JP5339322B2 - レーザによるシリコン結晶成長方法 - Google Patents

Description

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を成長させるシリコン結晶成長方法に関する。

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６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、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。したがって、吸収熱量が高くなり、特に液晶用の薄膜トランジスタなどの製造の際には、発熱により周囲に悪影響を及ぼす。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ティ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困難であった。したがって、より発熱量の少ない多結晶シリコンの結晶成長方法が望まれている。

従来技術としては、特許文献１及び２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、多結晶シリコンの結晶成長の低温化については全く考慮されていない。
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、アニーリングの目的が多結晶シリコンの結晶成長ではなく、それに伴い波長も異なっている。また、多結晶シリコンの結晶成長の低温化についても全く考慮されていない。
特開２０００−１２４８４号公報 特開昭５６−２９３２３号公報

従来の多結晶シリコンの結晶成長方法は紫外光レーザを主体にしているため、結晶粒界のみならず、すでに結晶化された部分もレーザによる熱を吸収してしまい、全体の発熱量が高くなり、液晶ディスプレイのスイッチング等に用いる薄膜トランジスタの生成には不都合が多かった。一方、可視光レーザを照射すれば、結晶粒界部分に集中的にエネルギーを照射することができ発熱を抑えられるが、結晶成長させるにはエネルギーが十分ではない。
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を成長させるシリコン結晶成長方法において、紫外光レーザ照射及び可視光レーザ照射の欠点を相補的に補い合い、従来より低い温度でシリコン結晶を成長させることを目的とする。

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、多結晶シリコンにレーザ光を照射してシリコン結晶を成長させるシリコン結晶成長方法であって、前記レーザ光は、紫外領域の波長を有する第１パルスレーザ光と、可視領域の波長を有する第２パルスレーザ光とからなり、前記第２パルスレーザ光は、第１パルスレーザ光照射の前後に当該第１パルスレーザ光照射とは異なるタイミングで照射されて、結晶粒界のみを選択的に加熱することを特徴とするシリコン結晶成長方法。
また、前記多結晶シリコンは、非晶質シリコンに紫外光レーザを照射して生成されたものを用いることができる。
好ましくは、前記第１パルスレーザ光及び前記第２パルスレーザ光間の照射タイミングの間隔は、前記第１パルスレーザ光または前記第２パルスレーザ光の半値全幅におけるパルス幅以上の間隔をおいて照射することである。
また、前記レーザ光照射を複数回繰り返し行うことも好ましい。

本発明は上記構成を採用したことにより、紫外光レーザ照射及び可視光レーザ照射の欠点を相補的に補い合い、従来より低い温度でシリコン結晶を成長させることができる。本発明者は実験により、紫外光パルスレーザと可視光パルスレーザとを同時照射ではなく、異なるタイミングで照射することにより、同時照射よりも少ないエネルギー（少ない発熱量）でより効率よくシリコン結晶を成長させられることを見出した。これは、両方のパルスレーザ照射に時間差を与えることにより、一方のレーザによるアニールの効果が十分に浸透する時間を稼ぐことができ、もう一方のレーザによるアニールの効果を相乗的に高められるためだと考えられる。したがって、本発明の方法を用いれば、従来より低温でシリコン結晶の成長ができるので、薄膜トランジスタなどの製造に有利である。

以下、図面を用いて本発明の原理を説明する。
図１は、多結晶シリコンに、紫外光レーザ（波長355nm）を照射した場合と可視光レーザ（波長532nm）を照射した場合の吸収状態を表す図である。図中の、Grain boundaryは結晶粒界、a-Siは非晶質シリコン、c-Siは結晶シリコン、poly-Siは多結晶シリコンを表す。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、可視光はほとんど吸収しない。
図１の上図は、紫外光レーザ(355nm)を多結晶シリコンに照射した際の概念図である。既に結晶成長した部分は結晶シリコン(c-Si)の特性、結晶粒界部分は非晶質シリコン(a-Si)の特性を有するが、紫外光は図２に示されるとおり結晶シリコン(c-Si)及び非晶質シリコン(a-Si)の両方に吸収されるため、全体にレーザ光エネルギーが吸収されて結晶成長は促進されるが、発熱量が大きい。
図１の下図は、可視光レーザ(532nm)を多結晶シリコンに照射した際の概念図である。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。ただし、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。紫外レーザ光照射による多結晶シリコン薄膜成長プロセスの低温化を図るため、可視レーザ光を紫外レーザ光の前後に照射する。可視レーザ光は、結晶粒界など非晶質Si様の一部の部位のみに選択的に吸収されるため多結晶シリコン薄膜全体の温度を上昇させることなく、結晶粒界近傍のみ加熱される。つまり、可視レーザ光照射により結晶粒界のみが活性化されるため、紫外レーザ光照射による結晶の横方向への成長が促進される。

