JP2000111950A - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents
多結晶シリコンの製造方法Info
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Abstract
のレーザアニールにおけるレーザビームのフルエンスマ
ージンを十分に大きくでき、高い電界移動度を達成でき
るとともに歩留まりを高くできる多結晶シリコンの製造
方法を提供することを課題とする。 【解決手段】液晶ディスプレイの画素スイッチに適用さ
れる薄膜トランジスタは、ガラス基板上に堆積されたア
モルファスシリコンをレーザアニールによって結晶化し
た多結晶シリコン層を有する。このレーザアニールにお
けるレーザビームの強度分布を示す特性線は、ガラス基
板の移動方向上流側にシフトした頂点を有している。ア
モルファスシリコンのレーザアニールにおいて、レーザ
ビームは、その強度が高い部分からアモルファスシリコ
ンに照射される。
Description
ィスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる薄膜
トランジスタの多結晶シリコンを製造する方法に関す
る。
縁ゲート型薄膜トランジスタを画素スイッチに適用した
液晶ディスプレイが量産されている。しかし、この種の
液晶ディスプレイでは、アモルファスシリコンの電界効
果移動度が1cm2 /Vs 以下であるため、高精彩画像
を高速出力することが難しかった。つまり、高精彩画像
を高速出力するためには、電界効果移動度を高くする必
要がある。
タに電界効果移動度の高い多結晶シリコンを用いた液晶
ディスプレイが実用化されつつある。この多結晶シリコ
ンは、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射し
て結晶化させるレーザアニールにより製造され、その電
界効果移動度は、実験段階で100cm2 /Vs 〜20
0cm2 /Vs 程度を示すことがわかっている。このよ
うに、電界効果移動度の高い多結晶シリコンを薄膜トラ
ンジスタに用いた液晶ディスプレイでは、高精彩画像を
高速出力することができる。
度は、多結晶シリコンの粒径が大きくなるにつれて高く
なることが知られている。また、この多結晶シリコンの
粒径は、レーザアニールによって照射されるレーザビー
ムのエネルギー密度(フルエンス)に依存することが知
られている。つまり、レーザビームのフルエンスを高く
することによって多結晶シリコンの粒径を大きくでき、
電界効果移動度を高くすることができる。
多結晶シリコンの粒径が微結晶粒となり、所望する電界
効果移動度を得られなくなってしまう。このため、レー
ザビームのフルエンスは、所望の電界効果移動度を達成
できる範囲に調整されている。つまり、レーザビームの
フルエンスは、高精彩画像を高速出力するのに必要とさ
れる最小限の電界効果移動度を得ることができるフルエ
ンスF1 から、多結晶シリコンの粒径が微結晶粒になる
直前のフルエンスF2 までの範囲内で調整される。
は、上記F1 からF2 までの間のフルエンスマージンは
非常に狭く、レーザの発振強度が僅かに変動しただけで
フルエンスマージンを外れてしまい、所望する粒径、即
ち所望する電界効果移動度を得ることが難しかった。こ
のため、上述したような高性能多結晶シリコンを製造す
るにあたり、製品の歩留まりが悪く、製造コストが増大
する問題となっていた。
で、その目的は、非晶質シリコンを結晶化するためのレ
ーザアニールにおけるレーザビームのフルエンスマージ
ンを十分に大きくでき、高い電界効果移動度を達成でき
るとともに歩留まりを高くできる多結晶シリコンの製造
方法を提供することにある。
を達成するため、非晶質シリコンに照射されるレーザビ
ームのスキャン方向に沿ったビームプロファイルと上記
