專利名稱：制造絕緣薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造應(yīng)用于薄膜晶體管(TFT)和金屬氧化物絕緣體(MOS)晶體管中的絕緣膜的方法。
薄膜晶體管(TFT)器件具有與通常的MOSFET相似的基本結(jié)構(gòu)，已經(jīng)將該器件應(yīng)用于顯示器如液晶顯示器(LCD)和有機場致發(fā)光顯示器(OELD)。這一類器件要求在溫度低于430℃下形成SiO2層，因為這些顯示器采用光學(xué)上透明的基片如玻璃，這種基片不能耐較高的溫度。對于這一類的TFT應(yīng)用，目前采用沉積的SiO2膜，與采用硅氧化的方法形成的SiO2膜相比，這種膜的質(zhì)量差，而且與硅形成的界面也差；從而對TFT的性能產(chǎn)生不利的影響。因此，需要在盡可能低的溫度下進行氧化過程。
最近，Ueno等人(參考文獻1)和Ohmi等人(參考文獻2)報道，將微波場施加于惰性氣體與氧的氣體混合物能產(chǎn)生包含原子氧和氧游離基的等離子體，即使在溫度小于500℃下，等離子體也容易使硅氧化而形成SiO2膜。
在上述參考文獻中所述的低溫方法包括等離子體的生成。等離子體方法一般是在壓力為1torr(133Pa)以下進行的；此外，在將加工氣體加入加工室之前，需要將加工室抽空到甚至更低的壓力(基本壓力)。因此，這些等離子體方法需要采用昂貴的真空設(shè)備。真空設(shè)備的維護也會增加成本。真空設(shè)備還占用昂貴的凈室空間。此外，上面采用的微波等離子體方法的應(yīng)用也受到限制。微波方法適合于基片最大尺寸為直徑300mm的半導(dǎo)體的加工。就TFT而言，基片的尺寸大得多，在最新一代的設(shè)備中接近1000mm×1000mm。對于這樣大的基片，微波等離子體方法是不適合的。
在本發(fā)明公開的內(nèi)容中，發(fā)明人對在壓力基本上接近大氣壓(約100kPa)下，采用等離子體激勵惰性氣體和氧來制造高質(zhì)量的SiO2膜作了報道。這種方法完全不需要使用真空設(shè)備，與TFT和半導(dǎo)體工業(yè)中制造類似絕緣膜采用的設(shè)備和方法相比，其設(shè)備和方法非常廉價。此外，對于這種方法，發(fā)明人采用MHz范圍的射頻(RF)電能，使這種方法能夠應(yīng)用于大基片。
此外，還能采用相同的方法，在壓力基本上接近大氣壓下，使用氮化物質(zhì)(例如NH3、N2等)和惰性氣體產(chǎn)生等離子體來制備氮化硅。
從成本和簡化的觀點，在壓力基本上接近大氣壓下產(chǎn)生RF等離子體的方法是有利的。當然，即使加工的壓力降低至1kPa，也能采用廉價的真空設(shè)備進行這些加工。
除了硅的氧化以外，也可以將上述的方法應(yīng)用于在壓力基本上接近1大氣壓下的硅的氮化。可在代替含氧化合物的含氮化合物(例如N2、NH3等)，以及惰性氣體存在下和持續(xù)等離子體也可進行氮化。這些氮化物膜經(jīng)進一步加工如退火(熱退火，快速熱退火，激光退火)，以進一步提高膜的質(zhì)量。
還應(yīng)注意，這些方法是在壓力1大氣壓(接近100kPa)下進行的。如果需要，采用廉價的真空設(shè)備可將壓力降低到1kPa。因此，上述的方法可在氣體壓力1kPa-110kPa下進行。
雖然采用微波產(chǎn)生等離子體是在壓力小于1kPa下進行的，但在較高的氣壓(例如1kPa以上)下也可以采用微波代替RF用于產(chǎn)生等離子體。
為了了解與采用常規(guī)低壓等離子體的類似方法形成的SiO2膜的Dit值進行對比的情況，在壓力133Pa(1torr)下進行氧化實驗。其它實驗條件如下。RF的功率密度＝500mW/cm2，電極的距離＝20mm，溫度＝200℃，和O2/He＝2％。對于這種低壓等離子體氧化方法，在Si-SiO2界面求出的Dit值為6×1011cm-2eV-1。因此，在壓力基本上接近1大氣壓下采用等離子方法制備的SiO2膜，其Si-SiO2界面的缺陷密度大大低于在較低的等離子體壓力133Pa下制造的SiO2膜。
為了將采用本發(fā)明公開的方法制造的Si-SiO2界面的界面態(tài)密度與熱生成的SiO2膜的界面態(tài)密度進行對比，在1000℃下氧化類似的硅晶片。在熱氧化情況下求出的界面態(tài)密度接近2×1011cm-2eV-1。因此，在壓力基本上接近1大氣壓下，采用等離子體方法在200℃下制備的SiO2膜的Si-SiO2界面的缺陷密度也低于采用熱氧化方法在1000℃下制備的SiO2膜，這表明采用本發(fā)明公開的方法能獲得高質(zhì)量的界面。
