評價用於半導體裝置的絕緣膜的特性的方法以及形成該絕緣膜的方法

2023-07-11 08:57:11 4

專利名稱：評價用於半導體裝置的絕緣膜的特性的方法以及形成該絕緣膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種評價絕緣膜的特性的方法、一種形成用於半導體裝置的絕緣膜的方法、半導體裝置(semiconductor device)、電子器件(electronic device)以及電子裝置(electronic apparatus)。
背景技術：
近來，在包含有半導體集成電路的裝置中，為了改善其高集成度，每個元件的尺寸日益趨向於小型化。例如，在金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)中，柵極絕緣膜(柵極絕緣體)的厚度變得小於10nm，因此，難以確保絕緣膜的電介質擊穿(dielectricbreakdown)耐受性。
柵極絕緣膜的電介質擊穿包括零時間電介質擊穿(Time ZeroDielectric Breakdown，TZDB)和時間依賴性電介質擊穿(Time-Dependent Dielectric Breakdown，TDDB)。TZDB是柵極絕緣膜的初始破壞，並且是指這樣一種電介質擊穿，其中在施加電介質應力(如電壓應力、電流應力等等)的時刻較大漏電流在絕緣膜中流過。因此，TZDB耐受性可以通過漏電流的測量值來進行評價。
另一方面，TDDB是這樣一種現象，其中從施加電介質應力時起過了一段時間而不是在施加電介質應力的時間點在柵極絕緣膜中發生電介質擊穿。因此，TDDB耐受性可通過直至發生電介質擊穿時流過的漏電流的積分值(Qbd值)來進行評價。
此外，TDDB被分成硬擊穿(HBD)和軟擊穿(SBD)。HBD是眾所周知的電介質擊穿，並在擊穿後大量的漏電流在絕緣膜中流過。
另一方面，SBD是這樣的狀態，在該狀態時流過的漏電流大於在初始絕緣狀態時的漏電流，但又小於在發生HBD以後的漏電流。
HBD是在當將相對高的電介質應力施加至絕緣膜時所發生的電介質擊穿。一旦在HBD發生時洩漏電流流過，則即使絕緣膜在此後保持對其不施加電介質應力，其絕緣性能再也不能被恢復。另一方面，SBD是當對其施加低的電介質應力時經常發生的電介質擊穿。存在這樣的一種情形，其中如果絕緣膜在漏電流發生後保持對其不施加電介質應力則其絕緣性能可以被恢復。因此，其中發生SBD的MOSFET可以起到半導體裝置(半導體元件)的作用，儘管其絕緣性能變得不穩定。此外，隨著時間的推移，SBD可能轉變為HBD。
另外，由於在施加電介質應力後的劣化(變質，deterioration)，存在稱作應力感應漏電流(SILC)的低電場洩漏電流。除了其對絕緣膜的效應而增加漏電流外，作為TDDB的前體的SILC吸引人們的注意。在這點上，即使已進行了各種檢查，但是SILC和SBD的每一個還是存在許多不清楚之處。SBD還被稱為「B模式SILC」，因此，SILC和SBD之間的區別並不清楚。
在絕緣膜的這些劣化模式中，SBD和SILC在使柵極絕緣膜變薄方面尤其成為問題。在柵極絕緣膜(柵極氧化膜)的厚度為10nm或更小的情況下，在10MV/cm或更小的低電場強度範圍內(即在電場強度是10MV/cm或更小範圍的低電壓範圍內)經常發生這種劣化，並且這成為阻礙柵極絕緣膜變薄的主要原因。
例如，日本公開專利申請第2002-299612號披露了一種半導體裝置的絕緣膜(柵極絕緣膜)，其中氫原子的密度被降到一預定值以便防止SILC發生。然而，上述專利申請主要針對防止SILC的發生，因此，在該申請中對SBD的發生既沒有研究也沒有論及。
因此，在目前的情況下，針對防止SBD發生的評價柵極絕緣膜的方法仍沒有被研究。
在這點上，絕緣膜中的每個氫原子以分子氫的狀態存在，或者以與絕緣膜的任一組成元素連接的狀態存在。然而，該專利申請僅限定了氫原子的總數。根據本發明人的思考，應當理解僅通過降低絕緣膜中的氫原子總數來阻止SBD的發生是很困難的。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種評價絕緣膜的方法，利用其可在高度可靠性的情況下進行絕緣膜的評價，其中絕緣膜甚至在變薄該絕緣膜的情況下可以阻止SBD或SILC的發生並且對電介質擊穿如SILC、TZDB、或TDDB具有較高的耐受性(即，可以改善SILC、TZDB、或TDDB的絕緣性能)。
此外，本發明的另一個目的是提供一種已通過上述評價方法進行評價的高度可靠的絕緣膜、包括這樣的絕緣膜的半導體裝置、包括上述半導體裝置的電子器件和電子裝置。
為了實現以上目的，在本發明的一個方面，本發明涉及評價絕緣膜的特性的方法。絕緣膜由作為主要材料的絕緣無機材料形成。絕緣無機材料包含矽和氧，並且絕緣膜包含氫原子。本發明的方法包括以下步驟利用熱脫附譜分析從未被施加電場的絕緣膜；比較H2片段(碎片，fragment)的強度與OH片段的強度，該H2片段的強度和OH片段的強度是在500～1000℃範圍內的溫度下加熱絕緣膜的狀態下進行測量的；以及基於比較結果評價絕緣膜的特性。
這使得有可能甚至在變薄絕緣膜的情況下以高度精確性來評價具有較高電介質擊穿(例如SILC、TZDB、或TDDB)耐受性的絕緣膜。
在本發明的評價絕緣膜的特性的方法(評價方法)中，優選地，評價步驟包括評估(估計)絕緣膜的與比較結果相關的一個或多個特徵值，其中基於該一個或多個評估的特徵值來評價絕緣膜的特性。
根據本發明的評價方法，有可能以高度精確性來評價絕緣膜的特性同時不直接地(即，非破壞性檢查)評價絕緣膜的特性，並且有可能降低其製造成本。
在本發明的評價方法中，優選一個或多個評估的特徵值包括當將電場施加至絕緣膜時待測量的漏電流的值，以及已流過絕緣膜直至在其中發生電介質擊穿的洩漏電流的積分值(下文中稱為「Qbd值」)，其中待評價的絕緣膜的特性包括絕緣膜的電介質擊穿耐受性。
通過評估漏電流值和/或Qbd值，有可能評價絕緣膜的電介質擊穿耐受性。
在本發明的評價方法中，優選在比較步驟中，比較結果利用在500～1000℃範圍內的預定溫度下的H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([H2]/[OH])或將比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])作為指數(指標，index)而獲得，並且在評價步驟中，基於該比較結果來評價絕緣膜的特性。
這使得有可能評估絕緣膜的特徵值(即，漏電流值和/或Qbd值)，因此，有可能確切地評價絕緣膜的特性(包括電介質擊穿耐受性)。
在本發明的評價方法中，優選在評價步驟中，在絕緣膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])小於預定閥值的情況下，被評價的絕緣膜具有可接受的質量。
這使得有可能確切地將具有絕緣膜優異特性(例如，優異的電介質擊穿耐受性)的絕緣膜確定為可接受產品，且有可能以高度精確性完成絕緣膜的質量檢查。
在本發明的評價方法中，優選在絕緣膜中，在至少部分氫原子中的每個氫原子用氘原子D代替。
在這種情況下，優選將其氫原子分別用氘原子代替的H2片段[H2]定義為D2片段[D2]，並且將其氫原子用氘原子代替的OH片段定義為OD片段[OD]，其中在比較步驟中，比較結果利用在500～1000℃範圍內的預定溫度下的D2片段[D2]的強度和OD片段[OD]的強度的比率([OD]/[D2])或比率([OD]/[D2])的積分值(∑[OD]/[D2])作為指數來獲得，並且在評價步驟中，基於該比較結果來評價絕緣膜的特性。
