JP4663037B2 - 酸化珪素膜の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は気相堆積法により高品質な酸化硅素膜を製造する方法に関する。この酸化硅素膜は半導体装置の下地保護膜、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜等に好適である。また、本発明は例えば８００℃程度以下の比較的低温にて半導体表面を酸化して高品質の極薄酸化珪素膜（膜厚１０ｎｍ程度未満）を形成することにより高品質の微細半導体装置（例えば、金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ））を製造する方法に関する。また、本発明は例えば６００℃程度以下の比較的低温にて高性能で高信頼性の半導体装置（例えば、薄膜トランジスタ）を製造する方法に関する。また、本発明はそのようにして製造された高性能で高信頼性の半導体装置及びこの半導体装置を備えた高性能で高信頼性の表示装置（例えば、液晶表示装置）に関する。さらにまた、本発明は高品質な酸化硅素膜を製造することのできる赤外光照射装置に関する。
背景技術
酸化硅素膜は多結晶硅素薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ ＴＦＴ）のゲート絶縁膜や、極薄酸化膜を有するＶＬＳＩ等の微細半導体装置のゲート絶縁膜等に広く用いられている。この酸化硅素膜の品質はこれら半導体装置の電気特性に強い影響を及ぼす。
酸化硅素膜を低温ｐ−Ｓｉ ＴＦＴのゲート絶縁膜に適用する場合、汎用のガラス基板を使用し得る例えば６００℃程度以下の比較的低温にて酸化硅素膜を形成する必要がある。そのため、従来より化学気相堆積法（ＣＶＤ法）や物理気相堆積法（ＰＶＤ法）が使用されている。
また、極薄酸化膜を有するＶＬＳＩ等の微細半導体装置の製造においては、従来、酸素や塩酸を含んだ雰囲気下にて例えば８００℃程度以下の比較的低温でシリコンの熱酸化を施したり、シリコン基板に酸素プラズマを照射する等の処理を施したりして極薄酸化硅素膜を得ていた。
しかしながら、これら従来の酸化硅素膜は、酸化膜捕獲電荷が多い等の理由によって、膜の品質が極めて低いという問題を有している。
そのため、従来の酸化硅素膜をｐ−Ｓｉ ＴＦＴのゲート絶縁膜として用いると、低品質・低信頼性のｐ−Ｓｉ ＴＦＴしか得られないという問題を有している。これは、酸化硅素膜が酸化膜固定電荷を多量に有しているために半導体装置のフラットバンド電圧（Ｖ_fb）を変動させたり、表面捕獲準位が高いために閾値電圧（Ｖ_th）を大きくしたり、さらには酸化膜捕獲準位が大きいために電荷の酸化膜中への注入が容易であること等による。換言すれば、従来のｐ−Ｓｉ ＴＦＴ等の半導体装置は酸化硅素膜の品質が低いため多くの問題を抱えている訳である。
同様な問題は極薄酸化珪素膜を利用するＶＬＳＩ等の微細半導体装置にも見られる。一般に、極薄酸化珪素膜は８００℃程度以下の比較的低温で形成されるため、低温酸化の問題点の総てを有している。即ち、界面準位や酸化膜捕獲準位が極めて高く、酸化膜電流も大きいという問題点である。これらの問題点が超集積回路の性能を制限したり、その寿命を短くする主因となっている。
そこで、本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、気相堆積法により高品質な酸化硅素膜を製造する方法を提供すること、例えば８００℃程度以下の比較的低温にて形成された酸化珪素膜を用いて高品質の極薄酸化膜を有するＶＬＳＩ等の微細半導体装置を製造する方法を提供すること、例えば６００℃以下の比較的低温にて高性能で高信頼性の半導体装置（例えば、薄膜トランジスタ）を製造する方法を提供すること、このような高性能で高信頼性の半導体装置や表示装置を提供すること、及び高品質な酸化硅素膜を製造することのできる製造装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、まず酸化珪素膜形成工程として、絶縁性基板（例えば、石英ガラス基板、汎用無アルカリガラス基板等）、半導体基板（例えば、単結晶硅素基板、化合物半導体基板等）、金属基板等の各種基板上に気相堆積法（例えば、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）、物理気相堆積法（ＰＶＤ法）等）により酸化硅素膜を堆積する。また、酸化性雰囲気下に於ける半導体物質表面の熱処理（熱酸化）や半導体物質表面への酸化性物質（酸素や亜酸化窒素等）のプラズマ照射（プラズマ酸化）、オゾン（Ｏ₃）供給（オゾン酸化）、加熱金属触媒によって生ずる活性酸素供給（活性酸素酸化）等により半導体物質表面を酸化して酸化硅素膜を形成する。
これらの酸化珪素膜形成工程は、直接半導体基板やガラス基板の上にフィールド酸化膜、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、下地保護膜等として酸化硅素膜を形成することもあれば、ガラス基板や単結晶硅素基板の表面に形成された酸化膜等の絶縁物質上に半導体膜形成工程として硅素単体や硅素を主体とする半導体膜を形成した後に、この半導体膜上に酸化硅素膜を形成することもある。
硅素を主体とした半導体膜とは半導体膜が硅素とゲルマニウム等他の元素との混合物からなり、硅素の構成比が８０％程度以上の半導体膜である。また、珪素単体の半導体膜には、珪素にＰ、Ｂ、Ａｌ、Ａｓ等の不純物が含まれた半導体膜も含まれる。従って、本発明でいう酸化珪素膜とは、純粋な酸化珪素膜（ＳｉＯ_x膜：ｘは略２）のみならず、これらの元素やその酸化物を含有する酸化珪素膜をも含む意味で用いている。珪素物質は単結晶状態、多結晶状態、非晶質状態、多結晶と非晶質とが混在した混晶質状態等にある。
気相堆積法による酸化膜堆積工程は６００℃程度以下の比較的低温にて行われる。ＰＶＤ法にはスパッター法、蒸着法等が使用できる。また、ＣＶＤ法には常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）、低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）等が使用できる。
熱酸化による酸化膜形成工程は酸素や水蒸気、塩酸等を含有する酸化性雰囲気下に於いて、６００℃程度から１０００℃程度の温度範囲内で半導体物質を処理することにより行われる。膜厚が１０ｎｍ程度未満の極薄酸化膜を形成する際には、熱酸化は８００℃程度以下の温度で処理されることが多い。また、プラズマ酸化、オゾン酸化、活性酸素酸化等の酸化膜形成工程に於いても、半導体物質の温度はやはり６００℃程度以下の状態で処理される（以下、本明細書では８００℃程度以下の熱酸化、プラズマ酸化、オゾン酸化、活性酸素酸化を低温酸化法と総称する。）。そのようにして低温酸化法により得られる酸化硅素膜は、１１００℃程度以上の温度で得られる厚い熱酸化膜（膜厚５０ｎｍ程度以上）に比べて低品質なのが一般的である。
そこで、本発明では次の赤外光照射工程により、これら酸化硅素膜の膜質改善を行う。赤外光照射工程では、前述の気相堆積法により得られた酸化硅素膜や低温酸化法により得られた極薄酸化硅素膜に赤外光を照射する。照射赤外光は酸化硅素膜により吸収され、酸化膜の温度を上昇させる。この温度上昇により酸化珪素膜自体及び界面の改質が進む。赤外光の酸化硅素膜に対する透過光強度Ｉは入射光強度をＩ₀、酸化硅素膜の膜厚をｔ（ｃｍ）、赤外光の酸化硅素膜に依る吸収係数をｋ（ｃｍ^-1）としたとき、
