KR101411188B1 - 레이저 어닐 방법 - Google Patents

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Abstract

과제
실리콘 결정화막을 형성하는 레이저 어닐 방법에 있어서, 0.2um 정도의 입자상 결정으로 이루어지는 다결정의 균일성 향상을 가능하게 한다.
해결 수단
실리콘 결정화막을 제조하는 레이저 어닐 방법에 있어서, 비결정 영역 (영역 A) 이 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정으로 구성되는 입자상 결정 영역 (영역 P) 으로 상변화되고, 또한 이미 형성되어 있는 입자상 결정 영역이 상변화되지 않는 조사 조건으로 레이저광을 조사한다.
실리콘 결정화막, 레이저 어닐, 다결정, 입자상 결정

Description

레이저 어닐 방법{LASER ANNEAL METHOD}
본 발명은, 기판 상에 형성된 비결정 실리콘막에 대해 레이저광을 조사하여, 다결정화막을 제조하는 레이저 어닐 (anneal) 방법에 관한 것이다.
유기 EL 등의 표시 장치는, 기판 상에 형성된 비결정 및 다결정 반도체막을 갖는 화소 표시용 박막 트랜지스터 (TFT) 와, 이 화소 표시용 TFT 를 구동시키는 구동 회로나 신호 처리 회로, 및 화상 처리 회로 등으로 구성되어 있다. 염가인 유리 등의 기판 상에 구동 회로 등을 형성할 수 있으면, 제조 비용 저감 및 신뢰성 향상을 기대할 수 있기 때문에, 현재 결정화 반도체막의 형성에 있어서, 엑시머 레이저 등의 고에너지 펄스광을 시료에 조사하여, 기판에 영향을 미치지 않고 반도체 재료를 순간적으로 용융시켜 결정화하는 레이저 어닐법이 널리 이용되고 있다.
그러나, 종래의 레이저 발생 장치를 이용한 경우에는, 13 인치를 초과하는 대면적 표시 장치를 제조할 때에, 1 개의 표시 장치용 패널을 1 회의 주사로 형성할 수 없어, 레이저광 단부의 조사 영역을 중첩하여 2 회 이상 주사할 필요가 있었다. 그러나, 이 레이저광이 중첩되는 부분에서는, 조사량이 다른 부분보다 많 아지기 때문에 재융해 등에 의해 결정 입경의 표준 편차 (차이) 증가 및 표면 평탄성의 열화를 초래할 우려가 있다. 이와 같이 결정성이 불균일한 반도체막 상에 TFT 등의 반도체 소자를 제조한 경우, 반도체 소자의 성능을 균일화할 수 없다. 이 결과, 반도체 소자의 성능의 균일성에 좌우되기 쉬운 유기 EL 등의 표시 장치에서는, 점 결함, 선 결함 및 콘트라스트 등의 표시 품위를 유지할 수 없게 된다. 이들 표시 품위를 유지하는 방법으로서, 레이저광의 부 (副) 상대 주사 방향인 y 방향 (기판 평면을 xy 평면으로 하고, 레이저광의 주 (主) 상대 주사 방향을 x 방향, 부상대 주사 방향을 y 방향으로 한다) 의 제한된 영역 내에 표시 장치용 패널을 배치하는 것 (요컨대, 상기 중첩된 레이저광에 의해 조사된 결정 영역을 피한다) 등을 들 수 있는데, 이것으로는 표시 장치의 사이즈에도 제한이 형성되어, 20 인치 이상 등의 대형 표시 장치를 제조할 수 없게 된다.
또한, 상기와 같은 경우에는 유기 EL 등의 표시 장치를 제품화할 때, 전기적 특성의 표준 편차가 작아지도록 표준 편차를 보정하는 회로를 개개로 형성해야 한다. 그러나, 보정 회로를 형성하는 것은 화소 소형화의 저해, 휘도의 저하 및 생산 비용의 증가를 초래하기 때문에, 예를 들어 TFT 라면 실용적으로는 임계값의 표준 편차를 0.1V 정도 이하로 억제하여 보정 회로를 장착하지 않게 할 필요가 있다.
이 문제를 해결하는 시도로서, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 등에 나타나 있는 바와 같은 제안이 이루어지고 있다. 특허 문헌 1 에서는, 복수의 반도체 레이저 소자를 이용하여 레이저광의 시공간적인 강도의 요동을 5％ 이내로 억제하고 또한 빔을 중첩하지 않음으로써, 결정 입경의 표준 편차 및 표면 평탄성을 개선하고 있고, 또한 특허 문헌 2 에서는, 더욱 늘인, 길이가 긴 형상의 레이저광을 2 행에 걸쳐 나열함으로써, 조사 영역의 y 방향의 이음매 부분에 있어서의 결정성의 불균일성을 저감시키고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 제3347072호 명세서
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2005-243747호
그러나, 특허 문헌 1 에서는 1 회의 주사에 의한 레이저광의 조사를 전제로 하고 있기 때문에, 반도체막의 크기에 맞추어 그때마다 반도체 레이저 소자를 증감시키고, 또한 조사 위치를 엄밀하게 제어하여 어닐할 필요가 있다. 또한, 디바이스의 설계 자유도가 낮아지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 이를 실현하는 데에는 조사 기구가 복잡하여 설비 비용이 든다는 문제가 있다.
