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JPWO1999034431A1 - Silicon oxide film manufacturing method, semiconductor device manufacturing method, semiconductor device, display device, and infrared light irradiation device - Google Patents

Silicon oxide film manufacturing method, semiconductor device manufacturing method, semiconductor device, display device, and infrared light irradiation device

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JPWO1999034431A1
JPWO1999034431A1 JP11-534832A JP53483299A JPWO1999034431A1 JP WO1999034431 A1 JPWO1999034431 A1 JP WO1999034431A1 JP 53483299 A JP53483299 A JP 53483299A JP WO1999034431 A1 JPWO1999034431 A1 JP WO1999034431A1
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silicon oxide
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光敏 宮坂
孝雄 坂本
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 気相堆積法等により酸化珪素膜を形成する工程と、この酸化珪素膜に赤外光を照射する工程とを含むことを特徴とする酸化硅素膜の製造方法である。このため、本発明によれば比較的低温で形成された比較的低品質の酸化硅素膜を高品質な酸化珪素膜に改質することができる。本発明を薄膜半導体装置に適用した場合、動作信頼性の高い高性能な半導体装置を製造できる。 (57) [Abstract] A method for manufacturing a silicon oxide film, comprising the steps of forming a silicon oxide film by vapor deposition or the like and irradiating the silicon oxide film with infrared light. Therefore, according to the present invention, a relatively low-quality silicon oxide film formed at a relatively low temperature can be modified into a high-quality silicon oxide film. When the present invention is applied to a thin-film semiconductor device, a high-performance semiconductor device with high operational reliability can be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】 酸化硅素膜の製造方法、半導体装置の製造方法、半導体装置、表示装置及び赤 外光照射装置 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。[Detailed Description of the Invention] Silicon Oxide Film Manufacturing Method, Semiconductor Device Manufacturing Method, Semiconductor Device, Display Device, and Infrared Light Irradiation Device Technical Field The present invention relates to a method for manufacturing a high-quality silicon oxide film by vapor deposition. This silicon oxide film is suitable for use as an underlevel protection film, gate insulating film, interlayer insulating film, etc. in semiconductor devices. The present invention also relates to a method for manufacturing high-quality, miniaturized semiconductor devices (e.g., metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs)) by oxidizing the semiconductor surface at a relatively low temperature, e.g., about 800°C or less, to form a high-quality, ultrathin silicon oxide film (thickness less than about 10 nm). The present invention also relates to a method for manufacturing high-performance, highly reliable semiconductor devices (e.g., thin-film transistors) at a relatively low temperature, e.g., about 600°C or less. The present invention also relates to high-performance, highly reliable semiconductor devices manufactured using this method and high-performance, highly reliable display devices (e.g., liquid crystal display devices) equipped with the semiconductor devices. The present invention also relates to an infrared light irradiation device capable of manufacturing high-quality silicon oxide films.

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。BACKGROUND ART Silicon oxide films are widely used as gate insulating films for polycrystalline silicon thin-film transistors (p-Si TFTs) and for ultra-thin oxide films in ultra-small semiconductor devices such as VLSIs. The quality of these silicon oxide films has a significant impact on the electrical characteristics of these semiconductor devices.

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。When a silicon oxide film is applied to the gate insulating film of a low-temperature p-Si TFT, it must be formed at a relatively low temperature, for example, below about 600°C, at which a general-purpose glass substrate can be used. For this reason, chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD) methods have traditionally been used.

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。Furthermore, in the manufacture of micro-semiconductor devices such as VLSIs having ultra-thin oxide films, ultra-thin silicon oxide films have traditionally been obtained by thermally oxidizing silicon at relatively low temperatures, for example, below about 800°C, in an atmosphere containing oxygen or hydrochloric acid, or by irradiating a silicon substrate with oxygen plasma.

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。However, these conventional silicon oxide films have the problem of extremely low film quality due to, for example, the large amount of trapped charge in the oxide film.

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(Vfb)を変動させたり、表面捕獲準位が高いために閾値 電圧(Vth)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 TF T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。 Therefore, when a conventional silicon oxide film is used as the gate insulating film of a p-Si TFT, only p-Si TFTs of low quality and low reliability can be obtained. This is because the silicon oxide film has a large amount of oxide film fixed charge, which fluctuates the flat band voltage ( Vfb ) of the semiconductor device, the high surface trap level increases the threshold voltage ( Vth ), and the large oxide film trap level makes it easy to inject charges into the oxide film. In other words, semiconductor devices such as conventional p-Si TFTs have many problems due to the low quality of the silicon oxide film.

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。Similar problems are also seen in ultra-thin silicon oxide (SiO2) films, such as VLSIs. Because these films are typically formed at relatively low temperatures (below 800°C), they suffer from all the problems inherent in low-temperature oxidation. These include extremely high interface states and oxide trapping states, as well as large oxide currents. These problems are the primary causes of limiting the performance and shortening the lifespan of ultra-thin integrated circuits.

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。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its objectives are to provide a method for producing high-quality silicon oxide films by vapor-phase deposition; to provide a method for manufacturing micro-semiconductor devices such as VLSIs having high-quality ultra-thin oxide films using silicon oxide films formed at relatively low temperatures, for example, below about 800°C; to provide a method for manufacturing high-performance, high-reliability semiconductor devices (e.g., thin-film transistors) at relatively low temperatures, for example, below 600°C; to provide such high-performance, high-reliability semiconductor devices and display devices; and to provide a manufacturing apparatus capable of manufacturing high-quality silicon oxide films.

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。Disclosure of the Invention In the present invention, first, in the silicon oxide film formation process, a silicon oxide film is deposited by a vapor deposition method (e.g., chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD)) on various substrates such as insulating substrates (e.g., quartz glass substrates, general-purpose alkali-free glass substrates, etc.), semiconductor substrates (e.g., single-crystal silicon substrates, compound semiconductor substrates, etc.), and metal substrates. The silicon oxide film is also formed by oxidizing the surface of the semiconductor material by, for example, heat treatment of the surface of the semiconductor material in an oxidizing atmosphere (thermal oxidation), plasma irradiation of the semiconductor material surface with an oxidizing substance (e.g., oxygen or nitrous oxide ) (plasma oxidation), supply of ozone (O3) (ozone oxidation), or supply of active oxygen generated by a heated metal catalyst (active oxygen oxidation).

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。These silicon oxide film formation processes may involve forming silicon oxide films directly on semiconductor substrates or glass substrates as field oxide films, gate insulating films, interlayer insulating films, underlevel protection films, etc., or may involve forming a silicon elemental or silicon-based semiconductor film on an insulating material such as an oxide film formed on the surface of a glass substrate or single-crystal silicon substrate, and then forming a silicon oxide film on this semiconductor film.

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(SiOx 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。 A silicon-based semiconductor film is a semiconductor film made of a mixture of silicon and other elements such as germanium, with a silicon content of approximately 80% or more. Furthermore, a silicon-based semiconductor film also includes semiconductor films containing impurities such as P, B, Al, and As. Therefore, the term "silicon oxide film" as used in this invention refers not only to pure silicon oxide films (SiO x films: x is approximately 2), but also to silicon oxide films containing these elements or their oxides. Silicon materials can be in a single crystal state, a polycrystalline state, an amorphous state, or a mixed crystalline state in which polycrystalline and amorphous states are mixed.

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。The oxide film deposition process using vapor deposition is performed at a relatively low temperature of approximately 600°C or less. PVD methods include sputtering and evaporation. CVD methods include atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).

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、110 0℃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。Thermal oxidation processes involve treating semiconductor materials at temperatures ranging from approximately 600°C to approximately 1000°C in an oxidizing atmosphere containing oxygen, water vapor, hydrochloric acid, etc. To form ultrathin oxide films less than 10 nm thick, thermal oxidation is often performed at temperatures below approximately 800°C. Furthermore, in oxide film formation processes such as plasma oxidation, ozone oxidation, and active oxygen oxidation, the semiconductor material is also treated at temperatures below approximately 600°C. (Hereinafter, thermal oxidation, plasma oxidation, ozone oxidation, and active oxygen oxidation at temperatures below approximately 800°C are collectively referred to as low-temperature oxidation methods.) Silicon oxide films obtained by low-temperature oxidation processes are generally of lower quality than thicker thermal oxide films (thicknesses of approximately 50 nm or greater) obtained at temperatures above approximately 1100°C.

