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│ 미래는 첨단 디지털 정보통신 시대로서 경량, 박형, 고신뢰성, │
│저소비전력 및 일체화된 전자시스템을 구현하기 위한 새로운 │
│기술이 요구되고 있다. │
│ 저온 poly-Si TFT기술은 바로 이러한 요구를 충족시키는 │
│신개념기술이라 할 것이다. 저온 poly-Si TFT기술을 적용하면 │
│음성, 디스플레이, 정보처리, 기억, 입출력 등의 여러 가지 기능│
│소자들을 하나의 기판 위에 집적함으로써 보드의 공간을 줄여 │
│각종 제품을 얇고 가볍게 제작할 수 있으며 배선부의 이상으로 │
│발생하는 여러 가지 에러도 크게 줄일 수 있어 신뢰도 향상과 │
│저가화를 실현할 수 있다. │
└──────────────────────────────┘

1.Amorphous-Si에서 poly-Si TFT로의 전환

TFT(박막트랜지스터)는 절연체위에 전극(gate)을 이용하여 반도체내에
형성되는 channel을 통해 다수캐리어를 제어하는 소자이다. 다결정 TFT
물질로는 Si, CdSe, Te등이 1960년 이후로 연구되어 왔다. TFT를 이용한
소자는
▷Active Matrix Liquid Crystal Display (AMLCD)
▷Load device in static random access memories (SRAM)
▷Pixel TFT
▷Driver TFT
등으로, 각각의 소자응용을 위하여 leakage current와 mobility가
특정한 값 이상이 되어야 한다.
아래의 table은 AMLCD 응용에 필요한 mobility와 leakage값을
나타낸다.
┌──────┬──────────┬───────────┐
│Device │Mobility (cm2/Vsec) │Leakage current (pA/m)│
├──────┼──────────┼───────────┤
│Pixel TFT │> 1 │< 0.1 │
├──────┼──────────┼───────────┤
│Driver TFT │> 30 │<100 │
└──────┴──────────┴───────────┘
TFT mobility requirements

현재 TFT-LCD 시장에서 지난 10여년이상 동안 주류를 이루고 있는
비정질 실리콘은 낮은 mobility와 높은 capacitance, 낮은 개구율등으로
n-MOS와 p-MOS를 동시에 제작하는 CMOS공정을 이용할 수 없다.
반면에 poly-Si을 이용한 TFT는
▷높은 mobility의 TFT-LCD
▷self alignment
▷미세패턴 형성 및 storage capacitance 형성이 가능한 CMOS공정과의
호환성
▷작은 pixel size 와 높은 aperture ratio을 갖는 pixel TFT와 기판
표면에 집적화가 가능한 구동회로 형성
▷구동회로 및 관련공정을 포함한 제조가격이 비정질 실리콘 TFT
LCD와 비교하여 낮음
등의 장점을 가진다.

그러나, 같은 전류밀도를 흘리기 위해 poly-Si는 작은 면적으로 충분
하나, TFT특성에서와 같이 poly-Si을 AMLCD(Active Matrix Liquid
Crystal Display)용의 TFT에 적용할 때, 비디오 신호를 유지하는 동안
pixel에서의 leakage current가 비정질 실리콘보다 크다. 이런 문제를
해결하기 위한 방법중의 하나가 결정립(grain)의 크기를 향상시키는
것으로 mobility의 향상과 leakage current의 감소를 가져온다.

2. Poly-Si의 형성법

2.1 SPC(Solid Phase crystallization).

SPC에 의한 poly-Si TFT의 개발은 1984년 구동회로를 내장한 1.7inch
TFT prototype이 개발되었고, 1987년 3.3inch TFT 개발되었으며 공정
온도는 600℃였다. SPC의 특징은 유리기판위에 비정질 실리콘을 증착한
후 600℃에서 8시간 이상을 열처리한다.
그러나, 유리기판이 오랜 열처리 시간에 견딜 수 있는 값비싼 기판이
필요하며, 절연막의 제조법등 여러 공정의 향상에도 불구하고 TFT 성능
향상은 크지 않다. 문제점은 높은 threshold voltage, 저전력 소모 회로의
제조 및 오랜 열처리에 견딜 수 있는 대면적 유리기판의 개발이다.

