JP2000111950A - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

多結晶シリコンの製造方法

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laser
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浩 三橋
Yasuto Kawahisa
慶人 川久
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Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、非晶質シリコンを結晶化するため
のレーザアニールにおけるレーザビームのフルエンスマ
ージンを十分に大きくでき、高い電界移動度を達成でき
るとともに歩留まりを高くできる多結晶シリコンの製造
方法を提供することを課題とする。 【解決手段】液晶ディスプレイの画素スイッチに適用さ
れる薄膜トランジスタは、ガラス基板上に堆積されたア
モルファスシリコンをレーザアニールによって結晶化し
た多結晶シリコン層を有する。このレーザアニールにお
けるレーザビームの強度分布を示す特性線は、ガラス基
板の移動方向上流側にシフトした頂点を有している。ア
モルファスシリコンのレーザアニールにおいて、レーザ
ビームは、その強度が高い部分からアモルファスシリコ
ンに照射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、液晶デ
ィスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる薄膜
トランジスタの多結晶シリコンを製造する方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】現在、アモルファスシリコンを用いた絶
縁ゲート型薄膜トランジスタを画素スイッチに適用した
液晶ディスプレイが量産されている。しかし、この種の
液晶ディスプレイでは、アモルファスシリコンの電界効
果移動度が１ｃｍ2 ／Ｖs 以下であるため、高精彩画像
を高速出力することが難しかった。つまり、高精彩画像
を高速出力するためには、電界効果移動度を高くする必
要がある。
【０００３】このため、画素スイッチの薄膜トランジス
タに電界効果移動度の高い多結晶シリコンを用いた液晶
ディスプレイが実用化されつつある。この多結晶シリコ
ンは、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射し
て結晶化させるレーザアニールにより製造され、その電
界効果移動度は、実験段階で１００ｃｍ2 ／Ｖs 〜２０
０ｃｍ2 ／Ｖs 程度を示すことがわかっている。このよ
うに、電界効果移動度の高い多結晶シリコンを薄膜トラ
ンジスタに用いた液晶ディスプレイでは、高精彩画像を
高速出力することができる。
【０００４】ところで、多結晶シリコンの電界効果移動
度は、多結晶シリコンの粒径が大きくなるにつれて高く
なることが知られている。また、この多結晶シリコンの
粒径は、レーザアニールによって照射されるレーザビー
ムのエネルギー密度（フルエンス）に依存することが知
られている。つまり、レーザビームのフルエンスを高く
することによって多結晶シリコンの粒径を大きくでき、
電界効果移動度を高くすることができる。
【０００５】しかし、フルエンスがある値を超えると、
多結晶シリコンの粒径が微結晶粒となり、所望する電界
効果移動度を得られなくなってしまう。このため、レー
ザビームのフルエンスは、所望の電界効果移動度を達成
できる範囲に調整されている。つまり、レーザビームの
フルエンスは、高精彩画像を高速出力するのに必要とさ
れる最小限の電界効果移動度を得ることができるフルエ
ンスＦ1 から、多結晶シリコンの粒径が微結晶粒になる
直前のフルエンスＦ2 までの範囲内で調整される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現状で
は、上記Ｆ1 からＦ2 までの間のフルエンスマージンは
非常に狭く、レーザの発振強度が僅かに変動しただけで
フルエンスマージンを外れてしまい、所望する粒径、即
ち所望する電界効果移動度を得ることが難しかった。こ
のため、上述したような高性能多結晶シリコンを製造す
るにあたり、製品の歩留まりが悪く、製造コストが増大
する問題となっていた。
【０００７】この発明は、以上の点に鑑みなされたもの
で、その目的は、非晶質シリコンを結晶化するためのレ
ーザアニールにおけるレーザビームのフルエンスマージ
ンを十分に大きくでき、高い電界効果移動度を達成でき
るとともに歩留まりを高くできる多結晶シリコンの製造
方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、非晶質シリコンに照射されるレーザビ
ームのスキャン方向に沿ったビームプロファイルと上記
