JP2007053364A - 多結晶シリコーン薄膜の製造方法及びこの方法を利用した薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

多結晶シリコーン薄膜の製造方法及びこの方法を利用した薄膜トランジスタの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電気的特性の向上。
【解決手段】基板上に非晶質シリコーン薄膜を形成する段階と、非晶質シリコーン薄膜の一部に低いエネルギー密度を有したレーザビームを照射して非晶質シリコーン薄膜を部分溶融させる段階と、部分溶融された非晶質シリコーン薄膜を結晶化させて一方向の結晶配列を有する多結晶シリコーングレインを形成する段階と、多結晶シリコーングレインから高いエネルギー密度を有したレーザビームを反復的に所定間隔移動させながら照射して非晶質シリコーン薄膜を完全溶融させる段階と、完全溶融された非晶質シリコーン薄膜を一方向の結晶配列と対応するように結晶化させて多結晶シリコーングレインを成長させる段階を含む。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は多結晶シリコーン薄膜の製造方法及びこの方法を利用した薄膜トランジスタの製造方法に関する。さらに詳細には電気的な特性を向上させた多結晶シリコーン薄膜の製造方法及びこれを有する薄膜トランジスタの製造方法に関する。
従来の液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＬＣＤ）では、スイッチング（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）素子として非晶質シリコーン薄膜トランジスタ（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ａ―ＳｉＴＦＴ）が用いられてきたが、最近には高画質の表示品質の要求に応じ、動作速度が速い多結晶シリコーン薄膜トランジスタ（Ｐｏｌｙ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ｐｏｌｙ―ＳｉＴＦＴ）が多く用いられるようになってきている。
多結晶シリコーン薄膜トランジスタに用いられる多結晶シリコーン薄膜を形成する方法としては、多結晶シリコーン薄膜を直接基板上に形成する方法や、非晶質シリコーン薄膜を基板上に形成させた後に前記非晶質シリコーン薄膜を熱処理して多結晶シリコーン薄膜を形成する方法等がある。
一般的に液晶表示装置に使われるガラス基板は６００℃以上になる一般的な熱処理工程で変形するため、非晶質シリコーン薄膜を熱処理する方法ではエキシマレーザ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ）を利用した方法が使われる。このようなエキシマレーザによる熱処理方法（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ、ＥＬＡ）は、高いエネルギーを有するレーザビームを非晶質シリコーン薄膜に照射する方法であり、非晶質シリコーン薄膜を数十ナノ秒間（ｎｓ）瞬間的に加熱することにより結晶化させるので、ガラス基板に損傷を与えない長所を有する。
また、エキシマレーザによる熱処理方法は、非晶質シリコーン薄膜を液状に溶融させた後に固体化させる時、シリコン原子を優秀な結晶性を有するグレイン状に再配列させるため、比較的高い電気移動度を有するシリコーン薄膜を形成することができる。
日本特開２００３―１５１９０４号公報
しかし従来のエキシマレーザによる熱処理方法による場合、非晶質シリコーン薄膜が多結晶シリコーン薄膜に結晶化される。このような多結晶シリコーン薄膜は、一定の規則性がなく、全ての結晶面方位を有したグレインで構成される。
一般的に多結晶シリコーン薄膜の場合、｛１１０｝面または｛１１１｝面では電気移動度が約３００―４００ｃｍ2／Ｖ・ｓだが、｛１００｝面では電気移動度が約６００ｃｍ2／Ｖ・ｓであることが知られている。例えば、多結晶シリコーン薄膜を構成するグレインの結晶面が不規則な時より支配的に｛１００｝面で形成される場合、電気移動度は約１．５―２倍程度向上することができる。
したがって、多結晶シリコーン薄膜トランジスタの電気的特性を向上させるためには、選択的に特定な結晶面方位を有したグレインを形成するとよい。
本発明が解決しようとする技術的課題は、電気的特性を向上させた多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の技術的課題は、このような多結晶シリコーン薄膜を有する薄膜トランジスタ基板の製造方法を提供することにある。
本発明の技術的課題は以上で言及した技術的課題で制限されないし、言及されないまた他の技術的課題は下記の記載から当業者に明確に理解されることができることである。
前記技術的課題を達成するために、発明１は、
・基板上に非晶質シリコーン薄膜を形成する段階と、
・前記非晶質シリコーン薄膜の一部に低いエネルギー密度を有するレーザビームを照射し、前記非晶質シリコーン薄膜を部分溶融させる段階と、
・前記部分溶融された非晶質シリコーン薄膜を結晶化させて一方向の結晶配列を有する多結晶シリコーングレインを形成する段階と、
・高いエネルギー密度を有したレーザビームを所定間隔ずつ移動させながら繰り返し照射し、前記多結晶シリコーングレインの一部と前記非晶質シリコーン薄膜の一部とを完全溶融させる段階と、
・前記完全溶融されたシリコーンを前記一方向の結晶配列と対応するように結晶化させて前記多結晶シリコーングレインを成長させる段階と、
