专利名称：半导体元件钝化方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体元件钝化(passivating)方法，其功能用以修补工艺前期于半导体元件中所产生的缺陷。
背景技术：
在半导体元件(例如互补式金属氧化物半导体(CMOS))中使用硅广为人知。半导体元件一般将P信道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管与N信道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管经由多个步骤而形成于同一基板上，这些步骤可能包含溅镀沉积、光刻、湿式蚀刻、等离子体蚀刻、化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、离子注入以及用以活化及驱动注入离子的退火(annealing)步骤。这些工艺步骤中有的会于半导体元件中产生缺陷。例如等离子体蚀刻会造成硅悬空键(silicon dangling bond)，而此硅悬空键会进一步导致电子迁移率(electron mobility)下降，使得半导体元件效能降低，且离子注入也可能会对硅晶体结构造成损伤。
近来已研发出一种高压退火(high pressure annealing)工艺来减少硅断键所造成的问题。在高压退火工艺中，半导体元件一般以单一高压气体(例如氢或氨)处理。一般认为当氢与硅的断键(broken bonds)形成键结时，可以去除前述所产生的缺陷。然而，由于PMOS与NMOS的源极与漏极掺杂不同种类的不纯物，所以在高压退火工艺中有不同的反应机制，因此要使CMOS元件的高压退火工艺参数最佳化是相当困难的事。此外，也不容易找到PMOS与NMOS皆合适的退火气体。
发明内容
本发明的目的是提供一改良的半导体元件钝化(passivating)方法，可以克服或改进前述先前技术问题。
为达上述以及其它目的，具有两种不同类型晶体管(例如P信道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管与N信道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管)的半导体元件被置于一加压密闭反应室(chamber)之中，并且通入至少两种钝化气体。由于可以通过选择适当的钝化气体，使得其中一种气体适合于钝化PMOS晶体管，以及另一种气体适合于钝化NMOS晶体管，因此本发明的方法可以在PMOS晶体管以及NMOS晶体管两者的钝化皆得到较好的效果。
这两种钝化气体可以同时被通入于反应室之中。亦可先将适合于钝化第一型晶体管的气体通入反应室之中，且加热半导体元件直到足以达到钝化第一型晶体管的目的；再将适合于钝化第二型晶体管的气体通入于维持在高压下的反应室中，且加热半导体元件直到足以达到钝化该第二型晶体管的目的。
因此，形成于半导体元件中的PMOS晶体管与NMOS晶体管的个别钝化最佳化，可以通过前述的两个独立钝化步骤达成，如此一来，其工艺参数可以分别最佳化而制得具有所需特性的PMOS晶体管与NMOS晶体管。
虽然只要反应室压力大于一大气压力，钝化操作的效率就会有所增进，但适当的压力是在5个大气压力与20个大气压力之间，且半导体元件可以是互补式金属氧化物半导体(CMOS)元件、双载子互补式金属氧化物半导体(BiCMOS)元件、动态随机存取内存(DRAM)或其它包含至少两种晶体管的集成电路。
图1根据本发明之一实施例，在反应室中的半导体元件进行一钝化工艺的剖视图；图2至图4根据本发明另一实施例的剖视图，图示一钝化工艺的主要步骤；以及图5为依据图1所示半导体元件所制成CMOS电路的的剖视图。
附图标记说明100半导体元件102二氧化硅层104玻璃基板110PMOS晶体管111半导体结构112半导体结构
114源极116漏极118栅极电极120NMOS晶体管124源极126漏极128栅极电极130钝化层200反应室300互补式金属氧化物半导体电路具体实施方式
参照图1，该图为根据本发明的原理加以钝化(passivation)的半导体元件100的剖视图。半导体元件100具有P信道金属氧化物导体(PMOS)晶体管110与N信道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管120。且此半导体元件100可以是互补式金属氧化物半导体(CMOS)元件、双载子互补式金属氧化物半导体(BiCMOS)元件、动态随机存取内存(DRAM)或其它具有至少两种晶体管的集成电路。
如图1所示，半导体元件100包含一缓冲层102(如二氧化硅层)形成在一基板104(如玻璃基板)之上、两半导体结构111、121(一般由一多晶硅薄膜形成)形成于缓冲层102之上、一栅极绝缘层(如硅氧化物)形成于半导体结构111、121之上以及两栅极电极118、128。PMOS晶体管110的源极114与漏极116，通过将P型掺杂剂(dopant)利用该栅极电极118作为光掩模，以自我对准(self-align)的方式，通过离子注入法或等离子体掺杂法注入该半导体结构111而形成。NMOS晶体管120的源极124以及漏极126，通过将N型掺杂物利用该栅极电极128作为遮蔽，注入该半导体结构121而形成。
在本发明中，针对在半导体元件100内所产生的缺陷，例如悬空键(不饱和硅键)，通过对半导体元件100进行至少使用两种不同钝化气体的高压钝化工艺而加以修补。适合用于本发明的钝化气体为氮、氢、水、笑气、氧、氨或其混合物。
根据本发明一实施例，在将半导体元件100置于一反应室(chamber)200之后，两种不同的钝化气体(passivating gas)(例如水蒸气/氮气或水蒸气/氢气)被同时通入高于1大气压力的反应室(chamber)进行。然而，在一优选实施例中高压退火处理是在5个大气压力与20个大气压力之间进行，且高压退火处理的时间依据使用的压力而定。由于该高压退火处理在高压下进行，其温度与时间可有效降低。在一实施例中，该高压退火处理可以在低于600℃的温度下进行。本领域中的技术人员可以依前述工艺参数而得到本发明高压退火处理的最适条件。据信该钝化气体(水蒸气/氮气或水蒸气/氢气)不仅提供氢原子与硅的断键形成键结，以去除前述所产生的缺陷，而且其也会扩散进入多晶硅薄膜以钝化(passivate)晶粒边界(grain boundaries)，以提供性能更佳的元件。
