半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本说明书等所公开的发明涉及一种半导体装置及该半导体装置的制造方法。
[0002] 注意，本说明书等中的半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装 置，因此电光装置、图像显示装置、半导体电路以及电子设备都包括在半导体装置的范畴 内。
【背景技术】
[0003] 使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜来构成晶体管的技术受到关注。 该晶体管被广泛地应用于集成电路（1C)、图像显示装置（简单地记载为显示装置）等的电 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。但是，作为 其他材料，氧化物半导体受到关注。
[0004] 例如，公开了使用氧化锌或In-Ga-Zn类氧化物半导体等氧化物半导体来制造晶 体管的技术（参照专利文献1及专利文献2)。
[0005] 另外，公开了为了提高晶体管的载流子迀移率而层叠电子亲和势（或者导带底的 能级）不同的氧化物半导体层的技术（参照专利文献3及专利文献4)。
[0006] [专利文献1]日本专利申请公开2007-123861号公报
[0007] [专利文献2]日本专利申请公开2007-096055号公报 [0008][专利文献3]日本专利申请公开2011-124360号公报 [0009][专利文献4]日本专利申请公开2011-138934号公报
【发明内容】
[0010] 包括使用氧化物半导体的晶体管的半导体装置的可靠性需要得到提高以实现量 产。尤其是，半导体装置的电特性的变动或降低导致可靠性的降低。
[0011] 鉴于上述问题，本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种包括氧化物半导体 的可靠性高的半导体装置。
[0012] 另外，为了实现晶体管的工作的高速化、晶体管的低功耗化、廉价化、高集成化等， 必须要实现晶体管的微型化。
[0013] 于是，本发明的一个实施方式的目的之另一是提供一种包括氧化物半导体的半导 体装置，该半导体装置在维持良好的电特性的同时实现微型化。
[0014] 注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。本发明的一个实施方式不需要达 到上述所有目的。另外，上述以外的目的从说明书等的记载看来显而易见，且可以从说明书 等的记载中抽出上述以外的目的。
[0015] 当使用氧化物半导体制造晶体管时，氧空位被作为氧化物半导体的载流子的供应 源之一。包含在氧化物半导体中的氧空位作为存在于氧化物半导体的能隙内的深能级的局 域态而明显化。载流子被这种局域态俘获而导致晶体管的常导通化、泄漏电流的增大以及 因施加应力引起的阈值电压的漂移等电特性不良。因此，为了提高晶体管的可靠性，必须减 少氧化物半导体中的氧空位。
[0016] 另外，在氧化物半导体层中，氢、硅、氮、碳以及主要成分以外的金属元素都是杂 质。例如，氢的一部分在氧化物半导体层中形成施主能级，而使载流子密度增大。
[0017] 因此，为了使包括氧化物半导体的半导体装置具有稳定的电特性，需要采取措施 对氧化物半导体层供应充分的氧来降低氧空位，并且降低氢等杂质的浓度。
[0018] 于是，在本发明的一个实施方式的半导体装置中，通过将氧从设置在氧化物半导 体层的下侧的栅极绝缘层以及设置在氧化物半导体层的上侧的用作保护绝缘层的绝缘层 供应到沟道形成区，填补有可能形成在沟道形成区中的氧空位。
[0019] 在本发明的一个实施方式中，作为对沟道形成区供应氧的栅极绝缘层及保护绝缘 层，使用包含含有过剩的氧的氧化铝膜的绝缘层。在此，过剩的氧例如是指超过化学计量组 成的氧，或者由于在半导体装置的制造工序中进行的加热处理温度以下的温度的加热而有 可能被释放出的氧。例如，作为包含过剩的氧的氧化铝膜，可以设置A10x(x大于1.5)膜。 氧化铝膜所包含的过剩的氧可以通过加热被释放，并供应给氧化物半导体层，因此通过将 包含这样的氧化铝膜的绝缘层设置于氧化物半导体层的下侧及上侧，可以对沟道形成区有 效地供应氧。
[0020] 另外，例如可以在包含氧的气氛下通过溅射法等来形成含有过剩的氧的氧化铝 膜。
