专利名称：半导体装置及半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及半导体装置的制造方法。此外，在本说明书中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而起作用的所有装置，电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
背景技术：
利用在具有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄膜来构成晶体管(也称为薄膜晶体管(TFT))的技术受到注目。该晶体管广泛地应用于如集成电路(IC)或图像显示装置(显示装置)那样的电子设备。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体材料被广泛地周知，而作为其他材料氧化物半导体受到注目。例如，已经公开了使用由包含铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的非晶氧化物(IGZO类非晶氧化物)构成的半导体层的晶体管(參照专利文献I)。[专利文献I]日本特开2011-181801号公报。
发明内容
另外，为了实现商品化，在具有使用氧化物半导体的晶体管的半导体装置中，达成
高可靠性是重要事项。
然而，半导体装置由具有复杂的构造的多个薄膜构成，并且利用多种材料、方法及エ序制造。因此，存在着产生以采用的制造エ序为起因的所得到的半导体装置的形状不良或电特性变差的担忧。鉴于这样的问题，以提供具有使用氧化物半导体的晶体管的可靠性高的半导体装置作为课题之一。另外，以成品率良好地制造可靠性高的半导体装置来达成高生产率作为课题之
o在具有底栅构造的反交错(inverted staggered)型晶体管的半导体装置中，该晶体管在含有铟的氧化物半导体膜上设置有作为沟道保护膜起作用的绝缘层，防止因在形成源电极层及漏电极层的蚀刻エ序中产生的残留物飞散而引起的绝缘层表面及其附近的污染。在形成源电极层及漏电极层的蚀刻エ序中使用含有氯的气体。然而，当含有铟的氧化物半导体膜暴露于含有氯的气体时，含有氯的气体与含有铟的氧化物半导体膜会进行反应而产生残留物。另外，由于该残留物飞散，从而不仅在氧化物半导体膜上而在其他部位也会存在该残留物。尤其是在源电极层与漏电极层之间的绝缘层表面及其附近存在的残留物是导致泄漏电流等晶体管的电特性变差的主要因素。残留物例如包括含有铟及氯的化合物。另外，有时氧化物半导体膜所含有的其他金属元素(例如，镓或锌)、用于含有氯的气体的其他元素(例如硼)等包括在残留物中。在本说明书所公开的发明的结构的ー个方式中，在形成源电极层及漏电极层之后，进行去除绝缘层表面及其附近的在源电极层与漏电极层之间存在的残留物的エ序。去除エ序能够通过利用溶液的洗涤处理或使用稀有气体的等离子体处理进行。例如，能够适用利用稀氢氟酸溶液的洗涤处理或使用氩的等离子体处理等。在本说明书所公开的发明的结构的另ー个方式中，为了防止含有氯的气体与含有铟的氧化物半导体膜的反应，在进行含有氯的气体的蚀刻エ序吋，构成为由绝缘层或导电膜覆盖含有铟的氧化物半导体膜来不便含有铟的氧化物半导体膜暴露于含有氯的气体。由于能够防止绝缘层表面及其附近被残留物污染，所以能够将具有底栅构造的反交错型晶体管的半导体装置的绝缘层表面的氯浓度设为IXlO1Vcm3以下(优选为5 X IO18/cm3以下)，并且将铟浓度设为2X1019/cm3以下(优选为5X1018/cm3以下)。另外，能够将氧化物半导体膜中的氯浓度设为IXlO1Vcm3以下(优选为5X IO1Vcm3以下)。因此，能够提供包含使用氧化物半导体膜的具有稳定电特性的晶体管的可靠性高的半导体装置。另外，能够成品率良好地制造可靠性高的半导体装置，达成高生产率。本说明书所公开的发明的结构的ー个方式是ー种半导体装置，包括绝缘表面上的栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的含有铟的氧化物半导体膜；位于氧化物半导体膜上并与氧化物半导体膜接触的绝缘层，该绝缘层与栅电极层重叠；以及与氧化物半导体膜及绝缘层接触的源电极层及漏电极层，并且绝缘层表面的氯浓度为I X IO1Vcm3以下并且铟浓度为2 X IO1Vcm3以下。本说明书所公开的发明的结构的ー个方式是ー种半导体装置，包括绝缘表面上的栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的含有铟的氧化物半导体膜；位于氧化物半导体膜上并与氧化物半导体膜接触的绝缘层，该绝缘层与栅电极层重叠；以及与氧化物半导体膜及绝缘层接触的源电极层及漏电极层，并且氧化物半导体膜中的氯浓度为I X IO1Vcm3以下，绝缘层表面的氯浓度为IXlO1Vcm3以下并且铟浓度为2X1019/cm3以下。
