(57)【要約】【課題】シリコンのナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法を提供する。【解決手段】非晶質シリコン膜の表面にシリコンで構成されるナノ粒子を供給する第１段階と、前記ナノ粒子を供給している間に、前記非晶質シリコン膜とその表面に到達する前記ナノ粒子とを間欠的に溶融させる第２段階と、前記非晶質シリコン膜を冷却し、溶融していない前記ナノ粒子を結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜を形成する第３段階と、を含むことを特徴とする非晶質シリコンの結晶化法。これにより、外部から供給されるナノ粒子を結晶核として非晶質シリコン膜を結晶化させて形成される結晶粒径を大きくでき、さらにナノ粒子の数と大きさとを調節することにより結晶粒径のサイズ及びその配列を制御できる。【選択図】　　　図２Ｃ
2004015052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質シリコン膜の表面にシリコンで構成されるナノ粒子を供給する第１段階と、
前記ナノ粒子を供給している間に、前記非晶質シリコン膜とその表面に到達する前記ナノ粒子とを間欠的に溶融させる第２段階と、
前記非晶質シリコン膜を冷却し、溶融していない前記ナノ粒子を結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜を形成する第３段階と、
を含むことを特徴とする非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項２】
前記第２段階は、
前記非晶質シリコン膜の表面に、パルス波形のレーザビームを照射し、前記非晶質シリコン膜と前記ナノ粒子とを間欠的に溶融させることを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項３】
前記第３段階は、
前記多結晶シリコン膜は、前記結晶核を中心に環状に形成することを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項４】
前記第３段階の後に、
前記非晶質シリコン膜の表面に、結晶核として作用しないナノ粒子を除去する第４段階をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項５】
前記第４段階は、
前記結晶核として作用しないナノ粒子と、前記多結晶シリコン膜の表面とを酸化させた後でエッチングし、前記結晶核として作用しないナノ粒子を除去することを特徴とする請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項６】
前記第４段階は、
前記多結晶シリコン膜の表面にスパッタリングを実施して、前記結晶核として作用しないナノ粒子を除去することを特徴とする請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項７】
前記非晶質シリコン膜は、数Å〜数千Åの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項８】
前記非晶質シリコン膜は、１０００Å程度の厚さを有することを特徴とする請求項７に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項９】
前記ナノ粒子は、ヘリウム、窒素及びアルゴンのうちいずれか１つによりなるキャリアガスにより供給されることを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【請求項１０】
前記ナノ粒子は、数ｎｍ〜数十ｎｍの大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法。
【発明の詳細な説明】
【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法に係り、特に、ナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化させる技術は、ガラスまたはプラスチック基板に高性能の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を形成するために必須である。この技術が有用な理由は、前記多結晶シリコンが、前記非晶質シリコンに比べて非常に高い電子移動度を有するので、液晶ディスプレイのような平面ディスプレイの基板に使われるガラス基板上に駆動回路やＴＦＴを形成するのに使われているからである。
【０００３】
図１は、非晶質シリコンを結晶化させる従来技術の工程を模式的に示す図面である。これまでに、非晶質シリコンを多結晶シリコンに製造する方法が多く提示されているが、その中で最も多用される技術は、図１に示すエキシマレーザアニーリング法である。
【０００４】
前記エキシマレーザアニーリング法は、基板に非晶質シリコンを蒸着した後に、エキシマレーザビームを照射して、非晶質シリコンを溶融し、それを結晶化させる方法である。この方法を実施する場合、図１に示すように、照射されるレーザビームのパワーにより非晶質シリコンの溶融程度及び結晶化状態が変わる。
【０００５】
