專利名稱：電介體膜及其形成方法，使用其的半導體裝置及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電介體膜及其形成方法、以及使用電介體膜的半導體裝置及其制造方法。
背景技術：
電介體膜是由氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si2N3)所構成的膜，這些電介體膜是使用在如半導體裝置的閘極絕緣層、或透鏡被覆層方面。此外，電介體膜是利用如等離子體(plasma)氧化法而形成(例如參照專利文獻1與2)。
(專利文獻1)日本專利特開平11-279773號公報(第4至7頁、第1圖)(專利文獻2)日本專利特開2001-102581號公報(第3至5頁、第1圖)發(fā)明內容在上述專利文獻1與2中，公開有相關電介體膜的高速化形成與該膜低損傷化的等離子體(plasma)高密度化及低溫化。但是，上述專利文獻1所記載的方法，雖可將低溫環(huán)境下的電介體膜予以高速化形成，但是并無法形成優(yōu)質的電介體膜。此外，上述專利文獻2所記載的方法，因為在電介體膜中含有與構成該電介體膜的元素不同的其它元素，因此將產生結晶構造上的缺陷，而無法形成優(yōu)質的電介體膜。
還有，當將不具有高品質的電介體膜，使用在如半導體裝置的閘極絕緣層、或透鏡被覆層的情況時，將產生半導體裝置的電氣特性劣化(譬如動作速度或信賴性降低)、或透鏡的光學特性降低(譬如折射率降低)等現象。所以，電介體膜的品質對半導體裝置的電氣特性、或透鏡光學特性具有很大的影響。
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供改善了品質的電介體膜及其形成方法，及采用電介體膜的半導體裝置及其制造方法。
本發(fā)明的電介體膜直接或間接的形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份上，并含有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅、硅與氮組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅、或者含有硅與氧的組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅或硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅的氮氧化硅。
直接或間接的在上述玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份上形成硅層或硅化合物層，上述電介體膜便可形成在上述硅層或硅化合物層的至少其中一部份上。由此方式，便可對耐熱性低的玻璃基板或塑料基板形成電介體膜。
上述塑料基板可采用由聚醯亞胺樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚醚砜樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚對萘二甲酸乙二酯樹脂、或聚酯樹脂所構成。
本發(fā)明的電介體膜的形成方法是形成上述電介體膜的方法，包含有準備表面上具有直接或間接在上述玻璃基板或塑料基板上其中一部份形成有硅層的基板；以及將上述硅層表面在由構成上述電介體膜的至少其中一種元素所構成氣體經激發(fā)而形成的具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)中施行處理。
上述氣體最好是由氧分子、氮分子或氨分子所構成。
上述氣體最好還含有由稀有氣體元素所構成的氣體，而上述由稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上。
還有，上述稀有氣體元素最好是氬、氙或氪。
還有，最好上述氣體是氧分子，上述稀有氣體元素是氙，由上述等離子體(plasma)所產生光的能量是在8.8eV以下。
供產生上述等離子體(plasma)用的電源頻率最好是在2.45GHz以上。
上述玻璃基板或塑料基板最好是加熱至90℃以上、400℃以下。
本發(fā)明的半導體裝置具有含上述氧化硅的電介體膜，而上述電介體膜是形成在直接或間接形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份上的硅層上的至少其中一部份上。另外，本發(fā)明的另一半導體裝置具有含上述氮化硅的電介體膜，而上述電介體膜是形成在直接或間接形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份的硅層的至少其中一部份上。此外，本發(fā)明的另一半導體裝置具有含上述氮氧化硅的電介體膜，而上述電介體膜是形成在直接或間接形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份的硅層上的至少其中一部份上。
上述電介體膜最好是在閘絕緣層厚度方向并構成該閘絕緣層的其中一部份。
上述電介體膜是形成在直接或間接形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份上的硅層的至少其中一部份上。
上述半導體裝置的塑料基板可采用上述樹脂。
本發(fā)明制造上述半導體裝置的方法，包含有準備具有直接或間接形成在上述玻璃基板或塑料基板上其中至少一部份上的硅層的基板；以及將上述硅層表面在由構成上述電介體膜的至少其中一種元素所構成氣體經激發(fā)而形成具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)中施行處理。
上述氣體最好是由氧分子、氮分子或氨分子所構成。
