(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンを形成する工程において、
バッファ層を透明基板上に形成する段階と；
非晶質シリコンを１０００Åの厚さでバッファ層に蒸着する段階と；
完全熔融エネルギー密度を有するレーザービームを利用して前記非晶質シリコン層を完全熔融する段階と；
次の段階のレーザービーム照射のための移動距離だけレーザービームを移動する段階とを含み、
レーザービームは、３１０ｍJ／ｃｍ２から５１５ｍJ／ｃｍ２までのエネルギー密度を有し、
前記移動距離の最大値は、レーザービームのエネルギー密度が３１０ｍＪ／ｃｍ２から４１５ｍＪ／ｃｍ２までの間において０．２μｍから０．６μｍまで単調に増加し、レーザービームのエネルギー密度が４１５ｍＪ／ｃｍ２から４５０ｍＪ／ｃｍ２までの間において０．６μｍから０．８μｍまで単調に増加し、レーザービームのエネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ２から５１５ｍＪ／ｃｍ２までの間において０．８μｍから１．０μｍまで単調に増加し、
前記移動距離の最小値は、レーザービームのエネルギー密度が３１０ｍJ／ｃｍ２から４１５ｍJ／ｃｍ２までの間において０．０５μｍから０．０４μｍまで単調に減少し、レーザービームのエネルギー密度が４１５ｍJ／ｃｍ２から４５０ｍJ／ｃｍ２までの間において０．０４μｍとなり、レーザービームのエネルギー密度が４５０ｍJ／ｃｍ２から５１５ｍJ／ｃｍ２までの間において０．０４μｍから０．１μｍまで単調に増加することを特徴とする非晶質シリコン結晶化方法。
【請求項２】
レーザービーム照射間にアニーリング段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の非晶質シリコン結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平板表示装置用薄膜トランジスタに係り、特に、前記薄膜トランジスタ用半導体素子の蒸着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平板表示装置は、情報表示装置のうち，厚さが数ｃｍ、小さいものでは数ｍｍに過ぎない平らな薄形の表示装置であり、大別して非発光型表示装置と発光型表示装置に分けられ、非発光型には液晶表示装置、発光型にはＰＤＰ(plasma display panel)、ＦＥＤ(field emission display)、ＬＥＤ(light emitting diode)などがある。
【０００３】
この内、液晶表示装置は消費電力が低く携帯性が良好なことから、付加価値の高い技術集約的な次世代先端表示装置として脚光を浴びている。液晶表示装置は薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)を含むアレー基板とカラーフィルター基板間に液晶を注入して、この液晶の異方性による光の屈折率差を利用して映像効果を得る方式である。
【０００４】
現在、液晶表示装置の中でも、薄膜トランジスタと画素電極が行列方式で配列された能動行列液晶表示装置(ＡＭ−ＬＣＤ；Active Matrix Liquid Crystal Display)が、解像度及び動映像具現能力が優秀なために最も注目されている。
【０００５】
前記薄膜トランジスタ用半導体素子として多結晶シリコンを利用すると、この多結晶シリコンが有する高い移動特性を利用した能動行列液晶表示装置の能動素子及び周辺回路への適用が可能であって、駆動回路製造費用も低減することができる長所を有する。
【０００６】
このような多結晶シリコンの製造工程で、レーザー熱処理技術を利用する場合には低温工程が可能であり、これを利用した薄膜トランジスタの電界効果移動度(field effect mobility)を向上させることができる。
【０００７】
図１は、一般的な駆動回路部一体型液晶表示装置の概略図である。
図示したように、１つの基板２上に、駆動回路部３と能動素子部４が形成されている。
【０００８】
前記能動素子部４は、基板２の中央部に位置して、この能動素子部４の左側及び上部には各々ゲート及びデータ駆動回路部３ａ、３ｂが位置している。
【０００９】
