(57)【要約】【課題】パターニングされた金属マスクと粒界フィルタ領域とを利用して大規模な単結晶シリコン薄膜を形成することにより、高品質の薄膜トランジスタチャンネル領域を形成する方法を提供する。【解決手段】単結晶シリコン薄膜形成の形成方法は、非晶質シリコン層をパターニングし、結晶化が始まる第１シリコン領域４１、第１シリコン領域４１の一側中央に位置し、第１シリコン領域４１より狭幅の細長い第２シリコン領域４２、及び第２シリコン領域４２と接して第２シリコン領域４２より広幅の第３シリコン領域４３を形成する工程と、第１シリコン領域４１上に部分的に金属マスク３４を形成する工程と、パターニングされた非晶質シリコン層にレーザビームを照射し、金属マスク３４の下部にある非晶質シリコンを除外した残りの非晶質シリコン層を全体的に溶融させた後で冷却することによって結晶化する工程と、を含む。【選択図】図６Ａ
2006196904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１バッファ層及び非晶質シリコン層を連続して積層する工程と、
前記非晶質シリコン層をパターニングし、結晶化が始まる第１シリコン領域、前記第１シリコン領域の一側中央に位置して前記第１シリコン領域より狭幅の細長い第２シリコン領域、及び前記第２シリコン領域と接して前記第２シリコン領域より広幅の第３シリコン領域を形成する工程と、
前記第１シリコン領域上に部分的に金属マスクを形成する工程と、
前記パターニングされた非晶質シリコン層にレーザビームを照射し、前記金属マスクの下部にある非晶質シリコン以外の非晶質シリコン層を全体的に溶融させた後で冷却することによって結晶化する工程と、
を含むことを特徴とする単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記金属マスクと第１シリコン領域との間に第２バッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記第１バッファ層及び前記第２バッファ層は、
酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項２に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記金属マスクは、
前記第２シリコン領域に向けて形成された頂点を有する多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記金属マスクは、
クロムを含むことを特徴とする請求項４に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項６】
溶融した非晶質シリコンの結晶化は、
前記第１シリコン領域内の金属マスク周辺から始まり、前記第２シリコン領域及び前記第３シリコン領域に進み、前記金属マスクの辺に垂直方向に粒界が形成されることを特徴とする請求項４に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項７】
前記第２シリコン領域には、無粒界の単結晶シリコンが形成されることを特徴とする請求項６に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項８】
前記金属マスク上に反射金属層をさらに形成することを特徴とする請求項４に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項９】
前記反射金属層は、
アルミニウムを含むことを特徴とする請求項８に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１０】
前記第１バッファ層と前記非晶質シリコン層との間に窒化シリコン層をさらに形成することを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１１】
前記第２シリコン領域は、
前記第１シリコン領域の一辺に対して垂直に形成されることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１２】
前記第２シリコン領域は、
前記第１シリコン領域の一辺に対して斜めに形成されることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のうちいずれか１項に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法により、単結晶シリコン薄膜を形成する工程と、
前記第１シリコン領域上の金属マスクを除去する工程と、
前記第１シリコン領域及び第３シリコン領域をドーピングし、ソース及びドレインをそれぞれ形成する工程と、
前記第２シリコン領域上にゲート層を形成する工程と、を含み、
前記第２シリコン領域は、前記ソース及びドレイン間のチャンネル領域になることを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法。
【請求項１４】
基板上に第１バッファ層、窒化シリコン層及び非晶質シリコン層を連続して積層する工程と、
前記非晶質シリコン層をパターニングし、結晶化が始まる第１シリコン領域、前記第１シリコン領域の一側中央に位置し、前記第１シリコン領域より狭幅の細長い第２シリコン領域、及び前記第２シリコン領域と接して前記第２シリコン領域より広幅の第３シリコン領域を形成する工程と、