を含む多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明２は、前記発明１において、前記部分溶融させる段階が、３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明３は、前記発明２において、前記レーザビームのパルス幅は２０〜３００ｎｓの範囲であって、前記部分溶融させる段階は、前記低いエネルギー密度の前記レーザビームのパルスを８０回以上照射する段階である多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明４は、前記発明１において、前記多結晶シリコーングレインが｛１００｝テクスチャー比率が約５０％以上である多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明５は、前記発明１において、前記完全溶融させる段階が６００〜９００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明６は、前記発明５において、前記高いエネルギー密度の前記レーザビームが、１回の照射で前記非晶質シリコーン薄膜を完全溶融させるエネルギー密度を有する多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明７は、前記発明１において、前記多結晶シリコーングレインが側面成長をする多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明８は、前記発明７において、前記側面成長の成長幅が１〜１０μｍである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明９は、前記発明１において、前記レーザビームの前記基板上の投影形状は四角形状であり、前記四角形状の対向する１対の辺の長さは前記基板の一辺の長さ相当であり、他の１対の辺の長さは前記シリコングレインが側面成長する長さの２倍以上である多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１０は、前記発明９において、前記レーザビームの照射幅が２〜２０μｍである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１１は、前記発明９において、前記照射幅方向への前記レーザビームの基板に対する相対的な移動間隔が、前記レーザビームの照射幅の半分以下である多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１２は、前記発明１１において、前記照射幅方向への前記レーザビームの基板に対する相対的な移動間隔が、１〜１０μｍである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１３は、前記発明１において、前記低いエネルギー密度のレーザビームと高いエネルギー密度のレーザビームとの全体照射面積は同一であり、前記低いエネルギー密度のレーザビームと高いエネルギー密度のレーザビームとが重なる面積は、前記レーザビームの全体面積の９０％以下である多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１４は、前記発明１において、前記レーザビームがエキシマレーザである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１５は、前記発明１４において、前記レーザビームの波長が２００〜４００ｎｍである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１６は、前記発明１４において、前記レーザビームの周波数が３００〜６０００Ｈｚである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１７は、前記発明１において、前記レーザビームが固体レーザである多結晶シリコーン薄膜の製造方法を提供する。
発明１８は、下記（ａ）〜（ｆ）の段階を含む薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
（ａ）基板上に非晶質シリコーン薄膜を形成する段階、
（ｂ）前記非晶質シリコーン薄膜にレーザビームを照射して多結晶シリコーン薄膜を形成する段階、
（ｃ）前記多結晶シリコーン薄膜をパターニングして多結晶シリコーンパターンを形成する段階、
（ｄ）前記多結晶シリコーンパターンを保護する絶縁膜を形成する段階、
（ｅ）前記絶縁膜上にゲート電極を形成する段階、
（ｆ）前記ゲート電極の両側に位置する前記多結晶シリコーンパターンに、それぞれ電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極を形成する段階。
前記（ｂ）段階は、下記の段階を含む。
・前記非晶質シリコーン薄膜の一部に低いエネルギー密度を有するレーザビームを照射して前記非晶質シリコーン薄膜を部分溶融させる段階、
・前記部分溶融された非晶質シリコーン薄膜を結晶化させて一方向の結晶配列を有する多結晶シリコーングレインを形成する段階、
・高いエネルギー密度を有するレーザビームを所定間隔ずつ移動させながら繰り返し照射し、前記多結晶シリコーングレインの一部と前記非晶質シリコーン薄膜の一部とを完全溶融させる段階、
・前記完全溶融したシリコーンを前記一方向の結晶配列と対応するように結晶化させて前記多結晶シリコーングレインを成長させる段階。
発明１９は、前記発明１８において、前記部分溶融させる段階が、３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
発明２０は、前記発明１９において、前記レーザビームのパルス幅が２０〜３００ｎｓであって、前記部分溶融させる段階が前記低いエネルギー密度の前記レーザビームのパルスを８０回以上照射する段階である薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
発明２１は、前記発明１８において、前記多結晶シリコーングレインは｛１００｝テクスチャー比率が約５０％以上である薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
発明２２は、前記発明１８において、前記完全溶融させる段階が、６００〜９００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
