 아주 높게 올라감을 의미 한다.
본 논문에서는 폴리머 기판상에 레이저 결정화를 통해 폴리실리콘을 형성하고 이를 이용하여 박막트랜지스터를 제조하였다. 탈수소와 활성화 열처리를 400도 이상 에서 진행함에도 유기물 기판에 변형과 관련된 영향이 없음을 확인하였다.
하지만, 비정질 실리콘을 퍼니스 장비를 이용하여 탈수소 및 활성화 공정을 진행한 연구 결과는 없으며, 그 이유는 유기물은 400도 이상의 고온에서 견디는 것이 불가능하기 때문이다. 본 연구에서는 레이저 결정화 전 비정질 실리콘을 탈수소하기 위해 430도 온도에서 2시간 열처리를 진행하였으며, 또한, 폴리실리콘 내에 주입된 도펀트들을 활성화시키기 위해서 같은 조건으로 열처리했다. 레이저로 결정화된 폴리실리콘은 scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) 기법들을 이용하여 표면 형상, 입자 크기 및 결정 구조에 대해 분석을 진행하였다.
6(b)와 같은 다결정 실리콘으로 막특성이 변한다. 이 결과를 분석 장치로 관찰하였다. 먼저 SEM을 통해 결정립을 Fig.
측정 조건은 드레인 전압은 –0.1V, 게이트 전압은 –15V에서 15V까지 0.03V step으로 변화시키면서 측정하였다.
또한, 레이저 결정화시 상부 온도는 2000도 이상까지 상승하였으나, 하부 폴리머 기판은 200도 이하로 시뮬레이션 결과로 확인되었으며, 400도 이상 에서 견디는 유기물 기판은 레이저 공정에 의해 열변형은 전혀 없음을 예상할 수 있다. 탈착 공정 시 동일한 레이저 장비로 진행하였고, 전·후 박막트랜지스터는 동일한 특성으로 동작함을 파악하였다. 향후 플렉서블 디스플레이 구동 회로는 설명한 기술로 제작할 수 있게 되어 곧 디스플레이 분야에 새로운 혁명이 일어나게 될 것이다.
탈착 전·후 소자 특성 차이가 없음을 확인할 수 있으며, 보다 정확하게 판단하기 위해 그래프로부터, 트랜지스터의 파라미터(문턱전압, 이동도, S factor, on current)들을 추출하였다.

이론/모형

본 연구에서는 레이저 결정화 전 비정질 실리콘을 탈수소하기 위해 430도 온도에서 2시간 열처리를 진행하였으며, 또한, 폴리실리콘 내에 주입된 도펀트들을 활성화시키기 위해서 같은 조건으로 열처리했다. 레이저로 결정화된 폴리실리콘은 scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) 기법들을 이용하여 표면 형상, 입자 크기 및 결정 구조에 대해 분석을 진행하였다. 또한, 이 반도체 막을 기반으로 제조된 박막트랜지스터의 특성 및 플렉서블 AMOLED 디스플레이에 대한 연구를 진행하였다.

성능/효과

탈수소와 활성화 열처리를 400도 이상 에서 진행함에도 유기물 기판에 변형과 관련된 영향이 없음을 확인하였다. 또한, 레이저 결정화시 상부 온도는 2000도 이상까지 상승하였으나, 하부 폴리머 기판은 200도 이하로 시뮬레이션 결과로 확인되었으며, 400도 이상 에서 견디는 유기물 기판은 레이저 공정에 의해 열변형은 전혀 없음을 예상할 수 있다. 탈착 공정 시 동일한 레이저 장비로 진행하였고, 전·후 박막트랜지스터는 동일한 특성으로 동작함을 파악하였다.
10과 같다. 비정질 실리콘 표면은 약 2000도 이상까지 상승하지만, 유기물로 구성된 폴리머 층은 200도 이하가 됨을 알 수 있다. 2.
9개 소자의 평균값과 표준편차가 거의 동일함을 알 수 있다. 이 결과로부터 레이저 탈착 방법이 박막트랜지스터 소자 특성에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있는 중요한 결과이다. 뿐만 아니라, 다른 결정화 방법으로 제작된 소자들보다 우수한 특성을 보인다[15].
본 논문에서는 폴리머 기판상에 레이저 결정화를 통해 폴리실리콘을 형성하고 이를 이용하여 박막트랜지스터를 제조하였다. 탈수소와 활성화 열처리를 400도 이상 에서 진행함에도 유기물 기판에 변형과 관련된 영향이 없음을 확인하였다. 또한, 레이저 결정화시 상부 온도는 2000도 이상까지 상승하였으나, 하부 폴리머 기판은 200도 이하로 시뮬레이션 결과로 확인되었으며, 400도 이상 에서 견디는 유기물 기판은 레이저 공정에 의해 열변형은 전혀 없음을 예상할 수 있다.

후속연구

1 절의 실험 방법에서 설명하였듯이 비정질 실리콘 내부의 수소를 제거하는 공정과 도핑 후 열처리 공정 온도가 430도이며, 이 온도에서 폴리머가 영향을 받지 않았기 때문에 결정화시 레이저에 의해서도 변형이 없음을 예상할 수 있다. 이 결과는 레이저 결정화에 의해 200도 이상에서 내열성을 가지는 유기막은 글라스위에 균일한 코팅이 가능하고 유리와의 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)가 비슷하다면 플렉서블 기판으로의 사용 가능성이 있다는 것을 증명하는 중요한 증빙자료로 활용이 가능하다.
탈착 공정 시 동일한 레이저 장비로 진행하였고, 전·후 박막트랜지스터는 동일한 특성으로 동작함을 파악하였다. 향후 플렉서블 디스플레이 구동 회로는 설명한 기술로 제작할 수 있게 되어 곧 디스플레이 분야에 새로운 혁명이 일어나게 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라스틱 기판의 특징은 무엇인가?	다음 세대의 디스플레이는 모든 외부 회로를 기판상에 제조하는 것이다. 또한, 플라스틱 기판은 글라스로 사용되는 기판과 비교했을 때 더 가볍고, 휘어짐이 가능하고 값이 싸기 때문에 Fig. 2와 같이 이와 같은 기술에 대해 많은 연구가 진행되고 있다[5-8].
	레이저로 결정화된 폴리실리콘 분석에 이용한 기법은?	본 연구에서는 레이저 결정화 전 비정질 실리콘을 탈수소하기 위해 430도 온도에서 2시간 열처리를 진행하였으며, 또한, 폴리실리콘 내에 주입된 도펀트들을 활성화시키기 위해서 같은 조건으로 열처리했다. 레이저로 결정화된 폴리실리콘은 scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) 기법들을 이용하여 표면 형상, 입자 크기 및 결정 구조에 대해 분석을 진행하였다. 또한, 이 반도체 막을 기반으로 제조된 박막트랜지스터의 특성 및 플렉서블 AMOLED 디스플레이에 대한 연구를 진행하였다.
	자외선 파장을 가진 엑시머 레이저를 사용하여 비정질 실리콘에 조사하였을 때 장점은 무엇인가?	비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 바꾸는 결정화 기술 중 현재 가장 각광받고 양산에 적용되고 있는 것은 자외선 파장을 가진 엑시머 레이저를 비정질 실리콘에 조사하는 기술이다[1,2]. 또한, 이 방법은 국소영역을 녹여서 나노시간 내에 응고가 일어나기 때문에 하부 기판에의 영향이 적어, 유기물로 이루어진 플렉서블 기판상에 형성된 비정질 실리콘의 결정화에 대한 가능성을 제시한다. A.

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