(57)【要約】　　　（修正有）【課題】基板上に形成された半導体膜を半導体装置の活性領域として用いている薄膜半導体装置の製造方法において、半導体膜の結晶性が良く、薄膜半導体装置の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高い薄膜半導体装置及の製造方法を提供する。【解決手段】石英基板１１１上に下地保護膜１１２を形成し、半導体膜１１３を形成し、光を照射して半導体膜１１３を溶融結晶化する。その後、半導体膜１１３を熱酸化して第一ゲート絶縁膜１１６を形成し、ＣＶＤ法によって第二ゲート絶縁膜１１７を堆積する。【選択図】図１
2004031459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の製造方法において、
半導体膜の表面を酸化させて第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を堆積させる工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の製造方法において、
前記半導体膜を多結晶化させる工程を更に具備し、
前記第１絶縁膜を形成する工程は、前記多結晶化させる工程の後に行われることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
半導体素子において、
半導体膜と、
前記半導体膜上に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とでは同一溶液でのエッチングレートが異なっており、前記第１絶縁膜の前記エッチングレートが前記第２絶縁膜のエッチングレートより遅いことを特徴とする半導体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体素子において、
前記半導体膜の厚みは４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であり、
前記第１絶縁膜は、２０ｎｍ以上、６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体素子。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の半導体素子において、
前記第２絶縁膜は、４０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の半導体素子において、
第２絶縁膜が、前記第１絶縁膜より厚いことを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
半導体素子を含む集積回路において、
前記半導体素子として請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の半導体素子を用いたことを特徴とする集積回路。
【請求項８】
スイッチング素子と、該スイッチング素子により駆動される画素とを有する電気光学装置において、
前記スイッチング素子は、請求項３乃至請求項５のうちいずれかに記載の半導体素子を含むことを特徴とする電気光学装置。
【請求項９】
表示部を含む電子機器において、
前記表示部として請求項８に記載の電気光学装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、例えばトランジスタ素子等の製造方法、及び半導体素子に関する。更には、その半導体素子を用いた集積回路、電気光学装置及び電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石英等の絶縁表面を有する基板上に薄膜半導体素子を形成する構成を利用したものとして、これらの薄膜半導体素子を画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー、ビデオプロジェクターに用いられるライトバルブ等が知られている。
【０００３】
一般に、ライトバルブに用いられる薄膜半導体素子は高温プロセスを用いて製造された多結晶薄膜半導体素子である。高温プロセスとは、ＬＳＩ技術を踏襲して熱酸化ゲート絶縁膜を採用するプロセスであり、１０００℃以上のプロセス温度に耐え得る高価な石英基板を使用するという難点はあるものの、再現性、安定性、量産性等に優れた特徴を有する技術である。
【０００４】
以下、一般的な高温プロセスによる多結晶薄膜半導体素子の製造方法を簡単に説明する。最初に石英基板上に化学気相堆積法（ＣＶＤ法）等により下地保護膜として酸化珪素膜を形成する。次に酸化珪素膜上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）等により非晶質珪素半導体膜（ａ−Ｓｉ膜）を形成する。半導体膜は後に熱酸化されて膜厚が薄くなるので、非晶質珪素半導体膜を形成する時には最終的な半導体膜厚よりも厚く形成する必要がある。この非晶質珪素半導体膜は固相成長法（ＳＰＣ法）により結晶化され、多結晶珪素半導体膜となる。固相成長法とは、半導体膜を溶融させずに固相にて半導体膜の結晶化を進める方法で、５５０℃程度から６５０℃程度の温度で数時間から数十時間のアニールが行われる。半導体膜を所定のパターンに島状に加工した後、ゲート絶縁膜を形成する。高温プロセスでは熱酸化法を利用し、１０００℃程度の温度で酸素含有雰囲気下にて半導体膜表面に酸化珪素膜を成長させる。ここで、酸化珪素膜が成長する代わりに半導体膜厚は薄くなる。また、このゲート絶縁膜形成時には１０００℃程度という高温の状態で半導体膜表面が酸化反応を起こす為に、多結晶珪素半導体膜の結晶性が改善される。引き続いて、ゲート電極を形成し、半導体膜に不純物イオンの注入を行ってソース・ドレイン領域及びチャネル形成領域を作成する。次に層間絶縁膜を形成し、コンタクト・ホールを開口し、ソース・ドレイン取り出し電極と配線を形成する。こうして多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【０００５】