前記第１シリコン領域上に部分的に第２バッファ層、金属マスク及び反射金属層を連続して形成する工程と、
前記パターニングされた非晶質シリコン層にレーザビームを照射し、前記金属マスクの下部にある非晶質シリコン以外の非晶質シリコン層を全体的に溶融させた後で冷却することによって結晶化する工程と、
を含むことを特徴とする単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１５】
前記金属マスクは、
前記第２シリコン領域に向けて形成された頂点を有する多角形状であることを特徴とする請求項１４に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１６】
前記金属マスクは、
クロムを含み、
前記反射金属層は、
アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１７】
前記第１バッファ層及び前記第２バッファ層は、
酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１８】
溶融された非晶質シリコンの結晶化は、
前記第１シリコン領域内の金属マスク周辺から始まり、前記第２シリコン領域及び前記第３シリコン領域に進み、前記金属マスクの辺に垂直方向に粒界が形成されることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１９】
前記第２シリコン領域には、無粒界の単結晶シリコンが形成されることを特徴とする請求項１８に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項２０】
前記第２シリコン領域は、
前記第１シリコン領域の一辺に対して垂直に形成されることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項２１】
前記第２シリコン領域は、
前記第１シリコン領域の一辺に対して斜めに形成されることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項２２】
請求項１４または請求項１５に記載の単結晶シリコン薄膜の形成方法により、単結晶シリコン薄膜を形成する工程と、
前記第１シリコン領域上の第２バッファ層、金属マスク及び反射金属層を除去する工程と、
前記第１シリコン領域及び第３シリコン領域をドーピングし、ソース及びドレインをそれぞれ形成する工程と、
前記第２シリコン領域上にゲート層を形成する工程と、を含み、
前記第２シリコン領域は、前記ソース及びドレイン間のチャンネル領域になることを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶シリコンから構成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｔｅｒ）のチャンネル領域を形成する方法に係り、さらに詳細には、パターニングされた金属マスクと粒界フィルタ領域とを利用して大規模な単結晶シリコン薄膜を形成することにより、高品質薄膜トランジスタのチャンネル領域を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図面を参照して従来の薄膜トランジスタＬＣＤについて説明する。ここで参照する図１Ａ，Ｂは、従来の技術による薄膜トランジスタの形成方法を示す断面図である。
薄膜トランジスタＬＣＤのような平板ディスプレイを構成する材料のうち最も核心的な部分は、スイッチング素子である薄膜トランジスタであるといえる。一般的に、このような薄膜トランジスタのチャンネルは、非晶質状態のシリコン（非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ））または非晶質シリコンを結晶化させた結晶状態のシリコンから形成される。すなわち、図１Ａに示すように、ガラスやシリコンまたはプラスチックなどからなる基板１１上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）のバッファ層１２を形成した後、バッファ層１２上に非晶質シリコン層１３を蒸着した後、非晶質シリコン層１３をパターニングしてドーピングすることにより、図１Ｂに示すように薄膜トランジスタ１４を形成する。この場合、薄膜トランジスタ１４のチャンネル領域は、非晶質シリコンになる。
【０００３】
ところで、非晶質シリコンは、電荷移動度が低くて高速動作が困難であり、従って高解像度のディスプレイには適用し難い。このような問題を改善するために、図１Ａに示す非晶質シリコン層１３を結晶化して多結晶シリコンを形成した後に、図１Ｂに示すように薄膜トランジスタ１４を形成する。この場合、薄膜トランジスタ１４のチャンネル領域は、多結晶シリコンになる。多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は、電荷移動度がａ−Ｓｉに比べて１００倍以上速いという長所を有している。かかる長所により、駆動回路を別途に装着せずにディスプレイパネルに内蔵でき、製造コストを下げたり、ディスプレイパネルをスリム化したりすることが可能なだけではなく、大面積高解像度ディスプレイを具現できる。
