JP2005197657A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶粒の成長方向に起因するＴＦＴ性能の不均一が招来されることを防止することができるｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴのｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法を提供する。
【解決手段】マスクパターンを利用したレーザービームの照射を通じてガラス基板上に蒸着された非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法において、前記非晶質シリコン膜の結晶化は、ガラス基板を、所定形状のマスクパターンの平行移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）距離に相当する所定の距離単位で水平移動させながら、マスクパターンを有するマスクを通してレーザービームを照射して結晶粒（ｇｒａｉｎ）を円形に成長させる方式によって実施する。
【選択図】図４

Description

本発明は液晶表示装置の製造方法に関するものであり、より詳細には、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ）を形成するための多結晶シリコン膜の形成方法に関するものである。

液晶表示装置または有機発光表示装置などでスイッチング素子として使われる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＴＦＴと記す）は前述の平板表示装置の性能において最も重要な構成要素である。ここで、ＴＦＴの性能を判断する基準である移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）または漏洩電流などは電荷運搬体が移動する経路である活性層がどのような状態（ｓｔａｔｅ）または構造を有するのか、すなわち、活性層の材料であるシリコン薄膜がどのような状態または構造を有するのかに大きく左右される。現在標準生産されている液晶表示装置の場合、ＴＦＴの活性層はほとんど非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ：以下、ａ−Ｓｉと記す）である。

ところが、活性層としてａ−Ｓｉを適用したａ−ＳｉＴＦＴは移動度が０．５ｃｍ^２／Ｖｓ内外と非常に低いために液晶表示装置に入っているすべてのスイッチング素子をａ−ＳｉＴＦＴで作ることには問題がある。これは液晶表示装置の周辺回路用の駆動素子は非常に早い速度で動作しなければならないが、ａ−ＳｉＴＦＴは周辺回路用の駆動素子で要求される動作速度を満足させることができないために、ａ−ＳｉＴＦＴを用いての周辺回路用の駆動素子の具現が実質的に困難であるということを意味する。

一方、活性層として多結晶シリコン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ：以下、ｐｏｌｙ−Ｓｉと記す）を適用したｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは移動度が数十〜数百ｃｍ^２／Ｖｓと高いために周辺回路用の駆動素子に対応可能な高い駆動速度を出すことができる。このために、ガラス基板上にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成させると、画素スイッチング素子だけでなく周辺回路用の駆動部品も具現が可能になる。よって、周辺回路の形成に必要な別途のモジュール工程が必要でなくなるだけでなく、画素領域を形成する時に共に周辺回路の駆動部品まで形成することができるために周辺回路用の駆動部品費用の節減を期待することができる。

それだけでなく、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは高い移動度であるためにａ−ＳｉＴＦＴより小さくすることができるし、さらに、集積工程を通じて周辺回路の駆動素子と画素領域のスイッチング素子を共に同時に形成することができるために、線幅の微細化がより容易になってａ−ＳｉＴＦＴ−ＬＣＤで実現が難しい高解像度を得るのに非常に有利である。

さらに、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは優れた電流特性を有するために次世代の平板表示装置である有機発光表示装置の駆動素子として好適であり、従って、近年、ガラス基板上でｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成させてＴＦＴを製造するｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの研究が活発に行われている。

ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をガラス基板上に形成させるための方法としては、ａ−Ｓｉ膜の蒸着後に熱処理を行ってａ−Ｓｉ膜を結晶化させる方法を挙げることができる。ところが、この場合には６００℃以上の高温工程でガラス基板に変形が生じるようになって、そのために、信頼性及び収率の減少をもたらすようになる。

従って、ガラス基板に熱的損傷（ｔｈｅｒｍａｌ ｄａｍａｇｅ）を与えないでａ−Ｓｉ膜のみを結晶化させることができる方法としてエキシマレーザーアニーリング（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）方法が提案され、また、他の方法として逐次的横方向結晶化（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ：以下、ＳＬＳと記す）方法が提案された（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ＳＬＳ方法はパルス（ｐｕｌｓｅ）レーザーとマスクパターンとを利用してａ−Ｓｉをｐｏｌｙ−Ｓｉに結晶化させる方法であり、この方法の場合はマスクの形態と進行方向によって結晶化形態が大きく変わる。

