專利名稱：半導體裝置的具有低介電常數的絕緣層的淀積方法
技術領域：
本發明涉及一種用于汽相淀積低介電絕緣層的方法，更具體地涉及一種通過在用于形成半導體裝置保護層的CVD或PECVD過程中加入硅烷氣體(SiH4)可顯著地提高低介電絕緣層的汽相淀積速度的用于汽相淀積低介電絕緣層的方法。
背景技術：
薄膜晶體管基片在液晶顯示器、有機EL(電致發光)顯示器等作為獨立驅動每個像素的電路基片使用。薄膜晶體管基片包括用于傳送掃描信號的掃描信號布線和用于傳送圖像信號的圖像信號線或數據布線、與柵極布線及數據布線連接的薄膜晶體管、與薄膜晶體管連接的像素電極、遮蓋柵極布線以絕緣該柵極布線的柵極絕緣層、以及遮蓋數據布線以絕緣該數據布線的保護層。薄膜晶體管包括與柵極布線一部分的柵極一起形成通道的半導體層、數據布線一部分的源極和漏極、柵極絕緣層、和保護層。薄膜晶體管是一種傳輸或截止圖像信號的開關裝置，根據由柵極布線傳輸的掃描信號通過數據布線將該圖像信號傳輸到像素電極。
在液晶顯示器中薄膜晶體管基片是最常用的。隨著液晶顯示器逐漸大型化、高精細化，應要盡快解決寄生電容增加引起的信號扭曲問題。而且，為了減少個人計算機的功率消耗和增加TV中液晶顯示器的有效視聽距離，需要提高亮度，這樣勢必要增大開口率。為了增大開口率，有必要使像素電極重疊到數據布線上，但此時會增加像素電極和數據線之間的寄生電容。
為了解決寄生電容增加的問題，要充分保證像素電極和數據線之間的垂直空間。為了確保該垂直空間，用有機絕緣層形成保護層。然而，利用有機絕緣層的工序有以下缺點。首先，材料是昂貴的。即，在旋轉涂布期間存在相當大的浪費，其增加了材料成本。其次，有機絕緣層缺乏耐熱性，所以后續過程受到很多限制。而且，由于材料的結塊造成頻繁產生雜質顆粒。上部層及下部層之間的粘合強度低，并且當在保護層上形成像素電極時，蝕刻誤差會很大。
通常，將SiO2及SiN的介電薄膜用于制造多種形態的導電裝置。正在進行用于從硅氧烷IC’s制造用于平板顯示器的光波導向裝置的研究。
該材料可提供所有裝置的需求及強電和機械特性。最近，為了提高裝置性能，使導電層更接近或緊貼在一起。此外，目前使用的裝置，作為攜帶用，比起常見的AC耦合更重視在電池中流動所需的更低的功率消耗。因此，為了減少引起更高功率消耗及更慢啟動速度的電容量耦合，需要開發一種具有低介電常數的新材料。
為了解決這些問題，使用除附加官能團外的低密度以Si-C鍵為基本成分的材料。上述材料顯示低密度且具有低介電常數。這些材料是a-SiCOH或硅碳氧化物(silicon oxycarbide)，且具有2.7至3.5的低介電常數，所以可以大為提高半導體裝置的性能。
因此，作為TFT-LCD面板的層間絕緣層及保護層，若使用a-SiCOH、a-Si∶O∶F等CVD方法淀積的低介電率絕緣層，可以降低數據布線和像素電極之間的耦合電容量，可以減少RC時間延遲及串話干擾。特別是，為了實現超開口率結構，應該將像素電極重疊數據電極。然而，傳統保護層之一的SiNx保護層，因為負載電容量變得很大，所以很難顯示圖像。因此，絕緣保護層的介電常數盡量要低，需要增加保護層的厚度，在垂直方向要充分隔開。為此，主要使用上述CVD方法淀積的保護層。
在CVD方法淀積的低介電率層間絕緣層a-SiCOH層中根據其用途，為了減少耦合電容量需要數微米的厚度。一般半導體工序中的絕緣薄膜只不過是數千微米而已，為了補償這種增加厚度導致的產量的下降，需要有很快的淀積速度。
通常a-SiCOH薄膜向主源氣體SiH(CH3)3(下面稱為Z3MSTM)添加氧化劑N2O或O2、及改善均勻性及穩定特性的Ar或He等惰性氣體，用PECVD(等離子體增強化學電極)方法淀積而成。眾所周知，就a-SiCOH薄膜而言，若增加源氣體(例如，三甲基硅烷)的流量，其淀積速度也變快。