【０００４】
基板上に蒸着された非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法としては、エキシマレーザを利用した結晶化法（ＥＬＡ：Ｅｘｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）と、固相法（ＳＰＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）などがあり、最近にはＥＬＡ法をさらに改良した金属誘導側面結晶化法（ＭＩＬＣ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）や、連続粒界固相化法（ＣＧＳ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｇｒａｉｎ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）も使われている。このような方法は、いずれも非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）薄膜に結晶化する方法である。
【０００５】
しかし、多結晶シリコン薄膜の場合にも、多数の粒界によって電荷の流れが妨害される。従って、さらに優秀な電気的な特性を得るためには、薄膜トランジスタのチャンネルが形成される領域全体が１つの単結晶シリコンから構成されることが最も望ましい。
【０００６】
図２Ａ〜Ｃは、単結晶シリコンを形成する従来の方法を概略的に示す図面である。図２Ｄは、結晶化法で使われるマスクを示す図面である。
【０００７】
図２Ｄに示すように、マスク１５には長方形状の多数の第１開口１６及び第２開口１７が一定の間隔で縦方向に二列に隣接して形成されている。このとき、前記第１開口１６と第２開口１７は、互いにジグザグ状に配置される。
【０００８】
このような形態のマスク１５を非晶質シリコン上に所定間隔をおいて配置した後、マスク１５を介してレーザビームを垂直に照射すれば、第１開口１６及び第２開口１７と対応する領域の非晶質シリコンだけが溶融される。レーザビームにより照射された非晶質シリコンが完全に溶融すれば、レーザビームの照射を中断する。それにより、溶融した非晶質シリコンが冷却されつつ、図２Ａに示すように、溶融されたシリコンの外側の境界面から結晶化が始まって内側に結晶化が進む。このとき、シリコン結晶の粒界は、溶融されたシリコンの外側の境界面に対してほぼ９０゜方向に進む。図３Ａは、このようにして結晶化された図２Ａの‘Ａ’で表示された領域を表す写真を示す図面である。図３Ａに示すように、上側境界面と下側境界面とから中心部に向かって結晶化が進み、縦に微細な粒界が形成されており、両側から進んだ結晶化が中心部で出合いつつ横方向に太い粒界が形成される。
【０００９】
その後、図２Ｂに示すように、マスク１５を水平に移動して結晶が形成された領域間の非晶質シリコンを溶融させる。すなわち、図２Ａで、マスク１５の第２開口１７を通過したレーザビームにより溶融された領域間にある非晶質シリコンが、図２Ｂではマスク１５の第１開口１６を通過したレーザビームにより溶融される。このとき溶融される部分の外側の境界面は、図２Ａですでに結晶化された領域と接するか、または部分的に重複される。レーザビームの照射を中断し、溶融された部分が徐々に冷却されれば、図２Ｃに示すように、非晶質シリコンが結晶化される。すなわち、すでに先に結晶化された領域でまず生成されている結晶を基準として連続して結晶化が進む。図３Ｂは、このようにして結晶化された図２Ｃの‘Ｂ’で表示された領域を表す写真を示す図面である。図３Ｂに示すように、一方向だけに粒界が形成された大きくて連続的な結晶粒（グレイン：ｇｒａｉｎ）が成長される。
【００１０】
図４は、アルミニウムマスクを利用した他の従来のシリコン結晶化法を示す断面図である。図４に示すように、酸化シリコンのような酸化物基板２０上に非晶質シリコン層２１を形成し、非晶質シリコン層２１上にアルミニウムからなるマスク２３を部分的に形成する。その後、エキシマレーザなどを利用して非晶質シリコン層２１上に垂直にレーザビームを照射する。これにより、マスク２３により遮蔽されレーザビームが当たらない非晶質シリコン層２１の一部は溶融せず、レーザビームに直接露出された非晶質シリコン層２２だけが溶融する。レーザビームの照射が中断されると、熱伝導性の比較的高いマスク２３を介して速い速度で熱が抜け出る一方、マスク２３との境界部分から内側に結晶化が進む。
【００１１】
