JP2005236264A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶性が優れた多結晶シリコンを結晶化すると共に、結晶化時の高温の結晶化温度による基板の曲がりを防止することができる多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタを提供すること。
【解決手段】本発明は、多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタに関し、基板上に非晶質シリコンを含むシリコン膜を蒸着する段階、及びシリコン膜をＨ２Ｏ雰囲気、特定温度下で熱処理する段階を含むことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。本発明によれば、非晶質シリコンの固相結晶化法において結晶化時結晶化温度を低くすること、また、熱処理時間を減らすことができるため、高温で長時間の熱処理工程による基板の曲がりを防止し、結晶性が優れた多結晶シリコン薄膜を得ることが可能となる。従って、以後製造される薄膜トランジスタの不良を減少させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタに関し、基板上に非晶質シリコンを含むシリコン膜を蒸着する段階、及びシリコン膜をＨ２Ｏ雰囲気、特定温度下で熱処理する段階を含むことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。本発明によれば、非晶質シリコンの固相結晶化法において結晶化時結晶化温度を低くすること、また、熱処理時間を減らすことができるため、高温で長時間の熱処理工程による基板の曲がりを防止し、結晶性が優れた多結晶シリコン薄膜を得ることが可能となる。従って、以後製造される薄膜トランジスタの不良を減少させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタに関し、さらに詳細には熱処理温度及び時間を減らして基板の曲がりを防止することができ、欠陥が少ない多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタに関する。
アクティブ型有機電界発光素子は通常的に画素領域と周辺駆動領域に電流を供給するために使われる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；ＴＦＴ）を含み、薄膜トランジスタには多結晶シリコンを用いる。
一般に多結晶シリコンは非晶質シリコンを結晶化させることによって形成する。
通常の結晶化方法は結晶化温度、すなわち、５００℃以下又は以上を基準にして、低温結晶化法と高温結晶化法に分類される。
低温結晶化法としてはエキシマレーザーを用いるＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法が主に使われており、エキシマレーザーアニーリング法は結晶化温度が４５０℃程度で工程が進められるため、ガラス基板を用いることができる。しかしながら、製造費用が高くて基板の最適大きさが制限されるので、ディスプレイ製造費用全体が上昇するという短所がある。
高温結晶化法としては固相結晶化法（Solid Phase Crystallization）、急速熱処理法（Rapid Thermal Annealing Process）などがあり、低費用の熱処理方法として広く使われている。
しかし、固相結晶化法は６００℃以上で２０時間以上加熱して結晶化しなければならないので、結晶化された多結晶シリコンに結晶欠陥（defect）が多く含まれており、充分な移動度（mobility）を得ることができず、熱処理工程において基板が変形されやすい。また、高温の結晶化温度であるため、ガラス基板を用いることができない短所がある。さらに、結晶化温度を低くした場合には、生産性が落ちるという短所がある。
一方、急速熱処理法（ＲＴＡ）は比較的短い時間で工程を行うことができる。しかしながら、現在まで開発された急速熱処理法（ＲＴＡ）は、甚だしい熱衝撃によって基板が変形されやすく、結晶化された多結晶シリコンの電気的特性がよくないという短所がある。
したがって、アクティブ型素子の製造費用を節減するためには結晶化時の費用が低廉な高温熱処理法を用いる必要性があり、また、低費用のガラス基板を用いながらも基板の曲がりのような問題点が発生しない、結晶性が優れた高温熱処理法を開発する必要性がある。
