(57)【要約】【課題】  多結晶シリコン層の結晶方法を提供する。【解決手段】  基板に非晶質シリコン層を形成する前、該基板の表面に種晶(Seed)を形成する。これにより、パルスレーザの出力エネルギー密度を広い範囲内に制御することができる。結晶成形に際して、種晶が既に基板と溶融状の多結晶シリコンとの間に存在しているため、凝結中の多結晶シリコン層は、種晶両側から外側へ向かって横方向にて結晶する。従って、結晶粒子のサイズが大きくて分布が均一な(High Uniformity)多結晶シリコン層の薄膜を形成することが可能である。また、本発明に係る多結晶シリコン層の結晶方法は、基板の表面に第一区域および第二区域を定義することと、第一区域に種晶を形成することと、第一区域および第二区域を覆うように非晶質シリコン層を形成することと、レーザで非晶質シリコン層を照射して非晶質シリコン層を溶融させることとを含んでいる。【選択図】  図４（a）
2005057155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に少なくとも一つの種晶を形成すること、
前記表面と少なくとも一つの種晶とを覆うように非晶質シリコン層を形成すること、
レーザで非晶質シリコン層を照射しこの非晶質シリコン層を溶融させること、
溶融した非晶質シリコン層を前記種晶により多結晶シリコン層となるように結晶させること、を含むことを特徴とする多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項２】
前記基板はガラス基板またはプラスチック基板であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項３】
前記レーザはエクサイマーレーザであることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項４】
少なくとも一つの種晶を形成するプロセスは、
第一表面に被覆層を形成すること、
前記被覆層に所定パターンを形成すること、
所定パターンの一側に非晶質シリコンの隙間壁構造を形成すること、
所定パターンの被覆層を除去すること、
を含むことを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項５】
前記被覆層は、窒化シリコン層または金属層であることを特徴とする請求項４記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項６】
前記基板の表面に第一区域と第二区域とを区画することを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項７】
第一区域において溶融した非晶質シリコン層を、前記種晶により多結晶シリコン層となるように結晶させることを特徴とする請求項６記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【請求項８】
第二区域において溶融した非晶質シリコン層を、微結晶シリコン層となるように結晶させることを特徴とする請求項６記載の多結晶シリコン層の結晶化法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンの結晶方法に関し、特に、多結晶シリコンの結晶過程に種晶（Seed）を提供して多結晶シリコン層の結晶粒子サイズを増大すると共に均一な分布（High Uniformity）を得る結晶方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（Poly Silicon Thin Film Transistor）は、主動式マトリックス液晶表示器(Active Matrix Liquid Crystal Display, AMLCD)および主動式マトリックス有機発光表示器（Active Matrix Organic Light Emitting Display, AMOLED）に応用されており、各画素(Pixel)の輝度を制御する基本的な電子部品として、そして周辺駆動回路または制御回路の電子部品として用いられている。
【０００３】
多結晶シリコン薄膜トランジスタを製作する中で、多結晶シリコン層の結晶は最も重要なステップである。多結晶シリコン薄膜トランジスタの電気特性および均一性はたいていこのステップによって決められる。
【０００４】
図１（a）及び図１(b)は、従来の薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製造を示している。この従来例では、まずガラス（或いはプラスチック）基板１００の上に非晶質シリコン層(Amorphous Silicon Layer) １０４を形成し、エクサイマーレーザ(Excimer laser)で非晶質シリコン層１０４を照射して非晶質シリコン層１０４を溶融させる。そして、冷却および再結晶を行うことによって、最初の非晶質シリコン層１０４を多結晶シリコン層１０４に変える。
【特許文献１】特開昭５８−２０６１６３号公報
【特許文献２】特開昭６０−２４５１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２は、従来のエクサイマーレーザのエネルギー密度および多結晶シリコンの電気特性を示している。図示のように、照射時間が同じであっても、エクサイマーレーザが非晶質シリコン層１０４を照射して多結晶シリコン層に変えるための出力エネルギーの密度制御範囲は非常に狭い。つまり、エクサイマーレーザのエネルギー密度が高すぎると、非晶質シリコン層１０４が完全に溶けてしまい、冷却および結晶後に、電気特性（例えば電子遷移率）の低い微結晶シリコン（Microcrystalline Si)となってしまう。逆に、エクサイマーレーザのエネルギー密度が低すぎると、非晶質シリコン層１０４が殆ど溶けないままであって、冷却および結晶後でも、電気特性が低い非晶質シリコンになっている。