值得注意的是，由于可以透过选择适当的钝化气体，使得其中一种气体适合于钝化PMOS晶体管110，以及使另一种气体适合于钝化NMOS晶体管120，因此本发明的方法可以在PMOS晶体管以及NMOS晶体管两者的钝化都得到较好的效果。在本发明一实施例中，经过高压退火处理的半导体元件100的电子迁移率(mobility)可以达到150cm2/V-s以上。
根据本发明另一实施例，钝化工艺可以利用两个独立步骤完成。首先，在将半导体元件100置于反应室200之后，适合于钝化PMOS晶体管110的第一钝化气体(例如氢气或氮气)先通入于前述反应室200之中(参见第2图)。再加热半导体元件100直到足以产生钝化PMOS晶体管110为止，之后再将适合于钝化NMOS晶体管120的第二钝化气体(例如水蒸气或氨气)通入于维持在高压下的反应室200之中。之后，加热该半导体元件100直到足以产生钝化NMOS晶体管120为止。NMOS晶体管120可以在第一钝化气体与第二钝化气体的混合气体下进行钝化(参见图3)。此外，第一钝化气体可通过通入第二钝化气体而排出该反应室中，使得NMOS晶体管120仅通过第二钝化气体钝化(参见图4)。值得注意的是，第二钝化气体也可先被通入该反应槽中，用以实施对该NMOS晶体管120的钝化，然后再通过通入第一钝化气体而进行对PMOS晶体管110的钝化。
使用本实施例所列举的技术，其使得PMOS晶体管110与NMOS晶体管120的个别钝化得到最佳化。由于该PMOS晶体管110与NMOS晶体管120以前述的方式分别进行钝化，因此其工艺参数可以分别最佳化，而使制得的PMOS晶体管110与NMOS晶体管120具有大致相同的临界电压(threshold voltage)。在本发明的一实施例中，该PMOS晶体管110与NMOS晶体管120的临界电压差，可以保持在两伏特之内。
在半导体元件100根据本发明原理而加以钝化之后，可进一步加工成为一用于有源矩阵式显示器装置的互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路300(参见图5)。详而言之，先于半导体元件100的表面形成一钝化层130(如氮化硅层)，此钝化层130具有一预定厚度之后，图案化钝化层130以曝露出源/漏极114、116以及源/漏极124、126的一部分。再形成一金属薄膜于图案化钝化层130之上，之后图案化此金属薄膜以形成一连接结构140，用以连接PMOS及NMOS晶体管110，120至CMOS电路300的其它区域。
可以理解的是，本发明的钝化方法也可以在形成钝化层130之后再实施。虽然本发明是针对一用于有源矩阵式显示器装置的互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路加以详细讨论，然而本发明也可以应用于各式各样具有至少两种晶体管的半导体装置。
虽然本发明已如前述被优选的实施例公开，然而并非用以限定本发明，本领域中的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，显然可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种半导体元件的钝化方法，至少包含将一半导体元件置于一反应室之中，且该半导体元件具有一第一型晶体管及一第二型晶体管；将一第一钝化气体及一第二钝化气体通入该反应室之中；以及加热该半导体元件，直到足以对该半导体元件产生钝化为止。
2.如权利要求1所述的半导体元件的钝化方法，其中该第一及该第二钝化气体为氮、氢、水、笑气、氧、氨其中之一或其混合物。
3.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中该第一钝化气体为氢或氮。
4.如权利要求3所述的半导体元件钝化方法，其中该第二钝化气体为水或氨。
5.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中该第一型晶体管为P信道金属氧化物半导体晶体管，且该第二型晶体管为N信道金属氧化物半导体晶体管。
6.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中该第一及该第二钝化气体同时被通入于该反应室之中。
7.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中先将该第一钝化气体通入该反应室中，且加热该半导体元件直到足以对该第一型晶体管产生钝化为止；再通入该第二钝化气体至该反应室中，且加热该半导体元件直到足以对该第二型晶体管产生钝化为止。
8.如权利要求7所述的半导体元件钝化方法，其中该第一钝化气体通过通入该第二钝化气体而排出该反应室中，且该反应室压力一直维持大于一大气压。
9.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中该半导体元件包含一用于有源矩阵式显示器装置的互补式金属氧化物半导体电路。
10.如权利要求1所述的半导体元件钝化方法，其中该反应室压力维持在5个大气压至20个大气压之间。
全文摘要
本发明公开了一种针对具有至少两种不同类型晶体管(例如PMOS晶体管与NMOS晶体管)的半导体元件的钝化方法。该半导体元件被置入一加压密闭反应室中，并且通入至少两种钝化气体。由于可以透过选择适当的钝化气体，使得其中一种气体适合于钝化PMOS晶体管，以及使另一种气体适合于钝化NMOS晶体管，因此本发明的方法可以使PMOS晶体管以及NMOS晶体管两者的钝化皆得到良好的效果。
文档编号H01L21/31GK1610074SQ20031010273
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月22日 优先权日2003年10月22日
发明者蔡耀铭, 张世昌, 邓德华, 王士宾 申请人:统宝光电股份有限公司