この方法によれば、比較的サイズの大きい単結晶シリコンを得ることができる。しかし、この方法でも相変らず粒界を完全に除去できず、結晶内に多数の微細な粒界が存在してしまう。特に、粒界の垂直方向は、電荷移動度がかなり低くなってしまうという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明は、前述の従来の問題点を改善し、サイズがさらに大きくて粒界のほとんどない単結晶シリコン薄膜を形成できる方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の目的は、パターニングされた金属マスクと粒界フィルタ領域とを利用して大規模な単結晶シリコン薄膜を形成することにより、高品質の薄膜トランジスタチャンネル領域を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、基板上に第１バッファ層及び非晶質シリコン層を連続して積層する工程と、前記非晶質シリコン層をパターニングし、結晶化が始まる第１シリコン領域、前記第１シリコン領域の一側中央に位置して前記第１シリコン領域より狭幅の細長い第２シリコン領域、及び前記第２シリコン領域と接して前記第２シリコン領域より広幅の第３シリコン領域を形成する工程と、前記第１シリコン領域上に部分的に金属マスクを形成する工程と、前記パターニングされた非晶質シリコン層にレーザビームを照射し、前記金属マスクの下部にある非晶質シリコン以外の非晶質シリコン層を全体的に溶融させた後で冷却することによって結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスクと第１シリコン領域との間に第２バッファ層が形成されていてもよい。
【００１６】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第１バッファ層及び前記第２バッファ層が、酸化シリコンを含んでいてもよい。
【００１７】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスクが、前記第２シリコン領域に向けて形成された頂点を有する多角形状であってもよい。
【００１８】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスクが、クロムを含んでいてもよい。
【００１９】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、溶融した非晶質シリコンの結晶化が、前記第１シリコン領域内の金属マスク周辺から始まり、前記第２シリコン領域及び前記第３シリコン領域に進み、前記金属マスクの辺に垂直方向に粒界が形成されてもよい。
【００２０】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域には、無粒界の単結晶シリコンが形成されてもよい。
【００２１】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスク上に反射金属層をさらに形成してもよい。
【００２２】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記反射金属層が、アルミニウムを含んでいてもよい。
【００２３】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第１バッファ層と前記非晶質シリコン層との間に窒化シリコン層をさらに形成してもよい。
【００２４】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域が、前記第１シリコン領域の一辺に対して垂直に形成されてもよい。
【００２５】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域が、前記第１シリコン領域の一辺に対して斜めに形成されてもよい。
【００２６】
本発明に係る薄膜トランジスタの形成方法は、前記単結晶シリコン薄膜の形成方法により、単結晶シリコン薄膜を形成する工程と、前記第１シリコン領域上の金属マスクを除去する工程と、前記第１シリコン領域及び第３シリコン領域をドーピングし、ソース及びドレインをそれぞれ形成する工程と、前記第２シリコン領域上にゲート層を形成する工程と、を含み、前記第２シリコン領域は、前記ソース及びドレイン間のチャンネル領域になることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、基板上に第１バッファ層、窒化シリコン層及び非晶質シリコン層を連続して積層する工程と、前記非晶質シリコン層をパターニングし、結晶化が始まる第１シリコン領域、前記第１シリコン領域の一側中央に位置し、前記第１シリコン領域より狭幅の細長い第２シリコン領域、及び前記第２シリコン領域と接して前記第２シリコン領域より広幅の第３シリコン領域を形成する工程と、前記第１シリコン領域上に部分的に第２バッファ層、金属マスク及び反射金属層を連続して形成する工程と、前記パターニングされた非晶質シリコン層にレーザビームを照射し、前記金属マスクの下部にある非晶質シリコン以外の非晶質シリコン層を全体的に溶融させた後で冷却することによって結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスクが、前記第２シリコン領域に向けて形成された頂点を有する多角形状であってもよい。
【００２９】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記金属マスクが、クロムを含み、前記反射金属層が、アルミニウムを含んでいてもよい。
【００３０】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第１バッファ層及び前記第２バッファ層が、酸化シリコンを含んでいてもよい。
【００３１】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、溶融された非晶質シリコンの結晶化が、前記第１シリコン領域内の金属マスク周辺から始まり、前記第２シリコン領域及び前記第３シリコン領域に進み、前記金属マスクの辺に垂直方向に粒界が形成されてもよい。
