JP3359794B2

JP3359794B2 - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP3359794B2
Application number: JP23074295A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 光範坂間; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2015-08-16
Also published as: JPH08125197A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた珪素膜を用いた絶縁ゲイト構造を有する半導体装
置、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜ダイオ
ード（ＴＦＤ）、またはそれらを応用した薄膜集積回
路、特にアクティブ型液晶表示装置（液晶ディスプレ
ー）用薄膜集積回路、およびその作製方法に関するもの
であり、特に、最高プロセス温度が７００℃以下の低温
プロセスによって上記半導体装置を形成するための半導
体装置の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開
発されている。これらの基板としては、量産性・価格の
面から歪点が７５０℃以下、典型的には５５０〜６８０
℃のガラス基板が一般に用いられている。したがって、
このようなガラス基板を用いる場合には、最高プロセス
温度が７００℃以下、好ましくは６５０℃以下とするこ
とが要求された。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、電界効果
移動度、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に
比べて劣るため、今後、より高速特性を得るためには、
結晶性を有する珪素半導体からなるＴＦＴの作製方法の
確立が強く求められている。

【０００４】移動度の小さな非晶質珪素を用いたＴＦＴ
の場合には、ゲイト絶縁膜の特性はあまり問題とならな
かった。例えば、非晶質珪素を用いたＴＦＴでは、ゲイ
ト絶縁膜として酸化珪素よりも電気的特性に劣る窒化珪
素膜が用いられる。しかし、移動度の高い結晶性の珪素
膜を用いたＴＦＴでは、珪素膜自体の特性と同じくらい
にゲイト絶縁膜の特性も大きな問題であった。

【０００５】特に結晶性珪素膜を得る技術が向上するに
つれ、良質なゲイト絶縁膜に対する需要は非常に大きく
なった。なかでも、チャネル形成領域が実質的に１つの
単結晶もしくは複数の結晶からなっていても、全ての結
晶の方位が同じである結晶珪素被膜（このような結晶状
態をモノドメインという）よりなるＴＦＴでは、通常の
多結晶珪素を用いたＴＦＴと異なり、粒界の特性悪化に
対する寄与は非常に小さく、ほとんどゲイト絶縁膜の特
性によって、その電気特性が決定される。

【０００６】すなわち、通常の多結晶構造においては粒
界を構成する２つの結晶の結晶方位は互いに異なるもの
であり、その結果、高い粒界障壁（バリヤー）が生じ
る。しかし、モノドメイン構造においては、たとえ複数
の結晶からなっていたとしても、通常の多結晶における
粒界に相当する境界をはさむ２つの結晶の結晶方位が同
じであるため、このような境界においてはバリヤーは非
常に低く、単結晶とほとんど差がない。そのため、モノ
ドメイン構造においては、ＴＦＴの特性に対する粒界の
寄与は小さく、ほぼゲイト絶縁膜によって決定される。

【０００７】このような目的に適した優れたゲイト絶縁
膜としては、熱酸化膜が知られている。例えば、石英基
板のように高温に耐える基板上であれば、熱酸化法を用
いてゲイト絶縁膜を得ることができた。（例えば、特公
平３−７１７９３）しかし、熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜として使用す
るに足る酸化珪素膜を得るには、９５０℃以上の高温が
必要であり、このような高温処理に耐えうる基板材料は
石英の他にはなかった。上述のような歪点の低いガラス
基板を使用するには、最高プロセス温度を７００℃以
下、好ましくは６５０℃以下とする必要があったのだ
が、熱酸化による方法はこの要請を満足できなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】７００℃以下でも高圧
水蒸気酸化等の特殊な条件の下では熱酸化膜を形成する
ことができた。例えば、５００〜７００℃の熱酸化によ
って熱酸化膜が１００〜１０００Å形成できた。しか
し、このようにして得られた熱酸化膜は、高温で得られ
た熱酸化膜に比較して、水素濃度が高く、これをゲイト
絶縁膜に用いたＴＦＴの特性は極めて悪かった。このよ
うな問題から、ゲイト絶縁膜はスパッタ法等の物理的気
相成長（ＰＶＤ）法、あるいはプラズマＣＶＤ法、熱Ｃ
ＶＤ法等の化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いて作製せ
ざるを得なかった。これらの方法では最高プロセス温度
は６５０℃以下とすることができた。

【０００９】しかしながら、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法によっ
て作製した絶縁膜は不対結合手や水素の濃度が高く、ま
た、界面特性も良くなかった。そのため、ホットエレク
トロン等の注入に対しても弱く、不対結合手や水素が原
因となって、電荷捕獲（再結合）中心が形成されやすか
った。また、耐圧も低かった。特に、結晶性の珪素との
界面においては、再結合中心が多く形成された。このた
め、ＴＦＴのゲイト絶縁膜として用いた場合に、電界移
動度やサブスレシュホールド特性値（Ｓ値）が、良くな
いという問題点、あるいはゲイト電極のリーク電流が多
く、オン電流の低下（劣化・経時変化）が大きいという
問題点があった。

【００１０】例えば、ＰＶＤ法であるスパッタ法を用い
る場合には、高純度の酸素と珪素からなる合成石英をタ
ーゲットとすれば、原理的には酸素と珪素の化合物の被
膜のみが形成される。しかし、得られる被膜の酸素と珪
素の比率が化学量論比に近くかつ、不対結合手の少ない
酸化珪素膜を得ることは極めて難しかった。例えば、ス
パッタガスとして酸素を用いれば、化学量論比に近い酸
化珪素膜を得ることができる。しかし、酸素は原子量が
小さく、スパッタ速度（堆積速度）が小さく、量産を考
慮した場合、スパッタガスとしては不適切であった。

【００１１】また、アルゴン等の雰囲気においては、十
分な成膜速度が得られたものの、酸素と珪素の比率が化
学量論比と異なり、ゲイト絶縁膜としては極めて不適当
なものであった。さらに、スパッタ雰囲気をどのように
しても珪素の不対結合手を低減することは難しく、成膜
後に水素アニールをおこなうことによって、珪素の不対
結合手Ｓｉ・もしくはＳｉＯ・をＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ
として、安定化させることが必要であった。しかしなが
ら、Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ結合は不安定で、ホットエレ
クトロン等の加速した電子によって、容易に切断され、
もとの珪素の不対結合手に変化してしまった。このよう
な弱い結合Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨの存在が上述のホット
エレクトロン注入による劣化の要因となったものであ
る。