まず、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、レーザビームのエネルギーが、閾値エネルギーに近くなると、少数の非晶質シリコンが結晶核として作用する。
【０００６】
すなわち、図１（ａ）に示すように、レーザビームのパワーが適切に調節され、閾値エネルギー密度に近くなると、基板１１上の非晶質シリコン膜１３の大部分が溶融し、溶融していない一部の非晶質シリコン１５ａが結晶核の役割を果たす。そして、図１（ｂ）に示すように、溶融していない非晶質シリコン１５ａを中心に、溶融した非晶質シリコン膜１３が徐々に冷却して、理想的な結晶粒に成長する。
【０００７】
次に、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、閾値エネルギー以下のレーザビームのパワーで、非晶質シリコン膜１３の上部表面だけが溶融し、それから冷却して、小さな結晶粒に成長する。
【０００８】
すなわち、図１（ｃ）に示すように、レーザビームのパワーが閾値エネルギー密度以下である場合、非晶質シリコン膜１３の表面だけが溶融し、基板１１に近接した非晶質シリコン膜１３には、溶融していない非晶質シリコン１５ｂが残留する。非晶質シリコン膜１３が冷却する過程で、図１（ｄ）に示すように、不均一な結晶粒が形成される。
【０００９】
図１（ｅ）及び図１（ｆ）に示すように、レーザビームのパワーが閾値エネルギー密度以上になると、非晶質シリコン膜１３が完全に溶融し、非晶質シリコンは結晶核として作用せず、不規則な核生成及び結晶成長が起こる。
【００１０】
すなわち、図１（ｅ）に示す、レーザビームのパワーが臨界エネルギー密度以上である場合、非晶質シリコン膜１３は全部溶融し、図１（ｆ）に示すように、冷却すると、不規則な結晶成長が起きて、結晶粒はむしろ小さくなる。
【００１１】
従って、従来のレーザアニーリング技術では、レーザビームのパワーを可能な限り閾値エネルギー密度に近づけて、結晶核の役割を果たす非晶質シリコンを適切に残留させなければならなかった。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度を適切に調節して、結晶核の数、大きさ及び配置を制御することは難く、結晶粒が小さすぎて、不均一に結晶成長するという問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、前記事情に鑑み、非晶質シリコンの結晶化法に係り、シリコンの結晶核の数、大きさ及び配置を調節して大きな結晶粒が均一に成長する非晶質シリコンの結晶化技術において、特に、ナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、まず請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、非晶質シリコン膜の表面にシリコンで構成されるナノ粒子を供給する第１段階と、前記ナノ粒子を供給している間に、前記非晶質シリコン膜とその表面に到達する前記ナノ粒子とを間欠的に溶融させる第２段階と、前記非晶質シリコン膜を冷却し、溶融していない前記ナノ粒子を結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜を形成する第３段階と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記第２段階が、前記非晶質シリコン膜の表面に、パルス波形のレーザビームを照射し、前記非晶質シリコン膜と前記ナノ粒子とを間欠的に溶融させることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記第３段階が、前記多結晶シリコン膜は、前記結晶核を中心に環状に形成することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１または請求項２に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記第３段階の後に、前記非晶質シリコン膜の表面に、結晶核として作用しないナノ粒子を除去する第４段階をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記第４段階が、前記結晶核として作用しないナノ粒子と、前記多結晶シリコン膜の表面とを酸化させた後でエッチングし、前記結晶核として作用しないナノ粒子を除去することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項４に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記第４段階が、前記多結晶シリコン膜の表面にスパッタリングを実施して、前記結晶核として作用しないナノ粒子を除去することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記非晶質シリコン膜は、数Å〜数千Åの厚さを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項７に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記非晶質シリコン膜は、１０００Å程度の厚さを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項９に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記ナノ粒子が、ヘリウム、窒素及びアルゴンのうちいずれか１つによりなるキャリアガスにより供給されることを特徴とする。
