JP4211967B2 - マスクを利用したシリコンの結晶化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非晶質シリコンの結晶化方法に係り、さらに詳細には均一なグレーンを有する多結晶シリコンを形成するための順次側面固状化（sequential lateral solidification：ＳＬＳ）方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報化社会の急速な発展と共に薄形化、軽量化、低消費電力化などの優秀な特性を有する平板表示装置の必要性が高まりつつある。中でも、色再現性などが優秀な液晶表示装置が活発に開発されている。
【０００３】
一般的に液晶表示装置は、電界生成電極が各々形成されている２つの基板を２つの電極が形成されている面が向かい合うように配置して２つの基板間に液晶物質を挿入し、２つの電極に電圧を印加して生成する電界によって液晶分子を動かして液晶分子の動きによって変化する光の透過率によって画像を表現する装置である。
【０００４】
液晶表示装置の下部基板は、スイッチング素子である薄膜トランジスタを含むが、薄膜トランジスタに用いられるアクティブ層は非晶質シリコンａ−Ｓｉ：Ｈ）が主流をなしている。これは非晶質シリコンが低温で廉価なガラス基板のような大型基板上に形成することが可能なためである。
【０００５】
ところで、このような非晶質シリコンを利用した薄膜トランジスタを駆動するためには駆動回路が必要である。駆動回路は多数のＣＭＯＳ素子を含むが、このようなＣＭＯＳ素子を形成するためには単結晶シリコンが利用される。
【０００６】
したがって、液晶表示装置は、非晶質シリコンで製作された薄膜トランジスタアレー基板に単結晶シリコンで製作された高密度集積回路をＴＡＢ（tape automated bonding）などの方法で連結して駆動する。しかし、駆動回路の値段が非常に高いためにこのような液晶表示装置は値段が高い短所がある。
【０００７】
近来になって多結晶シリコンを利用した薄膜トランジスタを採用する液晶表示装置が広く研究及び開発されている。多結晶シリコンを利用した液晶表示装置では薄膜トランジスタと駆動回路を同一基板上に形成することができ、薄膜トランジスタと駆動回路を連結する過程が不要なので製造工程を単純化することができる。また、多結晶シリコンは非晶質シリコンに比べて電界効果移動度が１００ないし２００倍程度大きいので応答速度が速く、温度と光に対する安全性も優秀である長所を有する。
【０００８】
このような多結晶シリコンは、直接蒸着したり、プラズマ化学気相蒸着法または低圧化学気相蒸着法で非晶質シリコンを蒸着した後に、これを結晶化することによって形成することができる。
【０００９】
非晶質シリコンを利用して多結晶シリコンを形成する方法としては固状結晶化（ＳＰＣ：solid phase crystallization）法、金属誘導結晶化（metal induced crystallization：ＭＩＣ）法やレーザー熱処理（laser annealing）法などがある。
【００１０】
ここで、固状結晶化方法は、非晶質シリコンを高温で長時間熱処理することによって多結晶シリコンを形成する方法であって、６００°Ｃ以上の高温に耐えることができる石英基板に不純物の拡散を防止するために所定の厚さで緩衝層を形成して、緩衝層上に非晶質シリコンを蒸着した後、ファーネスで高温長時間熱処理する。
【００１１】
ところで、このような固状結晶化法は、高温で長時間遂行され必ずしも所望する多結晶シリコン相が得られるとは限らず、グレーン成長の方向が不規則になるので、薄膜トランジスタに応用した場合には多結晶シリコンと接触するゲート絶縁膜が不規則に成長して素子の降伏電圧が低くなる。また、多結晶シリコンのグレーンの大きさが不均一で素子の電気的特性を低下させるのみならず、高価な石英基板を使用しなければならない問題がある。
【００１２】
一方、金属誘導結晶化法は、非晶質シリコン上に金属を蒸着してこの金属を利用して多結晶シリコンを形成する方法で、金属が非晶質シリコンの結晶化温度を低減するので大面積のガラス基板を用いることができるが、触媒で用いられた金属物質がシリコン膜内に残って不純物となる。
【００１３】
レーザー熱処理法は、非晶質シリコンが蒸着された基板にレーザービームを照射して多結晶シリコンを形成する方法で、非晶質シリコンを蒸着した基板に瞬間的に（数十ないし数百ナノ秒）レーザーエネルギーを供給して非晶質シリコンを熔融状態にした後、続いて冷却することによって多結晶シリコンを形成する。このようなレーザー熱処理による結晶化方法は４００°Ｃ以下の低温で結晶化が可能であるが、結晶化が不均一で均一度が低い。また、レーザービームの１回の照射によって結晶化されたシリコン薄膜は非常に小さな大きさのグレーンを有するために、グレーンの大きさを小さくするには、同じ位置に約１０回程度レーザービームを照射して小さなシリコングレーンを再結晶化しなければならない。それゆえ、レーザー熱処理方法は生産性が低い問題がある。
【００１４】
一方、レーザービームが照射されたシリコン膜の表面温度は、約１４００°Ｃ程度になるので、シリコン膜の表面は酸化しやすい。特に、このようなレーザー熱処理結晶化方法ではレーザービームの照射が多数回なされるために、大気中でレーザー熱処理を実施する場合、レーザービームが照射されたシリコン膜の表面が酸化してＳｉＯ２を形成する。したがって、レーザー熱処理は約１０−７ないし１０−６ｔｏｒｒ程度の真空で実施することが必要になる。
【００１５】
このようなレーザー熱処理結晶化方法の短所を克服するために、最近レーザーを利用して順次側面固状化（ＳＬＳ）によって結晶化する方法が提案されて広く研究されている。
【００１６】
ＳＬＳ法は、シリコンのグレーンは、シリコン液状領域とシリコン固状領域の境界面でその境界面に対して垂直方向に成長するという現象を利用したもので、レーザーエネルギーの大きさとレーザービームの照射範囲を適切に移動してグレーンを所定の長さだけ側面成長させることによって、シリコングレーンの大きさを向上させる非晶質シリコン薄膜の結晶化方法（Robert S. Sposilli, M. A. Crowder and James S. Im, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 452, pp.956-957, 1997）である。ＳＬＳ方法は基板上にシリコングレーンの大きさが画期的に大きいＳＬＳシリコン薄膜を形成することによって、単結晶シリコンチャネル領域を有する薄膜トランジスタの製造を可能にする。