【００１２】同様にプラズマＣＶＤ法を用いて作製され
た酸化珪素膜にもＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨの形で多くの水
素が含有されており、上記の問題の源泉となっていた。
加えて、比較的扱いやすい珪素源として、テトラ・エト
キシ・シラン（ＴＥＯＳ）を用いた場合には、炭素が酸
化珪素膜中に含まれるという問題もあった。本発明は、
このようなＰＶＤ法やＣＶＤ法で堆積された酸化珪素膜
の特性を改善する手段を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、５００〜７
００℃の温度で珪素膜を酸化することによって形成され
た熱酸化膜、あるいは、ＰＶＤ法もしくはＣＶＤ法によ
って、島状の結晶性珪素を覆って堆積された酸化珪素を
主成分とする絶縁膜に対して、紫外光によって励起され
た、もしくは、光分解された窒素酸化物を有する反応性
の高い気体雰囲気で４００〜７００℃の熱アニールをお
こなうことによって、酸化珪素膜を改質し、これをゲイ
ト絶縁膜として用いることを特徴とする。本発明で使用
する窒素酸化物としては、一酸化二窒素（Ｎ₂ Ｏ）、一
酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（Ｎ₂ Ｏ）等の窒素酸化
物（一般式でＮＯ_x：０．５≦ｘ≦２．５で表される）
が好ましい。

【００１４】ただし、この雰囲気に水（Ｈ₂ Ｏ）や炭酸
ガス（ＣＯ、ＣＯ₂ 等）が混入していることは好ましく
ない。水や炭酸ガスは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐ
ｐｂ以下とすべきである。また、必要に応じては、上記
の窒素酸化物でのアニール工程の後に、同じく紫外光に
よって励起もしくは分解されたアンモニア（ＮＨ₃ ）、
ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄ ）等の窒化水素（一般式でＮ
Ｈ_x：１．５≦ｘ≦３で表される）を導入し、４００〜
７００℃の熱アニールをおこなってもよい。この場合に
も雰囲気中の水（Ｈ₂ Ｏ）や炭酸ガス（ＣＯ、ＣＯ₂
等）の濃度は１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下
とすべきである。

【００１５】以下においては、本発明において、紫外光
によって励起もしくは分解された窒素酸化物（もしくは
窒化水素）を有する気体を反応性窒素酸化物（反応性窒
化水素）という。本発明においては、反応性窒素酸化物
（もしくは反応性窒化水素）は窒素酸化物（窒化水素）
のみからなっていてもよいし、アルゴンやその他の不活
性な気体が混入されていてもよい。このような反応性窒
素酸化物あるいは反応性窒化水素を用いた熱アニールに
よって、酸化珪素膜の特性、特に、珪素膜との界面にお
ける特性が改善される。

【００１６】上記のような反応性窒素酸化物あるいは窒
化水素を用いた熱アニールの工程の前後に、通常の（励
起状態の分子や活性種の濃度の低い）窒化水素や窒素酸
化物、あるいは水素、酸素、オゾン等の雰囲気で熱アニ
ールをおこなってもよい。本発明を実施するための装置
の例を図１に示す。本発明を実施するには窒素酸化物も
しくは窒化水素を紫外光によって励起するための第１の
反応室１と、第１の反応室によって得られた反応性の窒
素酸化物や窒化水素を導入し、４００〜７００℃の温度
でゲイト絶縁膜を熱アニール処理するための第２の反応
室が必要である。図１（Ａ）においては、１が第１の反
応室であり、２が第２の反応室である。そして、これら
の反応室やその間の配管は適切な温度に保たれることが
望ましい。図１（Ａ）には、第２の反応室２を加熱する
ためのヒーター３のみを示したが、第１の反応室１や配
管にも加熱するためのヒーターを設けてもよい。

【００１７】第１の反応室においては、気体を反応性と
するために可能な限り紫外光が照射される構造とすると
よい。図１（Ｂ）には第１の反応室の概念図を示すが、
気体を導入するための紫外光を透過する配管６（これは
合成石英が好ましい）を折り曲げ、その間に紫外光源
（例えば、低圧水銀ランプ）を配置するような構造とす
るとよい。図１（Ｃ）は同図（Ｂ）の点線における断面
を示したもので、配管６の間に低圧水銀ランプ７が配置
されている。第１の反応室の温度は室温でもよいが、４
００〜７００℃に保たれると、なお好ましい。また、第
２の反応室における温度分布や変動をさける目的から
は、第１の反応室の温度は第２の反応室の温度と同じ保
たれることが理想的である。

【００１８】本発明においては、第２の反応室の温度の
下限は反応速度、上限は基板等の熱処理される物質によ
って決定され、これらを鑑みて、第２の反応室の温度と
しては、４００〜７００℃、好ましくは４５０〜６５０
℃が適切である。第２の反応室の温度は高いほど、反応
は進行しやすいが、例えば、ガラス基板を使用する場合
には、熱収縮等を引き起こすことがある。特に６５０〜
７００℃では、多くのガラス基板が熱収縮を引き起こ
し、微細なパターンを形成する上で問題となる。ガラス
基板を使用する場合にはその歪点以下の温度とすること
が望まれる。

【００１９】第１の反応室と第２の反応室の間の配管の
温度が極めて低い場合には、第１の反応室で励起された
気体分子が基底状態に戻り、反応性が低下する。したが
って、反応性を維持するためには、配管においても適切
な温度に保たれることが望ましい。また、配管の内壁は
反応性の気体分子が反応しないように、石英を主成分と
する材料によって構成することが望ましい。好ましく
は、９０ｍｏｌ％以上の酸化珪素よりなる高純度石英を
用いると良い。

【００２０】内壁が金属材料からなっていると、原子状
あるいは励起した分子が基底状態に戻ったり、再結合し
たりして安定化し、反応性でなくなる。しかし、内壁が
石英の場合には、そのような効果は小さく、例えば、第
１の反応室から５０〜１００ｃｍ離れていても、多くの
原子・分子が活性化状態にあった。第２の反応室２には
サセプター４に多数の基板５を乗せ、一度に多数の基板
が処理できるようにするとよい。また、第２の反応室の
雰囲気の圧力を大気圧より低くすることも有効である。

【００２１】本発明におけるゲイト絶縁膜の作製方法と
しては、例えば、ＰＶＤ法としてはスパッタ法、ＣＶＤ
法としては、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、大気圧
ＣＶＤ法を用いればよい。その他の成膜方法を用いるこ
とも可能である。プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法とし
ては、ＴＥＯＳを原料とする方法を用いてもよい。プラ
ズマＣＶＤ法によってＴＥＯＳと酸素を原料として酸化
珪素膜を堆積するには、基板温度は２００〜５００℃と
することが望ましい。また、減圧ＣＶＤ法においてＴＥ
ＯＳとオゾンを用いた反応は比較的低温（例えば、３７
５℃±２０℃）で進行し、プラズマによるダメージが無
い酸化珪素膜を得ることができる。同様に減圧ＣＶＤ法
によって、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）と酸素（Ｏ₂ ）、あ
るいはモノシランと一酸化二窒素等の窒素酸化物を原料
としてもプラズマによるダメージが無い酸化珪素膜が得
られる。

