JP2010098003A - レーザー結晶化法 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜トランジスタを形成する領域のみ、アモルファスシリコン薄膜を結晶化させることができるレーザー結晶化法を提供する。
【解決手段】 基板１上に成膜したアモルファスシリコン薄膜２にレーザー光を照射して結晶化する結晶化法であって、アモルファスシリコン薄膜２の所望の局所領域に吸収剤層３を印刷する吸収剤印刷工程と、吸収剤層３への吸収があってアモルファスシリコン薄膜２への吸収が無い波長を有する半導体レーザー光Ｌを、前記局所領域を含むアモルファスシリコン薄膜４に向けて照射し、吸収剤層３を加熱することにより、アモルファスシリコン薄膜２の前記局所領域を結晶化させるレーザーアニール工程と、を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、薄膜トランジスタ等を形成するための、アモルファスシリコン薄膜のレーザー結晶化法に関するものである。

従来、ＴＦＴ−ＬＣＤ、イメージセンサ、タッチパネルセンサ等の数多くの応用分野に使用されている薄膜トランジスタは、基板上に成膜したアモルファスシリコンの薄膜に形成されていたが、近年では、応答の高速化を図るために、各種の方式でアモルファスシリコン薄膜を結晶化させることが行われている。最も広く使われている結晶化法は、波長３０８ｎｍのエキシマレーザーや０．５３２ｎｍのＹＡＧレーザーの２倍高調波光をアモルファスシリコン薄膜に照射し、アモルファスシリコン薄膜全面を結晶化させるレーザーアニール法である。

図５は、従来の典型的なレーザー結晶化法を示す説明図である。レーザー光の照射方法は、図５に示すように、折り返しミラー１０、スリット１１、１２、アニーラウインド１３等で光学系を組んでエキシマレーザー光のラインビームＬを形成し、基板１４上に成膜したアモルファスシリコン薄膜１５の略全面を矢印Ｘ方向に沿って走査するように照射（走査照射）する。ラインビームＬのビーム幅（＝ラインビーム長ＬＷ）４６５ｍｍのエキシマレーザーアニール装置が量産されている。レーザー光を面ビームにした一括照射も研究開発されている。

また、この種のレーザー以外にも、Ｃｒ、Ｍｏ等を含む合金又は積層構造のレーザー光吸収層をアモルファスシリコン薄膜上に真空蒸着やスパッタリングにより形成し、前記吸収層に半導体レーザーを照射して、該吸収層を加熱することによりアモルファスシリコン薄膜を結晶化させるレーザー結晶化法も開発されている（特許文献１等）。
特開２００４−１３４５７７号公報

しかしながら、従来のレーザー結晶化法は、ラインビームのレーザー光を、アモルファスシリコン薄膜の略全面に走査照射して結晶化するため、その熱処理によって、ガラスやシリコンで形成された基板に応力が発生し、割れやそりを生じることがあるという問題があった。

このような基板への熱影響の発生を軽減するためは、薄膜トランジスタ等を形成するのに必要な限られた領域のみ、アモルファスシリコン薄膜を結晶化させることが有効であるが、エキシマレーザーなどのレーザーをラインビームにより全面に照射する方法では、アモルファスシリコン薄膜の全面を結晶化（ポリシリコン化）させた後、フォトリソグラフィー法による露光・現像等によってパターンニングしており、アモルファスシリコン薄膜の必要な部分のみ結晶化することが困難であった。

