JPH10125599A - シリコン薄膜の結晶化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスレーザビームを用いてシリコン薄膜の
結晶化を行う際の均一性を向上させて、高性能な液晶表
示装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 基板上に形成したシリコン薄膜に対して
エネルギ分布を長方形に整形したパルスレーザビームを
照射して結晶化を行うシリコン薄膜の結晶化を行うに際
して、パルスレーザビームを１ポイントあたり複数回照
射しつつ、パルスレーザビームの走査ピッチをパルスレ
ーザビームの走査方向の長さ以上かつ２倍未満にして走
査して１１の領域にレーザビームを照射した後、走査に
より結晶化処理を行っていない部分１２をパルスレーザ
ビームにより結晶化処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に作成した
シリコン薄膜の結晶化（本明細書ではポリシリコンから
ポリシリコンへの再結晶化も含めて区別せずに結晶化と
表現する）方法、およびこれを用いた液晶表示装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜トランジスタを用いたアクテ
ィブマトリクス型液晶表示装置においては、高精細、低
コスト化の要望が強くなってきている。ポリシリコンを
活性層に用いた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」とい
う）は、従来のアモルファスシリコンを活性層に用いた
ＴＦＴに比べると移動度が２桁以上大きいため、デバイ
スサイズを小型化でき、高精細化が可能であるという優
位点を有している。また、液晶表示装置の駆動回路を同
一基板上に形成できるため、低コスト化も実現できる技
術として注目されている。

【０００３】さらに、低温プロセス（最高基板温度約６
００℃；ここで述べる基板温度は熱平衡が保たれたよう
な状態での温度である）で作られたポリシリコンＴＦＴ
の作成技術は、大版のガラス基板が使えるため大幅なコ
ストダウンを実現する技術として注目されている。中で
もパルスレーザによるシリコンのレーザ結晶化法を用い
たポリシリコンＴＦＴプロセスは、さらに低温域（最高
基板温度３００〜５００℃）でありながら、高性能なＴ
ＦＴを形成できる技術として精力的な開発が行われてい
る。

【０００４】そこで以下では従来のＴＦＴの製造方法に
ついて図面を参照しながら説明する。

【０００５】図３はパルスレーザとしてエキシマレーザ
を用いた従来のシリコン薄膜の結晶化方法の様子を示す
斜視図である。図３において、基板３１上に形成された
シリコン薄膜３２に対して、長方形に整形されたエキシ
マレーザビーム３３を照射する。図４に長方形に整形さ
れたエキシマレーザビーム３３のビーム内エネルギ分布
の一例を示す。具体的には、図４（ａ）は図３における
Ｘ−Ｙ平面での分布状態を示したものであり、図４
（ｂ）は図４（ａ）のＸ方向でのエネルギの大きさを示
したものである。すなわち、周辺部以外はできるだけ均
一エネルギ密度になるよう光学部品３４を用いてビーム
整形が行われている。

【０００６】ここで、多くの場合（特にＬＣＤの場
合）、レーザビームのサイズ（横Ｂｘと縦Ｂｙ）が実現
しようとする半導体装置のサイズより小さいため、１回
の照射だけでは必要な領域をすべて同時に結晶化するこ
とはできない。そのため、レーザビームはＸ方向にはｄ
ｘ、Ｙ方向にはｄｙずつ移動しながら、かつレーザビー
ムの一部分をオーバーラップさせながら複数回照射され
る（具体的には、レーザビームを照射する領域を図３に
おけるＸ方向に少しずつずらしながら照射を行うことに
なる）。一方、１回のレーザビームの照射では完全に多
結晶化を行うことは困難であるため、上記のようにレー
ザビームを照射する場合には、オーバーラップする領域
をかなり広めにとらなければならない。なお、このと
き、相対的に基板を動かす場合もある。

【０００７】通常、結晶化されたシリコン薄膜を用いた
薄膜トランジスタの性能を高めるためにもレーザビーム
の一部分をオーバーラップさせながら、１ポイントに対
して複数回の照射を行っており、結果的にそれぞれの薄
膜トランジスタが作成される場所について、総計５〜１
００ショット程度のレーザ照射を行っている。