한편, 특허 문헌 2 에서는, 빔 프로파일단의 슬로프 영역에 있어서 비교적 결정성이 나쁜 다결정 영역이 형성되어 버린다. 또한, 비결정 영역과 다결정 영역에서는 반도체막의 광 에너지 흡수율이 상이하기 때문에, 동일 출력에서는 동일한 온도 분포가 되지 않아 균일한 결정화가 불가능하다. 또한, 특허 문헌 1 과 같이, 이를 실현하는 데에는 조사 기구가 복잡하여 설비 비용이 든다는 문제가 있다.
이와 같이, 상기와 같은 반도체 소자에 있어서의 전기적 특성의 표준 편차를 감소시키고, 또한 종래의 레이저 어닐 장치를 사용하여 염가로 다결정 반도체막을 제조하는 방법이 갈망되고 있다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 2 도 이상 레이저광이 조사된 영역도 균일하게 결정화시켜, 통상적인 레이저 어닐 장치를 사용하여도 염가로 다결정 실리콘막의 제조를 가능하게 하는 레이저 어닐 방법의 제공을 목적으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는, 조사하는 레이저광의 조사 조건과 형성되는 결정 입경 사이즈의 관계에 주목하여, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명에 의한 레이저 어닐 방법은, 기판 상에 형성된 실리콘막 중의 비결정 영역에 있어서의 어느 일 영역을, 실리콘막 상방으로부터 레이저광을 조사함으로써 순간적으로 다결정화하고,
그 후, 레이저광의 조사 영역을 적어도 일부 비결정 영역을 포함하는 위치로 비켜 놓고, 동일하게 레이저광을 조사함으로써 비결정 영역을 순간적으로 다결정화시키는 공정을 1 회 이상 실시하는 레이저 어닐 방법에 있어서,
실리콘막 중의 비결정 영역의 도달 온도가, 비결정 실리콘이 고상 (固相) 성장을 시작하는 1250℃ 부터, 다결정 실리콘의 융점인 1450℃ 까지의 온도 범위에 포함되고,
비결정 영역에 있어서의 단위 면적당의 광 에너지 흡수량 EA 와, 입자상 결정 영역에 있어서의 단위 면적당의 광 에너지 흡수량 EP 의 관계가, 하기 식 (1) 을 만족하는 조사 조건으로 레이저광을 조사함으로써,
비결정 영역이 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정으로 구성되는 입자상 결정 영역으로 상변화되고, 또한 이미 형성되어 있는 입자상 결정 영역이 상변화되지 않도록 레이저 어닐을 실시하는 것을 특징으로 하는 것이다.
0.85 ≤ EP/EA ≤ 0.90···(1)
또한, 본 발명에 있어서 「레이저 어닐」이란, 레이저광이 직접 조사되는 영 역의 어닐과, 레이저광은 직접 조사되지 않지만 열이 전도되어 결정 상태가 변화하는 영역의 어닐을 의미하는 것으로 한다.
또한, 「실리콘막」이란 실리콘을 주성분으로 하는 막이다. 본 발명에 있어서 「주성분」은 함유량 50 질량％ 이상의 성분으로 정의한다. TFT 용의 실리콘막에서는 실리콘 함유량 90 질량％ 이상이 바람직하다.
또한, 실리콘막에 대해, 레이저광을 부분적으로 조사하면서 이 레이저광을 상대 주사시키는 것이 바람직하고, 레이저광으로서 연속 발진 레이저광을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 레이저광으로서 반도체 레이저광을 이용하는 것이 바람직하고, 레이저광의 파장이 400 ∼ 420㎚ 인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 레이저 어닐 방법은, 레이저광의 조사가, 실리콘막 중의 비결정 영역이 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정으로 구성되는 입자상 결정 영역으로 상변화되고, 또한 이미 형성되어 있는 입자상 결정 영역이 상변화되지 않는 조사 조건으로 실시된다. 이 때문에, 전자의 조사 조건에 의해 실리콘막 상에 형성될 수 있는 반도체 소자에 비해 결정 입경이 작아지기 때문에, 반도체 소자에 있어서의 전기적 특성의 표준 편차를 증가시키는 요인이 되는 결정립계의 불균일이 해소된다. 또한, 후자의 조사 조건에 의해 레이저광이 중첩되어 조사되어도, 한 번 형성된 입자상 결정이 다시 상변화하지 않기 때문에, 레이저광의 상대 주사 영역의 이음매에 있어서도 균일한 결정 입경을 갖는 다결정화를 실시할 수 있 다. 이들 효과에 의해, 반도체 소자에 있어서의 전기적 특성의 표준 편차를 감소시킬 수 있게 되고, 보정 회로를 장착할 필요가 없어져, 저비용이고 또한 고품위의 표시 장치를 제조할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 있어서의 최선의 실시형태에 대해 도면을 이용하여 설명하는데, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명에 있어서, 반도체 소자에 있어서의 전기적 특성의 표준 편차를 감소시키기 위해, 실리콘막 중에 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정을 형성하는 것으로 규정한 이유를 이하에 나타낸다.
