JP2002093706A - 非晶質シリコン薄膜の結晶化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 二つの非晶質シリコン膜とその間に介在され
た結晶核を利用して均一で大きな多結晶シリコン結晶粒
が生成するようにする方法を提供する。 【解決手段】 非晶質シリコン膜を大きな結晶粒サイズ
を有する多結晶シリコン膜に結晶化するための改善され
た方法を開示する。結晶化方法は、ガラス基板２との粘
着性向上及び汚染防止用として蒸着する酸化膜４上に第
１非晶質シリコン膜６を約１０〜３００Å程度蒸着後シ
ラン（ＳｉＨ４）或いはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを
フローしてシリコン結晶核８を第１非晶質シリコン膜６
上に形成させる。再び結晶核を含む第１非晶質シリコン
膜上に第２非晶質シリコン１０を蒸着する。この二重に
形成された非晶質シリコンにエキサイマレーザ１２を照
射して結晶化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非晶質シリコンを多
結晶シリコンに結晶化する方法に関するものであり、よ
り詳細には液晶表示器のような平板表示器の基板に用い
られるガラス基板上に駆動回路や薄膜トランジスタを形
成することに用いられる多結晶シリコン層の形成方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコンは非晶質シリコンに比べ
て非常に高い電子移動度を有する。したがって現在薄膜
トランジスタ液晶表示器（ＴＦＴ ＬＣＤ：Ｔhｉｎ
Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒ
ｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）の表示領域に用いられる
非晶質シリコンを多結晶シリコンに代替できるならば、
高品位の大型画面を高速で作動させることができる。

【０００３】同時に液晶表示器パネルと分離された別途
の駆動ＩＣを製作しなくてガラス基板上に直接駆動集積
回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）
を形成するチップ・オン・ガラス（Ｃhｉｐｏｎ Ｇｌ
ａｓｓ）が可能になり工程及び費用上の長所がある。

【０００４】したがって多種多様な方法で非晶質シリコ
ンを多結晶シリコンに形成する方法が提示されている。
この中でも、現在最も多く用いられる技術はエキサイマ
（Ｅｘｃｉｍｅｒ）レーザアニーリング方法であり、前
工程においてガラス基板に非晶質シリコンを蒸着した
後、エキサイマレーザを利用してこの非晶質シリコンを
鎔融して結晶化させる。

【０００５】すなわち、この方法は単純にレーザを非晶
質シリコン膜に照射して瞬間的に溶融及び冷却させるこ
とによって結晶化を遂行する。この時照射されるレーザ
のエネルギー密度によって非晶質シリコン膜の溶融程度
及びそれによる結晶化の状態が変わる。

【０００６】すなわち、照射するレーザビームのエネル
ギー密度を高くすれば非晶質シリコン膜は表面から非常
に深い個所まで鎔融される。すなわち、エネルギーの量
が多くなるほど鎔融される量が多くなり所定の臨界エネ
ルギー密度以上では非晶質シリコン膜が完全に溶融され
てしまう。

【０００７】一般に、結晶化される多結晶シリコンの結
晶粒（Ｇｒａｉｎ）の大きさは照射されるエネルギー密
度に比例する。すなわち、非晶質シリコン膜が多く鎔融
されるほど結晶粒の大きさが増加される。

【０００８】臨界エネルギー以下では、非晶質シリコン
膜の上側の表面のみが溶融された後、冷却される過程を
通して小さい結晶粒に結晶化される。臨界エネルギー密
度に近接したレーザエネルギー密度では下の方の少量の
非晶質シリコン膜のみが残って残りは鎔融された状態
（ほぼ完全な溶融状態：ｎｅａｒｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔ
ｅ ｍｅｌｔｉｎｇ）となる。このため、鎔融されない
シリコン膜が結晶化のための結晶核（ｓｅｅｄ）として
働いて結局は大きな結晶粒に成長するようになる。ただ
しレーザの密度をある臨界エネルギー以上に照射すれ
ば、非晶質シリコン膜が完全に鎔融されて結晶核として
働くものが残らない。このため、即、不規則な核生成及
び結晶成長によって結晶化が起き、むしろ結晶粒の大き
さが減ってしまう。

【０００９】したがって結晶粒が大きな多結晶シリコン
を得ようとするならほぼ完全な溶融状態（ｎｅａｒｌｙ
ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍｅｌｔｉｎｇ）とするエネルギ
ー領域のレーザを均一に照射しなければならない。この
ため、多結晶膜の再現性及び工程マージン確保に対する
困難さが現実的な課題となっている状況である。