【０００８】このようなレーザ照射により、シリコン薄
膜３２は結晶化されポリシリコン薄膜３５が形成され
る。この後、結晶化されたポリシリコン薄膜３２を用い
てＴＦＴを作成し、さらにＬＣＤの構成に組立を行い、
ＴＦＴ−ＬＣＤを完成させる。上記内容に関しては、例
えば、雑誌「フラットパネル・ディスプレイ １９９
１」Ｐ．１１７〜Ｐ．１２８（日経ＢＰ社刊：１９９０
年１１月２６日刊）に記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来のパルスレ
ーザを用いたシリコン薄膜の結晶化方法において、最も
重大な課題の１つがパルスレーザの照射痕状の結晶性の
不均一性である。図５は上記した従来のシリコン薄膜の
結晶化方法で結晶化されたポリシリコン薄膜を用いた薄
膜トランジスタの移動度の分布例の様子を示す。この図
はＸ方向の分布例であり、照射されたレーザビームの周
辺の部分で非常に大きな特性の不均一性が発生し、ビー
ムの移動量ｄｘごとに移動度が落ち込んでいる。これは
ポリシリコン薄膜３５の結晶性の不均一性がそのまま素
子（ＴＦＴ）特性に反映したためと考えられる。

【００１０】図５には移動度のみを示したが、しきい値
電圧やオフ電流特性も同様に大きくばらつくことにな
る。この不均一な状態でＴＦＴ−ＬＣＤを作成すると、
以下のことが問題となる。

【００１１】まず第１に、周辺駆動回路部の動作速度
が、ばらついた特性の悪い部分で制限されるため、回路
の動作マージンが小さくなる、あるいは動作速度の上限
が低下する。このことにより高密度表示が行いにくくな
るという課題が発生する。また第２に、表示部での移動
度やしきい値電圧のばらつきに伴い、表示部内でＴＦＴ
信号書き込み能力がばらつく、さらにオフ電流特性のば
らつきのため表示信号の保持能力もばらつき、そのため
表示品位が低下するという課題が発生する。

【００１２】第３に、照射する領域を一部オーバーラッ
プさせながらレーザビームを照射すると、端部の領域は
他の部分よりもレーザビームが照射される領域が少なく
なるため、どうしても端部の特性が悪くなる。

【００１３】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、均質
なポリシリコン薄膜を形成することにより、高性能（回
路動作が速く、動作マージンが大きく、画面の表示品位
が高い）な液晶表示装置を提供することを主な目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン薄膜の
結晶化方法は上記の目的を達成するため、基板上に形成
したシリコン薄膜に対してエネルギ分布を長方形に整形
したパルスレーザビームを照射して結晶化を行うにあた
り、パルスレーザビームを１ポイントあたり複数回照射
しつつ、パルスレーザビームの走査ピッチをパルスレー
ザビームの走査方向の長さ以上かつ２倍未満にして走査
した後、走査により結晶化処理を行っていない部分をパ
ルスレーザビームにより結晶化処理する構成となってい
る。

【００１５】そして上記の構成により、１度目の走査で
生じたシリコン薄膜の結晶性の不均一性を小さくするこ
とが可能になる。さらに上記の結晶化方法を液晶表示装
置の製造工程において用いることにより、高性能（回路
動作が速く、動作マージンが大きく、画面の表示品位が
高い）な液晶表示装置を実現できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
るシリコン薄膜の結晶化方法および液晶表示装置つい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１７】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１におけるシリコン薄膜の結晶化方法において、レー
ザビームの照射方法を示す図である。図１において、１
１は１度目の走査で照射されるパルスレーザビームの照
射領域、１２は２度目の走査で照射されるパルスレーザ
ビームの照射領域を示している。なお、パルスレーザ光
源としては、ここでは波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシ
マレーザを用いた。発信周波数は２００Ｈｚ以上で、最
終のビーム形状は、図４（ａ）に示すＢｘ×Ｂｙが８ｍ
ｍ×１０ｍｍであり、Ｘ方向でのエネルギ分布は図４
（ｂ）に示すように台形状である。

【００１８】このパルスレーザビームを用いて、短尺方
向Ｘの走査ピッチを１２ｍｍ、長尺方向Ｙの走査ピッチ
を８ｍｍにし、各ポイントで１０回ずつ照射を行った。
１度目の走査終了後、１度目の走査の１回目のパルスレ
ーザビームの照射位置の中心からＸ方向にのみ１２ｍｍ
ずらした位置から、１度目と同一の走査ピッチで２度目
の走査を行った。

【００１９】上記のように、本実施の形態によれば、基
板上に形成したシリコン薄膜に対して、エネルギ分布を
長方形に整形したパルスレーザビームを１ポイントあた
り複数回照射し、このパルスレーザビームの走査ピッチ
を前記パルスレーザビームの走査方向の長さ以上で２倍
未満にして走査後、同一の走査ピッチで結晶化処理を行
っていない部分を結晶化処理する構成となっている。

