JP2004186199A - 結晶性薄膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の溶融再固化による結晶性薄膜の製造方法では、結晶粒位置を正確に制御することが困難であるという課題があった。
【解決手段】互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜を、複数の加熱手段により溶融させ再固化させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法を提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜を、複数の加熱手段により溶融させ再固化させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法を提供する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラットパネルディスプレイやイメージセンサ、磁気記録装置、情報処理装置など高い空間的均質性を要する大規模集積回路に用いられる結晶性薄膜及びその製造方法、該結晶性薄膜を用いた素子、該素子を用いた回路、該素子もしくは該回路を含む装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
液晶ディスプレイ等に代表されるフラットパネルディスプレイは、画素駆動用の回路のパネルへのモノリシックな実装とその高性能化によって、画像表示の高精細化、高速化、及び多階調化を図ってきた。単純マトリクス駆動のパネルは画素毎にスイッチングトランジスタを備えたアクティヴマトリクス駆動に発展し、さらにそのアクティヴマトリクス駆動に用いるシフトレジスタ回路を同一パネル上周辺に作製することによって、今日、動画像にも対応するフルカラーの高精細液晶ディスプレイが提供されている。
【０００３】
このような周辺駆動回路まで含めたモノリシック実装が実用的な製造コストで可能となったのは、電気的特性に優れた多結晶シリコン薄膜の安価なガラス基体上への形成技術に負うところが大きい。即ち、ガラス基体上に堆積した非晶質シリコン薄膜をエキシマレーザーなどの紫外域の短時間パルス光によって、ガラス基体を低温に保ったまま非晶質シリコン薄膜を溶融再固化させる技術である。同じ非晶質シリコン薄膜を出発材料としてこれを固相で結晶化させた多結晶薄膜を構成する結晶粒に比べて、溶融再固化法によって得られる結晶粒は内部の結晶欠陥密度が低く、該薄膜を活性領域として用いて構成した薄膜トランジスタは高いキャリア移動度を示す。そのためサブミクロン程度の平均粒径を持つ多結晶薄膜でも、対角数インチ程のサイズで高々１００ｐｐｉ以下の精細度の液晶ディスプレイには十分な性能を示すアクティヴマトリクス駆動用モノリシック回路を製造することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ ａｎｄ Ｔ．Ｙｏｎｅｈａｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６，１３８３（１９９７）
【非特許文献２】
Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ ａｎｄ Ｆ．Ｇ．Ｓｈｉ，”Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”Ｖｏｌｕｍｅ １，Ｃｈａｐｔｅｒ ６，”Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，Ｇｒｏｗｔｈ，ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ”ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２００１）
【非特許文献３】
Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎ Ｄｉｊｋ，Ｇ．Ｊ．Ｂｅｒｔｅｎｓ，Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，ａｎｄ Ｃ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１２，１８１９（２００１）
【非特許文献４】
Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ， Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎ Ｄｉｊｋ，Ａ．Ｂｕｒｔｓｅｖ，Ｊ．Ｗ．Ｍｅｔｓｅｌａａｒ，ａｎｄ Ｃ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ，ＡＭ−ＬＣＤ ０２，５３（Ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、次世代に望まれるより大画面或いは高精細な液晶ディスプレイに対して、現行の溶融再固化多結晶シリコン薄膜を用いる薄膜トランジスタは性能が不足していることが明らかとなっている。また、液晶ディスプレイよりも高電圧或いは大電流での駆動を要するプラズマディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイの駆動回路用素子、或いは医療用大画面Ｘ線イメージセンサの高速駆動回路用の素子など、今後発展が期待されている用途においても上記多結晶シリコン薄膜は性能不足である。いかに結晶粒内の欠陥密度が低いとは言え、多結晶シリコン薄膜の平均粒径が高々サブミクロン程度ではこれらの高性能素子は得られない。なぜなら、ミクロン程度のサイズを有する素子の活性領域内に、電荷移動の大きな障害となる結晶粒界が多く含まれるからである。
【０００６】
このような多結晶薄膜における結晶粒界の密度とその空間分散を同時に小さくするための一般論が存在する。それは結晶粒の形成位置を制御することにより、結晶粒界の位置と粒径分布を制御するというアイデアであり、これまでに多結晶薄膜の化学気相堆積や薄膜の固相結晶化などにおいて実証されてきた〔例えば、非特許文献１、２を参照のこと〕。
【０００７】
溶融再固化による結晶性薄膜形成においても、同じアイデアを実現しようとする試みがこれまでいくつか報告されている。それらのうちでこれまでに最も成功しているものは、Ｗｉｌｔら〔非特許文献３、４〕によって初めて報告された方法である。彼らは先ず、シリコン単結晶基板上のシリコン酸化膜層の表面から深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を設け、これを埋めるように膜厚９０−２７２ｎｍの非晶質シリコン薄膜を形成し、この表面から細孔の内部を除く薄膜が完全溶融するようにエキシマレーザーを照射した。これにより、細孔の位置を中心として結晶粒の位置が制御されたと報告されている。しかしながら、細孔における単一結晶粒の選択収率が不十分であるために結晶粒界の位置制御という所期の目的を十分には達成していない。また、深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を大面積に亙って均一に形成すること、及びそこに非晶質シリコンを埋めることは極めて困難であり、生産工程としての現実性に乏しい。
【０００８】
本発明の課題は、上記したように、ガラス基体等へも適用可能な汎用性の高い溶融再固化による結晶性薄膜の製造方法において結晶粒位置を高度に制御する新たな方法を実現し、該製造方法によって結晶粒位置を高度に制御した結晶性薄膜を提供し、さらには該薄膜を用いて高性能な素子、回路、並びに装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
１．互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜を、複数の加熱手段により溶融させ再固化させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法
である。
【００１０】
上記１の結晶性薄膜の製造方法において、
２．複数の加熱手段の少なくとも１つが、薄膜の溶融の過程において時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段である