然而，在上述方法中，隨著增加源氣體的流量機械強度變小，產生的薄膜很柔軟，極易在后續過程中受到損傷，還存在增加高價的源氣體消耗量，隨之出現造價增加的問題。而且，為了使其具有最低介電常數而改變最佳的CVD淀積過程的全部參數，那么介電常數會很快增加，進而出現更要增加厚度的問題。如圖1所示，隨著總源氣體流量[Z3MS+N2O]的增加，介電常數幾乎呈直線增加。
發明內容
為了解決現有技術的問題，本發明的目的在于提供一種汽相淀積用于半導體裝置的低介電絕緣層的方法，其可以降低加工時間且顯著改善汽相淀積速度同時保持低的介電常數及其它物理性能，以解決寄生電容的問題，從而獲得高開口率的結構。
本發明另一目的在于提供一種按上述方法淀積的絕緣層作為保護層使用制造的半導體裝置及其制造方法。
為了實現這些目的，本發明提供一種汽相淀積用于半導體裝置的低介電絕緣層的方法，包括通過將包括主氣相源、硅烷(SiH4)、和氧化劑的反應氣體混合物提供給包括基片的汽相淀積室用CVD法或PECVD法以汽相淀積a-SiCOH薄膜的工序。
本發明還提供了一種半導體裝置，該半導體裝置包括通過上述方法汽相淀積的作為保護層的低介電絕緣層。
其中，將低介電絕緣層用于保護層，即，半導體裝置的第一絕緣層、第二絕緣層、緩沖層、柵極絕緣層、及保護層圖案中的至少一層。該半導體裝置是薄膜晶體管面板(TFT-panel)。
圖1示出了根據硅烷(SiH4)氣體加入量a-SiCOH薄膜汽相淀積速度的提高效果；圖2示出了根據硅烷(SiH4)氣體加入量a-SiCOH薄膜介電常數的變化；圖3示出了根據硅烷(SiH4)氣體及N2O加入量a-SiCOH薄膜沉積速度的變化；圖4示出了根據總源氣體[Z3MS+N2O+SiH4]流量沉積速度的變化；以及圖5示出了根據硅烷(SiH4)氣體加入量及N2O流量a-SiCOH薄膜的介電常數的變化。
具體實施例方式
現將本發明進行詳細說明。
本發明具有，當形成TFT-LCD等半導體裝置的保護層時，通過向源氣體添加硅烷(SiH4)氣體，在提高淀積速度的同時保持低介電絕緣層(a-SiCOH薄膜)其它物理性質的特征。
因此，本發明解決了寄生電容問題，可以獲得高開口率結構，且可以縮短加工時間。
a-SiCOH薄膜(低介電絕緣層)可通過將包括主氣相源、硅烷(SiH4)、和氧化劑的反應氣體混合物提供給包括基片的汽相淀積室用CVD法或PECVD法獲得。為了改善均勻性及穩定特性可以包括Ar或He等惰性氣體。
優選地，在功率密度為0.2至1.5mW/cm2、溫度為25至300℃、壓力為1至10,000Torr下，向等離子體注入反應氣體混合物進行的PECVD(等離子體增強化學汽相淀積)方法淀積。
為了制造介電常數在3.6以下、波長范圍為400至800nm、具有95％以上光透射比的a-SiCOH薄膜(低介電絕緣層)，在反應過程中調節好硅烷及氧化劑的量是很重要的。
因此，優選地，硅烷(SiH4)氣體與主源氣體具有1∶0.5至1的比率。如果超出上述范圍會增加介電常數，則不能得到淀積速度的改善。
優選地，這種低介電絕緣層的介電常數為2至3。而且，優選地，保護層的厚度為1.5μm或更大，更優選地，保護層厚度為1.5至4.0μm。優選地，基片選自由液晶顯示裝置、發光二極管顯示裝置、及有機發光二極管顯示裝置組成的組，更優選地，是液晶顯示裝置。
