半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的一个实施方式涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。
[0002] 在本说明书中，半导体装置一般是指能够通过利用半导体特性而工作的装置，因 此电光装置、半导体电路以及电子装置都是半导体装置。
【背景技术】
[0003] 通过利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（也称为薄膜 晶体管（TFT))的技术引人注目。这种晶体管应用在诸如集成电路（1C)或图像显示装置(显 示装置)等各式各样的电子装置。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体材料是 公知的；但是，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。
[0004] 例如，公开其有源层具有包括铟（In)、镓（Ga)和锌（Zn)并且其电子载流子浓度低 于1018 /cm3的非晶氧化物的晶体管(参照专利文献1)。
[0005] [参考]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开2006-165528。
【发明内容】
[0006] 然而，当在形成薄膜的步骤中发生由于氧的过多或过少而引起的与化学计量组成 的偏离或者形成电子施主的氢或水分进入氧化物半导体时，氧化物半导体的导电率变化。 这种现象成为包括氧化物半导体的晶体管的电特性变动的一个因素。
[0007] 鉴于上述问题，本发明的目的之一是提供包括氧化物半导体的半导体装置，其具 有稳定的电特性和高的可靠性。
[0008] 此外，本发明的目的之一是防止在氧化物半导体膜的背沟道侧产生寄生沟道。
[0009] 为了抑制包括氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动而有意地从氧化物半导体 膜中去除引起变动的诸如氢、水分、羟基或者氢化物(也称为氢化合物）等杂质。此外，供给 在去除杂质的步骤中减少且作为氧化物半导体的主要成分的氧。因此使氧化物半导体膜高 度纯化且在电性上成为I型(本征)。
[0010] I型(本征）的氧化物半导体是如下一种氧化物半导体，即通过以从氧化物半导体 中去除作为η型杂质的氢以便尽可能少地包含氧化物半导体的主要成分以外的杂质的方 式来进行高度纯化，实现I型(本征)或实质上I型(本征)。换而言之，特征是不通过添加杂 质，而是通过尽可能多地去除诸如氢或水等杂质来获得高度纯化的I型(本征）氧化物半导 体或与其接近的氧化物半导体。这使费密能级（Ef)能够在与本征费密能级（Ei)相同的能 级。
[0011] 在包括氧化物半导体膜的晶体管中，在氧化物半导体膜上以与该氧化物半导体膜 接触的方式形成用来防止在氧化物半导体膜的背沟道侧产生带电的氧化物层，通过氧化物 层引入(添加）氧，在氧化物层之上形成绝缘层并且进行热处理。该热处理也可以在氧化物 层上形成绝缘层之前进行。
[0012] 具有防止带电的功能的氧化物层设置在氧化物半导体膜、优选为高度纯化的氧化 物半导体膜的背沟道侧(与栅极绝缘膜侧相反的一侧）上，并且，该氧化物层的介电常数优 选小于氧化物半导体的介电常数。例如，使用介电常数为8以上且20以下的氧化物层。
[0013] 该氧化物层比氧化物半导体膜更厚。例如，优选的是，如果氧化物半导体膜的厚度 为3nm以上且30nm以下，则该氧化物层的厚度优选为大于10nm并且大于或等于氧化物半 导体膜的厚度。
[0014] 金属氧化物可以用于该氧化物层。作为金属氧化物，例如可以使用氧化镓或者添 加有0. 01原子百分比至5atoms%的铟或锌的氧化镓。
