專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，特別涉及制造有優(yōu)異絕緣性能的介質(zhì)膜的半導(dǎo)體器件的方法。
半導(dǎo)體器件或液晶顯示(LCD)裝置中，絕緣膜或介質(zhì)膜用于確保半導(dǎo)體器件或LCD裝置中的電路元件之間的電絕緣。而且，絕緣膜或介質(zhì)膜用于構(gòu)成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件中的存儲(chǔ)電容的電介質(zhì)，或有源矩陣型LCD裝置的每個(gè)像素中的輔助電容器的介質(zhì)。這種絕緣膜或介質(zhì)最好用氧化硅、氮化硅、氧化鋁或氧化鉭制成。
所來，半導(dǎo)體器件上每單位面積的電路元件的封裝密度已增大，LCD裝置的圖像顯示清晰度也明顯提高，結(jié)果，存儲(chǔ)電容器的尺寸，即用作存儲(chǔ)電容器的絕緣膜或介質(zhì)膜的面積已減到最小。這種絕緣膜或介質(zhì)膜的面積減至最小時(shí)，介質(zhì)膜的靜電容量也減小。因而，為了不減小靜電容量，必須減小膜厚?；蚴褂糜懈呓殡姵?shù)的材料作電介質(zhì)層。然而，隨著膜厚減小，膜層耐壓(或擊穿電壓)減小，因而，就可靠性而言對(duì)膜厚減小應(yīng)有某種限制。
而且，具有高介電常數(shù)的例如氧化鉭膜引起人們注意。然而在用陽極氧化法制成氧化膜時(shí)，與氧化硅膜等比較，氧化鉭膜常有較大的漏電流和有較差的絕緣性。這是因?yàn)檠趸g膜包括電子陷阱或空間電荷極化。在用反應(yīng)濺射法制成氧化鉬膜的情況下由于下氧化物數(shù)量增大，使漏電流增大。
為此當(dāng)將氧化鉭膜用于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)電容器時(shí)，功耗增大，當(dāng)氧化鉭膜用于像素的輔助電容器時(shí)，或用于有源矩陣型LCD裝置的玻璃襯底的保護(hù)絕緣膜時(shí)，在顯示時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障。
為了容易地提高用氧化鉭、氧化鋁等制成的金屬氧化膜的絕緣性，在絕緣氧化膜形成后緊接著對(duì)其進(jìn)行附加的熱氧化處理。
該熱氧化法通常分為兩種，一種熱氧化是用包括蒸汽的混合氣體在1000℃以下的溫度下進(jìn)行，(以下稱作濕退火)。另一種熱氧化是用無蒸汽的只有干燥氣體進(jìn)行的(以下稱為干退火)。通常，需要熱氧化時(shí)，可用濕退火或干退火中的任何一種。
然而，按這種常規(guī)方法獲得的這種絕緣氧化膜的絕緣性不足，而且耐壓特性可能也不好。某些情況下，在氧化絕緣膜表面只會(huì)出現(xiàn)橫向漏電流。
本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法包括下列工藝步驟在1000℃以下的溫度，用包含蒸汽和氧的混合氣體在襯底上形成絕緣氧化膜的氧化步驟；除去殘留在絕緣氧化膜上的離子，獲得高絕緣的電介質(zhì)膜。
按本發(fā)明的另一方案，制造半導(dǎo)體器件的方法包括以下各工藝步驟在包含蒸汽和氧的混合氣體中，絕緣氧化膜的濕退火步驟；和在退火步驟之后，使絕緣氧化膜上殘留的離子還原的離子除去步驟。