上述氣體最好是還含有由稀有氣體元素所構成的氣體，而由上述稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上。此外，上述稀有氣體元素最好是氬、氙或氪。另外，最好上述氣體是氧分子，上述稀有氣體元素是氙，由上述等離子體(plasma)所產生光的能量在8.8eV以下。
供產生上述等離子體(plasma)用的電源頻率最好是2.45GHz以上。
上述玻璃基板或塑料基板最好是加熱至90℃以上、400℃以下。
上述電介體膜最好是在閘絕緣層厚度方向并構成該閘絕緣層的其中一部份。
發(fā)明的效果根據本發(fā)明，電介體膜是含硅與氧的組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅，此組成比大致等于氧化硅(SiO2)的硅與氧的理想組成比(即，化學計量學組成比1∶2)。另一電介體膜是含硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅，此組成比大致等于氮化硅(Si3N4)的硅與氮的理想組成比的3∶4。再另一電介體膜是具有含硅與氧的組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅或硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅的氮氧化物，氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)的組成比，大致等于理想組成比。
所以，本發(fā)明的電介體膜在結晶構造上的缺陷極少，具有高品質，具有提高采用電介體膜的半導體裝置的電氣特性或透鏡光學特性的作用。
上述塑料基板因為可設定為由上述樹脂所構成者，因此可對具可撓性的基板形成電介體膜。
根據本發(fā)明的電介體膜的形成方法，上述硅層表面將曝露在由構成上述電介體膜的至少其中一種元素所構成的氣體存在的環(huán)境下，而具有3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)中。在等離子體(plasma)中，將產生具2×1013個cm-3以上原子密度的上述氣體元素的原子狀氣體(如離子之類的電離狀態(tài)氣體)，促進硅與上述氣體元素間的鍵結，便可形成具有大致等于硅、與構成電介體膜的至少其中一種元素間的理想組成比(即，化學計量學組成比)的組成比，且含硅的如氧化膜或氮化膜的電介體膜。
根據此方式所獲得電介體膜，在結晶構造上的缺陷極少，具有較高品質。所以，可生產電氣特性好的半導體裝置、或光學特性好的透鏡。
還有，等離子體(plasma)具有等離子體(plasma)內的溫度將隨等離子體(plasma)電子密度的增加而降低的性質，且在上述具有3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)內，其溫度將在400℃以下。隨電子密度的增加將更可降低至200℃以下。所以，便可對耐熱性低的玻璃基板或塑料基板形成電介體膜。
借由將上述氣體設定為由氧分子、氮分子、或氨分子所構成，便可形成具有大致等于理想組成比的組成比的氧化硅或氮化硅、或者含有具有這種組成比的氧化硅或氮化硅的氮氧化硅的電介體膜。
借由將上述氣體設定為還含稀有氣體元素所構成的氣體，且上述由稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上，便可進一步促進硅與構成電介體膜的至少其中一種元素間的鍵結，而可形成具有更趨近理想組成比的組成比的氧化硅或氮化硅、或者含有具有這種組成比的氧化硅或氮化硅的氮氧化硅的電介體膜。
借由將上述稀有氣體元素設定為氬、氙或氪，便可進一步促進硅、與構成電介體膜的至少其中一種元素間的鍵結。
若將上述氣體設定為氧分子，將上述稀有氣體元素設定為氙，并將由上述等離子體(plasma)所產生光的能量設定在8.8eV以下的話，便可防止在隨上述鍵結而產生的SiO2內，隨上述能量的電子激發(fā)而產生電洞的現象發(fā)生。因為SiO2的滿帶(filled band)與導帶(conduction band)之間的能帶間隙能量為8.8eV，因此若具有8.8eV以上能量的光射入于SiO2中的話，滿帶內的電子將被激發(fā)至導帶，而在滿帶中產生電洞。此種電洞在當電介體膜使用作為如半導體裝置的閘絕緣層的情況時，便將被捕捉(trap)在結晶構造上的缺陷中，而使半導體裝置的電氣特性產生變化。
借由將供產生上述等離子體(plasma)的電源頻率設定在2.45GHz以上，便可更有效率的產生具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)。
借由將上述玻璃基板或塑料基板加熱至90℃以上、400℃以下，便可采用耐熱性較小的玻璃基板或塑料基板。
根據本發(fā)明的半導體裝置，半導體裝置便具有形成在硅層上，且含大致等于理想組成比的氧化硅(SiO2)的電介體膜。另外，另一半導體裝置具有形成在硅層上，且含大致等于理想組成比的氮化硅(Si3N4)的電介體膜。再另一半導體裝置具有形成在硅層上，且含大致等于理想組成比的氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)的氮氧化硅的電介體膜。
借由上述，便可形成含有結晶構造上缺陷極少的氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅的電介體膜的半導體裝置，可提升半導體裝置的信賴性與電氣特性。
借由將上述電介體膜形成為在閘絕緣層厚度方向并構成該閘絕緣層的其中一部份，便將可提高上述閘絕緣層與上述硅層之間的界面特性，并可提升作為閘絕緣層的功能。
若根據將上述電介體膜形成在直接或間接形成在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份上的硅層的至少其中一部份上，便可對耐熱性低的玻璃基板或塑料基板形成電介體膜。
借由上述半導體裝置的塑料基板采用上述樹脂，便可對具可撓性的基板形成電介體膜。