または、
３．複数の加熱手段の少なくとも１つが、薄膜の溶融の過程において時間変化のある加熱強度を有する加熱手段である
ことも好ましい形態である。上記２の一定の加熱強度を有する加熱手段は、４．基板からの熱伝導、もしくは５．連続発振レーザ、もしくは６．薄膜への通電加熱であってもよい。
【００１１】
また、上記３の時間変化のある加熱強度を有する加熱手段は、７．パルスレーザまたは８．時間差を設けて強度の異なる２つのパルスを薄膜に照射するパルスレーザであってもよい。
【００１２】
さらに、
９．上記１の複数の加熱手段が、薄膜の溶融の過程において時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段と、薄膜の溶融の過程において時間変化のある加熱強度を有する加熱手段とを含む
ことも好ましい実施形態である。
【００１３】
あるいは、
１０．上記１の複数の加熱手段が、薄膜を融点以下の温度に昇温する加熱手段と、該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させる加熱手段とを含む
ことも好ましい実施形態である。
【００１４】
本発明は、また、
１１．互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜に、時間変化しない一定の熱を与えて、融点以下の温度に昇温する工程と、時間変化のある熱を与えて、該昇温された薄膜を加熱し溶融させる工程と、薄膜を再固化させる工程とを有することを特徴とする結晶性薄膜の製造方法
である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の最も基本的な実施形態を図１に示す。図中、薄膜はその表面もしくは界面に鉛直な方向に薄膜の一部を切り出した断面によって模式的に表されている。尚、本発明にかかる薄膜はその上下に設けた別の層と接していてもよいが、図１においては便宜上それらを省略し、薄膜のみを図示する。
図１（ａ）は、溶融再固化前の薄膜すなわち出発薄膜を示す。
図１（ｂ）は、出発薄膜を加熱した様子を示す。
図１（ｃ）は、エネルギー投与終了直後の薄膜を示す。
図１（ｄ）は、再固化が開始された初期の薄膜を示す。
図１（ｅ）は、再固化が進行中の薄膜を示す。
図１（ｆ）は、再固化の最終段階の薄膜を示す。
図１（ｇ）は、再固化終了後の薄膜を示す。
【００１６】
図１中、１０は出発薄膜、１１はその周囲の領域とは状態の異なる特定の小領域（以下、小領域）、１２は小領域とは状態の異なる周囲の領域（以下、周囲の領域）、１３は溶融再固化のための投与エネルギー、１４は結晶粒もしくは結晶性クラスター、１５はランダムな結晶性クラスター、１６は未再固化領域、１７はランダムな結晶性クラスター群、１８は結晶粒界、１９は薄膜の下の層（基板）から伝わる熱である。
【００１７】
はじめに、図１（ａ）に示すように互いに状態の異なる小領域１１および周囲の領域１２を有する出発薄膜１０を用意する。出発薄膜１０において、小領域１１は、あらかじめ定められた特定の位置に設けられ、その周りに、周囲の領域１２が連続して共存する。小領域１１と周囲の領域１２の状態の差異を付加する方法としては、エネルギーをもった粒子線や電磁波の照射によって形成することが可能である。
【００１８】
本発明の結晶性薄膜の製造方法は、この互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜１０を、加熱溶融し、再固化させるものであるが、その場合には、後に説明するとおり、温度の均一かつ精度の高い制御が必要であり、そのために、加熱過程を、空間的、時間的に精度よく制御する必要がある。
【００１９】
以下、加熱の過程とその手段について説明する。
【００２０】
図１（ａ）に示す出発薄膜１０に、複数の独立した加熱手段により加熱して薄膜を溶融させる。図１の実施形態においては、加熱手段は、図１（ｂ）に示すように、溶融再固化のための投与エネルギー１３と基板から伝達される熱１９とを薄膜に与える。
【００２１】
複数の加熱手段のうち、一つは、溶融前に、あらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するために用いられる。その後、薄膜は、他の加熱手段によってさらに加熱されて溶融状態になる。図１の実施形態においては、基板から伝達される熱１９が溶融前の加熱、溶融再固化のための投与エネルギー１３が追加の加熱である。
【００２２】
加熱の具体的手段としては、出発薄膜がエネルギー吸収可能な波長を有する電磁波の照射や、エネルギーを有する粒子ビームの照射、出発薄膜を含む基板への物理的な接触による熱伝導、出発薄膜へ電流投与や誘導電流による出発薄膜自体の電気抵抗による薄膜自体の発熱が可能であり、複数の独立した手段であれば、これらの何れの組み合わせも可能である。また、投与するエネルギーはトータルで出発薄膜を溶融することが可能であれば特に制限はない。
【００２３】
この複数の独立した加熱手段として、その溶融過程での加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段である場合と、溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段である場合と、複数の独立した加熱手段の少なくとも１つが溶融過程での加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段であって、且つ少なくとも１つが溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段である場合が可能である。
【００２４】
ここで、等温的過程を有する加熱手段は、時間変化のない一定の加熱強度を有し、薄膜に一定の熱を与えることができる加熱手段であり、主として、薄膜を均一に加熱し、所定温度に昇温し、その温度を維持するために用いられる。この、等温的過程すなわち時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段は、薄膜を直接加熱するものであってもよいが、薄膜を含む基板や、それを支持するサセプタを熱して、薄膜に伝導させるものであってもよい。
【００２５】
また、非等温的過程を有する加熱手段は、時間的に変化する加熱強度を有し、薄膜に短時間で一定の熱を与え、かつ短時間で加熱を停止することができる加熱手段であり、主として、薄膜を瞬時に加熱して溶融させ、その後速やかに加熱を停止して冷却を開始するために用いられる。薄膜の溶融再固化の過程で、薄膜を搭載する基板は、薄膜より融点の低いガラスなどの材料が用いられることが多く、薄膜を溶融するための熱が、基板にも伝わって基板温度を上昇させてしまうことは避けなければならない。そのため、短時間の加熱ができる非等温的過程すなわち時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段を用いることが好ましい。また、この時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段は、基板を介さず、薄膜を直接加熱するものが好ましい。
【００２６】
したがって、溶融前にあらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するために、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段を用い、追加の加熱により薄膜を溶融させるために時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段を用いることが好ましい。この場合、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段は、薄膜の溶融過程においても一定の加熱強度で基板を加熱し続けている。これにより、あらかじめ精度よく昇温された薄膜に、比較的小さなエネルギーをパルス的に与えて加熱溶融させることができ、その結果、大出力のパルスレーザを用いることなく、溶融再固化による結晶性薄膜を作ることができる。
【００２７】