フルエンスマージンとの相関関係を調べたところ、以下
のようなビームプロファイルを有するレーザビームを用
いた場合にフルエンスマージンを十分に大きくできるこ
とがわかった。
多結晶シリコンの製造方法は、基板上に非単結晶シリコ
ンを堆積する工程と、第1の方向に沿った幅を有し、第
2の方向に沿った長さを有するレーザビームを、上記非
単結晶シリコンに対して上記第1の方向に相対的に走査
して照射し結晶化させる工程と、を有し、上記レーザビ
ームは、上記第1の方向に沿った上記レーザビームの強
度分布を示す特性線が、最高の強度を示す1つの頂点を
含む凸状の曲線を形成し、上記頂点のレーザ強度を1m
と規格化したときに上記曲線の曲率半径が0.2μm以
上、4μm以下であることを特徴とする。
晶シリコンの製造方法によると、上記レーザビームの幅
方向の強度分布を示す特性線上の頂点の位置は、中央よ
り一端側にずれていることを特徴とする。
晶シリコンの製造方法によると、上記レーザビームの幅
方向の強度分布を示す特性線上の頂点の位置は、中央よ
り上記基板が移動される第1の方向に沿った上流側にず
れていることを特徴とする。
結晶シリコンの製造方法によると、上記非単結晶シリコ
ン表面の上記レーザビームが照射された領域に関し、上
記第2の方向に沿って隣接した他の領域に上記レーザビ
ームを照射する工程をさらに有し、この工程において
も、上記基板を上記第1の方向に沿って一定速度で移動
させることを特徴とする。
明の実施の形態について詳細に説明する。図1には、こ
の発明の多結晶シリコンの製造方法に関し、レーザアニ
ール工程においてアモルファスシリコンに照射されるレ
ーザビームのスキャン方向(図中矢印a方向)に沿った
ビームプロファイル(強度分布)を模式的に示してあ
る。このビームプロファイルについては、後で詳細に説
明する。
ス基板1の表面上にSiNxとSiOxからなるアンダーコート
層がプラズマCVD法によって形成され、その上に膜厚
50nmのアモルファスシリコン層がプラズマCVD法
によって形成され、このガラス基板1が矢印a方向に一
定速度で移動される。そして、図1に示すビームプロフ
ァイルを有するXeClエキシマレーザがアモルファスシリ
コン層上に300Hzのパルス幅で照射され、レーザア
ニールによってアモルファスシリコン層が結晶化されて
多結晶シリコン層が形成される。
ザビームは、そのスキャン方向と直交する方向(紙面方
向)に延びた細長い線状のビームスポットを形成する。
このスポットの形状は、例えば、紙面方向に沿った長さ
が200mm、スキャン方向aに沿った幅が400μm
の長方形に形成される。そして、この線状のスポットが
スキャン方向、すなわち幅方向に95%オーバーラップ
するようにガラス基板1の移動速度が6mm/secに
設定される。
晶シリコン層を製造したところ、レーザビームのエネル
ギー密度に関するフルエンスを320mJ/cm2 から
380mJ/cm2 の間に設定したときに所望の結晶粒
径を得ることができた。すなわち、従来技術と比較し
て、レーザビームのフルエンスマージンを格段に広くと
ることができた。
ームのビームプロファイルについて説明する。図1のビ
ームプロファイルを示す特性線は、アモルファスシリコ
ンに照射されるレーザビームのスキャン方向(矢印a方
向)、すなわち幅方向に沿った強度分布をプロットした
曲線を形成している。このような特性線の形状は、アモ
ルファスシリコン層にレーザを1本づつ照射して顕微鏡
で観察することにより把握でき、或いは、CCDビーム
プロファイラを使用して把握できる。また、このような
強度分布特性を有するレーザビームは、図示しないビー
ムホモジナイザや他の光学レンズの配置位置を調整する
ことにより得ることができる。
近い台形状に形成され、ここでは、台形の上底にあたる
部分をプラトー領域と称し、台形の斜辺にあたる部分を
スティープス領域と称する。
強度を示す1つの頂点を有する凸形状に湾曲されてお