根據本發(fā)明制造半導體裝置的方法，上述硅層的表面將如同上述，被曝露在上述等離子體(plasma)中，可形成具有大致等于理想組成比的組成的含硅的如氧化物、氮化物、或氮氧化物的電介體膜的半導體裝置。
根據此方法因為可形成含有結晶構造上缺陷極少，極接近(或等于)理想組成比的組成比的含硅的如氧化物或氮化物的電介體膜，因此可提高電介體膜的品質。所以，可提高半導體裝置的信賴性與電氣特性。
借由將上述氣體設定為由氧分子、氮分子、或氨分子所構成，便可形成含有如同上述的氧化硅或氮化硅、或者具有氧化硅或氮化硅的氮氧化硅的電介體膜的半導體裝置。
將上述氣體設定為還含稀有氣體元素所構成的氣體，且上述由稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上?；蛘?，將上述稀有氣體元素設定為氬、氙或氪?；蛘?，將上述氣體設定為氧分子，將上述稀有氣體元素設定為氙，由上述等離子體(plasma)所產生光的能量在8.8eV以下。借此，便可形成具有不致發(fā)生隨電子或電洞的捕捉，而改變特性的電介體膜的半導體裝置。
借由將供產生上述等離子體(plasma)的電源頻率設定在2.45GHz以上，便可廉價且更有效率的產生上述等離子體(plasma)。
借由將上述玻璃基板或塑料基板加熱至90℃以上、400℃以下，便可如同上述，采用耐熱性較小的基板。
借由將上述電介體膜形成為在閘絕緣層厚度方向并構成該閘絕緣層的其中一部份，便可如同上述，提高作為閘絕緣層的功能。


圖1是實施本發(fā)明的電介體膜的形成方法，可采用的等離子體(plasma)產生裝置的例子的概略側視圖；圖2是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖3是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖4是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖5是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖6是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖7是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖8是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖9是本發(fā)明的電介體膜極及其形成方法的說明圖；圖10(a)至(f)是本發(fā)明的半導體裝置及其制造方法的說明圖；圖11是本發(fā)明的電介體膜及其制造方法的說明圖；圖12是本發(fā)明的電介體膜及其制造方法的說明圖；圖13是本發(fā)明的電介體膜及其制造方法的說明圖。
具體實施例方式
在詳細說明本發(fā)明實施例之前，敘述其要。
本發(fā)明在硅層上形成電介體膜的方法，是將由氧或氮所構成氣體予以激發(fā)，而產生具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)。借此便將產生氧或氮的原子密度為2×1013個cm-3以上原子狀氣體(如離子之類的電離狀態(tài)氣體)。在這種等離子體(plasma)環(huán)境下，將形成由氧化硅或氮化硅所構成電介體(如電介體膜)。借此即便在400℃以下(甚至200℃以下)，仍可高速的形成具高品質的電介體膜。
借由取代上述氣體，而改為將含稀有氣體元素的氣體予以激發(fā)，而產生具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)，并將由氧或氮所構成氣體導入此等離子體(plasma)中，也可產生氧或氮的原子密度為2×1013個cm-3以上原子狀氣體(如離子之類的電離狀態(tài)氣體)。此情況下，即便在400℃以下(甚至200℃以下)，仍可高速的形成具高品質的電介體膜。
據此，供產生等離子體(plasma)用的氣體采用由稀有氣體元素所構成氣體，并在其中混合氧或氮，借此便將增加等離子體(plasma)的電子密度，增加構成氣體的分子的分解效率。特別是若將稀有氣體混合比設定在90％以上的話，上述電子密度將急劇增加而效果更好。
若增加供產生等離子體(plasma)用的電源頻率的話，即便電源電力相同，仍可增加等離子體(plasma)的電子密度，并增加構成氣體的分子的分解效率。
在電介體膜的形成中，若利用X光光電子光譜分析法(X-ray PhotoelectronSpectroscopy，以下稱“XPS”)，求取對基板在90℃以上溫度施行加熱的狀態(tài)下，所形成電介體膜內的構成元素組成比，則可獲得氧化硅中的硅與氧的組成比為較1∶1.94更優(yōu)越的分析結果，且氮化硅中的硅與氮的組成比為較3∶3.84更優(yōu)越的分析結果。采用這些電子裝置(如薄膜晶體管之類的半導體裝置)，相比于已知半導體裝置，可提高接口位準(interfacelevel)或漏電流等電氣特性，而且因為電氣特性長期間不致產生變化，因此也將提高信賴性。
實施例1可采用供形成電介體(如電介體膜)用的等離子體(plasma)處理裝置(如圖1所示等離子體(plasma)處理裝置10)。圖示的裝置10具備有供產生等離子體(plasma)用的微波產生電源裝置12，以及調整微波頻率與功率的諧調器(tuner)14。即，在電源裝置12輸出端連接于導波管16的一端，在此導波管16中間處連接著諧調器14。導波管16的另一端連接于同軸纜線18一端，在此同軸纜線18的另一端連接著用以將微波功率均勻的輸出到反應室22內的環(huán)形狹縫天線(radial slot antenna)20。環(huán)形狹縫天線20是以同軸纜線18連接部為中心軸并具有多數的槽，且具有大致等于被處理基板24大小、或大于被處理基板24的大小。
