半导体装置及半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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通常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、半导体电路W及电子设备都是半导体装置。
【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构成晶体管的技术备受关注。该 晶体管被广泛地应用于如集成电路（IC)及图像显示装置(显示装置）那样的电子设备。作 为可W应用于晶体管的半导体薄膜材料，娃类半导体材料广为人知。但是，作为其他材料， 氧化物半导体受到关注。
[0004] 例如，已经公开一种晶体管，其活性层使用其电子载流子浓度低于IQis/cm3的包含 铜（In)、嫁（Ga)、锋（Zn)的非晶氧化物(参照专利文献1)。 阳0化][专利文献1]日本专利申请公开2006-165528号公报。
[0006] 然而，在形成装置的工序中发生形成电子给体的氨、水分的混入等时，氧化物半导 体的导电率可能变化。运种现象成为使用氧化物半导体的晶体管的电特性变动的主要原 因。
【发明内容】
[0007] 鉴于运种问题，本发明的目的之一是对使用氧化物半导体的半导体装置赋予稳定 的电特性，W实现高可靠性。
[0008] 在具有氧化物半导体膜的晶体管的制造工序中，通过热处理进行脱水化或脱氨化 并进行氧渗杂处理。
[0009] 本发明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：形成栅电 极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上且与栅电极层重叠的区域中形成氧 化物半导体膜；对氧化物半导体膜进行热处理，W去除氧化物半导体膜中的氨原子；对去 除氨原子的氧化物半导体膜进行氧渗杂处理，W对氧化物半导体膜供应氧原子；形成与氧 化物半导体膜电连接的源电极层及漏电极层；W及在氧化物半导体膜、源电极层及漏电极 层上形成与氧化物半导体膜接触的绝缘膜。
[0010] 本发明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：形成栅电 极层；在栅电极层上形成包含氧原子作为其成分的栅极绝缘膜；对栅极绝缘膜进行氧渗杂 处理，W对栅极绝缘膜供应氧原子；在栅极绝缘膜上且与栅电极层重叠的区域中形成氧化 物半导体膜；对氧化物半导体膜进行热处理，W去除氧化物半导体膜中的氨原子；对去除 氨原子的氧化物半导体膜进行氧渗杂处理，W对氧化物半导体膜中供应氧原子；形成与氧 化物半导体膜电连接的源电极层及漏电极层；在氧化物半导体膜、源电极层及漏电极层上 形成与氧化物半导体膜接触且包含氧原子作为其成分的绝缘膜；W及对绝缘膜进行氧渗杂 处理，W对绝缘膜供应氧原子。
[0011] 本发明的一个实施方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极 绝缘膜；栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；设 置在源电极层及漏电极层上的与氧化物半导体膜接触的绝缘膜；W及绝缘膜上的与源电极 层或漏电极层电连接的布线层。根据本实施方式，布线层设置在通过去除绝缘膜的一部分、 源电极层的一部分来形成的开口中，W及在通过去除绝缘膜的一部分、漏电极层的一部分 来形成的开口中；在开口中去除源电极层的一部分及漏电极层的一部分，W便在源电极层 及漏电极层中形成凹部；并且布线层在开口中与源电极层及漏电极层的凹部的内壁面及厚 度薄的底面接触地设置，并且，在源电极层及漏电极层中，凹部的底面的氧浓度低于源电极 层及漏电极层顶面的氧浓度。
[0012] 本发明的一个实施方式是一种半导体装置，其中在上述结构中的氧化物半导体膜 包含区域，该区域的氧含量大于根据氧化物半导体膜的氧化物半导体的晶态下的化学计量 组成比的氧含量。