【００１７】
このようなＳＬＳ結晶化方法を以下添付した図面を参照して説明する。
図１は一般的なＳＬＳ装置の概略図である。
【００１８】
一般的なＳＬＳ結晶化装置は、光源１と減衰器２、焦点レンズ５、マスク６、イメージングレンズ７、そして非晶質シリコンを含む試料９が置かれる移動ステージ１０が順次に配列されており、減衰器２と焦点レンズ５間及びイメージングレンズ７と移動ステージ１０間には入射した光を所定の角度で反射して光の方向を変化させるための反射鏡３、４、８が各々位置する。
【００１９】
ここで、光源１はエキシマレーザーであって波長３０８ｎｍのＸｅＣｌや２４８ｎｍのＫｒＦを主に利用し、減衰器２はエキシマレーザー１から発生したレーザービームが所定エネルギーを有するように調節するためのものである。焦点レンズ５とイメージングレンズ７はレーザービームを集束させる役割をするが、特に焦点レンズ５は不均一なレーザービームの焦点距離を同じにして透過されるレーザービームのエネルギーを均一にする。次に、マスク６はパターニングされていてレーザービームを所定の形態で透過させる役割をする。
【００２０】
したがって、光源１から放出されたレーザービームは、減衰器２を通過してエネルギーの大きさが調節されて、反射鏡３、４で反射されて焦点レンズ５によって集束する。続いて、レーザービームはマスク６によって一部のみ通過して、イメージングレンズ７と反射鏡８を経て試料９に照射される。次に、試料９が置かれた移動ステージ１０を移動させてレーザービーム照射を繰り返す。
【００２１】
図２ないし図４は、図１の装置を利用してＳＬＳ方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図である。
【００２２】
まず、図２に示したように非晶質シリコン膜２０のＡ領域にレーザービームを１次照射して結晶を成長させる。前述したようにシリコンは液状領域と固状領域の境界面から側面成長をするので、レーザービームが照射された領域Ａの境界からグレーン２２ａ、２２ｂが成長して結晶が出会う部分ＩＩａ線で成長が停止する。
【００２３】
続いて、図３に示したように、非晶質シリコン膜２０のＢ領域にレーザービームを２次照射して結晶を成長させる。ここで、Ｂ領域はレーザービームが１次照射された領域（図２のＡ領域）の一部を含み、レーザービームが照射されたＢ領域の境界から結晶が成長してグレーン２３ａ、２３ｂが生成する。この際、Ａ領域とＢ領域が一部重畳するＡＢ領域ではレーザービームの１次照射時に生成したグレーン（図２の２２ａ）が結晶化の核として働いて成長が促進される。図３で結晶成長はＩＩｂ線で停止する。図示したように２次レーザービーム照射後に生成したグレーン２３ａは、図２のグレーン２２ａと２２ｂより大きい。
【００２４】
次に、非晶質シリコン膜２０のＣ領域にレーザービームを３次照射することによって結晶を成長させれば、図４に示したようなグレーン２４ａ、２４ｂが生成する。この際のＣ領域はレーザービームが２次照射されたＢ領域の一部を含む。したがって、Ｃ領域中、Ｂ領域と一部重畳される領域（ＢＣ領域）に形成されるグレーンはレーザービームの２次照射時に生成したグレーン（図３の２３ａ）が結晶化の核として働いてさらに大きいグレーン２４ａが成長する。
【００２５】
このような方法でレーザービーム照射を繰り返して非晶質シリコンが形成された薄膜全体を走査することにより、グレーンの大きな多結晶シリコンを製作することができる。また同じ位置に照射されるレーザービームの回数が少なくなるので収率が高くなる。
【００２６】
しかし、ＳＬＳ方法で成長したグレーンは、大きさと成長方向が異なるために、ＳＬＳ法で形成された多結晶シリコンを利用して薄膜トランジスタに適用する場合は、薄膜トランジスタの特性もグレーンの成長方向によって大幅に異なるようになる。
【００２７】
従来のＳＬＳ方法による多結晶シリコンを利用して製作した薄膜トランジスタの電流−電圧特性グラフを図５に示した。ソースとドレーン方向すなわち、電流が流れるチャネルの方向と結晶の成長方向が一致する場合（実線）、４５度をなす場合（短い点線）、９０度をなす場合（長い点線）に対して、各々ドレーン電圧Ｖｄが０．１Ｖの場合と１０Ｖの場合を示す。ここで、横軸はゲート電圧Ｖｇを、縦軸はドレーン電流Ｉｄを示す。図示したように、チャネル方向と結晶の成長方向がなす角が小さいほどグレーン境界数が少ないために電流−電圧特性が優秀なことが分かる。
【００２８】
このように、薄膜トランジスタのチャネル方向と結晶の成長方向が一致する場合、素子の特性は最大になるが、チャネル方向と結晶の成長方向が９０度をなす場合には素子特性が最小になる。したがって、ＳＬＳ法によって形成された多結晶シリコン膜を薄膜トランジスタに利用する場合は、均一な特性を得ることは困難である。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記した従来の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、結晶の大きさが大きい多結晶シリコンの製作方法を提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、均一な結晶を有する多結晶シリコンの製作方法を提供することである。
【００３１】
本発明のさらに他の目的は、結晶が大きく、均一な多結晶シリコンを利用して薄膜トランジスタを製造することによって、薄膜トランジスタの特性を向上させることである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明による順次側面固状化マスクは、第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域とを含み、第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されている。
【００３３】