【００１０】一般に優秀な性能のＴＦＴ ＬＣＤを得る
ためには多結晶シリコンの結晶粒の大きさが大きくなけ
ればならず、結晶欠陥及び表面粗さが小さくなければな
らない。このようにするためにはレーザのエネルギー密
度を臨界エネルギー密度に可能なかぎり近接するように
して結晶核の役割を果たす最小限の非晶質シリコン薄膜
を残しておくべきであるが、この方法で使用されるレー
ザエネルギー密度区間が非常に狭くなるために工程進行
時の許容誤差が非常に小さくなり、制御が困難である。
また多結晶シリコン化した膜においても結晶粒が任意に
位置するために均一な素子特性を確保することが困難と
なる。

【００１１】また溶融持続時間と結晶粒の大きさは関数
関係があるので現在の技術ではガラス基板を６００℃近
くに加熱して溶融持続時間を長くする方法を用いてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、二つの非晶質シリコン膜とその間に介在された
結晶核を利用して均一で大きな多結晶シリコン結晶粒が
生成するようにする方法を提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、結晶化のため
のエキサイマレーザの照射時におけるレーザビームのエ
ネルギー密度区間を広めて、十分な工程マージンを確保
することにある。

【００１４】更に、本発明の他の目的は、多結晶シリコ
ンの結晶粒サイズと整合され得る程度のビーム直径を有
する電子ビームを利用してガラス基板上で均一で大きな
多結晶シリコン結晶粒が生成するようにする方法を提供
することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために本発明の結晶化方法は、まず一側表面に酸化膜が
形成された絶縁基板上に第１非晶質シリコン層を所定厚
さに形成する。その次に、前記第１非晶質シリコン層上
に所定の直径を有する結晶核含むシード層を形成する。

【００１６】次に、前記結晶核を含むシード層上に、第
２非晶質シリコン層を形成して、前記第１、第２非晶質
シリコン層に所定エネルギー密度を有するビームを照射
する。

【００１７】前記ビームは望ましくはエキサイマレーザ
ビームまたは電子ビームであり、レーザビームまたは電
子ビームの照射によって第１、第２非晶質シリコン層は
多結晶シリコンに結晶化される。

【００１８】このとき、結晶核は第１、第２非晶質シリ
コン層が多結晶シリコンに結晶化されるためのシードと
して働いて、ビームのエネルギー密度が第１、第２非晶
質シリコン層を完全に鎔融する臨界エネルギー密度以上
に高まっても固体状態の結晶核の存在によって非常に大
きな結晶粒サイズを有する多結晶シリコン層の形成が可
能になる。

【００１９】前記シード層は、約数Åないし約３００Å
の厚さ範囲を有し、望ましくは約２００Åの厚さを有す
る。

【００２０】前記結晶核は、酸化膜と第１非晶質シリコ
ン層が形成された基板が装着された反応炉内に所定流量
のシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガ
スを供給して形成され、この結晶核の直径は望ましくは
約１００Å未満に形成される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して本
発明の望ましい実施形態を説明する。

【００２２】図１ないし図３は、本発明の一実施形態に
よる非晶質シリコン膜の結晶化方法を表す工程フロー図
である。

【００２３】図１を参照すると、上部側表面上に酸化膜
４と第１非晶質シリコン膜６が各々所定厚さに順次的に
形成された絶縁性基板２が提供される。この絶縁性基板
２は、例えば光透過性を有し、ＴＦＴ ＬＣＤの基板に
適用されるガラス基板であるが、ガラス基板にのみに限
定されるものではなく、石英基板または透明なプラスチ
ック基板などを用いることもできる。

【００２４】酸化膜４は、第１非晶質シリコン膜６とガ
ラス基板２との粘着性を高めるために第１非晶質シリコ
ン膜６とガラス基板２間に介在される。

【００２５】図２を参照すると、第１非晶質シリコン膜
６上に所定厚さ、例えば約数Åないし約３００Å、望ま
しくは約２００Åのシード（ｓｅｅｄ）層８が形成され
る。

【００２６】これらシード層８は、酸化膜４と第１非晶
質シリコン層６が形成された基板２が装着された反応炉
（図示せず）に所定流量のシラン（ＳｉＨ４）またはジ
シラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを供給して形成する。