【００２２】モノシランと一酸化二窒素等の窒素酸化物
の組合せはプラズマＣＶＤ法に用いてもよい。また、プ
ラズマＣＶＤ法のうち、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共
鳴）条件の放電を用いるＥＣＲ−ＣＶＤ法は、プラズマ
によるダメージが小さいので、より良好なゲイト絶縁膜
を形成することができる。本発明者の知見では、ある程
度固い酸化珪素を主成分とする絶縁膜がＴＦＴのゲイト
絶縁膜として適していた。具体的な指標としては、フッ
化水素酸１、フッ化アンモニウム５０、酢酸５０の比率
で混合された２３℃の緩衝フッ酸によるエッチングレー
トが１０００Å／分以下、典型的には３００〜８００Å
／分である酸化珪素膜が好ましいことが明らかになっ
た。平均して１×１０¹⁷〜１×１０²¹原子／ｃｍ³ の窒
素が含有されて酸化珪素膜では、このようなエッチング
レートの条件を満たすものが多かった。

【００２３】本発明において活性層となる結晶性珪素を
形成するには、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等のＣ
ＶＤ法によって得られる非晶質珪素膜を出発材料として
用いるが、結晶化方法として大きく分けて２通りの方法
がある。第１は、非晶質珪素膜を形成した後、５００〜
６５０℃の温度で適切な時間の熱アニールを実施するこ
とにより、結晶化せしめる方法である。その結晶化の際
に、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、コバルト等の非
晶質珪素の結晶化を促進する元素を添加してもよい。こ
れらの元素を添加すると、結晶化温度を低下させ、ま
た、結晶化時間を短縮することができる。

【００２４】これらの元素は高濃度に含有されていると
珪素の半導体特性を損なうので、結晶化に十分で、か
つ、半導体特性にほとんど影響のない低濃度であること
が望まれる。すなわち、２次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ）によって測定した珪素膜における最小値が１×１０
¹⁵〜３×１０¹⁹原子／ｃｍ³ の濃度であることが好まし
い。このような結晶化を促進する元素の濃度分布は珪素
膜の処理方法によって変わるので、最小値は界面におい
て得られる場合もあるし、膜の中央付近において得られ
る場合もある。第２の方法としては、非晶質珪素膜にレ
ーザー等の強光を照射することによって結晶化させる、
いわゆるレーザーアニール法がある。上記、第１、第２
の方法のうち、いずれの方法を選択するかは本発明を実
施するものが必要とするＴＦＴの特性、利用できる装
置、設備投資額等を勘案して決定すればよい。

【００２５】また、第１の方法と第２の方法を組み合わ
せてもよい。例えば、熱アニールによって結晶化させた
後、レーザーアニール法によってさらに結晶性を高める
方法を用いてもよい。特に、ニッケル等の結晶化促進元
素を添加して熱アニールをおこなった場合には、結晶粒
界等に非晶質部分が残されることが観察されたが、この
ような非晶質部分を結晶化させるにはレーザーアニール
法が有効である。逆に、レーザーアニール法によって結
晶化させた珪素膜を、熱アニールすることにより、レー
ザーアニールによって生じた膜の応力歪みを緩和させる
ことができる。

【００２６】また、ゲイト絶縁膜の成膜前に窒素酸化物
または酸素または窒素を有する雰囲気中でのＵＶ光の照
射による処理を行うことは有効である。この処理を行う
ことで、活性層とゲイト絶縁膜との界面における電荷捕
獲中心や電荷の密度を下げることができる。このＵＶ光
の照射も４００℃〜７００℃の加熱を同時に行うことが
有用となる。

【００２７】このゲイト絶縁膜の形成前の処理は、活性
層（島状半導体領域）の表面の洗浄を行う工程であると
理解できる。また窒素酸化物または酸素を用いた場合に
は、洗浄と同時にその表面に薄い酸化膜を形成する工程
であるといえる。

【００２８】この窒素酸化物または酸素または窒素を有
する雰囲気中でのＵＶ光の照射による処理を行うことに
よる活性層の表面の洗浄の効果を最大限生かすために、
次のゲイト電極の形成の工程まで間、洗浄な雰囲気に保
つことが重要となる。

【００２９】この処理を行うことで、活性層の表面を洗
浄することができ、活性層の表面に存在する有機物に起
因する再結合中心や不要な電荷の発生を抑制することが
できる。また、活性な窒素または酸素（特に酸素）の作
用によって、活性層表面の不対結合手を中和することが
でき、不要な準位の存在を抑制することができる。

【００３０】上記構成において、窒素酸化物または酸素
または窒素にアンモニアさらにはヒドラジンを含有させ
てもよい。

【００３１】また、窒素酸化物、酸素、窒素から選ばれ
た２種類以上のガスを雰囲気として用いてもよい。

【００３２】またこのゲイト絶縁膜の形成前に行われる
処理に併用して、ゲイト絶縁膜の形成後にさらに本明細
書で開示する処理を行うことは非常に有効である。

【００３３】

【作用】５００〜７００℃という低温で酸化して得られ
た熱酸化膜やＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって成膜し
た酸化珪素膜には多くの珪素の不対結合手、あるいはＳ
ｉ−Ｈ結合やＳｉ−ＯＨ結合が含まれている。このよう
な酸化珪素膜を８００℃以上の高温で一酸化二窒素雰囲
気で処理すると、酸化珪素中のＳｉ−Ｈ結合は窒化ある
いは酸化され、Ｓｉ≡Ｎ、あるいはＳｉ₂ ＝Ｎ−Ｏ結
合、Ｓｉ−Ｎ＝Ｏ結合等に変化する。Ｓｉ−ＯＨ結合も
同様に変化する。特にこの反応は酸化珪素と珪素の界面
で進行しやすく、結果として窒素は酸化珪素−珪素界面
に集中する。このような手段で界面付近に集中して添加
される窒素の量は、酸化珪素膜の平均的な濃度の１０倍
以上になる。また、酸化珪素中に０．１〜１０原子％、
代表的には、１〜５原子％の窒素が含有せしめると、ゲ
イト絶縁膜として好ましい。

【００３４】しかしながら、７５０℃以下の低温では、
このような反応は進行しなかった。これは、一酸化二窒
素がこのような低温では分解しないので、酸化珪素膜の
内部にまで進入するような活性な原子・分子が得られな
かったためである。すなわち、上記の反応においては、
一酸化二窒素の分解反応が律速となっていた。一酸化窒
素や二酸化窒素のような他の窒素酸化物でも最適な温度
は違っても同様であり、本発明の目的とするような４０
０〜７００℃、好ましくは、４５０〜６５０℃では酸化
珪素膜および酸化珪素膜と活性層との界面の改質は不可
能であった。

