JP5447909B2 - 薄膜材料の結晶化方法及びその装置 - Google Patents

Description

この発明は、薄膜材料のアモルファスシリコン層を結晶化させる結晶化方法およびその装置に関するものであり、主に、フラットパネルに使用される薄膜トランジスターのために結晶化シリコンを製造する結晶化方法及びその装置に関するものである。

フラットパネルに使用される薄膜トランジスターには、半導体層を結晶化シリコンで構成したものが知られている。該結晶化シリコンは、基板上で結晶シリコンを成長させることによって得ることも可能であるが、良質な結晶を得ることが難しい。このため、アモルファスシリコンにエキシマレーザやグリーンレーザを照射してラテラル成長したシリコン結晶を作製する方法（特許文献１、２参照）や、プラズマＣＶＤ法による微結晶シリコンを作製する方法（特許文献３参照）が提案されている。
特開２００６−２７８７４６号公報 特開２００７−１１５８４１号公報 特開２００５−１１６９３０号公報

しかし、エキシマレーザやグリーンレーザの照射によってアモルファスシリコンを結晶化する従来の方法では、次のような技術的課題が存在している。
この方法で作製した結晶はラテラル成長という、面内に横方向成長した結晶（膜厚より大きな結晶）が形成される。一方、液晶画面やＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）の画面の表示均一性（表示むら）は、画素内のトランジスターの電気特性の均一性が重要である。電気特性の均一性を向上するには、トランジスターのソース、ドレイン電極間の結晶粒界の数のばらつきが小さいことが重要と考えられており、そのためには結晶粒サイズは小さい方が良い。実際に、エキシマレーザやグリーンレーザを使ってラテラル結晶を作製し、表示特性を見ると、表示むらが見られ、これは、結晶の大きさが０．３〜２μｍと、トランジスターのソース、ドレイン電極間距離の２〜１０μｍに近いため、ソース、ドレイン電極間距離の結晶粒界の数が一定でないためと推定される。

また、プラズマＣＶＤ法による微結晶シリコンの作成方法の場合は次のような技術的課題が存在していた。
プラズマＣＶＤ法による微結晶シリコンは、母材（ＳｉＯ_２／ガラス等）の上に形成するが、母材（ＳｉＯ_２／ガラス等）に近い結晶ではアモルファスが多く残る。液晶ＴＶの画素用スイッチング素子のトランジスター構造は、ガラスに近い側から、ゲート電極、ゲート酸化膜、シリコン、ソース及びドレイン電極、の順で構成されており、トランジスターの電気特性はゲート酸化膜に近いシリコンの結晶性に支配される。従って、プラズマＣＶＤ法により作製したゲート電極に近いところにアモルファスが多く残る微結晶シリコンは、必要な電気特性が得られない。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、アモルファスシリコンを良質かつ均質な結晶にすることができる薄膜材料の結晶化方法及びその装置を提供することを目的とする。

第１の本発明の薄膜材料の結晶化方法は、ガラス基板上にトランジスタのゲート絶縁膜を構成する下層絶縁材層を介してアモルファスシリコン層が形成され、該アモルファスシリコン層の上層に上層酸化シリコン層が形成された薄膜材料に、前記上層酸化シリコン層上から８〜１０μｍの波長のＣＯ_２レーザ光のみを前記薄膜材料一箇所への照射時間を０．３μ秒〜２μ秒未満にして照射して該上層酸化シリコン層を選択的に加熱して前記アモルファスシリコン層を結晶粒径が１０ｎｍ以下の結晶シリコンとすることを特徴とする。

第２の本発明の薄膜材料の結晶化方法は、前記第１の本発明において、前記下層絶縁材層の厚さが０．２μｍ以上であることを特徴とする。

第３の本発明の薄膜材料の結晶化装置は、前記第１または第２の本発明に記載の薄膜材料のアモルファス材層を結晶粒径が１０ｎｍ以下の結晶シリコンとする結晶化装置であって、８〜１０μｍの波長のＣＯ_２レーザ光を発振するＣＯ_２レーザ光発振器と、前記ＣＯ_２レーザ光を偏向して前記薄膜材料一箇所への前記ＣＯ_２レーザ光の照射時間を０．３μ秒〜２μ秒未満にするポリゴンミラーと、該ＣＯ_２レーザ光を集光する集光レンズとを備え、該集光レンズの焦点距離をｆ３とすると、該集光レンズの主平面と前記ポリゴンミラーのレーザ光反射面との光路長がｆ３、かつ前記レンズの主平面とレーザ光照射位置に設置された薄膜材料との光路長がｆ３であることを特徴とする。