そこで、本発明は、薄膜トランジスタや配線等を形成する所望の局所領域のみ、アモルファスシリコン薄膜を結晶化させることができるレーザー結晶化法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザー結晶化法は、基板上に成膜したアモルファスシリコン薄膜にレーザー光を照射して結晶化する結晶化法であって、前記アモルファスシリコン薄膜の所望の局所領域上に、レーザー光に対して吸収のある吸収剤を含有する吸収剤含有液を印刷することにより吸収剤層を形成する印刷工程と、前記吸収剤層への吸収があって前記アモルファスシリコン薄膜への吸収が無い波長を有する半導体レーザー光を、前記局所領域を含むアモルファスシリコン薄膜に向けて照射し、前記吸収剤層を加熱することにより、前記アモルファスシリコン薄膜の前記局所領域を結晶化させるレーザーアニール工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、アモルファスシリコン薄膜に薄膜トランジスタや配線等を形成する所望領域を含む局所領域に吸収剤層を印刷し、該吸収剤層に吸収がありアモルファスシリコン薄膜への吸収が無いレーザー光を、前記局所領域を含むアモルファスシリコン薄膜に向けて照射すれば、アモルファスシリコン薄膜上に局所的に印刷された吸収剤層の部分だけが加熱されて結晶化され、吸収剤層が印刷されていない部分のアモルファスシリコン薄膜は加熱されないので、基板のそりや割れを防止できる。

本発明に係るレーザー結晶化法の実施形態について、以下に、図１〜３を参照して説明する。

先ず、図１に示すように、ガラス基板１上に、従来公知の成膜方法であるプラズマ気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）により、アモルファスシリコン薄膜２が形成される。なお、基板として、反射型ＬＣＤ等ではシリコン基板が用いられ得る。

次に、図２に示すように、アモルファスシリコン薄膜２の、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する領域を含む局所領域に、スクリーン印刷によって吸収剤層３がパターン印刷により形成される。吸収剤層３は、薄膜トランジスタが形成される領域より僅かに広い領域に印刷される。吸収剤層３の印刷方法は、スクリーン印刷がコスト及び生産性の面で好ましいが、所望パターンを印刷するパターン印刷が容易な印刷方法であれば特に限定されず、パッド印刷、インクジェット印刷、その他の印刷方法も利用可能である。

吸収剤層３の材料は、印刷が可能で、照射されるレーザー光に対して吸収が大きいものであれば特に限定されない。吸収剤層３は、たとえば、半導体レーザー（波長：約０．６〜１．８μｍ）を吸収可能な赤外線吸収剤や近赤外吸収剤、あるいは、あらゆる波長のレーザーに吸収のあるカーボンブラックやアモルファス炭素等の吸収剤を、水或いは有機溶媒等の分散媒に分散させ、あるいは部分的に溶解させた吸収剤含有液を、印刷することにより形成することができる。赤外線吸収剤や近赤外吸収剤は、無機系または有機系の粉末状製品が種々市販されている。カーボンブラック分散液としてカーボンブラックインクを使用可能であり、アモルファス炭素分散液として墨汁を使用可能である。吸収剤層４は、上記した吸収剤含有液を、印刷した後、加熱または風乾等により乾燥させられる。

印刷される吸収剤層３の厚みは、吸収剤層３の種類やレーザー光の出力等によって異なるが、たとえば、カーボン分散液では、０．１〜０．８μｍとされている。

吸収剤層３は、吸収剤の種類に応じた適宜方法で硬化させられ、一般的には、風乾によって硬化させられる。

レーザー光は、アモルファスシリコン薄膜２に吸収されないレーザー光が使用される。レーザー光は、エキシマレーザーやＹＡＧレーザーに比較して低コストの半導体レーザー光である。アモルファスシリコン薄膜２は、４００ｎｍ以上と５５０ｎｍ付近に吸収極大があり、７００ｎｍ以上の波長の光を吸収できないから、照射するレーザー光Ｌは、波長が７００ｎｍ以上とされ、赤外線半導体レーザーを好適なレーザー源として使用し得る。なお、近赤外半導体レーザー、遠赤外半導体レーザーの何れも使用可能である。赤外線半導体レーザーは、たとえば、最大エネルギー４Ｗ、照射エネルギー密度２．５〜３．５Ｊ／ｃｍ^２の連続発振（Continuous Wave）すなわち連続光のレーザー光を用い得る。