【００２７】この時形成されるシード層８を構成する各
結晶核は約１００Å未満の直径を有することが望まし
い。

【００２８】一方、シランやジシラン（ｄｉｓｉｌａｎ
ｅ）ガスの具体的な流量（Ｆｌｏｗｒａｔｅ）は具体的
に言及されなかったが、前記で言及した直径を有するよ
うにする程度の量ならば十分なものと見做すことができ
る。

【００２９】それゆえ、この分野に通常の技術を有する
者が単純にシランやジシランガスの流量を変化させるこ
とは本発明の範囲内に属することはもちろんである。

【００３０】同時に、前記では結晶核としてシランまた
はジシランガスによって形成されるシリコン粒子の例を
見せて説明したが、本発明はこれに限らず、金属や他の
非金属粒子の場合にも適用が可能なことはもちろんであ
る。

【００３１】次に、図３を参照すると、結晶核８を含む
第１非晶質シリコン膜６上に第２非晶質シリコン膜１０
が所定厚さに形成される。

【００３２】その次に、所定のエネルギー密度を有する
レーザビーム１２を第２非晶質シリコン膜１０の上部か
ら前記第２非晶質シリコン層に向けて照射して第１、第
２非晶質シリコン膜６、１０をアニーリングする。この
レーザビーム１２としては、望ましくはエキサイマレー
ザビームが用いられるが、他のレーザ、例えばアルゴン
レーザを選択して用いることもできる。

【００３３】レーザビーム１２の照射によって、第１非
晶質シリコン膜６と第２非晶質シリコン膜１０は多結晶
シリコン層として結晶化される。この結晶化中、シード
層８の各シードは結晶化のための結晶核として働くが、
エキサイマレーザビームのエネルギー密度が臨界エネル
ギー密度を越えるようになって第２非晶質シリコン層と
第１非晶質シリコン層がすべて鎔融されても結晶核８は
鎔融されなくて固体状態で残る。このため、非常に大き
な結晶粒サイズを有する多結晶シリコンが形成される。

【００３４】同時に、照射されるレーザビームの密度が
臨界エネルギー密度におよぶことができなくて第２非晶
質シリコン膜１０のみを鎔融させる程の強さを有しても
シード層８の各シードが結晶核として働いて大きな結晶
粒サイズを有する多結晶シリコンを形成させる。

【００３５】このように、本発明の方法は結晶化のため
のエネルギービームの密度として、第２非晶質シリコン
膜１０を溶融状態とする程度のエネルギー密度から、第
１、第２非晶質シリコン膜６、１０すべてを溶融状態に
する臨界エネルギー密度以上までの範囲を用いることが
できるので、工程マージンが広まる。

【００３６】前記した方法で多結晶シリコン膜の形成が
完了されると、通常のＴＦＴ ＬＣＤ形成のための工
程、すなわち薄膜トランジスタ、ゲートライン、データ
ラインなどの形成工程が遂行される。

【００３７】一方、前記した結晶化方法は、薄膜トラン
ジスタを形成するための後工程でも適用できる。薄膜ト
ランジスタを構成するチャネル層や配線のような材料を
多結晶シリコン層で構成する場合、第２非晶質シリコン
層としてヒ素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、ホウ素のような３価
または５価の不純物原子を有する非晶質シリコン層を第
２非晶質シリコン膜として利用する。

【００３８】この不純物原子を有する非晶質シリコン層
の使用により、非晶質シリコン層内に不純物を位置させ
るためのイオン注入工程が省略できるので、工程の簡素
化に寄与することもできる。

【００３９】前記した実施形態は、ガラス基板上に形成
された非晶質シリコン層を結晶化するためにレーザビー
ムを用いる場合を例を挙げて説明したが、レーザビーム
の代わりに電子ビームを用いることも可能である。

【００４０】現在までの実験によると、エキサイマレー
ザの場合エネルギーの密度は大体１００〜４００ｍＪ範
囲である。このようなエキサイマレーザを利用したアニ
ーリングでは、ホモジェナイザ（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅ
ｒ）を通過して密度が均一になったレーザ光が非晶質シ
リコン上に順次的に照明される。多結晶のシリコンを作
る過程中、ＴＦＴ ＬＣＤの作動を最適化できる多結晶
シリコンの大きさが数百ナノミリメータないし数マイク
ロメーター（μｍ）水準であることに反し、レーザ光は
数ミリメートル程度の水準であるので一回のレーザ光の
パルスを通して数万個以上の結晶粒に影響を与える。

