JP2006032972A

JP2006032972A - 非晶質シリコン層の結晶化方法

Info

Publication number: JP2006032972A
Application number: JP2005209275A
Authority: JP
Inventors: Chel-Jong Choi; 哲終崔
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2006-02-02
Also published as: KR20060008524A; CN1725447A; US20060019473A1

Abstract

【課題】非晶質シリコン層の結晶化方法を提供する。
【解決手段】基板２０上に形成された非晶質シリコン層２２に所定の金属イオンをドーピングする段階と、金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層２２をアニーリングして非晶質シリコン層２２を結晶化する段階と、を有する非晶質シリコン層２２の結晶化方法である。これにより、低エネルギーで非晶質シリコン層２２を結晶化でき、結晶化されたシリコン層２６の表面粗度特性が改善されうる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、非晶質シリコン層の結晶化方法に関する。さらに詳細には、低エネルギーで非晶質シリコン層を結晶化でき、結晶化されたシリコン層の表面粗度特性が改善されうる非晶質シリコン層の結晶化方法に関する。

特許文献１及び２は、非晶質シリコン層を結晶化する方法を開示している。

従来のこの方法では、非晶質シリコン層の表面に強いレーザビームを照射して非晶質シリコン層を瞬間的に溶融させ、溶融された非晶質シリコン層を再び冷却して、数十μｍサイズの結晶化されたシリコン層を製造している。

最近、特許文献３において、低エネルギーのレーザで非晶質シリコン層を結晶化させるために、レーザアニーリングをもって結晶化触媒物質を使用する方法が提案されている。

特許文献３は、非晶質シリコン層上にスピンコーティングでＮｉシリサイド層を形成し、前記Ｎｉシリサイド層をパターニングした後にアニーリングする場合、Ｎｉシリサイドが存在する部分で非晶質シリコン層の結晶化が生じると報告している。ここで、Ｎｉシリサイドは、触媒物質として使われている。
米国特許第４,４０６,７０９号明細書米国特許第４,３０９,２２５号明細書米国特許第６,４７９,３２９号明細書

しかし、特許文献１及び２で開示されている方法では、レーザビームエネルギーの大きさによって、結晶化されるシリコン粒子のサイズが決定されるため、さらに微細な粒子を有するシリコン結晶を作るためには、高エネルギーのレーザビームを必要とするという問題点がある。

また、高エネルギーのレーザビームが使用されることによって、結晶化されたシリコンの表面粗度特性が悪いという問題点がある。

さらに、特許文献３で開示されている方法は、結晶化された部分に相当量のＮｉシリサイドが存在するという問題点、及びＮｉシリサイドと接触している表面部分でのみ結晶化が生じるという問題点を有する。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来の技術の問題点を改善するためのものであって、低エネルギーで非晶質シリコン層を結晶化でき、結晶化されたシリコン層の表面粗度特性が改善されうる非晶質シリコン層の結晶化方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明は基板上に形成された非晶質シリコン層に所定の金属イオンをドーピングする段階と、前記金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層をアニーリングして前記非晶質シリコン層を結晶化する段階とを有する、非晶質シリコン層の結晶化方法を提供する。

本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法によれば、さらに低エネルギーによって非晶質シリコン層が結晶化され、結晶化されたシリコン層の表面粗度特性が改善されうる。

また、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法によれば、表面から所定深さまでの非晶質シリコン層がいずれも均一に結晶化されうる。

特に、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤｓ）、半導体メモリ素子、及び次世代素子に適用する場合、高品質の素子を効果的に製作でき、素子の性能を増大させて製品の競争力を向上させうる。

以下、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を、添付した図面を参照して詳細に説明する。

図１Ａないし図１Ｃは、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明する工程図である。

図１Ａないし図１Ｃを共に参照すれば、まず、基板２０上に形成された非晶質シリコン層２２に所定の金属イオンをドーピングし、前記非晶質シリコン層２２を金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層２４に変化させる。

前記基板は、非晶質Ｓｉ基板、ガラス基板、サファイアガラス基板、ＭｇＯ基板、ダイアモンド基板、及びＧａＮ基板からなる群から選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。

前記金属イオンは、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ、及びＭｇよりなる群から選択された少なくとも一つであることが好ましい。したがって、それぞれの金属は、単独または組み合わせとして使われる。

前記金属イオンのドーピング量は、１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ないし１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であることが好ましい。