アモルファスシリコン層の上層にある上層酸化シリコン層は、アモルファスシリコン層をレーザ光の照射により間接的に加熱する目的で形成される。また、自然酸化によって形成されたものであっても良い。該上層酸化シリコン層は、通常、１０ｎｍ〜１μｍの厚さで形成される。上層酸化シリコン層は、通常は、レーザ光の照射によってアモルファスシリコン層を結晶化した後に除去する。この上層酸化シリコン層では、その材質に従って特定の波長域での吸収係数が他の波長域に比べて相対的に特異に大きくなる。
図３は、酸化シリコンにおける各波長での減衰係数を示すものである。垂直入射においては、吸収係数とほぼ同等である。この図から、酸化シリコンにおいては、８〜１０μｍの波長域において、それ以外の波長よりも吸収係数が特異に大きくなることが分かる。

上層酸化シリコン層での吸収係数が特異に大きい波長のレーザ光を上層酸化シリコン層に向けて照射すると、該レーザ光が上層酸化シリコン層に効率よく吸収されて該上層酸化シリコン層が選択的に加熱される。この上層酸化シリコン層の加熱によって隣接するアモルファスシリコン層の温度が上昇し、結晶化する。なお、上層酸化シリコン層が加熱されることによって該層のシリコンがアモルファスシリコン層中に拡散する場合がある。しかし、上層酸化シリコン層からアモルファスシリコン層にシリコンが拡散しても、該シリコン層の特性に悪影響を与えることはない。
アモルファスシリコン層が高温になると近傍のガラス基板の温度も上昇し歪点を超える可能性があるが、ガラス基板とアモルファスシリコン層との間に介在するゲート絶縁材層となる下層絶縁材層が熱的なバリア層となり、ガラス基板が歪点を超えないようにすることができる。
なお、ガラス基板と下層絶縁材層との間には、電極材が挿入される領域があってもよい。

従来のようにエキシマレーザやグリーンレーザを使ってシリコンでレーザを吸収して加熱する場合、シリコンがアモルファスから結晶に相変化すると吸収係数が変化する。従って、結晶化したシリコンにレーザを照射する領域と、アモルファスにレーザを照射する領域とでは加熱温度が異なり、結晶の質も変わる。この違いが、液晶ＴＶやＯＬＥＤ画面の表示に表れる。本発明では、上層酸化シリコン層を加熱しても上層酸化シリコン層では吸収係数に影響するほどの相変化を生じないので、このような問題は発生しない。

また、ガラス基板が歪点を超えないようにするには、１箇所に照射する時間は２μ秒以下とすることが望ましい。実際に照射時間を変えてアモルファスシリコン層の結晶化を行なうと、２μ秒の照射では、照射エネルギーによってはガラス基板からの膜剥離が見られ材料にダメージを与えることなく結晶化できないが、２μ秒より短い時間で照射することで材料にダメージを与えることなく結晶化シリコンを得ることができる。なお、レーザ光の集光サイズに限度があることから、照射時間を０．３μ秒以上とするのが望ましい。

さらに、薄膜トランジスターは、ゲート絶縁膜となる下層絶縁材層が薄いほど特性が良いが、下層絶縁材層が厚いほど基板への熱的影響が少ないので、少なくとも下層絶縁材層の厚さを０．２μｍ以上とするのが望ましい。後述する実施例では下層絶縁材層である下層酸化シリコン層の厚さを０．１μｍとしたとき、結晶化シリコンが得られる条件では基板より材料が剥離している。これは下層絶縁材層が薄くなることで基板温度が歪点を越えて欠陥が発生したためと考えられる。下層絶縁材層の材料としては酸化シリコンが好適であるが、窒化シリコンなどを用いたものであっても良く、本発明としては特定の材質に限定されない。