発明２３は、前記発明２２において、前記レーザビームが１回の照射で前記非晶質シリコーン薄膜を完全溶融させるエネルギー密度を有する薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
その他実施形態の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
上述したように本発明による多結晶シリコーン薄膜の製造方法及びこれを有する薄膜トランジスタ基板の製造方法によれば、一回目のレーザビームの照射により｛１００｝テクスチャーが支配的であるグレインを形成し、後続するレーザビームの照射によりこれらグレインを成長させる。これにより、｛１００｝テクスチャーが優勢で大きさが増加されたシリコーングレインを形成することができる。したがって、電気的特性、例えば電気移動度が向上された多結晶シリコーン薄膜及びこれを含む薄膜トランジスタを形成することができる。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述する実施形態を参照することにより明確になる。本発明は以下で開示する実施形態に限られず、相異なる多様な形態で具現されることができ、単に本実施形態は本発明を充分に開示するためのものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を開示するために提供され、本発明は実施形態に限定されない。明細書全体にかけて同一参照符号は同一構成要素を指称する。
図１は、本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜を製造するための製造装置の断面図である。図２は、本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法を示す説明図である。図３は、図１のＡ部分を拡大して示した断面図である。
図１ないし図３を参照すると、多結晶シリコーン薄膜１４０を製造するための製造装置は、レーザ１０、ＸＹステージ２０、基板１００を含む。
ここで、レーザ１０はレーザビーム２００を断続的に発生させてレーザビーム２００を基板１００に照射する。レーザ１０は短波長、高出力及び高効率のレーザビームを発生させるエキシマ（ｅｘｃｉｍｅｒ）レーザであることが望ましい。エキシマレーザは例えば、非活性気体、非活性気体ハロゲン化物、ハロゲン化水銀、非活性気体酸化合物及び多原子エキシマを含む。この時、非活性気体にはＡｒ2、Ｋｒ2、Ｘｅ2等がある。非活性気体ハロゲン化物には、ＡｒＦ、ＡｒＣｌ、ＫｒＦ、ＫｒＣｌ、ＸｅＦ、ＸｅＣｌ等がある。ハロゲン化水銀としては、ＨｇＣｌ、ＨｇＢｒ、ＨｇＩ等が挙げられる。非活性気体酸化合物としては、ＡｒＯ、ＫｒＯ、ＸｅＯ等が挙げられる。多原子エキシマとしては、Ｋｒ2Ｆ、Ｘｅ2Ｆ等が挙げられる。
エキシマレーザの波長は２００ｎｍないし４００ｎｍの範囲を有し、望ましくは２５０ｎｍまたは３０８ｎｍである。ここで、レーザビームはパルス状に照射される。パルス幅は２０ｎｓないし３００ｎｓの範囲を有し、望ましくは約２４０ｎｓである。またレーザビームのパルス周波数は３００Ｈｚないし６０００Ｈｚの範囲を有し、望ましくは４０００Ｈｚないし６０００Ｈｚの範囲である。
また、レーザ１０としては、小型装置から大きい出力を得ることができて短時間にパルス光を得ることができる固体レーザを用いることができる。固体レーザでは６９４．３ｎｍの波長を有するルビーレーザ、１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ、または１０６０ｎｍの波長を有するＮｄ：ガラスレーザ等がある。以下説明の便宜のためにエキシマレーザを用いた場合を例に挙げて本発明を説明する。
ＸＹステージ２０には基板１００が載置される。ＸＹステージ２０は、基板１００を一定間隔で少しずつ一方向に繰り返し移動させる。例えば、ＸＹステージ２０は、基板１００を一定距離ずつ、右側から左側へ、繰り返し移動させる。
ＸＹステージ２０が基板１００を少しずつ繰り返し移動すると、レーザ１０からのレーザビーム２００は、相対的に基板１００の第１端部１０２から基板１００の第２端部１０４に少しずつ移動しながら基板１００に照射される。この時、基板１００の第１端部１０２は基板１００の図中左側端部である。また基板１００の第２端部１０４は、基板１００の図中右側端部である。これとは逆に、ＸＹステージ２０は、基板１００を一定間隔で左側から右側へ少しずつ移動させてもよい。
基板１００は、ＸＹステージ２０上に載置される。基板１００は、透明基板１１０、酸化層１２０及び非晶質シリコーン薄膜１３０を含む。基板１００のサイズは用途によって多様に変わることができる。
透明基板１１０は、光が通過する透光性材料、例えばガラスや石英で形成される。酸化層１２０は、透明基板１１０上に形成され、透明基板１１０と非晶質シリコーン薄膜１３０との間の界面特性を向上させる。非晶質シリコーン薄膜１３０は、化学蒸着方法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化層１２０上に形成され、非晶質シリコーン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ、α―Ｓｉ）で構成される。
レーザ１０からのレーザビーム２００は、非晶質シリコーン薄膜１３０に照射されて非晶質シリコーン薄膜１３０の一部を瞬間的に溶融させる。溶融した非晶質シリコーン薄膜１３０は、急速に固相結晶化（ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を起こす。その結果、多結晶シリコーン（ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ、ｐ―Ｓｉ）で構成された多結晶シリコーン薄膜１４０が形成される。
