JP2006504262A - 多結晶化方法、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法、及びそのためのレーザー照射装置 - Google Patents

多結晶化方法、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法、及びそのためのレーザー照射装置 Download PDF

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Abstract

本発明の実施例によるレーザー照射装置は、絶縁基板上に形成された非晶質シリコンの薄膜に周波数を発振してレーザービームを照射するレーザー照射装置であって、搭載されている基板を支持するステージ、レーザービームを一定に生成するレーザー発振部、レーザービームを薄膜に集積して誘導する透過レンズ、薄膜へ誘導されたレーザービームを反射させる反射板、反射板の位置を制御する反射板制御部、及び反射板で反射されたレーザービームを吸収する吸収体を含む。

Description

本発明は、多結晶化方法、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法、及びそのためのレーザー照射装置に関するものである。
一般的に、液晶表示装置は、電極が形成されている二枚の基板及びその間に注入されている液晶物質を含み、両基板は、周縁に印刷されており、液晶物質を封じ込める封印材によって結合されており、両基板の間に散布している間隔材により支持されている。
このような液晶表示装置は、両基板の間に注入されている異方性誘電率を有する液晶物質に電極を利用して電界を印加し、この電界の強さを調節して、基板に透過する光の量を調節することによって画像を表示する装置である。この時、電極に伝達される信号を制御するために薄膜トランジスタを用いる。
液晶表示装置に使用される最も一般的な薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを半導体層として用いる。
このような非晶質シリコン薄膜トランジスタはほぼ０.５〜１ｃｍ2/Ｖｓｅｃ程度の移動度（mobility）を有しており、液晶表示装置のスイッチング素子としては使用可能であるが、移動度が小さいため、液晶パネルの上部に直接駆動回路を形成するには不適合である短所がある。
したがって、このような問題点を克服するために、電流移動度がほぼ２０〜１５０ｃｍ2/Ｖｓｅｃ程度である多結晶シリコンを半導体層として用いる多結晶シリコン薄膜トランジスタ液晶表示装置が開発されている。多結晶シリコン薄膜トランジスタは、比較的高い電流移動度を有するので、駆動回路を液晶パネルに内蔵したチップインガラス（Chip In Glass）を実現することができる。
多結晶シリコンの薄膜を形成する技術としては、基板の上部に直接多結晶シリコンを高温で蒸着する方法、非晶質シリコンを積層し、６００℃程度の高温で結晶化する固状結晶化方法、非晶質シリコンを積層し、レーザーなどを利用して結晶化する方法などが開発された。しかし、このような方法は高温工程が要求されるため、液晶パネル用ガラス基板には適用し難く、均一でない結晶粒界により、薄膜トランジスタの間の電気的な特性に対する均一度を低下させる短所を有している。
このような問題点を解決するために、結晶粒界の分布を人為的に調節することができる順次的側面固化（sequential lateral solidification）工程が開発された。これは、多結晶シリコンの結晶粒が、レーザーが照射された液状領域とレーザーが照射されない固状領域の境界で、その境界面に対して垂直方向に成長するという事実を利用した技術である。この時、レーザービームは、スリット模様を有するマスクの透過領域を通過して非晶質シリコンを完全に溶解させ、非晶質シリコン層にスリット模様の液状領域を形成した後、液状の非晶質シリコンが冷却されながら結晶化が行われる。結晶は、レーザービームが照射されない固状領域の境界からその境界面に対して垂直方向に成長し、結晶粒等の成長は液状領域の中央で互いに衝突すると止まるようになる。このような側面固化工程は、レーザービームを照射する際、非晶質シリコンが形成された基板が搭載されている基板を横方向に移動しながら行われ、このような単位スキャニング段階を横方向に繰り返して基板の全体領域で実施する。
このような側面固化工程を実施する場合、レーザービームは透過レンズを通して照射されるが、所望の位置にレーザービームの焦点を正確に調節しなければならない。
しかしながら、透過レンズの温度が変わるとレーザービームの焦点が変わる問題点が発生し、これにより、薄膜トランジスタの多結晶シリコン半導体層の結晶化が不均一となる。このような問題点を解決するためには、透過レンズの温度を一定に維持した状態でレーザービームを照射する技術を確保するのが最も重要な課題である。