本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的濕退火步驟中，使絕緣氧化膜在1000℃以下的溫度退火處理。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，進(jìn)行濕退火步驟同時(shí)升高退火溫度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，離子除去步驟包括，在含氧但基本上無蒸汽的氣體中對(duì)絕緣氧化膜退火的干退火步驟。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在濕退火步驟之后，緊接著在濕退火步驟用的同一室內(nèi)進(jìn)行干退火步驟。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，離子除去步驟包括用臭氧等離子體對(duì)絕緣氧化膜表面處理的步驟。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，離子除去步驟包括用氧等離子體對(duì)絕緣氧化膜表面處理的步驟。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，絕緣氧化膜是用濺射法淀積在襯底上的。
按本發(fā)明，在1000℃以下的溫度，用含蒸汽和氧的混合氣體首先氧化絕緣氧化膜。結(jié)果，在膜表面上留有易移動(dòng)的離子。隨后，為了除去殘留離子，進(jìn)行熱氧化工藝。經(jīng)過這樣處理，促進(jìn)了絕緣氧化膜內(nèi)部的氧化，使膜表面的絕緣性能得到改進(jìn)。
因此，本文所描述的發(fā)明提供了制造半導(dǎo)體器件的方法，使半導(dǎo)體器件有高絕緣的優(yōu)異耐壓特性和小的表面漏電流的電介質(zhì)膜的優(yōu)點(diǎn)。
本行業(yè)的技術(shù)人員，在閱讀并理解了以下的結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)說明之后，會(huì)更加明了本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)。
圖1是表示按本發(fā)明第1和第2實(shí)施例對(duì)絕緣氧化膜退火時(shí)溫度分布與氣體引入時(shí)間的曲線圖。
圖2是表示用常規(guī)的濕退火法對(duì)絕緣氧化膜退火時(shí)，溫度分布與氣體引入時(shí)間的曲線圖。
圖3是表示用常規(guī)的干退火法對(duì)絕緣氧化膜退火時(shí)溫度分布與氣體引入時(shí)間的曲線圖。
圖4是是表示進(jìn)行第1估算的結(jié)構(gòu)剖面圖，并展示了按本發(fā)明第1和第2實(shí)施例中底涂覆絕緣膜2的表面上的漏電流的測(cè)試系統(tǒng)。
圖5是第1實(shí)施例中第1測(cè)試結(jié)果曲線圖，展示了當(dāng)圖4中所示電極3和5加20伏直流電壓時(shí)，氧化鉭底涂覆絕緣膜2表面上漏電流的曲線。
圖6是表示對(duì)第1和第2實(shí)施例的進(jìn)行第2估算的液晶面板的剖面圖，展示出用液晶材料的電流效應(yīng)引起的光漫射，對(duì)相鄰電極間荷電載流子進(jìn)行靜態(tài)估算的測(cè)試系統(tǒng)。
圖7A至7C是第1實(shí)包例中第2估算結(jié)果曲線圖(用氧化鉭作底涂覆絕緣膜)，展示出圖6中從0至100秒在測(cè)試面積內(nèi)的透射率曲線，圖6中電極13與18間加-4伏直流電壓時(shí)，從0至30秒的透射率曲線，和不加電壓時(shí)從30秒至100秒的透射率曲線。
圖8是第2實(shí)施例中第1估算結(jié)果曲線圖，展示出當(dāng)圖4中電極3和5加20伏直流電壓時(shí)，氧化鋁底涂覆絕緣膜2表面上的漏電流曲線。