り、その曲率が、頂点のレーザ強度を1mに規格化した
際に0.2〜4μmの曲率半径に近似される程度の値に
設定されている。尚、本実施の形態では、頂点のレーザ
強度を1mに規格化したときの曲率半径が0.7μmと
なるビームプロファイルを有するレーザビームを用い
た。
示す特性線を凸形状に形成することにより、アモルファ
スシリコンに照射されるレーザビームのスポット幅方向
に沿ったレーザ強度に分布を持たせることができる。こ
れにより、矢印a方向に移動されるガラス基板1上のア
モルファスシリコンの液化過程において結晶核を温存で
き、その後の固化過程において幅方向に沿った固化速度
に時間差を持たせることができ、幅方向に沿った結晶の
成長を促進することができる。
μm以上、すなわち概ね直線状に設定すると、幅方向に
沿ったレーザ強度が略同じになり、アモルファスシリコ
ンの溶融化過程において結晶核の消滅の確立が高くな
り、その後の固化過程において同時固化が促進されてし
まう。
m以下に設定すると、シリコンの固化過程において隣接
した領域の固化時刻が重ならなくなり、隣接した領域間
での影響を受けることなく固化されるため、フルエンス
マージンが狭くなってしまう。
ラトー領域に0.2〜4μmの曲率を持たせたビームプ
ロファイルを有するレーザビームを用いることにより、
シリコンの結晶粒径をできるだけ大きくした上で、フル
エンスマージンを広く取ることに成功した。特に、本実
施の形態のように、曲率半径を0.7μmに設定するこ
とにより、フルエンスマージンを320mJ/cm2 〜
380mJ/cm2 に広くとることができた。
によると、上述したプラトー領域における頂点の位置
(図中tで示す位置)をプラトー領域の中央よりガラス
基板1の移動方向上流側にシフトさせる。つまり、レー
ザビームをスキャンする際に、レーザ強度の最も高い頂
点に相当するレーザ部分が始めのうちにシリコンに照射
され、この頂点部分を過ぎた強度の低いレーザ部分がそ
の後に照射されることになる。
ザビームは、300Hzのパルス幅で95%オーバーラ
ップしてスキャンされるため、シリコン上のある任意の
部分にはレーザビームが20回照射される。従って、本
実施の形態のようにレーザ強度の最も高い頂点をシフト
させると、20回目の照射がなされる領域が優先的に固
化されることになる。
不所望に高いエネルギーを有するレーザ発振が生じた場
合であっても、頂点を過ぎた後の比較的強度の低いレー
ザ部分の照射によってシリコンの微粒径化を防止でき、
フルエンスマージンを広くできる。
ームプロファイルに対する比較として、従来から正規分
布に近い強度分布を有するガウシアンビームが知られて
いるが、このガウシアンビームの幅方向に沿った特性線
は直角二等辺三角形に近く、長方形に近い台形状の本発
明の特性線とは本質的に異なるものである。例えば、正
規分布における標準偏差の2倍をビーム幅とみなして、
上述した実施の形態と同じ条件で曲率半径を算出する
と、約0.058μmとなり、本発明で規定している曲
率半径の範囲からは大きく外れている。
る多結晶シリコンを含む薄膜トランジスタ、およびこの
薄膜トランジスタを搭載した液晶ディスプレイの断面図
を示してある。
ラス基板1上にSiNxとSiOxからなるアンダーコート層2
がプラズマCVD法によって形成され、その上にアモル
ファスシリコン層が膜厚50nmでプラズマCVD法によ
って形成される。そして、アモルファスシリコン層を堆
積したガラス基板1が500℃の窒素雰囲気中で1時間
熱処理され、シリコン膜中の水素濃度が低下される。こ
の後、アモルファスシリコン層の膜厚を分光エリプソ法
によって測定したところ、実際の膜厚は50.5nmであ
った。
するレーザビームを用いて、アモルファスシリコン層が
レーザアニール処理される。このとき、ガラス基板1が
矢印a方向(図1参照)に沿って6mm/sで移動され、ア
モルファスシリコン層上でのフルエンスが350mJ/cm2