【００３２】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域には、無粒界の単結晶シリコンが形成されてもよい。
【００３３】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域が、前記第１シリコン領域の一辺に対して垂直に形成されてもよい。
【００３４】
本発明に係る単結晶シリコン薄膜の形成方法は、前記第２シリコン領域が、前記第１シリコン領域の一辺に対して斜めに形成されてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの形成方法は、単結晶シリコン薄膜の形成方法により、単結晶シリコン薄膜を形成する工程と、前記第１シリコン領域上の第２バッファ層、金属マスク及び反射金属層を除去する工程と、前記第１シリコン領域及び第３シリコン領域をドーピングし、ソース及びドレインをそれぞれ形成する工程と、前記第２シリコン領域上にゲート層を形成する工程と、を含み、前記第２シリコン領域は、前記ソース及びドレイン間のチャンネル領域になることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、サイズが大きくて粒界のほとんどない単結晶シリコン薄膜を簡単な方法により形成可能である。また、大規模単結晶シリコンをチャンネル領域として活用することにより、高品質の薄膜トランジスタを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図５Ａ，Ｂは、本実施形態に係るシリコン結晶化法のための層構造を示す断面図である。図６Ａ〜図６Ｄは、本実施形態に係るシリコン結晶化過程を示す平面図である。
【００３８】
まず、図５Ａに示すように、基板３０上に第１バッファ層３１を形成し、第１バッファ層３１上に非晶質シリコン層３２を形成する。基板３０としては、シリコン、ガラスまたはプラスチックなどを使用でき、第１バッファ層３１としては、主にＳｉＯ２のような絶縁性材料を使用する。その後、非晶質シリコン層３２を図６Ａに示す形にパターニングする。非晶質シリコン層３２のパターニングは、例えば、公知のフォトリソグラフィ法を利用する。従来の結晶化法の場合、非晶質シリコンをまず結晶化した後で、多結晶または単結晶シリコンをパターニングして薄膜トランジスタを形成した。しかし、本発明の場合、非晶質シリコンをまずパターニングした後、パターニングした非晶質シリコンを単結晶に結晶化する。
【００３９】
図６Ａに示すように、パターニングした非晶質シリコン層３２は、結晶化が始まる長方形状の第１シリコン領域４１、第１シリコン領域４１の一側中央に位置し、第１シリコン領域４１より狭幅の細長い形態の第２シリコン領域４２、及び第２シリコン領域４２より広幅の第３シリコン領域４３に区分される。従って、パターニングされた非晶質シリコン層３２の全体的な様子は、第２シリコン領域４２がくびれており、第１シリコン領域４１及び第３シリコン領域４３は、一定幅を有するアレイ状である。一方、図６Ａに示すように、第３シリコン領域４３は、第２シリコン領域４２との境界から順次幅が大きくなっていき、幅が一定になる形態を取ることも可能である。
【００４０】
このとき、結晶の成長は、第１シリコン領域４１から始まり、第２シリコン領域４２と第３シリコン領域４３とに向けて進む。すなわち、第１シリコン領域４１は、結晶化が始まる成長開始領域であり、第２シリコン領域４２は、第１シリコン領域４１で発生した粒界を遮断し、単結晶が成長する粒界フィルタリング領域になる。後述するが、結晶化作業の完了後、第１シリコン領域４１及び第３シリコン領域４３には、薄膜トランジスタのソースまたはドレインが形成され、第２シリコン領域４２は、ソースとドレインとの間のチャンネル領域になる。
【００４１】
このように非晶質シリコン層３２のパターニングが完了すれば、図６Ａに示すように、第１シリコン領域４１内に金属マスク３４を部分的に形成する。金属マスク３４の材料として、レーザビームを遮断するか、または反射できるいかなる種類の金属も使用可能であるが、例えば、比較的熱に強いクロム（Ｃｒ）を使用することができる。また、金属マスク３４を形成する前に、例えば、ＳｉＯ２のような絶縁性材料から構成された第２バッファ層をまず形成し、第２バッファ層上に金属マスク３４を形成することも可能である。
【００４２】
金属マスク３４は、第１シリコン領域４１で結晶成長が始まるように結晶核を形成する役割を担う。また、金属マスク３４は、結晶成長時に発生する粒界が第２シリコン領域４２に進まないように、第２シリコン領域４２と対向する位置に頂点を有することが重要である。図６Ａに示す金属マスク３４は、第２シリコン領域４２に向けて頂点が形成された菱形状となっている。しかし、金属マスク３４は、菱形以外に他のいかなる形態をなしてもよい。例えば、金属マスク３４は、頂点が第２シリコン領域４２に向かうシェブロン状（山形状：「∧」状）でもあり、第１シリコン領域４１の他側（図６Ｂの下辺）をいずれも覆う三角形または五角形の形を取ることも可能である。このとき、頂点の内角が大きすぎれば、金属マスク３４の両辺に垂直方向に形成される粒界が第２シリコン領域４２に進むことがあるので、金属マスク３４の第２シリコン領域４２側の頂点の内角は、１０〜１２０゜ほどの範囲にあることが望ましい。