しかし、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段であっても、加熱とその停止が短時間で切り替えできるものであれば、上記追加の加熱のために用いることもできる。また、時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段であっても、出力が十分大きく、短時間で薄膜を所定温度に昇温することができるものであれば、上記のあらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するための加熱手段として用いてもよい。
【００２８】
このように、複数の加熱手段を用いて薄膜を溶融させ、その後加熱を停止して再固化させることにより、それぞれの加熱手段の加熱の時間的変化を適切に組み合わせることが可能になり、溶融前、溶融途中、溶融後、それぞれの温度制御を行なうことが容易になる。このことは、以下で説明するように，互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜を、加熱溶融し、再固化させる結晶性薄膜の製造方法において特に重要である。
【００２９】
以下、本発明の薄膜の溶融再固化の過程について説明する。
【００３０】
図１において、複数の独立した加熱手段すなわち、基板からの熱伝導１９と溶融再固化のためのエネルギー１３の投与により周囲の領域１２は必ず完全溶融する。一方、小領域１１は近完全溶融する場合と完全溶融する場合がある。
【００３１】
小領域１１が近完全溶融する場合、溶融に要する最低のエネルギー（臨界エネルギー）Ｅｃは、「周囲の領域１２の臨界エネルギーＥｃ＜薄膜に与えるトータルエネルギー（１３＋１９）＜小領域１１の臨界エネルギーＥｃ」なる関係が成立するように小領域の内外のＥｃが小領域１１或いは周囲の領域１２への異なる状態の付加によって調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー１３の投与終了後に、小領域１１には結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が未溶融で残留する。
【００３２】
小領域１１が完全溶融する場合、小領域１１の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ＊は、「Ｗ＊＜周囲の領域１２の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ＊」なる関係が成立するように小領域内外のＷ＊が小領域１１或いは周囲の領域１２への異なる状態の付加によって調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー１３の投与終了後に、小領域１１には結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が優先的に発生する。
【００３３】
いずれの場合も、この後薄膜の冷却が進むにつれて微小な結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が成長して結晶粒１４となる〔図１（ｃ）〜（ｄ）〕。結晶粒１４はさらに成長して薄膜の表面に届き、小領域１１を越えてその周囲の領域１２へ専ら横方向に成長する〔図１（ｅ）〕。やがて薄膜が冷却し、小領域外部の未再固化領域１６の過冷却度が増大すると、ここにランダムな結晶核１７が高速発生する〔図１（ｆ）〕。そして、結晶粒１４と衝突してそこに結晶粒１４の結晶粒界１８が形成される〔図１（ｇ）〕。結果として、本実施形態においては、小領域１１を中心として結晶粒１４の位置が制御された溶融再固化による結晶性薄膜を形成することができる。
【００３４】
図１では小領域１１を中心として単一の結晶粒１４を成長させる例を示したが、小領域１１に２個以上の所望の数だけ結晶粒１４を成長させることも可能である。
【００３５】
また図１では、結晶粒１４の形成位置を規定する小領域１１が、周囲の領域１２に囲まれた単一のドメインである場合の実施形態を示した。本発明においては、当該形態に限らず、小領域１１を不連続且つ離散的に複数設けてもよい。この場合、隣接する小領域１１が十分離れていれば、それぞれの小領域１１に成長した結晶粒１４の間にランダムな結晶性クラスター群１７が挟まれることになる。逆に隣接する小領域１１が十分近接していれば、それぞれの小領域１１に成長した結晶粒１４は間に結晶性クラスター群１７を挟むことなく直接接し、結晶粒界１８をなすこともできる。さらにそのような間隔で小領域１１を周期的に配せば、薄膜全体を位置制御された結晶粒１４で構成することも可能である。
【００３６】
また、図１に示した実施形態では、出発薄膜の小領域１１及び周囲の領域１２を出発薄膜の面内方向に二次元的に設けた例を示した。本発明においては、出発薄膜の厚さ方向の次元も加えた三次元的な構成も可能である。
【００３７】
更に、図１に示した実施形態では、出発薄膜がその面内方向に連続している範囲が、少なくとも小領域１１もしくは結晶粒１４或いは複数の小領域１１の間隔より遥かに広い場合の例を示した。一方、図１に示した結晶粒１４ほどの広さの出発薄膜を用い、周囲の領域１２に囲まれた小領域１１を設けるならば、未再固化領域１６においてランダムな結晶核１７が高速発生する前に、結晶粒１４の成長が出発薄膜全域に及び、結晶粒１４のみからなる再固化薄膜を得ることも可能である。
【００３８】
【実施例】
（第ｌの実施例）
本発明の第一の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第一の例を、図２を用いて説明する。
【００３９】
先ず、非晶質酸化シリコン表面を有するガラス基板上２３に、プラズマ化学気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含む膜厚１００ｎｍの水素化非晶質シリコン薄膜を堆積し、熱処理により脱水素処理を行った。この非晶質シリコン薄膜表面にスパッタ法で厚さ１５０ｎｍの非晶質酸化シリコン膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー工程でパターニングして、５μｍ間隔の正方格子点に１μｍ角の非晶質酸化シリコン島を残した。この表面から非晶質酸化シリコン島をマスクにして、シリコンイオンを加速エネルギー４０ｋｅＶ、電流密度１０μＡ、ドーズ４×１０１５ｃｍ− ２の条件にて注入した。その後マスクである非晶質シリコン島を除去し、これを出発薄膜２２とした。この出発薄膜２２の結晶性を調べたところ、非晶質シリコン島マスクを設けた５μｍ間隔の正方格子点にある１μｍ角の領域では脱水素処理後の結晶性シリコンクラスターを含む非晶質シリコン薄膜から変化がなかったのに対して、それ以外のシリコンイオンが注入された領域では結晶性シリコンクラスターは観察されず、完全な非晶質であった。
【００４０】
次に、この出発薄膜２２を有するガラス基板２３をサセプタ２４上に置き、このサセプタ２４を４００℃まで誘導加熱装置２５で昇温しこれを一定に保った後、気温やガラス基板２３の熱容量などの条件を加味し、一定出力を有する炭酸ガスレーザー２１を一定時間照射し、出発薄膜２２を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。
【００４１】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００４２】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜２２を用い、出発薄膜２２に溶融再固化のエネルギーを付与するために、一定温度に保ったサセプタ２４と、一定出力の炭酸ガスレーザー２１とを用いた。サセプタ２４は、基板を介して薄膜に熱を伝達し、薄膜を融点以下の温度に昇温する加熱手段であり、炭酸ガスレーザー２１は、該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させる加熱手段である。
【００４３】
すなわち、本実施例は、基板からの熱伝導により、出発薄膜を融点以下の温度に昇温する工程と、一定時間の追加のエネルギー投与により、該昇温された薄膜を加熱し溶融させる工程と、追加エネルギー投与の終了後、再固化させる工程とを含む結晶性薄膜の製造方法の例である。
【００４４】
（第２の実施例）
本発明の第二の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第二の例を、図３を用いて説明する。
【００４５】
先ず、出発薄膜３６には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜３６を使用した。