본 발명자는, 주사 조사 가능한 반도체 레이저를 이용하여, 파장이 400㎚ ∼ 420㎚ 인 레이저광에 있어서의 시공간적인 강도 분포를 2％ 이내로 억제하고, 그 레이저광 강도 및 주사 속도를 바꾸어 어닐을 실시하고, 실리콘의 결정 입경 사이즈를 바꾸어 반도체 소자로서 TFT 를 제조하고, 그 임계값 (Vth) 의 표준 편차를 검토한 결과, Vth 의 표준 편차와 결정 입경 사이즈 사이에 도 1 과 같은 관계가 있는 것을 발견하였다.
이 도면으로부터, TFT 에 있어서의 Vth 의 표준 편차를 0.1V 정도 이하로 하기 위해서는, 결정 입경 사이즈를 0.2um 이하로 억제하면 되는 것을 알 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이 실리콘막 상에 형성될 수 있는 반도체 소자에 비해 결정 입경이 작아지므로, 전기적 특성의 표준 편차를 증가시키는 요인이 되는 결정립계의 불균일이 해소되기 때문이다.
한편, 하한의 0.05um 는, 유기 EL 등의 표시 장치를 구동시키는 데에 최저한 필요한 전기적 특성을 갖는 TFT 를 고려한 경우의 결정 입경 사이즈이다.
또한 도 1 은, 동일한 결정 입경 사이즈로 비교한 경우에, 상기 TFT 에 있어서의 Vth 의 표준 편차가, 엑시머 레이저를 이용하는 종래의 ELA (Exicimer Laser Annealing) 법에 의해 제조된 TFT 에 있어서의 Vth 의 표준 편차보다 작은 것을 나타내고 있다. 상세한 것에 대해서는 후술하는데, 이는 레이저광의 상대 주사 영역의 이음매 부분에 있어서의 결정의 균일성 차이에서 기인되는 것이다.
따라서, 상기 Vth 의 표준 편차와 결정 입경 사이즈의 관계를 고려하여, 본 실시형태에 의한 레이저 어닐 방법은,
기판 상에 형성된 실리콘막 중의 비결정 영역에 있어서의 어느 일 영역을, 이 실리콘막 상방으로부터 레이저광을 조사함으로써 순간적으로 다결정화하고,
그 후, 레이저광의 조사 영역을 적어도 일부 비결정 영역을 포함하는 위치로 비켜 놓고, 동일하게 레이저광을 조사함으로써 비결정 영역을 순간적으로 다결정화시키는 공정을 1 회 이상 실시하는 레이저 어닐 방법에 있어서,
파장이 400 ∼ 420㎚ 인 레이저광을 이용하여, 실리콘막 중의 비결정 영역의 도달 온도가, 비결정 실리콘이 고상 성장을 시작하는 1250℃ 부터, 다결정 실리콘의 융점인 1450℃ 까지의 온도 범위에 포함되는 조사 조건으로 레이저광을 조사함으로써,
비결정 영역이 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정으로 구성되는 입자상 결정 영역으로 상변화되고, 또한 이미 형성되어 있는 입자상 결정 영역이 상변 화되지 않도록 레이저 어닐을 실시하는 것을 특징으로 하는 것이다.
기판은, 실리콘 기판 및 금속 기판이나, 석영 기판, 바륨붕규산 유리, 알루미노붕규산 유리 등의 유리로 이루어지는 기판이나, 스테인리스 기판 등에 표면에 절연막을 형성하여 유리 동등 이상의 단열성을 얻은 것, 및 본 발명에 있어서의 열처리에 견딜 수 있는 내열성을 갖고, 또한 유리 동등 이상의 단열성을 갖는 플라스틱 기판 등을 이용할 수 있다.
레이저광은, 파장이 400 ∼ 420㎚ 대 (이 수치 한정의 이유는 후술한다) 인 것으로서, GaN 계 반도체 레이저 등에 의해 얻어지는 반도체 레이저광을 이용하는 것이 바람직하다.