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。 Therefore, in the present invention, the film quality of these silicon oxide films is improved by the following infrared light irradiation process. In the infrared light irradiation process, infrared light is irradiated onto the silicon oxide film obtained by the aforementioned vapor phase deposition method or the ultrathin silicon oxide film obtained by the low-temperature oxidation method. The irradiated infrared light is absorbed by the silicon oxide film, raising the temperature of the oxide film. This temperature rise promotes modification of the silicon oxide film itself and its interface. The transmitted light intensity I of infrared light through the silicon oxide film is expressed as I= I0exp (-kt), where I0 is the incident light intensity, t (cm) is the thickness of the silicon oxide film, and k (cm -1 ) is the absorption coefficient of infrared light by the silicon oxide film. When the substrate is made of a material such as glass that has optical properties similar to those of a silicon oxide film, or a material with a higher absorption coefficient for irradiated infrared light than a silicon oxide film, the irradiated infrared light is absorbed not only by the silicon oxide film but also by the glass substrate. Therefore, if the absorption rate of the silicon oxide film is too low, not only will the temperature of the silicon oxide film not rise effectively, but the infrared light will instead be absorbed primarily by the substrate, resulting in damage to the substrate. Specifically, the substrate may crack or warp. Therefore, it is desirable that the temperature rise due to infrared light be large in the silicon oxide film and small in the glass substrate. The silicon oxide film targeted by the present invention has a thickness of at most 1 μm, while the glass substrate typically has a thickness of several hundred μm or more. Therefore, if the absorption of infrared light by the silicon oxide film exceeds about 10% of the incident light, the absorption by the substrate will be less than about 90%. In this case, because the thickness of the silicon oxide film and the substrate differ by several hundred times, the temperature rise of the substrate will be much lower than that of the silicon oxide film. Since infrared light is irradiated from the surface and passes through the oxide film before entering the substrate, the above formula shows that satisfying k・t>0.1 is sufficient to keep the transmitted light from the silicon oxide film to less than 90%. If the substrate is made of single-crystal silicon, whose absorption coefficient for infrared light is significantly smaller than that of the silicon oxide film, then even if the absorption of infrared light by the silicon oxide film is quite small, the risk of substrate damage is low, so k・t>0.01 can be satisfied.

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。 As described above, to improve the film quality of a silicon oxide film by irradiating it with infrared light, the silicon oxide film must absorb the infrared light. Figure 1 shows the infrared light absorption characteristics of a silicon oxide film deposited by electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-PECVD). The left vertical axis represents the absorbance a (absorbance) of the oxide film, and the right vertical axis represents the absorption coefficient k (cm -1 ). The relationship between the absorbance a and the absorption coefficient k is k = ln(10) a/t, where t (cm) is the film thickness of the silicon oxide film. The horizontal axis of Figure 1 represents the wave number (cm -1 ) of the infrared light and the corresponding wavelength (μm) of the light.

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22 90cm-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10 μm(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。 Generally, silicon oxide films have three absorption peaks for infrared light: the asymmetric stretching peak (ABS), the symmetric stretching peak (SBS), and the bond bending peak (BB). As is clear from Figure 1, the asymmetric stretching peak is located at a wavenumber of approximately 1057 cm -1 (wavelength 9.46 μm) and has an absorption coefficient of 27,260 cm -1 . The symmetric stretching peak is located at a wavenumber of approximately 815 cm -1 (wavelength 12.27 μm) and has an absorption coefficient of 2290 cm -1 . The bond bending peak is located at a wavenumber of approximately 457 cm -1 (wavelength 21.88 μm) and has an absorption coefficient of 8,090 cm -1 . The wavelength of the irradiated infrared light can be adjusted to match these three absorption peaks. Therefore, the wavelength of infrared light should be between approximately 8.929 μm (wavenumber 1120 cm −1 ) and approximately 10 μm (wavenumber 1000 cm −1 ) for absorption at the asymmetric stretching peak, between approximately 11.364 μm (wavenumber 880 cm −1 ) and approximately 13.158 μm (wavenumber 760 cm −1 ) for absorption at the symmetric stretching peak, and between approximately 19.231 μm (wavenumber 520 cm −1 ) and approximately 25 μm (wavenumber 400 cm −1 ) for absorption at the bond bending peak.

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30000 cm-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。 The asymmetric stretching peak, which has the largest absorption coefficient, absorbs infrared light most effectively. Even the lowest-quality silicon oxide films obtained by vapor-phase deposition have an absorption coefficient of approximately 25,000 cm at the asymmetric stretching peak. Therefore, to satisfy the aforementioned relationship between absorption coefficient and oxide film thickness for all silicon oxide films obtained by vapor-phase deposition, a silicon oxide film thickness of approximately 40 nm or greater is sufficient. Similarly, when a single-crystal silicon substrate is oxidized at temperatures below approximately 800°C, the absorption coefficient of the oxide film is approximately 30,000 cm or greater. Therefore, if the oxide film thickness is at least approximately 3.3 nm, it is possible to improve the film quality of an ultrathin oxide film without damaging the substrate.

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。That is, in the present invention, the infrared light irradiated onto the silicon oxide film must contain wavelength components that are absorbed by the silicon oxide film. Note that the infrared light may contain wavelength components that are not absorbed by the silicon oxide film, but from the viewpoint of reducing damage to the substrate and semiconductor film, it is preferable that the proportion of such components be as small as possible. In other words, it is preferable that the infrared light irradiated onto the silicon oxide film in the present invention contain, as a main component, wavelength components that are absorbed by the silicon oxide film.

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。Furthermore, in the present invention, the infrared light irradiated onto the silicon oxide film preferably contains, among the wavelength components absorbed by the silicon oxide film, a wavelength component corresponding to the asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film. This is because the large absorption coefficient makes it particularly effective for heating silicon oxide films. While the infrared light may contain wavelength components that do not correspond to the asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film, in terms of substrate heating efficiency, it is preferable that this proportion be as small as possible. In other words, it is more preferable that the infrared light irradiated onto the silicon oxide film in the present invention contains, as a major component, a wavelength component corresponding to the asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film.

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。In view of the above, in the present invention, the infrared light irradiated onto the silicon oxide film preferably contains wavelength components of approximately 8.9 μm or more and approximately 10 μm or less, and more preferably contains primarily wavelength components of approximately 8.9 μm or more and approximately 10 μm or less.

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。 To meet this demand, it is sufficient to irradiate the oxide film with infrared laser light having a wavelength near the asymmetric stretching peak. Because laser light oscillates within a narrow wavelength range, it is possible to minimize the risk of light with a wavelength that does not heat the silicon oxide film being irradiated onto the substrate or semiconductor film. The best type of laser light is carbon dioxide ( CO2 ) laser light, and the most excellent type of light is carbon dioxide laser light with a wavelength of around 9.3 μm. Carbon dioxide laser light with a wavelength of around 9.3 μm will be described later.

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±0.05c m-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)。 Carbon dioxide laser light has many oscillation lines in the wavelength range from 8.9 μm (wavenumber 1124 cm −1 ) to 11 μm (wavenumber 909 cm −1 ) , as typified by a wavelength of 9.3055±0.0005 μm (wavenumber 1074.63±0.05 cm −1 ), and the wavenumbers of these lights almost coincide with the asymmetric stretching peaks of silicon oxide films obtained by vapor deposition or at relatively low temperatures of around 800°C. Figure 14 shows the oscillation lines of carbon dioxide laser light that can be used in the present invention. The wavelength fluctuation of each oscillation line is about 0.0005 μm, which translates to a wavenumber of about 0.05 cm −1 . Of these oscillation lines, those that are particularly suitable as irradiated infrared light are those with wavelengths of approximately 9.2605±0.0005 μm (wavenumber 1079.85±0.05 cm −1 ) to 9.4885±0.0005 μm (wavenumber 1053.91±0.05 cm −1 ), which are strongly absorbed by almost all silicon oxide films (these carbon dioxide laser lights are referred to as carbon dioxide laser lights with wavelengths of approximately 9.3 μm (wavenumber 1075 cm −1 )).

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9.3 μm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1 100℃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1 075cm-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±0.0005 μm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。 The position of the asymmetric stretching peak of a silicon oxide film shifts toward lower wavenumbers as the film quality deteriorates. In fact, the asymmetric stretching peak of a silicon oxide film obtained by vapor deposition is located at an infrared wavenumber of approximately 1055 cm −1 to 1070 cm −1 , which roughly corresponds to the wavenumber of carbon dioxide laser light with a wavelength of approximately 9.3 μm (wavenumber 1075 cm −1 ). In addition, such low-quality films tend to have a large half-width of the asymmetric stretching peak, sometimes reaching 100 cm −1 . Therefore, even if the asymmetric stretching peak is slightly shifted from the wavenumber of the carbon dioxide laser with a wavelength of approximately 9.3 μm, the silicon oxide film can fully absorb the carbon dioxide laser light. As the oxide film quality improves with carbon dioxide laser irradiation, the half-width decreases, but the asymmetric stretching peak also shifts toward higher wavenumbers, so the oxide film can still efficiently absorb carbon dioxide laser light with a wavelength of approximately 9.3 μm. When a silicon oxide film is obtained by oxidizing a single-crystal silicon substrate, the quality of the oxide film is high at oxidation temperatures of approximately 1100°C or higher, so the asymmetric stretching peak is located at approximately 1081 cm -1 . At oxidation temperatures below approximately 1100°C, the position of the asymmetric stretching peak shifts toward lower wavenumbers at a rate of approximately 2 cm -1 for every 100°C decrease in oxidation temperature, reaching 1075 cm - 1 at oxidation at 800°C. This value coincides with the wavenumber value of a carbon dioxide laser beam with a wavelength of 9.3 μm, indicating that a carbon dioxide laser beam with a wavelength of around 9.3 μm is ideal as irradiated infrared light. The irradiated laser beam may be a single beam having a wavelength around 9.3 μm, such as a wavelength of 9.3055±0.0005 μm, or multiple beams having wavelengths around 9.3 μm may be oscillated simultaneously.

