JP2005525689A - ミクロ構造の非整列による多結晶薄膜トランジスタの均一性の改善 - Google Patents

Abstract

均一なミクロ構造を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法を提供する。代表的な一方法では、少なくとも第１の方向において周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜を得る工程と、１つ以上の薄膜トランジスタの少なくとも一部分（４１０、４２０）を前記多結晶シリコン薄膜上に、その周期的な粒子構造に対しある角度で傾けて配置する工程とを必要とする。

Description

本発明は、半導体処理技術に関するものであり、特に薄膜トランジスタ（“ＴＦＴ”）装置に用いるのに適した半導体を製造する技術に関するものである。

シリコンフィルム（薄膜）のような半導体フィルムは、液晶表示装置及び有機発光ダイオード表示装置用の画素を形成するのに用いられるものとして知られている。このような半導体フィルムは一般に、エキシマレーザアニーリング（“ＥＬＡ”）方法により処理され、この方法では、非晶質のシリコンフィルムがエキシマレーザにより照射されて結晶化される。

処理された半導体フィルム上に配置されたＴＦＴ装置の性能を改善するために、“通常の”ＥＬＡ（ラインビームＥＬＡとも称する）処理を改善するのに多大な努力が払われている。例えば、米国特許第 5,766,989号明細書（この米国特許明細書は参考のためにのみ導入したものである）には、多結晶薄膜を形成するＥＬＡ方法及びＴＦＴを製造する方法が開示されている。この米国特許明細書は、基板全体に亙る特性が不均一である問題に対処するもので、このような不均一性を明確に無くすためのある選択肢を提供するものである。

しかし、通常のＥＬＡ方法で用いられているビーム成形手法の内容によれば、半導体フィルムの不均一性を減少させてこのようなフィルムの性能特性を改善するのは、極めて困難なものとなる。例えば、低温多結晶シリコン（“ＬＴＰＳ”）処理では、粒子の寸法がＴＦＴのチャネル領域の寸法に匹敵しうるようになると、装置同士の不均一性が大きくなる。このことは、ミクロ構造のランダム性、すなわち、粒子、従って、粒界の位置がランダムであることにより生じる。このような不均一性は、特に電流の流れに対し垂直な方向である場合に、電流障壁として作用するおそれがある。更に、トランジスタがオフ状態にある場合に、オフ電流に寄与するキャリアが粒界に発生する。このことは、特に、粒界がドレイン‐チャネル接合にあるか、又はこれに接近している場合に生じる。

従って、均一なＴＦＴ処理を確実にするには、周期性及び位置の双方に対してミクロ構造を制御する必要があることが分っている。前者に関しては、フィルムの特性を均一にして、粒子、従って、粒界の位置が周期性を呈するようにする必要がある。後者に関しては、粒子、従って、粒界の位置を制御して、電気特性に対するこれらの寄与があらゆる単一装置に対し同じとなるようにする必要がある。

パルスレーザ、例えば、エキシマレーザでは、上述した周期性を生じさせるリソグラフィーを用いることにより、ＬＴＰＳフィルムを得る照射処理、すなわち、ＴＦＴのミクロ構造の制御を行なうことができる。リソグラフィーを使用するには、位置制御をも考慮する。その理由は、リソグラフィー処理の正確な位置決め処理を用いる為である。しかし残念なことに、リソグラフィー処理を用いるには、少なくとも１つの追加の処理工程が必要であり、これにより複雑性、従って、費用を高める。