【００４６】
次に、この出発薄膜３６の溶融再固化を行う為に、パルス幅約６０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー光源３１を用いた。このＫｒＦエキシマレーザー光源３１から出発薄膜３６までの光路の途中にビームスプリッター３２を設置し、レーザー光をレーザー光Ａ３５ａ及びレーザー光Ｂ３５ｂの２つに分け、レーザー光Ａ３５ａを最短距離の光路に、レーザー光Ｂ３５ｂを光路延長装置３４によりレーザー光Ａ３５ａよりも約１０ｍ長い光路に設定し、出発薄膜３６への同一部位へ照射を行い、出発薄膜３６を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜３６が溶融するパルス出力に調整し、試料に照射されたレーザーは、図３（ｂ）に示すようにレーザー光Ａの強度プロファイル３８ａとレーザー光Ｂの強度プロファイル３８ｂの足し合わせによって、時間的に非対称な強度プロファイルであった。
【００４７】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００４８】
本実施例では、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜３６を用い、出発薄膜にエネルギーを付与する複数の独立した手段として、光路長の異なる同一光源のパルスレーザーの分波を用い、時間差を設けて、強度の異なる２つのパルスを薄膜に照射した。その結果、時間的に非対称な加熱強度変化を薄膜に与えることになり、好適な温度変化プロファイルが実現したものと考えられる。
【００４９】
（第３の実施例）
本発明の第三の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第三の例を、図４を用いて説明する。
【００５０】
先ず、出発薄膜には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜を用意し、フォトリソグラフィーの工程によって、正方格子点を中心とした幅３μｍの一方向に長いストライプ形状にパターニングを行い、各々のストライプパターンの両端に通電用の電極を設けたパターニングされたストライプ状の出発薄膜４４を使用した。
【００５１】
次に、ストライプ状シリコン出発薄膜４４の溶融再固化を行う為に、はじめにストライプパターンの両端に設けた電極に電極ニードル４２を通してストライプ状シリコン出発薄膜４４に交流電流を流し、３００℃程度の通電加熱を行う。そして、シリコン出発薄膜４４のストライプ方向にライン状の照射が可能なパルス幅約３０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー４１を照射し、出発薄膜４４を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜が溶融するパルス出力に調整した。
【００５２】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、ストライプ状のシリコン薄膜４４において、５μｍ間隔毎に、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００５３】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜４４を用い、出発薄膜４４に溶融再固化のエネルギーを付与する複数の独立した手段として、出発薄膜の通電加熱による加熱と、時間的に強度変化するパルスレーザーを用いた。通電加熱手段は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段であって、これにより薄膜を融点以下の温度に昇温した。パルスレーザー加熱手段は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段であって、これにより該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させた。
【００５４】
（第４の実施例）
本発明の第四の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第四の例を、図１を用いて説明する。
【００５５】
先ず、出発薄膜２２には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜２２を使用した。
【００５６】
次に、この出発薄膜２２を有するガラス基板２３をサセプタ２４上に置き、このサセプタ２４を４００℃までホットプレート２５で昇温し、これを一定に保った。更に、パルス幅約６０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー光源２１を用いて、出発薄膜へエキシマレーザー照射２１を行い、出発薄膜２２を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板２３の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜が溶融するパルス出力に調整した。
【００５７】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００５８】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜２２を用い、出発薄膜２２の溶融再固化の為のエネルギーを付与する複数の独立した手段として、出発薄膜２２を一定温度に保つサセプタ２４と、時間的に強度変化するＫｒＦエキシマレーザー２１を用いた。サセプタ２４は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する加熱手段であって、基板を介して薄膜に熱を伝導させることにより、薄膜を融点以下の温度に昇温し、その温度を保持する。エキシマパルスレーザー２１は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する加熱手段であって、これにより該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させた。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、溶融再固化によって形成する結晶性薄膜において、互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜を、複数の独立した加熱手段により溶融再固化させることにより、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御を容易に実現する。
【００６０】
また、本発明の結晶性薄膜は、これを構成する結晶粒の制御された位置と素子の特定の領域を空間的に関係づけるか、或いは、位置制御された単一結晶粒の内部に素子の特定の領域を形成することにより、従来のランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合に比べて、当該素子の動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図２】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第１と第４の実施例を説明するための製造工程図である。
【図３】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第２の実施例を説明するための製造工程図である。
【図４】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第３の実施例を説明するための製造工程図である。
【符号の説明】
１０ 出発薄膜
１１ 周囲の領域とは状態の異なる小領域（小領域）
１２ 小領域とは状態の異なる周囲の領域（周囲の領域）
１３ 溶融再固化のためのエネルギー
１４ 結晶粒もしくは結晶性クラスター
１５ ランダムな結晶性クラスター
１６ 未固化領域
１７ ランダムな結晶性クラスター群
１８ 結晶粒界
１９ 基板からの伝達熱
２１ レーザー照射
２２ Ｓｉ出発薄膜
２３ ガラス基板
２４ サセプタ
２５ ホットプレート或いは誘導加熱装置