此外，在環(huán)形狹縫天線20的相對面上，設置著穿透過上述微波的材料(如石英窗26)。此石英窗26是氣密的安裝在供形成反應室22用的如氣密容器21的上蓋之上。在氣密容器21側壁面，在比被處理基板24更上方位置處，設置著供導入反應氣體用的氣體導入管23，并在比被處理基板24更下方位置處，設置著供將經處理完畢的排放氣體予以排放用的排氣管27。
氣體導入管23是利用配管而連接于反應氣體氣瓶(未圖示)。
排氣管27是利用配管而連接于排氣泵(未圖示)。構成借由控制著此排氣泵的排氣量，而可將反應室22內壓力調整為所需壓力值的構造。在氣密容器21側壁面，設置著開口(port)32，可氣密插入對反應室22內所產生的等離子體(plasma)的電子密度或發(fā)光進行分析用的探針。
還有，在氣密容器21側壁面上，設置著在將被處理基板24施行搬入、搬出之時進行開閉的閘閥(未圖示)。在反應室22底部設置著供載置經搬入的被處理基板24用的支撐板28。此支撐板28在相當于中心軸的背面處設置著支撐軸，此支撐軸連接于驅動裝置30。
驅動裝置30具有使支撐板28進行上下移動的功能。上下移動是在被處理基板24出入時、及在等離子體(plasma)氧化處理之時，設定在石英窗26與被處理基板24間的距離進行上下移動。依此便構成表面波等離子體(plasma)式等離子體(plasma)產生裝置10。
被處理基板24是在表面形成硅層25的被處理體。被處理基板24如玻璃基板、塑料基板。
經諧調器14調整頻率與功率后的微波，經由導波管16內的同軸纜線18，供應給具有大小如264mm外徑的環(huán)形波導狹縫天線(以下稱“RLSA(radial line slot antenna)”)20。供應給環(huán)形波導狹縫天線20的微波將經由石英窗26而傳播至反應室22內，將從氣體導入管23所供應的處理氣體予以激發(fā)。結果，在呈既定真空度狀態(tài)的反應室22內將發(fā)生等離子體(plasma)。此等離子體(plasma)確認到呈現所謂表面波等離子體(plasma)的高電子密度狀態(tài)。至少其中一部份形成硅層的基板24，在距裝置10的石英窗26為比如54mm的距離處，使上述硅層與石英窗26呈相對向狀態(tài)的配置在反應室22內的支撐板28上。
窗狀分析用開口32是根據等于基板24與石英窗26間的間隔距離，設置呈僅距石英窗26為54mm的距離。開口32使用朗繆爾探針(Langmuir Probe)進行電子密度測量與發(fā)光分析。借此便可獲得相當于基板24上的電子密度測量與發(fā)光分析結果。
由上述氧化硅所構成膜的氧化硅膜膜厚，是將基板在不破壞真空的情況下，移動至測量容器中，并利用原位橢圓測厚儀(insitu ellipsometer)進行測量。
在實施例1中，基板24是采用P型(100)硅單晶晶圓基板。首先，在反應室22內施行真空排氣處理之后，將氧與氪(以下稱“Kr”)的氣體分子導入到反應室22內，直到反應室22內的氣體壓力到達100Pa為止，在基板24在300℃溫度下施行加熱的狀態(tài)下，將具2.45GHz頻率且1000W功率的微波供應給反應室22內，對基板24上所形成的硅層25施行氧化處理。此氧化處理是利用在反應室22內所產生電子密度較高的如3×1011個cm-3以上的表面波等離子體(plasma)對硅層25施行氧化。對上述硅層25施行氧化處理的時間為4分鐘。測量經此硅層25的氧化處理而在硅層25表面上所形成氧化硅膜的厚度。
還有，在由Kr與氧(O2)混合氣體所構成的電子密度如3×1011個cm-3以上的表面波等離子體(plasma)中，施行硅層25的氧化處理，并測量在硅層25表面上所形成的氧化硅膜厚度。當改變Kr與氧的各種氣體混合比時，在硅層25表面上所形成氧化硅膜的厚度，圖示于圖2。如圖2所示，得知在Kr與氧混合氣體中，Kr氣體分壓約90％以上的表面波等離子體(plasma)中所形成的氧化硅膜最厚。
其次，將相關微波的頻率與功率設定為如同上述的條件，在氧氣體壓力100％的環(huán)境(即僅存在氧的環(huán)境)、及在氣體分壓Kr/O2為97％/3％的環(huán)境所構成二個不同環(huán)境下，分別產生的等離子體(plasma)內，在將上述基板24表面上所形成硅層25，在90℃至350℃范圍內的各種溫度進行加熱的狀態(tài)下，使硅層25產生氧化而形成具有4nm厚度的氧化硅膜，測量硅與氧的組成比。
硅與氧組成比測量中所采用的分析方法，為X光光電子光譜分析法(X-ray PhotoelectronSpectroscopy，以下稱“XPS”)。分析結果如圖3所示。
關于在上述Kr/O2為97％/3％的表面波等離子體(plasma)中氧化，并在硅層25表面上所形成的氧化硅，二氧化硅(SiO2)的硅與氧的化學計量學組成比為1∶2，而實際所形成氧化硅SiOX的X值，在基板24加熱溫度約350℃時便為約1.98，此數值極逼近化學計量學組成比。換句話說，此數值是顯示獲得SiO2的結晶構造缺陷非常少的氧化硅膜。此外，即便在基板24加熱溫度約90℃之時，X值仍約1.94，此數值也接近化學計量學組成比，顯示此時的氧化硅膜組成屬于良好狀態(tài)。
在上述僅存在氧的表面波等離子體(plasma)中施行氧化，而在硅層25表面上所形成氧化硅，在基板24加熱溫度約90℃至約350℃的范圍內，上述X值為約1.91至約1.94。如圖3所示，當在Kr/O2為97％/3％的表面波等離子體(plasma)中施行氧化處理的情況時，比O2為100％的表面波等離子體(plasma)中施行氧化處理的情況下，形成X值較接近2.00的SiO2的膜組成較好的氧化硅膜。
