(57)【要約】 【課題】ＳＬＳ結晶化法で多結晶シリコン薄膜を製造する場合製造される多結晶シリコンの形状を制御する方法及びこれを利用して製造された多結晶シリコン薄膜の提供並びに、上記製造された多結晶シリコン薄膜を用いてアクティブチャネル方向によるＴＦＴ特性の依存性がない優秀な特性を有するＴＦＴを提供する。【解決手段】本発明は多結晶シリコン薄膜、これの製造方法及びこれを利用して製造された薄膜トランジスタに係り、隣接したプライマリ結晶粒境界が平行せずにプライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいことを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜及びレーザーが透過するライン形態のパターンとレーザーが透過することができないパターンが混合された構造を有するマスクを用いて非晶質シリコンをレーザーを利用して結晶化する段階を含むことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接したプライマリ結晶粒境界が平行せずに前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいことを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項２】
前記プライマリ結晶粒は、閉曲線または閉多角形の形態を有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項３】
前記プライマリ結晶粒境界は、四角形または六角形形態を有することを特徴とする請求項２に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項４】
前記プライマリ結晶粒境界は、プライマリ結晶粒境界を経る一定軸を中心に相互に対称であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項５】
前記プライマリ結晶粒境界は、放射形または前記一定軸を中心に双曲線を形成することを特徴とする請求項４に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項６】
請求項１に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜を用いて製造されることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記薄膜トランジスタは、有機電界発光ディスプレー装置に用いられるものであることを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
レーザーが透過するライン形態のパターンとレーザーが透過することができないパターンとが混合された構造を有するマスクを用いて非晶質シリコンをレーザーを利用して結晶化する段階を含むことを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記レーザーの透過する領域が一方向に長い直四角形形態のラインパターングループとしてこのようなグループが平行な方向に一定間隔ずれるように配列されるものであることを特徴とする請求項８に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザーの透過することができない領域がライン形態のパターンの相互に垂直な形態に配列されているものであることを特徴とする請求項８に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記レーザーの透過することができない領域が円形またはドット形態のマスクパターンを含むものであることを特徴とする請求項８ないし１０のうちいずれか一つに記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記円形またはドット形態のマスクパターンが円形、三角形、四角形、及び六角形のうちいずれか一つの多角形形態の配列構造を有することを特徴とする請求項１１に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記レーザーが透過することができない領域のパターンの大きさは、ラインパターンの幅に比べて小さいことを特徴とする請求項８に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１４】
前記円形またはドット形態のマスクパターンが不規則に配置されているものであることを特徴とする請求項１１に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１５】
レーザーが透過するパターンとレーザーが透過することができないパターンとの混合された構造を有するマスクを用いて非晶質シリコンをレーザーを利用して結晶化する段階を含み、前記レーザーが透過することができないパターンは中心が円形またはドット形態の不透明マスクパターンで形成されていることを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１６】
前記円形またはドット形態の不透明マスクパターンが円形、三角形、四角形、及び六角形のうちいずれか一つの多角形形態の配列構造を有することを特徴とする請求項１５に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１７】
前記円形またはドット形態の不透明マスクパターンが不規則に配置されているものであることを特徴とする請求項１５に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１８】
請求項８または請求項１５のいずれか一つの項によって製造されることを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【請求項１９】