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Tox(℃)、その温度(Tox )に達している時間の総計をτ(s)としたとき、Toxとτとが τ>exp(ln(10)・(b・Tox+15)) b=−0.02(℃-1) の関係を満たす、すなわち、 τ>exp(−0.04605・Tox+34.539) ・・・(1) の関係を満たすTox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。 To modify an oxide film by infrared light irradiation, it is generally preferable to perform heat treatment at a high temperature for a long period of time. Experiments have shown that if the infrared irradiation time for a single session is less than about 0.1 seconds, the modification of the oxide film becomes noticeable only after the temperature of the oxide film exceeds about 800°C. Therefore, if the infrared light irradiation is performed so that the temperature of the oxide film reaches about 800°C or higher for a period of about 0.1 seconds, the modification of the oxide film will proceed reliably. The relationship between the temperature and time required for oxide film modification generally holds true: the treatment time shortens by one order of magnitude for every 50°C increase in the oxide film temperature. Therefore, when an oxide film is irradiated with infrared light and the temperature of the oxide film rises to about 800°C or higher, let T ox (°C) be any oxide film temperature, and let τ (s) be the total time during which that temperature (T ox ) is reached. If T ox and τ satisfy the relationship τ>exp(ln(10)(bT ox +15)) b=-0.02(°C -1 ), that is, if infrared light is irradiated under the condition that there is a T ox that satisfies the relationship τ>exp(-0.04605T ox +34.539) (1), the oxide film will be modified.

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。This reduces oxide current, increases dielectric strength, reduces oxide fixed charge, and reduces oxide trap levels.

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S i)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S i−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。 When a silicon oxide film is formed on elemental silicon or a silicon-based semiconductor material, the infrared light irradiation of the present invention can improve not only the quality of the oxide film but also the interface characteristics between the semiconductor and the insulating film. Whether using vapor-phase deposition or low-temperature oxidation, significant oxidation stress always remains at the interface between the semiconductor and the oxide film immediately after oxide film formation. In low-temperature oxidation of a semiconductor (e.g., Si), oxidation reactants such as oxygen (e.g., O2 ) diffuse through the oxide film (e.g., SiO2 ). After the reactants reach the interface between the oxide film and the semiconductor film, they supply oxygen atoms (O) between the semiconductor constituent atoms (e.g., between Si-Si atoms), forming a new oxide layer (e.g., Si-O-Si). Therefore, the distance between adjacent semiconductor atoms in the semiconductor (e.g., Si-Si distance) naturally differs from the distance between semiconductor atoms sandwiching an oxygen atom in the oxide film (e.g., the distance between Si atoms in Si-O-Si). This difference in interatomic distance generates tensile stress in the semiconductor film and compressive stress in the oxide film.

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。If the oxidation temperature is sufficiently high (generally above 1070°C), viscous flow occurs in the oxide film, and the stress caused by oxidation is relieved. However, if the oxidation temperature is below 1070°C, the stress relief time becomes significantly longer, and the stress caused by oxidation is not relieved and remains in both thin films sandwiching the interface.

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。 A similar problem occurs when an oxide film is formed by vapor-phase deposition. This is because, in the very early stages of oxide film deposition, the oxidation-promoting substances (e.g., O2 and O3 ) used in vapor-phase deposition penetrate between the semiconductor constituent atoms, forming an ultrathin oxide film of approximately 0.5 to 2.0 nm. The oxide film then builds up on this ultrathin oxide film. As mentioned above, vapor-phase deposition is performed at temperatures below approximately 600°C, so oxidation stress during ultrathin oxide film formation cannot be alleviated. Regardless of whether the film is single-crystalline or polycrystalline, oxidation stress changes the lattice spacing of the semiconductor constituent atoms, forming trap levels for electrons and holes at the semiconductor-oxide interface and simultaneously reducing the mobility of charge carriers (electrons in the conduction band and holes in the valence band) at the surface. The present invention uses infrared light irradiation to locally raise the temperature of the oxide film, thereby releasing the oxidation stress present at the semiconductor-oxide interface and forming a high-quality interface.

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Ir ene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Tox(℃)、その温度(Tox)に達している時問の総計をτ(s)と したとき、Toxとτとは τ>2・(1+ν)・η/E η=η0・exp(ε/(k・(Tox+273.15))) の関係を満たす、すなわち、 τ>2・(1+ν)・η0・exp(ε/(k・(Tox+273.15)))/E ・・・(2) の関係を満たすTox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。 There are optimal conditions for interface modification by infrared light irradiation. Figure 2 shows a calculated relationship between stress relaxation time (vertical axis) and heat treatment temperature (horizontal axis) based on Irene's theory of silicon oxide films (E. A. Irene et al.: J. Electrochem. Soc. 129 (1982) 2594). For example, when the heat treatment temperature is 1230°C, viscous flow of the oxide film occurs within a heat treatment time of approximately 0.1 seconds, and the oxidation stress is released. Therefore, the irradiation conditions for interface modification by infrared light irradiation can be set to satisfy the conditions above the curve in Figure 2 (within the range marked "effective infrared light irradiation region" in Figure 2). Specifically, when infrared light is irradiated onto an oxide film and the temperature of the oxide film rises to 1000°C or higher, let T ox (°C) be any oxide film temperature, and let τ (s) be the total time during which that temperature (T ox ) is reached. Tox and τ satisfy the relationship τ>2·(1+ν)·η/E η=η 0 ·exp(ε/(k·(T ox +273.15))), that is, infrared light can be irradiated under the condition that there exists a T ox that satisfies the relationship τ>2·(1+ν)·η 0 ·exp(ε/(k·(T ox +273.15)))/E (2) where ν is the Poisson's ratio of the oxide film, E is its Young's modulus, η is its viscosity, η 0 is the pre-existing potential factor of the viscosity, ε is the activation energy of the viscosity, and k is the Boltzmann constant, and take the following values:

ν=0.18 E=6.6×1011dyn・cm-2 η0=9.549×10-11dyn・s・cm-2 ε=6.12eV k=8.617×10-5eV・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問は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秒程度末満の短時間処理 ではそのような問題は生じないためである。Tox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、Tox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。 ν=0.18 E=6.6×1011dyn・cm-2 η0= 9.549 x 10-11dyn・s・cm-2 ε=6.12eV k=8.617×10-5eV K-1 To complete infrared heat treatment of an oxide film without damaging the substrate or semiconductor film, it is preferable to heat the same point on the substrate for less than about 0.1 seconds. This is based on experience with rapid thermal processing (RTA), which shows that at temperatures above 800°C, a heating time of about 1 second can cause glass substrates to warp or crack, whereas a short treatment time of less than 0.1 seconds does not cause such problems.oxIf the temperature is above 1230°C, it is possible to set the irradiation time to less than 0.1 seconds. However, if the temperature is below 1230°C, this condition cannot be met with a single irradiation. Therefore, ToxTo improve interface characteristics under infrared light irradiation conditions below approximately 1230°C, the irradiation time should be less than approximately 0.1 seconds, and the irradiation should be repeated several times so that the total τ satisfies the above inequality. In this sense, it can be said that periodic, discontinuous oscillation of infrared light is preferable to continuous oscillation of infrared light.

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(tON)と非発振期間(tOFF)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(tON ≦tOFF)。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。 The periodic non-continuous oscillation of infrared light occurs as shown in the time-lapse diagram in Figure 3. One cycle of infrared light consists of an oscillation period (t ON ) and a non-oscillation period (t OFF ). In order to minimize thermal distortion of materials other than oxide films such as semiconductors, it is desirable to make the oscillation period equal to or shorter than the non-oscillation period (t ON ≦t OFF ). This is because having an oscillation period shorter than the non-oscillation period ensures heat dissipation. Furthermore, when productivity is taken into consideration, it is ideal for the oscillation period and non-oscillation period to be approximately equal.

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℃程度末満が好まし 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。Another important consideration with infrared light irradiation is controlling the maximum temperature of the oxide film. When an oxide film, such as a gate insulating film or an interlayer insulating film, is formed on a semiconductor material and irradiated with infrared light, it is desirable for the maximum temperature of the oxide film to be below the melting point of the semiconductor material. For example, if the semiconductor material is intrinsic silicon or silicon containing a small amount of impurities (impurity concentration less than 1%), the melting point of silicon is approximately 1414°C. Therefore, it is desirable for the maximum temperature of the oxide film to be below 1414°C when irradiated with infrared light. This is because melting the semiconductor material can cause adverse phenomena such as changes in the impurity concentration in the semiconductor, or the interface between the oxide film and the semiconductor becoming disordered and reconstructing, increasing the interface state density. In severe cases, the semiconductor material can evaporate and disperse, destroying the semiconductor device. To avoid such a phenomenon and stably manufacture high-quality semiconductor devices, the maximum temperature that the oxide film reaches should be set below the melting point of the semiconductor material.

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台対数を減らし、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。When semiconductor materials are in a polycrystalline or amorphous state, dangling bonds exist within the semiconductor, and these dangling bonds are preferably terminated with atoms such as hydrogen (H) or fluorine (F). Dangling bonds create trap levels for electrons and holes deep within the forbidden band (near the center of the bandgap), reducing the number of electrons in the conduction band and the number of holes in the valence band. They also scatter charge carriers, reducing their mobility. Dangling bonds thus degrade semiconductor properties. While the temperature increase of the oxide film due to infrared light irradiation significantly modifies the silicon oxide film itself and the interface, thermal conduction from the oxide film to the semiconductor material may also dissociate the hydrogen or fluorine atoms that terminated the dangling bonds. Therefore, to fabricate superior semiconductor devices such as solar cells with high photoconversion efficiency and thin-film transistors that operate at high speeds at low voltages, it is desirable to include a dangling pair termination process, such as hydrogen plasma irradiation, after infrared light irradiation. This process reduces the number of dangling pair terminations created by infrared light irradiation, thereby increasing the number of charge carriers and simultaneously improving mobility.