【０００６】
更に、エクサイマーレーザ自身も変異性を持っているので、エクサイマーレーザの照射後に形成した多結晶シリコン層１０４は、多結晶シリコン粒子のサイズが小さすぎて分布が不均一である。その結果、最終的に形成された薄膜トランジスタの電気特性は極めて大きいばらつきが生じる。
【０００７】
即ち、本発明の背景は、次の通りである。つまり、多結晶シリコン層を形成する従来製法のエクサイマーレーザが制御し難いので、多結晶シリコンの結晶粒子サイズが不均一になってしまう。本発明は、上述した課題に着眼してなされたものであり、多結晶シリコンの結晶方法を提供することによって、多結晶シリコンの結晶粒子サイズが小さすぎて分布が不均一であるという問題点を解決しようとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述したように、本発明は、多結晶シリコン層の結晶方法を提供する。この方法は、基板の表面に種晶を形成することと、基板の表面および種晶を覆うように非晶質シリコン層を形成することと、レーザで非晶質シリコン層を照射して非晶質シリコン層を溶融させることとを含んでいる。
【０００９】
また、本発明に係る多結晶シリコン層の結晶方法は、基板の表面に第一区域および第二区域を定義することと、第一区域に種晶を形成することと、第一区域および第二区域を覆うように非晶質シリコン層を形成することと、レーザで非晶質シリコン層を照射して非晶質シリコン層を溶融させることとを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図３（a）乃至図３（i）は、本発明の薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製造を示している。まず、図３（a）に示すように、ガラス（或いはプラスチック）基板２００の上に窒化シリコン（SiNx）層２０４を形成する。（なお、この窒化シリコン層の代わりに金属（Metal）層を形成してもよい）
【００１１】
次に、図３（b）に示すように、マスク２０６を用いて窒化シリコン層２０４に所定パターンを形成し、窒化シリコン層２０４に対してエッチング処理を行う。エッチング処理後にマスク２０６が移送されると、図３（ｃ）に示すように、ガラス基板２００に所定パターンの窒化シリコン層２０４が現れている。
【００１２】
そして、所定パターンの窒化シリコン層２０４に、図３（ｄ）に示すような非晶質シリコン層２０８が形成される。その後、非晶質シリコン層２０８に対するエッチング処理（非等方向性エッチング）を行う。このようなエッチング処理を行った後、残留の非晶質シリコン２１０は、スペーサ(Spacer)構造となり、図３（e）に示すように窒化シリコン層２０４の側面に付着している。
【００１３】
更に、図３（f）に示すように、再びエッチング処理を行うことによって、所定パターンの窒化シリコン層２０４を完全に除去する。このように、ガラス基板２００の上に残されたのは、窒化シリコン層２０４の側面に付着した非晶質シリコン２１０である。これら残留シリコンは、ここで種晶（Seed）と称される。
【００１４】
次いで、図３（ｇ）に示すように、再び非晶質シリコン層２１２を形成してガラス基板２００および種晶２１０を覆うようにする。その後、図３（ｈ）に示すように、パルスレーザ（通常は、エクサイマーレーザ（Excimer laser）を用いて非晶質シリコン層２１２を照射することによって、非晶質シリコン層２１２を完全に溶融させる。そして、冷却および再結晶によって、最初の非晶質シリコン層２１２を多結晶シリコン層２１２aに変化させる。
【００１５】
上述したように、パルスレーザ（pulse laser）のエネルギー密度の制御により、非晶質シリコン層２１２が完全に溶融されるが、ガラス基板２００に種晶２１０がまだ残っている。従って、結晶中の多結晶シリコン層２１２aは、種晶２１０の付近で結晶し始めて両側の横方向に凝結する（矢印で示される方向）。このように完全結晶された後、図３（i）に示すように、多結晶シリコン層２１２aに結晶接面(Grain Boundary)２１４が生成される。
【００１６】
図４(a)は、本発明に係る多結晶シリコン層を示す正面図である。断線の部分は種晶２１０の位置を示している。また、図４（ｂ）は、本発明の多結晶シリコン層に従って完成した薄膜トランジスタの正面図である。なお、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造プロセスに対する説明は、ここで省略する。
【００１７】
従来のパルスレーザ（例えばエクサイマーレーザ）の特性はコントロールしにくいので、過大または過小のレーザエネルギー密度によって、微結晶シリコン層または結晶粒子の分布は、不均一になってしまう。これに対して本発明では、非晶質シリコン層の形成に先立って、基板と非晶質シリコン層との間に種晶を提供しているので、照射時間等の条件が同じであっても、図５に示すようにエクサイマーレーザの出力エネルギー密度の制御可能な範囲が広くなる。なお、非晶質シリコン層が完全に溶けるとき、種晶がまだ完全に溶けていないので、種晶の両側からは先に外側へ結晶し始める。従って、結晶粒子の成長および分布が均一な（High Uniformity）多結晶シリコン層の薄膜を形成することができる。
【００１８】