為分析此原因，便利用已知的感光測定法(Actinometry)，測量氧的原子密度(單位為任意單位a.u.(arbitrary unit))。將Ar氣體為分壓的僅1％的量添加于上述氣體中，從氧原子的926nm發(fā)光與Ar的750nm發(fā)光的二個光強度比，求取氧原子的相對密度。結果如圖4所示。由圖4中得知，Kr與O2混合氣體中的Kr分壓在90％以上，氧原子將急劇增加，并與氧化硅膜的膜厚變化傾向(參照圖2)一致。此外，相關Kr/O2為90％/10％的情況，利用表觀質量分析法(appearance mass analyzing method)測量氧原子密度。依照此方法，在測量上雖需要時間，但是相關原子并非上述相對原子密度，而是可測量絕對原子密度。上述氧原子的絕對原子密度的測量結果，獲得2×1013個cm-3值。
關于此種傾向的一致，針對氧原子密度的數值分析結果，如圖5所示。隨氧氣體分子與電子間的沖撞而所產生的氧原子(生成反應1，以空白方塊(口)表示)，將隨O2分壓的減少而成直線減少。而，隨氧氣體分子與Kr氣體分子間的沖撞而所產生的氧原子(生成反應2，以黑方塊(■)表示)，在Kr/O2為50％/50％時最多，且將隨Kr的增加而減少。生成反應1與2如下式所示。
生成反應1生成反應2為進行相關這些生成反應的分析，采用朗繆爾探針測量等離子體(plasma)的電子密度。結果如圖6所示。由圖6中得知，若Kr與O2混合氣體中的Kr分壓達90％以上的話，等離子體(plasma)的電子密度將急劇增加。當測量等離子體(plasma)的電子密度為3×1011個cm-3以上時的氧原子密度的結果，氧原子密度為2×1013個cm-3以上。此外，發(fā)現在僅有Kr的氣體環(huán)境下的等離子體(plasma)電子密度較高，且隨氧氣體逐次少量導入于此等離子體(plasma)內，將產生氧原子，并降低等離子體(plasma)的電子密度。
由圖6所示等離子體(plasma)電子密度的測量結果值、與圖5所示利用數值分析所得計算值，便可獲得圖7所示圖形。判斷為等離子體(plasma)電子密度的增加對氧原子密度的增加極具影響力。依照氧化反應理論，氧原子將擴散在隨氧化而所產生的氧化硅膜中，在所謂擴散速率(diffusion limited)狀態(tài)下的氧化硅膜厚度，則如圖8所示，為氧原子數的平方根。如圖8所示，可判斷數值分析的值與氧化硅膜的厚度測量值非常一致。
如上述，發(fā)現在具有3×1011個cm-3電子密度的等離子體(plasma)內，氧原子密度將達2×1013個cm-3以上。
為分析有關硅的等離子體(plasma)氧化膜特性，便測量等離子體(plasma)氧化膜的紅外線吸收光譜。圖11所示為相關氪相對于氪·氧混合氣體的比γ(即，γ＝Kr/(Kr+O2))，在各種基板溫度下測量γ＝0(％)的等離子體(plasma)氧化膜的紅外線吸收光譜的結果。同樣的，圖12所示為γ＝97(％)的情況時，依各種基板溫度所制成等離子體(plasma)氧化膜的紅外線吸收光譜的結果。測量中所采用試料的等離子體(plasma)氧化膜厚度為5至8nm。如圖11所示，當采用γ＝0(％)的O2等離子體(plasma)時，所獲得氧化硅膜的橫光學聲子模(TO phonon mode)的峰值波數，若使基板溫度降低為350℃、300℃、200℃，便將分別降低為1069cm-1、1066cm-1、1064cm-1。如圖12所示，當采用γ＝97(％)的Kr/O2等離子體(plasma)時，所獲得氧化硅膜的橫光學聲子模的峰值波數，幾乎成定值(在圖示例中為1070cm-1)，且至少在圖示溫度范圍內并未隨基板溫度變化。橫光學聲子模的峰值波數，則如圖12所示，大致等于950℃下的熱氧化硅膜的峰值波數。此顯示若采用Kr/O2等離子體(plasma)，即便低溫仍可獲得好的氧化膜。
實施例2采用圖1所示等離子體(plasma)處理裝置10并利用等離子體(plasma)氧化法，在氣體分壓Kr/O2為97％/3％的表面波等離子體(plasma)中，對基板24表面上所設置的硅層25施行氧化，而在硅層25表面上形成4nm厚度的氧化硅膜41之后，再在此氧化硅膜41上，利用硅酸四乙酯(Tetra Ethyl Ortho Silicate；以下稱“TEOS”)與O2混合氣體，采用頻率帶為VHF帶域的化學氣相沉積裝置(VHF-CVD裝置)，利用等離子體(plasma)輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)法而形成50nm的氧化硅膜(SiO2)42。在此氧化硅膜42上形成鋁電極而制作電容器，利用電容電壓特性(C-V特性)測量接口位準密度。
其測量結果如圖9所示。接口位準密度是4×1010cm-2eV-1。此值小于利用CVD法直接形成氧化膜42時的值1.4×1011cm-2eV-1接口特性獲改善。其次，在150℃的環(huán)境溫度下，對電容器施加正與負的3MV/cm直流電壓30分鐘，以施行信賴性測試。特別是當施加負電位時，平帶電壓(flat-band voltage)將產生變化。當利用上述具有3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)而所形成的4nm氧化硅膜41的情況時，平帶電壓的變化將從-1.8V至-1.4V，此變化量在相比于未具有利用上述等離子體(plasma)所形成氧化硅膜41時的平帶電壓的-2.5V至-1.4V的變化量，前者顯示變化量較小，信賴性獲得改善。
實施例3未采用上述稀有氣體，僅在氧的等離子體(plasma)中使硅產生氧化，而形成氧化硅膜。
如同實施例1，使用圖1所示等離子體(plasma)處理裝置10，對反應室22內施行真空排氣處理之后，將氧氣體分子導入到反應室22內，直到反應室22內的氣體壓力到達40Pa為止，在基板24在300℃溫度下施行加熱的狀態(tài)下，將具2.45GHz頻率且3000W功率的微波供應給反應室22內，而產生具有3×1011個cm-3電子密度的等離子體(plasma)，對基板24表面上所形成的硅層25施行氧化處理。上述硅的氧化處理時間為4分鐘。
測量經氧化處理而在硅上所形成氧化硅膜的組成。硅與氧的組成比為1∶1.94。此氧化硅膜屬于膜組成佳的電介體。
實施例4