本発明は、上記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、結晶性が優れた多結晶シリコンを結晶化するとともに、高温の結晶化温度による基板の曲がりを防止することができる多結晶シリコン薄膜の製造方法及びこれを用いて製造される多結晶シリコンを用いる薄膜トランジスタを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、基板上に非晶質シリコンを含むシリコン膜を蒸着する段階；及び前記シリコン膜をＨ２Ｏ雰囲気、特定温度（predetermined temperature）下で熱処理する段階を含むことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供する。
また、本発明は、上記方法によって製造される多結晶シリコン薄膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタを提供する。
以上のように、本発明では固相結晶化法を用い、非晶質シリコンの結晶化時の熱処理をＨ２Ｏ雰囲気とすることによって、熱処理時間及び熱処理温度を減らすことができ、基板の曲がりのような工程上の不良を防止することができる。
以下、本発明の実施態様をさらに詳細に説明する。
先ず、基板上に非晶質シリコンまたは非晶質シリコンを多量に含むシリコン膜を蒸着（deposit）する。この時、基板としては通常的に使われる絶縁性の透明なガラス基板を用いる。
シリコン膜の蒸着方法としては、プラズマ化学気相蒸着法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）（ＰＥＣＶＤ）、または低圧化学気相蒸着法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition)（ＬＰＣＶＤ）などの通常の蒸着方法を用いる。
そうしてから、前記非晶質シリコンまたは非晶質シリコンを多量に含むシリコン膜を熱処理する。この時、シリコン膜に熱が加えられ、非晶質シリコンが固相結晶化（Solid Phase Crystallization）されて多結晶シリコンになる。
本発明では熱処理工程としてはＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）のような通常の高温熱処理工程で使われる方法を用いるが、熱処理雰囲気を従来は、Ｎ２雰囲気、Ｏ２雰囲気、Ａｒのような不活性ガス雰囲気、またはこれらを組み合せた雰囲気として熱処理を進行したが、本発明ではＨ２Ｏ雰囲気で熱処理を進行する。
Ｈ２Ｏ雰囲気で熱処理をする場合には、Ｎ２雰囲気、Ｏ２雰囲気、Ａｒのような不活性雰囲気、またはこれらを組み合せた雰囲気で熱処理する場合に比べ、同一温度ならば熱処理時間が短縮されて、同一時間ならば熱処理温度が減少される。
特に、従来、ガラスのような透明絶縁基板を用いた場合、高温で基板が曲がる問題点が発生することがあったが、本発明のように熱処理温度を減少させることができる場合には、基板の曲がりを防止することができる。
本発明における熱処理温度は５５０ないし７５０℃であることが望ましく、６００ないし７１０℃であることがさらに望ましい。５５０℃未満である場合には結晶化に非常に長い時間が必要であり、７５０℃を超える場合には基板が曲がる可能性があるので望ましくない。また、６００ないし７１０℃の温度では適切な熱処理時間で優れた多結晶シリコンを得ることができるのでさらに望ましい。
Ｈ２Ｏの圧力と結晶化速度との関係は、Ｈ２Ｏの圧力に比例して圧力が高いほど結晶化速度が高い比例関係を見せており、あまり圧力が低い場合には結晶化速度が遅くて熱処理時間が長くなり、基板に悪影響を与えことがあるため望ましくない。したがって、Ｈ２Ｏの圧力を可能であれば高く設定することが望ましい。しかし、あまり高圧である場合には爆発の危険があるので１０，０００ないし２ＭＰａであることが望ましい。
一方、シリコン膜は２，０００Å以下に蒸着することが望ましく、厚さが薄いほど結晶化が容易であるが、厚さがあまり薄い場合には多結晶シリコンを用いて薄膜トランジスタを形成する際、素子の特性に悪影響を与える場合があるので１００ないし１，０００Åの厚さに蒸着することが望ましい。
以上のような工程を進行することによって、多結晶シリコンを形成することができるが、本発明では形成された多結晶シリコンの欠陥（defect）を減少させるためにもう一度熱処理工程を進行することができる。
前記熱処理工程は、エキシマレーザーアニーリング（Excimer Laser Annealing）法または加熱炉（furnace）で熱を加えて進行することができる。
以上のようなＨ２Ｏ雰囲気で非晶質シリコンを結晶化させた場合、前記多結晶シリコン薄膜のＦＷＨＭは好ましくは６．０ないし７．５ｃｍ−１程度であって、前記多結晶シリコン薄膜のＦＷＨＭが好ましくは６．５ないし７．０ｃｍ−１程度である多結晶シリコンが得られる。通常的に不活性雰囲気での熱処理工程によって製造される多結晶シリコンのＦＷＨＭは７．５ｃｍ−１以上である。