【００４３】
図５Ｂは、このように形成された最終的な層構造を図示する。図５Ｂに示すように、基板３０上に、第１バッファ層３１、パターニングされた非晶質シリコン層３２、第２バッファ層３３及び金属マスク３４が連続的に積層されている。
【００４４】
このように、非晶質シリコン層３２のパターニングと金属マスク３４の形成とが完了すれば、パターニングされた非晶質シリコン層３２の上から垂直に非晶質シリコン層３２全体にレーザビームを照射する。このために使用するレーザとしては、例えば、エキシマレーザを使用できる。レーザビームの照射は、非晶質シリコン層３２が完全に溶融されるまで続く。レーザビームの照射により、非晶質シリコン層３２が全体的に溶融されても、金属マスク３４の下部にある非晶質シリコン層３２は、金属マスク３４によりレーザビームが遮断されるために、溶融されずに残っている。
【００４５】
従って、金属マスク３４の下部の溶融されていない非晶質シリコン層３２は、レーザビームの照射が中断されれば、結晶成長が始まる結晶核としての役割を担う。図６Ｂは、レーザビームの照射が中断された後、金属マスクの周辺から結晶化が始まる様子を示す図面である。図６Ｂに示すように、溶融した液状シリコン（ｌ−Ｓｉ）４５の結晶化が、金属マスク３４の各辺から一定速度で進行しており、金属マスク３４の各辺に金属マスク３４の各辺に対し垂直方向に粒界が形成されている。しかし、金属マスク３４の頂点からは、ほとんど粒界が発生しない。
【００４６】
図６Ｃは、第２シリコン領域まで結晶化が進んだ様子を示す図面である。図６Ｄは、最終的に、第３シリコン領域まで結晶化が進み、シリコン層全体が結晶化された様子を示す図面である。図６Ｃに示すように、金属マスク３４の頂点では、ほとんど粒界が発生しないために、結晶化過程で発生する粒界は、ほとんど第１シリコン領域４１内で斜め（金属マスク３４の各辺に対し垂直方向）に進む。従って、第１シリコン領域４１の一辺の中心部分にある狭い第２シリコン領域４２には、ほとんど粒界が達することがない。第２シリコン領域４２の長さが長ければ長いほど、粒界が第２シリコン領域４２を通過する可能性は低くなる。このように、第２シリコン領域４２から第３シリコン領域４３に至るまで、完全に近い単結晶シリコンを形成できる。
【００４７】
一方、第１シリコン領域４１から始まった結晶化が第３シリコン領域４３に達するまでに、第３シリコン領域４３が約１，４００Ｋ以下の温度に降下すれば、第３シリコン領域４３の内部でも、多数の結晶核の形成が始まる。そして、このように形成された結晶核を中心に第３シリコン領域４３内で結晶化が始まる。それにより、第３シリコン領域４３は、多結晶シリコンになる。第３シリコン領域４３の場合、その後ドーピング処理されてソースまたはドレインが形成されるために、必ずしも完全な単結晶シリコンになることを要求しない。従って、第３シリコン領域４３が多結晶シリコンからなることは、あまり問題にならない。しかし、第３シリコン領域４３で始まった結晶化が第２シリコン領域４２にまで進むことがあってはならない。例えば、パターニングされたシリコン層の全体の長さを約１０μｍとするとき、結晶化速度が一般的に約１０ｎｍ／ｓであるので、１００ｎｓから５００ｎｓほどで第１シリコン領域４１で始まった結晶化が第２シリコン領域４２を通過して進む。従って、前記時間内に第３シリコン領域４３の温度が１，４００Ｋ以下に冷却しないように十分に加熱すれば、第２シリコン領域４２では、ほとんど完全な単結晶シリコンが形成可能である。
【００４８】
ところで、金属マスク３４として使用する金属の反射度が低い場合、レーザビームを十分に反射できずにレーザビームから発生する熱を吸収してしまう。理想的には、金属マスク３４の下の非晶質シリコンは、全く溶融されずに、冷却時に結晶核として作用しなければならない。しかし、金属マスク３４がレーザビームを反射できずに熱を吸収する場合、金属マスク３４下の非晶質シリコンが熱により溶融され、結晶核の役割を果たせなくなるおそれがある。
【００４９】
図７Ａ及び図７Ｂは、金属マスクの材料としてクロム（Ｃｒ）を使用した場合の顕微鏡写真を示す図面であり、金属マスクを除去し、金属マスクの下にあったシリコン層を拡大して図示している。図７Ａに示すように、菱形の金属マスク３４があった位置を容易に識別できる。図７Ａに示すように、金属マスク３４としてクロムを使用した場合、金属マスク３４が形成されていた部分の内側の非晶質シリコンもやはり大部分溶融していることが分かる。図７Ｂは、図７Ａの‘Ｃ’で表示された四角形の部分を拡大した写真を示す図面である。図７Ｂに示すように、金属マスク３４が形成されていた部分の下の非晶質シリコンが溶融されていて冷却されつつ、結晶化がむしろ金属マスク３４が形成されていた部分の内部に進み、金属マスク３４が形成されていた部分の外側には進んでいないということが分かる。
【００５０】
従って、金属マスク３４の反射度を高める必要があり、例えば、アルミニウムのように反射度が高い金属を使用する必要がある。しかし、反射度が比較的高いアルミニウムは熱に弱いために、アルミニウムを金属マスク３４として使用する場合、金属マスク３４がレーザビームに長時間露出されつつ非晶質シリコンと共に金属マスク３４もやはり溶融されることもある。