本発明が目的とする技術的課題は、側面固化工程を進行する際にレーザービームの焦点を正確に調節することができるレーザー照射装置、及びこれを利用した薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
本発明の一つの特徴によるレーザー照射装置は、基板上に形成された非晶質シリコンの薄膜にレーザービームを照射するレーザー照射装置であって、前記基板を搭載するステージ、レーザービームを生成するレーザー発振部、レーザービームを前記薄膜に集積して誘導する投射レンズ、前記薄膜へ誘導されたレーザービームを反射する反射板、前記反射板の位置を制御する反射板制御部、及び前記反射板で反射されたレーザービームを吸収する吸収体を含む。
また、本発明の他の特徴による薄膜トランジスタの投射レンズを備えたレーザー照射装置を利用して薄膜トランジスタを製造する方法は、基板の上部に非晶質シリコン薄膜を積層する段階、前記レーザー照射装置の投射レンズを予熱した後、前記レーザー照射装置からのレーザービームを、スリットパターンを有する露光マスクを通して前記非晶質シリコン薄膜に照射して、多結晶シリコン層に結晶化する段階、前記多結晶シリコン層をパターニングして半導体層を形成する段階、前記半導体層上に第１絶縁膜を形成する段階、前記第１絶縁膜の上部にゲート電極を形成する段階、前記半導体層に不純物を注入して、ソース及びドレーン領域を形成する段階、前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する段階、前記第１絶縁膜又は前記第２絶縁膜に前記ソース及びドレーン領域を露出する接触孔を形成する段階、及び前記接触孔を介して前記ソース及びドレーン領域に各々連結されるソース及びドレーン電極を各々形成する段階を含む。
前記多結晶シリコン層は、順次的固状結晶化工程（lateral sequential solidification）で形成するのが好ましい。
前記ドレーン電極に連結される画素電極を形成する段階をさらに含むことができ、この時、前記画素電極は透明な導電物質又は反射率を有する導電物質で形成する。
本発明の他の特徴による多結晶化方法は、投射レンズを備えたレーザー照射装置を利用して非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法であって、基板の上部に非晶質シリコン薄膜を積層する段階、前記レーザー照射装置からのレーザービームが前記薄膜に照射されないようにしながら、前記レーザー照射装置の投射レンズを予熱する段階、及び前記予熱段階の後、前記レーザー照射装置からのレーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に照射して多結晶化する段階を含む。
前記予熱段階において、前記レーザー照射装置からのレーザービームは反射されて、前記薄膜から遠くなるのが好ましい。
本発明によれば、レーザービームが正確、且つ均一に非晶質シリコン層に照射されるように、透過レンズが一定の温度に到達している場合において、非晶質シリコン層にレーザービームを照射することによって、均一な多結晶化を実行することができる。
添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相違した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
図面においては、いろいろな層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似な部分については同一な図面符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上にある”とすれば、それは他の部分の“真上にある”場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の“真上にある”とすれば、中間に他の部分がないことを意味する。
次に、本発明の実施例によるレーザー照射装置及びこれを利用した薄膜トランジスタの製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａは、レーザーを照射して非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化する順次的側面固化工程を概略的に示した概略図であり、図１Ｂは、順次的側面固化工程によって非晶質シリコンが多結晶シリコンに結晶化される過程での多結晶シリコンの微細構造を示した図であり、図１Ｃは、非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化する順次的側面固化工程での単位スキャニング段階を概略的に示した図である。