しかし、固相成長法によって結晶化された多結晶珪素膜には多くの欠陥が含まれている。この欠陥はキャリアを捕獲し、薄膜半導体素子の電気特性を低下させる原因となる。そこで、多結晶珪素膜中の欠陥を低減する手法の一つとして、エキシマレーザーアニール法による珪素膜の溶融結晶化が挙げられる。エキシマレーザーアニール法とは、一般的に低温プロセスによる多結晶薄膜半導体素子の製造に用いられるものであり、キセノン・塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）等を珪素膜に照射して、珪素膜を一度溶融させた後に冷却固化過程を経て結晶化させる方法である。エキシマレーザーアニール法によって得られる多結晶珪素膜は溶融・固化過程を経ている為、欠陥が少なく、結晶性が良い。このエキシマレーザーアニール法を高温プロセスによる多結晶薄膜半導体素子の製造方法に適用すれば、多結晶珪素膜の膜質が向上し、薄膜半導体素子の電気特性も向上する。
【０００６】
図２は高温プロセスにエキシマレーザーアニールを適用した従来の薄膜半導体素子の製造方法を示す工程図である。以下、この図を参照しつつ従来の薄膜半導体素子の製造方法を説明する。
【０００７】
基板上に形成された半導体膜を半導体素子の活性領域（半導体素子活性領域）として用いている薄膜半導体素子の製造方法において、基板として厚さ１．２ｍｍの石英基板２１１を用い、該石英基板２１１上に下地保護膜として化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により酸化珪素膜２１２を膜厚８００ｎｍ程度堆積する。該下地保護膜としての酸化珪素膜２１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）により非晶質珪素膜２１３を膜厚８５ｎｍ程度堆積する。次にキセノン・塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光２１４を該非晶質珪素膜２１３に照射して、多結晶珪素膜２１３を形成する。ここで、該多結晶珪素膜２１３の結晶粒界部表面２１５は隆起している。次にフォト・リソグラフィー法により該多結晶珪素膜２１３をパターニングする。該多結晶珪素膜２１３を熱酸化し、ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜２１６を膜厚９０ｎｍ程度形成する。この時、該多結晶珪素膜２１３は４０ｎｍ程度になっている。次に該ゲート絶縁膜２１６上にゲート電極２１７を形成し、該多結晶珪素膜２１３に不純物イオンの注入を行ってソース領域２１３ａ、ドレイン領域２１３ｃ及びチャネル形成領域２１３ｂを作成する。次に層間絶縁膜２１８を形成し、コンタクト・ホールを開口し、ソース・ドレイン取り出し電極２１９・２２０と配線を形成する。こうして多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来の製造方法で製造された薄膜半導体素子においては、半導体膜の溶融結晶化を行うことが困難であるという課題があった。高温プロセスではゲート絶縁膜を熱酸化法によって形成する。信頼性等の問題からゲート絶縁膜はある程度厚くする必要があるので、その分半導体膜厚は薄くなってしまう。よって最初に非晶質半導体膜を厚く形成しておかなければならない。この様に厚い半導体膜にエキシマレーザーアニールを行う場合、厚い半導体膜を溶融させる為に非常に高いエネルギーを持つレーザービームを半導体膜に照射しなければならない。あまりにも半導体膜が厚すぎると、装置の制約によって最適なエネルギーを持つレーザービームを照射することができず、半導体膜の結晶化が不十分になってしまう。その結果、薄膜半導体素子の電気特性はあまり改善されない。
【０００９】
また、従来の製造方法で製造された薄膜半導体素子においては、生産性が悪いという課題があった。従来の製造方法では高いエネルギー密度を持った光を半導体膜に照射する必要があったので、装置に大きな負担がかかっていた。その結果、装置メンテナンスを頻繁に行わなければならず、生産性が非常に悪かった。
【００１０】
更に、従来の製造方法で製造された薄膜半導体素子においては、ゲート絶縁膜の信頼性が悪いという課題があった。レーザーアニール後の半導体膜表面は、結晶粒界部で大きく隆起している。低温プロセスでは半導体膜を結晶化した後、ＣＶＤ等によってゲート絶縁膜を形成する為、半導体膜表面が隆起していてもゲート絶縁膜表面はある程度平坦化される。しかし、高温プロセスでは熱酸化法によってゲート絶縁膜を形成する為、半導体表面が隆起しているとゲート絶縁膜表面も隆起してしまう。この隆起はゲート絶縁膜の信頼性を大きく悪化させる原因となる。またこの隆起の高さは半導体膜厚と同程度となるので、半導体膜厚が厚ければ厚い程、隆起は高くなる。すなわち従来の方法ではレーザーアニール前の半導体膜を厚く形成する必要が有るので、レーザーアニール後の半導体膜表面隆起の高さは非常に高くなってしまう。