【００２２】
請求項１０に記載の非晶質シリコンの結晶化法は、請求項１に記載の非晶質シリコンの結晶化法において、前記ナノ粒子が、数ｎｍ〜数十ｎｍの大きさを有することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の一実施の形態に係る非晶質シリコンの結晶化法に必要な各工程を模式的に示す図面である。
【００２５】
（第１工程）
図２Ａは、非晶質シリコン膜の表面にナノ粒子を供給する第１工程を模式的に示す図面である。
【００２６】
図２Ａに示すように、まず、非晶質シリコンを結晶化させるために、基板２１の表面上に蒸着された非晶質シリコン膜２３ａの表面に、ナノ粒子２５ａを供給する。ここで、ナノ粒子２５ａとしてはシリコン単結晶を含む種々のナノ粒子を用いることができる。
【００２７】
また、基板２１としては、ガラス基板又はプラスチック基板を使用することが好ましい。非晶質シリコン膜２３ａは、数Å〜数千Åの厚さで形成され、特に、１０００Å程度の厚さを有することが好ましい。
【００２８】
ここで、ナノ粒子２５ａを形成するために、エアロゾル・レーザアブレーション法や熱分解法を用いることができる。図５は、本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法に用いられる、エアロゾル・レーザアブレーション法を実施する装置を模式的に示す図面である。
【００２９】
図５に示すように、前記エアロゾル・レーザアブレーション装置は、ミクロンサイズのシリコンパウダからエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置３５と、エアロゾルにレーザビームを照射するエキシマレーザ３７と、エアロゾル発生装置３５から流入するミクロンサイズのシリコンパウダにパルス波形のエキシマレーザビームを照射してナノ粒子２５に形成させるアブレーションチャンバ３１と、ナノ粒子２５のうち所定のサイズのナノ粒子だけを通過させて反応容器２０に供給するサイズ選別装置３３と、を備えて構成される。
【００３０】
なお、図５において、インパクタ３３は、ナノ粒子２５の大きさによる運動の差を利用して数百ｎｍ以上のナノ粒子を分離するために使われる。そして、ニュートライザ３９は、放射線を利用してシリコンパウダやナノ粒子２５を帯電させ、管を通過する時に内壁に吸着されることを防止し、又は、電場を利用してナノ粒子２５をサイズ別に精密に分離するために使われる。
【００３１】
ナノ粒子２５のキャリアガスとしては、ヘリウムガス、窒素ガス、アルゴンガスなどが使われる。なお、ナノ粒子２５は、数ｎｍ〜数十ｎｍのサイズを有する。
【００３２】
（第２工程）
図２Ｂは、ナノ粒子を供給している間に、前記非晶質シリコン膜とその表面に達するナノ粒子とを間欠的に溶融させる第２工程を模式的に示す図面である。
【００３３】
図２Ｂに示すように、ナノ粒子２５ａが供給されている間に、非晶質シリコン膜２３ｂの上部にパルス波形のレーザビーム２７を照射し、非晶質シリコン膜２３ｂと、非晶質シリコン膜２３ｂの表面に到達ナノ粒子２５ｂとを間欠的に溶融させる。
【００３４】
すなわち、レーザビーム２７が照射されている間に、非晶質シリコン膜２３ｂの表面に到達するシリコンナノ粒子２５ｂは、非晶質シリコン膜２３ｂと共に溶融される。
【００３５】
（第３工程）
図２Ｃは、前記非晶質シリコン膜を冷却させて溶融されていない前記ナノ粒子を結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜を形成する第３工程を模式的に示す図面である。
【００３６】
一方、レーザビーム２７が照射されない間に非晶質シリコン膜２３ｂに到達するナノ粒子２５ｃは、図２Ｃに示すように、溶融することなく、多結晶シリコン膜を形成するための結晶核として作用する。ここで、非晶質シリコン膜２３ｂを溶融させるために照射されるレーザビーム２７は、図５に示すように、エキシマレーザ３７から出射されてミラー３０により光路が変換され、反応容器２０に入射される。
【００３７】
そして、レーザビーム２７の照射が完了した後、非晶質シリコン膜２３ｂを冷却し、図２Ｃに示すように、溶融していないナノ粒子２５ｃを結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜２３ｃを形成する。この時、結晶粒のサイズは、供給されるナノ粒子２５ａの密度、結晶化速度、薄膜の冷却速度などの相関関係により決定される。
【００３８】
薄膜が冷却された後で表面に到達するナノ粒子２５ａは、結晶化に寄与できずに表面に突出粒子として残留する。前記突出粒子を除去するために、表面を薄く酸化させてシリコン酸化膜に変化させた後でエッチングすること、あるいは表面に傾斜するようにスパッタリングすることで、前記突出粒子を除去できる。
【００３９】
図３は、本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法で、結晶化させる前後での非晶質シリコンをそれぞれ模式的に示す図面である。図３（ａ）は、結晶化させる前の非晶質シリコン、及び図３（ｂ）は結晶化させた後の非晶質シリコンをそれぞれ模式的に示す。