本発明による非晶質シリコン膜の結晶化方法は、ａ）第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、ｂ）第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、ｃ）第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、ｄ）第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域とを含み、ｅ）第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されているマスクを利用して順次側面固状化方法で非晶質シリコン膜を結晶化する過程において、非晶質シリコン膜を有する基板上に前記マスクを配置する段階と、前記マスクを通して前記非晶質シリコン膜にレーザービームを照射して前記第１ないし第４領域に対応する領域を結晶化する段階と、前記結晶化された領域を有する基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させる段階と、前記基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させた後前記非晶質シリコン膜にレーザービームを繰り返して照射する段階とを含む。
【００３４】
このように、本発明では、配列方向が第１及び第２方向に配列されて、相互交差する方向のストライプパターンを各々有する４領域でなされたマスクを利用して、非晶質シリコンが形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させながらレーザービームを照射することによって均一な大きさ及び結晶方向を有する多結晶シリコン膜を形成する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明による多結晶シリコンの製造方法に対して詳細に説明する。
【００３６】
図６は、本発明によって多結晶シリコンを製造するためのマスクの概略図である。
図示したように、本発明によるマスク１００は、第１ないし第４からなる４つの領域１１０、１２０、１３０、１４０から構成される。第１領域１１０は横方向に延びるストライプパターン１１１で、第２領域１２０は縦方向に延びるストライプパターン１２１を有し、第３領域１３０は横方向のストライプパターン１３１を有しているが、このパターン１３１は第１領域のストライプパターン１１１の間の間隔（以下スリットという）１１２に対応する。次に、第４領域１４０は縦方向のストライプパターン１４１を有し、このパターン１４１は第２領域のスリット１２２と対応して第２領域のストライプパターン１２１と直行する方向に配置されている。
【００３７】
各領域のストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１は、遮光膜で形成されており、レーザービームを照射する際にレーザービームの透過を阻止し、スリット１１２、１２２、１３２、１４２はレーザービームが透過するように透明である。この際、結晶化される非晶質シリコンの全領域がレーザービームに露出されるようにするためには、ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅はスリット１１２、１２２、１３２、１４２の幅以下であることが望ましい。ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅は２μｍないし１０μｍ程度とすることができるが、ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅はレーザービームのエネルギー密度や薄膜の状態等に応じて調節することができる。
【００３８】
このようなマスク１００において、第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０の配置位置は任意である。すなわち、図６は第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０が順次に配列された場合を図示しているが、第１領域１１０、第３領域１３０、第２領域１２０、第４領域１４０の順に配列することもでき、また他の順序で配列してもよい。
【００３９】
この際、第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０の幅（横長さ）は同一であることが望ましい。
【００４０】
図６のマスクで非晶質シリコン膜にレーザービームを１次照射して結晶化し、次に、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク１００の幅（横長さ）の１／４だけ移動させて、レーザービームを２次照射して再び結晶化する。続いて、基板をマスク１００の幅の１／４だけ移動させて３次レーザービーム照射及び結晶化を実施して、再び基板をマスク１００の幅の１／４だけ移動させた後４次レーザービームを照射して結晶化する。
【００４１】
ここで、照射されるレーザービームの大きさを調節するために、レンズでレーザービームを縮少して照射することができるが、マスク１００の横方向長さを１６ｍｍにしてレーザービームの縮少比を１／４にすると、非晶質シリコン膜が形成された基板上では１ｍｍずつ移動することになる。
【００４２】
図６のマスクを利用して本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を図７ないし図１０に示したが、この際、図１で説明した装置を用いることもできる。ここで、図示された領域はレーザービームの１次照射時マスクの第１領域に対応する部分の中の一部、すなわち図６のＳに該当する領域のみを図示した。
【００４３】
図７に示したように、図６のマスク１００を利用して非晶質シリコン膜２００にレーザービームを１次照射する。この際、レーザービームはマスク１００のスリット１１２に対応する領域２１０にのみ照射される。レーザービームが照射された領域２１０は熔融して冷却されてグレーン２１１、２１２が形成される。グレーン２１１、２１２はレーザービームが照射された領域２１０の縁から領域の中央に成長して、相異なるグレーンが出会う境界部分（Ｖａ線）で停止する。
【００４４】