Ｉ＝Ｉ₀ｅｘｐ（−ｋ・ｔ）
と表現される。基板がガラス等の酸化硅素膜と同等な光学特性を有する物質からなるとき、又は照射赤外光に対する吸収係数が酸化硅素膜よりも大きい物質からなるとき、照射赤外光は酸化硅素膜で吸収されるとともにガラス等の基板でも吸収される。従って、酸化硅素膜での吸収率があまりに低いと、効果的に酸化硅素膜の温度が上昇しないにのみならず、かえって主として基板により赤外光が吸収され、その結果として基板を損傷することとなる。具体的には基板が割れたり、歪んだりする。このため、赤外光による温度上昇は、酸化硅素膜で大きくガラス等の基板で小さいことが望まれる。本発明が対象としている酸化硅素膜の膜厚は厚くても１μｍ程度であり、他方ガラス等の基板は通常数百μｍ程度以上の厚みを有する。従って、酸化硅素膜での赤外光の吸収が入射光に対して１０％程度を超えれば、基板での吸収は９０％程度未満となる。この場合、酸化硅素膜と基板の厚みが数百倍以上も異なることから、基板の温度上昇は酸化硅素膜の温度上昇よりも十分低くなる。赤外光は表面より照射されて酸化膜を通過した後に基板に入るため、酸化硅素膜からの透過光を９０％程度未満とするには、上式より
ｋ・ｔ＞０．１
を満たせばよいことが分かる。基板が単結晶シリコンの様に赤外光に対する吸収係数が酸化硅素膜の吸収係数よりも著しく小さい場合には、赤外光の酸化硅素膜での吸収がかなり小さくとも、基板損傷の恐れは低いので
ｋ・ｔ＞０．０１
とすることができる。
ここ迄述べてきたように、酸化硅素膜に赤外光を照射して膜質改善を進めるには、酸化硅素膜が赤外光を吸収せねばならない。図１は電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）で堆積した酸化硅素膜の赤外光吸収特性を示している。左縦軸は酸化膜の吸光度ａ（Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）を表し、右縦軸は吸収係数ｋ（ｃｍ^-1）を表している。吸光度ａと吸収係数ｋとの間には
ｋ＝ｌｎ（１０）・ａ／ｔ
の関係が成り立つ。但し、ｔ（ｃｍ）は酸化硅素膜の膜厚である。図１の横軸は赤外光の波数（ｃｍ^-1）及び対応する光の波長（μｍ）である。
一般に酸化硅素膜には赤外光に対して三種の吸収ピークが存在する。非対称伸縮ピーク（ＡＢＳ）、対称伸縮ピーク（ＳＢＳ）及び結合曲がりピーク（ＢＢ）である。図１から明らかなように、非対称伸縮ピークは波数が１０５７ｃｍ^-1（波長９．４６μｍ）付近にあり、吸収係数は２７２６０ｃｍ^-1である。対称伸縮ピークは波数８１５ｃｍ^-1（波長１２．２７μｍ）付近にあり、吸収係数は２２９０ｃｍ^-1である。結合曲がりピークは波数４５７ｃｍ^-1（波長２１．８８μｍ）付近にあり、吸収係数は８０９０ｃｍ^-1である。照射赤外光の波長はこれら三種の吸収ピークに合わせればよい。従って、赤外光の波長は、非対称伸縮ピークで吸収させるにはおよそ８．９２９μｍ（波数１１２０ｃｍ^-1）からおよそ１０μｍ（波数１０００ｃｍ^-1）の間に有ればよく、対称伸縮ピークで吸収させるにはおよそ１１．３６４μｍ（波数８８０ｃｍ^-1）からおよそ１３．１５８μｍ（波数７６０ｃｍ^-1）の間に有ればよく、結合曲がりピークで吸収させるにはおよそ１９．２３１μｍ（波数５２０ｃｍ^-1）からおよそ２５μｍ（波数４００ｃｍ^-1）の間に有ればよい。
最も効果的に赤外光を吸収するのは、吸収係数が一番大きい非対称伸縮ピークである。気相堆積法で得られる最も低品質の酸化硅素膜でも非対称伸縮ピークに於ける吸収係数は２５０００ｃｍ^-1程度の値を有する。従って、総ての気相堆積法で得られる酸化硅素膜に対して先の吸収係数と酸化膜厚の関係を満たすには、酸化硅素膜の厚みが４０ｎｍ程度以上であればよいこととなる。同様に単結晶硅素基板を８００℃程度以下で酸化する時には、酸化膜の吸収係数が３００００ｃｍ^-1程度以上あるので、酸化膜厚は最小でも３．３ｎｍ程度以上有れば、基板に損傷を加えること無く極薄酸化膜の膜質改善を行うことが可能となる。
すなわち、本発明において酸化硅素膜に照射される赤外光は、酸化硅素膜により吸収される波長成分を含む必要がある。なお、酸化硅素膜により吸収されない波長成分を含んでいてもよいが、基板、半導体膜への損傷を軽減する観点からいえば、その割合はできるだけ少ないほうが好ましい。言い換えれば、本発明において酸化硅素膜に照射される赤外光は、酸化硅素膜により吸収される波長成分を主成分として含むことが好ましいといえる。
また、本発明において酸化硅素膜に照射される赤外光は、酸化硅素膜により吸収される波長成分の中でも特に酸化硅素膜の非対称伸縮振動に対応する波長成分を含むことがより好ましい。吸収係数が大きいので酸化珪素膜の加熱に特に有効だからである。酸化硅素膜の非対称伸縮振動に対応しない波長成分を含んでいてもよいが、基板加熱の効率からいえば、その割合はできるだけ少ないほうが好ましい。言い換えれば、本発明において酸化硅素膜に照射される赤外光は、酸化硅素膜の非対称伸縮振動に対応する波長成分を主成分として含むことがより好ましいといえる。
以上述べた観点からいえば、本発明において酸化硅素膜に照射される赤外光は、８．９μｍ程度以上１０μｍ程度以下の波長成分を含むことが好ましく、８．９μｍ程度以上１０μｍ程度以下の波長成分を主として含むことがさらに好ましい。
このような要請に応えるには、酸化膜の非対称伸縮ピーク付近の波長を有するレーザー光を赤外光として照射すればよい。レーザー光は狭い波長範囲で発振するため、酸化珪素膜を加熱しない波長の光が基板や半導体膜に照射されてしまうということを極力少なくできるからである。こうしたレーザー光として最も優れた光が炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザー光であり、そのなかでも特に優れた光が波長９．３μｍ付近の炭酸ガスレーザー光である。波長９．３μｍ付近の炭酸ガスレーザー光については後述する。
炭酸ガスレーザー光は９．３０５５±０．０００５μｍの波長（波数１０７４．６３±０．０５ｃｍ^-1）に代表されるように、８．９μｍ（波数１１２４ｃｍ^-1）から１１μｍ（波数９０９ｃｍ^-1）の波長帯に多くの発振線を有し、これらの光の波数は気相堆積法や８００℃程度の比較的低温で得られた酸化硅素膜の非対称伸縮ピークとほぼ一致している。図１４は本発明で使用され得る炭酸ガスレーザー光の発振線を示す図である。各発振線の波長の揺らぎは０．０００５μｍ程度で、波数に直すと０．０５ｃｍ^-1程度である。これらの発振線の内で特に照射赤外光として適しているのは、ほとんど総ての酸化硅素膜で強く吸収される波長９．２６０５±０．０００５μｍ（波数１０７９．８５±０．０５ｃｍ^-1）程度から波長９．４８８５±０．０００５μｍ（波数１０５３．９１±０．０５ｃｍ^-1）程度の発振線である（これらの炭酸ガスレーザー光を波長９．３μｍ（波数１０７５ｃｍ^-1）付近の炭酸ガスレーザー光と称す）。