前記多結晶シリコン薄膜は、有機電界発光ディスプレー装置に用いられるものであることを特徴とする請求項１８に記載のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜、これの製造方法及びこれを用いて製造した薄膜トランジスタに係り、さらに詳細には結晶粒の形態を調節して製造された多結晶シリコン薄膜、この薄膜の製造方法及びこの多結晶シリコン薄膜を用いて製造される薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常的にＳＬＳ方法は、非晶質シリコン層にレーザービームを２回以上重畳照射して結晶粒シリコンを側面成長させることによって結晶化する方法である。これを利用して製造した多結晶シリコン結晶粒は一方向に長い円柱型形態を有することを特徴とし、結晶粒の有限な大きさによって隣接した結晶粒間には結晶粒境界が生じる。
【０００３】
ＳＬＳ結晶化技術を利用して基板上に多結晶または単結晶である粒子が巨大シリコングレーン（ｌａｒｇｅ  ｓｉｌｌｉｃｏｎ  ｇｒａｉｎ）を形成することができ、これを利用してＴＦＴを製作した時、単結晶シリコンで製作されたＴＦＴの特性と同様の特性を得ることができると報告されている。
【０００４】
図１２、図１３及び図１４は、通常のＳＬＳ結晶化方法を示す。ＳＬＳ結晶化方法では図１２に示すようにレーザービームが透過される領域と透過することができない領域を有したマスクを通してレーザービームを非晶質シリコン薄膜層に照射すればレーザービームが透過した領域では非晶質シリコンの溶解が起こるようになる。
【０００５】
レーザービームの照射が終わった後に冷却が始まれば非晶質シリコン／溶融シリコン界面において優先的に結晶化が起こり、この時発生した凝固潜熱により非晶質シリコン／溶融シリコン界面から鎔融されたシリコン層方向に温度が徐々に減少される温度勾配が形成される。
【０００６】
したがって、図１３を参照すれば、熱流速はマスク界面から鎔融されたシリコン層の中央部方向に流れるようになるため、多結晶シリコン結晶粒は鎔融されたシリコン層が完全に凝固される時まで側面成長が起こるようになるので一方向に長い円柱型形態の結晶粒を有する多結晶シリコン薄膜層が形成される。
【０００７】
図１４に示したように、ステージ移動によりマスクを移動して非晶質シリコン薄膜層と既に結晶化された多結晶シリコン層の一部が露出するように重なってレーザービームを照射すれば非晶質シリコン及び結晶質シリコンが溶解されて、以後冷却されながらマスクに遮られて溶解できない既に形成された多結晶シリコン結晶粒にシリコン原子が付着されて結晶粒の長さが増加するようになる。
【０００８】
したがって、ＴＦＴ製作時にアクティブチャネル方向がＳＬＳ方法によって成長された結晶粒方向に対して平行になっ場合、電荷キャリア方向に対する結晶粒境界のバリアー効果が最小になるので単結晶シリコンに次ぐＴＦＴ特性を得ることができる。一方、アクティブチャネル方向と結晶粒成長方向が９０゜である場合、ＴＦＴ特性が電荷キャリアのトラップとして作用する多くの結晶粒境界が存在するようになり、ＴＦＴ特性が大幅に低下する。
【０００９】
このように、既存のＳＬＳ方法で製造したＴＦＴの場合にアクティブチャネルの方向によってＴＦＴ特性に大きい変化が生じるようになるので、回路実装の拡張に制約を受けるようになる。
【００１０】
一方、ＰＣＴ国際特許ＷＯ９７／４５８２７号及び米国特許６，３２２，６２５号に開示されたように、非晶質シリコンを蒸着した後にＳＬＳ技術で全体基板上の非晶質シリコンを多結晶シリコンに変換したり、基板上の選択領域だけを結晶化する技術が開示されている。
【００１１】
また、米国特許６，１７７，３９１号ではＳＬＳ結晶化技術を利用して巨大粒子シリコングレーンを形成してドライバーと画素配置を含んだＬＣＤデバイス用ＴＦＴ製作時にアクティブチャネル方向がＳＬＳ結晶化方法によって成長された結晶粒方向に対して平行になった場合、電荷キャリア方向に対する結晶粒境界のバリアー効果が最小になるので、単結晶シリコンに次ぐＴＦＴ特性を得ることができる。一方、このような特許においてもやはりアクティブチャネル領域と結晶粒成長方向が９０゜である場合、ＴＦＴ特性が電荷キャリアのトラップとして作用する多くの結晶粒境界が存在するようになり、ＴＦＴ特性が大幅に低下する。
【００１２】
実際に、アクティブマトリックスディスプレー製作時に駆動回路内のＴＦＴと画素セル領域内のＴＦＴは一般的に９０゜の角度を有する場合があり、この時、各ＴＦＴの特性を大幅に低下させながらＴＦＴ間特性の均一性を向上させるためには結晶成長方向に対するアクティブチャネル領域の方向を３０゜ないし６０゜の角度に傾くように製作することによってデバイスの均一性を向上させることができる。
【特許文献１】ＰＣＴ国際特許ＷＯ９７／４５８２７号
【特許文献２】米国特許第６，３２２，６２５号
【特許文献３】米国特許第６，１７７，３９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、この方法もＳＬＳ結晶化技術により形成される有限大きさの結晶粒を利用することによって致命的な結晶粒境界がアクティブチャネル領域内に含まれる確率が存在し、したがって、ＴＦＴ間特性差を引き起こす予測できない不均一性が存在するようになる問題点がある。
【００１４】
本発明は、上述したような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、ＳＬＳ結晶化法で多結晶シリコン薄膜を製造する場合、製造される多結晶シリコンの形状を制御する方法及びこれを利用して製造された多結晶シリコン薄膜を提供する。
【００１５】