前記金属イオンのドーピングは、イオン注入装置によって行われることが好ましく、前記金属イオンのドーピングエネルギーは、１ｋｅＶないし１０００ｋｅＶであることが好ましい。

本発明の他の実施形態によれば、前記金属イオンのドーピングは、公知の他のイオンドーピング装置を用いてなされてもよい。

次いで、前記金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層２４を、レーザビームでアニーリングする。前記アニーリング段階で、前記非晶質シリコン層２４は結晶化され、結晶化されたシリコン層２６に変化されうる。

前記金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層２４は、金属イオンがドーピングされていない非晶質シリコン層と比較して、より低いレーザビームエネルギー密度によって結晶化される。これは、レーザ吸収係数及び金属イオンの触媒効果として説明されうる。

一般的に、レーザアニーリングの場合、非晶質シリコンの結晶化程度は、非晶質シリコンのレーザ吸収係数に大きく依存する。

非晶質シリコン層２４内にドーピングされた金属イオンは、非晶質シリコンのレーザ吸収係数を増加させる。したがって、レーザビームによるアニーリング時に、非晶質シリコン層２４は、より多くのレーザエネルギーを吸収する。

また、非晶質シリコン層２４にドーピングされた金属イオンは、アニーリング時に、非晶質シリコンの結晶化を促進させうる触媒として作用する。

したがって、低いレーザビームエネルギーによって、前記非晶質シリコン層２４の結晶化が可能であり、このように低いレーザビームエネルギーによって結晶化されたシリコン層は、表面粗度特性が向上しうる。

前記レーザビームのエネルギー密度は、５０ｍＪ／ｃｍ^２ないし３０００ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましく、より好ましくは、レーザビームのエネルギー密度は、３００ｍＪ／ｃｍ^２ないし８００ｍＪ／ｃｍ^２である。

本発明の他の実施形態によれば、前記アニーリングは、加熱手段が備えられた他の装置によって行ってもよい。

本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法によれば、さらに低エネルギーによって非晶質シリコン層が結晶化されうる。さらに、低エネルギーのレーザの使用によって、結晶化されたシリコン層の表面粗度特性が改善されうる。

また、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法によれば、表面から所定深さまでの非晶質シリコン層が、いずれも均一に結晶化されうる。所定深さまで均一に結晶化されうることは、イオン注入装置によって、非晶質シリコン層の所定深さまで金属イオンのドーピングが可能なためであり、ドーピングされる深さは、イオン注入エネルギーによって決定される。

均一な結晶化の効果は、米国特許第６,４７９,３２９号明細書において開示されている、結晶化された部分に相当量のＮｉシリサイドが存在するという問題点、及びＮｉシリサイドと接触している、表面部分でのみ結晶化が生じるという問題点と比較されうる。

特に、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法をアクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤｓ）、半導体メモリ素子、及び次世代素子に適用する場合、高品質の素子を効果的に製作でき、素子の性能を増大させて、製品の競争力を高めうる。

本実施例では、まず、シリコン基板上に非晶質シリコン層が形成されたサンプルを準備した。次いで、Ｎｉイオンを２５ｋｅＶのエネルギー、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の量で、前記非晶質シリコン層にイオン注入した。

次いで、前記Ｎｉイオンが注入されたサンプルを真空チャンバ内に取り付けた後、約１０^−３ｔｏｒｒ（１．３２×１０^−６ａｔｍ）の真空を維持したまま、エキシマーレーザビームを利用して前記サンプルをアニーリングした。

本実施例で使われたレーザは、ＫｒＦエキシマーレーザビームを使用し、レーザビームのエネルギー密度は、３００ないし７００ｍＪ／ｃｍ^２の条件でアニーリングした。

Ｎｉイオン注入の効果を検証するために、Ｎｉイオンが注入されていないサンプルを準備して上述の条件と同じ条件でアニーリングを行い、Ｎｉイオンを注入したサンプルと比較した。

図２Ａ及び図２Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図２Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図２Ｂ）とについて、それぞれ３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。

図３Ａ及び図３Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図３Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図３Ｂ）とについて、それぞれ５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。

図４Ａ及び図４Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図４Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図４Ｂ）とについて、それぞれ６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。

図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂを共に参照すれば、レーザエネルギー密度が増加するにつれ、非晶質シリコン層が結晶化されていることが観察できる。