酸化硅素膜の非対称伸縮ピーク位置は膜質が低下するに従い、低波数側に移動してゆく。実際、気相堆積法で得られる酸化硅素膜の非対称伸縮ピークは赤外光の波数が１０５５ｃｍ^-1程度から１０７０ｃｍ^-1程度に位置し、この値は波長９．３μｍ（波数１０７５ｃｍ^-1）付近の炭酸ガスレーザー光の波数とほぼ一致している。加えて、このような低品質膜では非対称伸縮ピークの半値幅も大きくなる傾向にあり、その値は１００ｃｍ^-1にも及ぶことがある。そのため、非対称伸縮ピークが波長９．３μｍ付近の炭酸ガスレーザーの波数から僅かにずれていても、酸化硅素膜は炭酸ガスレーザー光を十分に吸収できる。炭酸ガスレーザー光照射により酸化膜質が改善されてゆくにつれて半値幅は小さくなってゆくが、非対称伸縮ピークも高波数側に移行してゆくので、依然として酸化膜は波長９．３μｍ付近の炭酸ガスレーザー光を効率よく吸収できる。単結晶硅素基板を酸化して酸化硅素膜を得る場合、酸化温度が１１００℃程度以上では酸化膜の品質が高いので、非対称伸縮ピークは１０８１ｃｍ^-1程度に位置している。酸化温度が１１００℃程度未満では、酸化温度が１００℃低下する度に約２ｃｍ^-1の割合で非対称伸縮ピークの位置は低波数側に移行してゆき、８００℃の酸化に於いては１０７５ｃｍ^-1となる。この値は波長９．３μｍの炭酸ガスレーザー光の波数値と一致し、波長９．３μｍ付近の炭酸ガスレーザー光が照射赤外光として理想的であることが分かる。照射レーザー光は９．３０５５±０．０００５μｍの波長のように９．３μｍ付近の波長を有する光を単一で発振させてもよいし、９．３μｍ付近の波長を有する光を複数本同時に発振させてもよい。
赤外光照射で酸化膜を改質するには概して高温で長時間の熱処理を行うのが好ましい。実験によると一回の赤外線照射時間を０．１秒程度未満とするならば、酸化膜の改質が顕著になるのは酸化膜の温度が８００℃程度を越えてからである。従って、酸化膜が０．１秒程度の期間８００℃程度以上の温度になるように赤外光照射を行えば、酸化膜の改質は確実に進行する。酸化膜改質に必要な温度と時間との関係は、酸化膜温度が５０℃上昇する度に処理時間が一桁短くなるとの関係が概ね成り立つ。従って赤外光を酸化膜に照射して、酸化膜温度が上昇して８００℃程度以上となったときの任意の酸化膜温度をＴ_ox（℃）、その温度（Ｔ_ox）に達している時間の総計をτ（ｓ）としたとき、Ｔ_oxとτとが
τ＞ｅｘｐ（ｌｎ（１０）・（ｂ・Ｔ_ox＋１５））
ｂ＝−０．０２（℃^-1）
の関係を満たす、すなわち、
τ＞ｅｘｐ（−０．０４６０５・Ｔ_ox＋３４．５３９） ・・・（１）
の関係を満たすＴ_oxが存在する条件で赤外光を照射すれば酸化膜は改質される。これによって、酸化膜電流が減少し、絶縁耐圧が上がり、酸化膜固定電荷が減り、酸化膜捕獲準位が低減される。
さて、酸化硅素膜を硅素単体や硅素を主体とした半導体物質上に形成した場合、本発明の赤外光照射は酸化膜の膜質改善とともに半導体と絶縁膜との界面特性をも改善し得る。気相堆積法にしろ低温酸化法にしろ、酸化膜形成直後には半導体膜と酸化膜との界面に必ず大きな酸化応力が残留している。半導体（例えばＳｉ）の低温酸化に於いては、酸化膜中（例えばＳｉＯ₂中）を酸素等の酸化反応物質（例えばＯ₂）が拡散し、反応物質が酸化膜と半導体膜との界面に達した後に反応物質が酸素原子（Ｏ）を半導体構成原子間（例えばＳｉ−Ｓｉの間）に供給して、新たな酸化層（例えばＳｉ−Ｏ−Ｓｉ）を形成するという機構で酸化膜が成長してゆく。このため半導体中の隣り合う半導体原子間距離（例えばＳｉ−Ｓｉ間距離）と、酸素原子を中間に挟む酸化膜中の半導体原子間距離（例えばＳｉ−Ｏ−Ｓｉ中のＳｉとＳｉの距離）とは当然異なってくる。この原子間距離の相違が半導体膜中では引張り応力を生じ、酸化膜中では圧縮応力を発生させる。酸化温度が十分高ければ（概ね１０７０℃程度以上）酸化膜に粘性流動が生じ、酸化によって生じた応力は緩和される。しかしながら、酸化温度が１０７０℃程度未満では応力緩和時間が著しく長くなるため、酸化によって生じた応力は緩和されずに界面を挟んだ両薄膜中に残留する。
気相堆積法で酸化膜を形成した場合にも同様な事態が発生する。それは酸化膜堆積の極初期に於いては、気相堆積法で用いられる酸化促進物質（Ｏ₂やＯ₃等）が半導体構成原子間に入り込み、０．５ｎｍ程度乃至は２．０ｎｍ程度の極薄酸化膜を形成し、その後これら極薄酸化膜上に気相堆積法の酸化膜が堆積していくからである。前述のように気相堆積法は６００℃程度以下の温度にて処理されるから、極薄酸化膜形成時の酸化応力は緩和され得ない。単結晶膜か多結晶膜かに拘わらず、酸化応力は半導体構成原子の格子間隔を変動させるので、半導体膜−酸化膜界面には電子や正孔に対する捕獲準位が形成され、同時に表面に於ける荷電担体（伝導帯にいる電子や価電子帯にいる正孔）の移動度を小さくすることになる。本発明は赤外光照射により局部的に酸化膜の温度を上昇させることで、半導体膜−酸化膜界面に存在する酸化応力を解放し、良質な界面を形成するのである。
赤外光照射による界面改質には最適な条件が存在する。図２は酸化硅素膜のIreneの理論（E. A. Irene et al.：J. Electrochem. Soc. 129（1982）2594）を参考にして、応力緩和時間（縦軸）と熱処理温度（横軸）との関係を計算した図である。例えば、熱処理温度が１２３０℃である時には、０．１秒程度以上の熱処理時間で酸化膜の粘性流動が生じ、酸化応力が解放されている。従って、赤外光照射に依る界面改質も図２の曲線より上側の条件を満たすように（図２中で赤外光照射有効領域と記された範囲に）照射条件を設定すればよい。具体的には、赤外光を酸化膜に照射して酸化膜温度が上昇して１０００℃以上となるときの任意の酸化膜温度をＴ_ox（℃）、その温度（Ｔ_ox）に達している時間の総計をτ（ｓ）としたとき、Ｔ_oxとτとは
τ＞２・（１＋ν）・η／Ｅ
η＝η₀・ｅｘｐ（ε／（ｋ・（Ｔ_ox＋２７３．１５）））
の関係を満たす、すなわち、
τ＞2・（１＋ν）・η₀・ｅｘｐ（ε／（ｋ・（Ｔ_ox＋273.15）））／Ｅ ・・・（２）
の関係を満たすＴ_oxが存在する条件で赤外光を照射させればよい。但し、νは酸化膜のポワッソン比、Ｅはそのヤング率、ηはその粘度、η₀は粘度のプレイクッスポネンシャル・ファクター、εは粘度の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数をそれぞれ表し、以下のような数値を取る。
ν＝０．１８
Ｅ＝６．６×１０¹¹ ｄｙｎ・ｃｍ^-2
η₀＝９．５４９×１０^-11 ｄｙｎ・ｓ・ｃｍ^-2
ε＝６．１２ ｅＶ
ｋ＝８．６１７×１０^-5 ｅＶ・Ｋ^-1
基板や半導体膜に損傷を与えずに酸化膜の赤外光による熱処理を完了させるには、基板上の同一地点を加熱する時間は０．１秒程度未満が好ましい。これは急速熱処理（ＲＴＡ）の経験に則し、８００℃程度以上の温度では１秒程度の加熱時間でガラス基板が歪んだり割れたりする一方、０．１秒程度未満の短時間処理ではそのような問題は生じないためである。Ｔ_oxが１２３０℃程度以上であれば一回の照射を０．１秒未満に設定することも可能だが、１２３０℃程度以下では一回の照射でこの条件を満たすことはできない。従って、Ｔ_oxが１２３０℃程度以下の赤外光照射条件で界面特性を改善するには、一回の照射時間を０．１秒程度未満とし、且つこの照射を数回繰り返して、τが総計で先の不等式を満たす様に赤外光を照射すればよい。この意味に於いて、赤外光は連続発振よりも周期性を有する非連続発振の方が好ましいといえよう。