従来のガラス基板に形成された薄膜トランジスタは、多結晶シリコン層で構成されたゲートチャネルと微結晶シリコン層で構成されたゲートチャネルとを必要としている。そのため、二重式の薄膜トランジスタは、それぞれガラス基板に形成されなければならず、製造プロセスが複雑になり製品の合格率が低い。これに対して本発明では、同じ二重式の薄膜トランジスタは、同時に製作されて完成することが可能である。そして、図６に示すように、ガラス基板を二重式の薄膜トランジスタの分布区域に区画する。本発明によれば、第一区域２２０に、多結晶シリコン層を形成していなければならないので、種晶（図示せず）をこの第一区域２２０内に形成することが必要である。なお、第二区域２４０に、微結晶シリコン層を形成するので、この第二区域２４０内に種晶を形成する必要がない。そして、これら二つの区域２２０，２４０に非晶質シリコン層を形成してパルスレーザで照射する。このように、第一区域２２０内に種晶が形成されているので、結晶後の第一区域２２０内には多結晶シリコン層が形成され、第二区域２４０内には微結晶シリコン層が形成されている。最後に、これら二つの区域内に薄膜トランジスタを同時に形成させる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
このように、本発明によれば、多結晶シリコン層の結晶方法が提供されている。基板に非晶質シリコン層を形成する前に種晶（Seed）を提供して結晶を開始する。この際、凝結した多結晶シリコン層は、種晶の両側より外側へ結晶し、結晶粒子サイズが大きくて分布が均一な多結晶シリコン層の薄膜を形成することができる。
【００２０】
上述したのは、本発明の好ましい実施例だけであって、本発明に係る特許請求の範囲を限定するためのものではない。本発明の精神から離脱しないまま行われた変更または修飾も全て、後述する特許請求の範囲に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１（ａ）】従来の薄膜トランジスタの製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図１（ｂ）】従来の薄膜トランジスタの製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図２】従来のエクサイマーレーザのエネルギー密度と多結晶シリコンの電気特性を示すグラフ図である。
【図３（ａ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｂ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｃ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｄ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｅ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｆ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｇ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｈ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図３（ｉ）】本発明に係る薄膜トランジスタ製造プロセスにおける多結晶シリコン層の製作を示す説明図である。
【図４（ａ）】本発明に係る多結晶シリコン層を示す正面図およびこのシリコン層に薄膜トランジスタを形成した後の構造を示す正面図である。
【図４（ｂ）】本発明に係る多結晶シリコン層を示す正面図およびこのシリコン層に薄膜トランジスタを形成した後の構造を示す正面図である。
【図５】本発明に係るエクサイマーレーザのエネルギー密度と多結晶シリコンの電気特性との関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明よって製作された二重式薄膜トランジスタの分布を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１００  ガラス基板
１０４  非晶質シリコン層または多結晶シリコン層
２００  ガラス基板
２０４  窒化シリコン層
２０６  マスク
２０８  非晶質シリコン層
２１０  種晶
２１２  非晶質シリコン層
２１２a  多結晶シリコン層
２１４  結晶接面
２２０  第一区域
２４０  第二区域
【図１（ａ）】
2005057155.tif 000003
【図１（ｂ）】
2005057155.tif 000004
【図２】
2005057155.tif 000005
【図３（ａ）】
2005057155.tif 000006
【図３（ｂ）】
2005057155.tif 000007
【図３（ｃ）】
2005057155.tif 000008
【図３（ｄ）】
2005057155.tif 000009
【図３（ｅ）】
2005057155.tif 000010
【図３（ｆ）】
2005057155.tif 000011
【図３（ｇ）】
2005057155.tif 000012
【図３（ｈ）】
2005057155.tif 000013
【図３（ｉ）】
2005057155.tif 000014
【図４（ａ）】
2005057155.tif 000015
【図４（ｂ）】
2005057155.tif 000016
【図５】
2005057155.tif 000017
【図６】
2005057155.tif 000018