３１ エキシマレーザー光源
３２ ビームスプリッター
３３ ミラー
３４ 光路延長装置
３５ａ レーザー光Ａ
３５ｂ レーザー光Ｂ
３６ Ｓｉ出発薄膜
３７ ガラス基板
３８ａ レーザー光Ａの強度プロファイル
３８ｂ レーザー光Ｂの強度プロファイル
４１ ライン状エキシマレーザー
４２ 電極ニードル
４３ 配線
４４ ストライプ状Ｓｉ出発薄膜
４５ ガラス基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラットパネルディスプレイやイメージセンサ、磁気記録装置、情報処理装置など高い空間的均質性を要する大規模集積回路に用いられる結晶性薄膜及びその製造方法、該結晶性薄膜を用いた素子、該素子を用いた回路、該素子もしくは該回路を含む装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
液晶ディスプレイ等に代表されるフラットパネルディスプレイは、画素駆動用の回路のパネルへのモノリシックな実装とその高性能化によって、画像表示の高精細化、高速化、及び多階調化を図ってきた。単純マトリクス駆動のパネルは画素毎にスイッチングトランジスタを備えたアクティヴマトリクス駆動に発展し、さらにそのアクティヴマトリクス駆動に用いるシフトレジスタ回路を同一パネル上周辺に作製することによって、今日、動画像にも対応するフルカラーの高精細液晶ディスプレイが提供されている。
【０００３】
このような周辺駆動回路まで含めたモノリシック実装が実用的な製造コストで可能となったのは、電気的特性に優れた多結晶シリコン薄膜の安価なガラス基体上への形成技術に負うところが大きい。即ち、ガラス基体上に堆積した非晶質シリコン薄膜をエキシマレーザーなどの紫外域の短時間パルス光によって、ガラス基体を低温に保ったまま非晶質シリコン薄膜を溶融再固化させる技術である。同じ非晶質シリコン薄膜を出発材料としてこれを固相で結晶化させた多結晶薄膜を構成する結晶粒に比べて、溶融再固化法によって得られる結晶粒は内部の結晶欠陥密度が低く、該薄膜を活性領域として用いて構成した薄膜トランジスタは高いキャリア移動度を示す。そのためサブミクロン程度の平均粒径を持つ多結晶薄膜でも、対角数インチ程のサイズで高々１００ｐｐｉ以下の精細度の液晶ディスプレイには十分な性能を示すアクティヴマトリクス駆動用モノリシック回路を製造することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ ａｎｄ Ｔ．Ｙｏｎｅｈａｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６，１３８３（１９９７）
【非特許文献２】
Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ ａｎｄ Ｆ．Ｇ．Ｓｈｉ，”Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”Ｖｏｌｕｍｅ １，Ｃｈａｐｔｅｒ ６，”Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，Ｇｒｏｗｔｈ，ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ”ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２００１）
【非特許文献３】
Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎ Ｄｉｊｋ，Ｇ．Ｊ．Ｂｅｒｔｅｎｓ，Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，ａｎｄ Ｃ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１２，１８１９（２００１）
【非特許文献４】
Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ， Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎ Ｄｉｊｋ，Ａ．Ｂｕｒｔｓｅｖ，Ｊ．Ｗ．Ｍｅｔｓｅｌａａｒ，ａｎｄ Ｃ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ，ＡＭ−ＬＣＤ ０２，５３（Ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、次世代に望まれるより大画面或いは高精細な液晶ディスプレイに対して、現行の溶融再固化多結晶シリコン薄膜を用いる薄膜トランジスタは性能が不足していることが明らかとなっている。また、液晶ディスプレイよりも高電圧或いは大電流での駆動を要するプラズマディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイの駆動回路用素子、或いは医療用大画面Ｘ線イメージセンサの高速駆動回路用の素子など、今後発展が期待されている用途においても上記多結晶シリコン薄膜は性能不足である。いかに結晶粒内の欠陥密度が低いとは言え、多結晶シリコン薄膜の平均粒径が高々サブミクロン程度ではこれらの高性能素子は得られない。なぜなら、ミクロン程度のサイズを有する素子の活性領域内に、電荷移動の大きな障害となる結晶粒界が多く含まれるからである。
【０００６】
このような多結晶薄膜における結晶粒界の密度とその空間分散を同時に小さくするための一般論が存在する。それは結晶粒の形成位置を制御することにより、結晶粒界の位置と粒径分布を制御するというアイデアであり、これまでに多結晶薄膜の化学気相堆積や薄膜の固相結晶化などにおいて実証されてきた〔例えば、非特許文献１、２を参照のこと〕。
【０００７】
溶融再固化による結晶性薄膜形成においても、同じアイデアを実現しようとする試みがこれまでいくつか報告されている。それらのうちでこれまでに最も成功しているものは、Ｗｉｌｔら〔非特許文献３、４〕によって初めて報告された方法である。彼らは先ず、シリコン単結晶基板上のシリコン酸化膜層の表面から深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を設け、これを埋めるように膜厚９０−２７２ｎｍの非晶質シリコン薄膜を形成し、この表面から細孔の内部を除く薄膜が完全溶融するようにエキシマレーザーを照射した。これにより、細孔の位置を中心として結晶粒の位置が制御されたと報告されている。しかしながら、細孔における単一結晶粒の選択収率が不十分であるために結晶粒界の位置制御という所期の目的を十分には達成していない。また、深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を大面積に亙って均一に形成すること、及びそこに非晶質シリコンを埋めることは極めて困難であり、生産工程としての現実性に乏しい。
【０００８】
本発明の課題は、上記したように、ガラス基体等へも適用可能な汎用性の高い溶融再固化による結晶性薄膜の製造方法において結晶粒位置を高度に制御する新たな方法を実現し、該製造方法によって結晶粒位置を高度に制御した結晶性薄膜を提供し、さらには該薄膜を用いて高性能な素子、回路、並びに装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
１．互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜を、複数の加熱手段により溶融させ再固化させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法
である。
【００１０】
上記１の結晶性薄膜の製造方法において、
２．複数の加熱手段の少なくとも１つが、薄膜の溶融の過程において時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段である
または、
３．複数の加熱手段の少なくとも１つが、薄膜の溶融の過程において時間変化のある加熱強度を有する加熱手段である
ことも好ましい形態である。上記２の一定の加熱強度を有する加熱手段は、４．基板からの熱伝導、もしくは５．連続発振レーザ、もしくは６．薄膜への通電加熱であってもよい。
【００１１】
また、上記３の時間変化のある加熱強度を有する加熱手段は、７．パルスレーザまたは８．時間差を設けて強度の異なる２つのパルスを薄膜に照射するパルスレーザであってもよい。