前記能動素子部４には前記ゲート駆動回路部３ａと連結された多数のゲート配線６と前記データ駆動回路部３ｂと連結された多数のデータ配線８が交差する領域で定義される画素領域上に画素電極１０が形成され、前記画素電極１０と接続されてスイッチング素子役割をする薄膜トランジスタＴが形成されている。
【００１０】
前記ゲート及びデータ駆動回路部３ａ、３ｂは、各々ゲート及びデータ配線６、８に走査信号及びデータ信号を供給するための装置である。ゲート及びデータ駆動回路部３ａ、３ｂは外部信号入力端１２と接続されて、この外部信号入力端１２を通して入った外部信号を調節して前記能動素子部４に出力する役割を有する。ゲート及びデータ駆動回路部３ａ、３ｂは入力される信号を適切に出力させるためにインバータであるＣＭＯＳ構造薄膜トランジスタ(図示せず)を採用している。
【００１１】
前記ＣＭＯＳは、高速信号処理が要求される駆動回路部薄膜トランジスタに用いられる半導体技術の一種であって、陰電気で充電された余分の電子(ｎ型半導体)または陽電気で充電されたキャリア(ｐ型半導体)を利用して１つの導電体を形成して、前記二種の半導体の効果的な電気制御によって電流ゲートをなすために相互補完的な方法で用いられる。
【００１２】
前記駆動回路部一体型液晶表示装置の能動素子部スイッチング素子としてはオフ(ｏｆｆ)状態の電流の抑制が重要で、駆動回路部の単位素子としては高い電界効果移動度が重要である。
【００１３】
しかし、多結晶シリコン薄膜トランジスタでは、この多結晶シリコンを構成する多数の結晶粒界が電流の障害要素になり、多数の結晶粒内では電子間の衝突による衝突電流及び劣化によって絶縁膜が破壊される問題を有している。
【００１４】
このような問題を改善するために、シリコン結晶粒が液状シリコンと固状シリコンの境界面で、その境界面に対して垂直方向に成長する事実を利用したＳＬＳ結晶化技術によって単結晶シリコンを形成する技術(Robert S. Sposilli, M. A. Crawder and James S. ImによるMat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 452, pp 956〜957, １９９７年）が提案された。
【００１５】
前記ＳＬＳ結晶化技術では、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調節して、シリコン結晶粒を所定の長さだけ側面成長させることによって、非晶質シリコンを単結晶水準に結晶化させることができる。
【００１６】
図２と図３ないし図５は、各々レーザーエネルギー領域別非晶質シリコンの結晶化グラフ及び前記グラフの各エネルギー領域帯別シリコン結晶化メカニズムの断面図である。前記図３ないし図５で、レーザー熱処理工程を経る前に準備された透明基板１上にバッファ層１２が形成され、このバッファ層１２上部に非晶質シリコン層１４が蒸着された構造を有する。
【００１７】
図２に示すグラフの第１領域は、部分熔融領域であって、この領域に該当するエネルギー密度によれば、図３に示したように非晶質シリコン層１４の表面層のみが熔融して、アニーリング段階で矢印方向に小さな結晶粒Ｇ１が形成される。
【００１８】
前記図２グラフの第２領域は、完全熔融近接領域であって、この領域に該当するエネルギー密度によれば、図４に示したように、バッファ層１２と近接した領域まで非晶質シリコン層１４が熔融して、この非晶質シリコン層１４とバッファ層１２間の界面に密集して存在するシード１３の作用によって矢印方向に粗大な結晶粒Ｇ２が形成されるが、前記シード１３の分布密度が一定にならず、均一な結晶粒を得ることは困難である。
【００１９】
前記図２グラフの第３領域は、完全熔融領域であって、この領域に該当するエネルギー密度によれば、前記図５の図面と同じく非晶質シリコン層１４全部を熔融させた後、アニーリング工程中に均一な結晶核生成１５がなされて、この結晶核１５によって微細な結晶粒Ｇ３が形成される。
【００２０】
このようなシリコンの結晶化メカニズムによれば、結晶化適正範囲が存在するが、このような適正範囲を一般に工程窓(process window)と呼ぶ。
【００２１】
図６は、ＳＬＳ結晶化工程における結晶粒成長メカニズムを示した図面である。
図示したように、最初の熔融段階では完全熔融エネルギー密度を有する所定幅の第１レーザー(図示せず)を非晶質シリコン層２０が形成された基板２２上に照射する。この第１レーザー照射によって完全熔融したシリコン層が位置する第１領域Ｉの上・下境界面では、液状シリコンと固状シリコンの接触によってシード２４が密集して形成されて、アニーリング段階を経てこのシード２４は相互向かい合う方向に成長して初期単結晶用結晶粒２６を形成する。