上記薄膜材料の結晶化方法を実現する好適な装置として、前記した薄膜材料の結晶化装置が提示される。
該装置では、少なくとも薄膜材料に形成された上層酸化シリコン層での吸収係数が特異に高い８〜１０μｍの波長のレーザ光を発振するレーザ光発振器、ポリゴンミラー、集光レンズを備える。該レーザ光発振器は、波長８〜１０μｍを発振するＣＯ_２レーザ発振器で構成するのが望ましい。

なお、下層絶縁材層が薄いときにレーザ光の照射時間をさらに短くすることでガラス基板のダメージをなくすことが出来ると考えられるが、ＣＯ_２レーザはＣＷ発振（連続発振）又はｍ秒オーダのパルス発振であるため一箇所への照射時間を短くするのには限度がある。ポリゴンミラーは、レーザ光を走査することで上層酸化シリコン層へのレーザ光の照射時間を短くすることができる。

また、集光レンズの焦点をｆ３として、集光レンズの主平面とポリゴンミラーのレーザ光反射面との光路長をｆ３、集光レンズの主平面と薄膜材料との光路長をｆ３とすることで、薄膜材料に照射されるレーザを、高速で、垂直に薄膜材料に照射することが可能になる。

本発明の薄膜材料の結晶化方法によれば、ガラス基板上に下層絶縁材層を介してアモルファスシリコン層が形成され、該アモルファスシリコン層の上層に上層酸化シリコン層が形成された薄膜材料に、前記上層酸化シリコン層上から８〜１０μｍの波長のＣＯ _２ レーザ光のみを前記薄膜材料一箇所への照射時間を０．３μ秒〜２μ秒未満にして照射して該上層酸化シリコン層を選択的に加熱して前記アモルファスシリコン層を結晶化させるので、結晶シリコンは、粒サイズ１０ｎｍ以下の微細粒とすることができ、結晶粒界の数のばらつきに伴うトランジスター特性のばらつきは低減され、良好な液晶ＴＶやＯＬＥＤ画面の表示を得ることができる。

また、本発明の薄膜材料の結晶化装置によれば、上記結晶化方法を効率的に実現することができる。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明で結晶化処理の対象となる薄膜材料２００の一例を示すものである。
該薄膜材料２００は、ガラス基板２０１上に、アルミニウム電極２０２が形成され、その上層に、下層絶縁材層として下層酸化シリコン層２０３が形成され、さらにその上層にアモルファスシリコン層２０４が形成されている。アモルファスシリコン層２０４上には、上層酸化シリコン層２０５が形成されている。これら各層の形成方法は、本発明としては特に限定をされるものではなく、既知の方法を採用することができる。また、上記では、ガラス基板２０１と下層酸化シリコン層２０３との間にアルミニウム電極２０２を有するものとして説明をしたが、該電極が介在していないものであってもよい。
上記構成においては、下層酸化シリコン層２０３の厚さは、０．２μｍ以上であるのが望ましい。

次に、上記薄膜材料を結晶化する装置について図２に基づいて説明する。
該結晶化装置１００は、図３に示すように酸化シリコンにおいて大きな吸収係数を示す波長８〜１０μｍのレーザ光を発振させるＣＯ_２レーザ光発振器１０１を備える。ＣＯ_２レーザ光発振器１０１から照射されるレーザ光１０２の照射方向に、シリンドリカルレンズ１０３、多面体のポリゴンミラー１０４が順次配置されている。ポリゴンミラー１０４は、中心軸を回転軸として高速回転することでレーザ光反射面１０４ａでレーザ光１０２を偏向しつつ走査するものであり、この実施形態では、ポリゴンミラー１０４による偏向角は、ｔａｎθをθ（ラジアン）で近似できる±１５°とした。レーザ光１０２は、偏向角が±１５°の範囲で変化するように走査されることになる。

なお、シリンドリカルレンズ１０３は、ｆ１の焦点距離を有しており、レーザ光反射面１０４ａに後側焦点が位置するように配置されている。また、ポリゴンミラー１０４の反射方向側には、走査範囲の中心にレンズの光軸が位置するようにシリンドリカルレンズ１０５が配置されている。該シリンドリカルレンズ１０５はｆ２の焦点距離を有しており、前記レーザ光反射面１０４ａに前側焦点が位置するように配置されている。シリンドリカルレンズ１０５の出射方向には、焦点距離ｆ３の集光レンズ１０６が配置されており、集光レンズ１０６の後側焦点位置に、処理対象となる薄膜材料２００が配置される。すなわち、集光レンズ１０６の主平面１０６ａと、薄膜材料２００とが光路長ｆ３を有するように配置される。また、ポリゴンミラー１０４のレーザ光反射面１０４ａと前記集光レンズ１０６の主平面１０６ａも同様に光路長ｆ３を有するように位置付けられている。これによりポリゴンミラー１０４で走査されるレーザ光１０２は、走査範囲内で高速かつ垂直に薄膜材料２００に照射される。なお、シリンドリカルレンズ１０３、１０５はポリゴンミラー１０４の面倒れによる走査線のピッチムラを低減する。