図４Ａないし図４Ｆは、図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。具体的には、図４Ａは、初期レーザビームにより非晶質シリコーン薄膜の一部が液化される過程を示す。図４Ｂは、多結晶シリコーンが両側面に成長する過程を示す。図４Ｃは、多結晶シリコーンの側面成長により中央に突出部が形成される過程を示す。図４Ｄは、レーザビームを再び照射して突出部を液化させる過程を示す。図４Ｅは、多結晶シリコーンが再び両側面に成長する過程を示す。図４Ｆは、多結晶シリコーンの側面成長により中央に再び突出部が形成される過程を示す。
図１及び図４Ａを参照すると、まず非晶質シリコーン薄膜１３２が形成された基板１００と、レーザビーム２００を発生させるレーザ１０と、を用意し、基板１００をＸＹステージ２０上に載置する。レーザビーム２００の基板１００上における全体照射形状は四角形状で、そのＸまたはＹ方向の長さ（以下、単に照射長という）は、基板１００のいずれか１辺の長さと実質的に同じであることが望ましい。また、前記照射長方向と交差する他方向におけるレーザビーム２００の照射幅（以下、単に照射幅と言う）は、シリコーングレインが側面成長する長さの２倍以上であることが望ましい。例えば、レーザビーム２００の照射幅は２μｍないし２０μｍであり、望ましくは４μｍないし８μｍである。
続いて、レーザ１０で発生されたレーザビーム２００は、基板１００の第１端部１０２に形成された非晶質シリコーン薄膜１３２の一部に照射される。レーザビーム２００が照射された非晶質シリコーン薄膜１３２の一部は液化されて液相シリコーン１３４に相変態を起こす。レーザビーム２００が照射されないそれ以外の他の部分は、液化されずに固相非晶質シリコーンのまま維持される。
この時レーザビーム２００のエネルギー密度が十分ではないと、非晶質シリコーン薄膜１３２の非晶質シリコーンが完全に液化できなくて、固相非晶質シリコーンと液相シリコーンが共存するようになる。このように固相非晶質シリコーンと液相シリコーンとが共存する領域を、部分溶融領域という。
ここで、レーザビーム２００は低いエネルギー密度、約３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2程度を有しており、望ましくは約４００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度を有する。そして、レーザビーム２００はパルス状に照射されるエキシマレーザを用いており、パルス幅は２０ｎｓないし３００ｎｓの範囲を有し、望ましくは約２４０ｎｓを有する。またレーザビーム２００のパルス周波数は３００Ｈｚないし６０００Ｈｚの範囲を有して、望ましくは４０００Ｈｚないし６０００Ｈｚの範囲を有する。
このようなレーザビーム２００の１回パルスによっても非晶質シリコーンは部分溶融状態になるが、結晶化された後のシリコーングレインの欠陥を減らして結晶化度を向上させて｛１００｝面が支配的であるグレイン結晶面を具現するためには、このようなレーザビーム２００のパルスを約８０回以上連続的に非晶質シリコーン薄膜１３２に照射する。これに対しては後に詳細に説明する。
図４Ｂを参照すると、続いて液相シリコーン１３４の中では、液化されない両側面の固相非晶質シリコーン薄膜１３２から向い合う方向に固相結晶化が生じ、両側面から徐々に多結晶シリコーン薄膜１４２に相変態をする。この時、固相非晶質シリコーン薄膜１３２は多結晶シリコーン薄膜１４２が成長するためのシリコーングレインの核として作用する。すなわち、固相非晶質シリコーン薄膜１３２が多結晶シリコーン薄膜１４２のグレイン成長のための核として作用することによって、多結晶シリコーン薄膜１４２は両側面からレーザビーム２００の照射幅の半分だけ側面成長をするようになる？？？？？。この時、多結晶シリコーン薄膜１４２の側面からの成長幅は、１μｍないし１０μｍの範囲を有することができ、一般的に２μｍないし４μｍの範囲を有する。
ここで、図５を参照して多結晶シリコーン薄膜１４２のテクスチャー特性を説明する。図５は、非晶質シリコーンに照射されたレーザビームのパルス数に対して部分溶融状態から結晶化されたシリコーングレインの｛１００｝テクスチャーの比率を示したグラフである。図５に示したように、レーザビームのパルス数が増加するほど｛１００｝テクスチャーの比率が増加する。すなわち、図４Ａ及び図４Ｂで部分溶融状態の液相シリコーン１３４を形成するために、非晶質シリコーン薄膜１３２に照射するレーザビーム２００のパルス数を増加させるほど、多結晶シリコーン薄膜１４２を構成するシリコーングレインの｛１００｝テクスチャーの比率が高くなる。シリコーングレインが｛１００｝面を有する場合、多結晶シリコーン薄膜１４２とその下部の酸化層１２０間の界面エネルギーが低くなるため、部分溶融領域で｛１００｝テクスチャーが支配的になる。
グレインの電気移動度を改善するためには｛１００｝テクスチャーの比率が約５０％以上であることが望ましく、したがってレーザビーム２００のパルスを約８０回以上非晶質シリコーン薄膜１３２に照射することが望ましい（図５参照）。図５を見れば、非晶質シリコーン薄膜１３２にレーザビーム２００のパルスを約１５０回以上照射する場合、結晶化されたグレインの約９０％以上が｛１００｝テクスチャーを有することが分かる。
多結晶シリコーン薄膜１４２の場合、｛１１０｝面または｛１１１｝面で電気移動度が約３００〜４００ｃｍ2／Ｖ・ｓである。また｛１００｝面では、電気移動度が約６００ｃｍ2／Ｖ・ｓであることが知られている。したがって、本発明のように相対的に低いエネルギー密度を有するレーザビーム２００を複数回照射することによって、｛１００｝テクスチャーが支配的である多結晶シリコーン薄膜１４２を構成することができて、したがって電気移動度が向上されて多結晶シリコーン薄膜トランジスタの電気的特性を向上させることができる。
図４Ｃを参照すると、多結晶シリコーン薄膜１４２が両側面から側面成長をすることによって、両側面の中央には所定の高さを有する突出部１４６が形成される。突出部１４６は、多結晶シリコーン薄膜１４２の側面成長が両側面の中央で会うことによって形成され、多結晶シリコーン薄膜１４２の電気移動度を減少させる。したがって、突出部１４６は高い電気移動度を要求するシリコーン薄膜では除去されることが望ましい。