【００１１】
本明細書で開示する発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。具体的には基板上に形成された薄膜半導体素子の製造方法において、半導体膜の結晶性が良く、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子の製造方法を提供することをその目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体素子の製造方法は、半導体膜の表面を酸化させて第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を堆積させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、前記半導体膜を多結晶化させる工程を更に具備し、前記第１絶縁膜を形成する工程は、半導体膜を多結晶化させる工程の後に行われることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の半導体素子は、半導体膜と、前記半導体膜上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とでは同一溶液でのエッチングレートが異なっており、前記第１絶縁膜の前記エッチングレートが前記第２絶縁膜のエッチングレートより遅いことを特徴とする。より具体的には、０．５％ＨＦ溶液を用いた場合の第１絶縁膜のエッチングレートは２ｎｍ／ｍｉｎ以上４ｎｍ未満となり、第２絶縁膜のエッチングレートは４ｎｍ／ｍｉｎ以上であると好ましい。より好ましくは、第１絶縁膜のエッチングレートが３ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、第２絶縁膜のエッチングレートが５ｎｍ／ｍｉｎ程度以上であるとよい好ましい。また、前記半導体膜の厚みは４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であり、前記第１絶縁膜は、２０ｎｍ以上、６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、第２絶縁膜が、前記第１絶縁膜より厚いことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の集積回路は、半導体素子を含む集積回路において、前記半導体素子として上記したいずれかの半導体素子を用いたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の電気光学装置は、スイッチング素子と、該スイッチング素子により駆動される画素とを有する電気光学装置において、前記スイッチング素子は、上記したいずれかの半導体素子を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の電子機器は、表示部を含む電子機器において、前記表示部として上記の電気光学装置を搭載したことを特徴とする。
【作用】
上記の半導体素子の製造方法によれば、酸化によって得た第１絶縁膜の上に堆積による第２絶縁膜を重ねて形成する。つまり、酸化による特性のよい第１絶縁膜を半導体膜上に形成し、堆積による第２絶縁膜によって必要な絶縁膜厚を確保する。すなわち、酸化による第１絶縁膜を薄く形成したとしても充分な厚みの絶縁膜が得られるので、半導体膜をそれほど厚くしなくとも特性が良好な半導体素子を実現できる。第１絶縁膜の形成方法の具体例としては熱酸化法が、第２絶縁膜の具体例としては化学気相堆積法が、それぞれ考えられる。
【００１９】
ここで、酸化によって形成された第１絶縁膜は、０．５％ＨＦ溶液でのエッチングレートが３ｎｍ／ｍｉｎ程度となり、堆積によって製造された第２絶縁膜は０．５％ＨＦ溶液でのエッチングレートが５ｎｍ／ｍｉｎ程度以上となる。
【００２０】
半導体膜を結晶化させる手段として、溶融結晶化を採用すれば、多結晶半導体膜の結晶性が向上し、半導体膜中の欠陥が低減されるので、半導体素子の電気特性が向上するという効果を有する。
【００２１】
また、半導体膜の溶融結晶化を十分に行うことができるという効果を有する。
【００２２】
従来の製造方法では酸化によるゲート絶縁膜のみであったので、信頼性等の問題からゲート絶縁膜を厚くする為には、半導体膜を厚くする必要があり、その結果半導体膜の溶融結晶化が十分にできないという課題があった。例えば、半導体膜が珪素膜の場合、珪素膜の膜厚と珪素膜が良好に結晶化するまたは微結晶化するＸｅＣｌエキシマレーザーエネルギー密度の関係はおよそ図３の様になる。図３から分かるように、従来の製造方法の様に珪素膜厚が厚いと、珪素膜を良好に溶融結晶化させる為には高いレーザーエネルギー密度が必要となる。装置の制約上、出力できるレーザーエネルギー密度には上限があるので、珪素膜厚が厚すぎると十分な結晶化を行うことができなくなってしまうのである。しかし、上記製造方法によれば、絶縁膜は酸化による第１絶縁膜と堆積による第２絶縁膜から成るので、第１絶縁膜だけでは膜厚が足りない場合には、足りない膜厚を第２絶縁膜で補うことができる。つまり、絶縁膜を酸化による第１絶縁膜のみで形成する必要が無く、半導体膜を薄く形成できる。よって、低いエネルギー密度の光でも半導体膜の溶融結晶化を十分に行うことができるのである。
【００２３】