【００３５】ところが、窒素酸化物を反応性のものとす
ると、その中に活性な原子・分子が含有されているた
め、７００℃以下の温度においても、酸化珪素膜の内部
にまで進入して、上記の反応を起こす。本発明は反応性
となった窒素酸化物が適切な条件のもとでは、反応性を
長く保ち、空間的に移動させることが可能であることに
着目したものである。すなわち、紫外光を照射すること
により反応性とした窒素酸化物を、４００〜７００℃の
反応室に導き、ゲイト絶縁膜と反応させることができ
る。本発明においても熱アニールのために４００〜７０
０℃という温度は必要であるが、この温度は窒素酸化物
を分解するための温度ではなく、活性な原子・分子が酸
化珪素膜内部に進入するために必要な温度である。

【００３６】同様な現象はアンモニア、ヒドラジン等の
窒化水素の雰囲気においても起こる。例えば、アンモニ
ア雰囲気で８５０℃以上の高温でＣＶＤ法やＰＶＤ法に
よって堆積された酸化珪素膜のアニールをおこなうと、
珪素の不対結合手やＳｉ−Ｈ結合やＳｉ−ＯＨ結合が窒
化され、Ｓｉ≡Ｎ等に変化する。この反応も６５０℃以
下では進行しないが、これは、アンモニアが分解して、
活性な窒素原子を得るには８５０℃以上の高温が必要だ
からである。

【００３７】したがって、予めアンモニアを反応性とし
ておけば、４００〜７００℃の低温であっても窒化反応
が進行する。なお、窒化水素での処理では、Ｓｉ−Ｈ結
合、Ｓｉ＝Ｏ結合が窒化され、Ｓｉ−Ｎ＝Ｈ₂ となるこ
ともある。これは反応性でない場合でも同様である。こ
のような結合はその後に一酸化二窒素雰囲気でのアニー
ルによって、極めて安定なＳｉ≡Ｎ結合やＳｉ−Ｎ＝Ｏ
結合に変換される。

【００３８】なお、窒化水素を用いた場合と、窒素酸化
物を用いた場合でゲイト絶縁膜に対する反応が異なる。
そのことを図７を用いて説明する。図７のａは結晶性珪
素の活性層にスパッタ法によって酸化珪素膜を堆積した
ものの窒素濃度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に
よって分析したものである。定量値は酸化珪素（ゲイト
絶縁膜）部分においてのみ有効であり、１×１０¹⁸原子
／ｃｍ³ の窒素が含有されている。活性層とゲイト絶縁
膜の界面付近では窒素濃度にピークが観察されるが、こ
れは材料の不連続性による効果（マトリクス効果）によ
るもので、実際に窒素濃度が界面で増大しているわけで
はない。

【００３９】これを図１の装置を用いて、まず、一酸化
窒素雰囲気で１時間アニールする。この際、第１および
第２の反応室とも６００℃とする。このような処理を施
した酸化珪素膜を同様にＳＩＭＳで分析すると、図７の
ｂのようになる。一酸化二窒素で処理した結果、ａと同
様に界面で窒素濃度のピークが観察されるが、その最大
値はａより２桁も大きい。これは、マトリクス効果の寄
与ももちろん存在するが、それ以上に、実際に界面付近
に窒素が集積していることを意味するものである。

【００４０】このように界面に窒素が集積し、酸化窒化
珪素膜となると、原子間の結合がより強固となるため、
ホットエレクトロン等の注入があっても、これによって
欠陥が生じる可能性は低下する。このようにして、ゲイ
ト絶縁膜の物性を改善できる。これだけでも十分な効果
が得られるが、さらに、アンモニア等の紫外光によって
励起もしくは分解させた窒化水素を用いてアニールをお
こなうと、より大きな効果を得ることができる。

【００４１】上記の一酸化二窒素のアニールの後に、や
はり図１の装置を用いて、。アンモニア雰囲気で１時間
アニールする。第１および第２の反応室の温度は６００
℃とする。このような処理を施した酸化珪素膜をＳＩＭ
Ｓで分析すると、図７のｃのようになる。すなわち、ゲ
イト絶縁膜全般において窒素濃度が高まり、特に界面に
集中して、観察されるわけではない。このように、アン
モニア処理することにより、酸化珪素は酸化窒化珪素と
なる。この結果、膜全体の耐圧が向上する。

【００４２】本発明をスパッタ法によって成膜した酸化
珪素膜（特に、膜中の酸素濃度が化学量論比より少ない
酸化珪素膜）に適用した場合には特に効果が顕著であ
る。すなわち、このような膜を反応性の窒素酸化物雰囲
気でアニールすれば、不足した酸素を補うことができ、
酸化珪素膜の組成を化学量論比に近づけることが可能と
なるからである。同様に、反応性の窒化水素雰囲気での
アニールでは、酸素の入るべき位置に窒素が入ることに
より、電気的に安定な酸化窒化珪素膜となる。

【００４３】上記のことはスパッタ法による酸化珪素膜
の成膜が不利でないことを示すものである。すなわち、
従来、スパッタ法によって酸化珪素膜を形成するには、
組成を化学量論比に近づけるため、限られた条件の雰囲
気でしかおこなえなかった。例えば、雰囲気として、酸
素とアルゴンの混合雰囲気の系を考えると、酸素／アル
ゴン＞１という条件を満たすことが必要で、好ましく
は、純粋な酸素雰囲気でおこなうことが望まれた。その
ため、成膜速度が低く、量産に適さなかった。また、酸
素は反応性のガスであり、真空装置、チャンバー等が酸
化されることも問題であった。

【００４４】しかしながら、本発明によって、化学量論
組成より離れた組成の酸化珪素膜であっても、本発明に
よってゲイト絶縁膜として用いるに適する酸化珪素膜に
変換できるので、同じ酸素とアルゴンの混合雰囲気の系
においても、酸素／アルゴン≦１というように、成膜速
度に関してより有利な条件で実施することができる。例
えば、純粋なアルゴン雰囲気のように極めて成膜速度が
高く、安定した条件で成膜することも可能となった。

【００４５】本発明を、ＴＥＯＳ等の炭素を含む珪素源
を用いて、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等のＣＶＤ
法によって形成された酸化珪素膜に対して適用すると格
別の効果が得られる。これらの酸化珪素膜には炭素が多
量に含有され、特に、珪素膜との界面付近に存在する炭
素はＴＦＴの特性を低下させる原因であった。本発明の
反応性の窒素酸化物雰囲気でのアニールによって、酸化
を進行させると、その際に、炭素も酸化され、炭酸ガス
として外部に放出され、膜中の炭素濃度を低減させるこ
とができる。

【００４６】このプロセスを図５を用いて説明する。こ
の例では窒素酸化物として一酸化二窒素を用いる。反応
性の一酸化二窒素には原子状の窒素や酸素が多く含まれ
ている。これらは容易に酸化珪素膜の内部に進入するこ
とができる。そして、酸化珪素内部に存在する炭素（多
くはＳｉ−Ｃ結合という形で存在する）と原子状の酸素
が化合して化学的に極めて安定な炭酸ガスとなり、外部
に排出される。一方、炭素と結合していた珪素は不対結
合手が残るが、これは窒化されてＳｉ−Ｎ結合等に変換
される。