本说明书所公开的发明的结构的ー个方式是ー种半导体装置的制造方法，在绝缘表面上形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成含有铟的氧化物半导体膜；形成位于氧化物半导体膜上并与氧化物半导体膜接触的绝缘层，该绝缘层与栅电极层重叠；形成与氧化物半导体膜及绝缘层接触的导电膜；利用含有氯的气体对导电膜进行蚀刻来形成源电极层及漏电极层；以及对氧化物半导体膜及绝缘层进行残留物除去ェ序。本说明书所公开的发明的结构的ー个方式是ー种半导体装置的制造方法，在绝缘表面上形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成含有铟的氧化物半导体膜；形成与氧化物半导体膜接触且覆盖氧化物半导体膜的绝缘层；在绝缘层形成到达氧化物半导体膜的开ロ ；在绝缘层上覆盖开ロ的内壁来形成导电膜；以及利用含有氯的气体对导电膜进行蚀刻来在开ロ中形成源电极层及漏电极层。另外，也可以对氧化物半导体膜进行使氢或水分释放的加热处理(脱水化或脱氢化处理)。此外，当作为氧化物半导体膜使用结晶氧化物半导体膜时，也可以进行用于晶化的加热处理。此外，也可以进行对氧化物半导体膜氧的供应。尤其是，由于脱水化或脱氢化处理，有作为构成氧化物半导体的主成分材料的氧会同时脱离而减少的担忧。在氧化物半导体膜中，氧脱离的部位中存在氧缺损，并且以该氧缺损为起因而会产生导致晶体管的电特性变动的施主能级。由此，优选对进行了脱水化或脱氢化处理的氧化物半导体膜供应氧。通过对氧化物半导体膜供应氧，能够填补膜中的氧缺损。例如，通过设置为将氧化物半导体膜与成为氧的供应源的包含较多(过剩的)氧的氧化物绝缘膜接触，能够从该氧化物绝缘膜向氧化物半导体膜供应氧。在上述结构中，也可以通过在作为脱水化或脱氢化处理进行了加热处理的氧化物半导体膜与氧化物绝缘膜至少部分接触的状态下进行加热处理来进行向氧化物半导体膜的氧的供应。另外，也可以对进行了脱水化或脱氢化处理的氧化物半导体膜引入氧(至少包含氧自由基、氧原子和氧离子中的任何ー个)来将氧供应至膜中。作为氧的引入方法，能够使用离子注入法、离子掺杂法、等离子体浸没离子注入法、等离子体处理等。再者，优选设置于晶体管的氧化物半导体膜可以是包含与氧化物半导体处于结晶状态时的化学计量组成相比氧含量过剩的区域的膜。在此情况下，氧含量为超过氧化物半导体的化学计量组成的程度。或者，氧含量为超过单晶时的氧含量的程度。有时在氧化物半导体的晶格之间存在氧。通过从氧化物半导体去除氢或水分，以尽量不包含杂质的方式高纯度化，并且供应氧来填补氧缺损，从而能够为I型(本征)的氧化物半导体或无限趋近于I型(本征)的氧化物半导体。由此，能够使氧化物半导体的费米能级(Ef)达到与本征费米能级(Ei)相同水平。因此，通过将该氧化物半导体膜用于晶体管，能够降低起因于氧缺损的晶体管的阈值电压Vth的偏差、阈值电压的偏移AVth。本发明的ー个方式涉及ー种半导体装置，具有晶体管或结构中包含晶体管的电路。例如，涉及ー种半导体装置，具有沟道形成区由氧化物半导体形成的晶体管或结构中包含该晶体管的电路。例如，涉及LSI ；CPU ;搭载于电源电路的功率器件；包括存储器、晶闸管、转换器、图像传感器等的半导体集成电路；以液晶显示面板为代表的电光装置；将具有发光元件的发光显示装置作为部件进行搭载的电子设备。提供ー种具有使用氧化物半导体的晶体管的可靠性高的半导体装置。另外，成品率良好地制造可靠性高的半导体装置，达成高生产率。
图1A和图1B是说明半导体装置的ー个方式的平面图及截面图。图2A至图2D是说明半导体装置的制造方法的ー个方式的截面图。图3A和图3B是说明半导体装置的ー个方式的平面图及截面图。图4A至图4D是说明半导体装置的制造方法的ー个方式的截面图。图5A至图5C是说明半导体装置的ー个方式的平面图。图6A和图6B是说明半导体装置的ー个方式的平面图及截面图。图7A和图7B是示出半导体装置的ー个方式的截面图。图8A和图8B是示出半导体装置的ー个方式的等效电路图及截面图。图9A至图9C是示出电子设备的图。图1OA至图1OC是示出电子设备的图。图11是示出SIMS测定结果的图。
具体实施例方式
下面，使用附图详细地说明本说明书所公开的发明的实施方式。但是，所属技术领域的普通技术人员能容易地理解这ー情况，就是本说明书所公开的发明的不限于以下说明，其方式及详细内容能变换为各种各样的形式。另外，本说明书所公开的发明不应解释为限于以下所示的实施方式的记载内容。另外，为了方便起见而使用了作为第一、第二而附加的序数词，其并不表示エ序顺序或叠层顺序。此外，在本说明书中，不作为用于确定发明的事项而表示固有名称。(实施方式I)
