(57)【要約】【課題】品質の高いシリコン結晶薄膜を形成する方法を提供すること。【解決手段】  シリコン膜が形成された平面基板に、長手形状のレーザスポットを形成する照射手段を相対的に平行移動させて、シリコンを前記移動方向に連続的に再結晶化するシリコン薄膜形成方法であって、レーザスポット短手方向を前記移動方向に対して０°から所定角度傾けて照射手段を平行移動させることを特徴とするシリコン薄膜形成方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン膜が形成された平面基板に、長手形状のレーザスポットを形成する照射手段を相対的に平行移動させて、シリコンを前記移動方向に連続的に再結晶化するシリコン薄膜形成方法であって、
レーザスポット短手方向を前記移動方向に対して０°から所定角度傾けて照射手段を平行移動させることを特徴とするシリコン薄膜形成方法。
【請求項２】
平面基板の一端から他端まで前記移動方向に照射手段を移動させて照射を終えた後、
照射の重なりを持たせるように略照射幅分だけ照射手段を相対的にずらして再び前記一端側から前記移動方向への移動および照射をおこない、
これを順次繰り返すことによりシリコンを再結晶化することを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜形成方法。
【請求項３】
複数の照射手段を、各レーザスポットの長手方向を揃えつつ照射の重なりが生じるように略照射幅分だけずらして配置し、
平面基板の一端から前記移動方向に第一の照射手段を平行移動させてレーザを照射し、
第一の照射手段の移動開始後、隣に位置する照射手段を前記一端側から前記移動方向に平行移動させてレーザ照射し、
これを順次おこなって複数の照射手段によりシリコンを再結晶化することを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ膜形成方法に関し、特に、薄膜トランジスタの高性能化を実現するＳｉ膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、モバイル端末等の特定用途ディスプレイには、ポリシリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が採用されている。結晶シリコン薄膜の形成方法は様々なものがあるが、たとえば、エキシマレーザを用いたシリコン膜の溶融再結晶化法があり、これによれば、基板上のシリコン膜を瞬時に結晶化でき、製造効率高く結晶薄膜を得ることができる。
【０００３】
また、レーザスキャン方向に連続的にラテラル結晶成長させる連続波（ＣＷ）レーザ結晶化技術も研究されている。これによれば、エキシマレーザに比して、装置構成が簡素であり、制御も容易な駆動により、結晶性のよい薄膜を得ることができる。具体的には、エキシマレーザでは、基板界面から上方に向けてランダムに結晶が成長し、粒界の競合により大粒化に制限があるところ、連続波では基板に平行にレーザスキャンを行いスキャン方向に結晶が成長していく結果、薄膜が高品質化するという利点がある（図６）。
【０００４】
しかしながら、ラテラル結晶成長させる場合でも、図３に示したように、基板の平面視において、レーザ中央域とレーザ両端域との三領域で、結晶の成長方向および結晶の大きさが異なり、ＴＦＴとした場合、異方性が生じやすくなってしまう。換言すれば、基板垂直方向に良好である結晶性を、基板平面方向に関しても良好としたい、ひいてはこれにより、より高品質の結晶薄膜を得たい、という潜在的な要求があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０３８８４３号
【特許文献２】特開２０１１−００９６５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、品質の高いシリコン結晶薄膜を形成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載のシリコン薄膜形成方法は、シリコン膜が形成された平面基板に、長手形状のレーザスポットを形成する照射手段を相対的に平行移動させて、シリコンを前記移動方向に連続的に再結晶化するシリコン薄膜形成方法であって、レーザスポット短手方向を前記移動方向に対して０°から所定角度傾けて照射手段を平行移動させることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、請求項１に係る発明は、レーザスポットの進行方向に対して均質的に斜めにラテラル結晶を成長させることができる。
【０００９】
レーザを照射する前のシリコン膜は、特に限定されず、たとえば、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜、ナノパウダーシリコン膜を挙げることができる。レーザスポットは、平行光をそのまま用いてもよく、また、適宜レンズ等で収束させたものを用いることもできる。長手形状とは、長細い長方形の例を挙げることができるほか、実質的に線といえるものも含まれるものとする。このほか、再結晶化に好適であれば長手形状が組み合わさったレーザスポットを採用してもよい。相対的に平行移動させる、とは、平面基板が固定されレーザスポットないし照射手段が移動してもよく、反対に、レーザスポットないし照射手段が固定され平面基板が移動してもよいことを意味する。なお、平行移動の速度は一定であることが好ましい。また、照射手段の相対的な移動は、いわばスキャンと表現することもできる。短手方向とは、長手形状であるレーザスポットの長手方向と直角の方向を意味する。傾ける角度は、結晶の大きさや求める均質性により異なるが、たとえば、１０°〜８０°とすることができ、好ましくは３０°〜６０°、更に好ましくは４０°〜５０°である。なお、平面基板が透明であるときは、シリコン膜が形成された面とは反対の面（裏面）からレーザを照射してもよい。
【００１０】
請求項２に記載のシリコン薄膜形成方法は、請求項１に記載のシリコン薄膜形成方法において、平面基板の一端から他端まで前記移動方向に照射手段を移動させて照射を終えた後、照射の重なりを持たせるように略照射幅分だけ照射手段を相対的にずらして再び前記一端側から前記移動方向への移動および照射をおこない、これを順次繰り返すことによりシリコンを再結晶化することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、請求項２に記載の発明は、断続的にラテラル結晶成長を持続させ、簡便な制御で結晶粒の大面積化と均質化を実現する。