실리콘막 중의 비결정 영역의 도달 온도 범위를 상기와 같이 1250℃ 부터 1450℃ 까지로 규정한 이유는, 이 온도 범위이면 입자상 결정 (다결정) 부분을 상변화시키지 않고 비결정 영역만을 상변화시킬 수 있게 되기 때문이다. 이는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 비결정 실리콘이 1250℃ 라는 비교적 낮은 온도로부터 고상 성장에 의해 상변화를 시작하기 때문이다.
또한, 도달 온도는, 실리콘막에 입사되는 광량 (이 광량은, 레이저 헤드로부터의 출사 광량으로부터, 레이저 어닐 장치에 장착된 각종 광학계를 투과하는 동안에 발생하는 광량 손실 및 막 표면에 있어서의 프레넬 반사에 의한 광량 손실을 차감하여 구해진다) 및 실리콘막의 광 에너지 흡수율로부터 이론적으로 구해진다.
레이저광의 도달 온도를 원하는 온도로 하는 데에 필요한 조사 에너지는 하기 식 (2) 로 개념적으로 나타낸다. 또한, 각 에너지는 시간 변화 및 온도 변 화하기 때문에 단순하게는 표기할 수 없으나, 여기서는 개념적으로 나타내고 있다. 식 중, 융해 에너지는 융점에서 필요한 에너지이다.
(조사 에너지) = (융해 에너지) ＋ (원하는 온도로 상승시키기 위해 필요한 에너지) ＋ (방열 에너지)···(2)
단, 비결정 실리콘의 도달 온도가 1250℃ 부터 1450℃ 까지의 온도 범위에 있었다고 해도, 실리콘막 중에 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정을 형성하기 위해서는 레이저광의 조사 조건을 적절히 선택해야 한다. 그 개요를 이하에 나타낸다.
결정 입경 사이즈 L 은, 결정 성장 속도를 S, 다결정 실리콘의 융점 1400℃ 부터 결정 성장이 멈추는 온도 1000℃ 정도로 냉각될 때까지의 시간을 t 로 하면, L ∝ S * t 의 상관이 있는 것으로 생각한다. 그래서, 추가로 시간 t 는 레이저광의 주사 속도와의 사이에 상관이 있는 것으로 가정하여, 그 진위를 열 시뮬레이션 해석을 이용하여 확인하였다. 그 결과, 실리콘막 중의 비결정 영역의 도달 온도가 1450℃ 가 되는 조사 파워를 부여하여 어닐을 실시한 경우, 도 3 과 같은 관계가 있는 것을 알 수 있었다. 요컨대, 이는 레이저광의 주사 속도에 따라 결정 입경 사이즈를 제어할 수 있는 것을 시사하고 있다.
그래서, 이 결과를 이용하여 레이저광의 주사 속도에 의해 냉각 시간을 제어하고, 결정 입경 사이즈를 실제로 제어할 수 있는지 검토를 실시한 결과, 도 4 와 같은 결과를 얻었다. 이로부터, 비결정 실리콘의 도달 온도가 1250℃ 가 되는 조사 파워를 부여하여 어닐을 실시하는 경우, 실리콘막 중에 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정을 형성하기 위한 최적의 주사 속도는 대략 0.2 ∼ 6.0m/s 가 된다. 한편, 비결정 실리콘의 도달 온도가 1450℃ 가 되는 조사 파워를 부여하여 어닐을 실시하는 경우에는, 대략 6.0 ∼ 10.0m/s 가 된다. 이는, 종래의 레이저 어닐 장치에 있어서의 현실적인 주사 속도가 0.1 ∼ 10.0m/s 인 것을 고려하고 있다. 또한, 레이저 강도는 상기 조건을 만족하도록 적절히 선택할 수 있다.
또한, EA 및 EP 가 만족해야 하는 관계식을, 상기 식 (1) 로 규정한 이유를 이하에 나타낸다.
종래, 비결정 실리콘 (a-Si) 과 다결정 실리콘 (poly-Si) 은, 레이저광의 파장에 대한 광 에너지 흡수 특성이 상이한 것은 알려져 있었다. 그러나, 본 발명자는, 다결정 실리콘 중에서도 입자상 결정 실리콘 (입자상 poly-Si) 과 래터럴 결정 실리콘 (래터럴 poly-Si) 에 대해, 레이저광의 파장에 대한 광 에너지 흡수 특성이 상이한 것을 알아내었다. 그리고, 이들 흡수 특성에 주목하여 상세하게 검토함으로써, 지금까지 래터럴 결정 실리콘에 의해 구성되는 다결정 실리콘의 균일성을 향상시키는 방법을 제공해 왔다 (일본 특허출원 2006-269029, 일본 특허출원 2006-269030, 일본 특허출원 2006-269031 등). 본 발명에 있어서는, 입자상 결정 실리콘에 의해 구성되는 다결정 실리콘의 균일성을 향상시키기 위해, 이들 지견을 응용할 수 있다.