また、従来の製造方法では半導体膜が厚いので、高いエネルギー密度を持った光を半導体膜に照射する必要があった。よって、高エネルギー密度の光を照射することのできる高価な光照射装置が必要となる。また光照射装置に大きな負担をかけることになり、装置メンテナンスを頻繁に行わなければならず、生産性が非常に悪かった。しかし、上記製造方法によれば、半導体膜を薄くすることができるので、半導体膜に照射する光のエネルギー密度を低くすることができる。よって、光照射装置にかかる負担が減り、装置メンテナンス頻度も下がって、生産性が向上する。
【００２４】
更に、絶縁膜の信頼性を向上させることができるという効果を有する。半導体膜の溶融結晶化を行うと、半導体膜表面が隆起する。この表面が隆起した半導体膜を酸化して絶縁膜を形成すると、絶縁膜表面も隆起してしまい、絶縁膜の信頼性を大きく悪化させる原因となっていた。しかし、上記製造方法によれば、絶縁膜は酸化による第１絶縁膜と堆積による第２絶縁膜から成るので、酸化による第１絶縁膜表面が隆起していても、その上に堆積による第２絶縁膜を形成することによって絶縁膜表面はある程度平坦化される。このようにして絶縁膜の信頼性を向上させる事ができるのである。
【００２５】
また、結晶化後の半導体膜表面の隆起の高さは、半導体膜厚と同程度となる。よって、従来の製造方法では半導体膜厚が厚いので、結晶化後の半導体膜表面隆起も高くなる。しかし、上記製造方法によれば、半導体膜を薄くすることができるので、隆起の高さも低くなる。故に、絶縁膜の信頼性を向上させる事ができる。
【００２６】
ここで、絶縁膜が堆積によるもののみである場合でも、半導体膜を厚く形成する必要が無いので半導体膜の結晶化を十分に行う事ができるし、半導体膜表面の隆起による絶縁膜の信頼性悪化を防ぐことも可能である。しかし、堆積によるゲート絶縁膜のみの場合、半導体膜と絶縁膜の界面状態が悪くなり、更に酸化工程時の半導体膜質改善効果も無くなる為、薄膜半導体素子の電気特性は熱酸化工程を含む上記製造方法によって製造された薄膜半導体素子よりも遥かに劣る。
【００２７】
以上の様に、上記製造方法によれば、半導体膜の結晶性が良く、薄膜半導体素子の電気特性が良く、絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造できるという効果を有する
溶融結晶化する手段の具体例として、パルスレーザー光を用いることができる。パルスレーザー光を用いることにより、半導体膜を容易に溶融させることができ、高純度で平滑な表面を有する多結晶半導体膜が得られる。対して、連続発振のレーザー光照射では半導体膜は数ミリ秒以上の長時間に渡って溶融状態にある。この為に気相から不純物が膜中へ混入し易くなり、また表面荒れが生じ易くなる。これに対して、一回のレーザー照射毎に基板を適当な距離だけ移動させることができるパルス発振では、活性半導体膜の溶融時間は数百マイクロ秒以下となる。よって、膜中へ不純物が混入し難く、表面も荒れ難いのである。
【００２８】
溶融結晶化する手段の他の具体例として、波長が２４０ｎｍ程度以上５５０ｎｍ程度以下の光を半導体膜に照射してもよい。この波長の光は半導体膜、特に珪素半導体膜に効率的に吸収されるので、半導体膜を容易に溶融させることができる。照射する光としては、クリプトン・フッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザー光（波長２４８ｎｍ）、キセノン・塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波（波長５３２ｎｍ）等が、高エネルギーで、且つ安定しているので好ましい。
【００２９】
半導体膜の１具体例として非晶質珪素半導体膜を用いることができる。非晶質珪素半導体膜には、半導体膜の製造が容易であり、製造コストが低くなるからである。更には、広い波長範囲の光を吸収しやすいので、溶融結晶化しやすいという利点もある。
【００３０】
半導体膜の他の具体例として、非晶質珪素半導体膜を固相成長法によって結晶化した多結晶珪素半導体膜を用いても良い。非晶質珪素半導体膜は、固相成長法によって結晶化され、大粒径の多結晶珪素半導体膜となる。よって、溶融結晶化後の多結晶半導体膜は大粒径で欠陥の少ない多結晶珪素半導体膜となり、半導体素子の電気特性は非常に優れたものとなる。
【００３１】
半導体膜は４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下に堆積するとよい。この膜厚に半導体膜を形成することにより、安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができるという効果を有する。溶融結晶化の際、半導体膜の膜厚が厚すぎると半導体膜が溶融し難くなる為、半導体膜の溶融結晶化を十分に行うことができなくなる。半導体膜が珪素膜の場合、珪素膜の膜厚と珪素膜が良好に結晶化するまたは微結晶化するＸｅＣｌエキシマレーザーエネルギー密度の関係はおよそ図３の様になる。ここで、珪素膜厚が８０ｎｍの場合、珪素膜を十分に溶融結晶化させる為には６００ｍＪ・ｃｍ−２程度の非常に高いレーザーエネルギー密度の光を照射しなければならない。このような高いレーザーエネルギー密度の光を照射するためには光照射装置に大きな負担をかけることになる。或いは、光照射装置によっては、このような高いレーザーエネルギー密度の光を照射することができない為、やむをえずレーザーエネルギー密度を低くしなければならない。この場合には、当然半導体膜の結晶化は十分に行われない。