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 る期問が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 。In the infrared light irradiation of the present invention, it is desirable that the period during which the same point on the oxide film is heated by a single irradiation be short, on the order of less than 0.1 seconds. Such short irradiation not only prevents thermal damage to the substrate, but also minimizes the diffusion of reactive gases, such as oxygen, from the gas phase through the oxide film, allowing the irradiation atmosphere to be air. Longer irradiation periods could result in oxygen in the air diffusing to the interface, potentially forming a new low-temperature oxide layer during the cooling process of the semiconductor material. This would negate the improved interface properties. For this reason, an inert gas, such as nitrogen, helium, or argon, is preferred. Because infrared light irradiation heats the semiconductor surface to near its melting point, rare gases such as helium or argon are more preferable than nitrogen, which has the potential to nitrify. This eliminates limitations on the infrared light irradiation duration, as long as damage to the substrate or semiconductor material is not inflicted, resulting in a high-quality interface. This control of the irradiation atmosphere is particularly important for ultrathin oxide films, which are prone to diffusion.

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。In the semiconductor device fabrication method of the present invention, the electrical characteristics of the semiconductor device are significantly improved when the semiconductor film has a thin crystalline film structure with a thickness of less than approximately 200 nm sandwiched between silicon oxide films. A semiconductor device with this structure has both an interface between the semiconductor film and an upper oxide film and an interface between the semiconductor film and a lower oxide film. When the semiconductor film is doped with donor or acceptor impurities and used as an interconnect, these interfaces contribute to electrical conduction. Furthermore, when the semiconductor film is used as the active layer of a silicon-on-insulator (SOI) semiconductor device, the entire thin semiconductor film becomes depleted, and both interfaces also affect the electrical characteristics. Irradiating this structure with infrared light heats the oxide films sandwiching the semiconductor film above and below, thereby improving the quality of both interfaces. Furthermore, when the crystalline semiconductor film is polycrystalline, the semiconductor film is naturally heated by thermal conduction from the upper and lower oxide films, resulting in recrystallization of the polycrystalline semiconductor film. This recrystallization increases the size of the crystal grains that make up the polycrystalline semiconductor film and reduces the number of defects in the semiconductor film, further improving the semiconductor properties.

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。As described above, the present invention improves conventionally low-quality silicon oxide films (such as silicon oxide films formed by vapor-phase deposition and ultrathin oxide films obtained by low-temperature oxidation) to high quality by adding an infrared light irradiation process, thereby improving the semiconductor-oxide interface. Furthermore, when the semiconductor film is sandwiched between first and second oxide films, both interfaces can be improved. Furthermore, if the semiconductor is a crystalline film, the crystallinity of the semiconductor can also be improved. This provides the excellent benefits of improving the electrical characteristics of semiconductor devices, such as thin-film transistors, while also increasing the operational stability and reliability of the semiconductor devices.

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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a diagram showing the infrared light absorption characteristics of a silicon oxide film. Figure 2 is a diagram showing the effective region of the present invention. Figure 3 is a time-lapse diagram explaining infrared light oscillation. Figure 4 is a diagram showing the temperature change of an oxide film due to infrared light irradiation. Figure 5 is a diagram explaining a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. Figure 6 is a diagram explaining a display device of the present invention. Figure 7 is a diagram explaining an infrared light irradiation device of the present invention. Figure 8 is a diagram explaining an infrared light irradiation device using a fly's eye lens of the present invention. Figure 9 is a diagram showing the principle of homogenizing the infrared light intensity distribution using a fly's eye lens. Figure 10 is a diagram explaining an infrared light irradiation device using a Fourier transform phase hologram of the present invention. Figure 11 is a diagram showing the principle of homogenizing the infrared light intensity distribution using a Fourier transform phase hologram. Figure 12 is a diagram explaining an infrared light irradiation device using a galvanometer scanner of the present invention. Figure 13 is a diagram explaining an infrared light irradiation device using a polygon mirror of the present invention. Figure 14 is a diagram showing the oscillation line of a carbon dioxide ( CO2 ) laser.

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、絶緑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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The semiconductor device of the present invention includes at least a semiconductor film formed on a first silicon oxide film, which is an insulating material, and a second silicon oxide film formed on the semiconductor film. In a top-gate semiconductor device, the first silicon oxide film corresponds to an underlevel protection film, and the silicon oxide film corresponds to a gate insulating film. Conversely, in a bottom-gate semiconductor device, the first silicon oxide film corresponds to a gate insulating film, and the second silicon oxide film corresponds to an interlayer insulating film. Furthermore, a display device of the present invention includes such a semiconductor device.

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。The first step in fabricating these semiconductor devices and displays is to prepare a substrate. While glass, single-crystal silicon, and other materials are commonly used, other substrates of any type and size are acceptable as long as they can withstand the maximum temperatures encountered during the semiconductor device manufacturing process and contain sufficiently low levels of impurities in the semiconductor film.

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。First, a first silicon oxide film is formed on a substrate by the aforementioned vapor phase deposition method or low-temperature oxidation method.

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。If the substrate is made of high-purity quartz glass, the quartz glass substrate can also serve as the first silicon oxide film.

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5 mJ・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。 Next, a semiconductor film is formed on the insulating material, at least the surface of which is in contact with the semiconductor film, being a first silicon oxide film. This semiconductor film formation process involves depositing the semiconductor film using a vapor-phase deposition method or the like, and then applying a high-energy source, typically laser light or heat, to the semiconductor film to promote melt crystallization or solid-phase crystallization of the semiconductor film. If the initially deposited thin film is amorphous or a mixed-crystal material consisting of a mixture of amorphous and microcrystalline materials, this process is usually called crystallization. On the other hand, if the initially deposited thin film is polycrystalline, this process is called recrystallization. In this specification, both are simply referred to as crystallization, and no distinction is made between them. The most effective high-energy sources are krypton-fluorine (KrF) excimer lasers and xenon-chlorine (XeCl) excimer lasers. Irradiation with these sources melts and crystallizes at least the surface of the semiconductor thin film. Melt crystallization has the excellent characteristic of having almost no defects within the crystal grains within the molten area. On the other hand, controlling the energy value supplied during melt crystallization is extremely difficult. If the energy density of the excimer laser or other laser applied to the semiconductor thin film is even slightly higher than the optimum value, the diameter of the crystal grains constituting the polycrystalline film suddenly decreases by 1/10 to 1/100, and in severe cases, the semiconductor film may even disappear. Therefore, in the present invention, the laser energy density is set to be approximately 5 mJ cm -2 to 50 mJ cm -2 lower than the optimum value to perform melt crystallization of the semiconductor film. This allows for stable melt crystallization of the semiconductor film. Of course, the crystallinity of the polycrystalline semiconductor film will not be excellent in this state, but in the present invention, a subsequent process of irradiating the oxide film with infrared light is included.

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。That is, a second silicon oxide film is formed on the thus obtained crystalline semiconductor film by a vapor phase deposition method or a low-temperature oxidation method, and after the oxide film formation step is completed, a light irradiation step is performed in which the second silicon oxide film is irradiated with infrared light.

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。When a silicon oxide film is heated by infrared light irradiation, the semiconductor film is also heated to a temperature close to the semiconductor's melting temperature for a relatively long period of time, from a few microseconds to a few milliseconds. In the melt crystallization process described above, the semiconductor film is heated at the melting temperature for a period of tens of nanoseconds. In comparison, the semiconductor temperature during the light irradiation process is slightly lower. However, the heating process lasts for a period of a hundred to a million times longer. Therefore, the crystallinity of the semiconductor film, which was insufficient during melt crystallization, is significantly improved during the light irradiation process. During melt crystallization, high-quality crystal grains are formed only near the surface of the semiconductor film, while numerous micro-defects and amorphous components remain in the lower part of the semiconductor film near the first oxide layer. During the light irradiation process, these residual components are crystallized using the high-quality crystal grains near the surface as seeds, resulting in the formation of a high-quality crystalline film throughout the entire thickness of the semiconductor film. As can be understood from this principle, sandwiching the semiconductor film between the first and second oxide films means that the semiconductor film is heated from both above and below during the light irradiation process, thereby promoting uniform crystallization throughout the semiconductor film. A similar effect observed in melt-crystallized films also occurs when semiconductor films are crystallized in the solid phase. Solid-phase crystallized films contain a large number of intragranular defects, but the light irradiation process of the present invention promotes recrystallization and reduces these intragranular defects.

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程度朱満であれば、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、両界面はほぼ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。In systems where a semiconductor film is deposited on a substrate, the semiconductor film always has an upper and lower interface. When the semiconductor film is doped with impurities and used as an electrical conductor, current paths exist near both the upper and lower interfaces. Similarly, when a semiconductor film is used as the active layer (channel formation region) of a field-effect semiconductor device, if the active layer is approximately 150 nm thick, the entire semiconductor film contributes to electrical conduction, and the quality of both interfaces directly affects the electrical characteristics of the semiconductor device. In this invention, the semiconductor film is sandwiched between first and second oxide films, and the irradiated infrared light is selected so that the semiconductor film's absorption coefficient for infrared light is several orders of magnitude smaller than that of the oxide film. This heats both interfaces to approximately the same temperature and modifies them to the same high-quality interface state. This results in a semiconductor device with excellent electrical characteristics.