이하, 본 발명자가 실시한 평가에 대해 설명한다.
GaN 계 반도체 레이저 (발진 파장 405㎚) 를 이용하여, 비결정 실리콘막에 대해 가늘고 긴 직사각형상의 레이저광을 상대 주사하면서 연속 조사하여, 레이저 어닐을 실시하였다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 기판 평면을 xy 평면으로 하고, 레이저광의 주상대 주사 방향을 x 방향, 부상대 주사 방향을 y 방향으로 한다. 어느 y 위치에서 레이저광 (L) 의 x 방향 상대 주사를 1 회 실시하면, 레이저광 (L) 의 주상대 주사 방향 x 로 연장되는 가로 방향 성장의 래터럴 결정 실리콘이 생성되고, 래터럴 결정 실리콘의 생성 영역의 외측에 결정 입경이 작은 입자상 결정 실리콘이 생성된다. 이 1 회만의 레이저광 (L) 의 상대 주사 후에는, 띠 형상으로 연장되는 래터럴 결정 실리콘의 영역을 사이에 두고 양측에 입자상 결정 실리콘이 생성된다.
그리고, 이들 래터럴 결정 실리콘, 입자상 결정 실리콘 및 비결정 실리콘에 대해 각각 측정광의 파장을 바꾸어, 엘립소미터로 복소 굴절률 n ＋ ik (k 는 소쇠 계수이고, ik 는 허수부를 나타낸다) 를 측정하였다. 이 결과 얻어진 각 결정 상태에 있어서의 파장과 굴절률 n 의 관계를 도 6 에 나타낸다. 또한, 하기 식 (3) 에 기초하여 각 결정 상태에 있어서의 파장과 흡수 계수 α 의 관계를 구하고, 그 결과를 도 7 에 나타낸다. 어느 결정 상태에 있어서도, 400㎚ 부근에서 흡수 계수가 크게 저하되는 경향이 있는 것이 분명해졌다.
흡수 계수 α = k/4πλ···(3)
(식 중, k 는 소쇠 계수, λ 는 파장이다)
다음으로, 래터럴 결정 실리콘, 입자상 결정 실리콘 및 비결정 실리콘에 대해 각각 각 파장에 있어서의 실리콘막의 흡수율을 구하였다.
레이저 헤드로부터의 출사 에너지는, 레이저 어닐 장치에 장착된 각종 광학계를 투과하는 동안에 발생하는 손실 및 막 표면에서의 프레넬 반사에 의한 손실에 의해 감쇠하여, 막에 흡수된다. 막에 흡수되는 광 에너지는 하기 식 (4) 로 나타낸다.
(막에 흡수되는 광 에너지) = (막에 조사되는 광 에너지) × (표면 반사하지 않고 막에 입사되는 광량의 비율) × (막에 흡수되는 광량의 비율)···(4)
상기 식 (4) 중의 (표면 반사하지 않고 막에 입사되는 광량의 비율) × (막에 흡수되는 광량의 비율) 이 흡수율이다. 흡수율은, 막에 조사된 레이저광의 광량에 대해 막에 흡수되는 광량의 비율로서, 하기 식 (5) 로 나타낸다.
흡수율 = a × b···(5)
상기 식 (5) 중, a 는 막에 흡수되는 광량의 비율로서, 하기 식 (6) 으로부터 구해진다. 막두께 t 는, 레이저 어닐에 의해 결정화를 실시하여 다결정 실리콘 TFT 를 형성하는 경우에 일반적인 50㎚ 로 하였다.
a = exp(-αt)···(6)
(식 중, α 는 흡수 계수, t 는 막두께)
또한 상기 식 (5) 중, b 는 표면 반사하지 않고 막에 입사되는 광량의 비율로서, 하기 식 (7) 로부터 구해진다. b 는 레이저 헤드로부터 출사된 레이저광의 광량으로부터 프레넬 반사에 의한 막 표면에서의 손실분을 차감하여 구해지는 양이다.
b = 1 - ((1 - n)/(1 ＋ n))2···(7)
(식 중, n 은 굴절률이다)
또한, 각 파장에 있어서, 비결정 실리콘의 흡수율에 대한 입자상 결정 실리콘의 흡수율비 (= 입자상 결정 실리콘의 흡수율/비결정 실리콘의 흡수율) 및 비결정 실리콘의 흡수율에 대한 래터럴 결정 실리콘의 흡수율비 (= 래터럴 결정 실리콘의 흡수율/비결정 실리콘의 흡수율) 를 구하였다. 이들 흡수율비는, 비결정 실리콘의 흡수율을 1 로 하였을 때의, 입자상 결정 실리콘의 상대 흡수율 및 래터럴 결정 실리콘의 상대 흡수율이다. 결과를 도 8 에 나타낸다.