【００４７】本発明を、ニッケル、コバルト、鉄、白
金、パラジウム等の非晶質珪素膜の結晶化を促進する元
素を添加して結晶化させた結晶性珪素膜からなる活性層
に適用した場合には格別の効果を有する。このような結
晶化促進元素を添加して結晶化させた珪素膜の結晶性は
ことのほか良好であり、電界効果移動度も非常に高いも
のが得られたが、それだけにゲイト絶縁膜としても特性
のよいものが望まれていた。本発明によるゲイト絶縁膜
はそれにふさわしいものである。また、本発明のアニー
ル工程により、結晶粒界等に残存する非晶質領域も結晶
化でき、さらに結晶性を改善できる。

【００４８】本発明をレーザーアニールを施した珪素膜
を用いる活性層に対して適用した場合には、本発明のア
ニール工程の際に、ゲイト絶縁膜の特性が改善される効
果に加えて、レーザーアニールによって発生した珪素膜
に対する歪みを該アニール工程において同時に緩和でき
るという効果も有する。また、モノドメイン構造のよう
に極めて結晶性のよい珪素膜に用いた場合には、ゲイト
絶縁膜として熱酸化膜と同等の特性が要求されるが、本
発明によって処理された熱酸化膜、ＣＶＤ酸化膜、ＰＶ
Ｄ酸化膜はその目的に適合するものである。

【００４９】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例を図２に示す。本実施例は、ゲイ
ト絶縁膜としてスパッタ法によって形成された酸化珪素
膜を使用し、本発明による熱アニールを施してＮチャネ
ル型ＴＦＴを形成した例である。まず、基板１１（コー
ニング７０５９、１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に下地の
酸化膜１２として、スパッタ法で酸化珪素膜を１０００
〜３０００Å、例えば２０００Å成膜した。この下地の
酸化珪素膜１２は基板からの汚染を防ぐためのものであ
る。酸化珪素膜は酸素雰囲気もしくは一酸化二窒素雰囲
気において、６４０℃で４時間の熱アニールをおこな
い、その表面の状態を安定化させた。

【００５０】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を１００〜１５００Å、例えば５００Å成膜した。
その後、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、コバルト等
の結晶化を促進させる元素を非晶質珪素膜に微量添加し
てアニールし、結晶性珪素膜１３を得た。本実施例にお
いては、酢酸ニッケル溶液を非晶質珪素膜上に滴下し
て、スピンドライをおこなって、非晶質珪素膜上に酢酸
ニッケルの極めて薄い膜を形成した。その後、窒素雰囲
気中において、５５０℃、４時間の熱アニールを施すこ
とによってニッケルを非晶質珪素膜に導入し、結晶化せ
しめた。以上の工程の後、さらに、得られた結晶性珪素
膜の結晶性を向上させるためにレーザーアニールを施し
てもかまわない。（図２（Ａ））

【００５１】次に、結晶性珪素膜１３のエッチングをお
こなって島状珪素膜１４を形成した。この島状珪素膜１
４は、ＴＦＴの活性層である。そして、この島状珪素膜
１４を覆うように、ゲイト絶縁膜１５として厚さ２００
〜１５００Å、例えば１０００Åの酸化珪素膜をスパッ
タ法によって形成した。本実施例においては、合成石英
のターゲットを用い、酸素雰囲気中においてスパッタす
ることによって酸化珪素膜を形成した。スパッタガスと
しては、アルゴンを用いてもよい。なお、本実施例にお
いては、スパッタガスの圧力を１Ｐａ、投入電力を３５
０Ｗ、基板温度を２００℃とした。

【００５２】ゲイト絶縁膜１５を形成したのち、本発明
のアニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイ
ト絶縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例
においては、図１に示す装置を用いた。また、アニール
に用いる気体として、一酸化二窒素を用いた。本実施例
においては、第１の反応室１の温度は５００〜６５０
℃、第２の反応室５の温度は５００℃〜６５０℃が好ま
しかった。本実施例では、どちらも５５０℃とした。ま
た、その間の配管の温度も５５０℃とした。

【００５３】各反応室の圧力は０．５〜１．１気圧が好
ましかったが、より減圧雰囲気としてもよかった。本実
施例では１気圧とした。また、一酸化二窒素の流量は本
実施例では５リットル／分とした。さらに、熱アニール
時間は、本実施例では０．５〜６時間、例えば、１時間
とした。第１の反応室１における紫外光源としては、低
圧水銀ランプの中心波長２４６ｎｍのものを用いた。こ
の処理の結果、酸化珪素膜中および珪素膜との界面にお
ける水素が窒化あるいは酸化されて減少し、逆に界面に
おける窒素濃度が増加した。（図２（Ｂ））

【００５４】その後、厚さ３０００Å〜２μｍ、例えば
５０００Åのアルミニウム（１ｗｔ％のＳｉ、もしくは
０．１〜０．３ｗｔ％のＳｃを含む）膜をスパッタ法に
よって形成して、これをパターニングしてゲイト電極１
６を形成した。そして、アンモニアによってｐＨ≒７に
調整した１〜３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に
基板を浸し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電
極１６を陽極として、陽極酸化をおこなった。陽極酸化
は、最初一定電流で１４０Ｖまで電圧を上げ、その状態
で１時間保持して終了させた。このようにして、厚さ約
２０００Åの陽極酸化物を形成した。（図２（Ｃ））

【００５５】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜１４にゲイト電極１６をマスクとして自己整合
的に不純物として燐を注入した。このときドーズ量は１
×１０¹⁴〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、加速電圧は５０〜
９０ｋＶが好ましかった。本実施例では、ドーズ量は１
×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、加速電圧は８０ｋＶとした。こ
の結果、Ｎ型の不純物領域（ソース／ドレイン領域）１
７が形成された。（図２（Ｄ））さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不
純物領域の活性化をおこなった。レーザー光としては、
ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２
０ｎｓｅｃ）を使用し、エネルギー密度は２００〜４０
０ｍＪ／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とした。

【００５６】その後、全面に層間絶縁膜１８として酸化
珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって３０００Å形成し、
この層間絶縁膜１８とゲイト絶縁膜１５をエッチングし
てソース／ドレイン領域１７にコンタクトホールを形成
した。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法によって５
０００Å成膜して、これをエッチングし、ソース／ドレ
イン電極１９、２０を形成した。以上の工程によってＮ
チャネル型のＴＦＴを作製した。（図２（Ｅ））