優選地，主源氣體選自由用以下化學式1、化學式2、和化學式3表示的有機硅化合物組成的組中一種或多種[化學式1]SiHx(CH3)4-x其中，x為整數，即0、1、2、或4；[化學式2]Si(OR1)xR24-x其中，R1及R2獨立地或同時是被C1-5烷基或鏈烯基取代或未被取代的直鏈或支鏈的C1-10烷基或鏈烯基，并且優選地R1及R2獨立地或同時是甲基、乙基、丙基、或乙烯基，而x為0-4的整數；[化學式3]環-(SiR1R2-O)nR1及R2獨立地或同時是被C1-5烷基或鏈烯基取代或未被取代的直鏈或支鏈的C1-10烷基或鏈烯基，并且優選地R1及R2獨立地或同時是氫、甲基、乙基、丙基、或乙烯基。
氧化劑選自由O2、N2O、NO、CO2、CO、臭氧、及其混合物組成的組。
在半導體裝置的制造過程中可將通過這種本發明的方法淀積的a-SiCOH薄膜用于絕緣層，優選地，在液晶顯示器的制造過程，以覆蓋液晶顯示裝置的半導體層，從而有效地保護半導體層。
如上所述，若通過根據本發明的方法汽相淀積低介電層同時最優化各氣體的混合比，則可以大大改善淀積速度，并且因此不損害機械強度和后續過程情況下，可以補償由于與現有的SiNx薄膜相比厚度增加10倍以上而致的生產量降低。而且，可以降低由于比較昂貴的傳統源氣體的耗量增加而致的高制造成本。
下面，說明本發明的實施例及比較例，但應當理解，下面實施例只是用于說明本發明，它不局限于下面的實施例。
使用電容性耦合的平行極板PECVD反應器，用三甲基硅烷(3MS)、硅烷(SiH4)、氮氧化物(N2O)、及氬(Ar)的反應氣體混合物在空的硅片或玻璃基片上淀積低介電絕緣層。汽相淀積溫度為270℃，在表1中表示了實施例的PECVD過程的其它參數(即，介電常數和生長速度)。
測量形成在玻璃基片上的絕緣層光透射比。其結果都在400至800nm范圍內具有95％以上的透射比。
表1
如圖1所示，通過向源氣體添加硅烷(SiH4)氣體，淀積速度約增加60％以上。若很好地控制其它汽相淀積參數，則即使增加SiH4量，但可以保持恒定的介電常數(k)(圖2)。
圖3示出了在不添加SiH4的情況下(藍色鉆石)、添加相當于主源氣體1/2的SiH4的情況下(紅色長方形)、添加與源氣體一樣量的SiH4的情況下(綠色三角形)，根據SiH4加入量和氧化劑的流量用于a-SiCOH薄膜的汽相淀積速度的變化。垂直軸(y)表示氧化劑N2O氣體和含氣體[Z3MS+SiH4]Si的比率。
如圖3所示，汽相淀積速度還與N2O的流量有關。在未添加SiH4時，隨著氧化劑/源氣體(例如，N2O/Z3MS)比率的增加汽相淀積速度趨于增加。然而，在添加SiH4時，雖然增加氧化劑(例如，N2O)的流量，但汽相淀積速度幾乎不變。因此，汽相淀積速度的改善效果比起調節氧化劑流量，更依賴于SiH4的加入量。
圖4示出了在SiH4加入量分別不同的情況下，將總流量[源氣體+氧化劑+SiH4]分別增加到1.5倍及2倍時的汽相淀積速度的變化。在未添加SiH4時，若將[源氣體+氧化劑]的流量增加到1.5倍(2000sccm→3000sccm)，則汽相淀積速度只增加約25％，然而，若用SiH4替代源氣體添加且總流量增加到3000sccm，則汽相淀積速度幾乎增加約100％。而且，在添加SiH4時，隨著總流量的變化汽相淀積速度幾乎不變化，因此可以確認添加SiH4效果顯著。
圖5示出了根據硅烷加入量及N2O流量a-SiCOH薄膜的介電常數變化。其分別示出了未添加SiH4情況、添加相當于源氣體1/2的SiH4情況、添加與源氣體一樣量的SiH4情況。水平軸(x)表示氧化劑(N2O)∶(源氣體+SiH4)的比率。
如圖5所示，盡管當氧化劑與含氣體Si的比率[N2O/(Z3MS+SiH4)]為3時根據SiH4加入量的介電常數變化在實驗誤差范圍內是微小的，但是若增加[N2O/(Z3MS+SiH4)]比率，則隨著添加SiH4介電常數也一起增加。因此，若將[N2O/(Z3MS+SiH4)]比率控制在3以內，通過加入SiH4在保持低介電常數的同時可以顯著地改善汽相淀積速度。