【００１２】
さらに、
９．上記１の複数の加熱手段が、薄膜の溶融の過程において時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段と、薄膜の溶融の過程において時間変化のある加熱強度を有する加熱手段とを含む
ことも好ましい実施形態である。
【００１３】
あるいは、
１０．上記１の複数の加熱手段が、薄膜を融点以下の温度に昇温する加熱手段と、該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させる加熱手段とを含む
ことも好ましい実施形態である。
【００１４】
本発明は、また、
１１．互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜に、時間変化しない一定の熱を与えて、融点以下の温度に昇温する工程と、時間変化のある熱を与えて、該昇温された薄膜を加熱し溶融させる工程と、薄膜を再固化させる工程とを有することを特徴とする結晶性薄膜の製造方法
である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の最も基本的な実施形態を図１に示す。図中、薄膜はその表面もしくは界面に鉛直な方向に薄膜の一部を切り出した断面によって模式的に表されている。尚、本発明にかかる薄膜はその上下に設けた別の層と接していてもよいが、図１においては便宜上それらを省略し、薄膜のみを図示する。
図１（ａ）は、溶融再固化前の薄膜すなわち出発薄膜を示す。
図１（ｂ）は、出発薄膜を加熱した様子を示す。
図１（ｃ）は、エネルギー投与終了直後の薄膜を示す。
図１（ｄ）は、再固化が開始された初期の薄膜を示す。
図１（ｅ）は、再固化が進行中の薄膜を示す。
図１（ｆ）は、再固化の最終段階の薄膜を示す。
図１（ｇ）は、再固化終了後の薄膜を示す。
【００１６】
図１中、１０は出発薄膜、１１はその周囲の領域とは状態の異なる特定の小領域（以下、小領域）、１２は小領域とは状態の異なる周囲の領域（以下、周囲の領域）、１３は溶融再固化のための投与エネルギー、１４は結晶粒もしくは結晶性クラスター、１５はランダムな結晶性クラスター、１６は未再固化領域、１７はランダムな結晶性クラスター群、１８は結晶粒界、１９は薄膜の下の層（基板）から伝わる熱である。
【００１７】
はじめに、図１（ａ）に示すように互いに状態の異なる小領域１１および周囲の領域１２を有する出発薄膜１０を用意する。出発薄膜１０において、小領域１１は、あらかじめ定められた特定の位置に設けられ、その周りに、周囲の領域１２が連続して共存する。小領域１１と周囲の領域１２の状態の差異を付加する方法としては、エネルギーをもった粒子線や電磁波の照射によって形成することが可能である。
【００１８】
本発明の結晶性薄膜の製造方法は、この互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜１０を、加熱溶融し、再固化させるものであるが、その場合には、後に説明するとおり、温度の均一かつ精度の高い制御が必要であり、そのために、加熱過程を、空間的、時間的に精度よく制御する必要がある。
【００１９】
以下、加熱の過程とその手段について説明する。
【００２０】
図１（ａ）に示す出発薄膜１０に、複数の独立した加熱手段により加熱して薄膜を溶融させる。図１の実施形態においては、加熱手段は、図１（ｂ）に示すように、溶融再固化のための投与エネルギー１３と基板から伝達される熱１９とを薄膜に与える。
【００２１】
複数の加熱手段のうち、一つは、溶融前に、あらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するために用いられる。その後、薄膜は、他の加熱手段によってさらに加熱されて溶融状態になる。図１の実施形態においては、基板から伝達される熱１９が溶融前の加熱、溶融再固化のための投与エネルギー１３が追加の加熱である。
【００２２】
加熱の具体的手段としては、出発薄膜がエネルギー吸収可能な波長を有する電磁波の照射や、エネルギーを有する粒子ビームの照射、出発薄膜を含む基板への物理的な接触による熱伝導、出発薄膜へ電流投与や誘導電流による出発薄膜自体の電気抵抗による薄膜自体の発熱が可能であり、複数の独立した手段であれば、これらの何れの組み合わせも可能である。また、投与するエネルギーはトータルで出発薄膜を溶融することが可能であれば特に制限はない。
【００２３】
この複数の独立した加熱手段として、その溶融過程での加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段である場合と、溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段である場合と、複数の独立した加熱手段の少なくとも１つが溶融過程での加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段であって、且つ少なくとも１つが溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段である場合が可能である。
【００２４】
ここで、等温的過程を有する加熱手段は、時間変化のない一定の加熱強度を有し、薄膜に一定の熱を与えることができる加熱手段であり、主として、薄膜を均一に加熱し、所定温度に昇温し、その温度を維持するために用いられる。この、等温的過程すなわち時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段は、薄膜を直接加熱するものであってもよいが、薄膜を含む基板や、それを支持するサセプタを熱して、薄膜に伝導させるものであってもよい。
【００２５】
また、非等温的過程を有する加熱手段は、時間的に変化する加熱強度を有し、薄膜に短時間で一定の熱を与え、かつ短時間で加熱を停止することができる加熱手段であり、主として、薄膜を瞬時に加熱して溶融させ、その後速やかに加熱を停止して冷却を開始するために用いられる。薄膜の溶融再固化の過程で、薄膜を搭載する基板は、薄膜より融点の低いガラスなどの材料が用いられることが多く、薄膜を溶融するための熱が、基板にも伝わって基板温度を上昇させてしまうことは避けなければならない。そのため、短時間の加熱ができる非等温的過程すなわち時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段を用いることが好ましい。また、この時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段は、基板を介さず、薄膜を直接加熱するものが好ましい。
【００２６】
したがって、溶融前にあらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するために、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段を用い、追加の加熱により薄膜を溶融させるために時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段を用いることが好ましい。この場合、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段は、薄膜の溶融過程においても一定の加熱強度で基板を加熱し続けている。これにより、あらかじめ精度よく昇温された薄膜に、比較的小さなエネルギーをパルス的に与えて加熱溶融させることができ、その結果、大出力のパルスレーザを用いることなく、溶融再固化による結晶性薄膜を作ることができる。
【００２７】
しかし、時間変化のない一定の加熱強度を有する加熱手段であっても、加熱とその停止が短時間で切り替えできるものであれば、上記追加の加熱のために用いることもできる。また、時間的に変化する加熱強度を有する加熱手段であっても、出力が十分大きく、短時間で薄膜を所定温度に昇温することができるものであれば、上記のあらかじめ出発薄膜を融点以下の温度に加熱するための加熱手段として用いてもよい。
【００２８】
このように、複数の加熱手段を用いて薄膜を溶融させ、その後加熱を停止して再固化させることにより、それぞれの加熱手段の加熱の時間的変化を適切に組み合わせることが可能になり、溶融前、溶融途中、溶融後、それぞれの温度制御を行なうことが容易になる。このことは、以下で説明するように，互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜を、加熱溶融し、再固化させる結晶性薄膜の製造方法において特に重要である。