周期性を有する赤外光の非連続発振は図３に示すような経時図に示したように行われる。赤外光の一周期は発振期間（ｔ_ON）と非発振期間（ｔ_OFF）とから構成される。半導体等の酸化膜以外の物質への熱歪みを最小限に止めるためには、発振期間を非発振期間と同等又は非発振期間よりも短くすることが望まれる（ｔ_ON≦ｔ_OFF）。発振期間が非発振期間より短いことで放熱が確実に進むからである。さらに、生産性を考慮に入れると、発振期間と非発振期間が略同等であるのが理想といえる。
赤外光照射に関してもう一点注意せねばならぬのは酸化膜の到達最高温度の制御である。酸化膜をゲート絶縁膜や層間絶縁膜のように半導体物質上に形成し、この酸化膜に赤外光照射を行う場合、酸化膜の到達最高温度は半導体物質の融点以下であることが望まれる。例えば、半導体物質が真性硅素又は僅かな不純物（不純物濃度１％程度未満）を含んだ硅素の場合、硅素の融点は約１４１４℃であるので、赤外光照射による酸化膜の到達最高温度は１４１４℃程度未満が好ましい。これは半導体物質が溶融すると半導体中の不純物濃度が変わったり、或いは酸化膜と半導体との界面の無秩序再構成化が進んで界面準位が増大したり、ひどい場合には半導体物質が蒸発・飛散して半導体装置を破壊する、等の悪現象が生ずるからである。そのような現象を回避して優良な半導体装置を安定的に製造するには、酸化膜の到達最高温度を半導体物質の融点以下とすればよい。
半導体物質が多結晶質や非晶質状態にある場合には半導体中に不対結合対が存在し、これら不対結合対は水素（Ｈ）や弗素（Ｆ）等の原子で終端化されているのが好ましい。不対結合対は禁制帯中の深い位置（禁制帯の中央付近）に電子や正孔に対する捕獲準位を作成し、伝導帯に於ける電子数や価電子帯に於ける正孔数を減少させる。併せて荷電担体を散乱して移動度を低下させてしまう。不対結合対はそのような原理を通じて半導体特性を低減させるのである。赤外光照射による酸化膜の温度上昇は酸化珪素膜自体と界面とを著しく改質する一方、酸化膜から半導体物質への熱伝導により不対結合対を終端していた水素や弗素を離脱させる恐れもある。従って、光変換効率の高い太陽電池、低電圧で高速動作する薄膜トランジスタ等の優良な半導体装置を作成するには、赤外光照射後に水素プラズマ照射等の不対結合対終端化工程を設けるのが望ましい。この工程により赤外光照射により生じた不対結合対数を減らし、もって荷電担体の数を増大せしめ、同時に移動度の向上がもたらされるからである。
本発明による赤外光照射では、酸化膜の同一地点が一度の照射で加熱されている期間が０．１秒程度未満の短時間であることが望まれる。そのような短時間照射に於いては単に基板の熱損傷を防ぐのみならず、気相から酸化膜を通じての酸素等の半導体物質との反応性気体の拡散が非常に小さくなるため、照射雰囲気を空気中とすることができるからである。照射期間が長ければ空気中の酸素が界面に迄拡散し、半導体物質の冷却過程で新たな低温酸化層が形成される恐れがある。これにより界面特性の改質が無に帰されてしまうからである。そのような意味に於いては照射雰囲気を窒素やヘリウム、アルゴン等の不活性気体中とするのが好ましい。赤外光照射により半導体物質表面は融点近くに迄加熱されるので、照射雰囲気としては窒化の可能性が認められる窒素よりもヘリウムやアルゴン等の希ガスの方がさらに好ましい。こうすれば基板や半導体物質に損傷が加わらない限り、赤外光照射期間に対する制限は無くなり、良質な界面が得られるからである。とりわけこの照射雰囲気制御は拡散が容易な極薄酸化膜に対して重要となる。
本発明の半導体装置の製造方法に於いては、半導体膜が酸化硅素膜に挟まれた膜厚２００ｎｍ程度未満の薄い結晶性膜の構成を有するときに、半導体装置の電気特性は顕著に改善される。この構成を有する半導体装置は半導体膜と上側酸化膜との界面、及び半導体膜と下側酸化膜との界面の両界面を有している。半導体膜にドナー又はアクセプターとなる不純物が添加されて、配線として利用される際にはこれら両界面が電気伝導に寄与する。また、シリコンーオンーインシュレーター（ＳＯＩ）型半導体装置の能動層として半導体膜が利用される際にも薄い半導体膜全体が空乏化するので、やはり両界面が電気特性に影響を及ぼす。この構造に赤外光照射を施すと、半導体膜の上下を挟む酸化膜が赤外光照射にて加熱され、これによ両界面の品質が改善される。さらに、結晶性半導体膜が多結晶であるときには、上下の酸化膜からの熱伝導により半導体膜も自然と加熱され、多結晶性半導体膜の再結晶化も生ずる。この再結晶化により多結晶半導体膜を構成する結晶粒が大きくなったり、半導体膜中の欠陥数が減少するため、半導体特性はより一層改善される。
以上詳述してきたように、本発明は従来低品質であった酸化珪素膜（気相堆積法で形成された酸化珪素膜、低温酸化法で得られた極薄酸化膜）を赤外光照射する工程を追加することで高品質な膜へと改善でき、あわせて半導体−酸化膜の界面状態をも良質なものとすることができる。また、半導体膜が第一酸化膜と第二酸化膜に挟まれている場合には両方の界面を改質することができる。さらに、半導体が結晶性膜であれば、この結晶性をも向上することができる。これにより薄膜トランジスタに代表される半導体装置の電気特性を高め、同時に半導体装置の動作安定性や信頼性を増すという優れた効果が認められる。
【図面の簡単な説明】
図１は酸化硅素膜の赤外光吸収特性を示す図である。図２は本発明の有効領域を示す図である。図３は赤外光発振を説明する経時図である。図４は赤外光照射による酸化膜温度変化を示す図である。図５は本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。図６は本発明の表示装置を説明する図である。図７は本発明の赤外光照射装置を説明する図である。図８は本発明のフライアイレンズを用いた赤外光照射装置を説明する図である。図９はフライアイレンズを用いた赤外光強度分布均一化の原理を示す図である。図１０は本発明のフーリエ変換型位相ホログラムを用いた赤外光照射装置を説明する図である。図１１はフーリエ変換型位相ホログラムを用いた赤外光強度分布均一化の原理を示す図である。図１２は本発明のガルバノスキャナを用いた赤外光照射装置を説明する図である。図１３は本発明のポリゴンミラーを用いた赤外光照射装置を説明する図である。図１４は炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザーの発振線を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の半導体装置は、絶縁性物質である第一酸化硅素膜上に形成された半導体膜と、この半導体膜上に形成された第二酸化硅素膜とを少なくとも含んでいる。上ゲート型の半導体装置であれば、第一酸化硅素膜は下地保護膜に相当し、第二酸化硅素膜はゲート絶縁膜に相当する。逆に下ゲート型半導体装置であれば、第一酸化硅素膜はゲート絶縁膜に相当し、第二酸化硅素膜は層間絶縁膜に相当する。また、本発明の表示装置はそのような半導体装置を有している。
これらの半導体装置や表示装置を作成するには、最初に基板を準備する。基板としては、ガラス、単結晶硅素等が一般的であるが、これら以外の基板であっても半導体装置製造工程中の最高温度に耐えられれ、しかも半導体膜への不純物混入が十分小さければ、その種類や大きさは問われない。
まず、基板上に第一酸化硅素膜を前述の気相堆積法や低温酸化法で形成する。基板が高純度石英ガラスであれば、第一酸化硅素膜は石英ガラス基板で兼用されることも可能である。