或いはまた、ＴＦＴのミクロ構造の制御は、逐次的横方向結晶化（“ＳＬＳ”）技術を用いることにより行なうこともできる。例えば、米国特許第 6,322,625号明細書及び米国特許出願第09/390,537号明細書(これらの明細書は参考のためにのみ導入したものである)には、逐次的横方向結晶化を実行するために、シリコンサンプルの小規模並進及びエネルギー可制御レーザパルスを用いて大粒子多結晶又は単結晶シリコン構造体を成長させる特に有利な装置及び方法が開示されている。これらの明細書に記載されているように、基板上の半導体フィルムの少なくとも一部分を適切な放射パルスで照射し、この半導体フィルムのこの部分を厚さ全体に亙り完全に溶融する。このように、溶融された半導体材料が凝固すると、完全に溶融させなかった半導体フィルムの選択領域から結晶構造体が凝固部分に成長する。その後、結晶化領域からわずかにずらしてビームパルスを照射することにより、粒子構造が結晶化領域から溶融領域に延在する。

図１に示す装置を用いて、非晶質シリコン薄膜サンプルを処理して、単結晶又は多結晶シリコン薄膜を得ている。この場合、予め決定した流束量の複数のエキシマレーザパルスを発生させ、これらエキシマレーザパルスの流束量を変調制御し、変調制御されたこれらレーザパルスを、予め決定した平面内で均一化し、変調制御され均一化されたレーザパルスの一部分をマスキングしてパターン化されたビームレットを形成し、このパターン化したビームレットにより非晶質のシリコン薄膜サンプルを照射してビームレットに対応するサンプルの部分を溶融させ、パターン化されたビームレット及び変調制御に対してサンプルを並進制御し、これによりパターン化されたビームレットに対しサンプルを逐次並進させ且つサンプル上の対応する順次の位置で流束量を変えたパターン化されたビームレットによりサンプルを照射することにより、非晶質シリコン薄膜サンプルを単結晶又は多結晶シリコン薄膜にしている。

図１の装置は、周期性を呈し、これにより通常のＥＬＡ技術に固有の問題を解決する均一で高品質の多結晶シリコン及び単結晶シリコンを形成するのに極めて有利なものであるが、この技術は粒界に対する制御を適切に考慮していない。例えば、最も簡単な形態のＳＬＳ技術では、非晶質の先駆体を結晶化して周期性を有するＬＴＰＳフィルム、例えば、図２ａに線図的に示す２ショット材料を得るには、２つのパルスが必要となる。周期性は、一方向においてのみ、互いに平行な長い粒界２１０、２２０、２３０、２４０、２５０により示されており、これら粒界はこれらに対する突起をも有する。しかし、短い粒界の位置は全く制御されない。平行な粒界間の間隔は増大させることができ、この材料は一般に、ｎショット材料と称されている。図２ｂは、粒界が双方向で周期的となっている、いわゆる４ショット材料を示している。この場合も、粒界間の間隔を増大させることができ、このような材料は一般に、２ｎショット材料と称される。

ＳＬＳ技術によれば周期性が得られるが、このような技術は粒界の位置を正確に制御するものではない。図２ｃ及び２ｄを参照するに、製造されたＬＴＰＳフィルムが有する、電流の流れに対し垂直な方向の長い粒界の個数が変化したり、この垂直な粒界がＴＦＴのドレイン領域に入ったりドレイン領域から出たりするおそれがある。これらの双方の問題は、粒径が増大するか、又はチャネル寸法が減少するか、又はこれらの双方が生じて、粒径がチャネル寸法に匹敵するようになった場合に、より一層厳しいものとなる。米国特許第 6,177,301号明細書では、ＴＦＴチャネル領域を粒子成長方向に対して非整列にすることが提案されているが、この提案は、ＴＦＴのミクロ構造で均一性を保つ根本的な必要性を考慮せずに行なわれたものである。従って、ＴＦＴのミクロ構造に均一性を与えるために、粒界の周期性及びＴＦＴの位置の双方を制御するＴＦＴ製造技術が必要となる。

本発明の目的は、ＴＦＴのミクロ構造に均一性を与えるために、粒界の周期性及びＴＦＴの位置の双方を制御するＴＦＴ製造技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＴＦＴのミクロ構造に均一性を有している装置を提供することにある。