以下、図３を用いて結晶成長の原理を説明する。比較的低いエネルギー密度のレーザ照射による多結晶シリコンの大粒径化（二次元結晶成長、secondary grain growth）は、非優先方位(non-preferred orientation)の結晶粒のシリコン原子が結晶粒界を経て優先方位(preferred orientation)へ移動することにより生じる。つまり、優先方位の結晶粒の大粒径化は、結晶粒界が右へ移動することにより生じる。（優先方位の部分が増え、非優先方位の部分が減る）。粒界へ選択的にレーザ光を吸収させることにより、粒界近傍の温度上昇、並びに粒界近傍の加熱時間の延長が生じる。このことにより、大粒径化、つまり粒界の移動が以下の２つの理由により促進されると考えられる。
１．結晶粒界の移動速度は、exp(-Q/kT)に比例する。ここで、Q、k、及びTは、粒界の活性化エネルギー、ボルツマン定数、温度である。可視光レーザを照射することにより、Tをあげることによる結晶粒界の移動速度の向上が期待される。
２．粒界の移動量は結晶粒界の移動速度×時間となるので、粒界の移動量は加熱時間の延長により増加する。

以下、実験条件及び実験結果を示す。
＜実験条件＞
・非晶質シリコン(a-Si)
基板： 石英
蒸着法： LP-CVD
膜厚： 50[nm]
・Nd:YAGレーザ
可視光： 532nm（第２高調波、２ω）
紫外光： 355nm（第３高調波、３ω）
繰返周期： 11[Hz]
パルス持続時間： 5[nsec] （半値全幅）
・照射条件
基板加熱温度： 室温
雰囲気： 空気中
エネルギー密度： ２ω 66[mJ/cm^２]
３ω 133[mJ/cm^２]（結晶化下限）
紫外光に対する可視光の遅延時間： -15ns〜+15ns
先駆体(Precursor)： ３ω、133mJ/cm^２、11shot

＜実験結果＞
図４及び図５に実験結果を示す。図４は、紫外光に対する可視光の遅延時間を-15ns〜+15nsで変化させた場合の、それぞれの結晶成長状態を走査型電子顕微鏡（SEM）により観察した結果である。なお、「Precursor」は紫外光のみを照射した場合の結果である。この図からわかるように、紫外光のみの照射(Precursor)や紫外光・可視光同時照射(±0ns)に比べて、紫外光と可視光の照射タイミングを異ならせた(-15ns、-10ns、-5ns、+5ns、+10ns、+15ns)の方が結晶粒径が大きく、結晶成長が促進されていることがわかる。
図５に、紫外光及び可視光レーザ照射後の多結晶シリコンのラマン分光解析結果及び溶解時間のグラフを示す。単結晶シリコンのラマンピークシフト位置である521cm^−１とそれぞれのラマンピークシフトの差（Dw）は内部応力に比例する（F=-kDw）。また、ラマンピーク半値全幅は結晶欠陥に関係する。ちなみに、単結晶シリコン（＝結晶欠陥はほぼゼロ）を測定した場合のラマンピーク半値全幅は4.2 cm^−１だった。結晶欠陥が多くなるとラマンピーク半値全幅は大きくなる。
図５(a)のラマンピークシフト、並びに図５(b)のラマンピーク半値全幅の結果より、多結晶シリコンの内部応力や結晶欠陥は２ω遅延照射（Delayが+）のほうが小さく、より単結晶Siに近くなる（結晶性が向上している）ことがわかる。
図５(c)にレーザ照射後の溶融時間を示す。照射されたレーザのエネルギー密度の大きさから考えると、溶融部位は、融点の低い粒界近傍である。溶融時間は、２ω遅延照射のほうが逆の場合よりも、長くなることがわかる。この結果は、図５(a)及び図５(b)に示したラマンの結果と一致する。
溶融時間の延長は、２ω遅延照射により粒界近傍の温度上昇が生じ、それに伴い、粒界近傍の粒界近傍の加熱時間が延長されたと考えられる。結晶性の向上は、(1)粒界近傍の温度上昇による結晶成長速度の加速、更に(2)粒界近傍の加熱時間の延長による結晶成長の進行、によるものであると考えられる。

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。

多結晶シリコンへの紫外光及び可視光の吸収を表す図 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 結晶成長原理の説明図 紫外光及び可視光レーザ照射による結晶成長の結果を表す図 紫外光及び可視光レーザ照射後の多結晶シリコンの解析結果(a)ラマンピークシフト(b)ラマンピーク半値全幅(c)レーザ照射後の溶解時間 液晶ディスプレイの薄膜トランジスタ

Claims (4)

1. 多結晶シリコンにレーザ光を照射してシリコン結晶を成長させるシリコン結晶成長方法であって、前記レーザ光は、紫外領域の波長を有する第１パルスレーザ光と、可視領域の波長を有する第２パルスレーザ光とからなり、前記第２パルスレーザ光は、第１パルスレーザ光照射の前後に当該第１パルスレーザ光照射とは異なるタイミングで照射されて、結晶粒界のみを選択的に加熱することを特徴とするシリコン結晶成長方法。
2. 前記多結晶シリコンは、非晶質シリコンに紫外光レーザを照射して生成されたものである、請求項１記載のシリコン結晶成長方法。
3. 前記第１パルスレーザ光及び前記第２パルスレーザ光間の照射タイミングの間隔は、前記第１パルスレーザ光または前記第２パルスレーザ光の半値全幅におけるパルス幅以上の間隔をおいて照射することを特徴とする請求項１又は２いずれか記載のシリコン結晶成長方法。
4. 前記レーザ光の照射を複数回繰り返し行う請求項１乃至３のいずれか記載のシリコン結晶成長方法。