図４Ｄを参照すると、高いエネルギー密度を有するレーザビーム２００’を、基板１００の第１端部１０２から第２端部１０４に所定間隔ずつ相対的に移動させ、再び基板１００に照射することによって、突出部１４６を液化させて除去する。すなわち、レーザビーム２００’を基板１００に再び照射することによって、突出部１４６だけでなく多結晶シリコーン薄膜１４２の一部及び非結晶シリコーン薄膜１３２の一部を完全溶融させ、再び液相シリコーン１３４が形成される。この時、レーザビーム２００’の移動間隔は、突出部１４６を完全鎔融させることができる距離を有することが望ましい。
すなわち、レーザビーム２００’の移動間隔は、液相シリコーン１３４が側面成長できる長さ以下であることが望ましく、レーザビーム２００’の幅の半分以下であることが望ましい。さらに望ましくは、レーザビーム２００’の移動間隔は１μｍないし１０μｍの範囲を有する。
このように２回目のレーザの照射により、エネルギー密度が高くて多結晶シリコーン薄膜１４２及び非晶質シリコーン薄膜１３２が完全に溶融されるようにする。多結晶シリコーン薄膜１４２及び非晶質シリコーン薄膜１３２が完全に液化される領域を、完全溶融領域という。図４Ａのレーザビーム２００と図４Ｄのレーザビーム２００’とは、エネルギー密度を除いては実質的に同じである。すなわち、二番目に照射されるレーザビーム２００’は高いエネルギー密度、約６００〜９００ｍＪ／ｃｍ2程度を有しており、望ましくは約８００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度を有する。このようなレーザビーム２００’は１回パルスによっても非晶質シリコーン薄膜１３２を完全に液化させることができ、場合によっては数回に渡ってパルスを照射することができる。
図４Ｅを参照すると、再び液化された図４Ｄの液相シリコーン１３４は、両側面の多結晶シリコーン薄膜１４２及び固相非晶質シリコーン薄膜１３２から向い合う方向に再び固相結晶化が生じる。このような２番目固相結晶化が生じる時、液相シリコーン１３４の中央から左側に配置された多結晶シリコーン薄膜１４２は液相シリコーン１３４を吸収しながら図中右側に向かってさらに長く成長し、液相シリコーン１３４の中央から右側に配置された非晶質シリコーン薄膜１３２は図中左側に向かってレーザビーム２００’の照射幅の半分だけ成長する。２回目の固相結晶化により成長した多結晶シリコーン薄膜１４２の左側は、１回目の固相結晶化により形成されたグレインを核として成長するので、｛１００｝テクスチャーが支配的であるグレインに成長するようになる。したがって、以後継続的な固相結晶化により、｛１００｝テクスチャーを有するグレインが多結晶シリコーン薄膜１４２の大部分を占めるようになる。
図４Ｆを参照すると、液相シリコーン１３４が固相結晶化されることによって多結晶シリコーン薄膜１４２が再び両側面から側面成長をすることによって、両側面の中央には所定の高さを有する突出部１４６が再び形成される。
このように、突出部１４６が再び形成されると、レーザビーム２００’が再び所定間隔移動して照射して突出部１４６を液化させて、液化された液相シリコーン（図示せず）は再び側面成長を起こす過程を反復遂行するによって、さらに高い電気移動度を有する多結晶シリコーン薄膜１４２を形成することができる。
図６Ａないし図６Ｃは、本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を概略的に示した平面図である。具体的に、図６Ａは、レーザビームが最初に照射される時の多結晶シリコーン薄膜を示した平面図である。図６Ｂは、レーザビームが２回目に照射される時の多結晶シリコーン薄膜を示した平面図である。図６Ｃは、レーザビームが３回目に照射される時の多結晶シリコーン薄膜を示した平面図である。図６Ｄは、レーザビームが数回照射されて結晶化が完成された多結晶シリコーン薄膜を示した平面図である。
図６Ａを参照すると、低いエネルギー密度を有したレーザビームが最初に非晶質シリコーン薄膜の一部に照射される。レーザビームが照射された非晶質シリコーン薄膜の一部は部分溶融されて液相シリコーンに変化する。液相シリコーンは、液化されない両側面の固相シリコーン薄膜から固相結晶化が生じ、多結晶シリコーン薄膜１５０が形成される。このように多結晶シリコーン薄膜１５０が側面成長をする時、両側面にある固相非晶質シリコーン薄膜は成長のための核として作用して、複数個のシリコーングレイン１４８が生成される。シリコーングレイン１４８は成長をしながら相互に会うようになる。シリコーングレイン１４８が相互に会いながらシリコーングレイン１４８の間にはシリコーングレイン境界１４４が形成される。
また、シリコーングレイン１４８が側面成長をすることによって、両側面の中央では所定の高さを有する突出部１４６が形成される。突出部１４６は、レーザビームの照射幅方向の中央付近、すなわち両側面の中央に沿って、ほとんど一直線に形成される。
図６Ｂを参照すると、高いエネルギー密度を有するレーザビームは、所定間隔Ｄ１だけ移動して多結晶シリコーン薄膜１５０の一部及び非晶質シリコーン薄膜の一部に２回目に照射される。この時レーザビームの第１移動幅Ｄ１は、突出部１４６を液化して除去することができるように、レーザビームの照射幅の半分以下の間隔であることが望ましい。例えば、レーザビームの移動幅Ｄ１は１μｍないし１０μｍの範囲を有する。
また、レーザビームが非晶質シリコーン薄膜に過度に照射される場合、非晶質シリコーン薄膜がレーザビームにより剥離する場合がある。非晶質シリコーン薄膜の剥離現象を防止するために、最初照射されたレーザビームと２回目に照射されたレーザビームとが重なる面積は、レーザビームの全体面積の９０％以下であることが望ましい。