這使得有可能評價其中在至少部分氫原子中的每個氫原子用氘原子D代替的絕緣膜的特性(尤其是SBD)。
在本發明的評價方法中，優選除了矽和氧以外，絕緣無機材料還包括氮、鉿、鋯、和鋁中的至少一種。
根據本發明的評價方法，即使在具有這樣的絕緣無機材料的絕緣膜的情況下，也可能確切地評價絕緣膜的特性。
在本發明的評價方法中，優選絕緣膜的平均厚度為10nm或更小。
將本發明的評價方法用於這樣的薄絕緣膜尤其有效。
在本發明的評價方法中，優選絕緣膜適合在沿其厚度方向將電壓施加至絕緣膜以使在絕緣膜中的電場強度為10MV/cm或更小的條件下被使用。
將本發明的評價方法用於例如要被用於柵極絕緣膜的絕緣膜尤其有效。
在本發明的另一個方面，本發明涉及一種形成用於半導體裝置的絕緣膜的方法。在本發明的一個具體實施方式
中，該方法包括以下步驟基於通過如上述限定的評價方法所獲得的評價結果，設置形成絕緣膜的條件；以及在該條件下形成絕緣膜。
在本發明的另一個具體實施方式
中，形成用於半導體裝置的絕緣膜的方法包括以下步驟基於通過如上述限定的評價方法所獲得的評價結果，設置形成絕緣膜的條件，其中設置條件以使所評價絕緣膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])變得更小；以及在該條件下形成絕緣膜。
在這種情況下，在本發明的形成方法中，優選在設置步驟中，基於所評價絕緣膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])是否小於預定閥值而設置條件。
在本發明的形成方法中，優選該條件包括是否對絕緣膜進行熱處理，以及在對絕緣膜進行熱處理的情況下的熱處理條件。
在本發明的絕緣膜中，優選漏電流沿柵極絕緣膜的厚度方向通過，並在將柵極電壓施加至柵極電極以使在絕緣膜中的電場強度為5MV/cm或更小、為9×10-9A/cm2或更小的狀態下進行測量。
這使得當使用本發明的半導體裝置時，有可能進一步防止絕緣膜的電介質擊穿。
在本發明的絕緣膜中，優選直至在絕緣膜中發生軟擊穿之前，沿其厚度方向上通過絕緣膜的漏電流的積分值為40C/cm2或更大。
這使得當使用本發明的半導體裝置時，有可能進一步防止柵極絕緣膜的電介質擊穿。
在本發明的絕緣膜中，優選直至在絕緣膜中發生硬擊穿之前，沿其厚度方向上通過絕緣膜的漏電流的積分值為100C/cm2或更大。
這使得當使用本發明的半導體裝置時，有可能進一步防止柵極絕緣層的電介質擊穿。
此外，在本發明的另一個方面中，本發明涉及半導體裝置。本發明的半導體裝置包括上述的絕緣膜。
這使得有可能獲得具有優異特性的半導體裝置。
在本發明的又一方面中，本發明涉及電子器件。本發明的電子器件包括上述的半導體裝置。
這使得有可能獲得具有高度可靠性的電子器件。
此外，在本發明的又一方面中，本發明涉及電子裝置。本發明的電子裝置包括上述的電子器件。
這使得有可能獲得具有高度可靠性的電子裝置。


通過以下參照附圖的本發明優選具體實施方式
的詳細描述，本發明的上述和其它目的、特徵、以及優點將變得更加顯而易見。
圖1是縱向橫截面視圖，示出了包括根據本發明一個具體實施方式
的絕緣膜的半導體裝置。
圖2是示出了絕緣膜的分子結構的示意圖。
圖3是示出了絕緣膜的分子結構的示意圖。
圖4A-4H是縱向橫截面視圖，用於解釋說明製造圖1所示的半導體裝置的方法。
圖5是一分解透視圖，示出了在將本發明的電子器件應用於透射式液晶顯示器的情況下的電子器件的具體實施方式
。
圖6是一透視圖，示出了將本發明的電子裝置應用於其上的可移動(或膝上型)個人電腦的結構。
圖7是一透視圖，示出了將本發明的電子裝置應用於其上的可攜式電話(包括個人手機系統)的結構。
圖8是一透視圖，示出了將本發明的電子裝置應用於其上的數位照相機的結構。
圖9是一示圖，示出了當用熱脫附譜分析絕緣膜A和E時獲得的H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([H2]/[OH])與加熱溫度的關係。
圖10是一示圖，示出了在絕緣膜A和E中測得的電場強度變化與漏電流變化之間的關係。
具體實施例方式
在下文中，將以其優選具體實施方式
來描述本發明的評價絕緣膜的方法、絕緣膜、半導體裝置、電子器件及電子裝置。
半導體裝置
首先，將描述本發明的半導體裝置。
圖1是縱向橫截面視圖，示出了包括根據本發明一個具體實施方式
的柵極絕緣膜的半導體裝置。圖2和圖3是每一個示出了絕緣膜的分子結構的示意圖。現在，在利用圖1的以下說明中，為了方便解釋說明，將圖1中的上側和下側分別稱為「上」和「下」。
圖1所示的半導體裝置1包括半導體基板2、設置其以覆蓋半導體基板2的柵極絕緣膜3、以及夾層(層間)絕緣膜4。半導體基板2包括元件分隔結構24、溝道區21、源區22，以及漏區23。半導體裝置1還包括柵電極5，設置其以通過柵極絕緣膜3正對溝道區21；導電部61，其設置在夾層絕緣膜4上並處於柵電極5的上方；導電部62，其設置在夾層絕緣膜4上並處於源區22的上方且起到源電極的作用；導電部63，其設置在夾層絕緣膜4上並處於漏區23的上方且起到漏電極的作用；接觸插頭71，其將柵電極5電連接至導電部61；接觸插頭72，其將源區22電連接至導電部62；以及接觸插頭73，其將漏區23電連接至導電部63。
半導體基板2由半導體材料形成，該半導體材料包括例如矽(如多晶矽、非晶矽等等)、鍺、砷化鎵。如上所述，半導體基板2具有元件分隔結構24，並且溝道區21、源區22、以及漏區23設置在由元件分隔結構24分隔開的區域中。此外，在半導體基板2中，源區22形成於溝道區21的一側部，而漏區23形成於溝道區21的另一側部。
構建元件分隔結構24以使諸如SiO2的絕緣材料嵌入溝槽中。這使得有可能電性地將相鄰元件分開，因此，有可能防止相鄰元件之間的幹擾。例如，溝道區21由本徵半導體形成。每個源區22和漏區23由半導體材料形成，例如，其中本徵半導體摻雜有諸如P+(磷離子)的n型雜質。
應該注意，每個溝道區21、源區22和漏區23都不局限於此。例如，每個源區22和漏區23都可以被構建以由半導體材料形成，其中本徵半導體摻雜有p型雜質。此外，溝道區21可以被構建以由半導體材料形成，其中本徵半導體摻雜有p型或n型雜質。這樣的半導體基板2被絕緣膜(即柵極絕緣膜3和夾層絕緣膜4)所覆蓋。夾在溝道區21和柵電極5之間的絕緣膜(柵極絕緣膜3)部分用作在溝道區21和柵電極5之間產生的電場的通道。
本發明的評價絕緣膜的方法用來評價這種柵極絕緣膜3。後文中將詳細描述這一點(評價方法)。
夾層絕緣膜4的組成材料沒有特別限制，例如，諸如SiO2、TEOS(矽酸乙酯)、聚矽氨烷(poly-silazane)的矽系化合物可以用作夾層絕緣膜4的組成材料。另外，夾層絕緣膜4可以由例如各種樹脂材料、各種陶瓷材料等中的任何一種來形成。導電部61、62和63設置在夾層絕緣膜4上。如上所述，導電部61在溝道區21的上方形成，而導電部62、63分別在源區22和漏區23的上方形成。
此外，在柵極絕緣膜3和夾層絕緣膜4中，在形成溝道區21、源區22和漏區23的區域中分別形成有與柵電極5連通的孔部(接觸孔)、與源區22連通的孔部、以及與漏區23連通的孔部。接觸插頭71、72和73分別設置在這些孔部中。
導電部61通過接觸插頭71連接至柵電極5。導電部62通過接觸插頭72連接至源區22。導電部63通過接觸插頭73連接至漏區23。