【００５１】
図８は、このような問題点を改善するための他の実施形態の層構造を示す図面である。図８に示すように、先の実施形態で説明したのと同様に、非晶質シリコン層３２上に第２バッファ層３３と金属マスク３４とを形成した後、金属マスク３４上にレーザビームの反射のための反射金属層３５を形成する。例えば、金属マスク３４として熱に比較的強いクロムを使用し、反射金属層３５として反射度の比較的高いアルミニウムを使用する。このような構造によれば、反射金属層３５がレーザビームを十分に反射するために、金属マスク３４が加熱されずに、金属マスク３４自体の熱による変形も防止できる。従って、金属マスク３４の下部の非晶質シリコンが溶融されずに結晶核として作用可能となる。
【００５２】
一方、非晶質シリコン層３２を結晶化するために完全に溶融すれば、溶融した液状のシリコン（ｌ−Ｓｉ）に表面張力が発生する。また、第１バッファ層３１を構成する酸化シリコン（ＳｉＯ２）は、溶融した液状シリコンとの界面エネルギーが大きいために、第１バッファ層３１上の液状シリコンが流れやすい。従って、図９Ａに示すように、酸化シリコンからなる第１バッファ層３１上の液状の非晶質シリコン層３２は、表面張力により液状の非晶質シリコン層３２の中心に向けて流れながら集塊するようになる。その結果、非晶質シリコン層３２を完全に溶融させる場合、図６Ａに示す形態を保持できなくなるおそれがある。ここで図９Ａは、酸化シリコンバッファ層上に直接形成された非晶質シリコン層が液化される場合の集塊現象を図示する断面図である。
【００５３】
これを防止するために、溶融した液状シリコンとの接着性にすぐれ、かつ液状シリコンの中心に向けての流れと集塊とを防止できる集塊防止層を第１バッファ層３１と非晶質シリコン層３２との間に設ける必要がある。このような集塊防止層としては、液状シリコンとの界面エネルギーが比較的低い物質を使用することが好ましい。例えば、集塊防止層として窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を使用することが望ましい。図９Ｂは、第１バッファ層と非晶質シリコン層との間に窒化シリコン層を挿入した層構造を示す図面である。このような構造によれば、非晶質シリコン層３２が完全に溶融されても、図９Ｃに示すように、溶融した非晶質シリコンが窒化シリコン層３６上で流れずに安定的に付着するようになる。ここで、図９Ｃは、酸化シリコンバッファ層と非晶質シリコン層との間に窒化シリコン薄膜を形成することにより、集塊現象を緩和させた様子を図示する断面図である。また、窒化シリコン層３６は、液状シリコンを流さずに固定させることができるため、液状シリコン内に結晶核が形成されることもまた抑制できる。従って、非晶質シリコン層３２の下に窒化シリコン層３６を設けることにより、純粋な単結晶シリコンが成長できる領域の大きさを増大させることもできる。
【００５４】
図１０Ａは、反射金属層と窒化シリコン層とを含む薄膜トランジスタの層構造を示す断面図である。図１０Ｂは、反射金属層と窒化シリコン層とを含む薄膜トランジスタの平面図である。図１０Ａに示すように、シリコン、ガラスまたはプラスチックなどからなる基板３０上に、酸化シリコンからなる第１バッファ層３１が形成されており、第１バッファ層３１上には、窒化シリコン層３６と非晶質シリコン層３２とが順に形成されている。ここで、図１０Ｂ及び図１１に示すように、窒化シリコン層３６と非晶質シリコン層３２は、結晶化が始まる長方形状の第１シリコン領域４１、第１シリコン領域４１の一側中央に位置し、第１シリコン領域４１より狭幅の細長い形態の第２シリコン領域４２、及び第２シリコン領域４２より広幅の第３シリコン領域４３に区分される。そして、非晶質シリコン層３２の一側には、例えば、酸化シリコンからなる第２バッファ層３３、クロムからなる金属マスク３４、アルミニウムからなる反射金属層３５が順次積層されている。
【００５５】
図１１は、このような本実施形態によって結晶化された単結晶シリコン層を図示する平面図である。結晶化過程が完了することによって、第１シリコン領域４１は、比較的大きい粒界を有する多結晶シリコン領域になり、第２シリコン領域４２は、粒界が全くない純粋な単結晶シリコン領域になり、第３シリコン領域４３は不規則な小さな粒界が多数形成された多結晶シリコン領域になった。たとえ、図１１では第３シリコン領域４３が多結晶シリコン領域と図示されているとしても、前述のように、非晶質シリコン層の全体的な長さが短いか、または溶融温度が十分に高ければ、単結晶シリコンを成長させることも可能である。
【００５６】
図１２に示すように、このように結晶化されたシリコン層は、薄膜トランジスタを製造することに使うことが可能である。例えば、第１シリコン領域４１のマスク関連層、すなわち、第２バッファ層３３、金属マスク３４及び反射金属層３５をまず除去する。その後、第１シリコン領域４１と第３シリコン領域４３とをｎ＋でドーピングし、その上にアルミニウムのような金属電極を蒸着することにより、ソース５４とドレイン５５とを形成できる。この場合、純粋な単結晶からなる第２シリコン領域４２は、ソース５４とドレイン５５との間のチャンネルの役割を果たす。第２シリコン領域４２は、無粒界に近い純粋な単結晶であるために、電荷移動度が非常に高い。従って、第２シリコン領域４２は、非常に優秀な電気的特性を有するチャンネルになる。そして、第２シリコン領域４２上には、ゲート５６が形成されて薄膜トランジスタが完成する。