図１Ａのように、順次的側面固化工程は、スリットパターンが形成されている透過領域３１０を有するマスク３００を利用してレーザービームを照射し、絶縁基板の上部に形成されている非晶質シリコン層２００を局部的に完全に溶解させて、透過領域３１０に対応する非晶質シリコン層２００に液状領域２１０を形成する。
この時、図１Ｂのように多結晶シリコンの結晶粒は、レーザーが照射された液状領域２１０とレーザーが照射されない固状領域２２０の境界から、その境界面に対して垂直方向に成長する。結晶粒等の成長は液状領域の中央で互いに集まれば止まるようになり、このような工程を結晶粒の成長方向に進行すれば、結晶粒を所望の多様な大きさの粒子に形成することができる。
一つの例として、図１Ｃに示した側面固化工程では、スリットからなる透過領域３０１、３０２を有するマスク３００を用いる。透過領域３０１、３０２の各スリットは横方向に延びており、透過領域３０１、３０２は複数の列をなす。各列の投光領域３０１、３０２は所定のピッチで配列されており、隣接した二つの列の透過領域３０１、３０２は半ピッチ程度外れている。側面固化工程において、マスク３００を通してレーザービームを一回照射した（以下、ショットという）後に、マスク３００に対して基板を横（ｘ軸）方向に透過領域３０１、３０２列の幅だけ移動させる。透過領域３０１、３０２がＸ方向に延びているため、図１Ｂに示したように結晶粒はＹ方向に透過領域３０１、３０２の幅ほど成長する。
このような基板は、レーザー照射装置の位置は固定させた状態で基板が搭載されているステージによって移動される。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一つの実施例による多結晶化用レーザー照射装置を概略的に示したものである。
本発明の実施例によるレーザー照射装置は、周波数発進によってレーザービームを生成し、生成したレーザービームをガラス基板などの絶縁基板１００上に形成された非晶質シリコン薄膜に照射するための装置である。図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、レーザー照射装置は、基板１００を固定して支持するステージ４００、一定の周波数の均一なレーザービームを生成するレーザー発振部５００、光学部６００、投射レンズ７００、反射板８２０、吸収体８３０、及び反射板制御部８１０を含む。
光学部６００は、レーザービームに所望のエネルギーを付与したり、レーザービームの残像を除去したり、均一な周波数を有させるなどの機能を有する。投射レンズ（projection lens）７００は、レーザービームが基板１００上部の非晶質シリコン薄膜に正確な位置に照射されるようにレーザービームを集積する。
反射板８２０は、図２Ａに示したように、投射レンズ７００が一定の温度に予熱される間には、光学部６００から透過レンズ７００を経て照射されるレーザービームが基板１００の非晶質シリコン層に照射されないように、制御部８１０の制御によってレーザービームを反射してこれを吸収する吸収体８３０に反射し、投射レンズ７００の温度が一定に維持され、投射レンズ７００の焦点調節が完了すれば、図２Ｂに示したように、制御部８１０の制御によって基板１００から遠くなって、適時にレーザービームが基板１００の非晶質シリコン層に照射されるようにする。
本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用すれば、透過レンズが一定の温度に到達した時だけ、非晶質シリコン層にレーザービームを照射することにより、非晶質シリコン層上においてレーザービームの焦点を正確でかつ均一に維持することができる。これにより、非晶質シリコンの薄膜を多結晶シリコンに均一に結晶化することができる。
次に、このような本発明の実施例による多結晶シリコン薄膜トランジスタとレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造方法について説明する。
図３は、本発明の一つの実施例による多結晶シリコン薄膜トランジスタの断面図であり、図４Ａ乃至図４Ｅは、図３に示した多結晶シリコン薄膜トランジスタを、本発明の一つの実施例によって製造する方法の中間段階での断面図である。ここで、薄膜トランジスタは、画素電極を共に有する構造を例に挙げたが、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に駆動回路のための薄膜トランジスタを有する場合にも適用する。
図３のように、絶縁基板１０上に、チャンネル領域２１とチャンネル領域２１を中心に両側に各々形成されているソース及びドレーン領域２２、２３を有し、多結晶シリコンからなる半導体層２０が形成されている。ここで、ソース及びドレーン領域２２、２３はｎ型又はｐ型の不純物がドーピングされており、シリサイド層を含むことができる。