続いて、図８に示したように基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを２次照射して結晶化を進める。ここで、レーザービームが１次照射された領域にはマスク１００の第２領域１２０が対応するので、第２領域１２０のスリット１２２に対応する領域２２０でのみ結晶化が起きる。この際、図７の結晶成長方向と垂直の方向に結晶化が起きて、Ｖｂ線で成長が停止するが、レーザービームが１次照射された領域と重畳する領域Ｅでは、１次レーザービーム照射時形成されたグレーン（図７の２１１、２１２）が結晶化の核として働いて図７のグレーン２１１、２１２より大きいグレーン２２１、２２２が形成される。
【００４５】
次に、図９に示したように、基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを３次照射してシリコン膜を結晶化させる。ここで図面符号２３０は３次レーザービームが照射されて結晶化が進められる領域であって、２次レーザービームが照射された領域と重畳する領域Ｆでは２次レーザービームの照射時に生成したグレーン２２１、２２２が結晶化の核として働いてこれよりさらに大きなグレーン２３１、２３２が生成する。
【００４６】
次に、図１０に示したように、基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを４次照射してシリコンを結晶化させる。この際、レーザービームが照射される領域２４０の中の３次レーザービームが照射された領域と重畳する領域Ｇでは、３次レーザービームの照射時に生成したグレーン（図９の２３１、２３２）が結晶化の核として働いて結晶化がなされるので、図示したように正四角形状のグレーン２４１、２４２が成長する。
【００４７】
このような過程を繰り返すことによって結晶が大きく均一な多結晶シリコン膜を形成することができるので、この多結晶シリコン膜で製造された薄膜トランジスタの特性はチャネルの方向に影響を受けず、均一な特性が得られる。
【００４８】
また、本発明によるシリコン膜の結晶化方法では一つの領域に４回のレーザービームを照射して結晶化がなされるので、膜表面の酸化程度が小さく、大気中で結晶化工程を遂行することができる。
【００４９】
一方、本発明による多結晶シリコン形成方法を利用して液晶表示装置用薄膜トランジスタ基板を製作する場合には、駆動回路を薄膜トランジスタ基板に同時に形成することができるので製造工程及び製造費用を削減することができる。
【００５０】
本発明は上述の実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内で多様な変化と変形が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明はＳＬＳ法で非晶質シリコンを結晶化する過程において、配列方向が第１及び第２方向に配列されて相互に交差するストライプパターンを各々有する４領域でなされたマスクを利用して、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させてレーザービームを照射することによって正四角形状の一定な大きさを有するグレーンを形成することができる。したがって、このような方法で形成された多結晶シリコン膜を利用して、電界効果移動度が高く、均一な特性を有する薄膜トランジスタを作ることができる。
【００５２】
また、本発明によって形成された多結晶シリコン膜を利用して液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板を製造する場合、ＣＭＯＳのような素子を含む駆動回路を薄膜トランジスタ基板上に一緒に形成することができるので、製造費用及び製造工程を削減することができる。
【００５３】
本発明による非晶質シリコン膜の結晶化方法では、同じ位置にレーザービームが照射される回数が４回と少ないために薄膜表面の酸化が少なく、大気中で結晶化を実施できるので、工程がさらに単純化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な順次側面固状化装置の概略図
【図２】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図３】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図４】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図５】 従来の順次側面固状化方法による多結晶シリコンで製作した薄膜トランジスタの電流−電圧特性を図示したグラフ
【図６】 本発明によって多結晶シリコンを製造するためのマスクの概略図
【図７】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図８】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図９】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図１０】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【発明の属する技術分野】
本発明は非晶質シリコンの結晶化方法に係り、さらに詳細には均一なグレーンを有する多結晶シリコンを形成するための順次側面固状化（sequential lateral solidification：ＳＬＳ）方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報化社会の急速な発展と共に薄形化、軽量化、低消費電力化などの優秀な特性を有する平板表示装置の必要性が高まりつつある。中でも、色再現性などが優秀な液晶表示装置が活発に開発されている。
【０００３】
一般的に液晶表示装置は、電界生成電極が各々形成されている２つの基板を２つの電極が形成されている面が向かい合うように配置して２つの基板間に液晶物質を挿入し、２つの電極に電圧を印加して生成する電界によって液晶分子を動かして液晶分子の動きによって変化する光の透過率によって画像を表現する装置である。
【０００４】
液晶表示装置の下部基板は、スイッチング素子である薄膜トランジスタを含むが、薄膜トランジスタに用いられるアクティブ層は非晶質シリコンａ−Ｓｉ：Ｈ）が主流をなしている。これは非晶質シリコンが低温で廉価なガラス基板のような大型基板上に形成することが可能なためである。
【０００５】
ところで、このような非晶質シリコンを利用した薄膜トランジスタを駆動するためには駆動回路が必要である。駆動回路は多数のＣＭＯＳ素子を含むが、このようなＣＭＯＳ素子を形成するためには単結晶シリコンが利用される。