(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(tON)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(tOFF)は無限大となっている。Example 1. Figure 4 shows the temperature change of an oxide film due to infrared light irradiation. The graph shows a computer-generated estimate of the temperature change experienced by a silicon oxide film constituting a gate insulating film when the silicon oxide film was irradiated with infrared light from a carbon dioxide laser. The vertical axis represents the temperature of the silicon oxide film surface, and the horizontal axis represents the time from the moment irradiation began. A general-purpose alkali-free glass substrate is used. A silicon oxide film serving as an underlevel protection layer is deposited on the substrate by ECR-PECVD to a thickness of 200 nm. A polycrystalline silicon film is deposited on top of this to a thickness of 50 nm, and a silicon oxide film serving as a gate insulating film is deposited on top of this to a thickness of 100 nm by ECR-PECVD. The optical properties of the gate insulating film and underlevel protection layer are identical to those shown in Figure 1. A sample with this film structure is irradiated with a carbon dioxide laser from the front side of the substrate (i.e., the gate insulating film side). The wavelength of the carbon dioxide laser is assumed to be 9.3 μm (wavenumber 1075 cm −1 ), and the absorption coefficient k of the silicon oxide film formed by ECR-PECVD for this infrared light is 26,200 cm −1 . Therefore, the product k·t of the absorption coefficient and the thickness of the gate oxide film is 0.262, and the ratio of transmitted light to incident light on the gate insulating film is 77%. The energy density of the carbon dioxide laser light on the gate insulating film surface is assumed to be 200 mJ·cm −2 , and the temperature change of the oxide film is calculated under irradiation conditions with an oscillation period (t ON ) of 10 μs. However, here, a single laser irradiation is assumed, and therefore the non-oscillation period (t OFF ) is infinite.

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℃を越えている総時問を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。 According to the calculation results shown in Figure 4, the time τ1300 required for the oxide film temperature to rise above 1300°C is approximately 4.6 μs, and similarly, the time τ900 required for the oxide film temperature to rise above 900°C is approximately 13.1 μs. To modify the oxide film at 900°C, according to equation (1), τ900 must be approximately 1 ms or longer. Therefore, it would seem that this irradiation must be repeated 77 times or more, resulting in a total time above 900°C of 13.1 μs × 77 = 1.0087 ms, which is longer than 1 ms. However, in reality, the time τ1300 required for the temperature to reach 1300°C or higher is approximately 4.6 μs. According to equation (1), it takes approximately 1 × 10-11 seconds or more to modify the oxide film at 1300°C, so in fact, this single infrared light irradiation is sufficient to modify the oxide film. As this example clearly shows, in order to improve the film quality of the oxide film and the interface, it is sufficient that conditional expressions (1) and (2) are satisfied at either temperature.

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×30 00=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(tON)と非発振期間(tOFF)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。 To modify the oxide film-semiconductor film interface under the conditions shown in Figure 4, equation (2) and Figure 2 show that the total time during which the oxide film temperature reaches 1300°C or higher must be approximately 13.8 ms or more. Since τ1300 for a single discontinuous oscillation irradiation is approximately 4.6 μs, repeating the same irradiation approximately 3000 times results in 4.6 μs × 3000 = 13.8 ms, which means that the total time during which the temperature reaches 1300°C or higher can be approximately 13.8 ms or more. If the oscillation period ( tON ) and non-oscillation period ( tOFF ) are both 10 μs, one cycle is 20 μs, and the oscillation frequency is 50 kHz. Therefore, to achieve interface modification, it is sufficient to irradiate the same point with an oscillation frequency of 50 kHz for approximately 60 ms or more, i.e., 20 μs × 3000 = 60 ms.

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。 Some commercially available carbon dioxide lasers have an output of approximately 4 kW. When oscillated at 50 kHz, the energy per irradiation is 80 mJ, and at the aforementioned irradiation condition of an energy density of 200 mJ·cm −2 , an area of 0.4 cm 2 can be irradiated. An area of 0.4 cm 2 corresponds to a rectangular area 0.1 mm wide and 400 mm long. Considering the irradiation of a large glass substrate measuring 400 mm x 500 mm with infrared light, the rectangular irradiation area is scanned along the longitudinal direction of the substrate (the longitudinal direction of the substrate and the width direction of the irradiation area coincide). To irradiate the same point on the substrate 3,000 times, the irradiation area must move 3.33 × 10 −5 mm along the width (0.1 mm) of the rectangular irradiation area for each irradiation. Since the oscillation frequency is 50 kHz, this translates to a scanning speed of 1.67 mm/s for the irradiation area. That is, the irradiation time in the longitudinal direction of 500 mm is about 300 seconds, which is sufficiently practical.

(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6 50℃程度の汎用無アルカリガラスを用いた。(Example 2) Figures 5(a) to 5(d) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process for a thin-film semiconductor device that forms a MOS field-effect transistor. In Example 2, a general-purpose alkali-free glass with a strain point of approximately 650°C was used as the substrate 501.

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。First, a first silicon oxide film was deposited on the substrate 501 by ECR-PECVD to a thickness of approximately 200 nm to serve as the underlevel protection film 502. The deposition conditions for the first silicon oxide film by ECR-PECVD were as follows:

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50 nm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18 4.51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(Si26)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・c m-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−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。 Monosilane ( SiH4 ) flow rate: 60 sccm; Oxygen ( O2 ) flow rate: 100 sccm; Pressure: 2.40 mTorr; Microwave (2.45 GHz) output: 2250 W; Applied magnetic field: 875 Gauss; Substrate temperature: 100°C; Deposition time: 40 seconds. An intrinsic amorphous silicon film was deposited on this underlevel protection layer to a thickness of approximately 50 nm using the LPCVD method. The LPCVD reactor was a hot-wall type with a volume of 184.5 l, and the total reaction area after the substrate was inserted was approximately 44,000 cm2 . The deposition temperature was 425°C, and the source gas was disilane ( Si2H6 ) with a purity of 99.99% or higher, supplied at 200 sccm to the reactor. The deposition pressure was approximately 1.1 Torr, and under these conditions, the silicon film deposition rate was 0.77 nm/min. The amorphous semiconductor film thus obtained was irradiated with a krypton-fluoride (KrF) excimer laser to promote crystallization of the semiconductor film. The irradiated laser energy density was 245 mJ·cm -2 , which was 15 mJ·cm -2 lower than the optimal value. After forming a crystalline semiconductor film (polycrystalline silicon film), this crystalline semiconductor film was processed into islands to form semiconductor film islands 503 that would later become the active layer of the semiconductor device (Figure 5-a). Next, a second silicon oxide film 504 was formed by ECR-PECVD to cover the patterned semiconductor film islands 503. This second silicon oxide film functions as the gate insulating film of the semiconductor device. The deposition conditions for the second silicon oxide film were the same as those for the first silicon oxide film, except that the deposition time was shortened to 24 seconds. However, just before depositing the second silicon oxide film, the substrate was irradiated with oxygen plasma in the ECR-PECVD reactor to form a low-temperature plasma oxide film on the semiconductor surface. The plasma oxidation conditions were as follows:

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。 Oxygen ( O2 ) flow rate: 100 sccm; Pressure: 1.85 mTorr; Microwave (2.45 GHz) output: 2000 W; Applied magnetic field: 875 Gauss; Substrate temperature: 100°C; Treatment time: 24 seconds. An oxide film of approximately 3.5 nm was formed on the semiconductor surface by plasma oxidation. After the oxygen plasma irradiation was completed, an oxide film was continuously deposited while maintaining the vacuum. Therefore, the second silicon oxide film consisted of both a plasma oxide film and a vapor-deposited film. The film thickness was 122.5 nm.

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(tON)と非発振期間(tOFF)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・c m-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。 After the formation of the second silicon oxide film, these thin films were irradiated with carbon dioxide laser light in air as an infrared light irradiation process. The carbon dioxide laser irradiation area was circular. The laser energy density was maximum at the center of the circle, and the energy density decreased according to a normal distribution function as it moved outward. The diameter of the circle where the energy density was 1/e (e is the natural logarithm: e = 2.71828) of the maximum energy density value at the center was 4.5 mm. Since the maximum energy density at the center was 630 mJ cm -2 , the energy density on the circumference of a 4.5 mm diameter circle was 232 mJ cm -2 . The carbon dioxide laser's oscillation period (t ON ) and non-oscillation period (t OFF ) were each 60 μs, and therefore the oscillation frequency was 8.333 kHz. The circularly symmetric irradiation area was moved by 0.1 mm for each irradiation, and the same point on the silicon oxide film was irradiated with a carbon dioxide gas laser of 232 mJ·cm −2 or more 45 times.

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。After carbon dioxide laser irradiation, the substrate was irradiated with hydrogen plasma to terminate dangling bonds present in the polycrystalline semiconductor film and at the interface with hydrogen. The hydrogen plasma conditions were as follows:

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℃ 処理時問・・・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750 nm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。 Hydrogen ( H2 ) flow rate: 1000 sccm; pressure: 500 mTorr; rf wave (13.56 MHz) output: 100 W; electrode distance: 25 mm; substrate temperature: 300°C; processing time: 90 seconds. Thus, gate insulating film deposition and oxide film modification were completed (Figure 5-b). Next, a gate electrode 505 was formed using a thin metal film. In Example 2, a gate electrode was fabricated using α-structure tantalum (Ta) with a film thickness of 750 nm. The sheet resistance of the gate electrode at this time was 0.8 Ω/□.

