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明細書 :多結晶シリコン結晶粒界改質方法及び装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5574312号 (P5574312)
公開番号 特開2009-231746 (P2009-231746A)
登録日 平成26年7月11日(2014.7.11)
発行日 平成26年8月20日(2014.8.20)
公開日 平成21年10月8日(2009.10.8)
発明の名称または考案の名称 多結晶シリコン結晶粒界改質方法及び装置
国際特許分類 H01L  21/20        (2006.01)
FI H01L 21/20
請求項の数または発明の数 5
全頁数 9
出願番号 特願2008-078304 (P2008-078304)
出願日 平成20年3月25日(2008.3.25)
審査請求日 平成23年2月9日(2011.2.9)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304020177
【氏名又は名称】国立大学法人山口大学
発明者または考案者 【氏名】河本 直哉
【氏名】三好 正毅
個別代理人の代理人 【識別番号】110001427、【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所
審査官 【審査官】豊田 直樹
参考文献・文献 特開2002-367904(JP,A)
特開2002-367905(JP,A)
特開2000-260731(JP,A)
特開平08-064526(JP,A)
特開2005-347694(JP,A)
韓国登録特許第10-0740124(KR,B1)
調査した分野 H01L 21/18 - 21/20
H01L 21/34 - 21/36
H01L 21/84
特許請求の範囲 【請求項1】
多結晶シリコンにパルスレーザ光を照射して結晶粒界の改質を行う多結晶シリコン結晶粒界改質方法であって、
前記パルスレーザ光は波長400nm以上の可視光であり、
前記パルスレーザ光の照射は、初めに、前記結晶粒界が溶融しない程度の強度として結晶粒界における結晶欠陥を低減させ、その後、結晶粒界を部分溶融する強度のエネルギー密度とすることを特徴とする多結晶シリコン結晶粒界改質方法。
【請求項2】
パルスレーザ光の初めの照射強度は、66mJ/cm以上乃至533mJ/cmより小さい結晶粒界が溶融しない範囲のエネルギー密度であり、後の照射は、533mJ/cm以上の結晶粒界を部分的に溶融するエネルギー密度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結晶粒界改質方法。
【請求項3】
前記多結晶シリコン結晶粒界改質方法は、レーザ光によるシリコン結晶成長方法の補助処理として行われ、前記シリコン結晶成長方法の、少なくとも、前処理、後処理、中間処理のいずれかとして行われることを特徴とする請求項1又は2記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法。
【請求項4】
前記パルスレーザ光の照射を複数回繰り返し行うことを特徴とする請求項1乃至3いずれか記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか一つに記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法を実施する多結晶シリコン結晶粒界改質用装置であって、
波長400nm以上の可視光のパルスレーザ光を発生するパルスレーザ発生手段と、
前記パルスレーザ発生手段のパルスレーザ光の強度及び照射タイミングを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記パルスレーザ光の照射強度、前記多結晶シリコンの結晶粒界が溶融しないエネルギー密度にして前記パルスレーザ光を照射し、その後で該結晶粒界が部分的に溶融するエネルギー密度にして前記パルスレーザー光を照射する制御を行うことを特徴とする多結晶シリコン結晶粒界改質用装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、多結晶シリコンにレーザ光を照射してシリコン結晶の結晶粒界を改質するシリコン結晶成長方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