입자상 결정 실리콘과 래터럴 결정 실리콘은 모두 다결정 실리콘인데, 도 8 에는 레이저광의 파장에 대한 이들 레이저광의 흡수 특성이 크게 상이한 것이 나타나 있다.
즉, 350㎚ 미만의 파장역에서는, 입자상 결정 실리콘과 래터럴 결정 실리콘의 흡수 특성에 큰 차이는 없고, 모두 비결정 실리콘의 흡수율의 0.7 ∼ 0.9 배 정도의 높은 흡수율을 나타내는 것이 분명해졌다. 이에 대해, 350㎚ 이상의 파장역에서는, 입자상 결정 실리콘과 래터럴 결정 실리콘은 모두 장파장이 됨에 따라 비결정 실리콘에 대한 흡수율비가 저하되는 경향이 있는데, 래터럴 결정 실리콘 쪽이, 비결정 실리콘에 대한 흡수율비의 저하의 레벨이 보다 크고, 나아가 그 저하가 보다 단파장측에서 일어나는 것이 분명해졌다. 350 ∼ 650㎚ 의 파장역에서는, 비결정 실리콘에 대한 입자상 결정 실리콘의 흡수율비와, 비결정 실리콘에 대한 래터럴 결정 실리콘의 흡수율비의 차이가 커져 있다.
또한, 도 8 은 비결정 실리콘의 흡수율을 기준으로 한 상대적인 흡수율비를 나타내는 것인데, 도 7 에 나타내는 바와 같이 절대적인 흡수율의 값으로 보면, 500㎚ 이상의 파장역에 있어서는 래터럴 결정 실리콘, 입자상 결정 실리콘 및 비결정 실리콘의 모든 흡수율이 현저하게 작아진다.
이상과 같이, 도 6 ∼ 도 8 로부터 결정 입경이 작은 입자상 결정 실리콘은, 비결정 실리콘과 래터럴 결정 실리콘의 중간적인 특성을 나타내는 것이 분명해졌다. 이와 같이, 래터럴 결정 실리콘과 입자상 결정 실리콘을 나누어 흡수 특성을 평가한 예는 과거에는 발견되지 않았다.
한편, 레이저광의 흡수율은 실리콘막의 막두께 t 에 의해 변화한다. 레이저 어닐에 의해 결정화를 실시하여 다결정 실리콘 TFT 를 형성하는 경우, t ＞ 120㎚ 에서는 TFT 의 소자 형성이 어려워짐과 함께 리크 전류도 많아지고, t ＜ 40㎚ 에서는 활성층의 막두께가 지나치게 얇아져 소자의 신뢰성이 저하된다. 따라서, TFT 용에서는 40㎚ ≤ t ≤ 120㎚ 가 바람직하다. 그리고, 레이저 어닐에 의해 결정화를 실시하여 다결정 실리콘 TFT 를 형성하는 경우에는, 비결정 실리콘막의 막두께 t 는 50㎚ 정도가 가장 일반적이다.
본 발명자는, 상기 각 결정 상태에 있어서의 광 에너지의 흡수율차를 근거로 하여, 입자상 결정 실리콘과 비결정 실리콘 사이에는 균일한 입자상 결정화가 가능한 최적의 흡수율차가 있는 것으로 생각하였다. 그래서, 비결정 실리콘막의 막두께와 레이저광의 파장을 바꾸어, 원하는 입자상 결정으로 이루어지는 균일한 다결정이 형성 가능한지의 여부를 검토한 결과, 표 1 에 나타내는 바와 같은 결과를 얻었다.
Figure 112008075266110-pat00001
이 결과, 일반적인 막두께인 50㎚ 에 있어서, 원하는 입자상 결정으로 이루어지는 균일한 다결정을 형성할 수 있었던 것은, 405㎚ 대의 레이저광을 이용한 경우뿐임을 알 수 있다.
이는 이하와 같이 설명된다.
엑시머 레이저와 같은 파장 308㎚ 대의 초단파장광에서는, 다결정 실리콘과 비결정 실리콘이 거의 동등한 광 에너지 흡수율을 갖기 때문에, 레이저빔의 프로파일을 아무리 제어하여도 조사되어 있는 영역에서 조사되어 있지 않은 영역으로 열이 확산된다. 이로써, 조사 영역의 단부는 원활하게 온도 저하되고, 다시 조사되는 다결정부는 재융해되고, 그 단부는 다결정립을 종결정으로 하여 가로 성장되어 결정 입경 사이즈에 차이가 발생하게 된다.