次に、少なくとも半導体膜が接する面が第一酸化硅素膜となっている絶縁性物質上に半導体膜を形成する。この半導体膜形成工程は半導体膜を気相堆積法等で堆積した後に、レーザー光や熱等に代表される高エネルギー体をこの半導体膜に供給し、半導体膜の溶融結晶化乃至は固相結晶化を進める。最初に堆積した薄膜が非晶質であったり、非晶質と微結晶が混在する混晶質であれば、この工程は結晶化と通常呼ばれている。一方、最初に堆積した薄膜が多結晶質であれば、この工程は再結晶化と呼ばれる。本明細書では両者共単に結晶化と称し、特にそれらの区別を行わないこととする。高エネルギー体として最も優れているのがクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザー、キセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザーである。これらの照射ににより半導体薄膜の少なくとも表面が溶融結晶化する。溶融結晶化では溶融範囲内の結晶粒は粒内にほとんど欠陥を持たないという優れた特性を有する。その反面、溶融結晶化の際に供給するエネルギー値の制御が大変に困難で、半導体薄膜へのエキシマレーザー等の照射エネルギー密度が最適値よりもわずかでも大き過ぎると、多結晶膜を構成する結晶粒の径が１／１０から１／１００へと突然小さくなり、ひどいときには半導体膜が消失することすら認められる。そこで本発明では照射レーザーエネルギー密度を最適値よりも５ｍＪ・ｃｍ^-2程度から５０ｍＪ・ｃｍ^-2程度低めとして半導体膜の溶融結晶化を行う。かくして半導体膜の溶融結晶化が安定的に行われるに到るのである。無論このままの状態では多結晶半導体膜の結晶性は優れぬが、本発明では後の工程に酸化膜への赤外光照射工程が存在する。
すなわち、そのようにして得られた結晶性半導体膜上に、気相堆積法や低温酸化法により第二酸化硅素膜を形成し、この酸化膜形成工程終了後に第二酸化硅素膜に赤外光を照射する光照射工程を設けるのである。
赤外光照射で酸化珪素膜が加熱されると、半導体膜も半導体溶融温度に近い温度で数μｓから数ｍｓの比較的長時間加熱される。前述の溶融結晶化では半導体膜は溶融温度にて数十ｎｓの期間加熱される。これに比較すると光照射工程での半導体温度は僅かに低くなっている。しかしながらその加熱処理時間は百倍から百万倍にも及び、それ故溶融結晶化で不十分であった半導体膜の結晶性が光照射工程で著しく改善されるのである。溶融結晶化時には半導体膜の表面近傍にしか高品質の結晶粒ができておらず、第一酸化膜に近い半導体膜の下部には多量の微細欠陥や非晶質成分が残留している。これら残留成分が光照射工程の際に、表面近傍の良質な結晶粒を種にして結晶化され、もって半導体膜の膜厚方向全体に優良な結晶化膜が形成されるにいたる。そのような原理から理解されるように、半導体膜が第一酸化膜と第二酸化膜に挟まれていることは半導体膜が光照射工程時に上下両方より加熱されることを意味し、このようにして半導体膜全体で均一な結晶化が進むのである。溶融結晶化膜に見られるこれと同様な作用は半導体膜の結晶化が固相で行われたときにも生ずる。固相結晶化膜は結晶粒内欠陥を多量に含むが、本発明の光照射工程により再結晶化が進み、これら粒内欠陥を低減するのである。
半導体膜が何らかの基板に成膜されている系では、半導体膜は必ず上側の界面と下側の界面を有する。半導体膜に不純物を添加して電気伝導体として利用するときには、上側の界面と下側の界面の両界面近傍に電流経路が存在する。同様に半導体膜を電界効果型半導体装置の能動層（チャンネル形成領域）として利用するときにも、能動層の厚さが１５０ｎｍ程度未満であれば、半導体膜全体が電気伝導に寄与するため、両界面の良否が半導体装置の電気特性の優劣に直接影響を及ぼす。本発明では半導体膜が第一酸化膜と第二酸化膜に挟まれ、半導体膜の赤外光に対する吸収係数が酸化膜の吸収係数よりも数桁以上も小さくなるように照射赤外光が選択されているため、両界面はほほ同じ温度に加熱されて、同じ良質な界面状態へと改質される。こうして電気的特性の優れた半導体装置ができる。
（実施例１）
図４は赤外光照射による酸化膜温度変化を示す図である。赤外光として炭酸ガスレーザー光を用い、この赤外光をゲート絶縁膜を構成する酸化硅素膜に照射した際に、酸化硅素膜が被る温度変化を電子計算機で見積もったものである。縦軸は酸化硅素膜表面の温度を示し、横軸は照射が開始された瞬間からの時間を示している。基板としては汎用無アルカリガラスを想定している。基板上に下地保護膜である酸化硅素膜がＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法で２００ｎｍの膜厚に堆積され、その上に多結晶硅素膜が５０ｎｍの厚みで、さらにその上にゲート絶縁膜である酸化硅素膜がＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて１００ｎｍの膜厚に堆積されている。ゲート絶縁膜と下地保護膜の光学特性は図１に示されたものと同一である。このような膜構造の試料に基板の表面側（即ちゲート絶縁膜側）より炭酸ガスレーザーを照射する。炭酸ガスレーザーの波長は９．３μｍ（波数１０７５ｃｍ^-1）を想定し、この赤外光に対するＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法による酸化硅素膜の吸収係数ｋは２６２００ｃｍ^-1である。従って、吸収係数とゲート酸化膜の厚みの積ｋ・ｔは０．２６２となり、ゲート絶縁膜の入射光に対する透過光の割合は７７％である。炭酸ガスレーザー光のゲート絶縁膜表面に於けるエネルギー密度を２００ｍＪ・ｃｍ^-2とし、その発振期間（ｔ_ON）が１０μｓの照射条件での酸化膜温度変化が計算されている。但し、ここでは単発のレーザー照射を想定し、それ故非発振期間（ｔ_OFF）は無限大となっている。
図４に示された計算結果によると、酸化膜の温度が１３００℃以上に上がっている時間τ₁₃₀₀は４．６μｓ程度であり、同様に酸化膜温度が９００℃以上に上がっている時間τ₉₀₀は１３．１μｓ程度である。９００℃で酸化膜改質を行うには（１）式によればτ₉₀₀は１ｍｓ程度以上でなければならないので、この照射を７７回以上繰り返して９００℃を越えている総時間を１３．１μｓ×７７＝１．００８７ｍｓと、１ｍｓより長くせねばならぬように思われる。しかしながら、実際は１３００℃以上の温度に達している時間τ₁₃₀₀が４．６μｓ程度ある。（１）式によれば１３００℃で酸化膜改質を進めるには１×１０^-11ｓ程度以上の時間ですむから、実の所この一回の赤外光照射で酸化膜の改質は十分達成されている。この例が明示しているように、酸化膜や界面の膜質改善を行うには条件式（１）と（２）がいずれかの温度で満たされればよいのである。
図４の条件下で酸化膜−半導体膜の界面をも改質するには、（２）式及び図２から酸化膜温度が１３００℃以上に達している総時間を１３．８ｍｓ程度以上としなければならない。一方、一回の非連続発振照射によるτ₁₃₀₀が４．６μｓ程度であるから、同じ照射を３０００回程度以上繰り返せば、４．６μｓ×３０００＝１３．８ｍｓとなり、１３００℃以上に達している総時間を１３．８ｍｓ程度以上とできる。発振期間（ｔ_ON）と非発振期間（ｔ_OFF）を共に１０μｓとすれば一周期は２０μｓとなり、発振周波数は５０ｋＨｚである。従って、界面改質を達成するには、２０μｓ×３０００＝６０ｍｓと、５０ｋＨｚの発振周波数で同一地点を６０ｍｓ程度以上照射すればよいこととなる。