このようなＳＬＳ方法は先に形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉをシード（ｓｅｅｄ）にして次のｐｏｌｙ−Ｓｉを成長させるように行われ、その代表的工程としてディレクショナル（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）工程、２−ショット（２−ｓｈｏｔ）工程、３−ショット（３−ｓｈｏｔ）工程、ｎ−ショット（ｎ−ｓｈｏｔ）工程などがある。

しかし、上述した工程は、図１に示すように、成長方向には結晶粒（ｇｒａｉｎ）が大きく成長するが、成長方向と垂直の方向では多数の結晶粒の境界面（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）が形成され、このようなＳＬＳ方法では結晶粒の成長方向での電気的特性は優れているが、成長方向と垂直の方向での電気的特性が成長方向より悪くなる。

すなわち、ディレクショナル工程、２−ショット工程またはｎ−ショット工程等を利用したＳＬＳ方法で形成された不均一なｐｏｌｙ−Ｓｉ膜上にＴＦＴを形成する場合、ＴＦＴのチャネル方向が結晶粒の成長方向と一致する場合とそれに垂直となる場合によって移動度の差が示されることとなり、結局、ＴＦＴ性能の不均一性を誘発して製品の性能に致命的な悪影響を与えるという問題があった。

米国特許第６３６８９４５号明細書

そこで、本発明は上記従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、結晶粒の成長方向に起因するＴＦＴ性能の不均一が招来されることを防止することができるｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴのｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法は、マスクパターンを利用したレーザービームの照射を通じてガラス基板上に蒸着された非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法において、前記非晶質シリコン膜の結晶化は、ガラス基板を、所定形状のマスクパターンの平行移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）距離に相当する所定の距離単位で水平移動させながら、マスクパターンを有するマスクを通してレーザービームを照射して結晶粒（ｇｒａｉｎ）を円形に成長させる方式によって実施することを特徴とする。

ここで、前記マスクパターンは、互いに同じ一定長さを有する３個の領域に区分され、各領域は６個の三角形区域で構成された複数の六角形のユニットセルを有し、各々のユニットセルでの対向する２個の三角形区域は透過領域を提供し、残りの４個の三角形区域は非透過領域を提供し、前記透過領域の位置は各領域でお互いに相異することを特徴とする。
前記ガラス基板の水平移動は、マスクパターンでの各領域の幅に相当する所定の距離移動することを特徴とする。
前記レーザービームの照射は、非晶質シリコン膜を完全に溶融させるのに充分なエネルギーで実施することを特徴とする。
前記レーザービームの照射は、パルスの持続時間が増加するようにパルスの持続増量機（ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）を利用して実施することを特徴とする。

本発明による多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法によれば、ＳＬＳ方法によってａ−Ｓｉを結晶化させてｐｏｌｙ−Ｓｉを形成するものの、結晶化時にマスクパターンの形状変更を通じて結晶粒が円形に成長するようにすることで、結晶粒が特定の方向性を持たないで成長することによって、ＴＦＴでの結晶粒の成長方向及びこれと垂直となる方向とによる移動度の差が発生することを防止することができ、これによって、ＴＦＴ性能の不均一を防止することができ、従って、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの性能及び液晶表示装置の製品性能を向上させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

先ず、本発明の技術的原理を説明すると、本発明はＳＬＳ方法によってａ−Ｓｉを結晶化させてｐｏｌｙ−Ｓｉを形成するものの、結晶化時にマスクパターンの形状変更を通じて結晶粒が円形に成長するようにする。
この場合、結晶粒が特定の方向性を持たないで成長するために、結晶粒の成長方向及びこれと垂直となる方向との移動度の差が発生することによるＴＦＴ性能の不均一は招来されないし、そのために、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの性能及び液晶表示装置の製品性能を向上させることができる。

図２乃至図４は、本発明によるＳＬＳ方法を利用したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法を説明するための図面であり、以下に、これを説明する。ここで、図２は本発明によるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法においてのマスクパターンを示した図面であり、図３は本発明によるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法を説明するための図面であり、図４は本発明によって形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の微細構造を示す図面である。