以下の更なる説明から明らかとなる本発明の上述した目的及びその他の目的を満足させるために、本発明は、均一なミクロ構造を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタを製造する方法を提供する。代表的な一方法では、少なくとも第１の方向において周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜を得る工程と、１つ以上の薄膜トランジスタの少なくとも一部分を前記多結晶シリコン薄膜上に、その周期的な粒子構造に対しある角度で傾けて配置する工程とを必要とする。多結晶シリコン薄膜は、逐次的横方向結晶化処理、例えば２ショット逐次的横方向結晶化処理により形成することができる。

前記１つ以上の薄膜トランジスタの前記一部分は、幅Ｗの能動チャネル領域とするのが有利である。前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造の周期をλとし、ｍを変数とし、前記配置工程は、前記能動チャネル領域が前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対し角度θに傾くように、これら能動チャネル領域をこの多結晶シリコン薄膜上に配置する工程を有するようにした際に、Ｗ・ｓｉｎ（θ）＝ｍλとなるようにする。変数ｍは、１つ以上の薄膜トランジスタのいずれにおいても粒界の個数を相対的に制御可能に保つように選択するか、好ましくは実質的に整数に等しくなるように選択する。

本発明は、均一なミクロ構造を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタを具える装置をも提供する。代表的な例では、この装置が、少なくとも第１の方向で周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜と、この多結晶シリコン薄膜上に配置した１つ以上の多結晶シリコン薄膜トランジスタの少なくとも一部分であって、これら一部分がこの多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対しある角度で傾くようにした当該一部分とを具える。

本発明の開示の一部分を成す添付図面は、本発明の好適実施例を示すものであり、本発明の原理を説明するためのものである。

別段の説明がないかぎり、図面全体に亙って、実施例の同様な特徴部分、素子及び部分を示すのに同じ符号を用いている。更に、本発明を図面につき詳細に説明するが、これは実例と関連しているものである。
図２ａ及び２ｂを再び参照するに、図１の従来のＳＬＳ装置を用いて処理した代表的なシリコン薄膜を示す。特に、図２ａは、単一の第１のエキシマレーザパルスによりサンプルの領域を照射し、このサンプルを微小並進させ、この領域に第２のエキシマレーザパルスを照射することにより処理したサンプルを示す。本発明の以下の代表的な説明は、一例としてのいわゆる“２ショット”材料に対するものであるが、当業者にとって明らかなように、本発明は、ｎショットや２ｎショットのＳＬＳ技術で処理されるシリコン薄膜に広く適用しうるものである。

本発明によれば、ＴＦＴの能動チャネル領域は、処理した薄膜の周期的なミクロ構造に対して故意に傾ける。このような傾けは、処理した薄膜上のチャネル領域自体の配置を傾けるか、又はＳＬＳ処理中に傾いた周期的な粒子構造を含む薄膜を形成することにより達成しうる。これらの双方を組合せることもできる。

処理した薄膜上にＴＦＴを配置する明確な方法は本発明にとって重要ではなく、いかなる既知の技術をも採用しうる。１つの代表的な技術は米国特許第 5,766,989号明細書に開示されており、その内容は参考のために導入される。

ＴＦＴの能動チャネル領域を、処理した薄膜の周期的なミクロ構造に対して故意に傾けると、垂直な又は長い粒界の個数の広がりが少なくなり、装置同士の均一性を高める。しかし、本発明によれば、平行な又は短い粒界による影響を増大させないように、傾き角（θ）をあまり大きくしてはならない。θの理想的な値は、Ｗをチャネル領域の幅とし、λを垂直粒界間の間隔とし、ｍを、好ましくは、整数値に近い値とした次式（１）から得ることができる。
Ｗ・ｓｉｎ（θ）＝ｍ・λ （１）