現在市販されている炭酸ガスレーザーには４ｋＷ程度の出力を有するものがある。これを５０ｋＨｚで発振させると、各照射毎のエネルギーは８０ｍＪとなり、先の照射条件の２００ｍＪ・ｃｍ^-2のエネルギー密度では０．４ｃｍ²の領域を照射できる。０．４ｃｍ²との面積は幅が０．１ｍｍで長さが４００ｍｍの短冊状領域に相当する。４００ｍｍ×５００ｍｍの大型ガラス基板に赤外光を照射することを考え、基板の長手方向に短冊状の照射領域を走査する（基板の長手方向と照射領域の幅方向が一致）。基板上の同一地点を３０００回照射するには短冊状照射領域の幅（０．１ｍｍ）方向に対して、各照射毎に照射領域が３．３３×１０^-5ｍｍ移動すればよい。発振周波数が５０ｋＨｚなので、これは照射領域が１．６７ｍｍ／ｓの走査速度を有していることになる。即ち、５００ｍｍの長手方向の照射時間は３００秒程度となり、十分実用に供するといえる。
（実施例２）
図５（ａ）〜（ｄ）はＭＯＳ型電界効果トランジスタを形成する薄膜半導体装置の製造工程を断面で示した図である。実施例２では基板５０１として歪点が６５０℃程度の汎用無アルカリガラスを用いた。
まず、基板５０１上にＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法で第一酸化硅素膜を２００ｎｍ程度堆積し、下地保護膜５０２とした。第一酸化硅素膜のＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法での堆積条件は以下の通りである。
モノシラン（ＳｉＨ₄）流量・・・６０ｓｃｃｍ
酸素（Ｏ₂）流量・・・１００ｓｃｃｍ
圧力・・・２．４０ｍＴｏｒｒ
マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）出力・・・２２５０Ｗ
印加磁場・・・８７５Ｇａｕｓｓ
基板温度・・・１００℃
成膜時間・・・４０秒
この下地保護膜上に半導体膜として真性非晶質硅素膜をＬＰＣＶＤ法にて５０ｎｍ程度の膜厚に堆積した。ＬＰＣＶＤ装置はホット・ウォール型で容積が１８４．５１で、基板挿入後の反応総面積は約４４０００ｃｍ²である。堆積温度は４２５℃で原料ガスとして純度９９．９９％以上のジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用い、２００ｓｃｃｍ反応炉に供給した。堆積圧力はおよそ１．１Ｔｏｒｒであり、この条件下で硅素膜の堆積速度は０．７７ｎｍ／ｍｉｎであった。そのようにして得られた非晶質半導体膜にクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザーを照射して半導体膜の結晶化を進めた。照射レーザーエネルギー密度は２４５ｍＪ・ｃｍ^-2で、最適値よりも１５ｍＪ・ｃｍ^-2低いエネルギー密度であった。こうして結晶性半導体膜（多結晶硅素膜）を形成した後、この結晶性半導体膜を島状に加工して、後に半導体装置の能動層となる半導体膜の島５０３を形成した。（図５−ａ）
次に、パターニング加工された半導体膜の島５０３を覆うように第二酸化硅素膜５０４をＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて形成した。この第二酸化硅素膜は半導体装置のゲート絶縁膜として機能する。第二酸化硅素膜堆積条件は堆積時間が２４秒と短縮されたことを除いて、第一酸化硅素膜の堆積条件と同一である。但し、第二酸化硅素膜堆積の直前にはＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ装置内で基板に酸素プラズマを照射して、半導体の表面に低温プラズマ酸化膜を形成した。プラズマ酸化条件は次の通りである。
酸素（Ｏ₂）流量・・・１００ｓｃｃｍ
圧力・・・１．８５ｍＴｏｒｒ
マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）出力・・・２０００Ｗ
印加磁場・・・８７５Ｇａｕｓｓ
基板温度・・・１００℃
処理時間・・・２４秒
プラズマ酸化に依りおよそ３．５ｎｍの酸化膜が半導体表面に形成されている。酸素プラズマ照射が終了した後、真空を維持したまま連続で酸化膜を堆積した。従って、第二酸化硅素膜はプラズマ酸化膜と気相堆積膜の二者からなっている。その膜厚は１２２．５ｎｍであった。
第二酸化硅素膜形成後、赤外光照射工程として炭酸ガスレーザー光をこれらの薄膜に空気中で照射した。炭酸ガスレーザー照射領域は円形となっている。円の中心に於いてレーザーエネルギー密度は最大であり、外側に進むに連れてエネルギー密度は正規分布関数的に減衰していく。中心の最大エネルギー密度の値に対して、エネルギー密度が１／ｅ（ｅは自然対数：ｅ＝２．７１８２８）となる円の直径は４．５ｍｍであった。中心に於ける最大エネルギー密度は６３０ｍＪ・ｃｍ^-2であるから、直径４．５ｍｍの円周上でのエネルギー密度は２３２ｍＪ・ｃｍ^-2となる。炭酸ガスレーザーの発振期間（ｔ_ON）と非発振期間（ｔ_OFF）は其々６０μｓで、故に発振周波数は８．３３３ｋＨｚである。円対称の照射領域は各照射毎に０．１ｍｍ移動してゆき、酸化硅素膜上の同一点は２３２ｍＪ・ｃｍ^-2以上の炭酸ガスレーザー照射を４５回受けたことになる。
炭酸ガスレーザー照射後、基板に水素プラズマ照射を施し、多結晶半導体膜中や界面に存在する不対結合対を水素にて終端した。水素プラズマ条件は以下の通りである。
水素（Ｈ₂）流量・・・１０００ｓｃｃｍ
圧力・・・５００ｍＴｏｒｒ
ｒｆ波（１３．５６ＭＨｚ）出力・・・１００Ｗ
電極間距離・・・２５ｍｍ
基板温度・・・３００℃
処理時間・・・９０秒
このようにしてゲート絶縁膜堆積と酸化膜改質が完了した。（図５−ｂ）
引き続いて金属薄膜によりゲート電極５０５を形成する。実施例２では７５０ｎｍの膜厚を有するα構造のタンタル（Ｔａ）にてゲート電極を作成した。この時のゲート電極のシート抵抗は０．８Ω／□であった。
次に、ゲート電極をマスクとして、ドナー又はアクセプターとなる不純物イオン５０６を打ち込み、ソース・ドレイン領域５０７とチャンネル形成領域５０８をゲート電極に対して自己整合的に作成する。実施例２ではＣＭＯＳ半導体装置を作製した。ＮＭＯＳトランジスタを作製する際にはＰＭＯＳトランジスタ部をアルミニウム（Ａｌ）薄膜で覆った上で、不純物元素として水素中に５％の濃度で希釈されたフォスヒィン（ＰＨ₃）を選び、加速電圧８０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを７×１０¹⁵ｃｍ^-2の濃度でＮＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域に打ち込んだ。反対にＰＭＯＳトランジスタを作製する際にはＮＭＯＳトランジスタ部をアルミニウム（Ａｌ）薄膜で覆った上で、不純物元素として水素中に５％の濃度で希釈されたジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を選び、加速電圧８０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを５×１０¹⁵ｃｍ^-2の濃度でＰＭＯＳトランジスタ１０のソース・ドレイン領域に打ち込んだ。（図５−ｃ）
次に、ＰＥＣＶＤ法等で層間絶縁膜５０９を堆積した。層間絶縁膜は二酸化硅素膜からなり、その膜厚はおよそ５００ｎｍであった。層間絶縁膜堆積後、層間絶縁膜の焼き締めとソース・ドレイン領域に添加された不純物元素の活性化を兼ねて、窒素雰囲気下３００℃にて２時間の熱処理を施した。