한편, 파장 532㎚ 대의 그린 레이저에서는, 다결정 실리콘과 비결정 실리콘에서 광 에너지 흡수율이 지나치게 상이하기 때문에, 다시 조사되는 다결정 영역은 충분히 가열되는 경우가 없다. 이로써, 인접하는 비결정 영역과 그 이외의 비결정 영역에서는 방열성이 상이하기 때문에, 균일한 온도 분포가 되지 않아 입경 사이즈에 차이가 발생하게 된다.
즉, 원하는 0.05 ∼ 0.2um 정도의 입자상 결정으로 이루어지는 균일한 다결정을 얻기 위해서는, 다결정 영역과 비결정 영역 사이에, 동등하지도 않고 또한 크게 상이하지도 않은 적당한 광 에너지 흡수율차가 되는 파장으로 조사할 필요가 있음을 시사하고 있다. 그리고, 반도체막이 실리콘막인 본 발명의 경우에는, 도 8 로부터 그 적당한 흡수율차는 10 ∼ 15％ 정도 (즉, 0.85 ≤ EP/EA ≤ 0.90) 이고, 그 광 에너지 흡수율차와 대응하는 파장이 전술한 400 ∼ 420㎚ 대의 파장역임을 알 수 있다.
이상에 의해 상기 식 (1) 이 도출되게 된다.
이들 조건을 고려하여, 구체적인 레이저광의 조사 조건은 레이저광의 파장을 405㎚ 대로 하고, 예를 들어 주사 속도가 0.1m/s 라면 광 에너지 밀도를 1.0mW/um2 로 하거나, 또한 주사 속도가 10m/s 라면 광 에너지 밀도를 6.7mW/um2 로 함으로써 적절히 선택할 수 있다.
이하, 본 실시형태에 있어서의 작용을 설명한다.
본 실시형태에 있어서 도 8 과 표 1 로부터, 반도체막이 실리콘막인 경우에는 광 에너지 흡수율차가 10 ∼ 15％ 정도가 되는, 즉 상기 식 (1) 을 만족하는 파장 400 ∼ 420㎚ 의 레이저광을 이용하여 어닐하면 되는 것을 알 수 있었다. 이 때의 모습을 도 9 에 나타낸다.
도 9 는 레이저광 강도 분포가 균일한 레이저광을 조사한 경우에, 광 에너지 흡수율의 차이로부터 최종적으로 적당한 온도 분포가 발생하는 것을 나타내고 있다.
영역 A (즉, 실리콘막 중의 비결정 영역) 에서는, 레이저광의 조사에 의해 비결정 영역이 0.05 ∼ 0.2um 정도인 입자상 결정립으로 이루어지는 입자상 결정 영역으로 상변화한다. 한편, 영역 P (즉, 이미 형성된 실리콘막 중의 입자상 결정 영역) 에서는, 도달 온도가 비결정 실리콘이 고상 성장을 시작하는 1250℃ 부터 다결정 실리콘의 융점인 1450℃ 까지의 온도 범위인 것에 추가하여, 광 에너지 흡수율이 영역 A 보다 작기 때문에, 상변화하는 데에 필요한 에너지를 흡수할 수 없다. 그 결과, 레이저 조사 영역의 중첩 정도에 의하지 않고, 결정 상태는 그대로가 된다.
이상에 의해, 실리콘 결정화막을 제조하는 레이저 어닐 방법에 있어서, 0.05 ∼ 0.2um 정도의 입자상 결정으로 이루어지는 다결정의 균일성 향상을 가능하게 한다. 이로써, 이 다결정 상에 형성된 반도체 소자에 있어서의 전기적 특성의 표준 편차를 감소시킬 수 있게 되고, 보정 회로를 장착할 필요가 없어져, 저비용 또한 고품위의 표시 장치를 제조할 수 있게 된다.
실시예
유리 상에 200㎚ 의 산화규소, 50㎚ 의 비결정 실리콘을 플라즈마 CVD 법으로 성막한다. 그리고, 비결정 실리콘막에 탈수소화 처리 (약 500℃ 약 10 분) 를 실시한다. 이 기판은 기판 반송 스테이지 상에 위치 조정되어 고정된다. 이 기판 반송 스테이지는 스테이지 제어 구동계에 의해 가동되게 되어 있고, 이로써, 조사된 레이저광이 비결정 실리콘막 상을 주사할 수 있게 되어 있다.