【００２０】このポリシリコン薄膜を用いて、ＴＦＴを
作成し、特性のバラツキを測定したところ、均一性が向
上した。さらに、このＴＦＴを用いてＬＣＤを作成すれ
ば、高性能な（回路動作が速く、動作マージンが大き
く、画面の表示品位が高い）ＴＦＴ−ＬＣＤが得られ
た。

【００２１】また、本実施の形態によれば、レーザビー
ムを少しずつずらして走査しながら照射するのではな
く、１つの同じ領域に対して複数回のレーザビームを照
射しているため、端部においても確実に多結晶化を行う
ことができ、結果として均一な特性のＴＦＴを形成する
ことができる。

【００２２】（実施の形態２）図２は本発明実施の形態
２におけるシリコン薄膜の結晶化方法において、レーザ
ビームの照射方法を示す図である。図２において、２１
は１度目の走査で照射されるパルスレーザビームの照射
領域、２２は２度目の走査で照射されるパルスレーザビ
ームの照射領域を示している。なお、パルスレーザ光源
として、ここでは波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレ
ーザを用いた。発信周波数は２００Ｈｚ以上で、最終の
ビーム形状は、図４（ａ）に示すＢｘ×Ｂｙが０．５ｍ
ｍ×１８０ｍｍであり、Ｘ方向でのエネルギ分布は図４
（ｂ）に示すように台形状である。

【００２３】このパルスレーザビームを用いて、短尺方
向Ｘの走査ピッチを０．６ｍｍにし、各ポイントで１５
回ずつ照射を行った。１度目の走査終了後、１度目の走
査の１回目のパルスレーザビームの照射位置の中心から
Ｘ方向にのみ０．３ｍｍずらした位置から、１度目と同
一のピッチで２度目の走査を行った。

【００２４】このポリシリコン薄膜を用いて、ＴＦＴを
作成し、特性のバラツキを測定したところ、均一性が向
上した。さらに、このＴＦＴを用いてＬＣＤを作成すれ
ば、高性能な（回路動作が速く、動作マージンが大き
く、画面の表示品位が高い）ＴＦＴ−ＬＣＤが得られ
た。

【００２５】なお、本実施の形態においても上記の実施
の形態１と同様に、レーザビームを少しずつずらして走
査しながら照射するのではなく、１つの同じ領域に対し
て複数回のレーザビームを照射しているため、端部にお
いても確実に多結晶化を行うことができ、結果として均
一な特性のＴＦＴを形成することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、基板上に形成した
シリコン薄膜に対し、エネルギ分布を長方形に整形した
パルスレーザビームを１ポイントあたり１回以上照射
し、このパルスレーザビームの走査ピッチを前記パルス
レーザビームの短尺方向の長さ以上、かつ前記パルスレ
ーザビームの短尺方向の長さの２倍未満にして走査後、
同一の走査ピッチで結晶化処理を行っていない部分を結
晶化処理することよって、従来より均質な（特に端部に
おいて）ポリシリコン薄膜が得られる。

【００２７】さらに本発明のシリコン薄膜の結晶化方法
を用いて液晶表示装置を作成すれば、高性能（回路動作
が速く、動作マージンが大きく、画面の表示品位が高
い）な液晶表示装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１のシリコン薄膜の結晶化
方法におけるレーザビームの照射方法を示す図

【図２】本発明の実施の形態２のシリコン薄膜の結晶化
方法におけるレーザビームの照射方法を示す図

【図３】従来のシリコン薄膜の結晶化方法を示す斜視図

【図４】長方形に整形されたエキシマレーザ光のビーム
内エネルギー分布を示す図

【図５】従来のシリコン薄膜の結晶化方法で作られたポ
リシリコン薄膜を用いたＴＦＴの移動度の分布を示す図

【符号の説明】

１１ １度目の走査で照射されるパルスレーザビームの
照射領域 ２１ １度目の走査で照射されるパルスレーザビームの
照射領域 １２ ２度目の走査で照射されるパルスレーザビームの
照射領域 ２２ ２度目の走査で照射されるパルスレーザビームの
照射領域 ３１ シリコン薄膜 ３３ 長方形に整形されたエキシマレーザビーム ３４ 光学部品 ３５ ポリシリコン薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成したシリコン薄膜に対してエ
   ネルギ分布を長方形に整形したパルスレーザビームを照
   射して結晶化を行うシリコン薄膜の結晶化方法であっ
   て、前記パルスレーザビームを１ポイントあたり複数回
   照射しつつ、前記パルスレーザビームの走査ピッチを前
   記パルスレーザビームの前記走査方向の長さ以上かつ２
   倍未満にして走査した後、前記走査により結晶化処理を
   行っていない部分を前記パルスレーザビームにより結晶
   化処理することを特徴とするシリコン薄膜の結晶化方
   法。