4-30) OLED, 백플레인, TFT, LTPS-TFT

 

 

비정질과 다결정 실리콘 전자 흐름

 

비정질 실리콘 증착 후에 레이저 등을 이용한 열처리 기술로 열처리를 하면 결정화가 진행됩니다. 단결정들이 생기기 시작하고, 크기가 증가하면서 작은 단결정들로 이루어진 다결정을 형성하게 되죠. TFT에서 전하 운반자들이 소스에서 드레인쪽을 향하여 채널층을 이동할 때, 작은 단결정들, 즉 결정립(grain)들이 클수록 계면에서의 충돌(scattering)이 줄어들어 높은 이동도를 가지게 됩니다. 물론 결정화 온도가 높고 시간을 길게 할수록 단결정들의 크기는 증가하나, 기판이 받게 되는 열적인 부담과 생산성 등도 함께 고려하여야 합니다. 특히, 비정질 실리콘에 비해 특히 마이크로 디스플레이에 적용하기 위하여 단결정들의 크기를 키우려면 유리 기판보다는 열처리 온도를 높일 수 있는 석영 기판을 이용하기도 하죠. 범용성이 있는 일반 디스플레이용으로는 다결정 실리콘을 채널층으로 하는 저온 다결정 박막 트랜지스터(Low-Temperature Polycrystalline Silicon TFT, LTPS-TFT)가 폭 넓게 적용되고 있습니다.

 

비정질 실리콘의 결정화와 TFT

 

비정질 실리콘의 결정화와 TFT

 

LTPS-TFT의 제조 공정은 기본적으로 a-Si TFT와 유사하며, 다만 비정질 실리콘 증착 후, 유리기판이 손상을 받지 않는 정도에서 열처리를 하여 다결정을 형성시키는 결정화 과정이 추가됩니다. 일반적으로는 유리 기판 세정, 버퍼층 형성, 비정질 실리콘 증착, 다결정 실리콘 결정화, 채널층 패터닝, 게이트 절연막 및 전극 증착, 이온 도핑, 컨택 홀, 소스 및 드레인 전극 형성 과정으로 진행이 되죠. 특히 결정화 공정은 실로 다양하며, 레이저를 이용하는 방식과 이용하지 않는 방식으로 크게 분류가 됩니다.

 

저온 다결정 실리콘 TFT 제조 공정

 

비정질 실리콘으로부터 다결정 실리콘을 얻는 결정화 기술은 1990년대 초반에 본격적으로 시작이 되었습니다. 레이저를 이용한 방식으로는 비정질 실리콘을 순간적으로 액화시키는 과정을 통해 다결정을 만드는 엑시머 레이저를 이용한 열처리(Excimer Laser Annealing, ELA)와 순차적 측면 고상화(Sequential Lateral Solidification, SLS)가 대표적입니다. 그리고 레이저를 사용하지 않고, 고체 상태를 유지하면서 열처리와 자기력을 이용하여 결정화를 하는 고상결정화(Solid-Phase Crystallization, SPC)와 촉매를 활용하는 금속 유도 측면 결정화(Metal Induced Lateral Crystallization, MILC) 등이 있지만, ELA와 비교할 때 전기적 특성이 안정적이지 못하고, 누설 전류가 큰 문제가 남아 있습니다. 이러한 열처리 온도는 유리 기판에 따라 450~600도 정도에서 조절을 하죠. 열처리 온도와 함께 품질의 우수성, 생산성 등을 개선하기 위해 다양한 시행착오를 거쳤으며, 현재에는 ELA 방법이 주류를 이루고 있습니다.

 

실리콘의 결정화 기술

 

실리콘의 결정화 기술, TFT 단면

 

그리고 다결정 실리콘 TFT 대비 누설 전류의 획기적인 감소, 대면적화에 따른 공정 시간과 생산성 향상, 제조 비용 절감 등에서 더 좋은 방법들을 모색하고 있으며, 다음으로 설명될 산화물 TFT로 그 영역을 확장하고 있습니다.

 

TFT 기술의 진화

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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# 더! 생각해보기

a. 비정질 실리콘에 비해 다결정 실리콘의 전하 이동도가 높은 점을 좀 더 이론적으로 전개하여보자

b. LTPS-TFT들의 다양한 제조 방법들을 조사헤보자

 

 

4-30. OLED, 백플레인, TFT, LTPS-TFT-복사.pdf

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