特許 6163270 低温ポリシリコン薄膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163270

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】低温ポリシリコン薄膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20170703BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20170703BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/20

   H01L29/78 627G

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-539934(P2016-539934)

(86)(22)【出願日】2013年12月30日

(65)【公表番号】特表2017-504965(P2017-504965A)

(43)【公表日】2017年2月9日

(86)【国際出願番号】CN2013090858

(87)【国際公開番号】WO2015096174

(87)【国際公開日】20150702

【審査請求日】2016年6月29日

(31)【優先権主張番号】201310728614.7

(32)【優先日】2013年12月25日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】515203228

【氏名又は名称】深▲せん▼市華星光電技術有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100131808

【弁理士】

【氏名又は名称】柳橋 泰雄

(72)【発明者】

【氏名】張 隆賢

【審査官】 鈴木 聡一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１５８９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４０５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４３３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７７４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０６４０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Wenchang YEH and Dunyuan KE，Location Control of Super Lateral Growth Grains in Excimer Laser Crystallization of Silicon Thin Films by Microlight Beam Seeding，Japanese Journal of Applied Physics，日本，２００６年 ９月，Vol.45, No.36，p.L970-L972

【文献】 十文字正之 他，位相変調エキシマレーザ結晶化特性に及ぼす光強度分布の効果，表面科学，日本，２００４年，Vol.25, No.9，p.586-593

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温ポリシリコン薄膜の製造方法であって、
まず、アモルファスシリコン薄膜層に酸化シリコン層を成長させ、
その後、前記酸化シリコン層に垂直に照射された光束を屈折させる複数の弧状の凹面を形成し、
最後に、前記アモルファスシリコン薄膜層が結晶化され前記低温ポリシリコン薄膜を形成するように、エキシマレーザービームを前記酸化シリコン層から前記アモルファスシリコン薄膜層に照射する前記アモルファスシリコン薄膜層を成長させるステップを含み、
前記弧状の凹面は前記酸化シリコン層にマトリックス状に配列され、
隣接する二つの前記弧状の凹面の距離は３００〜６００μｍであることを特徴とする低温ポリシリコン薄膜の製造方法。

【請求項2】

具体的に、
基板を提供し、前記基板上にバッファ層を形成するステップ（ａ）と、
前記バッファ層にアモルファスシリコン薄膜層を形成するステップ（ｂ）と、
前記アモルファスシリコン薄膜層に酸化シリコン層を形成し、エッチングプロセスにより前記酸化シリコン層に複数の弧状の凹面を形成するステップ（ｃ）と、
前記アモルファスシリコン薄膜層が結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成するように、
エキシマレーザービームを前記酸化シリコン層から前記アモルファスシリコン薄膜層に照射するステップ（ｄ）と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の低温ポリシリコン薄膜の製造方法。

【請求項3】

さらに、結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成した後、前記酸化シリコン層を除去するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の低温ポリシリコン薄膜の製造方法。

【請求項4】

前記弧状の凹面の外周は円形を呈し、直径が１０〜２０μｍであり、前記弧状の凹面の深さは１５０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の低温ポリシリコン薄膜の製造方法。

【請求項5】

前記バッファ層の材料は酸化シリコンであることを特徴とする請求項２に記載の低温ポリシリコン薄膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は液晶ディスプレイの技術分野に属し、低温ポリシリコン薄膜及びその製造方法、並びに低温ポリシリコン薄膜トランジスタに関する。

【背景技術】

【0002】

液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＬＣＤ）は、平面状で超薄型の表示装置であり、一定数のカラー又は白黒の画素により構成され、光源又は反射面の前に配置される。液晶ディスプレイは、電力消費が非常に低く、高解像度、小体積、軽量である特徴を有するため、極めて好評を博しており、ディスプレイの主流となり、現在の液晶ディスプレイは薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）の液晶ディスプレイを主とする。フラットパネルディスプレイの発展に伴い、高解像度、低電力消費のパネルに対する需要が絶えず高まっており、アモルファスシリコンの電子移動度が低く、低温ポリシリコン（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｌｏｙ−ｓｉｌｉｃｏｎ）は低温で製造することができ、高い電子移動度及び製作可能なＣ−ＭＯＳ回路を有するため、パネルに対する高解像度、低電力消費の需要を達するために幅広く研究されている。