其次，將描述柵極絕緣膜3的結構和評價這種柵極絕緣膜3的方法。在本發明中，待評價的柵極絕緣膜3由絕緣無機材料形成，其中絕緣無機材料包含作為主要材料的矽和氧。柵極絕緣膜3還包含氫原子。
在下文中，將作為柵極絕緣膜3和評價這種柵極絕緣膜3的方法的一個實例具體描述這樣一種情形其中柵極絕緣膜3由SiO2膜構成，而SiO2膜由作為主要材料的氧化矽(SiOz，0＜Z≤2，即SiO和SiO2)製成。
更具體地說，如圖2所示，SiO2膜由基本上完整的Si-O鍵合的三維網絡構成，該網絡是通過將一個矽原子與四個氧原子配位以及通過將一個氧原子與兩個矽原子配位而形成的。SiO2膜處於非晶態(無定形狀態)，在該狀態，鍵合的方向性變得紊亂。當通過後面所述的熱氧化法、CVD(化學汽相澱積)法等形成SiO2膜時，由於環境(其包括分子氫和氫原子)中存在的氣體使得氫原子不可避免地混入到SiO2膜的內部。
然後，氫原子以分子氫(H2)形式存在於SiO2膜的內部。在這種情況下，任何氫原子分別與Si-O鍵合結構反應而形成Si-OH結構和Si-H結構(即，侵入SiO2膜)，從而它們對柵極絕緣膜3的電子結構(電子態)產生影響。
本發明的發明人通過第一性原理電子結構模擬，發現了Si-OH結構31，其中一個氧原子與三個其它原子(在圖3中為兩個Si原子和一個H原子)配位，並且發現過剩電子有利於在絕緣膜中流過的電流，即，在絕緣膜中存在的Si-OH結構31越多，則流過柵極絕緣膜3的漏電流越多(即，越容易發生TZDB)。
此外，發明人發現，Si-OH結構31(在其每一個中，一個氧原子與三個其它原子配位)易受到外電場的影響，並通過電場增加而穩定，從而漏電流由於電介質應力(即SILC)而可以增大，通過其可以解釋SBD的產生機制。接著，發明人發現由於這些原因HBD易於發生(即，TDDB易於發生)。
此外，發明人發現，Si-OH結構31(在其每一個中，一個氧原子與三個其它原子配位)的數量隨電介質應力的強度和經受電介質應力的時間而增加，並且發現所獲得的絕緣膜具有極好的電介質擊穿耐受性，而在柵極絕緣膜3經受這樣的電介質應力之前柵極絕緣膜3具有的Si-OH結構31的數量越少。換句話說，其中Si-OH結構31(在其每一個中，一個氧原子與三個其它原子配位)的絕對量在單位體積的SiO2膜(從未對其施加過電場)內較小的絕緣膜具有高度可靠性(特性)。
因此，如果可以測量Si-OH結構31的絕對量，就有可能實現對柵極絕緣膜3的評價。發明人嘗試用熱脫附譜法(TDS法)作為測量SiO2膜中Si-OH結構31的絕對量的方法。
在這點上，TDS法是一種檢測通過加熱樣品而從樣品解吸(解除吸附)出來的片段(氣體)如H2、H2O、OH、以及CO2的方法。在將片段的分子量及其電荷狀態分別定義為M和Z的情況下，所獲得的片段的強度用質譜以M/Z進行檢測。
作為利用TDS法分析SiO2膜的結果，很清楚，在SiO2膜表面上吸附的分子在100～200℃範圍內的溫度下開始解吸，並且直到500℃幾乎所有分子解吸。因此，假定在500℃或更高溫度下檢測的片段(如H2和OH)來源於在SiO2膜中存在的H2和OH。應當認為，有可能通過在500℃或更高溫度下測量OH片段的強度而確定Si-OH結構31的絕對量。然而，由於以下的原因A～C，不可能基於OH片段的強度來確定Si-OH結構31的絕對量。
原因A不可能製備標準樣品，其中在SiO2膜中的Si-OH結構31的量是已知的。因此，不可能形成其分析曲線。因而，不可能基於測得的OH片段的強度精確地獲得Si-OH結構31的絕對量。
原因B在解吸後，來源於SiO2膜中的Si-OH結構31的一部分OH片段變成H2O分子或O2分子。另一方面，包含在SiO2膜中的H2O分子通過電離(離子化)變成OH片段。因此，很難確定解吸的OH片段(即，檢測的OH片段)的來源。
原因C即使來源於Si-OH結構的OH片段的強度可以從所測量的OH片段的強度獲取，但是由於包含在原因B中所提到的SiO2膜中的H2O分子影響所測得的OH片段的強度，所以S/N(信號-噪音)比變得更差。
因此，本發明的發明人進一步堅持研究並發現，在500℃或更高的溫度加熱絕緣膜的狀態下測得的H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([H2]/[OH])與柵極絕緣膜(SiO2膜)3的特性(尤其是，SBD)相關。
估計是由於以下原因。
認為包含在SiO2膜中的H2分子通常存在於由Si-O鍵合的網狀結構象籃子一樣包圍的空間內，並以高速在這樣的空間內擴散。如上所述，一部分H2分子與在SiO2膜的任何位置中的Si-O鍵合結構發生反應而形成Si-OH結構31。已知這種反應發生的可能性極大程度上取決於Si-O鍵合的網狀結構。因此，認為H2分子與Si-OH結構31處於平衡。如上所述，在平衡態下Si-OH結構31的量根據Si-O鍵合的網狀結構的不同而增加或減少，因此，分子氫(H2)的量變得更小或更大。
因此，H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([H2]/[OH])在SiO2膜中的Si-OH結構31的量較大的情況下表示較大的值，而在SiO2膜中的Si-OH結構31的量較小的情況下表示較小的值。因此，有可能使得Si-OH結構31的定量關係更清楚。通過利用這樣的比率的值，有可能由於包含在SiO2膜中的H2O分子等而減少噪音並增加其測量靈敏度。
由於上述的兩個原因，有可能利用H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([H2]/[OH])來評價柵極絕緣膜3的特性。
在這點上，這一比率和柵極絕緣膜3的特性之間的關係在500℃或更高的溫度下被證實。這樣的溫度的上限並不特別地限制。由於在1000℃或更高溫度下SiO2膜的質量變化和劣化，所以優選測量的加熱溫度的範圍在500～1000℃的範圍內。
基於上述這樣的信息形成本發明的評價方法。該評價方法包括以下步驟通過熱脫附譜分析柵極絕緣膜(SiO2膜)3；比較在500～1000℃範圍內的溫度加熱柵極絕緣膜3的狀態下測得的H2片段的強度與OH片段的強度；以及基於比較結果來評價絕緣膜的特性。由於上述的原因B，優選用於比較H2片段的強度與OH片段的強度的溫度在對噪音有影響的範圍內，更具體地說，優選溫度在700～900℃的範圍內。
在這點上，為了評價絕緣膜的電介質擊穿耐受性，必須重複大量試驗以獲得統計數據，並且要花費很長的時間，而完成這些試驗的成本也增加。此外，當然，由於絕緣膜的絕緣性被破壞，所以試驗後的柵極絕緣膜3不能用作產品。
然而，在本發明的評價方法中，評估了與H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比較結果相關的SiO2膜的特徵值，並基於所評估的特徵值來評價SiO2膜的特性。根據這樣的評價方法，有可能以高度精確性、簡單方法以及低成本同時在不直接評價SiO2膜特性的情況下(即，非破壞性檢查)評價柵極絕緣膜(SiO2膜)3。
由於在700～900℃範圍內的加熱溫度對柵極絕緣膜3幾乎沒有影響，所以就有可能利用已應用了評價方法的柵極絕緣膜3。因此，如果將該評價方法用於柵極絕緣膜3的形成工藝，則作為檢查方法該評價方法提供了理想的特性。
在這點上，當利用該評價方法來評價Si-OH結構31的絕對量時，待檢測的柵極絕緣膜3必須是從未被施加電場的膜(即，柵極絕緣膜3未受到電應力)，並且將測量閾值規定為在柵極絕緣膜3未受到電應力的條件下測量H2片段的強度與OH片段的強度時的值。這些點對於使試驗結果(即，H2片段的強度與OH片段的強度)的關係清楚是非常重要的。