[0015] 通过上述氧引入及热处理，有意地从氧化物半导体膜中去除氢、水分、羟基或者氢 化物(也称为氢化合物)等杂质，由此高度纯化氧化物半导体膜。通过引入氧，切断包含在氧 化物半导体中的金属与氢之间的键或者该金属与羟基之间的键，并且氢或羟基与氧起反应 来生成水；这使得可以容易地通过后面进行的热处理使作为杂质的氢或羟基以水的形式被 消除。
[0016] 通过在氧化物半导体膜上层叠金属氧化物膜将氧引入到氧化物半导体膜中，以便 可以控制氧的引入深度（引入区域)，并且，可以高效地将氧引入到氧化物半导体膜中。
[0017] 此外，包含氧的金属氧化物膜与氧化物半导体膜在经受热处理时处于接触的状 态，所以可以从包含氧的金属氧化物膜中将作为氧化物半导体的主要成分材料之一且在去 除杂质的步骤中减少的氧供给到氧化物半导体膜。因此，氧化物半导体膜被高度纯化，从而 在电性上成为I型(本征)。
[0018] 为了防止诸如水分或氢等杂质在热处理后进入氧化物半导体膜，可以在绝缘层上 还形成阻挡它们从外部进入的保护绝缘层。
[0019] 包括高度纯化的氧化物半导体膜的晶体管的电特性、诸如阈值电压和截止态电流 几乎不具有温度相关性。此外，晶体管特性几乎不因为光劣化而发生改变。
[0020] 如上所述，具有高度纯化且在电性上是I型(本征）的氧化物半导体膜的晶体管的 电特性变动被抑制，并且该晶体管在电性上稳定。因此，可以提供包括电特性稳定且可靠性 高的氧化物半导体的半导体装置。
[0021] 在250°C以上且650°C以下、450°C以上且600°C以下或者低于衬底的应变点的温 度进行热处理。可在氮、氧、超干燥空气(水的含量为20ppm以下，优选为lppm以下，更优选 为lOppb以下的空气)、或者稀有气体(氩、氦等）的气氛下进行热处理。
[0022] 本说明书所公开的发明的结构的一个实施方式是一种半导体装置的制造方法，包 括如下步骤：在衬底之上形成栅电极；形成覆盖栅电极的栅极绝缘膜；在与栅电极重叠的 区域中形成氧化物半导体膜，其中在氧化物半导体膜与栅电极之间插入栅极绝缘膜；在氧 化物半导体膜之上形成源电极及漏电极；形成与氧化物半导体膜接触并覆盖源电极及漏电 极的金属氧化物膜；将氧引入到氧化物半导体膜、金属氧化物膜以及氧化物半导体膜和金 属氧化物膜的界面至少之一；形成覆盖金属氧化物膜的绝缘膜；以及进行热处理。
[0023] 本说明书中公开的发明的结构的另一实施方式是一种半导体装置的制造方法，包 括如下步骤：在衬底之上形成栅电极；形成覆盖栅电极的栅极绝缘膜；在与栅电极重叠的 区域中形成氧化物半导体膜，其中在栅电极与氧化物半导体膜之间插入栅极绝缘膜；在氧 化物半导体膜之上形成源电极及漏电极；形成与氧化物半导体膜接触并覆盖源电极及漏电 极的金属氧化物膜；形成覆盖金属氧化物膜的绝缘膜；将氧引入到氧化物半导体膜、金属 氧化物膜以及氧化物半导体膜和金属氧化物膜的界面至少之一；以及进行热处理。
[0024] 此外，本说明书中公开的发明的结构的另一实施方式是一种半导体装置的制造方 法，包括如下步骤：在衬底之上形成栅电极；形成覆盖栅电极的栅极绝缘膜；在与栅电极重 叠的区域中形成氧化物半导体膜，其中在栅电极与氧化物半导体膜之间插入栅极绝缘膜； 对氧化物半导体膜进行第一热处理，第一热处理包括惰性气氛下的加热和氧气氛下的冷 却；在氧化物半导体膜之上形成源电极及漏电极；形成与氧化物半导体膜接触并覆盖源电 极及漏电极的金属氧化物膜；将氧引入到氧化物半导体膜、金属氧化物膜以及氧化物半导 体膜和金属氧化物膜的界面至少之一；形成覆盖金属氧化物膜的绝缘膜；以及进行第二热 处理。