フルエンスマージンとの相関関係を調べたところ、以下
のようなビームプロファイルを有するレーザビームを用
いた場合にフルエンスマージンを十分に大きくできるこ
とがわかった。
【０００９】すなわち、この発明のうち請求項１記載の
多結晶シリコンの製造方法は、基板上に非単結晶シリコ
ンを堆積する工程と、第１の方向に沿った幅を有し、第
２の方向に沿った長さを有するレーザビームを、上記非
単結晶シリコンに対して上記第１の方向に相対的に走査
して照射し結晶化させる工程と、を有し、上記レーザビ
ームは、上記第１の方向に沿った上記レーザビームの強
度分布を示す特性線が、最高の強度を示す１つの頂点を
含む凸状の曲線を形成し、上記頂点のレーザ強度を１ｍ
と規格化したときに上記曲線の曲率半径が０．２μｍ以
上、４μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】また、この発明のうち請求項２記載の多結
晶シリコンの製造方法によると、上記レーザビームの幅
方向の強度分布を示す特性線上の頂点の位置は、中央よ
り一端側にずれていることを特徴とする。
【００１１】また、この発明のうち請求項３記載の多結
晶シリコンの製造方法によると、上記レーザビームの幅
方向の強度分布を示す特性線上の頂点の位置は、中央よ
り上記基板が移動される第１の方向に沿った上流側にず
れていることを特徴とする。
【００１２】さらに、この発明のうち請求項４記載の多
結晶シリコンの製造方法によると、上記非単結晶シリコ
ン表面の上記レーザビームが照射された領域に関し、上
記第２の方向に沿って隣接した他の領域に上記レーザビ
ームを照射する工程をさらに有し、この工程において
も、上記基板を上記第１の方向に沿って一定速度で移動
させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながらこの発
明の実施の形態について詳細に説明する。図１には、こ
の発明の多結晶シリコンの製造方法に関し、レーザアニ
ール工程においてアモルファスシリコンに照射されるレ
ーザビームのスキャン方向（図中矢印ａ方向）に沿った
ビームプロファイル（強度分布）を模式的に示してあ
る。このビームプロファイルについては、後で詳細に説
明する。
【００１４】ここでは、ＸＹステージ上に配置したガラ
ス基板１の表面上にSiNxとSiOxからなるアンダーコート
層がプラズマＣＶＤ法によって形成され、その上に膜厚
５０ｎｍのアモルファスシリコン層がプラズマＣＶＤ法
によって形成され、このガラス基板１が矢印ａ方向に一
定速度で移動される。そして、図１に示すビームプロフ
ァイルを有するXeClエキシマレーザがアモルファスシリ
コン層上に３００Ｈｚのパルス幅で照射され、レーザア
ニールによってアモルファスシリコン層が結晶化されて
多結晶シリコン層が形成される。
【００１５】アモルファスシリコン層に照射されるレー
ザビームは、そのスキャン方向と直交する方向（紙面方
向）に延びた細長い線状のビームスポットを形成する。
このスポットの形状は、例えば、紙面方向に沿った長さ
が２００ｍｍ、スキャン方向ａに沿った幅が４００μｍ
の長方形に形成される。そして、この線状のスポットが
スキャン方向、すなわち幅方向に９５％オーバーラップ
するようにガラス基板１の移動速度が６ｍｍ／ｓｅｃに
設定される。
【００１６】以上のようなレーザアニール条件で、多結
晶シリコン層を製造したところ、レーザビームのエネル
ギー密度に関するフルエンスを３２０ｍＪ／ｃｍ2 から
３８０ｍＪ／ｃｍ2 の間に設定したときに所望の結晶粒
径を得ることができた。すなわち、従来技術と比較し
て、レーザビームのフルエンスマージンを格段に広くと
ることができた。
【００１７】ここで、本発明の特徴である上記レーザビ
ームのビームプロファイルについて説明する。図１のビ
ームプロファイルを示す特性線は、アモルファスシリコ
ンに照射されるレーザビームのスキャン方向（矢印ａ方
向）、すなわち幅方向に沿った強度分布をプロットした
曲線を形成している。このような特性線の形状は、アモ
ルファスシリコン層にレーザを１本づつ照射して顕微鏡
で観察することにより把握でき、或いは、ＣＣＤビーム
プロファイラを使用して把握できる。また、このような
強度分布特性を有するレーザビームは、図示しないビー
ムホモジナイザや他の光学レンズの配置位置を調整する
ことにより得ることができる。
【００１８】このレーザビームの特性線は、略長方形に
近い台形状に形成され、ここでは、台形の上底にあたる
部分をプラトー領域と称し、台形の斜辺にあたる部分を
スティープス領域と称する。
【００１９】本発明において、プラトー領域は、最高の
強度を示す１つの頂点を有する凸形状に湾曲されてお
り、その曲率が、頂点のレーザ強度を１ｍに規格化した
際に０．２〜４μｍの曲率半径に近似される程度の値に
設定されている。尚、本実施の形態では、頂点のレーザ
強度を１ｍに規格化したときの曲率半径が０．７μｍと
なるビームプロファイルを有するレーザビームを用い