ＴＦＴの性能Ｎを測定するためには、Ｌをチャネル領域の長さとし、ｎを決定比とした次式（２）を用いることができる。
Ｌ・ｃｏｓ（θ）＝ｎ・λ （２）

式（２）において、比ｎの値が低くなればなるほど、性能が高まる。Ｌはしばしば、処理の設計規準により規定され、あらゆるＴＦＴに対し等しく、代表的に３〜６μｍの範囲にある。しかし、ＷはＴＦＴ特性に関する条件に適合するように調整でき、代表的に１０〜１００μｍの範囲にある。垂直粒界間の間隔λは代表的に、２〜１０μｍの範囲にあるが、それよりも狭くても、広くても良い。

次に、本発明の第１例を図３ａ及び３ｂにつき説明する。本例では、ｎ＝１、ｍ＝１及びθ＝１０度である。図３ａ及び３ｂに示すように、ＴＦＴ装置がいかに並進するか、例えば、図３ａに示す位置から図３ｂに示す位置に並進するかにかかわらず、あらゆる装置も１つの垂直粒界を有する。

本発明の第２例を図４ａ及び４ｂにつき説明する。本例では、ｎ＝０．５、ｍ＝１及びθ＝１０度である。図４ａ及び４ｂに示すように、チャネル領域は２種類の部分、すなわち、１つの垂直粒界が存在する第１部分４１０と、垂直粒界が存在しない第２部分とを有する。

後者の部分４２０では、この装置は、キャリアが粒界により妨害を受けることのない、完全に方向性のある結晶化材料におけるＴＦＴの動作と同じ動作をする。図４ａ及び４ｂに示すように、これらの２種類の部分の各々の相対的寄与は、この場合も、装置がいかに並進しようとも、例えば、図４ａに示す位置から図４ｂに示す位置に並進しようとも、不変である。

図３及び４に示す例は、ｍを整数とした理想的な場合を考慮したものであるが、本発明では、ｍを整数からわずかに偏移させた値にすることができる。しかし、この整数からの偏移は、所定のいかなるＴＦＴにおける粒界の個数を相対的に制御可能に保つように選択する必要がある。

次に、本発明の更なる例を図５ａ及び５ｂにつき説明する。図５ａでは、ｎ＝２．１、ｍ＝１及びθ＝１０度であり、図５ｂでは、ｎ＝２．１、ｍ≒０．５及びθ＝５度となっている。図５ａ及び５ｂに示すように、この場合も、θが理想的な値であれば、粒界の個数は、装置がいかに並進しても不変である。しかし、θがこの値からずれると、並進により粒界の個数を増大変化させる。ｎが整数に等しいか、又は整数に極めて近い場合には、粒界の個数は、θが変化しても本質的に不変である。ドレイン領域内にある垂直粒子の一部分が並進に対し不変となるようにもするには、粒界の個数はある値を越える必要があること勿論である。

上述したことは本発明の原理を示しただけにすぎない。上述した例に対しては種々の変形例が可能であること、当業者にとって明らかである。従って、当業者は、明瞭に記載又は明示していないが、本発明の精神及び範囲内にある種々の装置及び方法を推考しうるものである。

逐次的横方向結晶化を含む半導体処理を行なう従来の装置を示す機能線図である。 図１の従来の装置を用いて処理した代表的なシリコンサンプルの代表的な一例を示す線図である。 図１の従来の装置を用いて処理した代表的なシリコンサンプルの代表的な他の例を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する従来の一形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する従来の他の形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の一形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の他の形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の更に他の形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の更に他の形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の更に他の形態を示す線図である。 図２ａに示す処理済みの代表的なシリコンサンプル上にＴＦＴの能動チャネル領域を配置する本発明の更に他の形態を示す線図である。

Claims (19)