液晶ディスプレイにおける画素のスイッチング等に用いられる薄膜トランジスタには、非晶質シリコン(アモルファスシリコン)が用いられてきた。図1は、液晶ディスプレイにおける薄膜トランジスタを表す図である。近年、薄膜トランジスタの材料として、非晶質シリコンより電子移動度やスイッチング特性の高い、多結晶シリコン(ポリシリコン)を用いられるようになってきた。多結晶シリコンを用いることでトランジスタを小さくすることができ、液晶ディスプレイの小型化や低消費電力化を図ることができる。多結晶シリコンを採用することにより、従来は外付けであったディスプレイを駆動するための回路をディスプレイ中に作り込むことが可能になるなど、ディスプレイの小型軽量化、低価格化を図る事が可能となる。良質な多結晶シリコンを生成するには、非晶質シリコンまたは多結晶シリコンにレーザ光を照射してレーザアニールを行い、結晶成長を促進させる必要がある。通常は紫外光レーザにより結晶を成長させるのであるが、紫外光レーザは結晶粒界部分だけでなく、すでに結晶になった部分にも吸収されてしまう。特に現在、ディスプレイの低価格化、及び軽量化の観点から望まれているプラスチック基板上に多結晶シリコンの薄膜トランジスタを製造するのは、吸収熱量が高くなり発熱により周囲に悪影響を及ぼすため、困難であった。この問題点を解決するために、本発明者は、紫外光レーザと、熱吸収が少ない可視光レーザとを効率よく組み合わせることにより、低温でも多結晶シリコンの結晶成長ができる方法を提案した(特願2007-111227号)。
【0003】
薄膜トランジスタの電気特性や信頼性は多結晶シリコンの結晶粒界の特性が大きな影響を与える。従来は、多結晶シリコンの大粒径化を行うこと、または、レーザ照射後、多結晶シリコンを水素雰囲気にて炉アニールを行い、粒界部分のダングリングボンドを水素終端することにより、粒界部分の及ぼす悪影響を低減してきた。通常、多結晶シリコンの大粒径化は紫外レーザを多結晶シリコンへ照射することにより行われるが、安価で軽量なことから実現が望まれるプラスチック基板上においては、十分な大粒径化を生じさせるのに必要なエネルギーをもつレーザ光を照射する、もしくは水素終端アニールを十分な温度で行うことは、プラスチックの軟化点が低いため、技術的な問題点となっていた。
【0004】
従来技術としては、特許文献1乃至3がある。
特許文献1には、可視光及び紫外光のレーザを用いて、アモルファスシリコンの溶融多結晶化を行う技術が記載されている。しかしながら、特許文献1は可視光パルスレーザ及び紫外光パルスレーザを同時に照射するものであり、低温で多結晶シリコンの結晶粒界を改質する方法については記載されていない。
特許文献2には、異なる波長のレーザ光を異なるタイミングで照射するアニーリングが記載されている。しかしながら、特許文献2には可視光パルスレーザにより、低温で多結晶シリコンの結晶粒界を改質する方法については記載されていない。
特許文献3には、非晶質シリコンにレーザ照射して多結晶シリコンを形成する方法が記載されている。また、レーザ光の波長として、可視光であるYAGレーザの第2高調波を用いることも示唆されている(段落0016)。しかしながら、特許文献3は、多結晶シリコンの形成を主眼においているため、エネルギー密度の高いレーザ光を照射している。すでに結晶になった部分の溶融を抑え、少ないエネルギー密度で結晶粒界を改質することについては記載も示唆もされていない。

【特許文献1】特開2000-12484号公報
【特許文献2】特開昭56-29323号公報
【特許文献3】特開2007-158372号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の多結晶シリコンの結晶成長方法は、多結晶シリコンの結晶部分の大粒径化を行うことに主眼がおかれていたが、既に結晶になった部分の結晶粒界の改質については特に考慮されていなかった。結晶粒界の改質には、レーザ照射後、多結晶シリコンを水素雰囲気にて炉アニールを行い、粒界部分のダングリングボンドを水素終端していたが、炉アニールは基板全体を熱してしまうため、プラスチック基板では行うことができない。
本発明は、レーザ光を用い、効率よく適度なエネルギーを結晶粒界に与えることにより、基板部分や既に結晶になった部分に影響を与えることなく、結晶粒界を改質する多結晶シリコン結晶粒界改質方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。すなわち請求項1に係わる発明は、
多結晶シリコンにパルスレーザ光を照射して結晶粒界の改質を行う多結晶シリコン結晶粒界改質方法であって、
前記パルスレーザ光は波長400nm以上の可視光であり、
前記パルスレーザ光の照射は、初めに、前記結晶粒界が溶融しない程度の強度として結晶粒界における結晶欠陥を低減させ、その後、結晶粒界を部分溶融する強度のエネルギー密度とすることを特徴とする多結晶シリコン結晶粒界改質方法である。
更に、請求項2に係わる発明は、パルスレーザ光の初めの照射強度は、66mJ/cm以上乃至533mJ/cmより小さい結晶粒界が溶融しない範囲のエネルギー密度であり、後の照射は、533mJ/cm以上の結晶粒界を部分的に溶融するエネルギー密度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結晶粒界改質方法である。