【００２９】
以下、本発明の薄膜の溶融再固化の過程について説明する。
【００３０】
図１において、複数の独立した加熱手段すなわち、基板からの熱伝導１９と溶融再固化のためのエネルギー１３の投与により周囲の領域１２は必ず完全溶融する。一方、小領域１１は近完全溶融する場合と完全溶融する場合がある。
【００３１】
小領域１１が近完全溶融する場合、溶融に要する最低のエネルギー（臨界エネルギー）Ｅｃは、「周囲の領域１２の臨界エネルギーＥｃ＜薄膜に与えるトータルエネルギー（１３＋１９）＜小領域１１の臨界エネルギーＥｃ」なる関係が成立するように小領域の内外のＥｃが小領域１１或いは周囲の領域１２への異なる状態の付加によって調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー１３の投与終了後に、小領域１１には結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が未溶融で残留する。
【００３２】
小領域１１が完全溶融する場合、小領域１１の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ＊は、「Ｗ＊＜周囲の領域１２の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ＊」なる関係が成立するように小領域内外のＷ＊が小領域１１或いは周囲の領域１２への異なる状態の付加によって調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー１３の投与終了後に、小領域１１には結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が優先的に発生する。
【００３３】
いずれの場合も、この後薄膜の冷却が進むにつれて微小な結晶粒もしくは結晶性クラスター１４が成長して結晶粒１４となる〔図１（ｃ）〜（ｄ）〕。結晶粒１４はさらに成長して薄膜の表面に届き、小領域１１を越えてその周囲の領域１２へ専ら横方向に成長する〔図１（ｅ）〕。やがて薄膜が冷却し、小領域外部の未再固化領域１６の過冷却度が増大すると、ここにランダムな結晶核１７が高速発生する〔図１（ｆ）〕。そして、結晶粒１４と衝突してそこに結晶粒１４の結晶粒界１８が形成される〔図１（ｇ）〕。結果として、本実施形態においては、小領域１１を中心として結晶粒１４の位置が制御された溶融再固化による結晶性薄膜を形成することができる。
【００３４】
図１では小領域１１を中心として単一の結晶粒１４を成長させる例を示したが、小領域１１に２個以上の所望の数だけ結晶粒１４を成長させることも可能である。
【００３５】
また図１では、結晶粒１４の形成位置を規定する小領域１１が、周囲の領域１２に囲まれた単一のドメインである場合の実施形態を示した。本発明においては、当該形態に限らず、小領域１１を不連続且つ離散的に複数設けてもよい。この場合、隣接する小領域１１が十分離れていれば、それぞれの小領域１１に成長した結晶粒１４の間にランダムな結晶性クラスター群１７が挟まれることになる。逆に隣接する小領域１１が十分近接していれば、それぞれの小領域１１に成長した結晶粒１４は間に結晶性クラスター群１７を挟むことなく直接接し、結晶粒界１８をなすこともできる。さらにそのような間隔で小領域１１を周期的に配せば、薄膜全体を位置制御された結晶粒１４で構成することも可能である。
【００３６】
また、図１に示した実施形態では、出発薄膜の小領域１１及び周囲の領域１２を出発薄膜の面内方向に二次元的に設けた例を示した。本発明においては、出発薄膜の厚さ方向の次元も加えた三次元的な構成も可能である。
【００３７】
更に、図１に示した実施形態では、出発薄膜がその面内方向に連続している範囲が、少なくとも小領域１１もしくは結晶粒１４或いは複数の小領域１１の間隔より遥かに広い場合の例を示した。一方、図１に示した結晶粒１４ほどの広さの出発薄膜を用い、周囲の領域１２に囲まれた小領域１１を設けるならば、未再固化領域１６においてランダムな結晶核１７が高速発生する前に、結晶粒１４の成長が出発薄膜全域に及び、結晶粒１４のみからなる再固化薄膜を得ることも可能である。
【００３８】
【実施例】
（第ｌの実施例）
本発明の第一の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第一の例を、図２を用いて説明する。
【００３９】
先ず、非晶質酸化シリコン表面を有するガラス基板上２３に、プラズマ化学気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含む膜厚１００ｎｍの水素化非晶質シリコン薄膜を堆積し、熱処理により脱水素処理を行った。この非晶質シリコン薄膜表面にスパッタ法で厚さ１５０ｎｍの非晶質酸化シリコン膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー工程でパターニングして、５μｍ間隔の正方格子点に１μｍ角の非晶質酸化シリコン島を残した。この表面から非晶質酸化シリコン島をマスクにして、シリコンイオンを加速エネルギー４０ｋｅＶ、電流密度１０μＡ、ドーズ４×１０１５ｃｍ− ２の条件にて注入した。その後マスクである非晶質シリコン島を除去し、これを出発薄膜２２とした。この出発薄膜２２の結晶性を調べたところ、非晶質シリコン島マスクを設けた５μｍ間隔の正方格子点にある１μｍ角の領域では脱水素処理後の結晶性シリコンクラスターを含む非晶質シリコン薄膜から変化がなかったのに対して、それ以外のシリコンイオンが注入された領域では結晶性シリコンクラスターは観察されず、完全な非晶質であった。
【００４０】
次に、この出発薄膜２２を有するガラス基板２３をサセプタ２４上に置き、このサセプタ２４を４００℃まで誘導加熱装置２５で昇温しこれを一定に保った後、気温やガラス基板２３の熱容量などの条件を加味し、一定出力を有する炭酸ガスレーザー２１を一定時間照射し、出発薄膜２２を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。
【００４１】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００４２】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜２２を用い、出発薄膜２２に溶融再固化のエネルギーを付与するために、一定温度に保ったサセプタ２４と、一定出力の炭酸ガスレーザー２１とを用いた。サセプタ２４は、基板を介して薄膜に熱を伝達し、薄膜を融点以下の温度に昇温する加熱手段であり、炭酸ガスレーザー２１は、該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させる加熱手段である。
【００４３】
すなわち、本実施例は、基板からの熱伝導により、出発薄膜を融点以下の温度に昇温する工程と、一定時間の追加のエネルギー投与により、該昇温された薄膜を加熱し溶融させる工程と、追加エネルギー投与の終了後、再固化させる工程とを含む結晶性薄膜の製造方法の例である。
【００４４】
（第２の実施例）
本発明の第二の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第二の例を、図３を用いて説明する。
【００４５】
先ず、出発薄膜３６には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜３６を使用した。
【００４６】
次に、この出発薄膜３６の溶融再固化を行う為に、パルス幅約６０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー光源３１を用いた。このＫｒＦエキシマレーザー光源３１から出発薄膜３６までの光路の途中にビームスプリッター３２を設置し、レーザー光をレーザー光Ａ３５ａ及びレーザー光Ｂ３５ｂの２つに分け、レーザー光Ａ３５ａを最短距離の光路に、レーザー光Ｂ３５ｂを光路延長装置３４によりレーザー光Ａ３５ａよりも約１０ｍ長い光路に設定し、出発薄膜３６への同一部位へ照射を行い、出発薄膜３６を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜３６が溶融するパルス出力に調整し、試料に照射されたレーザーは、図３（ｂ）に示すようにレーザー光Ａの強度プロファイル３８ａとレーザー光Ｂの強度プロファイル３８ｂの足し合わせによって、時間的に非対称な強度プロファイルであった。