(장점)
상당히 양호한 uniformity와 carrier mobility 가 25cm2/Vs 이상으로
대량생산에 적합하다.
(단점)
장시간 열처리에 의한 낮은 생산성과 값싼 기판을 사용할 때 열처리
중의 기판변형 때문에 고가의 석영기판이 필요하다.

2.2 As-deposited poly-Si films(직접증착법).

유리기판과 같은 비정질 물질위에 poly-Si를 증착하는 기술은 박막의
질이 laser annealing 또는 SPC를 이용한 박막보다 떨어지므로, TFT
제조시 낮은 mobility가 문제시되고 있다. 그러나, 박막의 막질이 개선
된다면 현재 사용되고 있는 비정질 실리콘 TFT-LCD 라인을 대체가능하고,
그 밖의 기능성 소자의 제조가 가능하다는 장점이 있다. 그밖에
as-deposited poly-Si의 연구가 필요한 요인은 다음과 같다.

▷비정질 실리콘 TFT를 사용하는 AMLCD는 비정질 박막의 전기적,
광학적 성질의 한계로 인해서 poly-Si TFT를 이용하는 경우에 비해서
해상도와 응답속도가 낮고 전력소모가 크기 때문에 poly-Si TFT 개발의
필요성이 증가되었다.
▷현재 폴리 실리콘 박막을 제조하는데 사용되고 있는 레이저 어닐링
방법은 고가의 장비를 사용해야 하며, 생산성이 낮기 때문에 대량
생산이 가능하고 저가인 직접 증착방법 개발이 필요하다.
▷폴리 실리콘을 직접 증착하는 기술이 개발될 경우 현재 대량생산되고
있는 비정질 실리콘 TFT-LCD 공정라인에 poly-Si 박막을 그대로
이용할 수 있다.
▷태양전지의 실용화를 위해서는 발전단가가 낮아야 하는데 기존의
결정질 실리콘 태양전지는 높은 기판 가격으로 인해서 저가격화에
한계가 있으며, 기존의 비정질 실리콘 태양전지는 광열화 현상과
낮은 효율이 문제가 되어서 poly-Si 박막태양전지의 개발이 필요하다.
▷ Poly-Si TFT는 SRAM, FRAM에 사용된다. 이러한 개념은 3차원
직접회로(3-Dimensional IC)를 실현시킬 수 있으며 저온에서
poly-Si 박막을 제조하는 기술을 응용할 경우 공정의 다양화로
인해서 공정의 단순화, 고집적화를 이룰 수 있다.

2.3 Laser annealing.

Poly-Si TFT를 형성하기 위한 방법으로 zone-melting법과 laser
crystallization의 두가지 방법이 있다. Zone-melting법에 의한
heating-cooling 속도는 0.5mm/s이며, excimer 레이저에 의한
heating-cooling 속도는 약 1㎛/s이다.
Laser annealing은 그림 2와 같이 excimer laser를 이용하여 비정질
실리콘 박막에 laser를 조사시켜 poly-Si를 형성하는 것으로 결정성과
결정립(grain) 크기를 크게 증가시킬 수 있다.
Poly-Si TFT 제조시 초기 실리콘 박막은 LPCVD(Low Pressure
Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 약 50nm정도 증착시키고
XeCl 또는 KrF 레이저를 이용하여 박막을 열처리하며, 전 공정은 dry
etching법을 사용하고 있다.
Laser annealing에 의해 다결정 실리콘 TFT를 제작하기 위해서는 양질의
게이트 절연막 및 대면적 공정이 가능한 이온도핑을 이용해야 된다.
레이저 어닐링의 경우에는 여러번 어닐링, 어닐링시의 기판온도 증가
(400℃), 박막 두께 조절 등의 기술을 이용하여 이동도가 500 cm2/Vs
이상인 TFT가 제조되었다. 균일도 및 p채널 특성도 많이 개선되었다.
기존의 라인을 다결정 실리콘 라인으로 바꾸기 위해서는 레이저 아닐링
장비, 이온도핑 장비 및 게이트 절연막 증착장비가 추가로 요구된다.
이미 많은 연구 개발이 수행되었으나 균일한 레이저 어닐링 기술,
누설전류 감소 기술이 가장 중요한 문제로 남아있다. 또한 비정질 실리콘
TFT-LCD와 경쟁하기 위한 TFT 어레이 제조 공정의 간단화가 매우 중요하다.