【０００６】
したがって、液晶表示装置は、非晶質シリコンで製作された薄膜トランジスタアレー基板に単結晶シリコンで製作された高密度集積回路をＴＡＢ（tape automated bonding）などの方法で連結して駆動する。しかし、駆動回路の値段が非常に高いためにこのような液晶表示装置は値段が高い短所がある。
【０００７】
近来になって多結晶シリコンを利用した薄膜トランジスタを採用する液晶表示装置が広く研究及び開発されている。多結晶シリコンを利用した液晶表示装置では薄膜トランジスタと駆動回路を同一基板上に形成することができ、薄膜トランジスタと駆動回路を連結する過程が不要なので製造工程を単純化することができる。また、多結晶シリコンは非晶質シリコンに比べて電界効果移動度が１００ないし２００倍程度大きいので応答速度が速く、温度と光に対する安全性も優秀である長所を有する。
【０００８】
このような多結晶シリコンは、直接蒸着したり、プラズマ化学気相蒸着法または低圧化学気相蒸着法で非晶質シリコンを蒸着した後に、これを結晶化することによって形成することができる。
【０００９】
非晶質シリコンを利用して多結晶シリコンを形成する方法としては固状結晶化（ＳＰＣ：solid phase crystallization）法、金属誘導結晶化（metal induced crystallization：ＭＩＣ）法やレーザー熱処理（laser annealing）法などがある。
【００１０】
ここで、固状結晶化方法は、非晶質シリコンを高温で長時間熱処理することによって多結晶シリコンを形成する方法であって、６００°Ｃ以上の高温に耐えることができる石英基板に不純物の拡散を防止するために所定の厚さで緩衝層を形成して、緩衝層上に非晶質シリコンを蒸着した後、ファーネスで高温長時間熱処理する。
【００１１】
ところで、このような固状結晶化法は、高温で長時間遂行され必ずしも所望する多結晶シリコン相が得られるとは限らず、グレーン成長の方向が不規則になるので、薄膜トランジスタに応用した場合には多結晶シリコンと接触するゲート絶縁膜が不規則に成長して素子の降伏電圧が低くなる。また、多結晶シリコンのグレーンの大きさが不均一で素子の電気的特性を低下させるのみならず、高価な石英基板を使用しなければならない問題がある。
【００１２】
一方、金属誘導結晶化法は、非晶質シリコン上に金属を蒸着してこの金属を利用して多結晶シリコンを形成する方法で、金属が非晶質シリコンの結晶化温度を低減するので大面積のガラス基板を用いることができるが、触媒で用いられた金属物質がシリコン膜内に残って不純物となる。
【００１３】
レーザー熱処理法は、非晶質シリコンが蒸着された基板にレーザービームを照射して多結晶シリコンを形成する方法で、非晶質シリコンを蒸着した基板に瞬間的に（数十ないし数百ナノ秒）レーザーエネルギーを供給して非晶質シリコンを熔融状態にした後、続いて冷却することによって多結晶シリコンを形成する。このようなレーザー熱処理による結晶化方法は４００°Ｃ以下の低温で結晶化が可能であるが、結晶化が不均一で均一度が低い。また、レーザービームの１回の照射によって結晶化されたシリコン薄膜は非常に小さな大きさのグレーンを有するために、グレーンの大きさを小さくするには、同じ位置に約１０回程度レーザービームを照射して小さなシリコングレーンを再結晶化しなければならない。それゆえ、レーザー熱処理方法は生産性が低い問題がある。
【００１４】
一方、レーザービームが照射されたシリコン膜の表面温度は、約１４００°Ｃ程度になるので、シリコン膜の表面は酸化しやすい。特に、このようなレーザー熱処理結晶化方法ではレーザービームの照射が多数回なされるために、大気中でレーザー熱処理を実施する場合、レーザービームが照射されたシリコン膜の表面が酸化してＳｉＯ２を形成する。したがって、レーザー熱処理は約１０−７ないし１０−６ｔｏｒｒ程度の真空で実施することが必要になる。
【００１５】
このようなレーザー熱処理結晶化方法の短所を克服するために、最近レーザーを利用して順次側面固状化（ＳＬＳ）によって結晶化する方法が提案されて広く研究されている。
【００１６】
ＳＬＳ法は、シリコンのグレーンは、シリコン液状領域とシリコン固状領域の境界面でその境界面に対して垂直方向に成長するという現象を利用したもので、レーザーエネルギーの大きさとレーザービームの照射範囲を適切に移動してグレーンを所定の長さだけ側面成長させることによって、シリコングレーンの大きさを向上させる非晶質シリコン薄膜の結晶化方法（Robert S. Sposilli, M. A. Crowder and James S. Im, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 452, pp.956-957, 1997）である。ＳＬＳ方法は基板上にシリコングレーンの大きさが画期的に大きいＳＬＳシリコン薄膜を形成することによって、単結晶シリコンチャネル領域を有する薄膜トランジスタの製造を可能にする。
【００１７】
このようなＳＬＳ結晶化方法を以下添付した図面を参照して説明する。
図１は一般的なＳＬＳ装置の概略図である。
【００１８】
一般的なＳＬＳ結晶化装置は、光源１と減衰器２、焦点レンズ５、マスク６、イメージングレンズ７、そして非晶質シリコンを含む試料９が置かれる移動ステージ１０が順次に配列されており、減衰器２と焦点レンズ５間及びイメージングレンズ７と移動ステージ１０間には入射した光を所定の角度で反射して光の方向を変化させるための反射鏡３、４、８が各々位置する。
【００１９】
ここで、光源１はエキシマレーザーであって波長３０８ｎｍのＸｅＣｌや２４８ｎｍのＫｒＦを主に利用し、減衰器２はエキシマレーザー１から発生したレーザービームが所定エネルギーを有するように調節するためのものである。焦点レンズ５とイメージングレンズ７はレーザービームを集束させる役割をするが、特に焦点レンズ５は不均一なレーザービームの焦点距離を同じにして透過されるレーザービームのエネルギーを均一にする。次に、マスク６はパターニングされていてレーザービームを所定の形態で透過させる役割をする。
【００２０】
したがって、光源１から放出されたレーザービームは、減衰器２を通過してエネルギーの大きさが調節されて、反射鏡３、４で反射されて焦点レンズ５によって集束する。続いて、レーザービームはマスク６によって一部のみ通過して、イメージングレンズ７と反射鏡８を経て試料９に照射される。次に、試料９が置かれた移動ステージ１０を移動させてレーザービーム照射を繰り返す。