ここで、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ）については、レーザエネルギー密度が増加するにつれて、サンプルの表面粗度特性が向上している。一方、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ）は、表面粗度特性が悪い。

図５Ａ及び図５Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図５Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図５Ｂ）とについて、それぞれ３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された透過電子回折（ＴＥＤ）写真である。

図６Ａ及び図６Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図６Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図６Ｂ）とについて、それぞれ５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。

図７Ａ及び図７Ｂは、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図７Ａ）と、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図７Ｂ）とについて、それぞれ６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、及び図７Ｂを共に参照すれば、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ）は、レーザエネルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ^２で非晶質シリコン層の結晶化が開始し、エネルギー密度が増加するにつれて、非晶質シリコンがさらに多く結晶化して、６００ｍＪ／ｃｍ^２で全ての非晶質シリコンが結晶化することが分かる。

しかし、Ｎｉイオンが注入されていないサンプル（図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ）の結晶化程度は、Ｎｉイオンが注入されたサンプル（図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ）の結晶化程度と比較して低いということが分かる。

図８は、Ｎｉイオンが注入されたサンプルと、Ｎｉイオンが注入されていないサンプルとについて、それぞれＡＦＭを使ってサンプル表面の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度を測定した結果と、アニーリングエネルギーとの関係を図示したものである。

２つのサンプルとも、６００ｍＪ／ｃｍ^２までは、エネルギー密度が増加するにつれて、ＲＭＳ粗度が低下するが、６００ｍＪ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度では、ＲＭＳ粗度が増加することを観察できる。

しかし、全てのエネルギー密度範囲で、Ｎｉイオンが注入されたサンプルの表面は、Ｎｉイオンが注入されていないサンプルの表面に比べて、低いＲＭＳ粗度を有することが観察できる。

Ｎｉイオンを注入したサンプルと、Ｎｉイオンを注入していないサンプルとを、６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度でレーザアニーリングして、キャリア移動度を測定した結果は、それぞれ４９.４ｃｍ^２／Ｖ・ｓ及び１０.２ｃｍ^２／Ｖ・ｓであった。

このような結果は、Ｎｉイオンが注入されたサンプルの結晶化程度が、Ｎｉイオンが注入されていないサンプルの結晶化程度より良いということを意味する。

すなわち、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を利用して、ＬＣＤ素子を製作する場合、高いキャリア移動度を有する素子が得られる。

典型的な実施例に準拠して、本発明を詳細に明示及び記述したが、特許請求の範囲に定義された本発明の技術的な思想、及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細の様々な変化がなされうるということが、当業者によって理解されるであろう。

本発明は、非晶質シリコン層の結晶化方法に関し、例えば、ＡＭＬＣＤｓ、半導体メモリ素子、及び次世代素子に適用可能である。

本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明する工程図である。本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明する工程図である。本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明する工程図である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定された断面部のＴＥＭ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、５００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルについて、６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されていないサンプルについて、６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーでアニーリングした後に測定されたＴＥＤ写真である。Ｎｉイオンが注入されたサンプルとＮｉイオンが注入されていないサンプルとについて、それぞれＡＦＭを使ってサンプル表面のＲＭＳ粗度を測定した結果と、アニーリングエネルギーとの関係を示した図である。

符号の説明

２０基板
２２，２４非晶質シリコン層
２６結晶化されたシリコン層

Claims

基板上に形成された非晶質シリコン層に所定の金属イオンをドーピングする段階と、
前記金属イオンがドーピングされた非晶質シリコン層をアニーリングして前記非晶質シリコン層を結晶化する段階と、
を有することを特徴とする非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記金属イオンは、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ、及びＭｇよりなる群から選択された少なくとも一つ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層の結晶化方法。
前記金属イオンのドーピング量は、１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ないし１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１または２に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記金属イオンのドーピングエネルギーは、１ｋｅＶないし１０００ｋｅＶであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記アニーリングは、レーザビームによって行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記レーザビームのエネルギー密度は、５０ｍＪ／ｃｍ^２ないし３０００ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記レーザビームのエネルギー密度は、３００ｍＪ／ｃｍ^２ないし８００ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項６に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記基板は、非晶質Ｓｉ基板、ガラス基板、サファイアガラス基板、ＭｇＯ基板、ダイアモンド基板、及びＧａＮ基板よりなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。
前記金属イオンのドーピングは、イオン注入装置によって行われることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の非晶質シリコン層の結晶化方法。