(단점)
우수한 TFT를 제조할 가능성이 매우 높으나, laser의 열조사에 의하여
Si이 액체에서 고체로 결정화할 때 부피가 팽창하며 grain boundary에서
hillock이 생성된다. 따라서 hillock으로 인한 게이트 절연막의 증착후
표면이 매우 거칠게 되어 공정신뢰성 및 재현성과 소자신뢰성이 떨어지며
고가의 레이져 장비가 필요하다.

3.저온Poly-Si TFT-LCD업체 동향

Poly-Si TFT LCD를 형성하기 위해서 1000℃ 이상의 고온공정을 이용하게
되면 고가의 quartz기판을 사용함으로 인해 가격과 효율에 문제가 있다.
따라서 일본과 한국의 LCD 업체에서는 온도를 낮추기 위한 연구가 진행
되고 있다.
96년도 SID Symposium에 발표된 주변회로 일체형 Poly-Si TFT-LCD는
Sharp 2.2″(1024 × 768), Fujitsu 3.2″(1280 ×1024), Seiko-epson
2.9″(320 × 3 × 200)이 있다. 화소 크기는 50 μm × 50 μm 정도이다.
현재는 비록 초창기에 비해 기술력이 나아졌다고는 하지만 크게 발전된
것은 없으며 최근에야 활발한 연구가 진행되고 있다.

3.1 일본

일본의 액정표시장치(LCD) 생산업체들은 국내와 해외의 생산 이원화를
통한 수익 확보에 적극 나서고 있다. NEC, 샤프, 히타치, 도시바, 산요
전기, 미쓰비시, 후지쯔등 일본의 LCD 생산업체들은 PC용 TFT LCD의
생산을 대만 및 중국업체들에 위탁생산하고 국내에서는 액정 TV용,
무선기기(휴대폰 단말기, 개인휴대단말기)용 LCD 등 고부가가치 제품을
집중 생산한다.
일본 LCD 업체들이 이처럼 국내외 생산 이원화에 적극 나서는 것은
한국업체들의 부상과 최근 들어 대만이 TFT LCD 사업에 본격 진출함에
따라 범용 컬러 TFT LCD 제품을 중심으로 시장 가격이 하락하는 등 LCD
사업의 수익성 악화 때문이다.
일본업체들은 저가 LCD 제품의 국외 생산으로 원가 절감의 효과를
노리고 고수익의 액정 TV 및 무선기기용 LCD는 국내로 특화시킨다는
방침이다.
샤프가 최근에 선보인 저온poly-Si공정을 적용한 시제품은 7인치형으로
소형이지만 해상도는1280×768도트(210dpi)나 된다. 또 액정 기판 내부에
제어회로 등 각종 회로를 넣을 수 있어 현행 아모퍼스 기종보다도
선명하게 표시할 수 있으면서 적은 전력을 소비하는 특징을 지닌다.

3.2 한국

LG필립스는 최근에 10.4인치 저온 poly-Si 제품을 개발했으며 개인
휴대형단말기(PDA)시장을 겨냥한 6인치이하 제품개발과 개인휴대형
단말기(PDA)시장을 겨냥한 6인치 이하 제품개발과 IMT2000단말기와
같은 소형화면의 제품에도 적용할 수 있도록2-3인치 제품의 개발에도
적극 투자하고 있다.
삼성전자는 IMT2000단말기용 디스플레이 시장을 겨냥해 TFT LCD를
적극육성한다는 전략아래 이 회사가 개발한 제품이 2인치 저온 poly-Si
반사형 TFT LCD다.