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(B26)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時問の熱処理を施した。 Next, using the gate electrode as a mask, donor or acceptor impurity ions 506 are implanted to form source/drain regions 507 and channel formation regions 508 in a self-aligned manner with the gate electrode. In Example 2, a CMOS semiconductor device was fabricated. When fabricating an NMOS transistor, the PMOS transistor portion was covered with a thin aluminum (Al) film, and phosphine (PH 3 ) diluted with 5% hydrogen was selected as the impurity element. The total ions containing hydrogen were implanted into the source/drain regions of the NMOS transistor at a concentration of 7×10 15 cm −2 at an acceleration voltage of 80 kV. Conversely, when fabricating a PMOS transistor, the NMOS transistor portion was covered with a thin aluminum (Al) film, and diborane (B 2 H 6 ) diluted with 5% hydrogen was selected as the impurity element. The total ions containing hydrogen were implanted into the source/drain regions of the PMOS transistor at a concentration of 5×10 15 cm −2 at an acceleration voltage of 80 kV. (FIG. 5-c) Next, an interlayer insulating film 509 was deposited by PECVD or the like. The interlayer insulating film was made of a silicon dioxide film and had a thickness of approximately 500 nm. After the deposition of the interlayer insulating film, a heat treatment was performed for two hours at 300° C. in a nitrogen atmosphere to sinter the interlayer insulating film and activate the impurity elements added to the source and drain regions.

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±0.11 V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。 Finally, contact holes were drilled and wiring 510 was applied using aluminum or other materials to complete the thin-film semiconductor device (Figure 5-d). The transfer characteristics of the thin-film semiconductor device fabricated in this manner were measured. The length and width of the channel formation region of the measured semiconductor device were each 10 μm, and measurements were performed at room temperature. The mobility of the NMOS transistor, determined from the saturation region at Vds = 8 V, was 42.4 ± 1.9 cm2 ·V -1 ·s -1 , and the threshold voltage was 3.87 ± 0.11 V. The mobility of the PMOS transistor, determined from the saturation region at Vds = -8 V, was 21.8 ± 1.2 cm2 ·V- 1 ·s -1 , and the threshold voltage was -5.33 ± 0.21 V. Both N-type and P-type semiconductor devices exhibited high mobility and low threshold voltage, and were consistently manufactured without variation.

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。As this example demonstrates, the present invention allows for the simple and easy fabrication of thin-film semiconductor devices having excellent characteristics and highly reliable oxide films using low-temperature processes that can be carried out on general-purpose glass substrates.

(比較例1) 比較例1は、本発明が従来枝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。(Comparative Example 1) Comparative Example 1 is an example demonstrating the superiority of the present invention over conventional techniques. In Comparative Example 1, a semiconductor device was fabricated using all the same processes as in Example 2, except that the light irradiation process was omitted. That is, after depositing a second silicon oxide film using the ECR-PECVD method, the hydrogen plasma irradiation described above was immediately performed, and a CMOS semiconductor device was fabricated using the same process as in Example 2.

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。The mobility and threshold voltage of the semiconductor device obtained in Comparative Example 1 are shown below.

μ(N)=34.4±3.3cm2・V-1・s-1 tb(N)=5.06±0.16V μ(P)=16.2±1.2cm2・V-1・s-1 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。 μ(N)=34.4±3.3cm2・V-1・s-1 Vtb(N)=5.06±0.16V μ(P)=16.2±1.2cm2・V-1・s-1 Vth(P) = -6.30 ± 0.22 V The superiority of Example 2 of the present invention is clear from Comparative Example 1.

(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。(Example 3) The NMOS thin-film semiconductor device obtained in Example 2 was used as the pixel switching element for a color LCD consisting of 200 (rows) x 320 (columns) x 3 (colors) = 192,000 (pixels), and an active matrix substrate was manufactured incorporating a 6-bit digital data driver (column driver) and a scan driver (row driver) using the CMOS thin-film semiconductor device obtained in Example 2.

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LC Dとなっている。 FIG. 6 shows a circuit diagram of a 6-bit digital data driver. The digital data driver of Example 3 is composed of a clock signal line, a clock generation circuit, a shift register circuit, a NOR gate, a digital video signal line, a latch circuit 1, a latch pulse line, a latch circuit 2, a reset line 1, an AND gate, a reference potential line, a reset line 2, a 6-bit D/A converter using capacitance division, a CMOS analog switch, a common potential line, and a source line reset transistor. The output from the CMOS analog switch is connected to the source line of the pixel section. The capacitance of the D/A converter section satisfies the relationship C0 = C1 /2 = C2 /4 = C3 /8 = C4 /16 = C5 /32. A digital video signal output from a computer's video random access memory (VRAM) can be directly input to the digital video signal line. In the pixel section of the active matrix substrate of Example 3, the source electrode, source wiring, and drain electrode (pixel electrode) are made of aluminum, forming a reflective LCD.

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。A liquid crystal panel was fabricated using the active matrix substrate thus obtained as one of a pair of substrates. Polymer-dispersed liquid crystal (PDLC) with a black pigment dispersed therein was used as the liquid crystal sandwiched between the pair of substrates, creating a reflective liquid crystal panel in normally black mode (black display when no voltage is applied to the liquid crystal). The resulting liquid crystal panel was connected to external wiring to fabricate a liquid crystal display device.

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。As a result, the TFTs are high-performance and have uniform characteristics across the entire substrate, allowing both the 6-bit digital data driver and the scan driver to operate normally over a wide operating range. Furthermore, the pixel area has a high aperture ratio, resulting in a liquid crystal display with high display quality even when using black pigment-dispersed PDLC. Furthermore, the excellent interface between the semiconductor film and the oxide film, along with the high quality of the oxide film itself, ensured excellent transistor operational reliability, resulting in significantly improved operational stability for the display.

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P C)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。This LCD display was incorporated into the housing of a full-color portable personal computer (notebook PC). The active matrix substrate incorporates a 6-bit digital data driver, allowing digital video signals from the computer to be input directly to the LCD display, simplifying the circuit configuration and significantly reducing power consumption. Thanks to the high performance of the thin-film semiconductor devices used in the LCD display, this notebook PC is an excellent electronic device with a stunning display screen. Additionally, the LCD display is a reflective type with a high aperture ratio, eliminating the need for a backlight, thereby enabling a compact, lightweight battery and extended battery life. This results in an ultra-compact, lightweight electronic device with long operating times and a beautiful display screen.

(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1 01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問的強度分布を均 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。)。(Example 4) In Example 4, an infrared light irradiation device for modifying silicon oxide films, which irradiates a silicon oxide film formed on a substrate with infrared light to improve its quality, is described with reference to Figures 7 through 11. The infrared light irradiation device for modifying silicon oxide films includes at least an infrared light generating means, such as a carbon dioxide laser oscillator 101, an infrared light intensity adjusting means for adjusting the absolute intensity of the generated infrared light, an infrared light homogenizing means for homogenizing the spatial intensity distribution of the intensity-adjusted infrared light, and a scanning mechanism for varying the relative positional relationship between the substrate on which the silicon oxide film is formed and the homogenized infrared light (see Figure 7).

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10 4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。The infrared laser light generated by the carbon dioxide laser oscillator 101 is adjusted to a desired absolute intensity by an optical system 104, which includes an attenuator and other components. In Example 4, this optical system 104 corresponds to the infrared light intensity adjustment means. Specifically, the output intensity is tunable by changing the transmittance of the infrared laser light incident on the optical system 104. The intensity-adjusted infrared light is then guided to an infrared light homogenization means, which includes a homogenizer 103 and other components, where the spatial intensity distribution of the infrared light is homogenized so that no significant spatial variations occur within the infrared light irradiation area on the substrate. The shaped infrared light is introduced into the irradiation chamber 105, where it is irradiated onto the substrate 110 placed in the irradiation chamber.

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。無諭後の実施例 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1 08やレーザコントローラ102を制御する制御系である。To create a desired infrared light irradiation atmosphere, such as a vacuum, nitrogen, or argon, the irradiation chamber is equipped with an exhaust means, such as a pump 107, and a gas introduction means, such as a gas system 106. The relative position between the infrared light introduced into the irradiation chamber and the substrate 110 on which the silicon oxide film is formed is variable by moving the stage on which the substrate is placed using a stage controller 108. That is, in Example 4, the scanning mechanism moves the substrate while fixing the infrared light path. As shown in subsequent examples, scanning mechanisms that fix the substrate and move the infrared light path, or scanning mechanisms that move both, are also possible. The computer 109 is a control system that controls the stage controller 108 and the laser controller 102.

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。To improve the quality of a silicon oxide film formed by vapor deposition or other methods by simultaneously heating the entire film, an infrared laser oscillator with extremely high output power is required.

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。However, such a high-power laser oscillator does not yet exist. Therefore, in the present invention, infrared light is processed into a strip-shaped irradiation area or a thin line-shaped irradiation area by an infrared light homogenizing means, and this irradiation area is movable by the aforementioned scanning mechanism, thereby enabling uniform light irradiation across the entire substrate. It is desirable that the laser light intensity within the irradiation area be uniform. Therefore, the infrared light homogenizing means according to the present invention will now be described.