또한, 광역 반도체 레이저로부터 방출된 선상의 레이저광은, 콜리메이트 렌즈, 프리즘 호모게나이저 콜리메이트 렌즈 동적 편향 소자, 집광 렌즈, 동적 편향 소자를 통함으로써, 스테이지 제어 구동에 의한 주사 방향과는 직교 방향으로 주사할 수도 있게 되어 있다. 이로써, 조사된 레이저광이, 유리 기판 상에 성막된 비결정 실리콘막 상을 전체면 스캔할 수 있도록 되어 있다. 또한, 광역 반도체 레이저는 LD 구동 전원에 의해 구동되고 있다.
레이저광 파장 405㎚, 주사 속도 0.1m/s, 광 에너지 밀도 1mW/um2 의 조사 조건으로, 비결정 실리콘에 대해 본 발명에 의한 레이저 어닐 방법을 실시하였다. 이 때 얻어진 다결정 실리콘막의 단면 사진을 도 10 에 나타낸다. 이로부터, 본 발명에 의한 레이저 어닐 방법에 의해 종래의 ELA 법보다 균일성이 높은 다결정막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 1 은 TFT 에 있어서의 Vth 의 표준 편차와 결정 입경 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도 2 는 레이저광의 표면 도달 온도가 2200℃ 가 되는 흡수 광 에너지에 대한 에너지비와, 레이저광의 표면 도달 온도와, 생성되는 결정 상태의 관계를 나타내는 도면.
도 3 은 실리콘막의 1400℃ 에서 1000℃ 로의 냉각 시간과, 레이저광 주사 속도의 관계를 나타내는 도면.
도 4 는 다결정 실리콘의 평균 입경과, 레이저광 주사 속도의 관계를 나타내는 도면.
도 5 는 어느 y 위치에서 레이저광의 x 방향 상대 주사를 1 회 실시하였을 때의 래터럴 결정 실리콘과 입자상 결정 실리콘의 생성 모습을 나타내는 사시도.
도 6 은 실리콘막의 래터럴 결정 부분과 입자상 결정 영역과 비결정 영역에 있어서의, 파장과 굴절률 n 의 관계를 나타내는 도면.
도 7 은 실리콘막의 래터럴 결정 부분과 입자상 결정 영역과 비결정 영역에 있어서의, 파장과 흡수 계수의 관계를 나타내는 도면.
도 8 은 레이저광의 파장과, 비결정 실리콘의 흡수율에 대한 입자상 결정 실리콘의 흡수율비 및 비결정 실리콘의 흡수율에 대한 래터럴 결정 실리콘의 흡수율비의 관계를 나타내는 도면.
도 9 는 입자상 결정 영역 및 비결정 영역에 대해, 동일 조사 조건으로 405 ㎚ 의 레이저광을 조사하였을 때의 흡수율 분포, 레이저광 조사 시간의 분포, 레이저광의 흡수 에너지의 분포 및 온도 분포의 이미지도.
도 10 은 본 발명에 의한 레이저 어닐 방법 및 종래의 ELA 법을 이용하여 형성된 다결정막의 단면도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 실리콘막
110 기판 스테이지 (상대 주사 수단)
120 레이저 헤드
L 레이저광

Claims (7)

  1. 기판 상에 형성된 실리콘막 중의 비결정 영역에 있어서의 어느 일 영역을, 그 실리콘막 상방으로부터 레이저광을 조사함으로써 순간적으로 다결정화하고,
    그 후, 상기 레이저광의 조사 영역을 적어도 일부 상기 비결정 영역을 포함하는 위치로 비켜 놓고, 동일하게 상기 레이저광을 조사함으로써 상기 비결정 영역을 순간적으로 다결정화시키는 공정을 1 회 이상 실시하는 레이저 어닐 방법으로서,
    상기 실리콘막 중의 상기 비결정 영역의 도달 온도가, 비결정 실리콘이 고상 성장을 시작하는 1250℃ 부터, 다결정 실리콘의 융점인 1450℃ 까지의 온도 범위에 포함되고,
    상기 비결정 영역에 있어서의 단위 면적당의 광 에너지 흡수량 EA 와, 입자상 결정 영역에 있어서의 단위 면적당의 광 에너지 흡수량 EP 의 관계가, 하기 식 (1) 을 만족하는 조사 조건으로 레이저광을 조사함으로써,
    상기 비결정 영역이 평균 입경 0.05 ∼ 0.2um 의 입자상 결정으로 구성되는 입자상 결정 영역으로 상변화되고, 또한 이미 형성되어 있는 상기 입자상 결정 영역이 상변화되지 않도록 레이저 어닐을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
    0.85 ≤ EP/EA ≤ 0.90···(1)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘막에 대해, 상기 레이저광을 부분적으로 조사하면서 그 레이저광을 상대 주사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저광으로서 연속 발진 레이저광을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저광으로서 연속 발진 레이저광을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저광으로서 반도체 레이저광을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저광으로서 반도체 레이저광을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광의 파장이 400 ∼ 420㎚ 인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
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