4.향후 전망

미래는 첨단 디지털 정보통신 시대로서 경량, 박형, 고신뢰성, 저소비
전력 및 일체화된 전자시스템을 구현하기 위한 새로운 기술이 요구되고
있다.
저온 poly-Si TFT기술은 바로 이러한 요구를 충족시키는 신개념기술이라
할 것이다. 저온 poly-Si TFT기술을 적용하면 음성, 디스플레이, 정보
처리, 기억, 입출력 등의 여러 가지 기능소자들을 하나의 기판 위에 집적함
으로써 보드의 공간을 줄여 각종 제품을 얇고 가볍게 제작할 수 있으며
배선부의 이상으로 발생하는 여러 가지 에러도 크게 줄일 수 있어 신뢰도
향상과 저가화를 실현할 수 있다.
기존 비정질실리콘 TFT시장은 포화 상태로 되어가고 있으며 새로운
부가가치의 창조에 일조할 수 있는 기술이 바로 저온 poly-Si TFT기술이라
하겠다.
바로 이러한 장점과 향후 높은 시장가치 때문에 세계 유수의 업체들이
막대한 비용을 들여 기술력의 확보에 열을 올리고 있다. 이러한 기술력
선점에서 뒤쳐진다면 기술전쟁의 시대에 도태되어 버리고 말 것이다.
따라서 원천기술의 확보에 의한 특허권의 취득이야말로 중요한 과제라
하겠다.

5.저온poly-Si TFT 관련 특허 출원동향
┌─┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬─┬─┬──┐
│한│삼성│삼성│엘지│엘지│현대│한국│한국│한국│오│개│계 │
│국│전자│SDI │전자│필립│전자│과학│전기│전자│리│인│ │
│ │ │ │ │스 │ │기술│통신│통신│온│ │ │
│ │ │ │ │ │ │원 │공사│연구│ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │원 │ │ │ │
├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─┼─┼──┤
│95│14 │ │2 │ │4 │ │ │1 │ │ │21 │
├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─┼─┼──┤
│96│12 │ │6 │ │2 │1 │ │ │1 │1 │23 │
├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─┼─┼──┤
│97│11 │ │3 │10 │6 │2 │ │ │ │1 │33 │
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│98│9 │6 │2 │21 │7 │ │1 │ │ │10│56 │
├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─┼─┼──┤
│계│46 │6 │13 │31 │19 │3 │1 │1 │1 │12│133 │
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95년 미국 하니웰 1건

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│일│한│마│샤│소│도│호시│캐│세이│닛│상│후│미│신꾸│계│
│본│도│츠│프│니│시│덴필│논│코 │본│요│지│쯔│기쥬│ │
│ │따│시│ │ │바│립스│ │엡슨│덴│ │쯔│비│쯔 │ │
│ │이│타│ │ │ │ │ │ │기│ │ │시│ │ │
├─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┼─┼──┼─┼─┼─┼─┼──┼─┤
│95│5 │2 │5 │1 │1 │1 │1 │1 │ │ │ │ │ │17│
├─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┼─┼──┼─┼─┼─┼─┼──┼─┤
│96│ │ │3 │ │1 │ │1 │ │2 │1 │1 │ │1 │10│
├─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┼─┼──┼─┼─┼─┼─┼──┼─┤
│97│5 │ │ │ │3 │ │ │2 │1 │1 │1 │ │1 │13│
├─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┼─┼──┼─┼─┼─┼─┼──┼─┤
│98│18│ │1 │2 │4 │ │ │ │1 │5 │1 │1 │ │33│
├─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┼─┼──┼─┼─┼─┼─┼──┼─┤
│계│28│2 │9 │3 │9 │1 │2 │2 │4 │7 │3 │1 │2 │73│
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴──┴─┴──┴─┴─┴─┴─┴──┴─┘
자료조사 데이터 베이스: 특허청 신특실검색시스템.

현재 액정TV, 무선통신기기등의 수요의 증가로 인해 저온poly-Si TFT
관련 특허출원은 계속 증가할 것으로 예측된다.


* 문의 : 심사4국 반도체2심사담당관실
정해곤 사무관. 전화 042)481-5986