次に、上記結晶化装置１００の動作について説明する。
ＣＯ_２レーザ発振器１０１より発した波長９．４μｍのレーザ光１０２は、シリンドリカルレンズ１０３を透過後、ポリゴンミラー１０４のレーザ光反射面１０４ａに集光される。レーザ光１０２は回転するレーザ光反射面１０４ａによって偏向され、シリンドリカルレンズ１０５で平行光とされた後、集光レンズ１０６で集光され、集光ビーム１０８は薄膜材料２００に焦点を結ぶように薄膜材料２００表面に垂直に照射される。この際に、レーザ光１０２は、回転するレーザ光反射面１０４ａによって薄膜材料２００上で速度ｖで走査される。走査範囲は、前記したようにレーザ光反射面１０４ａによる偏向角が±１５°となる範囲とされる。該走査によって、薄膜材料２００にレーザ光が照射されている時間を短時間にすることができ、同一箇所における照射時間を２μ秒未満にすることができる。

上記レーザ光１０２の照射に際し、集光ビーム１０８は、上層酸化シリコン層２０５に効果的に吸収され、上層酸化シリコン層２０５が選択的に加熱される。なお、上層酸化シリコン層２０５は、この加熱によっても吸収係数の変化は小さい。上層酸化シリコン層２０５が加熱されると、下層のアモルファスシリコン層２０４に熱が伝達され、アモルファスシリコン層２０４が昇温して結晶化される。この際に、シリコンの結晶化に伴いシリコン層での吸収係数が変化するが、シリコン層は、上層酸化シリコン層２０５からの伝熱によって加熱されるため吸収係数の変化は結晶化に影響を与えない。これにより微小なシリコン結晶を均質に得ることが可能になり、良好な電気特性を得ることが可能になる。上層酸化シリコン層２０５は、アモルファスシリコン層２０４の結晶化以降、除去される。除去方法は、本発明としては特に限定されるものではない。

なお、上記実施形態では、下層絶縁材層として酸化シリコン層が形成された薄膜材料の結晶化について説明をしたが、本発明としては、下層絶縁材層の材質が特定のものに限定をされるものではなく、用途などに応じて適宜材料が選定されるものである。例えば、窒化シリコンを下層絶縁材として用いることができる。これら材料からなる種々の薄膜材料を対象にしてアモルファスシリコンの結晶化処理を行うことが可能である。

以下に、本発明の実施例を説明する。
図１に示す薄膜材料に対し、前記実施形態で説明した結晶化装置を用いてアモルファスシリコン層を結晶化する。
結晶化装置１００で使用するレンズとして、シリンドリカルレンズ１０３、１０５にｆｌ＝ｆ２＝１００ｍｍのレンズを使い、集光レンズ１０６にｆ３＝１０００ｍｍのレンズを使い、薄膜材料２００に対するビームを半値幅でｗ＝１．５ｍｍのガウス形状の集光ビーム１０８とした。

ポリゴンミラー１０４の走査周波数をＲとすると、薄膜材料２００における集光ビーム１０８の走査速度：Ｖ、薄膜材料２００上の１点にビームを照射する時間：△ｔは、下記式で求められる
Ｖ［ｍｍ／ｓ］＝Ｒ［Ｈｚ］・２・ｆ３・ｔａｎθｍａｘ
Ｒ［Ｈｚ］＝ａ・ｎ／６０
θｍａｘ＝２π／ｎ
△ｔ［ｓ］＝ｗ［ｍｍ］／Ｖ［ｍｍ／ｓ］
但し、ａはポリゴンミラー１０４の面数、ｎはポリゴンミラー１０４の回転周波数、θｍａｘはポリゴンミラー１０４によるビームの最大偏向角である。
ここでは、ポリゴンミラーの面数：ａ＝２４、ポリゴンミラーの回転周波数：ｎ≦３０，０００ｒｐｍ、とし、ビームの走査速度：Ｖｍａｘ≦６．４ｋｍ／ｓ、照射時間：△ｔ≧０．３μｓ以上とした。