[0025] 此外，本说明书中公开的发明的结构的另一实施方式是一种半导体装置的制造方 法，包括如下步骤：在衬底之上形成栅电极；形成覆盖栅电极的栅极绝缘膜；在与栅电极重 叠的区域中形成氧化物半导体膜，其中在栅电极与氧化物半导体膜之间插入栅极绝缘膜； 对氧化物半导体膜进行第一热处理，第一热处理包括惰性气氛下的加热和氧气氛下的冷 却；在氧化物半导体膜之上形成源电极及漏电极；形成与氧化物半导体膜接触并覆盖源电 极及漏电极的金属氧化物膜；形成覆盖金属氧化物膜的绝缘膜；将氧引入到氧化物半导体 膜、金属氧化物膜以及氧化物半导体膜和金属氧化物膜的界面至少之一；以及进行第二热 处理。
[0026] 在半导体装置的上述制造方法中，优选作为金属氧化物膜形成包含氧化镓的膜。
[0027] 备选地，在半导体装置的上述制造方法中，优选作为金属氧化物膜形成包含0. 01 原子百分比至5原子百分比的铟或锌的氧化镓膜。
[0028] 在半导体装置的上述制造方法中，热处理的温度优选为450°C至600°C。
[0029] 在半导体装置的上述制造方法中，优选作为氧化物半导体膜形成包含铟及镓的 膜。
[0030]在上述结构中，优选将氧化镓膜用作金属氧化物膜。可以通过溅射法、CVD法、蒸 镀法等来形成氧化镓膜。氧化镓膜具有大约4. 9eV的能隙，并且，在可见光波长范围内具有 透光属性，但这取决于氧和镓的组成比。
[0031]在本说明书中，有时将氧化镓表示为GaOx(X> 0)。例如，当GaOx具有晶体结构 时，已知其中X为1.5的Ga203。
[0032] 在上述结构中，可以在氧化物半导体膜之上形成金属氧化物膜之前，对氧化物半 导体膜进行热处理。此外，可以通过离子注入法或离子掺杂法来进行氧的引入。
[0033] 在氧化物半导体膜之上且以与该氧化物半导体膜接触的方式形成金属氧化物膜， 通过金属氧化物膜引入氧，然后进行热处理。通过氧引入及热处理的这些步骤，有意地从氧 化物半导体膜中去除诸如氢、水分、羟基或者氢化物等杂质，由此能够高度纯化氧化物半导 体膜。包括高度纯化且在电性上I型(本征)的氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动被抑 制，并且该晶体管在电性上稳定。
[0034] 因此，根据本发明的一个实施方式，可以制造具有稳定电特性的晶体管。
[0035] 此外，根据本发明的一个实施方式，可以制造具有电特性良好且可靠性高的晶体 管的半导体装置。
【附图说明】
[0036] 图1A至1E是示出半导体装置及半导体装置的制造方法的一个实施方式的图； 图2A至2C是各示出半导体装置的一个实施方式的图； 图3是示出半导体装置的一个实施方式的图； 图4是示出半导体装置的一个实施方式的图； 图5是示出半导体装置的一个实施方式的图； 图6A和6B是示出半导体装置的一个实施方式的图； 图7A和7B是示出电子装置的图； 图8A至8F是各示出电子装置的图； 图9A是示出电介质的叠层结构的模型图，而图9B是等效电路图。
【具体实施方式】
[0037] 下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。但是，本发明不限于以下描述，并且 所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解，本文公开的模式及细节可以各种形式修 改。此外，本发明不被解释为限于在下面对实施例的描述。
[0038] 注意，说明书中诸如"第一"和"第二"等序数词是为了方便起见使用的，而不表示 步骤顺序或叠层顺序。另外，这些序数词在本说明书中不表示规定本发明的特定名称。
[0039] 实施方式1 在本实施方式中，参照图1A至1E描述半导体装置及半导体装置的制造方法的一个实 施方式。在本实施方式中，作为半导体装置的示例描述包括氧化物半导体膜的晶体管。
[0040] 如图1E所示，晶体管410包括栅电极401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、 源电极405a以及漏电极405b，它们在具有绝缘表面的衬底400之上形成。在氧化物半导 体膜403之上依次层叠有用来防止在氧化物半导体膜403的背沟道侧带电的金属氧化物膜 407及绝缘膜409。