【００２２】
このアニーリング段階で、前記第１領域Ｉの中央部では結晶核の生成による微細な結晶粒２８の成長によって、前記初期単結晶用結晶粒２６成長領域は分割される。
【００２３】
次に、図面上で上部側の初期単結晶用結晶粒２６形成領域ＩＩＩに該当する幅だけ移動した位置で、前記第１レーザーとエネルギー密度及びエネルギー照射幅が同一な第２レーザーが照射される。当該第２領域ＩＩでは、次につながるアニーリング段階を通して前記ＩＩＩ領域の初期単結晶用結晶粒２６の成長によって単結晶３０水準の結晶粒が形成される。
【００２４】
この際、前記ＩＩＩに該当する幅は、第１レーザー照射領域と、この第１レーザーと一定間隔だけ重畳するように照射される第２レーザー照射領域の移動距離であって、これを移動距離と呼ぶ。
【００２５】
前記ＳＬＳ結晶化工程ではレーザービーム幅を調節して微細な結晶粒の形成領域を短縮したり除去することができるが、前記移動距離によってＳＬＳ結晶化工程では、単結晶形成領域と、微細な結晶形成領域、シリコンが凝集する領域が存在するようになる。
【００２６】
一方、前述した多結晶シリコンのレーザー熱処理工程では、１〜３ｍｍレーザービーム幅でレーザーショット間の重畳比を９０％程度として非晶質シリコン層を熔融・アニーリングして多結晶化する段階を経る。この際非晶質シリコン層は一般的に５００Å程度蒸着するが、これより蒸着厚さを大きくすると、それによるレーザーエネルギーの消費が非常に大きくなって製造費用が上昇する問題が伴うようになる。さらに、前記非晶質シリコンを厚く蒸着しても、それによる薄膜トランジスタの特性向上が微かなので、多結晶シリコン製造工程では非晶質シリコンの蒸着厚さを５００Å〜６００Å水準で汎用的に適用する。
【００２７】
しかし、前記ＳＬＳ結晶化工程ではシリコン層を完全に熔融させることができる程度の高エネルギー密度レーザーを利用するので、移動距離を短くしてＳＬＳ結晶化工程を進める場合に、非晶質シリコン層の厚さが薄ければ、凝集が容易に発生して工程窓が狭くなる問題が発生する。
【００２８】
以下、図面を参照してシリコンの蒸着厚さが工程窓の範囲におよぼす影響に関して説明する。
【００２９】
図７は、非晶質シリコン層の蒸着厚さを５００Åにした既存のＳＬＳ結晶化工程における工程窓範囲を示したグラフである。
【００３０】
図示したように、５００Åの厚さで蒸着された非晶質シリコン層を利用してＳＬＳ結晶化する際に、単結晶形成適正範囲すなわち、工程窓は、エネルギー密度を約４１０ｍＪ／ｃｍ２にした場合には移動距離０．０５μｍ〜０．９μｍの範囲であり、４５０ｍＪ／ｃｍ２に対しては０．６μｍ〜１．０μｍの範囲である。
【００３１】
図７のグラフでエネルギー密度が約４２５ｍＪ／ｃｍ２の場合に移動距離を０．９５μｍ以上に大きくすると、単結晶の成長長さより移動距離が長くなる。前記エネルギー密度と同一条件で移動距離を０．２μｍ以下にすると、高密度エネルギー下で移動距離が短すぎて、シリコン凝集領域が形成されるようになる。
【００３２】
つまり、非晶質シリコンの蒸着厚さが５００Å程度の場合には、工程窓領域範囲は非常に狭く、シリコンの凝集が容易に発生する。
【００３３】
前記の工程窓が狭まることは、単結晶化工程のマージンを狭めることに相当し、工程中に結晶内欠陥発生率が高くなる。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した問題を解決するために、本発明ではＳＬＳ結晶化技術を利用して単結晶シリコンを形成する際に、既存の方法よりも非晶質シリコン層を一定範囲内で厚く蒸着して、シリコン層が熔融過程で容易に凝集することを防止して、平板表示装置用薄膜トランジスタの製品の信頼性及び生産収率を向上させることを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明では完全熔融エネルギー密度を利用して単結晶シリコンを形成する工程で、非晶質シリコン(ａ−Ｓｉ)層を絶縁基板上に蒸着する際に、前記非晶質シリコン層を６００Å〜２０００Åに蒸着する段階を含むＳＬＳ結晶化のための非晶質シリコン層の蒸着方法を提供する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して説明する。