【００４０】
図３に示すように、ナノ粒子２６ａが結晶核として作用する場合、ナノ粒子２６ｂを中心に結晶粒が形成される。特に、単結晶シリコンで構成されるナノ粒子２６ｂが結晶核として作用する場合、図３（ａ）は、レーザ照射が完了した後の非晶質シリコン膜２３の表面に到達したばかりのナノ粒子２６ａを示す。一方、図３（ｂ）は、非晶質シリコン膜２３が冷却されつつナノ粒子２６ｂを中心に環状の結晶粒が形成されることを示している。
【００４１】
図４は、本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法で、照射するレーザビームのパワーと結晶粒（グレイン）のサイズとの関係を示すグラフである。
【００４２】
図４において、従来のレーザアニーリング技術では、Ｐ１に近いレーザビームのパワーを印加して、非晶質シリコン膜を溶融させて結晶粒のサイズを極大化し、非晶質シリコンが僅かしか残らないようにしたが、レーザビームのパワーを調節が難いため所望の効果を得られなかった。
【００４３】
しかしながら、本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法は、図４のＰ２に該当するパワーを有するレーザビームを照射して非晶質シリコン膜を完全に溶融しても、レーザビームの照射が完了した後で冷却が進行している間に、前記非晶質シリコン膜の表面に達するナノ粒子が、結晶核の役割を果たすため、レーザビームのパワーに大きく依存することなく、結晶粒のサイズを極大化することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法は、以下に示すように優れた効果を奏する。
【００４５】
本発明に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法によれば、外部からシリコンのナノ粒子を供給することにより、レーザビームのパワーに依存することなく、ナノ粒子の数と大きさ、及びその定着する位置を調節でき、シリコンの結晶粒のサイズを大きくかつ均一にできるという効果がある。
【００４６】
以上の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それは発明の範囲を限定するものと見るより、望ましい実施例の例示として解釈さるべきである。例えば、本発明が属する技術分野で当業者ならば、発明の技術的思想により多様なナノ粒子の製造方法を利用して多様な大きさと種類のナノ粒子を提供できるであろう。よって、本発明の範囲は説明された実施例により定められるのではなく、特許請求範囲に記載された技術的思想により定められるべきである。
【００４７】
また、本発明のナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法は、外部で形成されたナノ粒子を結晶核として供給して、溶融及び冷却して、非晶質シリコンを結晶化することができるので、工程が簡単になり、かつ、シリコンの結晶の大きさ、位置及び配列を所望の状態に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非晶質シリコンを結晶化させる従来技術の工程を模式的に示す図面である。
【図２Ａ】非晶質シリコン膜の表面にナノ粒子を供給する第１工程を模式的に示す図面である。
【図２Ｂ】ナノ粒子を供給している間に、前記非晶質シリコン膜とその表面に達するナノ粒子とを間欠的に溶融させる第２工程を模式的に示す図面である。
【図２Ｃ】前記非晶質シリコン膜を冷却させて溶融されていない前記ナノ粒子を結晶核として結晶を成長させることにより多結晶シリコン膜を形成する第３工程を模式的に示す図面である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法で、結晶化させる前後での非晶質シリコンをそれぞれ模式的に示す図面であり、図３（ａ）は、結晶化させる前の非晶質シリコン、及び図３（ｂ）は結晶化させた後の非晶質シリコンをそれぞれ模式的に示す。
【図４】本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法で、照射するレーザビームのパワーと結晶粒（グレイン）のサイズとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施の形態に係るナノ粒子を利用した非晶質シリコンの結晶化法に用いられる、エアロゾル・レーザアブレーション法を実施する装置を模式的に示す図面である。
【符号の説明】
２１　　　基板
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ　　　非晶質シリコン膜
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ　　　ナノ粒子
【図１】
2004015052.tif 000003
【図２Ａ】
2004015052.tif 000004
【図２Ｂ】
2004015052.tif 000005
【図２Ｃ】
2004015052.tif 000006
【図３】
2004015052.tif 000007
【図４】
2004015052.tif 000008
【図５】
2004015052.tif 000009