【００２１】
図２ないし図４は、図１の装置を利用してＳＬＳ方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図である。
【００２２】
まず、図２に示したように非晶質シリコン膜２０のＡ領域にレーザービームを１次照射して結晶を成長させる。前述したようにシリコンは液状領域と固状領域の境界面から側面成長をするので、レーザービームが照射された領域Ａの境界からグレーン２２ａ、２２ｂが成長して結晶が出会う部分ＩＩａ線で成長が停止する。
【００２３】
続いて、図３に示したように、非晶質シリコン膜２０のＢ領域にレーザービームを２次照射して結晶を成長させる。ここで、Ｂ領域はレーザービームが１次照射された領域（図２のＡ領域）の一部を含み、レーザービームが照射されたＢ領域の境界から結晶が成長してグレーン２３ａ、２３ｂが生成する。この際、Ａ領域とＢ領域が一部重畳するＡＢ領域ではレーザービームの１次照射時に生成したグレーン（図２の２２ａ）が結晶化の核として働いて成長が促進される。図３で結晶成長はＩＩｂ線で停止する。図示したように２次レーザービーム照射後に生成したグレーン２３ａは、図２のグレーン２２ａと２２ｂより大きい。
【００２４】
次に、非晶質シリコン膜２０のＣ領域にレーザービームを３次照射することによって結晶を成長させれば、図４に示したようなグレーン２４ａ、２４ｂが生成する。この際のＣ領域はレーザービームが２次照射されたＢ領域の一部を含む。したがって、Ｃ領域中、Ｂ領域と一部重畳される領域（ＢＣ領域）に形成されるグレーンはレーザービームの２次照射時に生成したグレーン（図３の２３ａ）が結晶化の核として働いてさらに大きいグレーン２４ａが成長する。
【００２５】
このような方法でレーザービーム照射を繰り返して非晶質シリコンが形成された薄膜全体を走査することにより、グレーンの大きな多結晶シリコンを製作することができる。また同じ位置に照射されるレーザービームの回数が少なくなるので収率が高くなる。
【００２６】
しかし、ＳＬＳ方法で成長したグレーンは、大きさと成長方向が異なるために、ＳＬＳ法で形成された多結晶シリコンを利用して薄膜トランジスタに適用する場合は、薄膜トランジスタの特性もグレーンの成長方向によって大幅に異なるようになる。
【００２７】
従来のＳＬＳ方法による多結晶シリコンを利用して製作した薄膜トランジスタの電流−電圧特性グラフを図５に示した。ソースとドレーン方向すなわち、電流が流れるチャネルの方向と結晶の成長方向が一致する場合（実線）、４５度をなす場合（短い点線）、９０度をなす場合（長い点線）に対して、各々ドレーン電圧Ｖｄが０．１Ｖの場合と１０Ｖの場合を示す。ここで、横軸はゲート電圧Ｖｇを、縦軸はドレーン電流Ｉｄを示す。図示したように、チャネル方向と結晶の成長方向がなす角が小さいほどグレーン境界数が少ないために電流−電圧特性が優秀なことが分かる。
【００２８】
このように、薄膜トランジスタのチャネル方向と結晶の成長方向が一致する場合、素子の特性は最大になるが、チャネル方向と結晶の成長方向が９０度をなす場合には素子特性が最小になる。したがって、ＳＬＳ法によって形成された多結晶シリコン膜を薄膜トランジスタに利用する場合は、均一な特性を得ることは困難である。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記した従来の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、結晶の大きさが大きい多結晶シリコンの製作方法を提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、均一な結晶を有する多結晶シリコンの製作方法を提供することである。
【００３１】
本発明のさらに他の目的は、結晶が大きく、均一な多結晶シリコンを利用して薄膜トランジスタを製造することによって、薄膜トランジスタの特性を向上させることである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明による順次側面固状化マスクは、第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域とを含み、第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されている。
【００３３】
本発明による非晶質シリコン膜の結晶化方法は、ａ）第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、ｂ）第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、ｃ）第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、ｄ）第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域とを含み、ｅ）第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されているマスクを利用して順次側面固状化方法で非晶質シリコン膜を結晶化する過程において、非晶質シリコン膜を有する基板上に前記マスクを配置する段階と、前記マスクを通して前記非晶質シリコン膜にレーザービームを照射して前記第１ないし第４領域に対応する領域を結晶化する段階と、前記結晶化された領域を有する基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させる段階と、前記基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させた後前記非晶質シリコン膜にレーザービームを繰り返して照射する段階とを含む。
【００３４】
このように、本発明では、配列方向が第１及び第２方向に配列されて、相互交差する方向のストライプパターンを各々有する４領域でなされたマスクを利用して、非晶質シリコンが形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させながらレーザービームを照射することによって均一な大きさ及び結晶方向を有する多結晶シリコン膜を形成する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明による多結晶シリコンの製造方法に対して詳細に説明する。