以下、本発明の望ましい実施形態を提示する。但し、下記する実施形態は本発明をよく理解するために提示されるものであり、本発明が下記する実施形態に限られるものではない。
実施例１ないし３
基板上に５００Åの厚さとなるように非晶質シリコン膜を蒸着した。前記蒸着方法として、実施例１はＬＰＣＶＤを用いており、実施例２は２％以下の水素を含むＰＥＣＶＤを用いており、実施例３は１０％以上の水素を含むＰＥＣＶＤを用いた。続いて、前記非晶質シリコン膜をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）により、約７００℃で１０分以下、熱処理して結晶化させた。前記熱処理時の雰囲気を、Ｏ２またはＮ２キャリアガスを用いたＨ２Ｏ雰囲気として熱処理した。形成された多結晶シリコンのラマンスペクトルを図１に図示した。
基板上に５００Åの厚さとなるように非晶質シリコン膜を蒸着した。前記蒸着方法として、実施例１はＬＰＣＶＤを用いており、実施例２は２％以下の水素を含むＰＥＣＶＤを用いており、実施例３は１０％以上の水素を含むＰＥＣＶＤを用いた。続いて、前記非晶質シリコン膜をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）により、約７００℃で１０分以下、熱処理して結晶化させた。前記熱処理時の雰囲気を、Ｏ２またはＮ２キャリアガスを用いたＨ２Ｏ雰囲気として熱処理した。形成された多結晶シリコンのラマンスペクトルを図１に図示した。
比較例１
比較例１では前記熱処理時の雰囲気をＮ２雰囲気としたことを除いては、実施例１ないし３と同様の工程を進行した。すなわち、熱処理温度は７００℃で進行しており、その結果を図２に図示した。
比較例１では前記熱処理時の雰囲気をＮ２雰囲気としたことを除いては、実施例１ないし３と同様の工程を進行した。すなわち、熱処理温度は７００℃で進行しており、その結果を図２に図示した。
この時、完全に非晶質シリコンを結晶化するためには、熱処理時間は実施例１ないし３と同一であるが、熱処理温度は７５０℃で進行しなければならなかった。
図１を参照すると、７００℃、Ｈ２Ｏ雰囲気で非晶質シリコンを熱処理して得た多結晶シリコンのラマンスペクトルで、５２０ｃｍ−１に近いピークは結晶質シリコンが存在することを示している。しかし、Ｈ２Ｏを用いずに結晶化した場合には図２に示したように、５２０ｃｍ−１に近いピークはほとんど現われていなくて、但し４８０ｃｍ−１周囲の広いピークだけが存在することが分かる。４８０ｃｍ−１の広いピークは非晶質シリコンであることを示すものであって、すなわち、結晶化が一部だけ進められたことが分かる。
したがって、熱処理をＨ２Ｏ雰囲気で行うことは、非晶質シリコンの結晶化に寄与することが分かる。また、図１で分かるように、実施例１ないし３によって結晶化された多結晶シリコンのラマンピークのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）が６．８ｃｍ−１にあり、優れた結晶性を有していることが分かる。通常的に不活性雰囲気での熱処理工程によって製造される多結晶シリコンのＦＷＨＭは、７．５ｃｍ−１以上である。
実施例４
基板上に非晶質シリコンをＰＥＣＶＤ方法によって１，０００Åの厚さに蒸着した。前記非晶質シリコンを２ＭＰａのＨ２Ｏ蒸気下、６００℃で加熱した。６００℃におけるシリコン結晶化速度は小さいが、結晶化速度は圧力に比例するため圧力を増加させることによって酸化速度を調節することができた。すなわち、圧力を高めることによって結晶化温度と時間を減少させることができる。この時の結晶化速度を測定した結果、２時間以下であった。
基板上に非晶質シリコンをＰＥＣＶＤ方法によって１，０００Åの厚さに蒸着した。前記非晶質シリコンを２ＭＰａのＨ２Ｏ蒸気下、６００℃で加熱した。６００℃におけるシリコン結晶化速度は小さいが、結晶化速度は圧力に比例するため圧力を増加させることによって酸化速度を調節することができた。すなわち、圧力を高めることによって結晶化温度と時間を減少させることができる。この時の結晶化速度を測定した結果、２時間以下であった。
比較例２
前記実施例４において、１気圧のＮ２雰囲気で非晶質シリコンを結晶化させたことを除いては実施例４と同一な条件で進行した。この時、結晶化速度を測定した結果、５時間程度だったが、これは前記非晶質シリコンがあらかじめ熱処理を経て核生成サイト（Nucleating Site）を含んでいるからであり、以前に全く熱処理を経ていない非晶質シリコンの場合、２０時間以上の時間が必要である。