待評估的特徵值並沒有特別地限制。優選使用柵極絕緣膜3的洩漏電流值和/或Qbd值(即，直至其中發生電介質擊穿之前已流過絕緣膜的漏電流的積分值)。這使得有可能確切地評價SiO2膜(柵極絕緣膜3)的電介質擊穿耐受性。
除了上述的比率([OH]/[H2])外，例如，當比較在500～1000℃範圍內的溫度加熱柵極絕緣膜3的狀態下測得的H2片段的強度與OH片段的強度時，不同的值、獲自比率和不同值的組合的值等可用作指數值。然而，優選將比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])用作指數。通過利用這樣的指數而獲得的比較結果，有可能使Si-OH結構31的定量關係更清楚，並且降低由於不同於包括在SiO2膜中的Si-OH結構31的分子的噪音。因此，有可能基於比較結果來評估特徵值(即，漏電流值和/或Qbd值)，並且這使得有可能確切地評價SiO2膜的特性(包括電介質擊穿耐受性)。因此，由其獲得可接受的評價結果的柵極絕緣膜3具有較高的電介質擊穿耐受性。
在這點上，比率或比率積分值是否用作指數的可以根據評價對象的類型適宜地進行選擇。利用這樣的指數，可將各種評價方法提為工業可用的評價柵極絕緣膜3的方法。例如，該評價方法可被用於(1)當形成柵極絕緣膜3時，設定條件的情形、(2)確定是否將預定條件加到形成條件的情形、以及(3)評價形成的柵極絕緣膜3的質量的情形。
下文中將依次描述情形(1)～(3)。
(1)當形成柵極絕緣膜3時，設定條件的情形設定形成柵極絕緣膜3的條件以使所評價的絕緣膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])變得更小。這使得有可能將諸如熱處理條件的條件和將形成SiO2膜的方法的步驟順序設置為合適的數值和合適的順序。因此，有可能改善SiO2膜的電介質擊穿耐受性，並且這使得有可能防止發生電介質擊穿。
(2)確定是否將預定條件加到形成條件的情形在當通過將預定條件應用至其來形成SiO2膜時，所評價的SiO2膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])變得小於預定閥值的情況下，將預定條件加到形成隨後的SiO2膜的條件。這使得有可能精確地確定是否將預定條件如熱處理加到形成SiO2膜的條件。因此，有可能確切地防止無用的條件被加到形成條件，因而這使得有可能降低SiO2膜的製造時間和製造成本。
(3)評價所形成的柵極絕緣膜3的質量的情形在所評價的SiO2膜的比率([OH]/[H2])或比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])變得比預定閥值更小的情況下，SiO2膜被評價為具有可接受的質量。這使得有可能確切地確定作為可接受產品的SiO2膜具有優良的電介質擊穿耐受性，並且可以高精度來完成柵極絕緣膜3的質量檢查。此外，在通過這樣的評價方法被評價為可接受產品的SiO2膜用於半導體裝置1的柵極絕緣膜3的情況下，有可能獲得具有穩定的特性和耐久性的半導體裝置1。
柵極絕緣膜3的組成材料(絕緣無機材料)並不限於由上述作為主要材料的氧化矽(SiOz，0＜Z≤2，即SiO和SiO2)形成的材料，並且除了矽和氧，柵極絕緣膜3可以包含其它元素(其它元素的原子)。優選其它元素包括氮、鉿、鋯、和鋁中的至少一種。例如，通過包含氮原子，有可能改善柵極絕緣膜3的緊密性。此外，例如，通過包含氮、鉿、鋯、或鋁，有可能改善柵極絕緣膜3的穩定性和柵極絕緣膜3的介電常數。
本發明的評價絕緣膜的方法包括以下步驟比較H2片段的強度和OH片段的強度；以及評價柵極絕緣膜3的特性。因此，有可能確切地評價包含其它元素或不同於矽和氧的元素的柵極絕緣膜3的特性同時不影響這樣的其它元素。
此外，柵極絕緣膜3中的至少部分氫原子中的每個氫原子可以用氘原子(D)代替。這使得有可能進一步減少對外部電場的不穩定結構(其中氫原子鍵合至絕緣無機材料的組成元素中的不同於矽的元素的結構)。因此，有可能改善柵極絕緣膜3的電介質擊穿耐受性。
在柵極絕緣膜3的至少部分氫原子中的每個氫原子被氘原子(D)代替的情況下，只要降低柵極絕緣膜3中的Si-OD結構的絕對量，就有可能進一步改善這樣的柵極絕緣膜3的電介質擊穿耐受性。這樣的柵極絕緣膜3可以如上所述通過比較H2片段的強度和OH片段的強度加以評價。然而，優選考慮到D2片段的強度和OD片段的強度下評價這樣的柵極絕緣膜3。
更具體地，例如，考慮到在500～1000℃範圍內的預定溫度下的D2片段[D2]和OD片段[OD]，可以將比率[OD]/[D2]、[OH]/[D2]和[OD]/[H2]以及這些比率的積分值提為指數。在它們中，優選將D2片段[D2]的強度和OD片段[OD]的強度的比率[OD]/[D2]或比率[OD]/[D2]的積分值(∑[OD]/[D2])用作指數。這使得有可能評價柵極絕緣膜(SiO2膜)3的特性(尤其是SBD)，其中在柵極絕緣膜3的至少部分氫原子中的每個氫原子可以更加確切地由氘原子(D)代替。
如上所述的形成柵極絕緣膜3的方法將在解釋說明製造半導體裝置1的方法中進行描述。
優選柵極絕緣膜3的平均厚度(平均膜厚度)是10nm或更小，並且更優選在約1～7nm的範圍內。通過將柵極絕緣膜3的厚度限制在上述範圍內，就有可能使半導體裝置1充分地更小。
此外，尤其當使柵極絕緣膜3的厚度變得如上述範圍那樣更薄時，SILC或SBD趨於經常發生。因此，將本發明的評價方法應用到具有這樣的較薄的膜厚度的柵極絕緣膜3是尤其有效的。
此外，優選半導體裝置1適於在將柵極電壓施加於柵電極5以使柵極絕緣膜3中的電場強度為10MV/cm或更小的條件下使用。更優選在柵極絕緣膜3中施加的電場強度為5MV/cm或更小。當將柵極電壓施加至柵極電極5以使其中的電場強度在上述限制範圍內時易於發生的SILC或SBD是一缺陷。將本發明的評價方法應用到待在這種狀態下使用的柵極絕緣膜3是尤其有效的。
在這點上，存在當將更高柵極電壓施加至柵電極5以使電場強度高於上述的上限時發生不可逆轉的電介質擊穿(即HBD)的擔憂。
此外，優選在通過本發明的評價方法評價的柵極絕緣膜3中，沿其厚度方向流過柵極絕緣膜3的漏電流的值是在將柵極電壓施加至柵電極5以使絕緣膜中的電場強度為5MV/cm或更小，漏電流為9×10-9A/cm2或更小的狀態下進行測量的，更優選漏電流是5×10-9A/cm2或更小。通過在柵極絕緣膜3中滿足這樣的條件，當使用半導體裝置1時，柵極絕緣膜3很難發生電介質擊穿。
在這點上，在通過將穩定電流供應至柵極絕緣膜3，在最初產生較小電壓變化的時間點是SBD(軟擊穿)的情況下，優選在通過本發明的評價方法所評價的柵極絕緣膜3中，直至在柵極絕緣膜3中發生軟擊穿(SBD)之前在其厚度方向上通過柵極絕緣膜3的電荷總量為40C/cm2或更大。更優選電荷總量為75C/cm2或更大。通過在柵極絕緣膜3中滿足這樣的條件，當使用半導體裝置1時，柵極絕緣膜3很難發生電介質擊穿。
此外，在產生顯著電壓變化的時間點是HBD(硬擊穿)的情況下，優選在通過本發明的評價方法評價的柵極絕緣膜3中，直至在柵極絕緣膜3中發生硬擊穿(HBD)以前沿其厚度方向通過柵極絕緣膜3的電荷總量為100C/cm2或更大。更優選電荷總量為200C/cm2或更大。通過在柵極絕緣膜3中滿足這樣的條件，當使用半導體裝置1時，柵極絕緣膜3很難發生電介質擊穿。