在本实施方式中，使用图1及图2对半导体装置及半导体装置的制造方法的ー个方式进行说明。在本实施方式中，作为半导体装置的一个例子示出具有氧化物半导体膜的晶体管。晶体管可以是形成一个沟道形成区的单栅构造，又可以是形成两个沟道形成区的双栅(double-gate)构造，还可以是形成三个沟道形成区的三栅(triple-gate)构造。此外，还可以是具有在沟道形成区的上下隔着栅极绝缘膜配置的两个栅电极层的两栅(dual-gate)型。图1A和图1B所示的晶体管440是称为沟道保护型(也称为沟道停止(channelstop)型)的底栅构造之一的也称为反交错型晶体管的晶体管的ー个例子。图1A是平面图，沿着图1A中的点划线Xl-Yl切断的截面相当于图1B。如作为沟道长度方向的截面图的图1B所示，包含晶体管440的半导体装置在设置有绝缘膜436的具有绝缘表面的衬底400上具有栅电极层401、栅极绝缘膜402、含有铟的氧化物半导体膜403、绝缘层413、源电极层405a以及漏电极层405b。与氧化物半导体膜403接触的绝缘层413设置在与栅电极层401重叠的氧化物半导体膜403的沟道形成区上，并作为沟道保护膜起作用。通过调节位于沟道形成区上并与沟道形成区重叠的绝缘层413的截面形状，具体而言，端部的截面形状(锥角、膜厚等)，能够缓和在漏电极层405b的端部附近有产生的担忧的电场集中，并且能够抑制晶体管440的开关特性的变差。具体而言，使位于沟道形成区上并与沟道形成区重叠的绝缘层413的截面形状为梯形或三角形，并使截面形状的下端部的锥角为60°以下，优选为45°以下，更优选设为30°以下。通过设为这样的角度范围，在较高的栅电压施加到栅电极层401的情况下，能够缓和在漏电极层405b的端部附近有产生的担忧的电场集中。在本实施方式中，绝缘层413的相对中央范围D位于外侧的端部为锥状。另外，将位于沟道形成区上并与沟道形成区重叠的绝缘层413的厚度设为0. 3pm以下，优选设为5nm以上0.1ym以下。通过设为这样的厚度范围，能够降低电场强度的峰值，或者将电场集中分散而电场集中的部位变为多个，其结果是能够缓和在漏电极层405b的端部附近有产生的担忧的电场集中。作为用于氧化物半导体膜403的氧化物半导体，至少包含铟(In)。尤其是优选包含In及锌(Zn)。此外，作为用来降低使用该氧化物的晶体管的电特性偏差的稳定剂，除了上述元素以外优选还具有镓(Ga)。此外，作为稳定剂优选具有锡(Sn)。另外，作为稳定剂优选具有铪(Hf)。此外，作为稳定剂优选具有铝(Al)。另外，作为稳定剂优选具有锆(Zr)。此外，作为其他稳定剂，也可以具有作为镧系元素的镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的任ー种或多种。例如，作为氧化物半导体能够使用氧化铟；氧化锡；氧化锌；作为ニ元金属氧化物的In-Zn类氧化物、In-Mg类氧化物、In-Ga类氧化物；作为三元金属氧化物的In-Ga-Zn类氧化物(也称为IGZO)、In-Al-Zn类氧化物、In-Sn-Zn类氧化物、In-Hf-Zn类氧化物、In-La-Zn类氧化物、In-Ce-Zn类氧化物、In-Pr-Zn类氧化物、In-Nd-Zn类氧化物、In-Sm-Zn类氧化物、In-Eu-Zn类氧化物、In-Gd-Zn类氧化物、In-Tb-Zn类氧化物、In-Dy-Zn类氧化物、In-Ho-Zn类氧化物、In-Er-Zn类氧化物、In-Tm-Zn类氧化物、In-Yb-Zn类氧化物、In-Lu-Zn类氧化物；作为四元金属氧化物的In-Sn-Ga-Zn类氧化物、In-Hf-Ga-Zn类氧化物、In-Al-Ga-Zn 类氧化物、In-Sn-Al-Zn 类氧化物、In-Sn-Hf-Zn 类氧化物、In-Hf-Al-Zn类氧化物。此外，在此，例如，In-Ga-Zn类氧化物意味着具有以In、Ga、Zn为主成分的氧化物，对In、Ga、Zn的比率没有限制。另外，也可以加入In、Ga、Zn以外的金属元素。另外，作为氧化物半导体，也可以使用表示为InMO3 (ZnO)m (m>0且m不是整数)的材料。此外，M表不选自Ga、Fe、Mn和Co中的一种金属兀素或多种金属兀素。此外,作为氧化物半导体，也可以使用表示为In2SnO5 (ZnO)n (n>0且n是整数)的材料。例如，能够使用原子数比为 In:Ga:Zn=l:1:1 (=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5 )或 In: Ga: Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3 )的 In-Ga-Zn 类氧化物或与其类似的组成的氧化物。