[0021] 另外，氧化铝膜是与氧化硅膜、氧氮化硅膜等绝缘层或氧化物半导体层相比对氧 及氢的透过性低的绝缘层。换言之，氧化铝膜具有对氧及氢的阻挡性。因此，通过设置包含 氧化铝膜的绝缘层，能够抑制由该绝缘层包围的区域的氧脱离所导致的氧空位的形成，并 且能够抑制氢或氢化合物的混入。
[0022] 在本发明的一个实施方式中，在氧化物半导体层以及与该氧化物半导体层电连接 的源电极层及漏电极层不存在的区域中，设置在氧化物半导体层的上侧或下侧中的一侧的 栅极绝缘层以及设置在氧化物半导体层的上侧或下侧中的另一侧的保护绝缘层彼此接触。 也就是说，在本发明的一个实施方式的半导体装置中，氧化物半导体层被氧化铝膜包围。通 过具有这样的结构，除了氧化物半导体层的前沟道一侧及背沟道一侧以外，还可以抑制氧 化物半导体层侧面的氧脱離及/或氢等杂质的混入，并可以进行氧的供应。由此，能够抑制 其沟道形成在该氧化物半导体层中的晶体管的电特性变动，形成可靠性高的半导体装置。
[0023] 更具体地，例如可以采用以下结构。
[0024] 本发明的一个实施方式是一种半导体装置，包括：第一栅电极层；在第一栅电极 层上并与其接触的第一栅极绝缘层；隔着第一栅极绝缘层与第一栅电极层重叠的氧化物半 导体层；与氧化物半导体层电连接的源电极层及漏电极层；位于源电极层及漏电极层上且 与氧化物半导体层重叠的第二栅极绝缘层；隔着第二栅极绝缘层与氧化物半导体层重叠的 第二栅电极层；以及覆盖源电极层、漏电极层及第二栅电极层的保护绝缘层，其中第一栅极 绝缘层及保护绝缘层包含含有过剩的氧的氧化铝膜，并在源电极层、漏电极层及第二栅电 极层不存在的区域中彼此接触。
[0025] 另外，本发明的其他的一个实施方式是一种半导体装置，包括：第一绝缘层；被埋 入第一绝缘层中且露出顶面的第一栅电极层；在第一绝缘层及第一栅电极层上并与其接触 的第一栅极绝缘层；隔着第一栅极绝缘层与第一栅电极层重叠的氧化物半导体层；与氧化 物半导体层电连接的源电极层及漏电极层；位于源电极层及漏电极层上且与氧化物半导体 层重叠的第二栅极绝缘层；隔着第二栅极绝缘层与氧化物半导体层重叠的第二栅电极层； 以及覆盖源电极层、漏电极层及第二栅电极层的保护绝缘层，其中第一栅极绝缘层及保护 绝缘层包含含有过剩的氧的氧化铝膜，并在源电极层、漏电极层及第二栅电极层不存在的 区域中彼此接触。
[0026] 优选在上述半导体装置的沟道宽度的方向上的截面中，第二栅电极层隔着第二栅 极绝缘层覆盖氧化物半导体层的侧面及顶面。
[0027] 另外，上述半导体装置优选还包括：设置在第一栅极绝缘层与氧化物半导体层之 间，且包含构成氧化物半导体层的金属元素中的至少一个金属元素作为构成元素的第一 氧化物层；以及设置在第二栅极绝缘层与氧化物半导体层之间，且包含构成氧化物半导体 层的金属元素中的至少一个金属元素作为构成元素的第二氧化物层，其中优选氧化物半 导体层的导带底的能量比第一氧化物层及第二氧化物层的导带底的能量更接近真空能级 0· 05eV以上且2eV以下。
[0028] 另外，在上述结构中，优选以覆盖没有被源电极层及漏电极层覆盖的氧化物半导 体层的方式在源电极层及漏电极层上设置第二氧化物层。
[0029] 本发明的一个实施方式的结构的效果例如可以说明为如下。
[0030] 在本发明的一个实施方式的半导体装置中，氧化物半导体层被包含含有过剩的氧 的氧化铝膜的绝缘层包围。氧化铝膜所包含的过剩的氧通过半导体装置的制造工序中的加 热处理而被供应给其中形成沟道的氧化物半导体层。并且，由于氧化铝膜具有对氧及氢的 阻挡性，所以可以抑制氧从被包含氧化铝膜的绝缘层包围的氧化物半导体层脱离以及氢等 杂质混入氧化物半导体层。被供应有充分的氧且氢等杂质的混入得到了抑制的氧化物半导 体层是高纯度本征化的氧化物半导体层。
[0031] 另外，在上述半导体装置中，从氧化物半导体层的下侧的第一栅电极层及氧化物 半导体层的上侧的第二栅电极层对氧化物半导体层施加垂直方向的电场。由此，可以良好 地控制半导体装置的阈值电压。另外，通过以隔着第二栅极绝缘层覆盖氧化物半导体层的 侧面的方式形成上述第二栅电极层，可以对沟道形成区从垂直方向及水平方向的双方施 加电场，由此可以使阈值电压控制性更加良好。另外，也可以减小晶体管的亚阈值摆幅（S 值）。
[0032] 另外，在本发明的一个实施方式的半导体装置中，优选在氧化物半导体层与重叠 于该氧化物半导体层的第一栅极绝缘层及保护绝缘层之间具有作为构成元素包含构成氧 化物半导体层的金属元素中的至少一个金属元素的氧化物层。由此，可以抑制在氧化物半 导体层与重叠于该氧化物半导体层的绝缘层的界面形成陷阱态，所以可以抑制晶体管的电 特性劣化。