圖9A至9C是第2實(shí)施例中(用氧化鋁作底涂覆絕緣膜)第2估算結(jié)果曲線圖，展示出在圖6中測(cè)試面積內(nèi)從0至100秒的透射率曲線，當(dāng)圖6中電極13與18之間加-4伏直流電壓時(shí)，從0至30秒的透射率曲線，和不加電壓從30秒至100秒的傳透射率線。
本發(fā)明中，首先進(jìn)行濕退火工藝，使絕緣氧化膜在含蒸汽和氧的混合氣體中退火。然后進(jìn)行離子除去工藝，使絕緣氧化膜中殘留的離子數(shù)量減少。
濕退火中，絕緣膜中氧化物的擴(kuò)散速率高于干退火中絕緣膜中氧化物的擴(kuò)散速率。為此，濕退火可使氧充分地加到絕緣膜內(nèi)部(深部)，因而絕緣膜中的氧空位可被氧填充。因此，用濕退火可改善絕緣膜自身的絕緣性。然后，濕退火情況下，在絕緣膜表面區(qū)同樣有殘留的易移動(dòng)的離子如氫氧離子、氫離子等，因而使絕緣膜表面區(qū)的絕緣性降低。在已濕退火處理的絕緣膜上淀積其它膜時(shí)，這些膜之間的界面處漏電流量增大。另一方面，干退火時(shí)，絕緣膜中氧化物的擴(kuò)散速率較低，因此膜內(nèi)部供氧不足。這會(huì)造成絕緣膜的絕緣性和耐壓特性總的損壞。
按本發(fā)明由于在濕退火后進(jìn)行減少絕緣氧化膜中殘留的離子數(shù)量的離子除去工藝，因而同時(shí)改善了氧化膜自身的體絕緣性的其表面區(qū)的絕緣性。
以后，將用舉例方式結(jié)合


本發(fā)明。例中，將說明包括半導(dǎo)體器件的LCD裝置，如有源矩陣型LCD裝置中，淀積在玻璃襯底上底涂覆絕緣膜上排列有許多半導(dǎo)體薄膜晶體管(TET)。為改善LCD的顯示質(zhì)量，底涂覆絕緣膜應(yīng)有足夠的絕緣性，以防止在底涂覆絕緣膜上所形成的電極間電流泄漏。
例1例1中，氧化鉭用作底涂覆絕緣膜。
首先，在玻璃襯底上用濺射法淀積厚度約3000至4000的五氧化鉭膜形成底涂覆絕緣膜。對(duì)襯底進(jìn)行本發(fā)明圖1所示的熱處理，更具體地說，將襯底放入退火室內(nèi)，使溫度從室溫升至500℃到600℃，溫度低于使淀積的氧化鉭不會(huì)重結(jié)晶成多晶態(tài)的溫度。在溫度從150℃升到600℃的時(shí)間周期(從圖1中圈號(hào)1所指示的時(shí)間周期)內(nèi)將包含蒸汽和氧的混合氣體引入退火室內(nèi)。緊接著，給退火室通入干氧，保溫1到2小時(shí)(圖1中圈號(hào)2所指的時(shí)間周期)，進(jìn)行本發(fā)明的退火工藝。此后，將其上有氧化鉭的襯底冷卻至室溫。
而且，作為對(duì)比例，進(jìn)行濕退火，構(gòu)成圖2所示的另一底涂覆絕緣膜，但退火室內(nèi)的溫度按例1的方式變化。進(jìn)行干退火，構(gòu)成圖3所示的另一底涂覆絕緣膜。濕退火中，在溫度從150℃升到600℃的時(shí)間周期內(nèi)(圖2中圈號(hào)1所示的時(shí)間周期)將包含蒸汽和氧的混合氣體引入退火室內(nèi)，進(jìn)行退火。另一方面，干退火中，在溫度從150℃升到600℃的周期內(nèi)(圖3中圈號(hào)2指的時(shí)間周期)，干氧引入退火室內(nèi)，進(jìn)行退火。
通?？山o插在裝有沸水的容器中水里的管子通入氧氣而生成含蒸汽和氧的混合氣體。這種情況下，控制裝入容器中供給水的氧氣流量和水的溫度，來調(diào)節(jié)含蒸汽和氧的混合氣體中蒸汽與氧氣的比例，典型的水溫設(shè)定在以90℃至100℃。然而，產(chǎn)生包含蒸氣和氧的混合氣體的方法并不限于上述方法。