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。Figure 8 shows an example of an infrared light homogenizing means using a fly-eye lens 201. This infrared light homogenizing means has as its basic components a fly-eye lens 201 and a condenser lens 202, with the condenser lens 202 being a cylindrical lens. Reference numeral 203 denotes an incident infrared laser beam. The laser beam 203 incident on the fly-eye lens 201 has its wavefront split by a so-called fly-eye lens, which is composed of multiple rectangular or cylindrical lenses (in Figure 8, five lenses labeled A through E) bundled together in a cross section perpendicular to the optical axis. The split laser beam is focused at the focal position of the fly-eye lens and then enters the condenser lens 202, which is confocal with the fly-eye lens. This condenser lens recombines the split laser beams at the image-side focal point, i.e., on the substrate, to form a uniform laser beam. Figure 9 shows the intensity distribution of the laser beam split into beams A through E on the substrate 110, as well as the intensity distribution of the resulting laser beam after they are superimposed. In this method, the split laser beams that are symmetrical with respect to the optical axis, such as A and E and B and D in Figure 9, have symmetric intensity distributions, and uniformity is ensured by superimposing these beams.

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、それぞれの照射スボットを基板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。FIG. 10 shows an example of an infrared light homogenizing means using a Fourier transform phase hologram 301. The infrared light homogenizing means here has a lens 300 and a Fourier transform phase hologram 301 (hereinafter referred to as the hologram) as its basic components. The lens 300 and hologram 301 produce a thin laser beam with a uniform laser intensity distribution in the longitudinal direction on a substrate 110, which is the workpiece and has a silicon oxide film formed thereon. Laser light emitted from a laser oscillator 101 passes through a beam shaping optical system 302 consisting of the lens 300 and hologram 301. The laser light is irradiated onto the substrate 110 by the lens 300, but is spatially modulated by the hologram 301, located between the lens 300 and the substrate 110, to produce multiple overlapping irradiation spots aligned in a straight line on the substrate 110. Hologram 301 can arrange each irradiation spot at any position on substrate 110 with any intensity. Figure 11 shows the shape of a laser beam shaped by the laser beam shaping optical system of Figure 10 and irradiated onto a substrate on which a silicon oxide film has been formed. By using hologram 301 in which the irradiation spots are aligned in a straight line as shown in Figure 11 and by setting the overlapping pitch of the irradiation spots to a uniform pitch, it is possible to obtain a laser beam that is uniform in the longitudinal direction on substrate 110.

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。The hologram 301 divides the laser beam into 400 to 800 irradiation spots, making the intensity distribution of the laser beam uniform.

(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。(Example 5) In Example 5, an infrared light irradiation device for modifying silicon oxide films, which irradiates a silicon oxide film formed on a substrate with infrared light to improve its quality, is described using Figures 12 and 13. This infrared light irradiation device has at least an infrared light generating means, such as a carbon dioxide laser oscillator 101, a light shaping means for shaping the generated infrared light into a spot shape, and a scanning mechanism for varying the relative position between the substrate on which the silicon oxide film is formed and the infrared light shaped into a spot shape.

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1 2)。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。Infrared laser light generated by the carbon dioxide laser oscillator 101 is guided by mirror 401 to mirror 400 of a galvanometer scanner, a type of scanning mechanism (Figure 12). After being reflected by mirror 400 of the galvanometer scanner, the laser beam is incident on lens 402 and shaped into a spot-shaped beam. In Example 5, this lens 402 serves as a light shaping means for shaping the beam into a spot shape. The shaped infrared light is introduced into irradiation chamber 105, where it is irradiated onto a substrate 110 placed within the irradiation chamber. The configuration and control system of the irradiation chamber are the same as in Example 4. In Example 5, the position of the laser beam irradiated onto the substrate 110 is changed by changing the angle of mirror 400 of the galvanometer scanner using a galvanometer scanner. This irradiation light is scanned linearly or planarly, irradiating the entire surface of the substrate 110 with the infrared laser light. The irradiated laser beam is absorbed by the silicon oxide film deposited on the substrate, heating it and improving the quality of the oxide film.

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6 01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。On the other hand, Figure 13 shows another example of a light irradiation device using a polygon mirror 601 as a scanning mechanism. Laser light emitted from a laser oscillator 101 is reflected by the polygon mirror 601 and enters a lens 402. The infrared light is shaped into a spot-shaped beam by the lens 402 and then guided into an irradiation chamber to irradiate the substrate 110. The scanning mechanism in this example changes the angle of the polygon mirror 601 to change the laser irradiation position on the substrate 110. As in the previous example, the laser light then scans the entire substrate surface, thereby modifying the silicon oxide film.

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 。In these examples, carbon dioxide laser light is used as the infrared light, but IV-VI semiconductor lasers, free electron lasers, etc. may also be used as the infrared light.

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。INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention can improve conventionally low-quality silicon oxide films formed at low temperatures by adding a simple infrared light irradiation process. Therefore, when this invention is applied to thin-film semiconductor devices such as TFTs and semiconductor devices such as LSIs, high-performance semiconductor devices with excellent operational reliability can be manufactured stably at low temperatures. Furthermore, when this invention is applied to active-matrix liquid crystal displays, large, beautiful displays can be manufactured easily and stably. Furthermore, when applied to the manufacture of other electronic devices, high-performance electronic devices can be manufactured easily and stably.

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。Furthermore, the infrared light irradiation device of the present invention is capable of processing large-area substrates at high speed and stably, making it ideal for processing TFT substrates and large silicon substrates with a diameter of 300 mm.

───────────────────────────────────────────────────── (注)この公表は、国際事務局(WIPO)により国際公開された公報を基に作 成したものである。 なおこの公表に係る日本語特許出願(日本語実用新案登録出願)の国際公開の 効果は、特許法第184条の10第1項(実用新案法第48条の13第2項)に より生ずるものであり、本掲載とは関係ありません。───────────────────────────────────────────────────── (Note) This publication is based on the publication published internationally by the International Bureau of Patents (WIPO). The effect of the international publication of the Japanese patent application (Japanese utility model registration application) related to this publication arises pursuant to Article 184-10, Paragraph 1 of the Patent Act (Article 48-13, Paragraph 2 of the Utility Model Act) and is unrelated to this publication.