或者，可以使用原子数比为In: Sn: Zn=1: 1:1(=1/3:1/3: l/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)或 In:Sn:Zn=2:1:5 (=1/4:1/8:5/8)的 In-Sn-Zn 类氧化物或与其类似的组成的氧化物。但是，含有铟的氧化物半导体不限于此，可以根据所需要的半导体特性(迁移率、阈值、偏差等)而使用适当的组成。另外，优选设为适当的载流子浓度、杂质浓度、缺陷密度、金属元素及氧的原子数比、原子间距离、密度等，以得到所需要的半导体特性。例如，用In-Sn-Zn类氧化物比较容易得到高迁移率。但是，使用In-Ga-Zn类氧化物也能够通过降低块内缺陷密度而提高迁移率。此外,例如In、Ga、Zn的原子数比为In:Ga:Zn=a:b:c (a+b+c=l)的氧化物的组成与原子数比为In:Ga:Zn=A:B:C (A+B+C=l)的氧化物的组成类似是指，a、b、c满足(a_A) 2+(b-B)2+ (c-C) 2彡r2。作为r例如可以为0.05。其他氧化物也是同样的。氧化物半导体膜403取为单晶、多晶(也称为polycrystal。)或非晶等状态。氧化物半导体膜优选为CAAC-OS (C Axis Aligned Crystalline OxideSemiconductor, C轴取向结晶氧化物半导体)膜。CAAC-OS膜不是完全的单晶，也不是完全的非晶。CAAC-OS膜是在非晶相中具有结晶部的結晶-非晶混合相构造的氧化物半导体膜。另外，一般该结晶部为容纳于ー个边长小于IOOnm的立方体内的大小。另外，在使用透射型电子显微镜(TEM, TransmissionElectron Microscope)观察的图像中，包含于CAAC-0S膜中的非晶部与结晶部的边界不明确。另外，在CAAC-OS膜中利用TEM不能确认晶界(也称为grain boundary)。因此，CAAC-0S膜能抑制起因于晶界的电子迁移率的降低。包含于CAAC-OS膜中的结晶部的c轴在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法线向量或表面的法线向量的方向上一致，且在从垂直于ab面的方向看时具有三角形或六边形的原子排列，在从垂直于c轴的方向看时，金属原子排列为层状或者金属原子和氧原子排列为层状。另外，在不同结晶部之间，a轴及b轴的方向也可以彼此不同。在本说明书中，在只记载“垂直”时，也包括85°以上且95°以下的范围。另外，当只记载“平行”时，也包括-5°以上且5°以下的范围。另外，在CAAC-OS膜中，结晶部的分布也可以不相同。例如，在CAAC-OS膜的形成过程中，当从氧化物半导体膜的表面ー侧进行结晶生长时，有时相当于被形成面附近而在表面附近结晶部所占的比例更高。另外，通过向CAAC-OS膜添加杂质，有时在该杂质添加区中结晶部发生非晶化。由于包含于CAAC-OS膜的结晶部的c轴在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法线向量或表面的法线向量的方向上一致，所以有时根据CAAC-OS膜的形状(被形成面的截面形状或表面的截面形状)而朝向互相不同的方向。另外，结晶部的c轴方向是平行于形成CAAC-OS膜时的被形成面的法线向量或表面的法线向量的方向。结晶部是通过成膜或通过在成膜之后进行加热处理等晶化处理而形成的。使用CAAC-OS膜的晶体管能够降低由可见光或紫外光的照射引起的电特性变动。因此，该晶体管的可■性尚。 另外，也可以用氮取代构成氧化物半导体膜的氧的一部分。另外，在如CAAC-OS那样的具有结晶部的氧化物半导体中，能够进一歩降低块内缺陷，如果提高表面的平坦性，则能够得到非晶状态的氧化物半导体以上的迁移率。为了提高表面的平坦性，优选在平坦的表面上形成氧化物半导体，具体地，可以在平均面粗糙度(Ra)为Inm以下，优选为0. 3nm以下，更优选为0.1nm以下的表面上形成氧化物半导体。Ra是将JIS B0601:2001 (IS04287:1997)中定义的算术平均粗糙度扩大为三维以使其能够应用于曲面，能够以“将从基准面到指定面的偏差的绝对值平均而得的值”表示，以如下算式定义。[数学式I]
权利要求
1.一种半导体装置，包括栅电极层；所述栅电极层上的栅极绝缘膜；所述栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜，所述氧化物半导体膜含有铟；提供在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的绝缘层，所述绝缘层与所述栅电极层重叠；位于所述氧化物半导体膜及所述绝缘层上并与所述氧化物半导体膜及所述绝缘层接触的源电极层；以及位于所述氧化物半导体膜及所述绝缘层上并与所述氧化物半导体膜及所述绝缘层接触的漏电极层，其中，所述绝缘层的表面处的氯浓度为小于或等于lX1019/cm3，以及其中，所述绝缘层的所述表面处的铟浓度为小于或等于2X1019/cm3。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体膜中的氯浓度为小于或等于 IX IO1Vcm3O