【００３６】
図６は、本発明によって多結晶シリコンを製造するためのマスクの概略図である。
図示したように、本発明によるマスク１００は、第１ないし第４からなる４つの領域１１０、１２０、１３０、１４０から構成される。第１領域１１０は横方向に延びるストライプパターン１１１で、第２領域１２０は縦方向に延びるストライプパターン１２１を有し、第３領域１３０は横方向のストライプパターン１３１を有しているが、このパターン１３１は第１領域のストライプパターン１１１の間の間隔（以下スリットという）１１２に対応する。次に、第４領域１４０は縦方向のストライプパターン１４１を有し、このパターン１４１は第２領域のスリット１２２と対応して第２領域のストライプパターン１２１と直行する方向に配置されている。
【００３７】
各領域のストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１は、遮光膜で形成されており、レーザービームを照射する際にレーザービームの透過を阻止し、スリット１１２、１２２、１３２、１４２はレーザービームが透過するように透明である。この際、結晶化される非晶質シリコンの全領域がレーザービームに露出されるようにするためには、ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅はスリット１１２、１２２、１３２、１４２の幅以下であることが望ましい。ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅は２μｍないし１０μｍ程度とすることができるが、ストライプパターン１１１、１２１、１３１、１４１の幅はレーザービームのエネルギー密度や薄膜の状態等に応じて調節することができる。
【００３８】
このようなマスク１００において、第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０の配置位置は任意である。すなわち、図６は第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０が順次に配列された場合を図示しているが、第１領域１１０、第３領域１３０、第２領域１２０、第４領域１４０の順に配列することもでき、また他の順序で配列してもよい。
【００３９】
この際、第１ないし第４領域１１０、１２０、１３０、１４０の幅（横長さ）は同一であることが望ましい。
【００４０】
図６のマスクで非晶質シリコン膜にレーザービームを１次照射して結晶化し、次に、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク１００の幅（横長さ）の１／４だけ移動させて、レーザービームを２次照射して再び結晶化する。続いて、基板をマスク１００の幅の１／４だけ移動させて３次レーザービーム照射及び結晶化を実施して、再び基板をマスク１００の幅の１／４だけ移動させた後４次レーザービームを照射して結晶化する。
【００４１】
ここで、照射されるレーザービームの大きさを調節するために、レンズでレーザービームを縮少して照射することができるが、マスク１００の横方向長さを１６ｍｍにしてレーザービームの縮少比を１／４にすると、非晶質シリコン膜が形成された基板上では１ｍｍずつ移動することになる。
【００４２】
図６のマスクを利用して本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を図７ないし図１０に示したが、この際、図１で説明した装置を用いることもできる。ここで、図示された領域はレーザービームの１次照射時マスクの第１領域に対応する部分の中の一部、すなわち図６のＳに該当する領域のみを図示した。
【００４３】
図７に示したように、図６のマスク１００を利用して非晶質シリコン膜２００にレーザービームを１次照射する。この際、レーザービームはマスク１００のスリット１１２に対応する領域２１０にのみ照射される。レーザービームが照射された領域２１０は熔融して冷却されてグレーン２１１、２１２が形成される。グレーン２１１、２１２はレーザービームが照射された領域２１０の縁から領域の中央に成長して、相異なるグレーンが出会う境界部分（Ｖａ線）で停止する。
【００４４】
続いて、図８に示したように基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを２次照射して結晶化を進める。ここで、レーザービームが１次照射された領域にはマスク１００の第２領域１２０が対応するので、第２領域１２０のスリット１２２に対応する領域２２０でのみ結晶化が起きる。この際、図７の結晶成長方向と垂直の方向に結晶化が起きて、Ｖｂ線で成長が停止するが、レーザービームが１次照射された領域と重畳する領域Ｅでは、１次レーザービーム照射時形成されたグレーン（図７の２１１、２１２）が結晶化の核として働いて図７のグレーン２１１、２１２より大きいグレーン２２１、２２２が形成される。
【００４５】
次に、図９に示したように、基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを３次照射してシリコン膜を結晶化させる。ここで図面符号２３０は３次レーザービームが照射されて結晶化が進められる領域であって、２次レーザービームが照射された領域と重畳する領域Ｆでは２次レーザービームの照射時に生成したグレーン２２１、２２２が結晶化の核として働いてこれよりさらに大きなグレーン２３１、２３２が生成する。
【００４６】
次に、図１０に示したように、基板２００をマスク１００の幅の１／４だけ左側に移動させた後、レーザービームを４次照射してシリコンを結晶化させる。この際、レーザービームが照射される領域２４０の中の３次レーザービームが照射された領域と重畳する領域Ｇでは、３次レーザービームの照射時に生成したグレーン（図９の２３１、２３２）が結晶化の核として働いて結晶化がなされるので、図示したように正四角形状のグレーン２４１、２４２が成長する。
【００４７】
このような過程を繰り返すことによって結晶が大きく均一な多結晶シリコン膜を形成することができるので、この多結晶シリコン膜で製造された薄膜トランジスタの特性はチャネルの方向に影響を受けず、均一な特性が得られる。
【００４８】