[0033] 也就是说，本发明的一个实施方式更优选具有如下结构：氧化物半导体层的顶面 及底面被用作防止氧化物半导体层的界面态形成的阻挡膜的氧化物层覆盖；氧化物半导体 层的侧面及底面在沟道宽度方向上隔着栅极绝缘层被栅电极层覆盖；并且氧化物半导体层 被包含氧化铝膜的绝缘层包围。通过采用这样的结构，可以抑制氧化物半导体层中及界面 的载流子的生成要因的氧空位的生成及杂质的混入，所以可以使氧化物半导体层高纯度本 征化。高纯度本征化是指使氧化物半导体层本征化或实质上本征化。由此，可以抑制包括 该氧化物半导体层的晶体管的电特性变动，并提供可靠性高的半导体装置。
[0034] 本发明的一个实施方式可以提供一种使用氧化物半导体的可靠性高的半导体装 置。
[0035] 另外，本发明的一个实施方式可以提供一种使用氧化物半导体的半导体装置，该 半导体装置在维持良好的电特性的同时实现了微型化。
【附图说明】
[0036] 在附图中：
[0037] 图1A至图1C是说明半导体装置的一个实施方式的俯视图及截面图；
[0038] 图2A至图2C是说明半导体装置的一个实施方式的俯视图及截面图；
[0039] 图3A至图3C是说明半导体装置的制造方法的截面图；
[0040] 图4A至图4C是说明半导体装置的制造方法的截面图；
[0041] 图5A至图5C是说明半导体装置的一个实施方式的俯视图及截面图，并且图?是 能带图；
[0042] 图6A至图6C是说明半导体装置的一个实施方式的俯视图及截面图；
[0043] 图7是说明半导体装置的一个例子的电路图；
[0044] 图8是说明半导体装置的一个例子的方框图；
[0045] 图9是说明半导体装置的一个例子的电路图；
[0046] 图10是说明半导体装置的一个例子的电路图；
[0047] 图11A至图11C是说明半导体装置的例子的图；
[0048] 图12A至图12C是说明电子设备的实施方式的图。
【具体实施方式】
[0049] 下面，参照附图详细地说明所公开的发明的实施方式。注意，本说明书所公开的发 明不局限于以下说明，并且所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就 是所公开的发明的方式及详细内容可以被变换为各种各样的形式。因此，本说明书所公开 的发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。在以下所示的本发 明的一个实施方式的结构中，在不同附图之间共同使用同一符号表不同一部分或具有同样 功能的部分并省略其重复说明。另外，当表示具有相同功能的部分时有时使用相同的阴影 线，而不特别附加附图标记。
[0050] 在本说明书等中使用的"第一"、"第二"等序数词是为了避免构成要素的混淆而附 记的，而不是为了在数目方面上进行限定的。
[0051] 在本说明书等中，实质上本征的氧化物半导体层的载流子密度低于IX 1017/〇113， 低于1 X l〇15/cm3或低于1 X 10 13/cm3。通过使氧化物半导体层高纯度本征化，可以使晶体管 具有稳定的电特性。
[0052] 在本说明书等中，"上"或"下"不局限于构成要素的位置关系为"直接在…之上" 或"直接在…之下"。例如，"栅极绝缘层上的栅电极"包括在栅极绝缘层和栅电极之间包含 另一构成要素的情况。"下"也是同样的。
[0053] 在本说明书等中，膜的顶面是指与衬底表面大致平行且远离衬底表面一侧的面， 膜的底面是指与衬底表面大致平行且接近衬底表面一侧的面。
[0054] 在本说明书中，"平行"是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态， 因此也包括角度为-5°以上且5°以下的情况。另外，"垂直"是指两条直线形成的角度为 80°以上且100°以下的状态，因此也包括角度为85°以上且95°以下的情况。
[0055] 在本说明书中，六方晶系包括三方晶系和菱方晶系。
[0056] 实施方式1
[0057] 在本实施方式中，参照图1A至图4C说明半导体装置及该半导体装置的制造方法 的一个方式。在本实施方式中，作为半导体装置的一个例子示出包括氧化物半导体的晶体 管。