[0041] 图1A至1E示出晶体管410的制造方法的一例。
[0042] 首先，在具有绝缘表面的衬底400之上形成导电膜，然后通过第一光刻步骤形成 栅电极401。注意，可以利用喷墨法形成抗蚀剂掩模。利用喷墨法形成抗蚀剂掩模不需要光 掩模，所以可以降低制造成本。
[0043] 虽然对于可用作具有绝缘表面的衬底400的衬底没有具体限制，但是需要衬底至 少对于后面进行的热处理具有足够的耐热性。例如，可以使用诸如玻璃衬底、陶瓷衬底、石 英衬底、蓝宝石衬底等衬底。备选地，可以使用硅、碳化硅等的多晶半导体衬底或单晶半导 体衬底、硅锗等的化合物半导体衬底、SOI衬底等（只要该衬底具有绝缘表面)。另外，也可 以在这些衬底之上设置半导体元件。
[0044] 柔性衬底可用作衬底400。当使用柔性衬底时，可以直接在柔性衬底之上形成包括 氧化物半导体膜403的晶体管410。备选地，可以在制造衬底之上形成包括氧化物半导体膜 403的晶体管410,然后可将该晶体管410分离并转移到柔性衬底。注意，为了从制造衬底 中分离晶体管并将它转移到柔性衬底，可以在制造衬底和包括氧化物半导体膜的晶体管之 间设置分离层。
[0045] 可以将用作基底膜的绝缘膜设置在衬底400和栅电极401之间。基底膜具有防止 杂质元素从衬底400扩散的功能，并且，可以使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜和氧氮 化硅膜中的一个或者多个、以单层结构或者叠层结构来形成该基底膜。
[0046] 可以使用诸如钼、钛、钽、钨、铝、铜、钕或钪等金属材料或者包含这些材料中的任 一种作为主要成分的合金材料形成具有单层结构或叠层结构的栅电极401。
[0047] 接着，在栅电极401之上形成栅极绝缘膜402。可以通过等离子体CVD法、溅射法 或类似方法使用氧化硅层、氮化硅层、氧氮化硅层、氮氧化硅层、氧化铝层、氮化铝层、氧氮 化铝层、氮氧化铝层或氧化铪层形成具有单层结构或叠层结构的栅极绝缘膜402。
[0048] 在本实施方式中，将如下本征（I型）或者实质上本征（I型）的氧化物半导体用作 氧化物半导体膜403 :从其中去除杂质并且被高度纯化以便尽可能少地包含用作载流子施 主且是氧化物半导体的主要成分以外的物质的杂质。
[0049] 这种高度纯化的氧化物半导体对界面状态或者界面电荷极为敏感，所以氧化物半 导体膜和栅极绝缘膜的界面是重要的。因此，与高度纯化的氧化物半导体接触的栅极绝缘 膜要求具有高质量。
[0050] 对于栅极绝缘膜的制造方法，优选采用使用微波(例如，频率为2. 45GHz)的高密度 等离子体CVD法，这是因为形成的绝缘层可以是密实的，且能够具有高击穿电压和高质量。 这是因为当高度纯化的氧化物半导体和高质量的栅极绝缘膜密切接触时，可以降低界面状 态，且界面特性能够是良好的。
[0051]当然，可以使用不同的成膜方法，诸如溅射法或等离子体CVD法，只要能够将高质 量绝缘层形成为栅极绝缘膜即可。另外，可以形成如下绝缘层，该绝缘层的膜质量和与氧化 物半导体的界面特性通过成膜后进行的热处理得到改进。在任一种情况下，能够使用任何 栅极绝缘膜，只要作为栅极绝缘膜的膜质量高、与氧化物半导体的界面状态密度得到降低 并且可以形成良好的界面即可。
[0052] 为使栅极绝缘膜402和氧化物半导体膜中尽可能少地包含氢、羟基及水分，优选 作为氧化物半导体膜的成膜的预处理，在溅射装置的预热室中对其之上形成栅电极401的 衬底400、或者其之上形成到栅极绝缘膜402的衬底400进行预热，以便使吸附在衬底400 上的诸如氢和水分等杂质被消除且去除。作为设置在预热室内的排空单元，低温栗是优选 的。注意，可以