基板１０の上部には、半導体層２０を覆う酸化ケイ素（ＳｉＯ2）や窒化ケイ素（ＳｉＮx）からなるゲート絶縁膜３０が形成されており、チャンネル領域２１上部のゲート絶縁膜３０の上部にはゲート電極４０が形成されている。
ゲート絶縁膜３０の上部には、ゲート電極４０を覆う層間絶縁膜５０が形成されており、ゲート絶縁膜３０と層間絶縁膜５０は、半導体層２０のソース及びドレーン領域２２、２３を露出する接触孔５２、５３を有している。
層間絶縁膜５０の上部には、接触孔５２を介してソース領域２２に連結されているソース電極６２と、ゲート電極４０を中心にソース電極６２と対向し、接触孔５３を介してドレーン領域２３に連結されているドレーン電極６３とが形成されている。
層間絶縁膜５０は保護絶縁膜７０で覆われており、保護絶縁膜７０にはドレーン電極６３を露出する接触孔７３が形成されており、保護絶縁膜７０の上部には、ＩＴＯ又はＩＺＯ又は反射率を有する導電物質からなる画素電極８０が形成されて、接触孔７３を介してドレーン電極６３に連結されている。
このような本発明の実施例による薄膜トランジスタの製造方法では、まず、図４Ａのように、基板１０の上部に非晶質シリコンを低圧化学気相蒸着又はプラズマ化学気相蒸着又はスパッタリング方法で積層して非晶質シリコン薄膜２５を形成する。
次に、図１Ｃに示したスリットパターンを有するマスクと、図２Ａ及び図２Ｂから見られようなレーザー照射装置を利用した順次的固状結晶工程によって多結晶シリコン薄膜２５を形成する。詳しくは、まず、一定の温度に到達するまで投射レンズ７００を予熱する。投射レンズ７００が予熱される間、制御部８１０は、反射板８２０がレーザービームを反射して吸収体８３０に反射されるように制御して、非晶質シリコン薄膜２５にレーザービームが照射されないようにする。投射レンズ７００が一定の温度を維持するようになればレーザービームの焦点を非晶質シリコン薄膜２５に合わせ、反射板８２０を基板１００から離れるようにしてレーザービームが照射されるようにし、非晶質シリコンの結晶化を開始する。このようにすれば、多結晶シリコン層２５の結晶粒を均一に形成することができ、以降に完成される薄膜トランジスタの特性を均一に維持することができる。
次に、図４Ｂのように、マスクを利用した写真エッチング工程で多結晶シリコン層２５をパターニングして、多結晶シリコンの半導体層２０を形成する。
次に、図４Ｃのように、酸化ケイ素（ＳｉＮ2）や窒化ケイ素を蒸着してゲート絶縁膜３０を形成する。続いて、ゲート配線用導電性物質を蒸着した後、パターニングして、ゲート電極４０を形成する。その後、図４Ｃのように、ゲート電極４０をマスクとして半導体層２０にｎ型又はｐ型の不純物をイオン注入し、活性化して、ソース及びドレーン領域２２、２３を形成する。この時、ソース及びドレーン領域２２、２３の間はチャンネル領域２１と定義される。
次に、図４Ｄのように、ゲート絶縁膜３０の上部にゲート電極４０を覆う層間絶縁膜５０を形成した後、ゲート絶縁膜３０と共にパターニングして、半導体層２０のソース及びドレーン領域２２、２３を露出する接触孔５２、５３を形成する。
次に、図４Ｅのように、絶縁基板１０の上部にデータ配線用金属を蒸着し、パターニングして、接触孔５２、５３を介してソース及びドレーン領域２２、２３に各々連結されるソース及びドレーン電極６２、６３を形成する。
次に、図３のように、その上部に保護絶縁膜７０を塗布し、パターニングして、ドレーン電極６３を露出する接触孔７３を形成する。続いて、ＩＴＯ又はＩＺＯのような透明導電物質又は優れた反射度を有する導電物質を積層し、パターニングして、画素電極８０を形成する。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、本発明の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者のいろいろな変形及び改良形態もまた本発明の権利範囲に属する。
レーザーを照射して非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化する、順次的側面固化工程を概略的に示した概略図である。 順次的側面固化工程により、非晶質シリコンが多結晶シリコンに結晶化される過程での多結晶シリコンの微細構造を示した図である。 