た。
【００２０】このように、プラトー領域のレーザ強度を
示す特性線を凸形状に形成することにより、アモルファ
スシリコンに照射されるレーザビームのスポット幅方向
に沿ったレーザ強度に分布を持たせることができる。こ
れにより、矢印ａ方向に移動されるガラス基板１上のア
モルファスシリコンの液化過程において結晶核を温存で
き、その後の固化過程において幅方向に沿った固化速度
に時間差を持たせることができ、幅方向に沿った結晶の
成長を促進することができる。
【００２１】これに対し、プラトー領域の曲率半径を４
μｍ以上、すなわち概ね直線状に設定すると、幅方向に
沿ったレーザ強度が略同じになり、アモルファスシリコ
ンの溶融化過程において結晶核の消滅の確立が高くな
り、その後の固化過程において同時固化が促進されてし
まう。
【００２２】また、プラトー領域の曲率半径を０．２μ
ｍ以下に設定すると、シリコンの固化過程において隣接
した領域の固化時刻が重ならなくなり、隣接した領域間
での影響を受けることなく固化されるため、フルエンス
マージンが狭くなってしまう。
【００２３】このため、本発明においては、上述したプ
ラトー領域に０．２〜４μｍの曲率を持たせたビームプ
ロファイルを有するレーザビームを用いることにより、
シリコンの結晶粒径をできるだけ大きくした上で、フル
エンスマージンを広く取ることに成功した。特に、本実
施の形態のように、曲率半径を０．７μｍに設定するこ
とにより、フルエンスマージンを３２０ｍＪ／ｃｍ2 〜
３８０ｍＪ／ｃｍ2 に広くとることができた。
【００２４】また、この発明のより好ましい実施の形態
によると、上述したプラトー領域における頂点の位置
（図中ｔで示す位置）をプラトー領域の中央よりガラス
基板１の移動方向上流側にシフトさせる。つまり、レー
ザビームをスキャンする際に、レーザ強度の最も高い頂
点に相当するレーザ部分が始めのうちにシリコンに照射
され、この頂点部分を過ぎた強度の低いレーザ部分がそ
の後に照射されることになる。
【００２５】より詳細には、シリコンに照射されるレー
ザビームは、３００Ｈｚのパルス幅で９５％オーバーラ
ップしてスキャンされるため、シリコン上のある任意の
部分にはレーザビームが２０回照射される。従って、本
実施の形態のようにレーザ強度の最も高い頂点をシフト
させると、２０回目の照射がなされる領域が優先的に固
化されることになる。
【００２６】これにより、フルエンスマージンを超える
不所望に高いエネルギーを有するレーザ発振が生じた場
合であっても、頂点を過ぎた後の比較的強度の低いレー
ザ部分の照射によってシリコンの微粒径化を防止でき、
フルエンスマージンを広くできる。
【００２７】尚、上述した強度分布を有する本発明のビ
ームプロファイルに対する比較として、従来から正規分
布に近い強度分布を有するガウシアンビームが知られて
いるが、このガウシアンビームの幅方向に沿った特性線
は直角二等辺三角形に近く、長方形に近い台形状の本発
明の特性線とは本質的に異なるものである。例えば、正
規分布における標準偏差の２倍をビーム幅とみなして、
上述した実施の形態と同じ条件で曲率半径を算出する
と、約０．０５８μｍとなり、本発明で規定している曲
率半径の範囲からは大きく外れている。
【００２８】図２には、上述した方法によって製造され
る多結晶シリコンを含む薄膜トランジスタ、およびこの
薄膜トランジスタを搭載した液晶ディスプレイの断面図
を示してある。
【００２９】まず、基板サイズ４００mm×５００mmのガ
ラス基板１上にSiNxとSiOxからなるアンダーコート層２
がプラズマＣＶＤ法によって形成され、その上にアモル
ファスシリコン層が膜厚５０nmでプラズマＣＶＤ法によ
って形成される。そして、アモルファスシリコン層を堆
積したガラス基板１が５００℃の窒素雰囲気中で１時間
熱処理され、シリコン膜中の水素濃度が低下される。こ
の後、アモルファスシリコン層の膜厚を分光エリプソ法
によって測定したところ、実際の膜厚は５０．５nmであ
った。
【００３０】続いて、上述したビームプロファイルを有
するレーザビームを用いて、アモルファスシリコン層が
レーザアニール処理される。このとき、ガラス基板１が
矢印ａ方向（図１参照）に沿って６mm/sで移動され、ア
モルファスシリコン層上でのフルエンスが３５０mJ/cm2
となる２００mm×０．４mmの線状のレーザビームが３０
０Hzで発振されて、９５％オーバーラップするようにア
モルファスシリコン層に照射される。
【００３１】次に、このようにレーザアニールされた領
域に隣接した他の領域がレーザアニール処理される。こ
のとき、ガラス基板１が再び上述した矢印ａ方向に移動
され、上述したビームプロファイルを有するレーザビー
ムが同じ方向から照射される。つまり、他の領域に対し
ても、レーザ強度の最も高い頂点部分側からレーザビー
ムがスキャンされる。以上のように、ガラス基板１上の
アモルファスシリコン層が結晶化されて多結晶シリコン
層３が製造される。
【００３２】そして、このように製造された多結晶シリ