在上述二個實施例中，采用氧作為氧化劑，然而，也可以與惰性氣體一道使用其它的氧化劑如N2O或H2O或各種氧化劑的混合物以進行氧化過程。
這些二氧化硅膜經(jīng)退火如熱退火，或激光退火，以進一步提高它們的性能，優(yōu)選在包含氫的環(huán)境如氮氫混合氣體環(huán)境中退火。
還觀察到，在加工氣體混合物中加入少量的含氟化合物(例如HF、NF3、和CF4)比不加含氟化合物能提高氧化的速率。加入含氯化合物也能類似地提高氧化速率。加入氟化合物或氯化合物還能提高膜的質(zhì)量。
隨氧化劑和惰性氣體加入氮或含氮的化合物，還能進一步改善本發(fā)明公開的方法，提高包含這種二氧化硅膜的器件的可靠性。
1.在玻璃基片上，采用LPCVD方法沉積厚度為50nm的無定形硅層。
2.采用XeCl脈沖激光給無定形的硅膜進行激光退火，將其轉(zhuǎn)變成晶粒尺寸約0.3μm的多晶硅，然后采用光刻方法使多晶硅層成圖，制成島狀物。
3.在壓力基本上接近1大氣壓(約100kPa)下，將RF電能施加于氧-氦氣體混合物，在多晶硅上制造厚度4nm的SiO2層(SiO2層1)。再采用ECR CVD方法進一步沉積SiO2層(SiO2層2)，以使由SiO2層1和SiO2層2組成的總層厚為120nm。
4.沉積柵極金屬并將其成圖。
5.采用離子摻雜方法形成源區(qū)和漏區(qū)6.沉積隔離二氧化硅層并將其成圖，以制成源-漏連接孔。
7.沉積源-漏連接金屬并將其成圖。
為了比較起見，采用與上述相同的方法制造參比TFT，但以步驟3制造SiO2層除外。參比TFT不包含所述的SiO2層1，而是采用ECRCVD方法沉積整個SiO2層厚度為120nm。因此，參比TFT方法與常規(guī)TFT方法相似，而等離子體氧化TFT方法，包括附加的SiO2層(SiO2層1)，以改進多晶硅和SiO2層之間的界面。
在評價和比較這二類TFT的性能時，等離子體氧化的TFT的性能，在所有方面都比參比TFT好。對于等離子體氧化TFT，獲得的n-溝道遷移率值為170cm2V-1s-1，與其相比，參比TFT的該值為120cm2V-1s-1。對于等離子體氧化TFT，獲得的亞閾斜率值為0.4V/十進制，與其相比，基準TFT的該值為0.64V/十進制。對于等離子體氧化TFT，獲得的開路電流值比參比TFT的值低一個數(shù)量級。所有這些結(jié)果都表明，等離子體氧化TFT的性能大大優(yōu)于參比TFT的性能。
權(quán)利要求
1.一種制造SiO2膜的方法，其包括在總壓力為90kPa-110kPa的惰性氣體和氧化氣體存在下，施加RF電能的步驟，以產(chǎn)生包含反應(yīng)性氧化物質(zhì)的等離子體，反應(yīng)性氧化物質(zhì)與基片的硅部分反應(yīng)，以將至少一部分硅轉(zhuǎn)化成SiO2。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的RF電能的頻率為1MHz-100MHz。
3.權(quán)利要求1的方法，其中將所述的RF電能施加到電極之間，電極之間的間距為5mm以下。
4.權(quán)利要求1的方法，其中采用氦、氬、氖、氪、和氙中的任一種或選自氦、氬、氖、氪、和氙中至少二種的任一種混合物作為惰性氣體。
5.權(quán)利要求1的方法，其中采用氧、臭氧、H2O、和N2O中的任一種或選自氧、臭氧、H2O、和N2O中至少二種的任一種混合物作為氧化氣體。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化氣體的分壓是總氣壓的0.05-15％。
7.權(quán)利要求1的方法，其中將所述待氧化的硅放置在施加RF電能以產(chǎn)生等離子體的電極之間。
8.權(quán)利要求9的方法，其中所述RF的功率密度為0.5-10W/cm2。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述待氧化的硅并不放置在產(chǎn)生等離子體的電極之間，而是將由施加RF電能在電極之間產(chǎn)生的等離子體隨后轉(zhuǎn)移到硅。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述RF的功率密度為1-100W/cm2。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述硅的溫度為20-700℃。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述硅的溫度為20-430℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的制造SiO2膜的方法，其中還進行SiO2膜的退火處理，退火處理包括熱退火、快速熱退火和激光退火中的至少一種。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述的退火處理在包含氫的環(huán)境中進行的。