【００５７】
一方、図６Ａに示すように、第２シリコン領域４２が第１シリコン領域４１の一辺から垂直に形成される場合、金属マスク３４の頂点で偶然に発生した粒界が直進し、第２シリコン領域４２内に達することもある。粒界の直進が激しい場合には、粒界が第２シリコン領域４２を貫通することもある。それにより、粒界によって第２シリコン領域４２に純粋な単結晶が形成されずに電荷移動度が低くなるなどの薄膜トランジスタの性能の低下をもたらすこともある。図１３は、それを防止するための本発明の他の実施形態に係るシリコン層の形態を示す平面図である。図１３に示すように、狭幅の第２シリコン領域４２が第１シリコン領域４１に対して斜めに形成される。この場合、金属マスク３４の頂点から発生した粒界が直進しても、第２シリコン領域４２の入口部分までに達するだけである。従って、第１シリコン領域４１で発生した粒界は、前記第２シリコン領域４２の内部に達し、または第２シリコン領域４２を貫通することはない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、単結晶シリコンから構成された薄膜トランジスタと共に単結晶を利用し、半導体素子の製造に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】従来の技術による薄膜トランジスタの形成方法を示す断面図である。
【図１Ｂ】従来の技術による薄膜トランジスタの形成方法を示す断面図である。
【図２Ａ】従来の技術によるシリコン結晶化法を概略的に図示する図面である。
【図２Ｂ】従来の技術によるシリコン結晶化法を概略的に図示する図面である。
【図２Ｃ】従来の技術によるシリコン結晶化法を概略的に図示する図面である。
【図２Ｄ】図２Ａないし図２Ｃの結晶化法で使われるマスクを図示する図面である。
【図３Ａ】図２Ａの‘Ａ’で表示された領域を表す写真である。
【図３Ｂ】図２Ｃの‘Ｂ’で表示された領域を表す写真である。
【図４】アルミニウムマスクを利用した他の従来のシリコン結晶化法を示す断面図である。
【図５Ａ】本実施形態に係るシリコン結晶化法のための層構造を示す断面図である。
【図５Ｂ】本実施形態に係るシリコン結晶化法のための層構造を示す断面図である。
【図６Ａ】本実施形態に係るシリコン結晶化過程を示す平面図である。
【図６Ｂ】本実施形態に係るシリコン結晶化過程を示す平面図である。
【図６Ｃ】本実施形態に係るシリコン結晶化過程を示す平面図である。
【図６Ｄ】本実施形態に係るシリコン結晶化過程を示す平面図である。
【図７Ａ】金属マスクの材料としてクロム（Ｃｒ）を使用した場合の顕微鏡写真を示す図面である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの‘Ｃ’で表示された四角形の部分を拡大した写真を示す図面である。
【図８】他の実施形態の層構造を示す図面である。
【図９Ａ】酸化シリコンバッファ層上に直接形成された非晶質シリコン層が液化される場合の集塊現象を図示する断面図である。
【図９Ｂ】第１バッファ層と非晶質シリコン層との間に窒化シリコン層を挿入した層構造を示す図面である。
【図９Ｃ】酸化シリコンバッファ層と非晶質シリコン層との間に窒化シリコン薄膜を形成することにより、集塊現象を緩和させた様子を図示する断面図である。
【図１０Ａ】反射金属層と窒化シリコン層とを含む薄膜トランジスタの層構造を示す断面図である。
【図１０Ｂ】反射金属層と窒化シリコン層とを含む薄膜トランジスタの平面図である。
【図１１】本発明によって結晶化された単結晶シリコン層を図示する平面図である。
【図１２】本発明によって結晶化された単結晶シリコン層を利用して形成された薄膜トランジスタを図示する平面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係るシリコン層の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１１，３０  基板
１２    バッファ層
３１    第１バッファ層
１３，２１，３２  非晶質シリコン層
１４    薄膜トランジスタ
１５，２３    マスク
１６    第１開口
１７    第２開口
２０    酸化物基板
２２    溶融される非晶質シリコン層
３３    第２バッファ層
３４    金属マスク
３５    反射金属層
３６    窒化シリコン層
４１    第１シリコン領域
４２    第２シリコン領域
４３    第３シリコン領域
４５    液状シリコン
５４    ソース
５５    ドレイン
５６    ゲート
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2006196904.tif 000004
【図２Ｄ】
2006196904.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
2006196904.tif 000007
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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