また、本発明によるシリコン膜の結晶化方法では一つの領域に４回のレーザービームを照射して結晶化がなされるので、膜表面の酸化程度が小さく、大気中で結晶化工程を遂行することができる。
【００４９】
一方、本発明による多結晶シリコン形成方法を利用して液晶表示装置用薄膜トランジスタ基板を製作する場合には、駆動回路を薄膜トランジスタ基板に同時に形成することができるので製造工程及び製造費用を削減することができる。
【００５０】
本発明は上述の実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内で多様な変化と変形が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明はＳＬＳ法で非晶質シリコンを結晶化する過程において、配列方向が第１及び第２方向に配列されて相互に交差するストライプパターンを各々有する４領域でなされたマスクを利用して、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させてレーザービームを照射することによって正四角形状の一定な大きさを有するグレーンを形成することができる。したがって、このような方法で形成された多結晶シリコン膜を利用して、電界効果移動度が高く、均一な特性を有する薄膜トランジスタを作ることができる。
【００５２】
また、本発明によって形成された多結晶シリコン膜を利用して液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板を製造する場合、ＣＭＯＳのような素子を含む駆動回路を薄膜トランジスタ基板上に一緒に形成することができるので、製造費用及び製造工程を削減することができる。
【００５３】
本発明による非晶質シリコン膜の結晶化方法では、同じ位置にレーザービームが照射される回数が４回と少ないために薄膜表面の酸化が少なく、大気中で結晶化を実施できるので、工程がさらに単純化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な順次側面固状化装置の概略図
【図２】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図３】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図４】 従来の順次側面固状化方法によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図５】 従来の順次側面固状化方法による多結晶シリコンで製作した薄膜トランジスタの電流−電圧特性を図示したグラフ
【図６】 本発明によって多結晶シリコンを製造するためのマスクの概略図
【図７】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図８】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図９】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
【図１０】 本発明によって非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する過程を示した平面図
Claims (11)
- 第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域とを含み、第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されている順次側面固状化マスク。
- 前記第１ないし第４ストライプは、遮光膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の順次側面固状化マスク。
- 前記第１ないし第４ストライプの幅は、前記第１ないし第４スリットの幅以下であることを特徴とする請求項１に記載の順次側面固状化マスク。
- 前記第２領域は、前記第１領域と第３領域の間に位置することを特徴とする請求項１に記載の順次側面固状化マスク。
- 前記第３領域は、前記第１領域と第２領域の間に位置することを特徴とする請求項１に記載の順次側面固状化マスク。
- ａ）第１スリットによって分離された多数の第１ストライプを有する第１領域と、ｂ）第２スリットによって分離されて前記多数の第１ストライプと直交する多数の第２ストライプを有する第２領域と、ｃ）第３スリットによって分離されて前記第１ストライプと平行な多数の第３ストライプを有する第３領域と、ｄ）第４スリットによって分離されて前記第２ストライプと平行な多数の第４ストライプを有する第４領域を含み、第３ストライプが第１スリットに、第４ストライプが第２スリットにそれぞれ対応するように配置されているマスクを利用して順次側面固状化方法で非晶質シリコン膜を結晶化する過程において、非晶質シリコン膜を有する基板上に前記マスクを配置する段階と、前記マスクを通して前記非晶質シリコン膜にレーザービームを照射して前記第１ないし第４領域に対応する領域を結晶化する段階と、前記結晶化された領域を有する基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させる段階と、前記基板を前記マスクの１／４幅だけ移動させた後、前記非晶質シリコン膜にレーザービームを繰り返して照射する段階とを含むことを特徴とする非晶質シリコン膜の結晶化方法。
- 前記レーザービームを、前記非晶質シリコン膜の一つの領域に４回照射することを特徴とする請求項６に記載の非晶質シリコン膜の結晶化方法。
- 前記第１ないし第４ストライプは、遮光膜で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の非晶質シリコン膜の結晶化方法。
- 前記第１ないし第４ストライプの幅は、前記第１ないし第４スリットの幅以下であることを特徴とする請求項６に記載の非晶質シリコン膜の結晶化方法。
- 前記マスクの第２領域は、前記第１領域と第３領域の間に位置することを特徴とする請求項６に記載の非晶質シリコン膜の結晶化方法。
- 前記マスクの第３領域は、前記第１領域と第２領域の間に位置することを特徴とする請求項６に記載の非晶質シリコン膜の結晶化方法。
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