レーザビームが２回目に照射されることによって、突出部１４４、多結晶シリコーン薄膜１５０の一部及び非晶質シリコーン薄膜の一部が溶解されて液相シリコーンが再び形成される。液相シリコーンの一側面にはレーザビームの最初の照射時に形成された多結晶シリコーン薄膜１５０があり、液相シリコーンの他側面には既存の固相非晶質シリコーン薄膜がある。
この時、多結晶シリコーン薄膜１５０内にあるシリコーングレイン１４８は液相シリコーンを吸収しながら一方向にさらに長く成長して、固相非晶質シリコーン薄膜も液相シリコーンを吸収して他方向に新しいシリコーングレイン１４８を形成しながら成長する。シリコーングレイン１４８が側面成長をすることによって、両側面の中央では所定の高さを有する新しい突出部１４６が形成される。
図６Ｃを参照すると、高いエネルギー密度を有するレーザビームは所定間隔だけ再び移動して、多結晶シリコーン薄膜１５０の一部及び非晶質シリコーン薄膜の一部に３番目に照射される。この時、レーザビームの第２移動幅Ｄ２は第１移動幅Ｄ２と同じ大きさを有することが望ましく、新しい突出部１４６が溶融されて除去されるようにレーザビームの径の半分以下の間隔を有する。
レーザビームが３回目に照射されることによって、多結晶シリコーン薄膜１５０の一部及び非晶質シリコーン薄膜の一部が溶解されて液相シリコーンが再び形成される。この時、液相シリコーンの一側面にある多結晶シリコーン薄膜１５０のシリコーングレイン１４８は、液相シリコーンを吸収しながら一方向により一層長く成長する。液相シリコーンの他側面にある固相非晶質シリコーン薄膜は、液相シリコーンを吸収して他方向に新しいシリコーングレイン１４８を形成しながら成長する。シリコーングレイン１４８が側面成長をすることによって、両側面の中央では所定の高さを有するまた他の新しい突出部１４６が形成される。
このように、突出部１４６の生成及び消滅を反復しながらシリコーングレイン１４８が側面成長をすることによって、図６Ｄに示したようにさらに高い電気移動度を有する多結晶シリコン薄膜１５０を形成することができる。このように完成した多結晶シリコーン薄膜１５０は複数個のシリコーングレイン１４８及び複数個のシリコーングレイン境界１４４で構成される。
シリコーングレイン１４８は一側から他側へ平行に成長した形状を有する。シリコーングレイン境界１４４もシリコーングレイン１４８の形状により平行な方向に形成される。したがって、多結晶シリコーン薄膜１５０は一側から他側へ高い電気移動度を有する。
本実施形態によれば、レーザビームが所定間隔ずつ基板に対して相対的に移動して反復的に非晶質シリコーン薄膜に照射されることによって、シリコーングレインの大きさが増加された多結晶シリコーン薄膜を形成することができる。
以下、図７Ａないし図７Ｄを参照して、図１ないし図６Ｄで説明した多結晶シリコーン薄膜を含む薄膜トランジスタの製造方法を説明する。図７Ａないし図７Ｄは本発明の一実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を順次的に示した工程断面図である。具体的に、図７Ａは、基板上に多結晶シリコーンパターンが形成された過程を示す。図７Ｂは、多結晶シリコーンパターン上に絶縁膜とドレイン電極とが形成された過程を示す。図７Ｃは、ドレイン電極上に絶縁層とコンタクトホールとが形成された過程を示す。図７Ｄは、コンタクトホールを介してソース電極とドレイン電極とが形成された過程を示す。説明の便宜のために多結晶シリコーン薄膜の製造方法に関する説明は省略する。
図７Ａを参照すると、まず透明な基板３１０上に酸化層３２０を形成して、続いて酸化層３２０上に非晶質シリコーン薄膜（図示せず）を形成させる。これによって、レーザビームにより非晶質シリコーン薄膜を多結晶シリコーン薄膜（図示せず）に相変態させる。次いで多結晶シリコーン薄膜をパターニングし、多結晶シリコーンパターン３３０を形成する。
図７Ｂを参照すると、多結晶シリコーンパターン３３０を覆って多結晶シリコーンパターン３３０を保護する絶縁膜３４０を形成する。絶縁膜３４０は例えば、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により形成されることができる。
続いて、前記絶縁膜３４０上にゲート電極Ｇを形成する。ゲート電極Ｇは多結晶シリコーンパターン３３０の中央に配置されることが望ましい。ゲート電極Ｇは例えば、金属物質が蒸着された後エッチングされて形成される。
図７Ｃを参照すると、ゲート電極Ｇ及び絶縁膜３４０を覆う絶縁層３５０を形成する。絶縁層３５０は、ＰＥＣＶＤ等により形成されることができ、絶縁層３５０の厚さは薄膜トランジスタの信頼性向上及びクロストーク防止のために一定な厚さ以上を有することが望ましい。例えば、前記絶縁層３５０の厚さは６０００Å以上を有する。
続いて、絶縁膜３４０の一部及び絶縁層３５０の一部をエッチングしてコンタクトホール３５２、３５４を形成する。コンタクトホール３５２、３５４は、ゲート電極Ｇの一側から所定距離離隔されて形成される。第１コンタクトホール３５２は、多結晶シリコーンパターン３３０を一部露出させる。第２コンタクトホール３５４は、ゲート電極Ｇの他側から所定距離離隔されて形成され、多結晶シリコーンパターン３３０を一部露出させる。
図７Ｄを参照すると、コンタクトホール３５２、３５４を介して多結晶シリコーンパターン３３０と電気的に連結されたソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄを形成する。この時、ソース電極Ｓは、第１コンタクトホール３５２を介して多結晶シリコーンパターン３４０と電気的に連結される。ドレイン電極Ｄは、第２コンタクトホール３５４を介して多結晶シリコーンパターン３４０と電気的に連結される。
続いて、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを覆って保護する保護層３６０が絶縁層３５０上に形成される。絶縁層３５０上に保護層３６０を形成した後、絶縁層３５０の一部をエッチングして画素コンタクトホール３６２を形成する。保護層３６０上に透明な画素電極３７０が形成されて画素コンタクトホール３６２を介してドレイン電極Ｄと電気的に連結される。