[0013] 本发明的一个实施方式是一种半导体装置，其中在上述结构中的氧化物半导体膜 包含区域，该区域的氧含量至少在与绝缘膜的界面或其附近，大于根据氧化物半导体膜的 氧化物半导体的晶态下的化学计量组成比的氧含量。
[0014] 运里，上述"氧渗杂"是指将氧(至少包含氧自由基、氧原子、氧离子中的任一种）添 加到块（bu化）中的处理。该术语"块"是为了明确显示不仅将氧添加到薄膜顶面还将氧添 加到薄膜内部的目的而使用。另外，"氧渗杂"包括将等离子体化的氧添加到块中的"氧等 罔子体渗杂"。
[0015] 在具有氧化物半导体膜的晶体管的制造工序中，通过进行氧渗杂处理，可W在栅 极绝缘膜(块)、氧化物半导体膜(块)、绝缘膜(块)、栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面、氧 化物半导体膜与绝缘膜的界面中的至少一处，设置存在有大于该膜的化学计量比的氧含量 的氧过量区域。氧的含量优选为大于化学计量比且小于化学计量比的4倍，更优选为大于 化学计量比且小于化学计量比的2倍。大于化学计量比的氧含量过量的氧化物，是指例如 满足2g〉3a+3b巧c+4d+3e+2f(g大于1. 5a+l. 5b+c+2d+l. 5e+f)的氧化物，其中该氧化物W InaGabZncSidAleMgfOg (日，b，C，d，e，f，g > 0 :日，b，C，d，e，f，g 为 0 ^上）表示。另夕F，通过 由氧渗杂处理添加的氧有可能存在于氧化物半导体的晶格之间。
[0016] 另外，也可W在栅极绝缘膜、氧化物半导体膜W及绝缘膜中的两处W上设置上述 氧过量区域。例如，在制造工序中，可W通过进行氧渗杂处理，在栅极绝缘膜与氧化物半导 体膜的界面、氧化物半导体膜(块XW及氧化物半导体膜与绝缘膜的界面的每一处设置氧 过量区域。
[0017] 另外，在没有缺陷(氧缺少）的氧化物半导体中，只要包含相同于化学计量比的氧 量即可，但是为了确保如抑制晶体管的阔值电压变动的可靠性，优选使氧化物半导体包含 大于化学计量比的氧量。与此同样，在没有缺陷(氧缺少)的氧化物半导体中，不需要将氧过 量的绝缘膜用作基底膜，但是为了确保如抑制晶体管的阔值电压变动的可靠性，考虑到在 氧化物半导体层中可能产生氧缺少的状态，而优选将氧过量的绝缘膜用作基底膜。
[0018] 另外，对氧化物半导体膜进行采用热处理的脱水化或脱氨化，去除氧化物半导体 膜中的氨原子或水等包含氨原子的杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。运里，将由氧渗杂 处理而添加的氧量设定为比由脱水化或脱氨化而被高纯度化了的氧化物半导体膜中的氨 量多。在上述层叠的栅极绝缘膜、氧化物半导体膜W及绝缘膜的至少一个中的过量氧扩散 并与引起不稳定性的氨起反应，来固定氨(使氨成为不动离子)。也就是说，可W降低(或充 分减小）可靠性上的不稳定性。另外，通过形成氧过量状态，可W减小由氧缺少而引起的阔 值电压Vth的变动，并可W降低阔值电压的偏移量A vth。
[0019] 在此，描述通过上述"氧等离子体渗杂"处理将氧添加到块中的状态。注意，在对 包含氧作为其一成分的氧化物半导体膜进行氧渗杂处理时，一般来说，确认氧浓度的增减 是很困难的。由此，运里使用娃片来确认氧渗杂处理的效果。
[0020] 氧渗杂处理通过利用电感禪合等离子体（ICP :Inductively Coupled Plasma)方 式来进行。其条件如下：ICP功率为800W、RF偏置功率为300W或OW、压力为I. 5Pa、气体流 量为 75sccm、衬底溫度为 70°C。图 15 示出根据 SIMS(Secondary Ion Mass SpectrometiT: 二次离子质谱)分析的娃片的深度方向的氧浓度分布。在图15中，纵轴表示氧浓度，横轴表 示离娃片顶面的深度。 阳02U 根据图15,可W确认在RF偏置功率为OW的情况或RF偏置功率为300W的情况都 添加有氧。另外，可W确认在RF偏置功率为300W时，与RF偏置功率为OW的情况相比，氧 的添加深度更深。