先ず、図２に示すように、本発明によるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法で使われるマスク４０は、所定のマスクパターンが一定長さを有する３個の領域、すなわち、第１のショット領域と第２のショット領域及び第３のショット領域に区分される。この時、各ショット領域は多数の六角形ユニットセルでなされて、各ユニットセルはまた６個の三角形区域で構成される。

第１のショット領域は向かい合う２個の三角形区域が透過領域Ａを提供し、残り４個の三角形区域は非透過領域Ｂを提供する。よって、第１のショット領域のマスクパターンは全体領域の１／３がレーザーを透過させる。
第２のショット領域は第１のショット領域と同様に向かい合う２個の三角形区域が透過領域Ａであり、残り４個の三角形区域は非透過領域Ｂであるが、透過領域Ａの位置が第１のショットのそれとは異なる領域で構成され、同様に全体領域の１／３がレーザーを透過させる。
第３のショット領域は同様に向かい合う２個の三角形区域が透過領域Ａであり、残り４個の三角形区域は非透過領域Ｂであり、第１のショット領域及び第２のショット領域で透過領域Ａではなかった残り１／３の領域が透過領域Ａになる。そして、各ショット領域の長さは工程進行時にマスクパターンの平行移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）距離になる。

このような本発明のマスク４０を利用したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成方法は図３に示される。
図３を参照すると、ガラス基板３０上にＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙまたはＳｉＮｘなどのシリコン含有絶縁膜、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＴｉまたはＷのような金属膜、または、金属窒化膜及び金属酸化膜でなされたバッファ膜３２を形成した後、バッファ膜３２上にａ−Ｓｉ膜３４を蒸着する。
その次に、ａ−Ｓｉ膜３４の上部に図２に示したようなマスクパターンを有するマスク４０を配置させた状態で、ａ−Ｓｉ膜３４に対してａ−Ｓｉを完全に溶融させることができるエネルギー以上のパルスレーザーで１次レーザーの照射４２を実施する。

なお、ここで、レーザー照射工程はマスク４０全体にわたって実施され、進行していくが、以下の説明では最初に第１のショット領域でレーザー照射される部分のみに説明の焦点を当てて結晶化の詳細な過程を説明していく。当然、他の領域でも同様の工程が順次進行していくものである。

レーザーが照射される時、マスクパターンの第１のショット領域の透過領域である二つの三角形区域のみからレーザービームが照射され、レーザーが照射された領域のａ−Ｓｉ膜は完全に溶融される。そして、完全に溶融されたａ−Ｓｉ膜は時間が経つにつれて温度が低くなりながら透過された三角形区域の周辺部からｐｏｌｙ−Ｓｉに凝固（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）及び横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｇｒｏｗｔｈ）が生じる。併せて、周辺部から成長してくる結晶粒（ｇｒａｉｎ）が溶融された三角形領域の中央でお互いに衝突して突出部（ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ）を形成しながら、ｐｏｌｙ−Ｓｉの横方向成長は止まるようになる。このような１次レーザー照射工程によってａ−Ｓｉ膜の１／３がａ−Ｓｉからｐｏｌｙ−Ｓｉに結晶化（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）される。

続いて、ガラス基板３０をマスクパターンでの平行移動距離に相当する距離だけ水平移動させてパルスレーザーで２次レーザーの照射４４を実施する。この場合、１次レーザー照射工程によって結晶化されなかったａ−Ｓｉ膜の所定領域にマスクパターンの第２のショット領域の透過領域Ａと通してレーザービームが照射される。
よって、第２のショット領域の透過領域Ａに相当するａ−Ｓｉ膜の所定領域がｐｏｌｙ−Ｓｉに結晶化される。
この時、１次レーザー照射工程によって形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉをシード（ｓｅｅｄ）として結晶粒が横方向成長するので、結晶粒は円形に連続成長する。すなわち、２次レーザー照射工程によってａ−Ｓｉ膜全体領域の他の１／３がまた結晶化され、全体的には１次レーザー照射工程と２次レーザー照射工程によって全体領域の２／３が結晶化される。