コン層３から周知のフォトリソグラフィー技術を用いて
薄膜トランジスタが製作され、この薄膜トランジスタを
用いたアクティブマトリクス液晶ディスプレイが製造さ
れる。ここでは、薄膜トランジスタおよび液晶ディスプ
レイの詳細な製造方法についての説明は省略するが、薄
膜トランジスタは、多結晶シリコン層３の他に、ゲート
酸化膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、ソース／ドレ
イン電極７、画素電極８、および保護膜９を有し、さら
に、液晶１１、対向電極１２、および対向基板１３を形
成して液晶ディスプレイが形成される。
【００３３】以上のように、本実施の形態によると、ス
キャン方向に沿った図１に示すようなビームプロファイ
ルを有するレーザビームを用いたレーザアニールにより
多結晶シリコンを製造するため、フルエンスマージンを
広くとることができ、電界効果移動度の高い多結晶シリ
コンを高い歩留まりで製造できる。これにより、優れた
特性を有する薄膜トランジスタを量産でき、品質の高い
液晶ディスプレイを製造できる。尚、この発明は、上述
した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の
範囲内で種々変形可能である。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の多結晶
シリコンの製造方法によると、非晶質シリコンを結晶化
するためのレーザアニールにおけるレーザビームのフル
エンスマージンを十分に大きくでき、高い電界効果移動
度を達成できるとともに歩留まりを高くできる。これに
より、多結晶シリコンを用いた高性能薄膜トランジスタ
の量産が可能になり、品質の高い液晶ディスプレイを製
造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラス基板上に堆積されたアモルファスシリコ
ンに照射されるレーザビームの基板の移動方向に沿った
強度分布を模式的に示す図。
【図２】図１の強度分布を有するレーザビームを用いた
レーザアニールによって製造される多結晶シリコン層を
含む薄膜トランジスタを、液晶ディスプレイに組入れた
状態を示す断面図。
【符号の説明】
１…ガラス基板、 ２…アンダーコート層、 ３…多結晶シリコン層、 ４…ゲート酸化膜、 ５…ゲート電極、 ６…層間絶縁膜、 ７…ソース／ドレイン電極、 ８…画素電極、 ９…保護膜、 １１…液晶、 １２…対向電極、 １３…対向基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H092 JA24 KA04 KA05 MA30 NA29 5F052 AA02 BA07 BB07 DA02 DB03 EA12 JA01 5F110 AA01 BB01 CC01 DD02 GG02 GG13 GG45 PP04 PP05 PP06 PP23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に非単結晶シリコンを堆積する工
    程と、 第１の方向に沿った幅を有し、第２の方向に沿った長さ
    を有するレーザビームを、上記非単結晶シリコンに対し
    て上記第１の方向に相対的に走査して照射し結晶化させ
    る工程と、を有し、 上記レーザビームは、上記第１の方向に沿った上記レー
    ザビームの強度分布を示す特性線が、最高の強度を示す
    １つの頂点を含む凸状の曲線を形成し、上記頂点のレー
    ザ強度を１ｍと規格化したときに上記曲線の曲率半径が
    ０．２μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする多
    結晶シリコンの製造方法。
  2. 【請求項２】 上記レーザビームの幅方向の強度分布を
    示す特性線上の頂点の位置は、中央より一端側にずれて
    いることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの
    製造方法。
  3. 【請求項３】 上記レーザビームの幅方向の強度分布を
    示す特性線上の頂点の位置は、中央より上記基板が移動
    される第１の方向に沿った上流側にずれていることを特
    徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの製造方法。
  4. 【請求項４】 上記非単結晶シリコン表面の上記レーザ
    ビームが照射された領域に関し、上記第２の方向に沿っ
    て隣接した他の領域に上記レーザビームを照射する工程
    をさらに有し、 この工程においても、上記基板を上記第１の方向に沿っ
    て一定速度で移動させることを特徴とする請求項１記載
    の多結晶シリコンの製造方法。
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