一方、半導体膜の膜厚が薄すぎると半導体膜が完全溶融し易くなり、溶融結晶化後の半導体膜の結晶粒径が非常に小さくなってしまったり、アブレーションを起こし易くなり、半導体膜が損傷してしまったりする。また、熱酸化による膜減りを考慮しなければならないので、ある程度厚い半導体膜が必要である。本発明者の実験によると、半導体膜の膜厚が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の場合、安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができた。図３から珪素膜の膜厚を４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下とすると、溶融結晶化によって優れた膜質の多結晶珪素半導体膜を得る為には、ＸｅＣｌエキシマレーザーエネルギー密度を２５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以上５５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以下とすれば良い。この程度のエネルギー密度範囲の光ならば、光照射装置に負担をかけることなく、安定して出力することができる。
【００３２】
第１絶縁膜としては、酸化珪素膜を採用するのがよい。第１絶縁膜の製造が容易であり、製造コストが低くなるからである。また、珪素半導膜との界面準位密度が低くなり、薄膜半導体素子の電気特性が向上するという利点もある。
【００３３】
また、第１絶縁膜を、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下に形成すると安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができる。また、第１絶縁膜の膜厚が充分薄いので、酸化工程による半導体膜の膜減りが少なくなる。よって、元の半導体膜も薄く堆積することができる。例えば、酸化後の半導体膜厚を４０ｎｍとすると、第１ゲート絶縁膜を２０ｎｍにする為には元の半導体膜厚は約５０ｎｍとなり、第１ゲート絶縁膜を６０ｎｍにする為には元の半導体膜厚は約７０ｎｍとなる。すなわち、元の半導体膜の膜厚を５０ｎｍ以上７０ｎｍ以下に堆積することができる。この程度の膜厚に半導体膜を堆積することができれば、半導体膜の溶融結晶化の制御を行い易くなり、その結果安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができるのである。
【００３４】
第２絶縁膜の一例としては酸化珪素膜を用いるとよい。第２絶縁膜の製造が容易となり、製造コストが低くなるからである。また、第１絶縁膜との界面準位密度が低くなり、絶縁膜の信頼性が向上するという利点もある。
【００３５】
第２絶縁膜の他例として水素化窒化珪素膜を用いてもよい。この水素化窒化珪素膜はプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）により形成することができる。この場合には、窒化珪素膜の比誘電率が７．５と大きいので、第２絶縁膜を厚くしても絶縁膜容量が取れ、半導体素子の電気特性が良好になるという効果を有する。また窒化珪素膜中に含まれる水素原子によって、半導体膜及び半導体膜と第１絶縁膜との界面に存在する欠陥が水素化される為、半導体素子の電気特性が良好になるという効果を有する。
【００３６】
第２絶縁膜の膜厚は、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であると好ましい。この膜厚であれば、安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができ、絶縁膜の信頼性を高くすることができるという効果を有する。絶縁膜の信頼性を高める為には、絶縁膜の膜厚をある程度厚くする必要がある。絶縁膜厚を１００ｎｍとすると、第１ゲート絶縁膜厚は２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下となる。よって、酸化後の半導体膜厚を４０ｎｍとすると、元の半導体膜厚を５０ｎｍ以上７０ｎｍ以下に堆積することができる。この程度の膜厚に半導体膜を堆積することができれば、半導体膜の溶融結晶化の制御を行い易くなり、その結果安定して優れた膜質の多結晶半導体膜を形成することができるのである。
【００３７】
また、第２絶縁膜は第１絶縁膜より厚形成される。より具体的には、第１絶縁膜厚をＴ１、第２絶縁膜厚をＴ２とすると、膜厚比Ｔ２／Ｔ１が１以上３以下であるとよい。この範囲内では、絶縁膜の信頼性が高く、電気特性の良い半導体素子となる。第１絶縁膜と第２絶縁膜とでは、酸化膜である第１絶縁膜の方が絶縁膜としての膜質は良い。しかし、膜質が良いからといって第１絶縁膜厚Ｔ１を厚くすると、これまでに述べてきた第２絶縁膜を形成することによって得られる本発明の効果が希薄となってしまう。よって、第１絶縁膜厚Ｔ１と第２絶縁膜厚Ｔ２の比Ｔ２／Ｔ１は１以上、すなわち第１絶縁膜厚Ｔ１は第２絶縁膜厚Ｔ２以下とする。第１絶縁膜厚Ｔ１を薄くすると、絶縁膜全体としての膜質が低くなり、絶縁膜の信頼性も悪くなる。よって膜厚比Ｔ２／Ｔ１は３以下、すなわちＴ１はＴ２の１／３以上とするのが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３９】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例による薄膜半導体素子の製造方法を示す工程図である。以下、この図を参照しつつ本発明の第１の実施例の薄膜半導体素子の製造方法を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に説明する。