[0022] 接着，在图 16A 和图 16B 中示出通过 STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy :扫描透射电子显微术）对进行氧渗杂处理之前和之后的娃片的截面进行观察 的结果。图16A是进行氧渗杂处理之前的STEM图像，图16B是在上述RF偏置功率为300W 的条件下进行氧渗杂处理之后的STEM图像。由图16B可知，通过进行氧渗杂处理，在娃片 中形成了氧高渗杂区域。
[0023] 如上所示，通过对娃片进行氧渗杂，可W在娃片中添加氧。根据该结果，可W理解 通过对氧化物半导体膜进行氧渗杂，可W在氧化物半导体膜中添加氧。
[0024] 作为所公开的发明的一个实施方式的上述结构的效果，按照下述考虑就很容易理 解。但是，W下说明只不过是示范性的考虑而已。
[0025] 在对栅电极施加正电压时，从氧化物半导体膜的栅电极一侧到背沟道一侧(与栅 极绝缘膜相反一侧）产生电场，由此存在于氧化物半导体膜中的具有正电荷的氨离子移动 到背沟道一侧并蓄积在氧化物半导体膜与绝缘膜的界面中的氧化物半导体膜一侧。由于正 电荷从所蓄积的氨离子移动到绝缘膜中的电荷俘获中屯、(氨原子、水、或污染物质等)，在氧 化物半导体膜的背沟道一侧蓄积有负电荷。也就是说，在晶体管的背沟道一侧发生寄生沟 道，阔值电压向负值一侧偏移，从而晶体管显示常通（normally-on)的趋势。
[00%] 如上所述，由于在绝缘膜中的氨或水等电荷俘获中屯、俘获正电荷，正电荷移动到 绝缘膜中，运使晶体管的电特性变动。所W为了抑制晶体管的电特性的变动，很重要的是在 绝缘膜中不存在上述电荷俘获中屯、，或者电荷俘获中屯、的数量少。由此，作为绝缘膜的形成 方法，优选使用沉积时的氨含量少的瓣射法。通过瓣射法而形成的绝缘膜中，不存在电荷俘 获中屯、或电荷俘获中屯、数量很少，其与通过CVD法等形成的膜相比不容易发生正电荷的移 动。因此，可W抑制晶体管的阔值电压的偏移，并可W使晶体管成为常关闭（normally-off) 型。
[0027] 另外，在对栅电极施加负电压时，从背沟道一侧到栅电极一侧产生电场，由此存在 于氧化物半导体膜中的氨离子移动到栅极绝缘膜一侧并蓄积在氧化物半导体膜与栅极绝 缘膜的界面中的氧化物半导体膜一侧。由此，晶体管的阔值电压向负值一侧偏移。
[002引另外，在施加电压0的状态下，从电荷俘获中屯、释放正电荷，从而晶体管的阔值电 压向正值一侧偏移且返回到初始状态，或者有时与初始状态相比进一步向正值一侧偏移。 该现象显示在氧化物半导体膜中存在有容易移动的离子的事实，并可W认为作为最小原子 的氨是最容易移动的离子。
[0029] 另外，在底栅型晶体管中，通过在栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜之后进行热 处理，可W去除包含在氧化物半导体膜中的水或氨，同时也可去除包含在栅极绝缘膜中的 水或氨。因此，在栅极绝缘膜中，用来俘获在氧化半导体膜中移动通过的正电荷的电荷俘获 中屯、数量很少。像运样，由于用来脱水化或脱氨化的热处理不仅对氧化物半导体膜进行，还 对存在于氧化物半导体膜之下的栅极绝缘膜进行，所W在底栅型晶体管中，栅极绝缘膜可 W通过利用等离子体CVD法等的CVD法而形成。
[0030] 另外，氧化物半导体膜吸收光，由此在氧化物半导体膜中的金属元素础）与氨原子 (H)间的键合地称为M-H键）因光能而断裂。运里，波长为400nm左右的光能和金属元素 与氨原子间的键合能相同或大致相同。当对其中氧化物半导体膜中的金属元素与氨元素间 的键合断裂的晶体管施加负值栅极偏压时，从金属元素脱离了的氨离子被引到栅极一侧， 因此电荷分布发生变化，晶体管的阔值电压向负值一侧偏移而显示常通的趋势。
[0031] 另外，通过停止电压施加，氨离子返回到初始状态，该氨离子由于对晶体管的光照 射和负值栅极偏压的施加而移动到与绝缘膜的界面。运可理解为氧化物半导体膜中的离子 移动的典型例子。