基於圖1-3所示的優選具體實施方式
，已經描述了將本發明的評價方法應用於半導體裝置1包括的柵極絕緣膜3的情況，但是，本發明的評價方法可以應用於半導體裝置1的夾層絕緣膜4中。
製造半導體裝置的方法
接下來，將描述製造圖1所示的半導體裝置的方法。圖4A至圖4H是用於說明製造圖1所示半導體裝置的方法的縱向橫截面視圖。現在，在下面的使用圖4A-4H的解釋說明中，為了方便說明，將圖4A-4H中的上側和下側分別稱為「上」和「下」。
1如圖4A所示，通過矽局部氧化(LOCOS)方法等在半導體基板2的表面上形成溝槽元件分隔結構24。因此，元件形成區在半導體基板2的表面上被隔開。
2其次，通過在半導體基板2中實施離子摻雜而形成電位阱(well)。例如，在形成p型電位阱的情況下，諸如B+離子等的P型雜質被摻雜到半導體基板2中，而在形成n型電位阱的情況下，諸如P+離子等的N型雜質被摻雜到半導體基板2中。
3接著，如圖4B所示，在半導體基板2上形成柵極絕緣膜3。在這種情況下，形成柵極絕緣膜3的方法包括以下步驟基於通過上述評價方法所獲得的評價結果來設置形成柵極絕緣膜3的條件；以及在該條件下形成柵極絕緣膜3。即，設置條件以使所評價的柵極絕緣膜3的比率([H2]/[OH])或比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))變得更小。可替換地，，基於所評價的柵極絕緣膜3的比率([H2]/[OH])或比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))是否比預定閥值更小來設置條件。在這點上，該條件包括是否對柵極絕緣膜3進行熱處理，以及在對絕緣膜進行熱處理的情況下的熱處理條件。
I氧化矽膜在將氧化矽(SiO2)膜形成為柵極絕緣膜3的情況下，例如，可以採用熱氧化方法、CVD(化學汽相澱積)方法等。
I-1熱氧化方法熱氧化方法是通過向加熱的矽基板上供應含有氧原子的氣體而在矽基板(半導體基板2)表面上形成氧化矽膜的方法。優選加熱溫度在約300～1,000℃的範圍，更優選在約500～800℃的範圍。
由於加熱時間可以根據所需氧化矽膜的厚度進行適當設置，所以對加熱時間沒有特別地限制。例如，在將加熱溫度設定在上述範圍內的情況下，優選加熱時間在約10～90分鐘的範圍，並且更優選加熱時間在約20～60分鐘的範圍。此外，作為含氧原子的氣體，可以提到例如分子氧(純氧)、臭氧、過氧化氫、水蒸汽、一氧化氮、二氧化氮、氧化二氮等。這些中的一種或這些中的兩種或兩種以上的組合可以用作含有氧原子的氣體。
I-2CVD法CVD方法是通過將含有氧化矽前體和氧原子的氣體引入到施加了恆壓的室中並加熱矽基板(半導體基板2)，而在矽基板(半導體基板2)表面上形成氧化矽膜的方法。作為氧化矽的前體，可以提到二氯矽甲烷、六氯乙矽烷、四(烴基-氨基)矽烷、三(烴基氨基)矽烷等。這些中的一種或這些中的兩種或兩種以上的組合可以用作氧化矽的前體。
作為含有氧原子的氣體，例如，可以提到分子氧(純氧)、臭氧、過氧化氫、水蒸汽、一氧化氮、二氧化氮、氧化二氮等。這些中的一種或這些中的兩種或兩種以上的組合可以用作含有氧原子的氣體。此外，優選加熱溫度在約300～1,000℃的範圍，更優選加熱溫度在約500～800℃的範圍。
由於加熱時間可以根據所需氧化矽膜的厚度進行適當設置，所以對加熱時間沒有特別地限制。例如，在將加熱溫度設定在上述範圍內的情況下，優選加熱時間在約10～90分鐘的範圍，並且更優選加熱時間在約20～60分鐘的範圍。此外，優選室內的壓力(真空度)在約0.05 Torr(6.67Pa)至760 Torr(即，大氣壓力1.013×105Pa)的範圍內，更優選為在約0.1 Torr(13.3Pa)至500 Torr(6.67×105Pa)的範圍內。此外，優選氧化矽前體與含有氧原子的氣體的混合比率(摩爾比)為在約10∶1至1∶100的範圍內，更優選為在約1∶2至1∶10的範圍內。
II氮氧化矽膜在將氮氧化矽(SiON)膜形成作為柵極絕緣膜3的情況下，例如，可以利用含氧原子的氣體與含氮原子的氣體的混合氣體來代替在I-2所述的CVD(化學汽相澱積)法中的含氧原子的氣體而形成氮氧化矽(SiON)膜。作為含氮原子的氣體，例如，可以提到氨、聯氨、烷基聯氨化合物、疊氮化氫、一氧化氮、二氧化氮、氧化二氮等。這些中的一種或這些中的兩種或兩種以上的組合可以用作含氮原子的氣體。另外，可以通過在包括例如氮氣(N2)的環境中對氧化矽膜實施熱處理而獲得氮氧化矽(SiON)膜。
III矽酸鉿膜、矽酸鋯膜以及矽酸鋁膜在將矽酸鉿(HfSiO)膜、矽酸鋯(ZrSiO)膜、或矽酸鋁(AlSiO)膜形成為柵極絕緣膜3的情況下，可以採用例如CVD(化學汽相澱積)法、PVD法(物理汽相澱積，如真空蒸發法)、濺射法等。
此外，通過混合兩種或兩種以上的化合物，其中每一種都構成作為柵極絕緣膜3的絕緣膜(即，氧化矽膜、氮氧化矽膜、矽酸鉿膜、矽酸鋯膜、以及矽酸鋁膜)，並通過實施上述的一種方法(本文是濺射方法)或兩種或兩種以上的方法，就有可能形成由多種化合物構成的柵極絕緣膜3。此外，例如，可以在包含水蒸汽(H2O)的環境中對獲得的柵極絕緣膜3實施熱處理等。在這種情況下，優選加熱溫度為在約500～1,200℃的範圍內，更優選為在約700～1,000℃的範圍內。
在將加熱溫度設定在上述範圍內的情況下，優選加熱時間為在約10～90分鐘的範圍內，更優選為在約20～60分鐘的範圍。此外，優選環境的相對溼度在約50～100％RH的範圍，更優選在約75～100％RH的範圍。通過利用上述的方法和條件來形成柵極絕緣膜3，就有可能防止氫原子的混入。這使得有可能減少在柵極絕緣膜中存在的Si-OH結構的量，因此，有可能形成可容忍本發明評價方法的柵極絕緣膜3。
在這點上，作為用氘原子代替柵極絕緣膜3中的每個氫原子的方法，可以提到例如(A)在形成柵極絕緣膜3之後，在含有氘氣(D2)的環境中對柵極絕緣膜3實施熱處理的方法、(B)在形成柵極絕緣膜3時，在含有重水蒸汽(D2O)的環境中對半導體基板2實施熱氧化的方法、(C)在形成柵極絕緣膜3之後，在含有氘化氨(ND3)的環境中對柵極絕緣膜3實施熱處理的方法等等。這些方法中的一種或這些方法中的兩種或兩種以上的組合可以用作用氘原子代替在柵極絕緣膜3中的每個氫原子的方法。
4然後，如圖4C所示，在柵極絕緣膜3上形成導電膜51。可以通過例如CVD方法在柵極絕緣膜3上沉積多晶矽等來形成導電膜51。
5然後，通過例如光刻法等在導電膜51上形成與柵極絕緣膜3的形狀對應的抗蝕劑掩模。接著，通過用蝕刻藉助於抗蝕劑掩模除去導電膜51的不需要部分。因此，有可能獲得如圖4D所示的柵電極5。作為這種蝕刻，可以提到物理蝕刻方法如等離子蝕刻、反應性腐蝕、離子束蝕刻(beam etching)、光輔助蝕刻(photo assistedetching)，化學蝕刻方法如溼法蝕刻等。此外，這些蝕刻方法中的一種或這些方法中的兩種或兩種以上的組合可以用作蝕刻方法。
6然後，如圖4E所示，通過實施將離子摻雜到半導體基板2的柵電極5的兩側中來形成源區22和漏區23。這時，在利用p型雜質形成電位阱的情況下，通過將諸如P+的n型雜質摻雜到柵電極5的兩側中來形成源區22和漏區23。另一方面，在利用n型雜質形成電位阱的情況下，通過將諸如B+的p型雜質摻雜到柵電極5的兩側中來形成源區22和漏區23。
7然後，如圖4F所示，通過在半導體基板2上沉積SiO2等來形成夾層絕緣膜4，其中在基板2上的各個部分利用CVD方法等形成。