上記のようにして吸収剤層３をパターン形成した後、図３に示すように、レーザー発振器４からレーザー光Ｌを照射する。照射方法としては、従来法と同様、光学系を組んで形成したラインビームを、走査するように照射（走査照射）する方法を採用することができる。ラインビームレーザー光を発生させるレーザー発振器は、たとえば、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、あるいはパウエルレンズ等を用いた公知のレーザーラインビーム発振装置を用いることができる。ラインビームに代えて、面ビームによる一括照射も採用可能である。発振器４は、レーザー光Ｌを照射しつつ図３の矢印方向に移動させられるが、基板１を移動させても良い。

レーザー光Ｌは、吸収剤層３が印刷された局所領域を含むアモルファスシリコン薄膜２の略全面に照射され得る。

上記のようにしてレーザー光Ｌが照射されると、吸収剤層３のみがレーザー光Ｌを吸収し、アモルファスシリコン薄膜２及びガラス基板１を吸収されることなく透過する。吸収剤層３は、吸収したエネルギーを熱として放射し、その熱によって下層のアモルファスシリコン薄膜２が加熱されてアニールされる。したがって、アモルファスシリコン薄膜２は、吸収剤層３が印刷されている局所領域のみが結晶化される。

このようにアモルファスシリコン薄膜２の結晶化される部分の比率が小さいため、全体としての発熱量は、アモルファスシリコン薄膜全体を結晶化させる従来法に比して大幅に低減され、基板１にそりや割れが生じることを抑制することができる。

本発明により、基板１への熱影響が軽減できるため、熱量により結晶化の度合い（例えば粒子の大きさ）を制御することができ、それにより結晶化の自由度が拡大し、薄膜トランジスタの移動度などの性能向上が図られることから、ＴＦＴ液晶パネルなどに使用されるレーザー結晶化法の適用範囲が広がるとともに、安価な半導体レーザーを使用する結晶化法のメリットが最大限に発揮できる。

本発明の実施例として、ガラス基板上に膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコン薄膜をプラズマ気相成長法により形成し、アモルファスシリコン薄膜上にカーボンブラックインクを適宜塗布して、常温にて１０分間乾燥させ、レーザービーム径０．５ｍｍφ、レーザー出力１２Ｗ、出力密度６．２ｋＷ／ｃｍ^２の赤外線レーザー光を照射しつつ、走査ステージを３１０ｍｍ／秒の速度で移動させて、アモルファスシリコン薄膜を結晶化させた。使用したレーザー発振器は、コヒーレント社製赤外半導体レーザー発振器ＤｕＯを用いた。結晶化を行った部分のＡＦＭ写真を図４に示す。レーザー光を走査照射する際には、レーザー光が重複して照射される部分が生じるが、図４の写真から、レーザー光が重複照射された部分とそうでない部分とでは区別できず、粒径約１０〜２０ｎｍで一様な結晶化が行われていることが判明した。

本発明に係るレーザー結晶化法の一工程を示す説明図である。 図１の工程に続く工程を示す説明図である。 図２の工程に続く工程を示す説明図である。 本発明に係るレーザー結晶化法によって結晶化したアモルファスシリコンのＡＦＭ写真である。 従来のエキシマレーザーアニール装置の要部を概念的に示す説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ アモルファスシリコン薄膜
３ 吸収剤
４ レーザー発振器
Ｌ レーザー光

Claims (2)

1. レーザー光を利用して基板上に成膜したアモルファスシリコン薄膜を結晶化するレーザー結晶化法であって、
   前記アモルファスシリコン薄膜の所望の局所領域上に、レーザー光に対して吸収のある吸収剤を含有する吸収剤含有液を印刷することにより吸収剤層を形成する印刷工程と、
   前記吸収剤層への吸収があって前記アモルファスシリコン薄膜への吸収が無い波長を有する半導体レーザー光を、前記局所領域を含むアモルファスシリコン薄膜に向けて照射し、前記吸収剤層を加熱することにより、前記アモルファスシリコン薄膜の前記局所領域を結晶化させるレーザーアニール工程と、
   を含むことを特徴とするレーザー結晶化法。
2. 前記レーザーアニール工程において、レーザー光が赤外線半導体レーザーであり、前記吸収剤層が赤外線吸収剤を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザー結晶化方法。