【００５７】このようにして形成されたＴＦＴは、ゲイ
ト絶縁膜の耐性が優れているため、劣化が少なく、特性
の優れたＴＦＴが得られた。例えば、ドレイン電圧を＋
１４Ｖに固定し、ゲイト電圧を−１７〜＋１７Ｖまで、
変動させ、ＴＦＴの特性の劣化を評価した。最初に測定
して得られた電界効果移動度μ₀ と、上記の電圧印加の
後に測定して得られた電界効果移動度μ₁₀において、１
−（μ₁₀／μ₀ ）を劣化率と定義すると、本実施例で得
られたＴＦＴの劣化率は１．３％であった。比較のため
に、本発明のゲイト絶縁膜の熱アニール工程を一酸化二
窒素雰囲気ではなく、窒素雰囲気として、５５０℃／３
時間のアニール処理をおこなったものでは、他の作製条
件が全く同じでも、劣化率は５２．３％もあった。

【００５８】〔実施例２〕本実施例を図３に示す。本実
施例は、ゲイト絶縁膜としてＴＥＯＳおよび酸素を原料
ガスとしたプラズマＣＶＤ法によって堆積した酸化珪素
膜を使用し、本発明による熱アニールを施してＣＭＯＳ
型のＴＦＴを形成した例である。まず、基板２１（ＮＨ
テクノグラス製ＮＡ３５、１００ｍｍ×１００ｍｍ）上
に下地の酸化膜２２として、酸化珪素膜をスパッタ法で
２０００Å成膜した。

【００５９】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を５００Å成膜した。その後、実施例１と同様に、
酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによっ
て、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成した。そ
の後、窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の熱ア
ニールを施すことによって非晶質珪素膜にニッケルを導
入し、結晶化せしめた。その後、さらに結晶性を向上さ
せるためにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎ
ｍ）を用いて、レーザーアニールを施した。レーザーの
エネルギー密度は２５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ² が適当で
あった。本実施例では３００ｍＪ／ｃｍ² とした。以上
のようにして、結晶性珪素膜２３を得ることができた。
このようにして得られた結晶性珪素膜は、比較的大きな
（〜１０μｍ□）結晶粒であり、かつ、その数倍〜１０
数倍の範囲において同一の結晶方位を示す、モノドメイ
ン構造を有していた。（図３（Ａ））

【００６０】次に、結晶性珪素膜２３をエッチングし
て、島状珪素膜２４、２５を形成した。この島状珪素膜
２４、２５はＴＦＴの活性層となるものである。本実施
例では、ランダムに活性層を形成したが、その中にＴＦ
Ｔのチャネル形成領域がモノドメイン構造であるものも
多く観察された。その後、この島状珪素膜２４、２５を
覆うように、ゲイト絶縁膜２６として厚さ２００〜１５
００Å、例えば１０００Åの酸化珪素膜を形成した。本
実施例においては、ＴＥＯＳおよび酸素を原料ガスとし
て、プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を形成した。
このとき、成膜条件としては、ガス圧を４Ｐａ、投入電
力を１５０Ｗ、基板温度を３５０℃とした。

【００６１】ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のア
ニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶
縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例にお
いては、まず、基板を図１の熱アニール装置に置き、最
初は反応室２に水素を流し、３５０℃、２時間の熱アニ
ールを施した。この結果、酸化珪素膜中に存在する不対
結合を水素で埋めることができた。次に、一酸化二窒素
とアルゴンの混合気体（一酸化二窒素：アルゴン＝１：
１）を流した。第２の反応室の温度は６００℃とした。
反応室の圧力は１気圧、反応ガスの流量は８リットル／
分、熱アニール時間は１時間とした。

【００６２】以上の工程によって、酸化珪素膜中および
珪素膜との界面における水素が窒化あるいは酸化されて
減少した。この際、ＴＥＯＳを原料ガスとしたため、熱
アニール前の酸化珪素膜には炭素が含有されているが、
この炭素も酸化され、炭酸ガスとして放出されて減少し
た。こうしてゲイト絶縁膜として好ましい酸化珪素膜と
することができた。（図３（Ｂ））その後、厚さ６０００Åの多結晶シリコン膜を減圧ＣＶ
Ｄ法によって形成して、これをパターニングしてゲイト
電極２７、２８を形成した。多結晶シリコン膜には導電
性を向上せしめるために微量の燐を添加した。（図３
（Ｃ））

【００６３】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜２４、２５にゲイト電極２７、２８をマスクと
して自己整合的に不純物を注入した。まず、Ｐチャネル
型のＴＦＴを形成する領域をフォトレジストのマスク２
９で覆って燐を注入し、Ｎ型不純物領域３０（ソース／
ドレイン領域）を形成した。このときドーズ量は１×１
０¹⁴〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、加速電圧は５０〜９０
ｋＶが好ましかった。本実施例では、ドーズ量を５×１
０¹⁴原子／ｃｍ² 、加速電圧は８０ｋＶとした。（図３
（Ｄ））

【００６４】その後、Ｎチャネル型のＴＦＴを形成する
領域をフォトレジストのマスク３１で覆って硼素を注入
し、Ｐ型不純物領域３２（ソース／ドレイン領域）を形
成した。このときドーズ量は１×１０¹⁴〜８×１０¹⁵原
子／ｃｍ² 、加速電圧は４０〜８０ｋＶが好ましかっ
た。本実施例では、ドーズ量を１×１０¹⁵原子／ｃ
ｍ²、加速電圧は６５ｋＶとした。（図３（Ｅ））

【００６５】さらに、レーザー光の照射によってドーピ
ングされた不純物領域３０、３２の活性化をおこなっ
た。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波
長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を使用し、エネ
ルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、例えば２５
０ｍＪ／ｃｍ² とした。その後、全面に層間絶縁膜３３
として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって５０００
Å形成し、この層間絶縁膜３３とゲイト絶縁膜２６をエ
ッチングしてソース／ドレイン領域３０、３２にコンタ
クトホールを形成した。さらに、アルミニウム膜をスパ
ッタ法によって５０００Å成膜して、エッチングをおこ
ない、ソース／ドレイン電極３４、３５、３６を形成し
て、ＣＭＯＳ型のＴＦＴを作製した。（図３（Ｆ））

【００６６】〔実施例３〕本実施例を図４に示す。本実
施例は、ＥＣＲ−ＣＶＤ法によって形成された酸化珪素
膜を使用し、本発明による熱アニールを施して、アクテ
ィブマトリクス回路のスイッチングトランジスタ（画素
ＴＦＴ）として、Ｐチャネル型のＴＦＴを形成した例で
ある。まず、基板４１（１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に
下地の酸化膜４２として、減圧ＣＶＤ法で酸化珪素膜を
３０００Å成膜した。

【００６７】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を５００Å成膜した。その後、実施例１と同様に、
酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによっ
て、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成し、さら
に、窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の熱アニ
ールを施すことによって、結晶化せしめ、結晶性珪素膜
４３を得た。その後、結晶性を向上させるためにレーザ
ーアニールを施してもかまわない。（図３（Ａ））