【００４０】
（ａ）図１（ａ）の工程
基板上に形成された半導体膜を半導体素子の活性領域（半導体素子活性領域）として用いている薄膜半導体素子の製造方法において、基板として厚さ１．２ｍｍの石英基板１１１を用い、該石英基板１１１上に下地保護膜として化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により酸化珪素膜１１２を膜厚８００ｎｍ程度堆積する。該下地保護膜としての酸化珪素膜１１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）により後に半導体素子活性領域と化す半導体膜として非晶質珪素膜１１３を膜厚５５ｎｍ程度堆積する。原料ガスにはモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、堆積温度は５５０℃程度、圧力は３０Ｐａ程度とする。このような条件で堆積することによって、均一性の良い非晶質珪素膜を堆積することができる。
【００４１】
（ｂ）図１（ｂ）の工程
後に半導体素子活性領域と化す半導体膜１１３に光としてパルスレーザー光１１４を照射することにより溶融結晶化して半導体膜１１３を欠陥の少ない結晶性の良い多結晶半導体膜とする。パルスレーザー光１１４としては、キセノン・塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）を用いる。ＸｅＣｌエキシマレーザー光の照射領域は長さ２００ｍｍで幅０．４ｍｍの長方形状で、ほぼ一定の強度分布を示す。ＸｅＣｌエキシマレーザー光の照射エネルギー密度が４２０ｍＪ・ｃｍ−２となると半導体膜としての非晶質珪素膜１１３は完全溶融してしまい、半導体膜は微結晶化してしまう。多結晶珪素膜の結晶粒径を大きくする為には、半導体膜が微結晶化する照射エネルギー密度よりも僅かに低い照射エネルギー密度でレーザー光を照射すれば良い。よって照射エネルギー密度は４００ｍＪ・ｃｍ−２または４１０ｍＪ・ｃｍ−２とするのが良い。また、該半導体膜上の任意の一点は２０回から３０回のパルスレーザー照射を被る。ここではパルスレーザー光をキセノン・塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）としたが、パルスレーザー光としてクリプトン・フッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザー光（波長２４８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光の第２高調波（波長５３２ｎｍ）等を用いても溶融結晶化を良好に行うことができる。光１１４を照射して半導体膜１１３の溶融結晶化を行うと、多結晶珪素膜の結晶粒界部の表面が１１５の様に隆起する。
【００４２】
（ｃ）図１（ｃ）の工程
次にフォト・リソグラフィー法により該半導体膜１１３をパターニングする。
【００４３】
（ｄ）図１（ｄ）の工程
次に半導体膜１１３の熱酸化を行う。基板を温度８００℃の熱処理炉内に挿入した後、熱処理炉内に窒素と僅かの酸素を流して熱処理炉内の雰囲気を窒素中の酸素が１０ｐｐｍから１％程度である雰囲気とし、熱処理炉の温度を毎分４℃から２０℃程度のレートで上昇させ、熱処理炉内の温度を１０００℃とする。昇温レートが４℃程度と低ければ温度制御性が良くなるが、昇温に長時間を要する為、生産性が低下する。一方昇温レートが２０℃と高ければ温度制御性が悪くなるが、昇温時間は短くなる為、生産性は向上する。上記の温度上昇行程を窒素１００％雰囲気で行うと半導体膜に穴が開いてしまうという問題がある。上記の様に窒素中の酸素が１０ｐｐｍ程度の雰囲気にすると、半導体膜上に極薄酸化膜が形成されるので半導体膜に穴が開くことを防ぐ事ができる。ここで酸素濃度を１％程度以上と高くしすぎると酸化膜厚が厚くなってしまう。この酸化膜は低温で形成されるので膜質が悪く、ゲート絶縁膜となった場合に薄膜半導体素子の特性や信頼性の低下の原因となる。よって、上記の温度上昇行程においては酸素濃度を１０ｐｐｍから１％程度と充分低くしておいて、半導体膜に穴が開くことを防ぎ、且つ膜質の悪いゲート絶縁膜を必要以上に成長させないようにする必要がある。温度が上昇した後、熱処理炉内の雰囲気を窒素中の酸素が２％以上または酸素１００％とし、半導体膜としての多結晶珪素膜１１３を酸化することによって第１ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１６を膜厚３０ｎｍ程度形成する。この時、該半導体膜１１３の膜厚は４０ｎｍ程度となる。更に、該第１ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１６上に化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって第２ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１７を膜厚５０ｎｍ程度堆積する。該第２ゲート絶縁膜の形成には低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）を用い、原料ガスはモノシラン（ＳｉＨ４）と一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、堆積温度は８００℃から８５０℃程度、圧力は８０Ｐａ程度とする。半導体膜１１３表面の隆起１１５は第１ゲート絶縁膜１１６表面にも残る。これは第１ゲート絶縁膜１１６が半導体膜１１３を熱酸化して形成したものであるからである。しかし、第２ゲート絶縁膜１１７はＣＶＤ法によって堆積するので、第２ゲート絶縁膜１１７の表面はある程度平坦化される。第１ゲート絶縁膜厚Ｔ１と第２ゲート絶縁膜厚Ｔ２との膜厚比Ｔ２／Ｔ１は約１．６７となる。