8然後，利用例如光刻法等在夾層絕緣膜4上形成其中部分對應於接觸孔開口的抗蝕劑掩膜。接著，利用蝕刻藉助於抗蝕劑掩膜除去夾層絕緣膜4的不需要部分。因此，如圖4G所示，形成了接觸孔41、42、和43以便分別與溝道區21、源區22、和漏區23對應。
9然後，通過例如CVD法等在夾層絕緣膜4(包括接觸孔41、42和43的內部)上沉積導電材料而形成導電膜。
10然後，利用例如光刻法等在導電膜上形成與導電部形狀對應的抗蝕劑掩膜。接著，利用蝕刻藉助於抗蝕劑掩膜除去導電膜的不需要部分。因此，如圖4H所示，形成導電部61、62、和63以及接觸插頭71、72、和73以便分別與溝道區21、源區22和漏區23對應。
通過上述步驟，製成了半導體裝置1。
電子器件
將上述半導體裝置1應用於各種類型的電子器件中。在下文中，作為代表性實施例，描述包括本發明的半導體裝置1的本發明電子器件被應用於透射式液晶顯示器(LCD)的情況。
圖5是分解透視圖，示出了在將本發明的電子器件應用於透射式液晶顯示器的情況下的電子器件的具體實施方式
。在這點上，為了避免附圖過於複雜，在圖5中省略了透射式LCD的部分構件(部件)。此外，在下面的利用圖5的解釋說明中，為了方便說明，將圖5中的上側和下側分別稱為「上」和「下」。
圖5所示的這種發射液晶顯示器10(下文中，透射式液晶顯示器10將簡稱為「液晶顯示器10」)包括液晶面板(顯示面板)20、和背光(光源)60。液晶顯示器10可以通過從背光60將光發射至液晶面板20來顯示圖像(信息)。液晶面板20具有第一板220和第二板230，它們彼此相向地設置。此外，在第一板220和第二板230之間設置有密封件(未示出)以使顯示區被密封件所圍繞。
為電光材料的液晶被容納在由第一板220、第二板230以及密封件所限定的空間內，從而形成液晶層(中間層)240。即，液晶層240被插入到第一板220和第二板230之間。
雖然省略了圖解說明性的描述，但由例如聚醯亞胺構成的定向膜被設置在液晶層240的上和下表面的每個表面上。構成液晶層240的液晶分子的取向(定向方向)由這些定向膜所控制。
第一板220和第二板230中的每個板由例如各種類型的玻璃材料、各種類型的樹脂材料等中的一種形成。第一板220設置有多個圖形電極(picture electrode)223，其以矩陣方式排列在第一板220的上表面221(即，朝向液晶層240的表面)上；掃描線224，均沿圖5中的X方向延伸；以及信號線228，均沿圖5中的Y方向延伸。
每個圖形電極223由具有透明性(光學透明性)的透明導電膜構成，並通過一個半導體裝置(即，本發明的半導體裝置)1連接至一條掃描線224和一條信號線228。在第一板220的下表面上設置有極化板225。另一方面，第二板220設置有對置電極(opposingelectrode)232，其是由在第二板下表面231(即，朝向液晶層240的表面)上的多個條(strip)構成的。這些對置電極232被排列成大致相互平行，以便相互之間可以以一預定距離間隔開並朝向圖形電極223。
在圖形電極223和對置電極232相互重疊的部分(包括相鄰部分)構成一個像素。通過在圖形電極223和對置電極232之間的充電和放電，在每個像素中，驅動液晶層240中的液晶，即，改變液晶的定向狀態。
對置電極232也由具有透明性(光學透明性)的透明導電膜構成，如同圖形電極223。在每個對置電極232的下表面上均設置有包括紅(R)、綠(G)和藍(B)的三個有色層(濾色片)233中的每一個。這些有色層233由黑色矩陣(黑底，black matrix)234所劃分。
黑色矩陣234具有光阻(light blocking)效應，並且由例如諸如鉻、鋁、鋁合金、鎳、鋅、鈦的金屬、或其中分散有碳等的樹脂形成。此外，在第二板230的上表面上設置有極化板235，該極化板235的偏轉軸(deflecting axis)不同於極化板225的偏轉軸。
在具有這樣的結構的液晶面板20中，從背光60發射的光，在被極化板225偏轉之後，通過第一板220和圖形電極223而進入液晶層240。進入液晶層240的光的強度由液晶(其每個像素的定向狀態受控制)調節。強度被調節的光穿過有色層233、對置電極232和第二板230，然後由極化板235偏轉以從液晶顯示器10的外側出來。因此，在液晶顯示器10中，有可能從第二板230的液晶層240的相對側看到彩色圖像(包括移動圖像和靜止圖像)，如字母、數字符號、和圖形(圖片形式)。
在這點上，在上述的解釋說明中，作為代表性實施例，已經描述了將本發明的電子器件應用到有源矩陣驅動型透射式液晶裝置上的情形。然而，本發明並不限於此。另外，有可能將本發明的電子器件應用到反射液晶顯示器、有機或無機電致發光顯示器、以及電泳顯示器上。
電子裝置
上述液晶顯示器10(本發明的電子器件)可以用作各種類型電子裝置中的每一個的顯示部。
圖6是透視圖，示出了採用本發明電子裝置的可移動(或膝上型)個人電腦。參考圖6，個人電腦1100設置有具有鍵盤1102的機體1104、和顯示器1106。顯示器1106通過鉸鏈部可旋轉地被支撐在機體1104上。在這種個人電腦1100中，顯示器1106設置有上述的液晶顯示器(電-光裝置)10。
圖7是透視圖，示出了採用了本發明電子裝置的可攜式電話(包括個人手機系統)的結構。參考圖7，可攜式電話1200設置有多個按鈕1202、聽筒1204、話筒1206、以及顯示部。顯示部由上述液晶顯示器(電-光裝置)10構成。
圖8是示透視圖，示出了採用了本發明電子裝置的數位照相機的結構。在該圖中，示意性地示出了數位照相機與其外部設備的連接。普通照相機基於對象的光學圖像曝光銀鹽感光膠片，而數位照相機1300通過利用諸如電荷耦合器件(CCD)的成像裝置光電地將對象的光學圖像轉換為成像信號而產生成像信號(圖像信號)。
上述液晶顯示器10被設置在數位照相機1300的機殼(機體)1302背面上作為顯示部。液晶顯示器10顯示響應由CCD產生的成像信號的圖像，並用作取景器用於以電子圖像來顯示對象。電路板1308設置於機殼1302內部。可以儲存成像信號的存儲器設置在電路板1308上。
此外，包括光學透鏡(成像光學系統)、CCD等的光接收單元1304設置在機殼1302的前表面側。當攝影師確定顯示部上所顯示的對象的圖像時，按下快門按鈕1306，此時CCD的成像信號就轉移到電路板1308的存儲器上並儲存在該存儲器中。
此外，視頻信號輸出端1312和用於數據通信的輸入/輸出終端1314設置在數位照相機1300的機殼1302的側面上。如圖8所示，如果需要，電視監控器1430和個人電腦1440分別連接至視頻信號輸出終端1312和用於數據通訊的輸入/輸出終端1314。此外，通過預定操作，儲存在電路板1308的存儲器中的成像信號被輸出到電視監視器1430或個人電腦1440上。
在這點上，除了圖6所示的個人電腦(可移動個人電腦)1100、圖7所示的可攜式電話1200和圖8所示的數位照相機1300外，本發明的電子裝置還可適用於(或應用到)例如電視機、攝像機、取景器型或監視直接檢景器型的磁帶錄像機、膝上型個人電腦、汽車導航裝置、尋呼機、電子記事本(包括具有通訊功能的電子記事本)、電子字典、袖珍計算器、電子遊戲機、文字處理器、工作站，電視電話、用於防止犯罪的電視監視器、電子望遠鏡、POS(銷售點)終端、具有觸摸面板的裝置(例如，金融機構的現金分發機、自動票據售賣機)、醫療裝置(例如，電子溫度計、血壓計、血糖計、心電圖顯示裝置、超聲波診斷裝置、內診鏡顯示器)、魚探儀、各種測量裝置、計量表(例如，機動車輛、飛機、船等所用儀表)、飛行模擬器、任何其它類型的監視器、諸如投影儀的投射型顯示器等。