在未采用稀有氣體且使電源頻率上升，而增加等離子體(plasma)的電子密度。如同實施例1，使用圖1所示等離子體(plasma)處理裝置10，對反應室22內施行真空排氣處理之后，將氧氣體分子導入到反應室22內，直到反應室22內的氣體壓力到達40Pa為止，在基板24在300℃溫度下施行加熱的狀態(tài)下，將電源頻率從2.45GHz上升至10GHz的頻率且1000W功率的微波供應給反應室22內，而產生具有3×1011個cm-3電子密度的等離子體(plasma)，對基板24表面上所形成的硅層25施行氧化處理。上述硅的氧化處理時間為4分鐘。
經氧化處理而所形成氧化硅膜的硅與氧的組成比為1∶1.94。
實施例5形成氮化硅膜的情況時的實施例。采用2.45GHz電源頻率，并將混合氣體設定為Ar混合比率為Ar/(Ar+N2)＝95％、氣體壓力為80Pa，并將微波供應功率為1000W的功率供應給反應室22，而產生表面波等離子體(plasma)并施行等離子體(plasma)處理，使在硅層25表面上形成氮化硅膜。經氮化處理而所形成氮化硅膜的硅與氮的組成比為3∶3.84。
實施例6針對氧化硅膜，調查氧化溫度與漏電流密度間的關系。圖13所示是相關利用純氧等離子體(plasma)所形成的氧化硅膜、與利用Kr混合氧(Kr＝97％)等離子體(plasma)所產生的氧化硅膜，其氧化溫度與漏電流密度(施加2MV/cm時的電流密度)間的關系圖。氧化硅膜厚度為4nm。利用Kr混合氧等離子體(plasma)所產生的氧化硅膜，當氧化溫度從350℃降低200℃時，漏電流密度將減小至1.5×10-9A/cm2以下，且?guī)缀鯚o變化。反之，利用純氧等離子體(plasma)所形成的氧化硅膜，漏電流密度將隨溫度降低而增加。在上述實施例中，雖針對表面波等離子體(plasma)狀態(tài)進行敘述，但并不僅限于此。
所層積的膜可為各種組合。當實施例2的情況，在利用氧等離子體(plasma)對硅表面施行氧化之后，再利用PECVD法形成氧化硅膜。此外，也可利用氮(N2)等離子體(plasma)對硅表面施行氮化之后，再利用PECVD法形成氮化硅膜。
即便取代上述電介體膜，含有具備硅的氧化物與氮化物的氮氧化硅膜的電介體膜，仍可形成含有具理想組成比的氧化硅或氮化硅的氧氮硅化膜的電介體膜。即，利用實施例1的方法，施行等離子體(plasma)氧化而形成SiO2層，再對此SiO2層利用實施例5的方法施行等離子體(plasma)氮化處理，便可獲得形成Si3N4的電介體。此形成順序也可相反為之。
上述基板是玻璃基板或塑料基板?；蛘?，也可對上述玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份，直接或間接的形成硅層或硅化合物層，上述電介體膜也可形成在上述硅層或硅化合物層上的至少其中一部份上。
上述塑料基板可采用由聚醯亞胺(Polyimide)樹脂(最高溫度275℃)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone)樹脂(以下稱“PEEK”。最高溫度250℃)、聚醚砜(Polyethersulphone)樹脂(以下稱“PES”。最高溫度230℃)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)樹脂(以下稱“PEI”。最高溫度200℃)、聚對萘二甲酸乙二酯(Polyethylenenaphthalate)樹脂(以下稱“PEN”。最高溫度150℃)、或聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephalate)樹脂(以下稱“PET”)之類的聚酯(Polyester)樹脂(最高溫度120℃)等所構成。
當采用上述玻璃基板的情況時，在制造步驟中的環(huán)境溫度、及施加于上述玻璃基板的溫度，一般可采用約600℃的最高溫度。此外，當采用上述塑料基板的情況時，在制造步驟中的環(huán)境溫度、及施加在上述塑料基板的溫度，可就上述各樹脂分別采用各自的上述最高溫度。
在上述實施例中，借由如將上述硅的全部，改變?yōu)榫咄该餍阅さ难趸枘?，便可作為透鏡的被覆層。上述氧化硅膜，如上述，因為硅與氧的組成比具有理想組成比，因此便形成較好的透鏡被覆層的光學特性(如折射率)。
實施例7在Kr/O2為97％/3％的等離子體(plasma)中，對基板24表面上所設置的硅層25施行等離子體(plasma)氧化而所形成的氧化硅膜，施行等離子體(plasma)氮化處理，形成氮氧化硅膜，即，將上述電介體膜當作半導體組件絕緣層[如薄膜晶體管(以下稱“TFT”)]的閘絕緣層，借此而改善半導體裝置的漏電流及接口位準，并提高半導體裝置的電氣特性。此外，借由形成至少含組成比為Si∶O2＝1∶1.94的氧化硅、或Si∶N＝3∶3.84的氮化硅的氮氧化硅膜的閘絕緣層，利用提高介電率，便可維持TFT的初期電氣特性及長期維持著此電氣特性，并改善信賴性。
實施例8相關基板采用由聚醯亞胺樹脂所構成的基板而制成薄膜晶體管(以下稱“TFT”)的例子，參照圖10進行說明。在圖10所示例子中，由聚醯亞胺樹脂所構成基板101是在其雙面上，為提高硅的激光結晶化時的耐熱性及防止從上述樹脂釋放出氣體，而分別利用蒸鍍法或濺鍍法形成具200nm厚度的氧化硅層(未圖示)。
在制造半導體裝置之際，首先，如圖10(a)所示，在基板101上依序形成基底絕緣層102與非晶質硅層103之后，再對非晶質硅層103施行脫氫處理。如圖10(b)所示，一邊對玻璃基板101朝箭頭105所示方向進行掃描，一邊對非晶質硅層103表面廣范圍進行激光光照射。經激光光照射范圍的非晶質硅層103，便如圖10(c)所示，結晶化成多晶硅層106。