15.權(quán)利要求1的方法，其中該加工步驟是在有含氟化合物存在下進行的，含氟氣體的分壓小于氣體總壓的1％。
16.權(quán)利要求1的方法，其中該加工步驟是在有含氯化合物存在下進行的，含氯氣體的分壓小于氣體總壓的5％。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體的混合物除了包含惰性氣體和氧化氣體外，還包含氮或含氮的化合物。
18.一種金屬絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)器件或薄膜晶體管(TFT)器件，其中包含根據(jù)權(quán)利要求1的方法制造的SiO2膜。
19.權(quán)利要求18的方法，其中采用所述的SiO2膜作為金屬絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件或薄膜晶體管器件的柵極絕緣材料或部分柵極絕緣材料。
20.一種制造氮化硅膜的方法，其包括在總壓為90kPa-110kPa的惰性氣體和氮化物氣體存在下，施加RF電能的步驟，以產(chǎn)生包含反應(yīng)性氮化物質(zhì)的等離子體，反應(yīng)性氮化物質(zhì)隨后與基片的硅部分反應(yīng)，以將至少一部分硅轉(zhuǎn)化成氮化硅。
21.權(quán)利要求20的方法，其中采用氦、氬、氖、氪、和氙中的任一種或選自氦、氬、氖、氪、和氙中至少二種的任一種混合物作為惰性氣體。
22.權(quán)利要求20的方法，其中采用氮、NH3、和N2O中的任一種或選自氮、NH3、和N2O中至少二種的任一種混合物作為氮化氣體。
23.權(quán)利要求20的方法，其中將所述的硅放置在施加RF電能產(chǎn)生等離子體的電極之間。
24.權(quán)利要求20的方法，其中并不將所述的硅放置在產(chǎn)生等離子體的電極之間，而是將由施加RF電能在電極之間產(chǎn)生的等離子體隨后轉(zhuǎn)移給硅。
25.根據(jù)權(quán)利要求20制造氮化硅膜的方法，其中還進行氮化硅膜的退火處理，退火處理包括熱退火、快速熱退火和激光退火中的至少一種。
26.權(quán)利要求25的方法，其中所述的退火處理是在包含氫的環(huán)境中進行的。
27.一種金屬絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)器件或薄膜晶體管(TFT)器件，其中柵極絕緣材料或部分柵極絕緣材料是由根據(jù)權(quán)利要求20制造的氮化硅制成的。
28.一種制造SiO2膜的方法，其包括在總壓為1kPa-110kPa的惰性氣體和氧化氣體存在下，施加RF電能的步驟，以產(chǎn)生包含反應(yīng)性氧化物質(zhì)的等離子體，隨后反應(yīng)性氧化物質(zhì)與基片的硅部分反應(yīng)，以將至少一部分硅轉(zhuǎn)化成SiO2。
29.一種制造氮化硅膜的方法，其包括在總壓為1kPa-110kPa的惰性氣體和氮化氣體存在下，施加RF電能的步驟，以產(chǎn)生包含反應(yīng)性氮化物質(zhì)的等離子體，隨后反應(yīng)性氮化物質(zhì)與基片的硅部分反應(yīng)，以將至少一部分硅轉(zhuǎn)化成氮化硅。
30.一種制造絕緣膜的方法，其包括在總壓為1kPa-110kPa的惰性氣體和試劑氣體存在下，施加微波電能的步驟，產(chǎn)生包含反應(yīng)性試劑物質(zhì)的等離子體，隨后反應(yīng)性試劑物質(zhì)與基片的硅部分反應(yīng)，以將至少一部分硅轉(zhuǎn)化成絕緣膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及在室溫和1大氣壓下,在硅上生成SiO
文檔編號H01L21/318GK1351760SQ00804309
公開日2002年5月29日 申請日期2000年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月27日
發(fā)明者K·拉梅舒 申請人:精工愛普生株式會社