基於附圖所示的具體實施方式
，已經描述了根據本發明的半導體裝置、電子器件和電子裝置，但是，應該注意，本發明並不限於該具體實施方式
。半導體裝置、電子器件和電子裝置中的各個部分可用能夠以同樣方式起作用的任意裝置所替換。此外，任何其它部件也可以添加到本發明的半導體裝置、電子器件、以及電子裝置。
實施例下面，將描述本發明的具體實施例。
1.絕緣膜的製造和評價1-1.絕緣膜的製造首先，製備10個絕緣膜，下面將描述5種絕緣膜A至E中的每一種。
絕緣膜A
-1-首先製備表面方向(100)p型矽晶基板(Si(100)基板)。
對矽晶基板實施熱氧化工藝，然後利用CVD法形成氮氧化矽膜(基層)。在750℃下、具有相對溼度為33％RH的水蒸氣(H2O)的環境中實施熱氧化工藝。此外，當室內的壓力為0.02Pa且連續向室內供應二氯矽甲烷氨氣體時，在650℃下實施CVD法40min。
獲得的氮氧化矽膜的厚度為10nm。在這點上，當將電壓(施加的電壓)施加至氮氧化矽膜以使氮氧化矽膜中的電場強度為在5MV/cm至10MV/cm範圍內時，在該氮氧化矽膜中的漏電流極高(1×10-5A/cm2或更高)。
-2-然後，利用CVD法在該氮氧化矽膜上形成氧化矽膜。在這點上，當室內的壓力為大氣壓力並連續向室內提供二氯甲矽烷(SiHCl2)和氧氣(O2)的混合氣體時，在650℃下實施CVD法60min。獲得的氧化矽膜的平均厚度為3.7nm。
-3-然後，對該氧化矽膜實施熱處理，其在900℃下具有相對溼度為95％RH的水蒸氣(H2O)的環境中實施5分鐘。通過實施上述步驟，獲得絕緣膜A。
絕緣膜B至D
除了上述步驟-3-中的熱處理條件外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜B至D。
絕緣膜E
除了省略上述步驟-3-外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜E。
絕緣膜F
除了用重水蒸汽(D2O)的環境代替上述步驟-3-中的水蒸汽(H2O)的環境，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜F。
絕緣膜G
除了在上述步驟-2-中利用CVD法形成氮氧化矽膜外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜G。
絕緣膜H
除了在上述步驟-2-中利用CVD法形成矽酸鉿膜外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜H。
絕緣膜I
除了在上述步驟-2-中利用CVD法形成矽酸鋯膜且在上述步驟-3-中用氮氣(N2)環境代替水蒸汽(H2O)環境外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜I。
絕緣膜J
除了在上述步驟-2-中利用CVD法形成矽酸鋁膜且在上述步驟-3-中用氮氣(N2)環境代替水蒸汽(H2O)環境外，通過實施上述形成絕緣膜A的步驟及方法，獲得絕緣膜J。
表1

1-2.絕緣膜的評價1-2-1.利用熱脫附譜分析通過將每一絕緣膜從80℃加熱到100℃，對於每一絕緣膜A至J用熱脫附譜法(TDS法)分析H2片段(M/Z＝2[H2])的強度和OH片段(M/Z＝17[OH])的強度。在這種情況下，TDS法的測量條件如下·TDS裝置WA1000S(由Electronic Science製造)(Denshikagaku-sha)·起始溫度80℃·最終溫度(分段溫度)1000℃·設計速度60℃/min·測量環境的壓力1×10-7Pa對於每一絕緣膜A至J，利用TDS法在450、600、800和950℃的加熱溫度下獲得的H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([OH]/[H2])示於下表2中。在這點上，表2中的每一數值為每一絕緣膜A至J的10個絕緣膜的平均值。例如，紅外吸收光譜(比率([OH]/[H2])相對於絕緣膜A至E中的加熱溫度之間的關係)示於圖9中。圖9是示圖，示出了當用熱脫附譜分析絕緣膜A至E時，H2片段[H2]的強度和OH片段[OH]的強度的比率([OH]/[H2])相對於獲得的加熱溫度的關係。
表2

1-2-2.漏電流的測量下面，當對每個絕緣膜的電場強度(即，施加的電壓值)改變時，對於每一絕緣膜A至J測量漏電流值的變化。在這種情況下，將測量的面積確定為0.02039cm2。
當絕緣膜A至J中的電場強度在0至-5MV/cm的範圍內時測得的漏電流的最大值示於下表3中。在這點上，表3中的每一數值為10個絕緣膜的平均值。例如，將在絕緣膜A至E中測得的電場強度的變化和洩漏電流值的變化示於圖10中。圖10是示圖，示出了絕緣膜A至E中測得的電場強度的變化和漏電流的變化之間的關係。
表3

如表2和表3所示，當在500℃或更高的溫度下加熱絕緣膜A至E中的每一氧化矽膜時，隨著漏電流的最大值增加，比率([OH]/[H2]表現出在任何加熱溫度下增加的趨勢。另一方面，當在450℃(即，在500℃或更低溫度)下加熱每一絕緣膜A至E時，沒有發現比率([OH]/[H2]相對於漏電流最大值的增加的關係。
當在500～1000℃範圍內的溫度下加熱絕緣膜A至E中的每一氧化矽膜時，這使得很明顯，比率([OH]/[H2]與漏電流最大值(特徵值)相關。此外，相對於每一絕緣膜，獲得當在500～1000℃範圍內的溫度下加熱各絕緣膜時的比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])以及當在500℃或更低範圍內的溫度下加熱各絕緣膜時的比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])以實施類似於比率([OH]/[H2])情形的研究(分析)。獲得這樣的結果當在500～1000℃的範圍內加熱各絕緣膜時獲得的比率([OH]/[H2])的積分值(∑[OH]/[H2])與漏電流最大值(特徵值)相關。
已發現，在500～1000℃範圍內的溫度加熱絕緣膜的狀態下測得的H2片段強度與OH片段強度的比較結果(比率或比率的積分值)與每一絕緣膜的特徵值(即，漏電流的最大值)相關。因此，很明顯，當設置形成絕緣膜的條件時或當進行絕緣膜的質量檢查時，可以將這樣的比較結果用於評價方法。
在這點上，當加熱溫度為800℃時，在使用比率([OH]/[H2])來評價絕緣膜的情況下，絕緣膜C的比率，即0.16可以作為在進行絕緣膜質量檢查中所使用的閥值，這是因為在每一絕緣膜D和E中漏電流的最大值超過9×10-9A/cm2而在絕緣膜C中漏電流的最大值為8×10-9A/cm2。
此外，如表2和表3所示，在相同的熱處理條件下，在絕緣膜F(其中在至少部分氫原子種每個氫原子被氘原子D代替)和絕緣膜G至J(每一個含有除了矽和氧以外的其它元素)中的每一個的比率([OH]/[H2])或([OD]/[D2])與漏電流最大值之間的關係顯示出類似於絕緣膜A中的相應關係的趨勢。因此，很明顯，通過本發明的評價方法可以評價絕緣膜F至J中的每一個的特性。