[0058] 图1A至图1C示出晶体管250的结构例子。图1A是晶体管250的俯视图，图1B 是沿着图1A中的V1-W1的截面图，图1C是沿着图1A中的X1-Y1的截面图。注意，在图1A 中，为了简化起见，省略晶体管250的构成要素的一部分（例如，绝缘层212等）。另外，这 在本说明书的其他的俯视图中也是同样的。
[0059] 图1A至图1C所示的晶体管250包括：设置在衬底200上的第一栅电极层202 ;与 第一栅电极层202接触的绝缘层206 ;隔着绝缘层206与第一栅电极层202重叠的氧化物半 导体层208 ;与氧化物半导体层208电连接的源电极层210a及漏电极层210b ;位于源电极 层210a及漏电极层210b上且与氧化物半导体层208重叠的绝缘层214 ;隔着绝缘层214与 氧化物半导体层208重叠的第二栅电极层216 ;以及以覆盖源电极层210a、漏电极层210b 及第二栅电极层216的方式设置在绝缘层206上的绝缘层212。
[0060] 在晶体管250中，设置在第一栅电极层202与氧化物半导体层208之间的绝缘层 206用作第一栅极绝缘层。另外，设置在第二栅电极层216与氧化物半导体层208之间的绝 缘层214用作第二栅极绝缘层。另外，以覆盖源电极层210a、漏电极层210b及第二栅电极 层216的方式设置在氧化物半导体层208上侧的绝缘层212用作保护绝缘层。
[0061] 在晶体管250中，将包含含有过剩的氧的氧化铝膜的绝缘层应用于设置在氧化物 半导体层208下侧的绝缘层206以及设置在氧化物半导体层208上侧的绝缘层212。
[0062] 如图1B及图1C中的截面图所示，在氧化物半导体层208、源电极层210a、漏电极 层210b及第二栅电极层216不存在的区域中，用作第一栅极绝缘层的绝缘层206与用作保 护绝缘层的绝缘层212在沟道长度方向（载流子流过的方向）及沟道宽度方向的两个方向 上彼此接触。也就是说，晶体管250所包括的氧化物半导体层208被包含氧化铝膜的绝缘 层包围。
[0063] 如上所述，氧化铝膜所包含的过剩的氧通过晶体管250的制造工序中的加热处理 被释放，并被供应到氧化物半导体层208。另外，该加热处理也可以兼作用来在氧化物半导 体层208上形成绝缘层等的加热处理。并且，氧化铝膜具有对氧及氢的阻挡性。因此，由于 氧化物半导体层208的氧脱离得到了抑制，并充分的氧被供应到氧化物半导体层208中，因 此氧空位减少，与此同时，氢等杂质的混入也得到了减少。换言之，氧化物半导体层208是 高纯度本征化的氧化物半导体层。
[0064] 具有高纯度化并i型（本征）化的氧化物半导体层208的晶体管250的电特性几 乎没有变动，所以其电性稳定。
[0065] 为了使氧化物半导体层208本征或实质上本征，将利用二次离子质谱分析法 (SIMS 〖Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度设定为 2X 102°atoms/cm3以下，优选为5 X 1019atoms/cm3以下，更优选为1 X 10 19atoms/cm3以下，进一步优选为 5X 1018atoms/cm3 以下。
[0066] 优选降低设置在氧化物半导体层208下侧的绝缘层206及设置在氧化物半导体层 208上侧的绝缘层212所包含的氢的浓度。具体而言，将绝缘层206及绝缘层212所包含的 氢的浓度优选设定为小于5 X 1019atoms/cm3,更优选设定为小于5 X 1018atoms/cm3。
[0067] 将被高度纯化的氧化物半导体层208用于沟道形成区的晶体管250的关态电流 (off-state current)极小。例如，关于使用被高度纯化的氧化物半导体层的晶体管处 于关闭状态时的漏极电流，室温（25°C左右）下的漏极电流可以为1X10 1SA以下，优选为 1X1021A以下，更优选为1 X 10 24A以下，或者，85°C下的漏极电流可以为1X10 15A以下，优 选为1 X 10 1SA以下，更优选为1 X 10 21A以下。注意，"η沟道型晶体管处于关闭状态"是指 栅电压充分小于阈值电压的状态。具体而言，在栅电压比阈值电压小IV以上，2V以上或3V 以上时，晶体管成为关闭状态。
[0068]另外，使晶体管微型化可以实现高密度化（高集成化）。例如，将晶体管的沟道长 度设定为l〇〇nm以下，优选为40nm以下，更优选为30nm以下。
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