盡管按10(升/分鐘)的流量給退火室供氧來進(jìn)行干退火，但氧的用量不受此限止，某些情況下，不可避免地會(huì)有少量水進(jìn)入退火室，但這種水(H2O)不會(huì)影響除去絕緣氧化膜表面區(qū)內(nèi)殘留的離子，干退火中，必須使火室內(nèi)的氣體基本上不含蒸汽(或水)。干退火中，在退火室內(nèi)即使含有除氧氣以外的氣體如大氣中的氮?dú)?，也能充分地除去殘留離子，在該例中盡管干退火周期為1至2小時(shí)，但1小時(shí)以上的時(shí)間周期就足夠有效地除去易移動(dòng)的離子。然而在溫度低于500℃時(shí)進(jìn)行干退火，則必須連續(xù)退火1小時(shí)以上，為此，最好在500℃以上進(jìn)行退火。
正如以上對(duì)本發(fā)明的例1中2個(gè)相應(yīng)的對(duì)比例描述的，在玻璃襯底上形成的本發(fā)明的底涂覆絕緣膜包括三種。參見圖4，在以標(biāo)號(hào)1表示的玻璃襯底上形成的底涂覆絕緣膜(通常用2表示)。隨后，在底涂覆絕緣膜2上順序形成第1電極3，絕緣膜4和第2電極5，如圖4所示。首次估算是測(cè)量在電極3和5之間加20伏電壓時(shí)的漏電流，該測(cè)量與底涂覆絕緣膜2與絕緣膜4之間界面的絕緣性能有關(guān)，即，與底涂覆絕緣膜2表面區(qū)的絕緣特性有關(guān)。當(dāng)該表面區(qū)中的漏電流隨時(shí)間明顯增大時(shí)，這會(huì)引起載流子以電容器電極泄漏，使存儲(chǔ)功能或顯示質(zhì)量變壞。這里，電極3和5由鉭構(gòu)成，絕緣膜4由氧化鉭膜構(gòu)成。電極3和5不必用同樣材料構(gòu)成，例如，電極3可用鉭構(gòu)成，電極5可用透明導(dǎo)電材料如ITO等構(gòu)成。
圖5是表示漏電流測(cè)試結(jié)果曲線圖。橫座標(biāo)代表時(shí)間T(小時(shí))，縱坐標(biāo)表示電流I(A/mm2)。圖5中曲線(a)表示如圖2所示的濕退火的情況，圖5中曲線(b)表示如圖1所示的本發(fā)明的本例情況，圖5中曲線(c)表示如圖3所示的干退火的情況。
正如從漏電流變化所看到的，按本例處理中的漏電流減小幾乎與干退火處理中漏電流減小相同。這表示絕緣膜表面區(qū)上不存在易移動(dòng)的離子，盡管由于引入了含蒸汽和氧的混合氣體還會(huì)存在其它形式的易移動(dòng)的離子。
而且，制成圖6所示的液晶顯示板以進(jìn)行第2估算，該液晶顯示板中，在玻璃襯底1上設(shè)置的底涂覆絕緣膜2上形成電極13，兩個(gè)絕緣膜14和15，和校準(zhǔn)膜16。在另一玻璃襯底1上依次構(gòu)成電極18和校準(zhǔn)膜16。使兩塊玻璃襯底1彼此相對(duì)其間設(shè)置液晶材料17。第2估算過程如下。用液晶材料的電流效應(yīng)，給電極13與18之間加-4伏電壓，時(shí)間為0至30秒，從30秒至100秒不加電壓。在那個(gè)周期中，靜態(tài)估算相鄰電極13之間的荷電載流子。當(dāng)?shù)淄扛步^緣膜2的絕緣性能，即估算對(duì)象差時(shí)，相鄰的電極13之間出現(xiàn)漏電流，由此引起相鄰電極13之間的透光區(qū)內(nèi)載流子帶電，結(jié)果使透光區(qū)內(nèi)的液晶材料上產(chǎn)生電壓，如圖6所示。這引起液晶透射率的改變，用光源和設(shè)置在透光區(qū)對(duì)面的光探測(cè)器測(cè)量該變化。以這種方式荷電的載流子與液晶反常校準(zhǔn)類似，導(dǎo)致顯示質(zhì)量變壞。