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体膜中的所述氯浓度为小于或等于5X1018/cm3。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述绝缘层的所述表面处的所述氯浓度为小于或等于5X 1018/cm3，以及其中所述绝缘层的所述表面处的所述铟浓度为小于或等于5X 1018/cm3。
5.一种半导体装置的制造方法，包括以下步骤在绝缘表面上形成栅电极层；在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜；在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜，所述氧化物半导体膜含有铟；形成位于所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的绝缘层，所述绝缘层与所述栅电极层重叠；形成位于所述氧化物半导体膜及所述绝缘层上并与所述氧化物半导体膜及所述绝缘层接触的导电膜；用含有氯的气体蚀刻所述导电膜来形成源电极层及漏电极层；以及去除所述氧化物半导体膜及所述绝缘层上的残留物，其中，由所述气体与所述氧化物半导体膜之间的反应而形成所述残留物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述去除工序之前所述残留物的一部分分散并附着于所述绝缘层。
7.根据权利要求5所述的方法，其中作为所述去除工序进行使用稀氢氟酸溶液的洗涤工序。
8.根据权利要求5所述的方法，其中作为所述去除工序进行使用稀有气体的等离子体处理。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述残留物中的每个包含含有铟及氯的化合物。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述残留物的一部分分散并附着于所述绝缘层的表面。
11.一种半导体装置的制造方法，包括以下步骤在绝缘表面上形成栅电极层；在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜；在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜，所述氧化物半导体膜含有铟；形成位于所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的绝缘层，所述绝缘层与所述栅电极层重叠；形成位于所述氧化物半导体膜及所述绝缘层上并与所述氧化物半导体膜及所述绝缘层接触的导电膜；用含有氯的气体蚀刻所述导电膜来形成源电极层及漏电极层；以及去除位于所述绝缘层表面上及所述绝缘层的附近的残留物，其中，由所述气体与所述氧化物半导体膜之间的反应形成所述残留物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述去除工序之前所述残留物的一部分分散并附着于所述绝缘层。
13.根据权利要求11所述的方法，其中作为所述去除工序进行使用稀氢氟酸溶液的洗涤工序。
14.根据权利要求11所述的方法，其中作为所述去除工序进行使用稀有气体的等离子体处理。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述残留物的每个包含含有铟及氯的化合物。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述残留物的一部分分散并附着于所述绝缘层的所述表面及所述绝缘层的附近。
全文摘要
本发明提供一种可靠性高的半导体装置。通过成品率良好地制造半导体装置来达成高生产率。在半导体装置中，依次层叠有栅电极层、栅极绝缘膜、含有铟的氧化物半导体膜、以及设置在氧化物半导体膜上并与氧化物半导体膜接触的绝缘层，该绝缘膜与栅电极层重叠，并且还具有设置有与氧化物半导体膜及绝缘层接触的源电极层及漏电极层的晶体管，其中，将绝缘层表面的氯浓度设为1×1019/cm3以下，并且将铟浓度设为2×1019/cm3以下。
文档编号H01L29/786GK103035735SQ20121036714
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者山崎舜平 申请人:株式会社半导体能源研究所