[0032] 为了防止运种因电压施加导致的电特性的变动（BT退化）或因光照射导致的电 特性的变动(光退化)，重要的是，从氧化物半导体膜彻底去除氨原子或水等包含氨原子的 杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。在电荷密度小至IQi 5Cm 3,或每单位面积的电荷小至 l〇i°cm 2的情况下，该电荷密度不影响到晶体管的特性，或者即使有影响也是很小的。因此， 电荷密度优选为IQiScm 3?下。当假设氧化物半导体膜所包含的氨中10%的氨在氧化物半 导体膜中移动时，氨浓度优选为IQi6Cm 3W下。并且，为了防止在完成装置后氨从外部侵入， 优选使用通过瓣射法形成的氮化娃膜作为纯化膜，W覆盖晶体管。
[0033] 并且，通过对包含在氧化物半导体膜中的氨渗杂过量的氧（(氨原子数量)<< (氧自 由基数量)或(氧离子数量)），可W从氧化物半导体膜中去除氨或水。具体来说，利用射频波 (RF)使氧等离子体化，并增高衬底偏压，将氧自由基和/或氧离子渗杂或添加到衬底上的 氧化物半导体膜，W在氧化物半导体膜中使氧量多于氨量。氧的电负性是3. 0,其高于电负 性为2. 0左右的氧化物半导体膜中的金属（Zn、Ga、In),因此，通过使氧化物半导体膜包含 相对于氨过量的氧，从M-H键夺取氨原子，而形成OH基。另外，该OH基可能与M键合而形 成M-O-H基。
[0034]另外，优选W使氧化物半导体膜的氧含量比化学计量比更大的方式进行氧渗杂。 例如，在作为氧化物半导体膜使用In-Ga-化-0类氧化物半导体膜的情况下，理想单晶的比 率为1 :1 :1 :4 (InGa化〇4)，由此更优选通过氧渗杂等将氧量设定为大于化学计量比且小于 该化学计量比的2倍。因此，在氧化物半导体膜中氧含量大于氨含量。
[0035] 由于光能或BT应力，氨离子从M-H键脱离而成为退化的原因，但是，在通过上述渗 杂注入氧的情况下，所注入的氧与氨离子键合而成为OH基。该OH基的键合能较大，因此即 使对晶体管执行光照射或施加BT应力也不放出氨离子，而且，由于其质量比氨离子更大， 所W不容易在氧化物半导体膜中移动。因此，通过氧渗杂而形成的OH基不会引起晶体管退 化，或者可减小退化。
[0036]另外，已经确认氧化物半导体膜的膜厚度越厚，晶体管的阔值电压的变动越增大 的趋势。可W推测，运是因为氧化物半导体膜中的氧缺陷是阔值电压变动的一个原因，并且 氧化物半导体膜厚度越厚，氧缺陷越增加。在根据本发明的一个实施方式的晶体管中，对氧 化物半导体膜渗杂氧的工序不仅对从氧化物半导体膜排出氨或水，而且对膜中的氧缺陷的 填补很有效。由此，根据本发明的一个实施方式的晶体管可W控制阔值电压的变动。
[0037] 另外，隔着氧化物半导体膜设置各由与氧化物半导体膜类似的成分(一种或多种） 构成的金属氧化物膜，也对防止电特性的变动是很有效的。作为由与氧化物半导体膜类似 的成分(一种或多种）构成的金属氧化物膜，具体来说，优选使用包含从氧化物半导体膜的 构成元素中选择的至少一种的膜。运种材料与氧化物半导体膜的搭配良好，通过隔着氧化 物半导体膜设置该金属氧化物膜，可W保持与氧化物半导体膜的界面的良好状态。也就是 说，通过设置使用上述材料(一种或多种）的金属氧化物膜作为与氧化物半导体膜接触的绝 缘膜，可W抑制或防止氨离子蓄积在该金属氧化物膜与氧化物半导体膜的界面及其附近。 从而，与隔着氧化物半导体膜设置例如氧化娃膜等各由与氧化物半导体膜不同的成分(一 种或多种）构成的绝缘膜的情况相比，可W充分降低对晶体管的阔值电压有影响的氧化物 半导体膜界面的氨浓度。
[0038] 另外，作为该金属氧化物膜，优选使用氧化嫁膜。氧化嫁的带隙（Eg)较大，因此通 过在氧化嫁膜之间夹入氧化物半导体膜，在氧化物半导体膜与金属氧化物膜的界面形成能 垒，在该界面处载流子的移动被妨碍。因此，载流子不从氧化物半导体移动到金属氧化物， 而在氧化物半导体膜中移动。另一方面，氨离子通过氧化物半导体与金属氧化物的界面，蓄 积在金属氧化物与绝缘膜的界面附近。即使氨离子蓄积在与绝缘膜的界面附近，由于在例 如氧化嫁膜的金属氧化物膜中没有形成能够流动载流子的寄生沟道，所W对晶体管的阔值 电压没有影响，或影响极少。另外，在氧化嫁与In-Ga-Zn-O类材料接触时的能垒，在导带一 侧为0. SeV左右，在价电子带一侧为0. 9eV左右。