【００６８】次に、結晶性珪素膜４３のパターニングを
おこなって島状珪素膜４４を形成した。この島状珪素膜
４４はＴＦＴの活性層となるものである。そして、この
島状珪素膜を覆うように、ゲイト絶縁膜として厚さ１２
００Åの酸化珪素膜４５を形成した。本実施例において
は、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）を原料ガス、一酸化二窒素
を酸化剤として用いたＥＣＲ−ＣＶＤ法によって酸化珪
素膜を形成した。このとき、酸化剤として一酸化二窒素
以外に、酸素（Ｏ₂ ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒
素（ＮＯ₂ ）等を使用してもかまわない。また、このと
きの成膜条件としては、基板加熱をおこなわず、マイク
ロ波（周波数２．４５ＭＨｚ）の投入電力を４００Ｗで
おこなった。

【００６９】なお、同じ原料ガス、酸化剤を用いて減圧
ＣＶＤ法によっても、同等な特性を有する酸化珪素膜が
得られる。その際には、圧力０．１〜１０ｔｏｒｒ、温
度３００〜５００℃とすればよい。ゲイト絶縁膜を形成
したのち、本発明のアニール処理をおこなってゲイト絶
縁膜の特性を向上させた。本実施例においては、図１
（Ａ）の構造の反応炉を用いたが、本実施例では、第１
の反応室１の構造は図６（Ａ）（断面図）および同図
（Ｂ）（上面図）に示すものを用いた。本装置において
は、図１（Ｂ）に示されるような細かい配管を設けず、
反応気体のチャンバー８の中に紫外光源９を配置した構
造とした。

【００７０】本実施例においては熱アニール雰囲気とし
て、最初に一酸化二窒素を用い、その後、アンモニアに
雰囲気を変えた。いずれの雰囲気においても第２の反応
炉の温度は５５０℃とした。最初に第１の反応室を通過
させた一酸化二窒素を２リットル／分の流量で１時間流
した。その後、雰囲気をアンモニアに切替え、やはり２
リットル／分の流量で１時間流した。この結果、酸化珪
素膜を窒化することができた。（図４（Ｂ））その後、厚さ６０００Åのアルミニウム膜をスパッタ法
によって形成して、これをパターニングしてゲイト電極
４６を形成した。アルミニウム膜にはヒロックを防止す
るために微量（０．１〜０．５重量％）のスカンジウム
を添加した。（図４（Ｃ））

【００７１】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜４４にゲイト電極４６をマスクとして自己整合
的に不純物として硼素を注入した。このときドーズ量は
１×１０¹⁴〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、加速電圧は４０
〜８０ｋＶ、例えばドーズ量を１×１０¹⁵原子／ｃｍ
² 、加速電圧は６５ｋＶとした。この結果、Ｐ型不純物
領域４７（ソース／ドレイン領域）が形成された。（図
４（Ｄ））さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不
純物領域４７の活性化をおこなった。レーザー光として
は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス
幅２０ｎｓｅｃ）を使用し、エネルギー密度は２００〜
４００ｍＪ／ｃｍ² 、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし
た。

【００７２】その後、全面に層間絶縁膜４８として酸化
珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって３０００Å形成し、
この層間絶縁膜４８とゲイト絶縁膜４５をエッチングし
てソース領域にコンタクトホールを形成した。さらに、
アルミニウム膜をスパッタ法によって５０００Å成膜し
て、エッチングをおこない、ソース電極４９を形成し
た。（図４（Ｅ））

【００７３】その後、パッシベーション膜５０として窒
化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって２０００Å形成し
た。そして、パッシベーション膜５０、層間絶縁膜４
８、ゲイト絶縁膜４５をエッチングして、ドレイン領域
にコンタクトホールを形成した。さらに、ＩＴＯ膜をス
パッタ法によって形成し、これをエッチングして画素電
極５１を形成した。以上の工程によって画素ＴＦＴを作
製した。（図４（Ｆ））

【００７４】〔実施例４〕図８に本実施例の作製工程を
示す。図の符号において図２に示すものと同じものは、
〔実施例１〕において説明したものとその作製方法や作
製条件は同じである。

【００７５】本実施例が特徴とするのは、活性層１４を
形成した後に一酸化二窒素（Ｎ₂ ０）雰囲気において、
低圧水銀ランプを活性層の表面に照射し、活性層の表面
に存在する有機物を除去することである。

【００７６】まずガラス基板１１上に下地の酸化珪素膜
１２を形成し、さらに結晶性珪素膜１３を形成した。
（図８（Ａ））

【００７７】そして結晶性珪素膜１３をパターニングし
て、薄膜トランジスタの活性層１４を形成した。そし
て、図１に示す装置を用いて一酸化二窒素雰囲気中にお
いて、低圧水銀ランプからの紫外光を活性層の表面に照
射した。またこの際の加熱温度は５５０℃とした。（図
８（Ｂ））

【００７８】次にゲイト絶縁膜１５を形成しさらにゲイ
ト電極１６とその周囲の陽極酸化物を形成した。

【００７９】なお、ゲイト絶縁膜の形成は、６５０℃以
下（できればガラス基板の歪点以下の温度）の温度にお
ける熱酸化法による酸化膜の形成をまず行い、その後に
ＣＶＤ法やスパッタ法による酸化珪素膜の形成により行
うことがより好ましい。後の工程は〔実施例１〕の場合
と同様にして（Ｅ）に示す薄膜トランジスタを完成させ
た。

【００８０】〔実施例５〕図９に示すのは、図８（Ｃ）
に示す状態においてＭＯＳ特性を測定した結果を示すも
のである。このＭＯＳ特性によって、薄膜トランジスタ
の特性に対してゲイト絶縁膜１５が与える影響を評価す
ることができる。

【００８１】図９に示すグラフにおいて、Ｖ_fbは図１０
に示すＣ−Ｖ特性において、規格化されたＣ（容量）の
値が0.8 となる電圧値として定義される。このＶfbは一
般に称されるフラットバンド電圧に対応するものでる。
フラットバンド電圧は、活性層（チャネル形成領域）と
ゲイト絶縁膜との仕事関数差、および活性層（チャネル
形成領域）とゲイト絶縁膜中の固定電荷等の影響を打ち
消すために必要な電圧として定義される。

【００８２】上記Ｖ_fbも活性層とゲイト絶縁膜との界面
における固定電荷、可動電荷、界面準位の影響を表すも
のといえる。

【００８３】このＶ_fbは、Ｃ−Ｖ特性の計測において、
ヒステリシスが生じないことが好ましい。即ち、図１０
に示すΔＶ_fbが極力０に近い値であることが望ましい。
またＶ_fbが０Ｖに近い値であることが望ましい。