【0003】

現在、低温ポリシリコンを製造する方法は、固相結晶化（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ、ＳＰＣ）、金属誘起結晶化（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ、ＭＩＣ）及びエキシマレーザアニール（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｅｒ、ＥＬＡ）などのいくつかを含み、そのうち、エキシマレーザアニールは現在最も広く使われている方法である。エキシマレーザアニール技術は、エキシマレーザービームを基板上のアモルファスシリコン薄膜に短時間照射し、アモルファスシリコンを高温溶融させ、再結晶によりポリシリコンを形成させる。
低温ポリシリコンの結晶粒の大きさはポリシリコンの電気特性に重大な影響を与え、エキシマレーザアニールのプロセスにおいて、アモルファスシリコンは高温下で完全溶融（Ｎｅａｒｌｙ Ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ Ｍｅｌｔｓ）状態となり、その後、再結晶によりポリシリコンを形成する。再結晶時には、低エネルギーから高エネルギーへの方向、低温から高温への方向に結晶化される。現在は、エキシマレーザ―ビームをアモルファスシリコン薄膜層に均一に照射し、アモルファスシリコン薄膜層の各部分の温度が大体等しいため、再結晶時の起点と方向は乱れており、結晶後の結晶粒が小さくなり、結晶粒界が多くなり、ポリシリコンの電子移動度に影響を与える。

【発明の概要】

【0004】

本発明は従来技術に存在する欠陥に鑑みて、エキシマレーザアニール工程により低温ポリシリコン薄膜を形成する時、再結晶の起点と方向を制御することができ、大きなポリシリコン結晶粒を得られる低温ポリシリコン薄膜の製造方法を提供する。

【0005】

上記の目的を達成するために、本発明は下記のような技術的解決手段を採用する。
低温ポリシリコン薄膜の製造方法であって、アモルファスシリコン薄膜層を成長させるステップを含み、まず、前記アモルファスシリコン薄膜層に酸化シリコン層を成長させ、その後、前記酸化シリコン層に垂直に照射される光束を屈折させる複数の凹弧面を形成し、最後に、前記アモルファスシリコン薄膜が結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成するように、エキシマレーザービームを前記酸化シリコン層から前記アモルファスシリコン薄膜層に照射する。

【0006】

該方法は、具体的に、
基板を提供し、前記基板上にバッファ層を形成するステップ（ａ）と、
前記バッファ層にアモルファスシリコン薄膜層を形成するステップ（ｂ）と、
前記アモルファスシリコン薄膜層に酸化シリコン層を製造させ、エッチングプロセスにより前記酸化シリコン層に複数の凹弧面を形成するステップ（ｃ）と、
前記アモルファスシリコン薄膜層が結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成するように、エキシマレーザービームを前記酸化シリコン層から前記アモルファスシリコン薄膜層に照射するステップ（ｄ）と、を含む。

【0007】

該方法は、さらに、結晶化により低温ポリシリコン薄膜を形成した後、前記酸化シリコン層を除去するステップを含む。

【0008】

前記凹弧面は前記酸化シリコン層に配列される。

【0009】

隣接する二つの凹弧面の距離は３００〜６００μｍである。

【0010】

前記凹弧面の外周は、円形を呈し、直径が１０〜２０μｍであり、前記凹弧面の深さは１５０〜２００ｎｍである。

【0011】

ステップ（ｂ）においてアモルファスシリコン薄膜層を形成し獲得した後、前記アモルファスシリコン薄膜層に対する高温脱水素処理を行う。

【0012】

前記バッファ層の材料は酸化シリコンである。

【0013】

本発明の別の一態様によれば、上記のような方法により製造される低温ポリシリコン薄膜を提供する。

【0014】

本発明の別の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成され、上記のような低温ポリシリコン薄膜からなり、ソース領域、ドレイン領域、及び前記ソース領域とドレイン領域との間に位置するチャネル領域を含む半導体層と、
前記半導体層に順次形成され、前記ゲートと前記半導体層を隔離するゲート絶縁層、及び前記チャネル領域の位置に対応するゲートと、
前記ゲート絶縁層及びゲートの上方に形成され、第１ビアホールと第２ビアホールが設置され、ソース電極が前記第１ビアホールを介して前記ソース領域に接続され、ドレイン電極が前記第２ビアホールを介して前記ドレイン領域に接続される誘電体層と、
を含む低温ポリシリコン薄膜トランジスタを提供する。