最後に、コンタクト・ホールを開穴し、アルミニウム等で配線５１０を施して薄膜半導体装置が完成した。（図５−ｄ）
このようにして作成した薄膜半導体装置の伝達特性を測定した。測定した半導体装置のチャンネル形成領域の長さ及び幅は各々１０μｍで、測定は室温にて行った。ＮＭＯＳトランジスタのＶｄｓ＝８Ｖに於ける飽和領域より求めた移動度は４２．４±１．９ｃｍ²・Ｖ^-1・ｓ^-1であり、閾値電圧は３．８７±０．１１Ｖであった。また、ＰＭＯＳトランジスタのＶｄｓ＝−８Ｖに於ける飽和領域より求めた移動度は２１．８±１．２ｃｍ²・Ｖ^-1・ｓ^-1であり、閾値電圧は−５．３３±０．２１Ｖであった。Ｎ型とＰ型の両半導体装置ともに高移動度で低閾値電圧を有する良好な薄膜半導体装置がばらつくことなく安定的に製造された。この例が示すように本発明によると優れた特性を有し、しかも酸化膜の信頼性が高い薄膜半導体装置を、汎用ガラス基板の使用し得る低温工程にて、簡便且つ容易に作成できる。
（比較例１）
比較例１は、本発明が従来技術に比べて優れていることを示すための例である。比較例１では、光照射工程行わなかったことを除く他の総ての工程を実施例２と同一として半導体装置を製造した。即ち、ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法で第二酸化硅素膜を堆積後、す直ぐに上述の水素プラズマ照射を行い、以下実施例２と同じ工程でＣＭＯＳ半導体装置を製造した。
比較例１で得られた半導体装置の移動度と閾値電圧を以下に示す。
μ（Ｎ）＝３４．４±３．３ｃｍ²・Ｖ^-1・ｓ^-1
Ｖ_th（Ｎ）＝５．０６±０．１６Ｖ
μ（Ｐ）＝１６．２±１．２ｃｍ²・Ｖ^-1・ｓ^-1
Ｖ_th（Ｐ）＝−６．３０±０．２２Ｖ
この比較例１より、本発明の実施例２の優位性は明らかであろう。
（実施例３）
実施例２で得られたＮＭＯＳ薄膜半導体装置を２００（行）×３２０（列）×３（色）＝１９２０００（画素）からなるカラーＬＣＤの画素用スイッチング素子とし、６ビットデジダルデータドライバー（列側ドライバー）と走査ドライバー（行側ドライバー）を実施例２で得られたＣＭＯＳ薄膜半導体装置にて内蔵しているアクティブマトリクス基板を製造した。
図６には６ビットデジダルデータドライバーの回路図を示す。実施例３のデジダルデータドライバーはクロック信号線とクロック生成回路、シフトレジスター回路、ＮＯＲゲート、デジタル映像信号線、ラッチ回路１、ラッチパルス線、ラッチ回路２、リセット線１、ＡＮＤゲート、規準電位線、リセット線２、容量分割による６ビットＤ／Ａコンバーター、ＣＭＯＳアナログスウィッチ、共通電位線、及びソース線リセット・トランジスタより構成され、ＣＭＯＳアナログスウィッチからの出力が画素部のソース線へとつながっている。Ｄ／Ａコンバーター部の容量はＣ₀＝Ｃ₁／２＝Ｃ₂／４＝Ｃ₃／８＝Ｃ₄／１６＝Ｃ₅／３２との関係を満たしている。デジタル映像信号線にはコンピューターのヴィデオランダムアクセスメモリー（ＶＲＡＭ）から出力されるデジタル映像信号が直接入力され得る。実施例３のアクティブマトリクス基板の画素部ではソース電極及びソース配線、ドレイン電極（画素電極）はアルミニウムから構成されており、反射型ＬＣＤとなっている。
そのようにして得られたアクティブマトリクス基板を一対の基板の一方に用いている液晶パネルを製造した。一対の基板間に挟持する液晶には黒色顔料を分散させた高分子分散液晶（ＰＤＬＣ）を用い、ノーマリー黒モード（液晶に電圧を印加しない時に黒表示）の反射型の液晶パネルとした。得られた液晶パネルを外部配線と接続し液晶表示装置を製造した。
その結果、ＴＦＴが高性能で、然も基板全面で特性が均一であるため、６ビットデジダルデータドライバーも走査ドライバーも広い動作領域で正常に動作し、且つ画素部に関しては開口率が高いため、黒顔料分散ＰＤＬＣを用いても表示品質の高い液晶表示装置ができた。また、半導体膜と酸化膜との界面状態が良く、酸化膜自体の品質も高いため、トランジスタの動作信頼性に優れ、以て表示装置の動作安定性も格段に優れるに到った。
この液晶表示装置をフルカラーの携帯型パーソナルコンピューター（ノートＰＣ）の筐体に組み込んだ。６ビットデジダルデータドライバーをアクティブマトリクス基板が内蔵しており、コンピューターからのデジタル映像信号を直接液晶表示装置に入力するため、回路構成が簡素になり同時に消費電力も極めて小さくなった。液晶表示装置に用いた薄膜半導体装置が高性能であるため、このノートＰＣは非常に美しい表示画面を有する良好な電子機器である。加えて液晶表示装置が高開口率を有する反射型であることを反映してバックライトを不要とし、故にバッテリーの小型軽量化と長時間使用をも実現された。これにより長時間使用可能で、且つ綺麗な表示画面を有する超小型軽量電子機器が作成された。
（実施例４）
実施例４では、基板上に形成された酸化硅素膜に赤外光を照射してその品質改善を可能ならしめる酸化硅素膜改質用の赤外光照射装置を、図７乃至図１１を用いて説明する。酸化硅素膜改質用の赤外光照射装置は炭酸ガスレーザー発振器１０１等からなる赤外光生成手段と、そのようにして生成された赤外光の絶対強度を調整する赤外光強度調整手段と、強度調整された赤外光の空間的強度分布を均一とする赤外光均一化手段と、酸化硅素膜が形成された基板とこの均一化された赤外光との相対的位置関係を可変とする走査機構とを少なくとも有している（図７参照。）。
炭酸ガスレーザー発振器１０１にて生成された赤外レーザー光はアッテネータ等からなる光学系１０４によりその絶対強度を所望の値に調整される。実施例４ではこの光学系１０４が赤外光強度調整手段に相当する。具体的には光学系１０４に入射する赤外レーザー光の透過率を変えることでその出力強度を可変とする。次に、強度調整された赤外光はホモジナイザ１０３等からなる赤外光均一化手段に導かれ、赤外光の空間的強度分布が基板上の赤外光照射領域内で空間的に際だった変動が生じないように均一化される。このように整形された赤外光を照射室１０５に導入し、照射室内に設置された基板１１０に赤外光照射を施す。
赤外光の照射雰囲気を真空中や窒素中、アルゴン中等の様に所定の雰囲気とするために、照射室にはポンプ１０７等からなる排気手段とガス系１０６等からなるガス導入手段が備えられている。照射室に導入された赤外光と酸化珪素膜が形成された基板１１０との相対的位置関係は、基板が設置されたステージをステージコントローラ１０８により移動させることで可変とされる。即ち、実施例４では走査機構は赤外光行路を固定した上で、基板を動かしている。無論後の実施例が示すように、基板を固定して赤外光行路を動かす走査機構や、両者とも動かす走査機構も可能である。なお、コンピューター１０９はステージコントローラ１０８やレーザコントローラ１０２を制御する制御系である。
さて、気相成長法等により形成された酸化硅素膜全域を一度に加熱してその膜品質を改善するには、出力が極めて大きい赤外レーザー光発振器が必要となる。しかるにそのような大出力レーザー発振器は未だ実在していない。そこで、本発明では赤外光を赤外光均一化手段により短冊状照射領域又は細線状照射領域に加工し、この照射領域を前述の走査機構によって可動とすることで基板全体に渡り均一な光照射を可能とする。照射領域内のレーザー光強度は均一であることが望ましい。そこで次に本発明に則する赤外光均一化手段を説明する。