Claims (42)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.気相堆積法により酸化珪素膜を形成する工程と、この酸化珪素膜に赤外光を 照射する工程とを含むことを特徴とする酸化硅素膜の製造方法。1. A method for producing a silicon oxide film, comprising the steps of forming a silicon oxide film by a vapor phase deposition method and irradiating the silicon oxide film with infrared light. 2.請求項1に記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記気相堆積法が化学気 相堆積法であることを特徴とする酸化硅素膜の製造方法。2. The method for producing a silicon oxide film according to claim 1, wherein the vapor deposition method is a chemical vapor deposition method. 3.請求項1に記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記気相堆積法が物理気 相堆積法であることを特徴とする酸化硅素膜の製造方法。3. The method for producing a silicon oxide film according to claim 1, wherein the vapor deposition method is a physical vapor deposition method. 4.請求項1乃至3のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記赤 外光が前記酸化硅素膜により吸収される波長成分を含むことを特徴とする酸化硅 素膜の製造方法。4. The method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 3, wherein the infrared light includes a wavelength component that is absorbed by the silicon oxide film. 5.請求項1乃至3のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記赤 外光が前記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を特徴と する酸化硅素膜の製造方法。5. The method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 3, wherein the infrared light includes a wavelength component corresponding to an asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film. 6.請求項1乃至3のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記酸 化硅素膜の膜厚をt(cm)、前記赤外光の前記酸化硅素膜による吸収係数をk (cm-1)としたとき、該膜厚tと該吸収係数kとは k・t>0.1 の関係を満たすことを特徴とする酸化硅素膜の製造方法。6. A method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 3, wherein when the thickness of the silicon oxide film is t (cm) and the absorption coefficient of the infrared light by the silicon oxide film is k (cm -1 ), the thickness t and the absorption coefficient k satisfy the relationship k·t>0.1. 7.請求項1乃至3のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記赤 外光が8.9μm程度以上10μm程度以下の波長成分を含むことを特徴とする 酸化硅素膜の製造方法。7. The method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 3, wherein the infrared light includes wavelength components of approximately 8.9 μm or more and approximately 10 μm or less. 8.請求項1乃至7のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記赤 外光がレーザー光であることを特徴とする酸化硅素膜の製造方法。8. The method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 7, wherein the infrared light is laser light. 9.請求項1乃至7のいずれかに記載の酸化硅素膜の製造方法において、前記赤 外光が炭酸ガス(CO2)レーザー光であることを特徴とする酸化硅素膜の製造 方法。9. The method for producing a silicon oxide film according to any one of claims 1 to 7, wherein the infrared light is a carbon dioxide (CO 2 ) laser beam. 10.半導体表面を酸化して酸化珪素膜を形成する工程と、この酸化珪素膜に赤 外光を照射する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。10. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: oxidizing a semiconductor surface to form a silicon oxide film; and irradiating the silicon oxide film with infrared light. 11.請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、800℃程度以下の温度で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法 。11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the silicon oxide film formation step is carried out at a temperature of approximately 800°C or less. 12.請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、前記半導体表面に活性酸素を供給することにより行うことを特徴とする 半導体装置の製造方法。12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the silicon oxide film formation step is carried out by supplying active oxygen to the semiconductor surface. 13.請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、前記半導体表面をプラズマ酸化することにより行うことを特徴とする半 導体装置の製造方法。13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the silicon oxide film forming step is carried out by plasma oxidizing the semiconductor surface. 14.請求項10乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が前記酸化硅素膜により吸収される波長成分を含むことを特徴とする 半導体装置の製造方法。14. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 13, wherein the infrared light includes a wavelength component that is absorbed by the silicon oxide film. 15.請求項10乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が前記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を 特徴とする半導体装置の製造方法。15. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 13, wherein the infrared light includes a wavelength component corresponding to the asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film. 16.請求項10乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記酸化硅素膜の膜厚をt(cm)、前記赤外光の前記酸化硅素膜による吸収係 数をk(cm-1)としたとき、該膜厚tと該吸収係数kとは k・t>0.01 の関係を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。16. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 13, wherein when the thickness of the silicon oxide film is t (cm) and the absorption coefficient of the infrared light by the silicon oxide film is k (cm -1 ), the thickness t and the absorption coefficient k satisfy the relationship k·t>0.01. 17.請求項10乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が8.9μm程度以上10μm程度以下の波長成分を含むことを特徴 とする半導体装置の製造方法。17. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 13, wherein the infrared light includes wavelength components of approximately 8.9 μm or more and approximately 10 μm or less. 18.請求項10乃至17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光がレーザー光であることを特徴とする半導体装置の製造方法。18. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 17, wherein the infrared light is laser light. 19.請求項10乃至17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が炭酸ガス(CO2)レーザー光であることを特徴とする半導体装置 の製造方法。19. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 17, wherein the infrared light is a carbon dioxide (CO 2 ) laser light. 20.請求項10乃至19のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光照射工程を、不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とする半導体装置の 製造方法。20. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 19, wherein the infrared light irradiation step is performed in an inert gas atmosphere. 21.絶縁性物質上に半導体膜を形成する工程と、この半導体膜上に酸化珪素膜 を形成する工程と、この酸化珪素膜に赤外光を照射する工程と、を含む半導体装 置の製造方法。21. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of forming a semiconductor film on an insulating material, forming a silicon oxide film on the semiconductor film, and irradiating the silicon oxide film with infrared light. 22.請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、化学気相堆積法により行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。22. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21, wherein the silicon oxide film forming step is performed by chemical vapor deposition. 23.請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、物理気相堆積法により行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。23. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21, wherein the silicon oxide film forming step is performed by physical vapor deposition. 24.請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、600℃程度以下の温度で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法 。24. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21, wherein the silicon oxide film formation step is carried out at a temperature of approximately 600°C or less. 25.請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、前記半導体表面に活性酸素を供給することにより行うことを特徴とする 半導体装置の製造方法。25. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21, wherein the silicon oxide film formation step is carried out by supplying active oxygen to the semiconductor surface. 26.請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化珪素膜形成 工程を、前記半導体表面をプラズマ酸化することにより行うことを特徴とする半 導体装置の製造方法。26. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21, wherein the silicon oxide film forming step is carried out by plasma oxidizing the semiconductor surface. 27.請求項21乃至26のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が前記酸化硅素膜により吸収される波長成分を含むことを特徴とする 半導体装置の製造方法。27. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 26, wherein the infrared light includes a wavelength component that is absorbed by the silicon oxide film. 28.請求項21乃至26のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が前記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を 特徴とする半導体装置の製造方法。28. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 26, wherein the infrared light includes a wavelength component corresponding to the asymmetric stretching vibration of the silicon oxide film. 29.請求項21乃至26のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記酸化硅素膜の膜厚をt(cm)、前記赤外光の前記酸化硅素膜による吸収係 数をk(cm-1)としたとき、該膜厚tと該吸収係数kとは k・t>0.1 の関係を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。29. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 26, wherein when the thickness of the silicon oxide film is t (cm) and the absorption coefficient of the infrared light by the silicon oxide film is k (cm -1 ), the thickness t and the absorption coefficient k satisfy the relationship k·t>0.1. 30.請求項21乃至26のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が8.9μm程度以上10μm程度以下の波長成分を含むことを特徴 とする半導体装置の製造方法。30. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 26, wherein the infrared light includes wavelength components of approximately 8.9 μm or more and approximately 10 μm or less. 31.請求項21乃至30のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光がレーザー光であることを特徴とする半導体装置の製造方法。31. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 30, wherein the infrared light is laser light. 32.請求項21乃至30のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光が炭酸ガス(CO2)レーザー光であることを特徴とする半導体装置 の製造方法。32. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 30, wherein the infrared light is a carbon dioxide (CO 2 ) laser light. 33.請求項21乃至32のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光照射工程を、不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とする半導体装置の 製造方法。33. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 32, wherein the infrared light irradiation step is performed in an inert gas atmosphere. 34.請求項21乃至32のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記赤外光照射工程の後に、さらに不対結合対終端化工程を含むことを特徴とす る半導体装置の製造方法。34. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 32, further comprising a dangling bond termination step after the infrared light irradiation step. 35.請求項21乃至32のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、 前記絶縁性物質が、ガラス基板上に形成された酸化珪素膜であることを特徴とす る半導体装置の製造方法。35. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 32, wherein the insulating material is a silicon oxide film formed on a glass substrate. 36.請求項21乃至35のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって製 造されたことを特徴とする半導体装置。36. A semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 21 to 35. 37.請求項36に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする表示装置。37. A display device comprising the semiconductor device according to claim 36. 38.基板上に形成された酸化硅素膜に赤外光を照射して該酸化珪素膜の改質を 行うことのできる赤外光照射装置であって、 赤外光生成手段と、この赤外線の空間的な強度分布を均一とする赤外光均一化 手段と、前記基板と前記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、を備えたことを特徴とする赤外光照射装置。38. An infrared light irradiation device capable of irradiating a silicon oxide film formed on a substrate with infrared light to modify the silicon oxide film, comprising: an infrared light generating means; an infrared light homogenizing means for homogenizing the spatial intensity distribution of the infrared light; and a scanning mechanism for varying the relative positional relationship between the substrate and the homogenized infrared light. 39.基板上に形成された酸化硅素膜に赤外光を照射して該酸化珪素膜の改質を 行うことのできる赤外光照射装置であって、 赤外光生成手段と、この赤外線をスポット形状に整形する光整形手段と、前記 基板と前記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、を備えたことを特徴とする赤外光照射装置。39. An infrared light irradiation device capable of irradiating a silicon oxide film formed on a substrate with infrared light to modify the silicon oxide film, comprising: an infrared light generating means; a light shaping means for shaping the infrared light into a spot shape; and a scanning mechanism for varying the relative positional relationship between the substrate and the infrared light shaped into the spot shape. 40.請求項38又は39に記載の赤外光照射装置において、前記赤外光の波長 が8.9μm程度以上10μm程度以下であることを特徴とする赤外光照射装置 。40. The infrared light irradiation device according to claim 38 or 39, wherein the wavelength of the infrared light is between approximately 8.9 μm and approximately 10 μm. 41.請求項38又は39に記載の赤外光照射装置において、前記赤外光がレー ザー光であることを特徴とする赤外光照射装置。41. The infrared light irradiation device according to claim 38 or 39, wherein the infrared light is laser light. 42.請求項38又は39に記載の赤外光照射装置において、前記赤外光が炭酸 ガス(CO2)レーザー光であることを特徴とする赤外光照射装置。 43 基板上に酸化硅素膜を形成する工程と、この酸化硅素膜に光を照射する工 程とを含み、この光照射工程にて酸化珪素膜の温度が上昇して800℃以上とな るときの任意の酸化珪素膜温度をTox(℃)、その温度(Tox)に達している時 間の総計をτ(s)としたとき、Toxとτとが τ>exp(−0.04605・Tox+34.539) の関係を満たすToxが存在する条件で前記光照射工程を行うことを特徴とする酸 化硅素膜の製造方法。 44 半導体物質上に酸化硅素膜を形成する工程と、この酸化硅素膜に光を照射 する工程とを含み、この光照射工程に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珪素膜温度をTox(℃)、その温度(Tox)に達している 時間の総計をτ(s)としたとき、Toxとτとが τ>2・(1+ν)・η0・exp(ε/(k・(Tox+273.15)))/E の関係を満たすToxが存在する条件で前記光照射工程を行うことを特徴とする酸 化硅素膜の製造方法(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 活性化エネルキー、kはボルツマン定数をそれぞれ表す。)。42. An infrared light irradiation device according to claim 38 or 39, characterized in that the infrared light is carbon dioxide ( CO2 ) laser light. 43. A method for producing a silicon oxide film, comprising the steps of forming a silicon oxide film on a substrate and irradiating the silicon oxide film with light, wherein, when the temperature of the silicon oxide film rises to 800°C or higher in the light irradiation step, T ox (°C) is any silicon oxide film temperature, and τ ( s ) is the total time during which that temperature (T ox ) is reached, there exists a T ox such that T ox and τ satisfy the relationship τ > exp(-0.04605 · T ox + 34.539). 44. A method for producing a silicon oxide film, comprising the steps of forming a silicon oxide film on a semiconductor material and irradiating the silicon oxide film with light, wherein, when the temperature of the oxide film rises to 1000°C or higher in the light irradiation step, T ox (°C) is any silicon oxide film temperature, and τ (s) is the total time during which that temperature (T ox ) is reached, the light irradiation step is carried out under conditions such that T ox exists where T ox and τ satisfy the relationship τ>2·(1+ν)· η 0 ·exp(ε/(k·(T ox +273.15)))/E (where ν is the Poisson's ratio of the oxide film, E is its Young's modulus, η is its viscosity, η 0 is the precipitous factor of the viscosity, ε is the activation energy of the viscosity, and k is the Boltzmann constant).
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