【００８４】図９のＮｏ５に示すようになにも処理をし
ない場合、Ｖfbの絶対値は大きい。これは活性層とゲイ
ト絶縁膜との界面の状態が悪いことを示している。即
ち、活性層とゲイト絶縁膜との界面に不要な電荷が存在
していることを示している。

【００８５】また、Ｎｏ１で示されるように単に加熱さ
れた一酸化二窒素雰囲気中における処理を行っただけで
は、やはり界面の状態が悪いことがわかる。一方、Ｎｏ
２で示されるように加熱された一酸化二窒素雰囲気中に
おいて紫外光を同時に照射することは、界面の状態を劇
的に改善できることが分かる。またＮｏ３やＮｏ４の条
件の場合を見れば明らかなように、同様の効果は一酸化
二窒素を窒素や酸素に変更した場合でも得られることが
分かる。

【００８６】以上のことから、一酸化二窒素、窒素、酸
素から選ばれた一種類の加熱された雰囲気中において、
紫外光を照射しながらの処理を活性層の表面に対して行
うことで活性層とゲイト絶縁膜との界面特性を著しく改
善できることが結論される。

【００８７】さらにこの結論を拡張すれば以下のことが
いえる。即ち、一酸化二窒素、窒素、酸素から選ばれた
一種類以上の加熱された雰囲気中において、紫外光を照
射しながらの処理を活性層の表面に対して行うことで、
活性層の表面に存在する、または存在し得る固定電荷や
可動電荷、さらにはトラップ準位の存在を抑制すること
ができる。

【００８８】この効果は活性層の表面にゲイト絶縁膜を
形成した場合の活性層の表面とゲイト絶縁膜との界面に
おける界面特性の改善効果として得ることができる。

【００８９】

【発明の効果】上述のように、本発明によって、ＴＦＴ
の特性が大幅に改善された。すなわち、ゲイト絶縁膜と
活性層との界面においては再結合中心を低減することが
でき、この結果、Ｓ値および電界効果移動度が向上し
た。また、ゲイト絶縁膜自体の耐圧も向上させることが
でき、ＴＤＤＢ（Time Dependence Dieledtric breakdo
wn）も向上させることができた。以上のようにゲイト絶
縁膜と界面の特性を向上させた結果、特に、ホットエレ
クトロンの注入に対してゲイト絶縁膜に電子がトラップ
されるような欠陥が少ないため、ホットエレクトロンに
由来する劣化（HotCarrier Degradation)が低減し、信
頼性が向上した。

【００９０】本発明では、素子に対する最高プロセス温
度を７００℃以下、好ましくは６５０℃以下とすること
でき、そのことによる工業的利益は格別のものがある。
実施例では、ガラス基板上のＴＦＴを中心に説明した
が、多層集積回路（立体集積回路、３次元集積回路とも
いう）等に本発明を適用しても優れた効果が得られるこ
とは明らかである。このように本発明は工業上有益な発
明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための装置の概念図を示
す。

【図２】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図３】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図４】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図５】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図６】本発明を実施するための装置の概念図を示
す。

【図７】本発明による処理を施した酸化珪素膜中の窒
素濃度を示す。

【図８】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図９】ＭＯＳ特性を示す。

【図１０】Ｃ−Ｖ特性を示す。

【符号の説明】

１・・・・第１の反応室２・・・・第２の反応室３・・・・第２の反応室のヒーター４・・・・サセプター５・・・・基板６・・・・配管７・・・・紫外光源（低圧水銀ランプ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−124889（ＪＰ，Ａ) 特開平６−124890（ＪＰ，Ａ) 特開平７−94756（ＪＰ，Ａ) 特開平６−181178（ＪＰ，Ａ) 特開平５−343336（ＪＰ，Ａ) 特開平３−93273（ＪＰ，Ａ) 特開平６−140392（ＪＰ，Ａ) 特開平５−218405（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開612102（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/316

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性珪素でなる活性層上にゲイト絶縁
膜として酸化珪素膜を形成し、前記酸化珪素膜に対して、紫外光によって励起されたま
たは分解された窒化水素を含む雰囲気において、４００
〜７００℃のアニール処理をし、該アニール処理の後、
紫外光によって励起されたまたは分解された窒素酸化物
を含む雰囲気において、４００〜７００℃のアニール処
理をすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】結晶性珪素でなる活性層に対して、窒素
酸化物または酸素または窒素を含む雰囲気において紫外
光を照射し、前記紫外光を照射後に、前記活性層上にゲイト絶縁膜と
して酸化珪素膜を形成し、前記酸化珪素膜に対して、紫外光によって励起されたま
たは分解された窒化水素を含む雰囲気において、４００
〜７００℃のアニール処理をし、該アニール処理の後、
紫外光によって励起されたまたは分解された窒素酸化物
を含む雰囲気において、４００〜７００℃のアニール処
理をすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】請求項２において、４００〜７００℃に
加熱しながら、前記活性層に紫外光を照射することを特
徴とする半導体装置の作製方法
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項におい
て、前記活性層を熱酸化して、前記酸化珪素膜を形成す
ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】請求項４において、前記熱酸化の温度は
５００〜７００℃であることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項６】請求項１乃至３のいずれか１項におい
て、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法によって前記酸化珪素膜を
形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】請求項１乃至３のいずれか１項におい
て、酸素とアルゴンの混合雰囲気において、スパッタ法
によって前記酸化珪素膜を形成することを特徴とする半
導体装置の作製方法。
【請求項８】請求項１乃至３のいずれか１項におい
て、テトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を原料に用
い、ＣＶＤ法によって前記酸化珪素膜を形成することを
特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】請求項１乃至３のいずれか１項におい
て、モノシランを原料ガスに、酸素または窒素酸化物を
酸化剤に用いたＣＶＤ法によって、前記酸化珪素膜を形
成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれか１項におい
て、非晶質珪素膜を形成し、前記非晶質珪素膜にニッケルを添加し、前記ニッケルが添加された非晶質珪素膜を結晶化して、
前記活性層となる結晶性珪素を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項１１】請求項１０において、前記活性層は実
質的に１つの結晶方位を示す結晶性珪素でなることを特
徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれか１項にお
いて、前記窒化水素はアンモニア（ＮＨ ₃ ）またはヒド
ラジン（Ｎ ₂ Ｈ ₄ ）であることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項１３】請求項１乃至１１のいずれか１項にお
いて、前記窒化水素は一般式ＮＨ _x （１．５≦ｘ≦３）
で示される化合物であることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項１４】請求項１乃至１１のいずれか１項にお
いて、前記窒素酸化物は一酸化二窒素（Ｎ ₂ Ｏ）、一酸
化窒素（ＮＯ）または二酸化窒素（ＮＯ ₂ ）であること
を特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１５】請求項１乃至１１のいずれか１項にお
いて、前記窒素酸化物は一般式ＮＯ _x （０．５≦ｘ≦
２．５）で示される化合物であることを特徴とする半導
体装置の作製方法。