また、本発明のまた他の目的は、上記製造された多結晶シリコン薄膜を用いてアクティブチャネル方向によるＴＦＴ特性の依存性がない優秀な特性を有するＴＦＴを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は前記した目的を達成するために、隣接したプライマリ結晶粒境界が平行しなくて前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいことを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜を提供する。また、本発明は、上記のディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜を用いて製造されることを特徴とする薄膜トランジスタを提供する。  
また、本発明は、レーザーが透過するライン形態のパターンとレーザーが透過することができないパターンが混合された構造を有するマスクを用いて非晶質シリコンをレーザーを利用して結晶化する段階を含むことを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供する。  
更に、本発明は、レーザーが透過するパターンとレーザーが透過することができないパターンが混合された構造を有するマスクを用いて非晶質シリコンをレーザーを利用して結晶化する段階を含み、前記レーザーが透過することができないパターンは中心が円形またはドット形態の不透明マスクパターンで形成されていることを特徴とするディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供する。また、本発明は上記の方法により製造されることを特徴とする有機電界ディスプレーデバイス用多結晶シリコン薄膜を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明においてはライン形態のパターンとドット形態のパターンが混合された構造のマスクを用いて結晶化することによって多様な形態の結晶粒構造を有する多結晶シリコン薄膜を製造することができ、このようなマスクデザインにより多結晶シリコン薄膜の微細構造を制御してチャネル方向の依存性がない優秀な特性を有する薄膜トランジスタを製作できて、これを通じてパネル上に回路部の集積度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を添附した図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１による多結晶シリコン薄膜の製造方法において用いられるマスクの構造を概略的に示す平面図であり、図２はこのようなマスクを用いて製造される多結晶シリコン薄膜の平面図である。
【００２０】
図１に示すように、片方方向に長い直四角形形態であってレーザービームが透過することができるライン形態のパターンを有したマスクを通過してレーザービームを照射する場合、熱流速はレーザービーム透過パターンの縁から中心部に形成されるので多結晶シリコン結晶粒は一方向に長い形態を有するようになる。
【００２１】
図１に図示されたマスクパターンを用いた場合、図２に示すように、レーザー透過部の界面から相互に反対方向に成長したシリコン結晶粒はパターンの中心部で相互に会うようになり、突出部（ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ）が高いプライマリ結晶粒境界を形成するようになってプライマリ結晶粒境界がストライプ形態に羅列された円柱型結晶粒が形成される。
【実施例２】
【００２２】
図３は、本発明の実施例２による多結晶シリコン薄膜の製造方法において用いられるマスクの構造を概略的に示す平面図である。図３ではレーザービームが透過することができない部分のパターン形態が円形またはドット形態のパターンを有するマスクを用いる場合には、レーザービームが透過することができないドットパターンの中心部から外角方向に熱流速が発生するようになって多結晶シリコン結晶粒は四方に成長するようになる。
【００２３】
このようなドットパターンを四角形形態に配列する場合、各ドットパターンの縁から成長した多結晶シリコン結晶粒はパターン間隔が側面成長距離に比べて少ない場合、相互にぶつかり会うようになり、この時に形成されたプライマリ結晶粒系は四角形形態を有するようになる。このように、マスクパターンの形態と配置を調節する場合、多様な形態の微細構造を有する多結晶シリコン薄膜を製造することができる。この時、多結晶シリコン結晶粒は、隣接したプライマリ結晶粒境界が平行せずに前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいものが望ましい。
【実施例３】
【００２４】
図４は、本発明の実施例３によるマスクパターンであって、レーザーが透過する領域が一方向に長い直四角形形態のラインパターングループで形成されていて、また、このようなラインパターングループが一定間隔ずれるように平行に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のマスクパターンが四角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【００２５】
図５は、図４のマスクを利用して作った多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示したものであって、図４のマスクパターンを用いて非晶質シリコンを結晶化する場合には多結晶シリコン薄膜のプライマリ結晶粒系が四角形形態に配列されている。本実施例においても多結晶シリコン結晶粒は隣接したプライマリ結晶粒境界が平行せずに前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいものが望ましい。
【実施例４】
【００２６】
図６は、本発明の実施例４によるマスクパターンを示したものであって、レーザーが透過する一方向に長い直四角形形態のラインパターングループが一定間隔相互にずれるように平行に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のパターンが三角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【００２７】