図８は本発明の実施例によって、非晶質シリコンの蒸着厚さを１０００ÅにしたＳＬＳ結晶化工程の工程窓範囲を示したグラフを図示した図面である。
【００３７】
図示したように、本発明による工程窓の範囲は、エネルギー密度３１０、４１５、４５０、５１５ｍＪ／ｃｍ２に対して最大移動距離は各々０．２、０．６、０．８、１．０μｍであり、最小移動距離は各々０．０５、０．０４、０．０４、０．１μｍである。すなわち、本発明による方法に従えば、非晶質シリコン層を従来方法によった場合よりも厚く形成するために、移動距離を短くしても既存の方法より凝集が発生する領域は著しく減少している。
【００３８】
例えば、前記グラフでエネルギー密度が５１５ｍＪ／ｃｍ２の時、移動距離を０．１μｍ未満にした際に、凝集領域が発生するようになる。つまり、既存の技術に比較すれば凝集領域範囲ははるかに減少して工程窓の範囲が広くなっており、前記本発明による非晶質シリコンの蒸着厚さの範囲では必要なエネルギーの増加の程度は大きくない。
【００３９】
図９は、本発明による薄膜トランジスタのゲート電圧変化によるソース及びドレーン電流のトランスファグラフを示した図面であって、本発明による１０００Å非晶質シリコンを利用した薄膜トランジスタと、既存の５００Å非晶質シリコンを利用した薄膜トランジスタの電気的特性を比較して示した。
【００４０】
図示したように、ドレーン電圧Ｖｄ値を０．１Ｖ及び１０Ｖとして本発明及び従来技術の薄膜トランジスタのドレーン電流曲線を各々示した。ドレーン電圧Ｖｄを０．１Ｖとした場合、既存の薄膜トランジスタの移動度の測定値は２３０ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、本発明による薄膜トランジスタの移動度の測定値は３９０ｃｍ２／Ｖ・ｓなので、本発明による薄膜トランジスタの移動度特性がはるかに優れていることが分かる。
【００４１】
また、ドレーン電圧値が１０Ｖの場合の従来の方法及び本発明による薄膜トランジスタのドレーン電流曲線を比較してみると、本発明による薄膜トランジスタでは漏れ電流が非常に小さくなっていることが分かり、従来技術に比較して電気的特性が向上した薄膜トランジスタを提供できることが分かる。
【００４２】
前記の実験結果を基礎に、本発明によるＳＬＳ結晶化工程による単結晶シリコンを液晶表示装置用薄膜トランジスタ素子として適用する際には、非晶質シリコン層の最適水準は６００Åで、レーザーエネルギーの増加が過大にならないよう２０００Åまでにすることが望ましい。
【００４３】
すなわち、このような蒸着厚さ範囲内で非晶質シリコンを蒸着するＳＬＳ結晶化工程によって形成された単結晶シリコンは、結晶化特性が向上して移動度が効果的に増大し、高解像度の駆動回路部一体型液晶表示装置用ＣＭＯＳ素子に適用することができ、また平板表示装置用素子としても広範囲に適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明による所定の蒸着範囲内で非晶質シリコンを蒸着するＳＬＳ結晶化工程による単結晶シリコンの製造方法は、結晶化の欠陥を低減して生産収率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的な駆動回路部一体型液晶表示装置の概略図
【図２】  レーザー熱処理工程によるシリコンの結晶化グラフを示した図面
【図３】  前記図２のグラフによるシリコン結晶化メカニズムに対する断面図
【図４】  前記図２のグラフによるシリコン結晶化メカニズムに対する断面図
【図５】  前記図２のグラフによるシリコン結晶化メカニズムに対する断面図
【図６】  ＳＬＳ結晶化工程における結晶粒成長メカニズムを示した図面
【図７】  非晶質シリコン層の蒸着厚さを５００Åにした既存のＳＬＳ結晶化工程における工程窓範囲を示したグラフを示した図面
【図８】  本発明の実施例によって、非晶質シリコンの蒸着厚さを１０００ÅにしたＳＬＳ結晶化工程の工程窓範囲を示したグラフを示した図面
【図９】  本発明による薄膜トランジスタのゲート電圧変化によるソース及びドレーン電流トランスファ曲線グラフを示した図面
【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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