【００４４】
（ｅ）図１（ｅ）の工程
該第２ゲート絶縁膜１１７上にゲート電極１１８を形成する。ゲート電極は、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン（ＰＨ３）を用い、温度５５０℃、圧力１２０Ｐａで低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）によって堆積したリン（Ｐ）を含んだ導電性多結晶珪素半導体膜を用いる。ゲート電極１１８形成後、該多結晶珪素膜１１３に不純物イオンの注入を行ってソース領域１１３ａ、ドレイン領域１１３ｃ及びチャネル形成領域１１３ｂを作成する。不純物イオンとしては、Ｎ型薄膜半導体素子の場合はＢイオンまたはＢＦ２イオンを注入し、Ｐ型薄膜半導体素子の場合はＰイオンを注入する。
【００４５】
（ｆ）図１（ｆ）の工程
次に層間絶縁膜１１９を形成し、コンタクト・ホールを開口し、ソース・ドレイン取り出し電極１２０・１２１と配線を形成する。こうして多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【００４６】
以上説明したように、本第１の実施例によれば、半導体膜の結晶性が良く、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造することができる。
【００４７】
（実施例２）
実施例１の工程（ａ）において、該非晶質珪素膜１１３の堆積条件として、堆積圧力を１００Ｐａ程度とする。このように堆積圧力を高くすることによって非晶質珪素膜中における結晶核発生を抑制することができる。該非晶質珪素膜１１３を堆積した後、固相成長法によって該非晶質珪素膜１１３の結晶化を行う。該非晶質珪素膜１１３には結晶核が少ないので、固相成長を行う事によって該非晶質珪素膜１１３が大粒径の多結晶珪素膜となり、薄膜半導体素子の電気特性は優れたものとなる。固相成長は、窒素雰囲気で温度が６００℃から６４０℃となっている熱処理炉内に基板を挿入し、６時間から２４時間の熱処理を行う。温度が低ければ多結晶珪素膜の結晶粒径は大きくなるが、処理時間が長くなるため、生産性が悪くなる。一方、温度が高ければ多結晶珪素膜の結晶粒径は温度を低くした場合に比べて小さくなるが、処理時間が短くなるため、生産性は向上する。こうして該半導体膜１１３は非晶質珪素膜から大粒径の多結晶珪素膜となる。
【００４８】
実施例１の工程（ｂ）において、ＸｅＣｌエキシマレーザー光の照射エネルギー密度を４２０ｍＪ・ｃｍ−２または４３０ｍＪ・ｃｍ−２とする。これは、半導体膜１１３が既に固相成長によって多結晶珪素膜となっており、４４０ｍＪ・ｃｍ−２で半導体膜１１３が完全溶融するからである。
【００４９】
上記以外は実施例１と同様として、多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【００５０】
以上説明したように、本第２の実施例によれば、半導体膜の結晶性が良く、半導体膜の結晶粒径が大きく、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造することができる。
【００５１】
（実施例３）
実施例１の工程（ａ）において、非晶質珪素膜の原料ガスにジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、堆積温度を４２５℃程度と低温化する。このように堆積温度を低くすることによって非晶質珪素膜中における結晶核発生を抑制することができる。次に、実施例２と同様にして、半導体膜１１３の固相成長を行い、半導体膜１１３を大粒径の多結晶珪素膜とする。更に、実施例２と同様にして、半導体膜１１３にＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射する。
【００５２】
上記以外は実施例１と同様として、多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【００５３】
以上説明したように、本第三の実施例によれば、半導体膜の結晶性が良く、半導体膜の結晶粒径が大きく、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造することができる。
【００５４】
（実施例４）
実施例１の工程（ｄ）において、第２ゲート絶縁膜としてプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）によって水素化窒化珪素膜（ＳｉＮＸ：Ｈ）１１７を膜厚５０ｎｍ程度堆積する。原料ガスはモノシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ３）とを用いる。第２ゲート絶縁膜堆積時の基板温度は２００℃から３５０℃程度とし、水素化窒化珪素膜１１７から水素が離脱しないようにする。このように第２ゲート絶縁膜としてプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）によって水素化窒化珪素膜を堆積すると、ゲート絶縁膜容量が大きく、半導体膜及び半導体膜と第１ゲート絶縁膜との界面に存在する欠陥が水素化されるので、薄膜半導体素子の電気特性は優れたものになる。