前記実施例４において、１気圧のＮ２雰囲気で非晶質シリコンを結晶化させたことを除いては実施例４と同一な条件で進行した。この時、結晶化速度を測定した結果、５時間程度だったが、これは前記非晶質シリコンがあらかじめ熱処理を経て核生成サイト（Nucleating Site）を含んでいるからであり、以前に全く熱処理を経ていない非晶質シリコンの場合、２０時間以上の時間が必要である。
すなわち、実施例４と比較例２を比較すると、熱処理雰囲気としてＨ２Ｏを用いた実施例４の場合には、熱処理雰囲気としてＮ２を用いた場合に比べ、熱処理時間が２．５倍程度速くなったことが分かる。また、Ｈ２Ｏの圧力を増加させることによって、熱処理温度と所要時間を減少させることができる。熱処理温度と時間が減少されることによって、製造費用及び基板に長時間熱が加えられることにより発生する基板の曲がりを防止することができる。
熱処理過程においては、非晶質シリコンとＨ２Ｏが反応してＳｉを酸化させ、Ｓｉ表面に先ず薄い厚さのＳｉＯ２層を形成するようになる。そして、前記酸化されて形成されたＳｉＯ２層内には余ったＳｉ（Remaining Si）（すなわち、Ｈ２Ｏと反応しないＳｉ）が存在して、このＳｉが格子間Ｓｉ（interstitial Si）になる。この格子間Ｓｉの濃度は、格子間Ｓｉの拡散係数に影響を与えるようになって、したがって、結晶化過程に影響を及ぼすようになる。Ｏ２雰囲気で熱処理過程を進行する場合にも同様の過程を経るが、Ｈ２Ｏ雰囲気での結晶化速度は、はるかに速く進められ、したがって温度と時間が減少される。
したがって、格子間Ｓｉの濃度が大きいほど非晶質シリコンの結晶化速度は増加するようになるので、要求される結晶化温度または結晶化時間は従来のＮ２またはＯ２ガスだけを熱処理雰囲気で用いる場合より減少または短縮できる。
このように製造される多結晶シリコン薄膜は薄膜トランジスタに適用でき、このような薄膜トランジスタは有機電界発光素子または液晶表示素子のようなフラットパネルディスプレイに使用することができる。
Claims (13)
- 基板上に非晶質シリコンを含むシリコン膜を蒸着する段階；及び
前記シリコン膜をＨ２Ｏ雰囲気、特定温度下で熱処理する段階を含むことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 前記温度は５５０ないし７５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記温度は６００ないし７１０℃であることを特徴とする請求項２に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記Ｈ２Ｏの圧力は１０，０００Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記Ｈ２Ｏの圧力は１０，０００Ｐａないし２ＭＰａであることを特徴とする請求項４に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記シリコン膜の厚さは２，０００Å以下であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記シリコン膜の厚さは１００ないし１，０００Åであることを特徴とする請求項６に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記熱処理をした後、加熱炉またはエキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ）によって、前記シリコン膜をもう一度熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 前記シリコン膜は低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって蒸着されるものであることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項１に記載の方法によって製造される多結晶シリコン薄膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 前記多結晶シリコン薄膜の半値幅（ＦＷＨＭ）は６．０ないし７．５ｃｍ−１であることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記多結晶シリコン薄膜の半値幅（ＦＷＨＭ）は６．５ないし７．０ｃｍ−１であることを特徴とする請求項１１に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記薄膜トランジスタは有機電界発光素子または液晶表示素子に用いられるものであることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタ。
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