図８はフライアイレンズ２０１を用いた赤外光均一化手段の一例を示している。この赤外光均一化手段はフライアイレンズ２０１とコンデンサレンズ２０２とを基本構成要素としており、コンデンサレンズ２０２としてはシリンドリカルレンズが用いられている。２０３は入射赤外レーザビーム光である。フライアイレンズ２０１に入射されたレーザビーム２０３は、多数の、図８ではＡ乃至Ｅの５個の四角形あるいはシリンドリカルレンズが光軸と直交する横断面に束ねられた、いわゆるフライアイレンズで波面が分割される。分割されたレーザビームは上記フライアイレンズの焦点位置で集光された後、上記フライアイレンズと共焦点になっているコンデンサレンズ２０２に入射され、このコンデンサレンズが像側の焦点、すなわち基板上において分割された各レーザビームを再び重ね合せることにより均一なレーザビームを形成する。図９にＡ乃至Ｅに分割されたレーザビームの基板１１０上でのレーザビームの強度分布とこれらを重ねあわせた後のレーザビームの強度分布を示す。本方式では、分割されたレーザビームのうち、図９のＡとＥ、ＢとＤのように光軸に対して対称なもの同士では対称な強度分布をもつので、こららを各々重ねあわせることにより均一性を確保している。
図１０はフーリエ変換型位相ホログラム３０１を用いた赤外光均一化手段の一例を示している。ここでの赤外光均一化手段はレンズ３００とフーリエ変換型位相ホログラム３０１（以下ホログラムと略す）とを基本構成要素としている。レンズ３００及びホログラム３０１は加工対象物である酸化硅素膜を形成した基板１１０上で長手方向に均一なレーザ強度分布を有する細線状レーザビームを作り出している。レーザ発振器１０１から発せられたレーザ光は、レンズ３００及びホログラム３０１から構成されるビーム整形光学系３０２を通る。この際、レーザ光はレンズ３００によって基板１１０上に照射されるが、レンズ３００と基板１１０との間に設けられたホログラム３０１によって基板１１０上に一直線に並んだいくつもの重なり合った照射スポットを持つように空間変調される。ホログラム３０１は、それぞれの照射スポットを基板１１０上の任意の位置に、任意の強度で配置することができる。図１１は図１０のレーザビーム整形光学系で整形され、酸化硅素膜が形成された基板に照射されるレーザビーム形状を示す図である。図１１に示すように一直線上に照射スポットが並ぶようなホログラム３０１を用い、照射スポットの重なり合わせピッチを均等なピッチとすることにより、基板１１０上で長手方向に均一になるようなレーザビームを得ることができる。ホログラム３０１はレーザビームを４００個乃至８００個の照射スポットに分割し、レーザビームの強度分布が均一化される。
（実施例５）
実施例５では、基板上に形成された酸化硅素膜に赤外光を照射してその品質改善を可能にする酸化硅素膜改質用の赤外光照射装置を、図１２及び図１３を用いて説明する。この赤外光照射装置は炭酸ガスレーザー発振器１０１等からなる赤外光生成手段と、そのようにして生成された赤外光をスポット形状に整形する光整形手段と、酸化硅素膜が形成された基板とこのスポット形状に整形された赤外光との相対的位置関係を可変とする走査機構とを少なくとも有している。
炭酸ガスレーザー発振器１０１にて生成された赤外レーザー光はミラー４０１により走査機構の一種であるガルバノスキャナのミラー４００に導かれる（図１２）。レーザビームはガルバノスキャナのミラー４００で反射された後、レンズ４０２に入射され、スポット形状のビームに整形される。実施例５ではこのレンズ４０２がスポット形状に整形する光整形手段に当たる。そのように整形された赤外光を照射室１０５に導入し、照射室内に設置された基板１１０に光照射を施す。照射室の構成や制御系は実施例４と同様である。実施例５ではガルバノスキャナによりガルバノスキャナのミラー４００の角度を変えることで基板１１０上に照射されるレーザビームの位置を変化させている。この照射光を線状又は面状に走査して、基板１１０の全面に渡って赤外レーザ光の照射を行う。照射されたレーザビームは基板上に成膜された酸化硅素膜で吸収され、酸化硅素膜を加熱する。こうして酸化膜の品質が改善される。
一方、図１３はポリゴンミラー６０１を走査機構として用いた光照射装置の別の一例である。レーザ発振器１０１から出射されたレーザ光はポリゴンミラー６０１で反射されてレンズ４０２に入射する。赤外光はレンズ４０２にてスポット形状のビームに整形された後、照射室に導かれ基板１１０を照射する。本例の走査機構ではポリゴンミラー６０１の角度を変えて、基板１１０上のレーザー照射位置を変化させている。以下、前例と同様に基板全面をレーザ光が走査し、酸化硅素膜の改質が進められる。
なお、これらの実施例では赤外光として炭酸ガスレーザ光を用いた場合を示したが、赤外光としてはIV―VI属半導体レーザや自由電子レーザ等を用いてもよい。
産業上の利用可能性
以上詳述してきたように、本発明によると従来低品質であった低温形成の酸化硅素膜を簡単な赤外光照射工程を追加することで高品質な膜へと改善できる。従って、本発明をＴＦＴ等の薄膜半導体装置やＬＳＩ等の半導体装置に適用すると、動作信頼性に優れ高性能な半導体装置を低温で安定的に製造できる。また、本発明をアクティブ・マトリクス液晶表示装置に適応した場合には大型で美しい表示装置を容易に且つ安定的に製造することができる。さらに、他の電子機器の製造に適用した場合にも高性能な電子機器を容易に且つ安定的に製造することができる。
また、本発明の赤外光照射装置は大面積基板を高速且つ安定的に処理することが可能で、ＴＦＴ基板や３００ｍｍ径の大型シリコン基板等の処理に最適となっている。

Claims (1)

1. ガラス基板上に電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学堆積法により酸化珪素膜を形成する第１工程と、
   前記酸化珪素膜に表面より赤外光を照射する第２工程と、を含み、
   前記赤外光は、９．３μｍの波長成分を含む炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザー光であり、
   前記ガラス基板の厚さは、前記第１工程で形成される前記酸化珪素膜の膜厚の１００倍以上の厚さがあり、
   前記酸化珪素膜の膜厚をｔ（ｃｍ）、前記酸化珪素膜の前記赤外光の吸収係数をｋ（ｃｍ^-1）としたとき、前記膜厚ｔと前記吸収係数ｋとは
   ｋ・ｔ＞０．１
   の関係を満たし、
   前記第１工程は、
   前記ガラス基板上に第一酸化珪素膜を形成する工程と、
   前記第一酸化珪素膜との間に半導体膜を挟むように第二酸化珪素膜を形成する工程と、を含み
   前記半導体膜は、前記第一酸化珪素膜上に気相堆積法によって堆積された後、前記第二酸化珪素膜を形成する工程に先立って当該第二酸化珪素膜が配置される側からエネルギーを供給することで前記第二酸化珪素膜が配置される側の表面近傍が溶融結晶化され、結晶粒が形成された状態となり、
   前記第２工程は、
   前記第二酸化珪素膜が配置される側から前記赤外光を照射することにより、前記第一酸化珪素膜及び前記第二酸化珪素膜を改質し、
   前記第一珪素膜と前記半導体膜との界面、及び前記第二珪素膜と前記半導体膜との界面の品質を改善し、
   前記半導体膜の前記第一酸化珪素膜側における微細欠陥及び／または非晶質成分を前記結晶粒を種として結晶化することを特徴とする酸化珪素膜の製造方法。

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