【００５５】
上記以外は実施例１と同様として、多結晶薄膜半導体素子は完成する。
【００５６】
以上説明したように、本第４の実施例によれば、半導体膜の結晶性が良く、半導体膜及び半導体膜と第１ゲート絶縁膜との界面に存在する欠陥が水素化されており、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、ゲート絶縁膜容量が大きく、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造することができる。
【００５７】
（実施例５）
図４は、本発明の第５の実施例による電気光学素子である。本発明の第５の実施例による電気光学素子は、実施例１乃至実施例４記載の薄膜半導体素子が形成された素子基板４０１と対向基板とが対向配置され、これらの素子基板４０１と対向基板との間に液晶層が封入されている。素子基板４０１の内面側には、多数のソース線４０２及び多数のゲート線４０３が互いに交差するように格子状に設けられている。各ソース線４０２と各ゲート線４０３の交差点近傍には薄膜半導体素子４０４が形成されており、各薄膜半導体素子４０４を介してＩＴＯ等の透明電極から成る画素電極がそれぞれ接続されている。すなわち、マトリクス状に配置された画素毎に１つの薄膜半導体素子４０４と１つの画素電極とが設けられている。一方、対向基板の内面側全体には、多数の画素がマトリクス状に配列されてなる表示領域の全体にわたってＩＴＯ等の透明電極から成る１つの共通電極が形成されている。また、画素領域の周辺には画素領域の薄膜半導体素子４０４を駆動する為の駆動回路４０５が形成されており、この駆動回路４０５も多くの薄膜半導体素子を含んで構成されている。
【００５８】
この電気光学素子は電気特性の優れた薄膜半導体素子から成るので、美しい表示特性を示す。また、駆動電圧を低電圧化でき、駆動回路を高速で動作させることができる。よって、高精細、低消費電力を実現することができる。
【００５９】
（実施例６）
図５は、本発明の第６の実施例による電子機器である。本発明の第６の実施例による電子機器は、実施例５記載の電気光学素子をライトバルブとして用いた液晶プロジェクターである。特定の波長を持つ光を反射、透過する特性を持つダイクロイックプリズム５０１を囲むようにして、実施例５記載の電気光学素子５０２が３枚配置されている。各電気光学素子５０２にはそれぞれ、赤５０３、緑５０４、青５０５の光が入射される。各電気光学素子５０２を透過する光の量は、各電気光学素子５０２に入力された画像信号により調整される。その調整された光がダイクロイックプリズム５０１によって合成される。合成された光は投射レンズ５０６を通してスクリーン等に投射され、画像として表示される。
【００６０】
この電子機器は優れた電気光学素子から成るので、美しい表示特性を示す。また、高精細、低消費電力を実現することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、半導体膜の結晶性が良く、薄膜半導体素子の電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体素子を製造することができる。本発明の薄膜半導体素子の製造方法によると、高性能な薄膜半導体素子を容易に且つ安定的に製造する事ができる。従って本発明の薄膜半導体素子の製造方法をアクティブ・マトリックス液晶表示装置に適用した場合には、大型で高品質な液晶表示装置を容易に且つ安定的に製造することができる。更に他の電子回路の製造に適用した場合にも高品質な電子回路を容易に且つ安定的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による薄膜半導体素子の製造方法を示す工程図である。
【図２】従来の薄膜半導体素子の製造方法を示す工程図である。
【図３】珪素膜の膜厚と、珪素膜が良好に結晶化するまたは微結晶化するのに必要なＸｅＣｌエキシマレーザーエネルギー密度との関係を示す図である。
【図４】本発明の第５の実施例による電気光学素子を示す図である。
【図５】本発明の第６の実施例による電子機器を示す図である。
【符号の説明】
１１１、２１１…石英基板
１１２、２１２…下地保護膜
１１３、２１３…半導体膜
１１３ａ、２１３ａ…ソース領域
１１３ｂ、２１３ｂ…チャネル形成領域
１１３ｃ、２１３ｃ…ドレイン領域
１１４、２１４…光（キセノン・塩素エキシマレーザー光）
１１５、２１５…珪素膜表面の隆起
１１６…第１ゲート絶縁膜
１１７…第２ゲート絶縁膜
１１８、２１７…ゲート電極
１１９、２１８…層間絶縁膜
１２０、２１９…ソース電極
１２１、２２０…ドレイン電極
２１６…ゲート絶縁膜
４０１…素子基板
４０２…ソース線
４０３…ゲート線
４０４…薄膜半導体素子
４０５…駆動回路
５０１…ダイクロックプリズム
５０２…電気光学素子
５０３…赤色光
５０４…緑色光
５０５…青色光
５０６…投射レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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