また、請求項3に係わる発明は、前記多結晶シリコン結晶粒界改質方法は、レーザ光によるシリコン結晶成長方法の補助処理として行われ、前記シリコン結晶成長方法の、少なくとも、前処理、後処理、中間処理のいずれかとして行われることを特徴とする請求項1又は2記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法である。
また、請求項4に係わる発明は、前記パルスレーザ光の照射を複数回繰り返し行うことを特徴とする請求項1乃至3いずれか記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法である。
これらの多結晶シリコン結晶粒界を改質するための装置として、請求項5に係わる発明は、請求項1から4のいずれか一つに記載の多結晶シリコン結晶粒界改質方法を実施する多結晶シリコン結晶粒界改質用装置であって、
波長400nm以上の可視光のパルスレーザ光を発生するパルスレーザ発生手段と、
前記パルスレーザ発生手段のパルスレーザ光の強度及び照射タイミングを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記パルスレーザ光の照射強度、前記多結晶シリコンの結晶粒中心が溶融しないエネルギー密度にして前記パルスレーザ光を照射し、その後で該結晶粒界が部分的に溶融するエネルギー密度にして前記パルスレーザー光を照射する制御を行うことを特徴とする多結晶シリコン結晶粒界改質用装置である。
【0007】
また、以下の好ましい実施態様がありうる。
前記多結晶シリコン結晶粒界改質方法は、レーザ光によるシリコン結晶成長方法の補助処理として行われ、前記シリコン結晶成長方法の、少なくとも、前処理、後処理、中間処理のいずれかとして行われる。
前記パルスレーザ光の照射強度は、前記多結晶シリコンの結晶粒界近傍が部分溶解するエネルギー密度である。
前記パルスレーザ光の照射を複数回繰り返し行う。
【発明の効果】
【0008】
本発明は上記構成を採用したことにより、少ないエネルギーを結晶粒界に効率よく与えることにより、基板部分や既に結晶になった部分に影響を与えることなく、結晶粒界を改質することができる。照射レーザ光のエネルギー密度を必要最小限にしているため、基板部分の発熱を最小限に抑えることができ、プラスチック基板などの熱に弱い基板上の多結晶シリコンに対しても効率よく結晶粒界を改質することができる。
図2に、非晶質シリコン(a-Si)、多結晶シリコン(poly-Si)、結晶シリコン(c-Si)における、各波長の照射レーザ光の吸収率を示す。このグラフからわかるように、波長が400nm以上のレーザ光では、非晶質シリコンの吸収率は高いが、結晶シリコンの吸収率は極端に低い。本発明はこの性質を利用して、波長400nm以上の比較的弱いレーザ光を多結晶シリコンに照射することにより、既に結晶になっている部分をほとんど溶融することなく、非晶質シリコンが多く占めている結晶粒界部分のみを効率よく加熱することができる。これにより、結晶粒界部分のみを選択的に加熱することができるので、基板全体を加熱することなく結晶粒界の改質を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図2は、多結晶シリコン、非晶質シリコン及び結晶シリコンの、レーザ光の吸収率の波長依存性を表すグラフである。図2からわかるように、非晶質シリコン(a-Si)は紫外光及び可視光で高い吸収特性を有するのに対し、結晶シリコン(c-Si)は紫外光では高い吸収特性を有するものの波長400nm以上の可視光はほとんど吸収しない。
図3は、多結晶シリコンに、可視光レーザ(波長532nm)を照射した場合の吸収状態を表す図である。可視光は、図2に示されるとおり、結晶シリコン(c-Si)部分ではほとんど吸収されないが、非晶質シリコン(a-Si)では多く吸収されるため、非晶質シリコン(a-Si)の特性を持つ結晶粒界部分のみに効率よくレーザが吸収され、発熱量も小さい。全体的な加熱量は小さいため結晶成長には不十分であるが、結晶粒界の結晶欠陥を低減したり、結晶粒界の移動を促進して結晶粒を大きくすることができる。
【0010】
本発明の実施形態の1つとして、YAGレーザの第2高調波(波長532nm)を用いて、多結晶シリコンの結晶粒界の改質を行った。図4及び図5に、本実施形態の方法により、多結晶シリコン基板の結晶粒界の改質を行った実験結果を示す。図4は、本実施形態の結晶粒界の改質方法により形成された基板を、電子スピン共鳴(ESR)により不対電子量(スピン密度)を測定した結果である。スピン密度が小さいほど、結晶欠陥が少ないことを意味している。このグラフからわかるように、400mJ/cm程度のエネルギー密度のレーザ光でも結晶欠陥が低減しており、結晶粒の中心付近が溶融しないようなエネルギー密度の小さな可視光レーザでも十分に結晶欠陥を低減できることがわかる。
また、図5は、この実験により形成した基板のSEM像である。この図からわかるように、レーザ光のエネルギー密度が400mJ/cmでショット数が99shotのときに最も結晶が成長している。これは、エネルギー密度の高さにより結晶粒界の改質効果が高かったことにもよるが、ショット数が多いほど結晶粒界の改質効果が高いことが本発明の特有の効果である。本発明の構成により少ないエネルギー密度で少しずつ結晶粒界の改質を行うことができるため、多結晶シリコン全体を加熱することなく低温で多結晶シリコンの結晶粒界の改質を行うことができる。