本実施形態によれば、レーザビームにより高い電気移動度を有する多結晶シリコーンパターン３４０を形成することによって、さらに高い電気的な特性を有する薄膜トランジスタを製造することができる。
図７Ａないし図７Ｄで図示された薄膜トランジスタはトップゲート方式の薄膜トランジスタを一例で説明したが、本発明はこれに限られないし、ボトムゲート方式の薄膜トランジスタでも適用することができる。
以上本発明の一実施形態を説明する時基板に対してレーザを動かしてレーザビームの照射領域を移動する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られないしレーザに対して基板を動かせてレーザビームの照射領域を移動させることもできる。すなわちレーザビームの移動間隔は基板とレーザの相対的な動きによる移動間隔を意味することができる。
以上添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須な特徴を変更しなくて他の具体的な形態で実施できるということを理解することができることである。それゆえ以上で記述した実施形態は全ての面で例示的なことであって限定的でないことに理解しなければならない。
本発明の多結晶シリコーン薄膜の製造方法は、電気的特性、例えば電気移動度を向上した多結晶シリコーン薄膜の製造に適用でき、このような多結晶シリコーン薄膜を含む薄膜トランジスタ製造にさらに有用である。
本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜を製造するための製造装置を示した断面図である。 本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法を示した概念図である。 図１のＡ部分を拡大して示した断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 図２で図示された製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を示した工程断面図である。 非晶質シリコーンに照射されたレーザビームのパルス数に対して部分溶融状態から結晶化されたシリコーングレインの｛１００｝テクスチャーの比率を示したグラフである。 本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を概略的に示した平面図である。 本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を概略的に示した平面図である。 本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を概略的に示した平面図である。 本発明の一実施形態による多結晶シリコーン薄膜の製造方法により多結晶シリコーン薄膜が成長する過程を概略的に示した平面図である（結晶化完成状態）。 本発明の一実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を順次的に示した工程断面図である。 本発明の一実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を順次的に示した工程断面図である。 本発明の一実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を順次的に示した工程断面図である。 本発明の一実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を順次的に示した工程断面図である。
符号の説明
１０：レーザ
２０：ＸＹステージ
１００：基板
１０２：第１端部
１０４：第２端部
１１０：透明基板
１２０：酸化層
１３０：非晶質シリコーン薄膜
１３２：固相非晶質シリコーン薄膜
１３４：液相シリコーン
１４０、１４２、１５０：多結晶シリコーン薄膜
１４４：グレイン境界
１４６：突出部
１４８：シリコーングレイン
２００、２００’：レーザビーム
３１０：基板
３２０：酸化層
３３０：多結晶シリコーンパターン
３４０：絶縁膜
３５０：絶縁層
３５２、３５４：コンタクトホール
３６０：保護層
３６２：画素コンタクトホール
３７０：画素電極
Ｇ：ゲート電極
Ｓ：ソース電極
Ｄ：ドレイン電極

Claims (23)

  1. 基板上に非晶質シリコーン薄膜を形成する段階と、
    前記非晶質シリコーン薄膜の一部に低いエネルギー密度を有するレーザビームを照射し、前記非晶質シリコーン薄膜を部分溶融させる段階と、
    前記部分溶融された非晶質シリコーン薄膜を結晶化させて一方向の結晶配列を有する多結晶シリコーングレインを形成する段階と、
    高いエネルギー密度を有したレーザビームを所定間隔ずつ移動させながら繰り返し照射し、前記多結晶シリコーングレインの一部と前記非晶質シリコーン薄膜の一部とを完全溶融させる段階と、
    前記完全溶融されたシリコーンを前記一方向の結晶配列と対応するように結晶化させて前記多結晶シリコーングレインを成長させる段階と、
    を含む、多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  2. 前記部分溶融させる段階は、３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  3. 前記レーザビームのパルス幅は２０〜３００ｎｓの範囲であって、