如上所述，根據本發明，使用硅烷氣體汽相淀積的a-SiCOH層(低電容絕緣層)通過形成保護層，在保持絕緣層物理性質的同時可以大大改善汽相淀積速度。因此，可以解決寄生電容的問題以獲得高開口率結構并且可以縮短加工時間。
權利要求
1.一種汽相淀積用于半導體裝置的低介電絕緣層的方法，包括通過將包括氣相主源、硅烷(SiH4)、和氧化劑的反應氣體混合物提供給包括基片的汽相淀積室用CVD法或PECVD法汽相淀積a-SiCOH薄膜的工序。
2.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述a-SiCOH薄膜具有3.6以下的介電常數，并且在400-800nm的波長范圍內具有95％以上的光透射比。
3.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述基片選自由液晶顯示器、發光二極管顯示器、和有機發光二極管顯示器組成的組。
4.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述a-SiCOH薄膜被用在用于液晶顯示器的絕緣層。
5.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中硅烷(SiH4)氣體與主源氣體的比率是1∶0.5-1。
6.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述主源氣體選自由用以下化學式1、化學式2、和化學式3表示的有機硅化合物組成的組中一種或多種[化學式1]SiHx(CH3)4-x其中，x為整數，即0、1、2、或4；[化學式2]Si(OR1)xR24-x其中，R1及R2獨立地或同時是被C1-5烷基或鏈烯基取代或未被取代的直鏈或支鏈的C1-10烷基或鏈烯基，并且優選地R1及R2獨立地或同時是甲基、乙基、丙基、或乙烯基，而x為0-4的整數；[化學式3]環-(SiR1R2-O)nR1及R2獨立地或同時是被C1-5烷基或鏈烯基取代或未被取代的直鏈或支鏈的C1-10烷基或鏈烯基，并且優選地R1及R2獨立地或同時是氫、甲基、乙基、丙基、或乙烯基。
7.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述氧化劑選自由O2、N2O、NO、CO2、CO、臭氧、及其混合物組成的組。
8.根據權利要求1所述的汽相淀積低介電絕緣層的方法，其中所述a-SiCOH薄膜在1-10,000Torr的壓力和25-300℃的溫度下，通過以0.2-1.5mW/cm2的功率密度將反應氣體混合物暴露給等離子體用PECVD法進行汽相淀積。
9.一種半導體裝置，所述半導體裝置包括通過根據權利要求1所述的方法汽相淀積的低介電絕緣層。
10.根據權利要求9所述的半導體裝置，其中將所述低介電絕緣層用于保護層，即，所述半導體裝置的第一絕緣層、第二絕緣層、緩沖層、柵極絕緣層、及保護層圖案中的至少一層。
11.根據權利要求9所述的半導體裝置，其中所述半導體裝置是薄膜晶體管面板。
全文摘要
本發明涉及一種用于汽相淀積低介電絕緣層的方法，更具體地，涉及一種可顯著改善汽相淀積速度同時保持低介電絕緣層性能的用于汽相淀積低介電絕緣層的方法，從而解決寄生電容問題以獲得高開口率結構，而當通過CVD或PECVD法汽相淀積絕緣層以形成用于半導體裝置的保護層時，利用硅烷氣體可以縮短加工時間。
文檔編號H01L23/52GK1625799SQ02828976
公開日2005年6月8日 申請日期2002年7月16日 優先權日2002年5月17日
發明者梁成勛, 格倫·塞爾尼A, 丁奎夏, 黃秉槿, 洪完植 申請人:三星電子株式會社, 陶氏康寧公司