薄膜材料２００は１軸ステージ上に設置され、集光ビーム１０８は、速度Ｖ＝ｗ・Ｒ＝１８ｍｍ／ｓで移動した。
薄膜材料２００には、試料１として、ガラス基板２０１の厚さ０．７ｍｍ、アルミニウム電極２０２の厚さ０．１μｍ、下層酸化シリコン層２０３の厚さ０．２μｍ、アモルファスシリコン層２０４の厚さ５０ｎｍ、上層酸化シリコン層２０５の厚さ０．２μｍの試料を使用した。

また、ポリゴンミラーの回転周波数を変えて、照射時間：△ｔとレーザの照射フルエンス：Ｆを変えて、Ｓｉ薄膜の結晶性を評価したところ、表１の結果が得られた。照射時間：△ｔ＝２．０μｓでは結晶が得られず、０．４、１．０、１．５μｓで膜の剥離、クラック等の無い結晶が得られた。結晶の評価は照射した試料１を光学系顕微鏡によって観察することで評価した。アモルファスシリコンと結晶化シリコンでは膜の光学特性が異なるために膜の色が異なることで、結晶化の有無を評価することができる。結晶粒サイズを電子顕微鏡より評価すると粒サイズは１０μｍであった。

次に、試料２として、試料１における下層酸化シリコン層２０３の厚さのみを０．１μｍに変えた試料を使い、前記と同様に評価した。結果を表２に示す。表１で結晶化シリコンが得られた条件ではガラス基板より材料が剥離した。これは下層酸化シリコン層が薄くなることでガラス温度が歪点を越えて欠陥が発生したためと考えられる。

本発明で結晶化の対象となる薄膜材料の例を示す図である。 本発明の一実施形態の結晶化装置を示す図である。 酸化シリコンにおける光の波長と減衰係数の関係を示す図である。

符号の説明

１００ 結晶化装置
１０１ ＣＯ_２レーザ発振器
１０２ レーザ光
１０３ シリンドリカルレンズ
１０４ ポリゴンミラー
１０４ａ レーザ光反射面
１０５ シリンドリカルレンズ
１０６ 集光レンズ
１０６ａ 主平面
１０８ 集光ビーム
２００ 薄膜材料
２０１ ガラス基板
２０２ アルミニウム電極
２０３ 下層酸化シリコン層
２０４ アモルファスシリコン層
２０５ 上層酸化シリコン層

Claims (3)

1. ガラス基板上にトランジスタのゲート絶縁膜を構成する下層絶縁材層を介してアモルファスシリコン層が形成され、該アモルファスシリコン層の上層に上層酸化シリコン層が形成された薄膜材料に、前記上層酸化シリコン層上から８〜１０μｍの波長のＣＯ_２レーザ光のみを前記薄膜材料一箇所への照射時間を０．３μ秒〜２μ秒未満にして照射して該上層酸化シリコン層を選択的に加熱して前記アモルファスシリコン層を結晶粒径が１０ｎｍ以下の結晶シリコンとすることを特徴とする薄膜材料の結晶化方法。
2. 前記下層絶縁材層の厚さが０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の薄膜材料の結晶化方法。
3. 請求項１または２に記載の薄膜材料のアモルファス材層を結晶粒径が１０ｎｍ以下の結晶シリコンとする結晶化装置であって、８〜１０μｍの波長のＣＯ_２レーザ光を発振するＣＯ_２レーザ光発振器と、前記ＣＯ_２レーザ光を偏向して前記薄膜材料一箇所への前記ＣＯ_２レーザ光の照射時間を０．３μ秒〜２μ秒未満にするポリゴンミラーと、該ＣＯ_２レーザ光を集光する集光レンズとを備え、該集光レンズの焦点距離をｆ３とすると、該集光レンズの主平面と前記ポリゴンミラーのレーザ光反射面との光路長がｆ３、かつ前記レンズの主平面とレーザ光照射位置に設置された薄膜材料との光路長がｆ３であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。

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