【００４１】これは非晶質シリコンから多結晶シリコン
への変移過程で核生成率に結晶粒の大きさが依存すると
いう意味もある。

【００４２】一方、電子ビームは、ビームのスポットサ
イズを所望する程度に小さく作ることができて、電磁気
的コイルを利用したシャッターでビームの経路を十分に
調節することができるので、所望する大きさの多結晶シ
リコン結晶粒を作ることがさらに容易になる。

【００４３】すなわち、電子ビームのスポットサイズを
所望する結晶粒の大きさに形成した後、順次的に非晶質
シリコン上に照射でき、この時電磁気的なシャッターを
利用してスキャン速度も増加させることができる。

【００４４】また、電子ビームは、レーザアニーリング
時に用いるビームの形態、すなわち直線に近接した形態
にも作ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上で説明したように、上述した本発明
によれば、優秀な能力のＴＦＴ ＬＣＤを作るための最
小限の条件である非晶質シリコン膜の結晶化をより容易
に行えるとともに、安定的に結晶を均一で極大化した大
きさとする方法を具現できる。また基板の温度を上げな
くても結晶粒の大きさを十分に大きくできる。

【００４６】同時に、結晶化のためのレーザビームまた
は電子ビームのエネルギー密度範囲を従来に比べてさら
に広くできるので、十分な工程マージンの確保が可能で
ある。

【００４７】なお、ここでは、本発明の特定の実施形態
に対して図示して説明したが、通常の知識を有する者に
よって変形と変更が可能である。したがって、特許請求
範囲は本発明の思想と範囲を外れない限りそうしたあら
ゆる変形と変更を含むことと見做されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガラス基板上に第１非晶質シリコン層が塗布さ
れた状態の基板断面図である。

【図２】図１の１次非晶質シリコン層上に結晶核を形成
した状態の基板断面図である。

【図３】図２の基板上に第２非晶質シリコン層を塗布し
た状態の基板断面図である。

【符号の説明】

２：基板 ４：酸化膜 ６、１０：シリコン膜 ８：結晶核／シード層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李誠修 大韓民国京畿道城南市盆堂區盆堂洞108− ７ Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA03 BB01 BB07 DA02 DB01 FA01 FA19 GB13 GB14 JA01 5F110 AA16 AA17 BB02 DD01 DD02 DD03 DD13 GG02 GG13 GG16 GG19 GG32 PP03 PP05 PP08 PP36

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一側表面に酸化膜が形成された絶縁基板
   上に第１非晶質シリコン層を所定厚さに形成する段階
   と、 前記第１非晶質シリコン層上に所定の直径を有する結晶
   核を含むシード層を形成する段階と、 前記結晶核を含むシード層上に第２非晶質シリコン層を
   形成する段階と、 前記第１、第２非晶質シリコン層に所定エネルギー密度
   を有するビームを照射する段階とを含むことを特徴とす
   る非晶質シリコンの結晶化方法。
2. 【請求項２】 前記シード層は、約数Åないし約２００
   Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載
   の非晶質シリコンの結晶化方法。
3. 【請求項３】 前記結晶核は、ＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６ガ
   スを利用して形成することを特徴とする請求項１に記載
   の非晶質シリコンの結晶化方法。
4. 【請求項４】 前記ビームは、レーザビームまたは電子
   ビームであることを特徴とする請求項１に記載の非晶質
   シリコンの結晶化方法。
5. 【請求項５】 前記レーザビームは、エキサイマレーザ
   を利用して照射され、前記エキサイマレーザのエネルギ
   ー密度は第１層の非晶質シリコン層を完全に鎔融させる
   ことができる臨界エネルギー密度に至ることを特徴とす
   る請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化方法。
6. 【請求項６】 前記絶縁基板は、液晶表示器に用いられ
   るためのガラス基板または透明なプラスチック基板であ
   り、前記レーザビーム照射段階によって前記第１、第２
   非晶質シリコン層は多結晶シリコンに結晶化され、前記
   多結晶シリコンは前記液晶表示器の表示領域で薄膜トラ
   ンジスタの形成及び／または前記絶縁基板上に前記液晶
   表示器を駆動するための駆動集積回路を形成することに
   適用されることを特徴とする請求項１に記載の非晶質シ
   リコンの結晶化方法。
7. 【請求項７】 前記第２非晶質シリコン層は、３価また
   は５価の不純物を追加で含むことを特徴とする請求項１
   ないし６中いずれか一に記載の非晶質シリコンの結晶化
   方法。