【発明の効果】

【0015】

本発明により提供される低温ポリシリコン薄膜の製造方法は、アモルファスシリコン薄膜層に複数の凹弧面を有する酸化シリコン層を成長させ、エキシマレーザービームを照射することによりアモルファスシリコン薄膜層を再結晶させる時、光束が分散されるように、レーザービームは凹弧面領域において屈折し、この時、凹弧面の下方に対応するアモルファスシリコン薄膜層の温度が相対的に低く低温領域を形成し、凹弧面の周辺領域において、レーザービームは垂直に入射してアモルファスシリコン薄膜層に達し高温領域を形成する。ポリシリコンは再結晶する時、低エネルギーから高エネルギーへの方向、低温から高温への方向に結晶化するため、低温領域に結晶の起点を形成し、周りの高温領域へ成長して大きくなり、よって方向が制御可能であり、大きなポリシリコンの結晶粒を有する低温ポリシリコン薄膜を獲得する。本発明により獲得した低温ポリシリコン薄膜で製造し形成されたトランジスタは、高い電子移動度と安定した電気特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施例における低温ポリシリコン薄膜の製造方法の工程の流れを示す図である。

【図2】本発明の一実施例における酸化シリコン層に製造された複数の凹弧面の上面図である。

【図3】本発明の一実施例における再結晶時の結晶粒の成長を例示的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

上記のように、本発明は従来技術においてエキシマレーザアニール工程によって低温ポリシリコン薄膜を形成する時、再結晶時の起点と方向が乱れるため、結晶後の結晶粒が小さくなり、結晶粒界が多くなる問題を解決することを目的とし、アモルファスシリコン薄膜層を成長させた後、まず、前記アモルファスシリコン薄膜層に酸化シリコン層を成長させ、その後、前記酸化シリコン層に垂直に照射された光束を屈折させる複数の凹弧面を形成し、最後に、前記アモルファスシリコン薄膜層が結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成するように、エキシマレーザービームを前記酸化シリコン層から前記アモルファスシリコン薄膜層に照射する、低温ポリシリコン薄膜の製造方法を提供する。光束が分散されるように、凹弧面領域を介してレーザービームを屈折させ、アモルファスシリコン薄膜層に低温領域を形成し、低温領域の周りは高温領域（レーザービームを屈折させない領域）となり、再結晶時、低温領域に結晶の起点を形成し、周りの高温領域へ成長して大きくなり、よって方向が制御可能であり、大きなポリシリコンの結晶粒を有する低温ポリシリコン薄膜を獲得する。

【0018】

以下、図面を参照しながら実施例により本発明を詳細に説明する。
図１〜３に示すように、図１は本実施例により提供される低温ポリシリコン薄膜の製造方法の工程の流れを示す図であり、前記工程の流れは以下のステップを含む。

【0019】

（ａ）、図１ａに示すように、まず、ガラス基板である基板１を提供し、前記基板１上に材料が酸化シリコンであるバッファ層２を製造する。

【0020】

（ｂ）、図１ｂに示すように、前記バッファ層２にアモルファスシリコン薄膜層３を形成し、アモルファスシリコン薄膜層３に対する高温脱水素処理を行う。

【0021】

（ｃ）図１ｃ、１ｄに示すように、前記アモルファスシリコン薄膜層３に酸化シリコン層４を形成し、エッチングプロセスにより前記酸化シリコン層４に凹レンズ面に相当し、前記酸化シリコン層４に垂直に照射された光束を屈折させる複数の凹弧面４０１を形成する。本実施例において、酸化シリコン層４の厚さは３００ｎｍであり、図２に示すように、前記凹弧面４０１は前記酸化シリコン層４に配列され、前記凹弧面４０１の外周は円形を呈し、直径が２０μｍであり、深さは１５０ｎｍ（ここで言う深さは凹弧面４０１の最低点と酸化シリコン層４の表面との垂直距離を指す）で、隣接する二つの凹弧面４０１の距離は４５０μｍである。その他の一部の実施例において、前記酸化シリコン層４の厚さの好ましい範囲は２８０〜３５０ｎｍであり、凹弧面４０１の直径を１０〜２０μｍに設置してもよく、凹弧面４０１の深さの選択可能な範囲は１５０〜２００ｎｍであり、隣接する二つの凹弧面４０１の間隔は３００〜６００μｍに設置することができる。