【００４７】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００４８】
本実施例では、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜３６を用い、出発薄膜にエネルギーを付与する複数の独立した手段として、光路長の異なる同一光源のパルスレーザーの分波を用い、時間差を設けて、強度の異なる２つのパルスを薄膜に照射した。その結果、時間的に非対称な加熱強度変化を薄膜に与えることになり、好適な温度変化プロファイルが実現したものと考えられる。
【００４９】
（第３の実施例）
本発明の第三の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第三の例を、図４を用いて説明する。
【００５０】
先ず、出発薄膜には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜を用意し、フォトリソグラフィーの工程によって、正方格子点を中心とした幅３μｍの一方向に長いストライプ形状にパターニングを行い、各々のストライプパターンの両端に通電用の電極を設けたパターニングされたストライプ状の出発薄膜４４を使用した。
【００５１】
次に、ストライプ状シリコン出発薄膜４４の溶融再固化を行う為に、はじめにストライプパターンの両端に設けた電極に電極ニードル４２を通してストライプ状シリコン出発薄膜４４に交流電流を流し、３００℃程度の通電加熱を行う。そして、シリコン出発薄膜４４のストライプ方向にライン状の照射が可能なパルス幅約３０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー４１を照射し、出発薄膜４４を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜が溶融するパルス出力に調整した。
【００５２】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、ストライプ状のシリコン薄膜４４において、５μｍ間隔毎に、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００５３】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜４４を用い、出発薄膜４４に溶融再固化のエネルギーを付与する複数の独立した手段として、出発薄膜の通電加熱による加熱と、時間的に強度変化するパルスレーザーを用いた。通電加熱手段は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する手段であって、これにより薄膜を融点以下の温度に昇温した。パルスレーザー加熱手段は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する手段であって、これにより該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させた。
【００５４】
（第４の実施例）
本発明の第四の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第四の例を、図１を用いて説明する。
【００５５】
先ず、出発薄膜２２には本発明の第一の実施例と同条件で小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にしたシリコンの出発薄膜２２を使用した。
【００５６】
次に、この出発薄膜２２を有するガラス基板２３をサセプタ２４上に置き、このサセプタ２４を４００℃までホットプレート２５で昇温し、これを一定に保った。更に、パルス幅約６０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー光源２１を用いて、出発薄膜へエキシマレーザー照射２１を行い、出発薄膜２２を溶融再固化させて結晶性薄膜を得た。尚、エネルギー密度は、気温やガラス基板２３の熱容量などの条件を加味し、トータルで出発薄膜が溶融するパルス出力に調整した。
【００５７】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する円形の単一の結晶粒が成長していた。その周囲は本発明の実施例１と同様に平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００５８】
本実施例においては、シリコンイオン照射によって小領域及びその周囲の領域を互いに異なる状態にした出発薄膜２２を用い、出発薄膜２２の溶融再固化の為のエネルギーを付与する複数の独立した手段として、出発薄膜２２を一定温度に保つサセプタ２４と、時間的に強度変化するＫｒＦエキシマレーザー２１を用いた。サセプタ２４は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のない等温的な過程を有する加熱手段であって、基板を介して薄膜に熱を伝導させることにより、薄膜を融点以下の温度に昇温し、その温度を保持する。エキシマパルスレーザー２１は、出発薄膜の溶融過程において加熱強度の時間変化のある非等温的な過程を有する加熱手段であって、これにより該昇温された薄膜を加熱して薄膜を溶融させた。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、溶融再固化によって形成する結晶性薄膜において、互いに状態の異なる領域が連続して共存する出発薄膜を、複数の独立した加熱手段により溶融再固化させることにより、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御を容易に実現する。
【００６０】
また、本発明の結晶性薄膜は、これを構成する結晶粒の制御された位置と素子の特定の領域を空間的に関係づけるか、或いは、位置制御された単一結晶粒の内部に素子の特定の領域を形成することにより、従来のランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合に比べて、当該素子の動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図２】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第１と第４の実施例を説明するための製造工程図である。
【図３】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第２の実施例を説明するための製造工程図である。
【図４】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第３の実施例を説明するための製造工程図である。
【符号の説明】
１０ 出発薄膜
１１ 周囲の領域とは状態の異なる小領域（小領域）
１２ 小領域とは状態の異なる周囲の領域（周囲の領域）
１３ 溶融再固化のためのエネルギー
１４ 結晶粒もしくは結晶性クラスター
１５ ランダムな結晶性クラスター
１６ 未固化領域
１７ ランダムな結晶性クラスター群
１８ 結晶粒界
１９ 基板からの伝達熱
２１ レーザー照射
２２ Ｓｉ出発薄膜
２３ ガラス基板
２４ サセプタ
２５ ホットプレート或いは誘導加熱装置
３１ エキシマレーザー光源
３２ ビームスプリッター
３３ ミラー
３４ 光路延長装置
３５ａ レーザー光Ａ
３５ｂ レーザー光Ｂ
３６ Ｓｉ出発薄膜
３７ ガラス基板
３８ａ レーザー光Ａの強度プロファイル
３８ｂ レーザー光Ｂの強度プロファイル
４１ ライン状エキシマレーザー
４２ 電極ニードル
４３ 配線
４４ ストライプ状Ｓｉ出発薄膜
４５ ガラス基板
Claims (1)
- 互いに状態の異なる領域が連続して共存する薄膜を、複数の加熱手段により溶融させ再固化させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法。
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