【００１２】
なお、各回の照射手段による照射は、平面基板から同一高さ（距離）で、同一の速さ、同一の長手方向の向きを以ておこなうようにする。照射幅とは、レーザスポットが移動することにより帯状の軌跡が描かれるが、その幅を意味する。照射の重なりを持たせるように略照射幅分ずらす際には、レーザスポット端部で不要なまたは不連続な界面が形成されないようにするのであれば、重なり量は特に限定されない。なお、ずらす方向は、移動方向の両側の二方向があるが、レーザスポットの傾きの進行方向後端側が存在する側にずらしていくのが好ましい。
【００１３】
請求項３に記載のシリコン薄膜形成方法は、請求項１に記載のシリコン薄膜形成方法において、複数の照射手段を、各レーザスポットの長手方向を揃えつつ照射の重なりが生じるように略照射幅分だけずらして配置し、平面基板の一端から前記移動方向に第一の照射手段を平行移動させてレーザを照射し、第一の照射手段の移動開始後、隣に位置する照射手段を前記一端側から前記移動方向に平行移動させてレーザ照射し、これを順次おこなって複数の照射手段によりシリコンを再結晶化することを特徴とする。
【００１４】
すなわち、請求項３に係る発明は、複数の照射手段により断続的にラテラル結晶成長を持続させ、簡便な制御で結晶粒の大面積化と均質化を実現する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、品質の高いシリコン結晶薄膜を形成する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】レーザおよびレーザスポットと基板との関係を示した説明図である。
【図２】本発明により得られるシリコン薄膜の電子顕微鏡写真（粒界顕在化処理後）と、レーザスポットの傾きとスキャン方向とを重ね合わせた図である。
【図３】レーザスポットの短手方向とスキャン方向とが同一である従来方法の連続波レーザ結晶化の電子顕微鏡写真である。
【図４】スキャン幅分だけずらして、同方向にレーザ照射をおこなった場合のシリコン薄膜の電子顕微鏡写真である。
【図５】レーザスポット中央部と両端部について、結晶成長方向とレーザスポットの傾きとの関係を示した説明図である。
【図６】エキシマレーザによる結晶成長と連続波レーザによる結晶成長との違いを基板断面方向について説明した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、ガラス基板の上に、保護膜として厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜をテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料に用いたプラズマ誘起化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）により堆積した後、厚さ４０ｎｍのアモルファスシリコンをシランを原料に用いたＰＥＣＶＤ法により堆積した。その後に５００℃で３０分アニール処理を行い、脱水素化した。
【００１８】
次いで、３７６ｎｍの波長を有するレーザダイオード（出力０．２Ｗ）の発光を、平行光にコリメートした後に集光レンズによって集光し、シリコン膜上にレーザダイオードの発光寸法に近い１．５μｍ×１０μｍの矩形形状としてレーザスポットを形成した。これをシリコン膜に対してスキャンさせながら連続照射した。
【００１９】
照射に際しては、照射手段と基板平面との間隔を維持したまま、レーザスポットの短手方向を、進行方向（スキャン方向）から所定角度傾け、速度１ｍ／ｓでスキャンした。図１は、レーザおよびレーザスポットと基板との関係を示した説明図である。また、図２に、レーザスポットとスキャン方向との位置関係図を示した。
【００２０】
なお、図２には、あわせて、セコエッチング液を使ってシリコン膜の粒界顕在化処理した電子顕微鏡写真も示した。これと比較するため、従来方法すなわちレーザスポットの短手方向とスキャン方向とが揃っている（夾角０°）場合の写真を図３に示した。なお、いずれも結晶の成長の概念図も付している。図示したように、いずれもラテラル結晶粒が観測されるが、従来法では、中央部と両端部とで成長方向が異なり、粒界の大きさも異なる。したがってこれを用いてＴＦＴを形成した場合、トランジスタの特性のばらつきの要因となる可能性が生じる。一方、本発明では、結晶成長が広範囲にわたって均質であることが確認でき、より高品質なＴＦＴ等のデバイスの作成が可能となる。
【００２１】
ただし、図２の写真から明らかなように、写真上部に比較的小さな結晶粒が観測された。そこで、スキャン幅分だけずらして、再度同方向に同様にレーザ照射をおこなった。結果を図４に示す。図では、４回ずらして再結晶化した電子顕微鏡写真をスキャン概念とともに示している。図示したように、１回スキャンで残存した上部の密集粒界が解消され、斜め方向に連続的にラテラル成長していくことが確認できる。これにより、結晶粒の大面積化と均質化が図れ、簡便に高品質なシリコン結晶薄膜が得られることがわかった。
【００２２】
なお、上述の一つのレーザスポットを順次移動させるほか、このラテラル結晶粒の断続的成長は、複数のレーザスポットないしレーザ照射手段を用いて同一方向に順次移動させて得るようにしても良い。
【００２３】
次に、レーザスポットの傾きとラテラル結晶の成長方向との関係を調べた。図５は、レーザスポット中央部と端部（ただし進行方向前端側に位置する端部）について、結晶成長方向とレーザスポットの傾きとの関係を示した説明図である。なお、ここでは横軸θは、レーザスポット短手方向が進行方向となす角（夾角）を示し、縦軸は、ラテラル結晶成長が進行方向に対してなす角度を示している。
【００２４】
図示したように、４５度〜６０度の傾きでそれぞれの位置の結晶成長の方向が近くなることから、３０°〜６０°程度の範囲とすることが好ましく、最も好ましくは４５°前後すなわち４０°〜５０°ということが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、シリコンゲルマカーバイド等の半導体の再結晶化にも適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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