となる200mm×0.4mmの線状のレーザビームが30
0Hzで発振されて、95%オーバーラップするようにア
モルファスシリコン層に照射される。
域に隣接した他の領域がレーザアニール処理される。こ
のとき、ガラス基板1が再び上述した矢印a方向に移動
され、上述したビームプロファイルを有するレーザビー
ムが同じ方向から照射される。つまり、他の領域に対し
ても、レーザ強度の最も高い頂点部分側からレーザビー
ムがスキャンされる。以上のように、ガラス基板1上の
アモルファスシリコン層が結晶化されて多結晶シリコン
層3が製造される。
コン層3から周知のフォトリソグラフィー技術を用いて
薄膜トランジスタが製作され、この薄膜トランジスタを
用いたアクティブマトリクス液晶ディスプレイが製造さ
れる。ここでは、薄膜トランジスタおよび液晶ディスプ
レイの詳細な製造方法についての説明は省略するが、薄
膜トランジスタは、多結晶シリコン層3の他に、ゲート
酸化膜4、ゲート電極5、層間絶縁膜6、ソース/ドレ
イン電極7、画素電極8、および保護膜9を有し、さら
に、液晶11、対向電極12、および対向基板13を形
成して液晶ディスプレイが形成される。
キャン方向に沿った図1に示すようなビームプロファイ
ルを有するレーザビームを用いたレーザアニールにより
多結晶シリコンを製造するため、フルエンスマージンを
広くとることができ、電界効果移動度の高い多結晶シリ
コンを高い歩留まりで製造できる。これにより、優れた
特性を有する薄膜トランジスタを量産でき、品質の高い
液晶ディスプレイを製造できる。尚、この発明は、上述
した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の
範囲内で種々変形可能である。
シリコンの製造方法によると、非晶質シリコンを結晶化
するためのレーザアニールにおけるレーザビームのフル
エンスマージンを十分に大きくでき、高い電界効果移動
度を達成できるとともに歩留まりを高くできる。これに
より、多結晶シリコンを用いた高性能薄膜トランジスタ
の量産が可能になり、品質の高い液晶ディスプレイを製
造できる。
ンに照射されるレーザビームの基板の移動方向に沿った
強度分布を模式的に示す図。
レーザアニールによって製造される多結晶シリコン層を
含む薄膜トランジスタを、液晶ディスプレイに組入れた
状態を示す断面図。
Claims (4)
- 【請求項1】 基板上に非単結晶シリコンを堆積する工
程と、 第1の方向に沿った幅を有し、第2の方向に沿った長さ
を有するレーザビームを、上記非単結晶シリコンに対し
て上記第1の方向に相対的に走査して照射し結晶化させ
る工程と、を有し、 上記レーザビームは、上記第1の方向に沿った上記レー
ザビームの強度分布を示す特性線が、最高の強度を示す
1つの頂点を含む凸状の曲線を形成し、上記頂点のレー
ザ強度を1mと規格化したときに上記曲線の曲率半径が
0.2μm以上、4μm以下であることを特徴とする多
結晶シリコンの製造方法。 - 【請求項2】 上記レーザビームの幅方向の強度分布を
示す特性線上の頂点の位置は、中央より一端側にずれて
いることを特徴とする請求項1記載の多結晶シリコンの
製造方法。 - 【請求項3】 上記レーザビームの幅方向の強度分布を
示す特性線上の頂点の位置は、中央より上記基板が移動
される第1の方向に沿った上流側にずれていることを特
徴とする請求項1記載の多結晶シリコンの製造方法。 - 【請求項4】 上記非単結晶シリコン表面の上記レーザ
ビームが照射された領域に関し、上記第2の方向に沿っ
て隣接した他の領域に上記レーザビームを照射する工程
をさらに有し、 この工程においても、上記基板を上記第1の方向に沿っ
て一定速度で移動させることを特徴とする請求項1記載
の多結晶シリコンの製造方法。
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