【0022】

（ｄ）、図１ｅに示すように、前記アモルファスシリコン薄膜層３が結晶化され低温ポリシリコン薄膜を形成するように、エキシマレーザ―ビーム５を前記酸化シリコン層４から前記アモルファスシリコン薄膜層３に照射する。エキシマレーザービーム５が酸化シリコン層４に垂直に入射された時、凹弧面４０１領域において屈折され光束を分散させ、この時、凹弧面４０１の下方に対応するアモルファスシリコン薄膜層３の温度は相対的に低く低温領域３０１を形成し、凹弧面４０１の周辺領域には、エキシマレーザービーム５が垂直に入射してアモルファスシリコン薄膜層３に達して高温領域３０２を形成する。ポリシリコンが再結晶する時、低エネルギーから高エネルギーへの方向、低温から高温への方向に結晶化するため、図３に示す例示的な図示のように、アモルファスシリコン薄膜層３が再結晶される時、低温領域３０１に結晶粒６の結晶の起点を形成し、周りの高温領域３０２へ成長して大きくなり（図３における黒矢印方向）、よって方向が制御可能であり、大きなポリシリコンの結晶粒を有する低温ポリシリコン薄膜を獲得する。

【0023】

（ｅ）、アモルファスシリコン薄膜層３の再結晶が完了した後、酸化シリコン層４を除去する（図示せず）。エッチングプロセスによる除去を選択することができる。

【0024】

上記方法により製造し得られた低温ポリシリコン薄膜は、高い電子移動度と安定した電気特性を有し、薄膜トランジスタ、特に液晶ディスプレイにおけるＴＦＴアレイの薄膜トランジスタを製造するのに用いることができる。以下、本発明により提供される、基板と、半導体層と、ゲート絶縁層と、ゲートと、誘電体層並びにソース電極及びドレイン電極とを含む低温ポリシリコン薄膜トランジスタを説明する。

【0025】

半導体層は前記基板上に形成され、前記半導体層は前記方法により製造し得られた低温ポリシリコン薄膜からなり、前記半導体層はソース領域、ドレイン領域及び前記ソース領域とドレイン領域との間に位置するチャネル領域を含み、ゲート絶縁層及びゲートは前記半導体層に順次形成され、前記ゲート絶縁層は前記ゲートと前記半導体層を隔離するのに用いられ、前記ゲートは前記チャネル領域の位置に対応し、前記誘電体層は前記ゲート絶縁層及びゲートの上方に形成され、前記誘電体層には第１ビアホールと第２ビアホールが設置され、ソース電極は前記第１ビアホールを介して前記ソース領域に接続され、ドレイン電極は前記第２ビアホールを介して前記ドレイン領域に接続される。

【0026】

本発明により提供される低温ポリシリコン薄膜により液晶ディスプレイにおけるトランジスタアイレを製造し、トランジスタは高い電子移動度と安定した電気特性を有し、液晶ディスプレイの表示品質を向上させる。

【0027】

要するに、本発明により提供される低温ポリシリコン薄膜の製造方法は、アモルファスシリコン薄膜層に複数の凹弧面を有する酸化シリコン層を成長させ、エキシマレーザービームを照射することによりアモルファスシリコン薄膜層を再結晶させる時、レーザービームは凹弧面領域において屈折され光束を分散させ、この時、凹弧面の下方に対応するアモルファスシリコン薄膜層の温度は相対的に低く低温領域を形成し、凹弧面の周辺領域には、レーザービームが垂直に入射しアモルファスシリコン薄膜層に達して高温領域を形成する。ポリシリコンが再結晶される時、低エネルギーから高エネルギーへの方向、低温から高温への方向に結晶化するため、低温領域に結晶の起点を形成し、周りの高温領域へ成長して大きくなり、よって方向が制御可能であり、大きなポリシリコンの結晶粒を有する低温ポリシリコン薄膜を獲得する。本発明により獲得される低温ポリシリコン薄膜により製造し形成されたトランジスタは、高い電子移動度と安定した電気特性を有する。

【0028】

ここで説明すべきことは、本文において、例えば、第１と第２などのような関連用語は一つの実体又は操作ともう一つの実体又は操作を区別するためにのみ用いられ、これらの実体又は操作の間に如何なるこのような実際の関係又は手順が存在することを主張又は暗示するものではない。また、用語「含む」、「有する」又はその他の如何なる変形は非排他的「含む」を網羅するためであり、よって一連の要素を含む過程、方法、品物又は装置にそれらの要素だけでなく、さらに明確に挙げられていないその他の要素、又はこのような過程、方法、品物又は装置固有の要素をさらに含ませる。さらに多くの制限がない場合、文言「一つの…を含む」に制限される要素は、前記要素を含む過程、方法、品物又は装置にさらにその他の同じ要素が存在することを排除しない。

【0029】

上述は本願の具体的な実施形態に過ぎず、ここで説明すべきことは、当業者にとって、本願の原理を逸脱しない前提で、さらに様々な改良と潤色を行うことができ、これらの改良と潤色は本願の保護範囲に属すると見なされるべきである。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】

【図1e】

【図2】

【図3】