【0011】
上述の例では、結晶粒界における結晶欠陥の低減について説明したが、多結晶シリコンの結晶成長のステージによっては(例えば、結晶粒がまだ小さい段階)、本実施形態の結晶粒界改善方法により、多結晶シリコンの結晶粒の成長を促進させることができる。二次元結晶成長の駆動力ΔFは、以下の式により表される。
【数1】
JP0005574312B2_000002t.gif
(Δγ:表面エネルギー異方性、h:膜厚、γgb:粒界エネルギー、r:二次元結晶粒径、r:膜厚程度の結晶粒径)
多結晶シリコン薄膜における結晶欠陥の支配的な位置は結晶粒界、且つ多結晶シリコン薄膜における内部応力は結晶欠陥数に依存することから、ESRにより定量された不対電子数は、応力場をもつ転位に由来するものである。つまり、図4で示した結果は、結晶粒界を溶融しない程度に選択加熱することで歪エネルギーである粒界エネルギーγgbが減少することを示している。
≒rの場合、つまり二次元結晶成長初期における結晶成長の駆動力は次式で表される。
【数2】
JP0005574312B2_000003t.gif
式(数2)からわかるように、二次元結晶成長の初期の場合、粒界エネルギーγgbに関する第二項目は二次元結晶成長の駆動力ΔFに対しマイナス、つまり抑止力として働く。このため、二次元結晶成長の初期においては、結晶粒界を溶融しない程度に選択加熱することで結晶粒界における結晶欠陥を低減し、その駆動力向上(抑止力低下)による結晶成長の促進を図ることが可能となる。図5に示す多結晶シリコン粒の大粒径化は、以上により生じたものであると考えられる。
しかし、結晶成長が進むことで、rが大きくなり式(数1)における第三項目が第二項目より小さくなることで、粒界エネルギーγgbは二次元結晶成長の駆動力ΔFに対しプラスに、つまり駆動力として働く。このため、二次元結晶成長の初期以降においては、結晶粒界を部分溶融により選択加熱することで、結晶粒界における結晶欠陥を増加させ、その駆動力向上による結晶成長の促進を図ることが可能となる。図4に示すように533mJ/cm程度のエネルギー密度のレーザ光を照射し、多結晶シリコン薄膜の一部を溶融させることで結晶欠陥数を増加させることにより、多結晶シリコン粒の大粒径化が可能となる。
二次元結晶成長の駆動力ΔFは、図6に示すように結晶粒界の移動を促進するので、結果的に結晶成長が促進される。粒界の移動度νは、以下の式により表せる。
【数3】
JP0005574312B2_000004t.gif
(Q:活性化エネルギー、k:ボルツマン定数、T:粒界温度)
ちなみに、式(数1)からわかるように、二次元結晶粒径rが大きいときは、粒界エネルギーγgbの減少しても二次元結晶成長の駆動力ΔFが大きくならない。したがって、結晶粒径が大きいときは、可視光レーザ照射エネルギーは主に結晶欠陥の低減に用いられる。
【0012】
具体的には、図4からわかるように、レーザ光のエネルギー密度が400mJ/cm程度のとき、最も結晶欠陥数の減少が見られる。また、さらにエネルギー密度が533mJ/cm程度になると、結晶粒界の一部が溶解してむしろ結晶欠陥数が増加し、結晶粒界の移動が促進されるので、結果的に結晶成長が促進される。なお、結晶粒界の改質は小さなエネルギー密度でも起き、実験により少なくとも66mJ/cm程度のエネルギー密度でも結晶粒界の改質が起きることを確認している。
【0013】
図7は、本実施形態の多結晶シリコン結晶粒界改質方法の照射タイミングを説明する図である。本実施形態の多結晶シリコン結晶粒界改質方法は単独で用いても良いが、従来の多結晶シリコンの結晶成長方法と組み合わせることでより高い効果が得られる。図7(A)は、本発明者による紫外光レーザと可視光レーザとを組み合わせた従来の結晶成長方法(特願2007-111227号)である。本実施形態の多結晶シリコン結晶粒界改質方法の適用方法としては、図7(B)のように、従来の結晶成長方法の前処理(最初のパルスレーザ印加前)、中間処理(パルスレーザとパルスレーザの間)、後処理(全てのパルスレーザ印加後)などが考えられる。
【0014】
以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】液晶ディスプレイの薄膜トランジスタを表す図。
【図2】非晶質シリコン、多結晶シリコン、結晶シリコンの吸収特性を表すグラフ。
【図3】多結晶シリコンへの可視光の吸収を表す図。
【図4】本実施形態における実験結果(スピン密度)を表す図。
【図5】本実施形態における実験結果(SEM像)を表す図。
【図6】本実施形態における結晶成長を説明する図。
【図7】本実施形態におけるパルスレーザ光の照射タイミングを説明する図。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図6】
4
【図7】
5
【図5】
6