図７は、図６のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示したものであって、図６のマスクパターンを用いて非晶質シリコンを結晶化する場合に多結晶シリコン薄膜のプライマリ結晶粒系が六角形形態に配列されている。本実施例においても多結晶シリコン結晶粒は隣接したプライマリ結晶粒境界が平行せずに前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいものが望ましい。
【実施例５】
【００２８】
図８は、本発明の実施例５によるマスクパターンを示したものであって、レーザーが透過する方向に長い直四角形形態のラインパターングループが相互に垂直に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のパターンが不規則な四角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【００２９】
図９は、図８のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示したものであって、図８のマスクパターンを用いて非晶質シリコンを結晶化する場合に多結晶シリコン薄膜のプライマリ結晶粒系は不規則な形態の閉多角形形態を有する。本実施例においても多結晶シリコン結晶粒は隣接したプライマリ結晶粒境界が平行しなくて前記プライマリ結晶粒境界に囲まれた面積が１μｍ２より大きいものが望ましい。
【００３０】
本発明において製造される多結晶シリコン結晶粒は、前記プライマリ結晶粒境界のプライマリ結晶粒境界を経る一定軸を中心に相互に対称であり、望ましくは前記プライマリ結晶粒境界は放射形または前記一定軸を中心に双曲線を形成することが望ましい。
【００３１】
本発明の多結晶シリコン薄膜を用いて製造される薄膜トランジスタは、望ましくは有機電界発光ディスプレー装置に用いられることが望ましい。
【００３２】
図１０は、図２及び図８に図示されている本発明の実施例によるマスクパターンを用いて製造された多結晶シリコン薄膜で製造されたＴＦＴの電界移動度のチャネル方向依存性を示すグラフである。
【００３３】
図１１は、図２及び図８に図示されている本発明の一実施例によるマスクパターンを用いて製造された多結晶シリコン薄膜で製造されたＴＦＴのしきい電圧のチャネル方向依存性を示すグラフである。
【００３４】
図２の多結晶シリコン薄膜のプライマリ結晶粒系とＴＦＴアクティブチャネル方向が垂直方向である場合（９０゜）は、少ない数の結晶粒系によって高い電界移動度と低いしきい電圧特性を示せる。しかし、ＴＦＴアクティブチャネル方向がプライマリ結晶粒系と平行して（０゜）多い数の結晶粒系が存在する場合は、ＴＦＴ特性が大幅に低下して電界移動度は６０％以上減少して、しきい電圧は６０％以上増加した。
【００３５】
反面、図８のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜トランジスタの場合、ＴＦＴ特性のチャネル方向の依存性が大幅に低下して方向による特性差が２５％内に調節することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１による多結晶シリコン薄膜の製造方法において用いられるマスクの構造を概略的に示す平面図である。
【図２】図１のマスクを用いて製造される多結晶シリコン薄膜の平面図である。
【図３】本発明の実施例２による多結晶シリコン薄膜の製造方法において用いられるマスクの構造を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施例３によるマスクパターンであって、レーザーが透過する領域が一方向に長い直四角形形態のラインパターングループで形成されていて、またこのようなラインパターングループが一定間隔ずれるように平行に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のマスクパターンが四角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【図５】図４のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示す。
【図６】本発明の実施例４によるマスクパターンを示したものであって、レーザーが透過する一方向に長い直四角形形態のラインパターングループが一定間隔相互にずれるように平行に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のパターンが三角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【図７】図６のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示す。
【図８】本発明の実施例５によるマスクパターンを示したものであって、レーザーが透過する方向に長い直四角形形態のラインパターングループが相互に垂直に配列されるマスクパターンとレーザーが透過することができないドット形態のパターンが不規則な四角形形態に配列されたマスクパターンを示す。
【図９】図８のマスクを利用して製造した多結晶シリコン薄膜の結晶粒を示す。
【図１０】本発明の実施例によって製造された多結晶シリコン薄膜で製造されたＴＦＴの電界移動度のチャネル方向依存性を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例によって製造された多結晶シリコン薄膜で製造されたＴＦＴのしきい電圧のチャネル方向依存性を示すグラフである。
【図１２】通常のＳＬＳ結晶化方法を概略的に示した図面である。
【図１３】通常のＳＬＳ結晶化方法を概略的に示した図面である。
【図１４】通常のＳＬＳ結晶化方法を概略的に示した図面である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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