    前記部分溶融させる段階は、前記低いエネルギー密度の前記レーザビームのパルスを８０回以上照射する段階である、請求項２に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  4. 前記多結晶シリコーングレインは｛１００｝テクスチャー比率が約５０％以上である、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  5. 前記完全溶融させる段階は、６００〜９００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  6. 前記高いエネルギー密度の前記レーザビームは、１回の照射で前記非晶質シリコーン薄膜を完全溶融させるエネルギー密度を有する、請求項５に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  7. 前記多結晶シリコーングレインは側面成長をする、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  8. 前記側面成長の成長幅は１〜１０μｍである、請求項７に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  9. 前記レーザビームの前記基板上の投影形状は四角形状であり、
    前記四角形状の対向する１対の辺の長さは前記基板の一辺の長さ相当であり、他の１対の辺の長さは前記シリコングレインが側面成長する長さの２倍以上である、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  10. 前記レーザビームの照射幅は２〜２０μｍである、請求項９に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  11. 前記照射幅方向への前記レーザビームの基板に対する相対的な移動間隔は、前記レーザビームの照射幅の半分以下である、請求項９に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  12. 前記照射幅方向への前記レーザビームの基板に対する相対的な移動間隔は、１〜１０μｍである、請求項１１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  13. 前記低いエネルギー密度のレーザビームと高いエネルギー密度のレーザビームとの全体面積は同一であり、
    前記低いエネルギー密度のレーザビームと高いエネルギー密度のレーザビームとが重なる面積は、前記レーザビームの全体面積の９０％以下である、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  14. 前記レーザビームはエキシマレーザである、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  15. 前記レーザビームの波長は２００〜４００ｎｍである、請求項１４に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  16. 前記レーザビームの周波数は３００〜６０００Ｈｚである、請求項１４に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  17. 前記レーザビームは固体レーザである、請求項１に記載の多結晶シリコーン薄膜の製造方法。
  18. （ａ）基板上に非晶質シリコーン薄膜を形成する段階と、
    （ｂ）前記非晶質シリコーン薄膜にレーザビームを照射して多結晶シリコーン薄膜を形成する段階と、
    （ｃ）前記多結晶シリコーン薄膜をパターニングして多結晶シリコーンパターンを形成する段階と、
    （ｄ）前記多結晶シリコーンパターンを保護する絶縁膜を形成する段階と、
    （ｅ）前記絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、
    （ｆ）前記ゲート電極の両側に位置する前記多結晶シリコーンパターンに、それぞれ電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、を含み、
    前記（ｂ）段階は、
    前記非晶質シリコーン薄膜の一部に低いエネルギー密度を有するレーザビームを照射して前記非晶質シリコーン薄膜を部分溶融させる段階と、
    前記部分溶融された非晶質シリコーン薄膜を結晶化させて一方向の結晶配列を有する多結晶シリコーングレインを形成する段階と、
    高いエネルギー密度を有するレーザビームを所定間隔ずつ移動させながら繰り返し照射し、前記多結晶シリコーングレインの一部と前記非晶質シリコーン薄膜の一部とを完全溶融させる段階と、
    前記完全溶融したシリコーンを前記一方向の結晶配列と対応するように結晶化させて前記多結晶シリコーングレインを成長させる段階と、
    を含む薄膜トランジスタの製造方法。
  19. 前記部分溶融させる段階は、３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる、請求項１８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  20. 前記レーザビームのパルス幅は２０〜３００ｎｓであって、前記部分溶融させる段階は前記低いエネルギー密度の前記レーザビームのパルスを８０回以上照射する段階である、請求項１９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  21. 前記多結晶シリコーングレインは｛１００｝テクスチャー比率が約５０％以上である、請求項１８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  22. 前記完全溶融させる段階は、６００〜９００ｍＪ／ｃｍ2の範囲のエネルギー密度を有する前記レーザビームを用いる、請求項１８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  23. 前記レーザビームは、１回の照射で前記非晶質シリコーン薄膜を完全溶融させるエネルギー密度を有する、請求項２２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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