非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化する順次的側面固化工程での単位スキャニング段階を概略的に示した図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置の構成及び照射方法を示した構成図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置の構成及び照射方法を示した構成図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用して製造した薄膜トランジスタの構造を示した断面図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造工程をその順序に従って示した断面図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造工程をその順序に従って示した断面図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造工程をその順序に従って示した断面図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造工程をその順序に従って示した断面図である。 本発明の実施例によるレーザー照射装置を利用した薄膜トランジスタの製造工程をその順序に従って示した断面図である。
符号の説明
１０ 基板
２０ 半導体層
２１ チャンネル領域
２２、２３ ソース及びドレーン領域
２５ 非晶質（多結晶）薄膜
３０ ゲート絶縁層
４０ ゲート電極
５０ 層間絶縁膜
５２、５３ 接触孔
６２、６３ ソース及びドレーン電極
７０ 保護膜
７３ 接触孔
８０ 画素電極
２００ 非晶質シリコン薄膜
２１０ 液状領域
２２０ 固状領域
３００ マスク
３０１、３０２、３１０ 透過領域
４００ ステージ
５００ レーザー発振器
６００ 光学部
７００ 投射レンズ
８１０ 制御部
８２０ 反射板
８３０ 吸収体

Claims (7)

  1. 基板上に形成された非晶質シリコンの薄膜にレーザービームを照射するレーザー照射装置であって、
    前記基板を搭載するステージ、
    レーザービームを生成するレーザー発振部、
    レーザービームを前記薄膜に集積して誘導する投射レンズ、
    前記薄膜へ誘導されたレーザービームを反射する反射板、
    前記反射板の位置を制御する反射板制御部、及び
    前記反射板で反射されたレーザービームを吸収する吸収体
    を含むレーザー照射装置。
  2. 投射レンズを備えたレーザー照射装置を利用して薄膜トランジスタを製造する方法において、
    基板の上部に非晶質シリコン薄膜を積層する段階、
    前記レーザー照射装置の投射レンズを予熱した後、前記レーザー照射装置からのレーザービームを、スリットパターンを有する露光マスクを通して前記非晶質シリコン薄膜に照射して、多結晶シリコン層に結晶化する段階、
    前記多結晶シリコン層をパターニングして半導体層を形成する段階、
    前記半導体層上に第１絶縁膜を形成する段階、
    前記第１絶縁膜の上部にゲート電極を形成する段階、
    前記半導体層に不純物を注入して、ソース及びドレーン領域を形成する段階、
    前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する段階、
    前記第１絶縁膜又は前記第２絶縁膜に前記ソース及びドレーン領域を露出する接触孔を形成する段階、及び
    前記接触孔を介して前記ソース及びドレーン領域に各々連結されるソース及びドレーン電極を各々形成する段階
    を含む薄膜トランジスタの製造方法。
  3. 前記多結晶シリコン層は順次的固状結晶化工程（lateral sequential solidification）で形成する、請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  4. 前記ドレーン電極に連結される画素電極を形成する段階をさらに含む、請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  5. 前記画素電極は、透明な導電物質又は反射率を有する導電物質で形成する、請求項４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  6. 投射レンズを備えたレーザー照射装置を利用して非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法において、
    基板の上部に非晶質シリコン薄膜を積層する段階、
    前記レーザー照射装置からのレーザービームが前記薄膜に照射されないようにしながら、前記レーザー照射装置の投射レンズを予熱する段階、及び
    前記予熱段階の後、前記レーザー照射装置からのレーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に照射して多結晶化する段階
    を含む多結晶化方法。
  7. 前記予熱段階において、前記レーザー照射装置からのレーザービームは反射されて前記薄膜から遠くなる、請求項６に記載の多結晶化方法。
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