將多晶硅層106的預定區(qū)域予以部分去除之后，再如圖10(d)與(e)所示，在多晶硅層106上形成閘絕緣層107與閘極110之后，以閘極110為罩幕，對多晶硅層106的其中一部份，通過閘絕緣層107值入n型或p型雜質，而在多晶硅層106的其中一部份處形成源極區(qū)域108與汲極區(qū)域109。閘絕緣層107則如同實施例2中所說明的，在Kr/O2為97％/3％的等離子體(plasma)中，將基板24的表面上所設置的硅層25施行氧化，而在硅層25上形成4nm厚度的氧化硅膜41之后，再在此氧化硅膜41上，在TEOS與O2混合氣體的等離子體(plasma)環(huán)境中，采用VHF-CVD裝置形成50nm的氧化硅膜(SiO2)42。
其次，參照圖10(f)，利用激光光照射，將源極區(qū)域108與汲極區(qū)域109內的雜質予以活性化之后，形成層間絕緣層111。在位于源極區(qū)域108與汲極區(qū)域109各區(qū)域上方的閘絕緣層107與層間絕緣層111的部分，形成接觸洞，并形成供將源極區(qū)域108與汲極區(qū)域109予以電氣耦接用的源極112與汲極113，再形成供傳輸電氣訊號用的金屬配線114。
借此，便可獲得流通在源極區(qū)域108與汲極區(qū)域109之間的信道區(qū)域115的電流，由對閘極110的施加電壓(即，閘極電壓)而控制的多晶硅薄膜晶體管。
相關電子移動度，在不具有利用上述3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)所形成氧化硅膜的情況時為50cm2/(V·s)，相對于此，當具有上述氧化硅膜的情況時則為80cm2/(V·s)，已提高電子移動度。此外，針對信賴性測試，分別將源極電位、汲極電位、與閘極電位設定為0V、5V及5V，并施行2小時。TFT特性的臨限電壓變化量，當不具有利用等離子體(plasma)所形成氧化硅膜的情況時為2.0V，相對于此，當具有利用等離子體(plasma)所形成氧化硅膜的情況時便為1.0V，確認到已減少。這因為借由本發(fā)明，在低溫環(huán)境下可獲得具有接近化學計量理想組成比的硅的氧化膜、氮化膜、或氧氮化膜的緣故。在上述例子中，塑料基板雖采用由聚醯亞胺樹脂所構成的基板，但是也可改采用由如聚醚醚酮樹脂、聚醚砜樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚對萘二甲酸乙二酯樹脂、或聚對苯二甲酸乙二酯樹脂之類的聚酯樹脂所構成的基板取代。
符號說明10等離子體(plasma)處理裝置12 電源裝置14諧調器 16 導波管
18 同軸纜線 20 環(huán)形波導狹縫天線21 氣密容器 22 反應室23 氣體導入管 24 基板25 硅層 26 石英窗27 排氣管 28 支撐板30 旋轉驅動裝置 32 分析用開口41 氧化硅膜 42 氧化硅膜101 基板 102 基底絕緣層103 非晶質硅層 106 多晶硅層107 閘絕緣層 108 源極區(qū)域109 汲極區(qū)域 110 閘極111 層間絕緣層 112 源極113 汲極 114 金屬配線115 信道區(qū)域
權利要求
1.一種電介體膜，其特征在于，在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份，直接或間接形成的電介體膜，此電介體膜至少在膜厚方向的其中一部份，含有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅。
2.一種電介體膜，其特征在于，在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份，直接或間接形成的電介體膜，此電介體膜至少在膜厚方向的其中一部份，含有硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅。
3.一種電介體膜，其特征在于，在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份，直接或間接形成的電介體膜，此電介體膜至少在膜厚方向的其中一部份，含有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅、或硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮氧化硅。
4.如權利要求1至3中任一項所述的電介體膜，其特征在于，在上述玻璃基板或塑料基板上至少其中一部份，直接或間接的形成硅層或硅化合物層，而上述電介體膜是形成在上述硅層或硅化合物層上至少其中一部份上。
5.如權利要求1至4中任一項所述的電介體膜，其特征在于，其中，上述塑料基板是由聚醯亞胺樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚醚砜樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚對萘二甲酸乙二酯樹脂、或聚酯樹脂所構成。
6.一種電介體膜的形成方法，其特征在于，供形成權利要求1至5中任一項的電介體膜的方法，其中包含有準備表面上具有直接或間接形成在上述玻璃基板或塑料基板上其中一部份的硅層的基板；以及將上述硅層表面，在由構成上述電介體膜的至少其中一種元素所構成氣體經激發(fā)，而形成具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)中施行處理。
7.如權利要求6所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，上述氣體是由氧分子、氮分子或氨分子所構成。
8.如權利要求6或7所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，上述氣體還含有由稀有氣體元素所構成的氣體，而上述由稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上。
9.如權利要求8所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，上述稀有氣體元素是氬、氙或氪。