1. 実質的に均一のミクロ構造とした２つ以上の薄膜トランジスタを有する多結晶装置を製造するに当り、
   （ａ）少なくとも第１の方向において周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜を得る工程と、
   （ｂ）２つ以上の薄膜トランジスタの少なくとも一部分を前記多結晶シリコン薄膜上に、その周期的な粒子構造に対しある角度で傾けて配置し、前記一部分のいずれにおいても長い粒界の個数を実質的に同一に保つようにする配置工程と
   を有する多結晶装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の多結晶装置の製造方法において、前記多結晶シリコン薄膜を得る工程が、逐次的横方向結晶化処理により形成した多結晶シリコン薄膜を得る工程を有するようにする多結晶装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の多結晶装置の製造方法において、前記２つ以上の薄膜トランジスタの前記一部分が、幅Ｗの能動チャネル領域を有するようにする多結晶装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の多結晶装置の製造方法において、前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造の周期をλとし、ｍを変数とし、前記配置工程は、前記能動チャネル領域が前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対し角度θに傾くように、これら能動チャネル領域をこの多結晶シリコン薄膜上に配置する工程を有するようにした際に、Ｗ・ｓｉｎ（θ）＝ｍλとなるようにする多結晶装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の多結晶装置の製造方法において、ｍを実質的に整数に等しくする多結晶装置の製造方法。
6. 請求項４に記載の多結晶装置の製造方法において、ｍを整数に等しくする多結晶装置の製造方法。
7. 請求項４に記載の多結晶装置の製造方法において、ｍを整数１に等しくする多結晶装置の製造方法。
8. 薄膜トランジスタを具える装置を製造するに当り、
   （ａ）少なくとも第１の方向において量λで周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜を得る工程と、
   （ｂ）幅Ｗを有する１つ以上の薄膜トランジスタの少なくとも一部分を、前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対し角度θに傾けてこの多結晶シリコン薄膜上に配置し、ｍを実質的に整数に等しくしたＷ・ｓｉｎ（θ）＝ｍλが得られるようにする工程と
   を有する薄膜トランジスタを具える装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の薄膜トランジスタを具える装置の製造方法において、前記多結晶シリコン薄膜を得る工程が、逐次的横方向結晶化処理により形成した多結晶シリコン薄膜を得る工程を有するようにする薄膜トランジスタを具える装置の製造方法。
10. 請求項８に記載の薄膜トランジスタを具える装置の製造方法において、前記１つ以上の薄膜トランジスタの前記一部分が、幅Ｗの能動チャネル領域を有するようにする薄膜トランジスタを具える装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の薄膜トランジスタを具える装置の製造方法において、ｍを整数に等しくする薄膜トランジスタを具える装置の製造方法。
12. 請求項１０に記載の薄膜トランジスタを具える装置の製造方法において、ｍを整数１に等しくする薄膜トランジスタを具える装置の製造方法。
13. 実質的に均一なミクロ構造とした２つ以上の多結晶シリコン薄膜トランジスタを有する装置であって、
    （ａ）少なくとも第１の方向で周期的な粒子構造を有する多結晶シリコン薄膜と、
    （ｂ）この多結晶シリコン薄膜上に配置した２つ以上の多結晶シリコン薄膜トランジスタの少なくとも一部分であって、各一部分がこの多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対しある角度で傾き、これらのいかなる一部分においても長い粒界の個数が実質的に同一に保たれているようにした当該一部分と
    を具える装置。
14. 請求項１３に記載の装置において、前記多結晶シリコン薄膜が、逐次的横方向結晶化処理により形成した薄膜を有している装置。
15. 請求項１３に記載の装置において、前記２つ以上の多結晶シリコン薄膜トランジスタの前記一部分が、幅Ｗの能動チャネル領域を有している装置。
16. 請求項１３に記載の装置において、前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造の周期をλとし、ｍを変数とし、前記能動チャネル領域を前記多結晶シリコン薄膜の前記周期的な粒子構造に対し角度θに傾かせ、Ｗ・ｓｉｎ（θ）＝ｍλとなるようにした装置。
17. 請求項１６に記載の装置において、ｍを実質的に整数に等しくした装置。
18. 請求項１６に記載の装置において、ｍを整数に等しくした装置。
19. 請求項１６に記載の装置において、ｍを整数１に等しくした装置。

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