次に、ガラス基板３０を再びマスクパターンでの平行移動距離に相当する距離だけ水平移動させてパルスレーザーで３次レーザーの照射４６を実施する。この時、３次レーザー照射工程は、１次レーザー照射工程及び２次レーザー照射工程を通して結晶化されなかったａ−Ｓｉ膜の所定領域にマスクパターンの第３のショット領域の透過領域Ａと通してレーザービームが照射される。
つまり、第３のショット領域は、第１及び第２のショット領域に形成された透過領域と二つの三角形区域が異なるために１次レーザー照射工程及び２次レーザー照射工程を通して結晶化されなかったａ−Ｓｉ膜の所定領域にレーザービームが照射されることで、結果的に、ａ−Ｓｉ膜の所定領域は完全に溶融され、凝固しながらａ−Ｓｉ膜の所定領域のａ−Ｓｉはｐｏｌｙ−Ｓｉに結晶化される。この時、１次レーザー照射工程及び２次レーザー照射工程によって形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉをシードとして結晶粒は横方向成長するので、結晶粒は連続的な成長で円形に成長するようになる。よって、３次レーザー照射工程によってレーザーの照射がなされたａ−Ｓｉ膜の所定領域が結晶化されて、そのために、ａ−Ｓｉ膜の所定領域のａ−Ｓｉ全体がｐｏｌｙ−Ｓｉに結晶化される。

以後、マスクパターンの平行移動距離だけガラス基板を水平移動させながらパルスレーザーでｎ次レーザーの照射４８を実施し、これを通じて、ａ−Ｓｉ膜全体を結晶化させて最終的にｐｏｙ−Ｓｉ膜３６を形成する。

ここで、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４８は、図４に示すように、結晶粒が円形で成長して特定の方向性を持たないし、よって、均一なｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に成長する。

一方、上述した本発明の実施例において、ガラス基板の代りにプラスチック基板を適用することも可能であり、そして、レーザーの照射はパルスの持続時間が増加するようにパルスの持続増量機（ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）を利用して実施することもできる。
また、ａ−Ｓｉ膜を多結晶化させること以外に、ａ−Ｇｅ、ａ−ＳｉｘＧｅｙ、ａ−Ｇａ、ａ−ＧａＮｘ、または、ａ−ＧａｘＡｓｙなども多結晶化させることができ、併せて、前記した多結晶膜自体を結晶化させることもできる。さらに、レーザー照射時、基板移動の方向は前方向及び後方向の両方を利用することができる。

尚、本発明は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

従来のＳＬＳ方法によって成長されたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の微細構造を示す写真である。 本発明による多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法においてのマスクパターンを説明するための図面である。 本発明による多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法を説明するための図面である。 本発明によって形成された多結晶シリコン膜の微細構造を示す概略図面である。

符号の説明

３０ ガラス基板
３２ バッファ膜
３４ 非晶質シリコン膜
３６ 多結晶シリコン膜
４０ マスク
４２ １次レーザーの照射
４４ ２次レーザーの照射
４６ ３次レーザーの照射
４８ ｎ次レーザーの照射

Claims (5)

1. マスクパターンを利用したレーザービームの照射を通じてガラス基板上に蒸着された非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法において、
   前記非晶質シリコン膜の結晶化は、ガラス基板を、所定形状のマスクパターンの平行移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）距離に相当する所定の距離単位で水平移動させながら、マスクパターンを有するマスクを通してレーザービームを照射して結晶粒（ｇｒａｉｎ）を円形に成長させる方式によって実施することを特徴とする多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法。
2. 前記マスクパターンは、互いに同じ一定長さを有する３個の領域に区分され、各領域は６個の三角形区域で構成された複数の六角形のユニットセルを有し、各々のユニットセルでの対向する２個の三角形区域は透過領域を提供し、残りの４個の三角形区域は非透過領域を提供し、前記透過領域の位置は各領域でお互いに相異することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法。
3. 前記ガラス基板の水平移動は、マスクパターンでの各領域の幅に相当する所定の距離移動することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法。
4. 前記レーザービームの照射は、非晶質シリコン膜を完全に溶融させるのに充分なエネルギーで実施することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法。
5. 前記レーザービームの照射は、パルスの持続時間が増加するようにパルスの持続増量機（ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）を利用して実施することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの多結晶シリコン膜の形成方法。