10.如權利要求6至9中任一項所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，上述氣體是氧分子，上述稀有氣體元素是氙，由上述等離子體(plasma)所產生光的能量是在8.8eV以下。
11.如權利要求6至10中任一項所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，供產生上述等離子體(plasma)用的電源頻率是在2.45GHz以上。
12.如權利要求6至11中任一項所述的電介體膜的形成方法，其特征在于，其中，上述玻璃基板或塑料基板是加熱至90℃以上、400℃以下。
13.一種半導體裝置，其特征在于，具有在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份直接或間接形成的硅層上的至少其中一部份上形成的電介體膜，且硅與氧的組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的含氧化硅的電介體膜。
14.一種半導體裝置，其特征在于，具有在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份直接或間接形成的硅層上的至少其中一部份上形成的電介體膜，且硅與氮組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的含氮化硅的電介體膜。
15.一種半導體裝置，其特征在于，具有在玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份直接或間接形成的硅層上的至少其中一部份上形成的電介體膜，且具有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅、或硅與氮的組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅的含氮氧化硅的電介體膜。
16.如權利要求13至15中任一項所述的半導體裝置，其特征在于，其中，上述電介體膜是在閘絕緣層厚度方向并構成所述閘絕緣層的其中一部份。
17.如權利要求13至16中任一項所述的半導體裝置，其特征在于，其中，上述塑料基板是由聚醯亞胺樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚醚砜樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚對萘二甲酸乙二酯樹脂、或聚酯樹脂所構成。
18.一種半導體裝置的制造方法，其特征在于，制造權利要求13至17中任一項半導體裝置的方法，其中包含有準備具有直接或間接形成在上述玻璃基板或塑料基板上的至少其中一部份的硅層的基板；以及將上述硅層表面，在由構成上述電介體膜的至少其中一種元素所構成氣體經激發(fā)，而形成具3×1011個cm-3以上電子密度的等離子體(plasma)中施行處理。
19.如權利要求18所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述氣體是由氧分子、氮分子或氨分子所構成。
20.如權利要求18或19所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述氣體還含有由稀有氣體元素所構成的氣體，而上述由稀有氣體元素所構成氣體的分壓是總壓力的90％以上。
21.如權利要求20所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述稀有氣體元素是氬、氙或氪。
22.如權利要求20所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述氣體是氧分子，上述稀有氣體元素是氙，由上述等離子體(plasma)所產生光的能量是在8.8eV以下。
23.如權利要求18至22中任何一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，供產生上述等離子體(plasma)用的電源頻率是在2.45GHz以上。
24.如權利要求18至23中任何一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述玻璃基板或塑料基板是加熱至90℃以上、400℃以下。
25.如權利要求18至24中任何一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，其中，上述電介體膜是薄膜晶體管的閘絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種即便在低溫環(huán)境下也可形成改善了品質的電介體膜及其形成方法、以及使用電介體膜的半導體裝置及其制造方法。利用稀有氣體稀釋或提高電源頻率等方法，而產生高電子密度等離子體(plasma)，借由產生高密度氧原子或氮原子而形成高品質電介體膜。電介體膜形成在基板的至少其中一部份上，且含有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅、硅與氮組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅、或者含有硅與氧組成比為(1∶1.94)至(1∶2)的氧化硅或硅與氮組成比為(3∶3.84)至(3∶4)的氮化硅的氮氧化硅。
文檔編號H01L29/786GK1505116SQ20031011436
公開日2004年6月16日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權日2002年12月3日
發(fā)明者后藤真志, 中田行彥, 東和文, 岡本哲也, 也, 彥 申請人:株式會社液晶先端技術開發(fā)中心