1-2-3.Qbd值的測量下面，對於每一絕緣膜A至J，測量Qbd值。這裡，「Qbd值」意思是指直至在絕緣膜中發生電介質擊穿之前沿其厚度方向流過各絕緣膜的洩漏電流的積分值。Qbd值越大，在絕緣膜中發生電介質擊穿就越難。在這種Qbd值的測量中，當利用汞電極將恆定電流供應至絕緣膜時，將電壓第一次發生較小變化時的時間點確定為SBD，而將電壓發生顯著變化的時間點確定為HBD。測量直至發生SBD之前流過絕緣膜的漏電流的積分值(Qbd值(SBD))和直至發生HBD之前流過絕緣膜的漏電流的積分值(Qbd值(HBD))。在這種情況下，測量面積被確定為0.02039cm2，而施加至絕緣膜的恆定電流值被確定為0.01226A/cm2。
將在各個絕緣膜A至J中如此測得的Qbd值(SBD)和Qbd值(HBD)示於下表4中。在這點上，表4中的各個數值為10個絕緣膜的平均值。
表4

如表4所示，當在500℃或更高範圍內的溫度下加熱各個絕緣膜A至J時，各個絕緣膜A至J的Qbd值(SBD)和Qbd值(HBD)越大，則比率([OH]/[H2])越小。因此，已發現，各絕緣膜的Qbd值(SBD)和Qbd值(HBD)與其比率([OH]/[H2])相關。因而，很明顯，絕緣膜的電介質擊穿(即，SBD和HBD)耐受性可根據其比率([OH]/[H2])以及漏電流值進行評價。
2.半導體裝置的製造及評價2-1.半導體裝置的製造圖1所示的半導體裝置是根據以上具體實施方式
中所描述的方法加以製造的。在這種情況下，如同上述絕緣膜A至J形成柵極絕緣膜。
2-2.半導體裝置的評價檢查每個半導體裝置的切換特性。結果是，在半導體裝置中，很長時間內都可以獲得良好的切換特性，該半導體裝置包括以與絕緣膜A至C和F至J相同方式形成的各個柵極絕緣膜。在這點上，當在800℃下加熱每個絕緣膜時，這些絕緣膜A至C和F至J中的每一個的比率([OH]/[H2])為0.16或更小。
另一方面，在包括以與絕緣膜D至E相同方式形成的各個柵極絕緣膜的半導體裝置中，識別出了漏電流並且半導體裝置的切換特性不穩定。因此，在柵極絕緣膜中較早就發生了電介質擊穿，並且喪失了作為切換裝置的功能。在這點上，當在800℃下加熱每個絕緣膜時，這些絕緣膜D至E中的每一個的比率([OH]/[H2])為0.16或更大。
權利要求
1.一種評價絕緣膜的特性的方法，所述絕緣膜由作為主要材料的絕緣無機材料形成，所述絕緣無機材料包含矽和氧，並且所述絕緣膜包含氫原子，所述方法包括以下步驟通過熱脫附譜來分析從未對其施加電場的所述絕緣膜；比較H2片段的強度與OH片段的強度，所述H2片段的強度和所述OH片段的強度是在500～1000℃範圍內的溫度下加熱所述絕緣膜的狀態下進行測量的；以及基於所述比較結果評價所述絕緣膜的特性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述評價步驟包括評估與所述評價結果相關的所述絕緣膜的一個或多個特徵值的步驟，其中基於所述一個或多個被評估的特徵值來評價所述絕緣膜的特性。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述一個或多個被評估的特徵值包括當將電場施加至所述絕緣膜時待測量的漏電流值和直至在所述絕緣膜中發生電介質擊穿前流過其的所述漏電流的積分值(以下稱為「Qbd」值)，其中待評價的所述絕緣膜的特性包括所述絕緣膜的電介質擊穿耐受性。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述比較步驟中，利用在500～1000℃範圍內的預定溫度下的所述H2片段[H2]強度和OH片段[OH]強度的比率([H2]/[OH])或所述比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))作為指數來獲得所述比較結果，並且在所述評價步驟中，基於所述比較結果來評價所述絕緣膜的特性。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，在所述評價步驟中，在所述絕緣膜的比率([H2]/[OH])或所述比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))小於預定閥值的情況下，所述絕緣膜被評價為具有可接受的質量。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣膜中的至少部分氫原子中的每個氫原子被氘原子D所代替。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，將其氫原子分別被氘原子D代替的所述H2片段[H2]定義為D2片段[D2]，並且將其氫原子被氘原子D代替的所述OH片段定義為OD片段[OD]，其中在所述比較步驟中，利用在500～1000℃範圍內的預定溫度下的所述D2片段[D2]強度和OD片段[OD]強度的比率([D2]/[OD])或所述比率([D2]/[OD])的積分值(∑([D2]/[OD]))作為指數來獲得所述比較結果，並且在所述評價步驟中，基於所述比較結果來評價所述絕緣膜的特性。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，除了矽和氧，所述絕緣無機材料進一步包括氮、鉿、鋯和鋁中的至少一種。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣膜的平均厚度為10nm或更小。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣膜適於在將電壓沿其厚度方向施加至所述絕緣膜以使所述絕緣膜中的電場強度為10MV/cm或更小的條件下使用。
11.一種形成用於半導體裝置的絕緣膜的方法，所述方法包括以下步驟基於通過由權利要求1所限定的評價方法而獲得的評價結果來設置形成所述絕緣膜的條件；以及在所述條件下形成所述絕緣膜。
12.一種形成用於半導體裝置的絕緣膜的方法，所述方法包括以下步驟基於通過由權利要求4所限定的評價方法而獲得的評價結果來設置形成所述絕緣膜的條件，其中設置所述條件以使所述被評價的絕緣膜的比率([H2]/[OH])或所述比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))變得更小；以及在所述條件下形成所述絕緣膜。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，在所述設置步驟中，基於所述被評價的絕緣膜的比率([H2]/[OH])或所述比率([H2]/[OH])的積分值(∑([H2]/[OH]))是否小於預定閾值來設置所述條件。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述條件包括對所述絕緣膜是否進行熱處理，以及在對所述絕緣膜進行熱處理的情況下的熱處理條件。
15.一種半導體裝置，包括通過由權利要求11或12所限定的方法而形成的所述絕緣膜。
16.一種電子器件，包括由權利要求15所限定的所述半導體裝置。
17.一種電子裝置，包括由權利要求16所限定的所述電子器件。
全文摘要
本申請披露了一種評價絕緣膜(1)的特性的方法。絕緣膜(1)由作為主要材料的絕緣無機材料形成，該絕緣無機材料包含矽和氧。絕緣膜(1)還包含氫原子。所述方法包括以下步驟利用熱脫附譜分析從未對其施加電場的絕緣膜(1)；比較H
文檔編號H01L21/28GK1985364SQ200580023318
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月1日 優先權日2004年7月21日
發明者宮田正靖 申請人:精工愛普生株式會社