圖7A至7C是表示估算結(jié)果曲線圖。每個(gè)曲線圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間T(秒)，在該時(shí)間內(nèi)電極13與18之間加相應(yīng)的電壓，如上所述?？v坐標(biāo)是透射過透光區(qū)的透光率(％)。理想情況下，當(dāng)電極13與18之間不加電壓時(shí)，透過透光區(qū)的光是100％。
圖7A用圖2所示濕退火制成的底涂覆絕緣膜2的情況。圖7B是用如圖1所示本發(fā)明的本例制成的底涂覆絕緣膜2的情況。圖7C是用圖3所示干退火制成的底涂覆絕緣膜2的情況。
用7A和7B的結(jié)果表明，在按本發(fā)明的圖7A所示濕退火條件下和圖7B所示的退火條件下透光率沒有變。這是因?yàn)橄噜忞姌O13之間的載流子不帶電。這就是說，根據(jù)本發(fā)明供給膜內(nèi)部的氧與濕退火情況為相同的量級(jí)。
上述第1和第2估算結(jié)果表明。按本例，可促進(jìn)氧供給絕緣氧化膜的內(nèi)部。此外，能充分除去膜表面上的易移動(dòng)的離子。
本例中，在氧化鉭不會(huì)變成多晶態(tài)的溫度進(jìn)行濕退火。隨后，在同一室內(nèi)進(jìn)行離子去除工藝。最好在1000℃以下的溫度進(jìn)行濕退火，以改善絕緣氧化膜的絕緣性能。而且，本發(fā)明還有一個(gè)附帶的優(yōu)點(diǎn)，就是，在同一退火室內(nèi)順序進(jìn)行濕退火和干退火以便除去離子，而使工藝簡(jiǎn)化。
例2例2中氧化鋁用于底涂覆絕緣膜。
首先，在玻璃襯底上用濺射法淀積厚度約3000至4000的氧化鋁膜，形成涂覆絕緣膜。然后按包括本發(fā)明例1所述的退火方式在內(nèi)的三種方法對(duì)各個(gè)底絕緣膜退火。此后，對(duì)按上述方法退火后的氧化鋁進(jìn)行例1所述的第1和第2估算。
圖8展示出按圖4所示條件進(jìn)行的第1估算結(jié)果。圖9A至9C示出按圖6所示條件對(duì)液晶板中進(jìn)行第2估算的結(jié)果。圖8和9A至9C中，曲線(a)表示如圖2中所示的濕退火情況，曲線(b)表示用圖1所示退火條件所代表的本發(fā)明實(shí)例2的情況，曲線(c)表示用圖3表示的干退火情況。
從圖8和9A至9C發(fā)現(xiàn)，在氧化鉭的情況下，本發(fā)明優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。
上述例中，退火工藝的最高溫度設(shè)定為600℃，這個(gè)溫度是考慮到襯底的玻璃變形點(diǎn)決定的。而且，在600℃以下的溫度退火，金屬氧化物不會(huì)從非晶態(tài)變成多晶態(tài)。所用襯底的耐熱性提高時(shí)，經(jīng)過附加的處理可使結(jié)晶溫度提高。因而可使襯底在更高溫度下加熱。然而，最好在1000℃以下進(jìn)行退火工藝。在1000℃以下退火可減少升溫和降溫所需的時(shí)間，這是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。此外，降低制造工藝中的能耗可使生產(chǎn)成本降低。
上述例中，使用引入氧氣的方法作為除去殘留離子的方法，但不能采用紫外臭氧處理或氧等離子處理這種方法，考慮到發(fā)明器件的成本增大，操作和處理工藝的復(fù)雜性時(shí)，采用上述實(shí)例中用的簡(jiǎn)單退火作為基礎(chǔ)工藝的方法有更多的優(yōu)點(diǎn)。
上述實(shí)例中，液晶顯示裝置的玻璃襯底上設(shè)置的薄膜晶體管中，說明了在玻璃襯底上設(shè)置的底涂覆絕緣膜的情況。然而，本發(fā)明不限于這些實(shí)例，而可適用所有在襯底上所形成絕緣膜要求高絕緣性襯底的情況。
采用濺射法作為淀積絕緣氧化膜的方法，但本發(fā)明不受此限制，本發(fā)明也適用于改善用其它方法如等離子CVD法等所淀積的絕緣氧化膜的絕緣性能。
如上面的詳細(xì)描述，按本發(fā)明，在形成絕緣氧化膜后作為其后序處理是連續(xù)地在1000℃以下的溫度用包含蒸汽和氧的混合氣體的氧化工藝和去除殘留離子的工藝。因而，可用比較簡(jiǎn)單的方法獲得優(yōu)異絕緣性能的絕緣氧化膜，其表面上無易移動(dòng)的離子，其內(nèi)部空隙被氧充分填充。因此，按本發(fā)明，用更簡(jiǎn)化的工藝，容易地同時(shí)改善了有絕緣氧化膜的半導(dǎo)體器件和有半導(dǎo)體器件的液晶顯示裝置的質(zhì)量和生產(chǎn)合格率。
在不脫離本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)本行業(yè)的技術(shù)人員會(huì)容易地做出各種其它改型。因而本發(fā)明要求保護(hù)的范圍不限于上述內(nèi)容，而且有廣義的要求。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在1000℃以下的溫度用包含蒸汽和氧的混合氣體來氧化襯底上所形成的絕緣氧化膜；除去殘留在絕緣氧化膜上的離子，以獲得高絕緣的介質(zhì)膜。
2.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列工藝步驟形成絕緣氧化膜；在含蒸汽和氧的混合氣體中對(duì)絕緣氧化膜退火的濕退火步驟；和退火步驟后減少絕緣氧化膜上殘留離子數(shù)量的除去離子的步驟。
3.按權(quán)利要求2的方法，其特征是，進(jìn)行濕退火步驟中絕緣氧化膜在1000℃以下退火。
4.按權(quán)利要求3的方法，其特征是，進(jìn)行濕退火而同時(shí)升高退火溫度。
5.按權(quán)利要求2的方法，其特征是，離子除去步驟包括在含氧但基本不包蒸汽的氣體中對(duì)絕緣氧化膜退火的干退火步驟。
6.按權(quán)利要求5的方法，其特征是，用濕退火步驟的同一退火室進(jìn)行干退火步驟，并在濕退火步驟之后立即進(jìn)行。
7.按權(quán)利要求2的方法，其特征是，離子除去包括用臭氧對(duì)絕緣氧化膜表面處理的步驟。
8.按權(quán)利要求2的方法，其特征是，離子除去步驟包括用氧等離子體處理絕緣氧化膜表面的步驟。
9.按權(quán)利要求2的方法，其特征是，用濺射法在襯底上淀積絕緣氧化膜。
全文摘要
用含蒸汽和氧的混合氣體首先氧化已形成的絕緣氧化膜，由此造成膜表面上殘留易移動(dòng)的離子的狀態(tài)。隨后為除去殘留離子進(jìn)行熱氧化工藝。結(jié)果，促進(jìn)絕緣氧化膜內(nèi)部的氧化。并改善了絕緣氧化膜表面的絕緣性能。因此能獲得有優(yōu)異耐壓特性和很小的或無漏電流的高絕緣電介質(zhì)膜。
文檔編號(hào)H01L21/3105GK1131343SQ95110000
公開日1996年9月18日 申請(qǐng)日期1995年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月22日
發(fā)明者菅野壯晃, 西山幸彥, 藤井秀治 申請(qǐng)人:夏普公司