[0039] 至于根据所公开的发明的一个实施方式的晶体管，其技术思想在于通过氧渗杂处 理增大与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中、氧化物半导体膜中、或运些膜的界面附近中的 至少一处的氧含量。
[0040] 在使用包含铜的氧化物半导体材料作为氧化物半导体膜时，由于铜与氧的键合 力较弱，所W在与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中含有娃等与氧的键合力更强的材料时， 氧化物半导体膜中的氧因热处理被抽出，从而引起在氧化物半导体膜的界面附近形成氧缺 少。然而，根据本发明的一个实施方式的晶体管，通过对氧化物半导体膜供应过量的氧，可 W抑制氧缺少的形成。
[0041] 运里，在晶体管的制造工序中进行氧渗杂处理之后，氧化物半导体膜或与氧化物 半导体膜接触的绝缘膜所包含的比化学计量比更大的氧量可能在各层中彼此不同。在过量 的氧量不同的状态下，各层的氧的化学势也不同，并且该化学势的不同通过在晶体管的制 造工序中的热处理等接近平衡状态，或者变为平衡状态。下面将研讨平衡状态下的氧分布。
[0042] 在某一溫度T、压力P下的平衡状态是指全系统的吉布斯（Gibbs)自由能G最小的 状态，并可W由如下算式I表示。
[0043][算式 1]
在算式1中，G w、G w、G W表示各层的吉布斯自由能。另外，a、b、c表示粒子的种类。 粒子a从i层向j层移动5 N。W时，吉布斯自由能的变化如下面的算式2所示那样。 W44][算式引
运里，在算式2中5 G为0时，即满足下面的算式3时，系统成为平衡状态。 W45][算式引
吉布斯自由能关于粒子数的微分相当于化学势，因此，在平衡状态下，所有层中的粒子 的化学势彼此相等。
[0046] 就是说，具体来说，在氧化物半导体膜中包含与绝缘膜相比过量的氧时，绝缘膜中 的氧化学势相对小，氧化物半导体膜中的氧化学势相对大。
[0047] 而且，当通过在晶体管的制造工序中进行热处理，整个系统(运里，是氧化物半导 体膜和与其接触的绝缘膜）的溫度充分提高而引起层内及层间的原子扩散时，发生氧的移 动W使其化学势相同。也就是说，氧化物半导体膜中的氧移动到绝缘膜，因此氧化物半导体 膜的化学势减小，绝缘膜的化学势增大。
[0048] 因此，通过后面的热处理使整个系统为平衡状态，由氧渗杂处理供应到氧化物半 导体膜中的过量的氧被扩散，并供应到绝缘膜(包括其界面)中。由此，当在氧化物半导体膜 中充分地存在过量的氧时，有可能使与氧化物半导体膜接触的绝缘膜(包括其界面）成为氧 过量状态。
[0049] 因此，可W说将充分地补偿绝缘膜或与绝缘膜的界面中的氧不足缺陷的量(或比 补偿氧不足缺陷更大的量）的氧供给到氧化物半导体膜中有很大的意义。
[0050] 具有经过利用热处理的脱水化或脱氨化W及氧渗杂处理的氧化物半导体膜的晶 体管也在偏压一热应力试验（BT试验）的前后可W减小晶体管的阔值电压的变化量从而具 有高可靠性的晶体管。
[0051] 由此，可W制造具有稳定的电特性的晶体管。
[0052] 此外，根据本发明的一个实施方式，可W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】
[0053] 图IA至IC是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图2A至2D是说明半导体装置的制造方法的一个实施方式的图； 图3A至3D是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图4A至4F是说明半导体装置的制造方法的一个实施方式的图； 图5A至5C是说明半导体装置的制造方法的一个实施方式的图； 图6是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图7是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图8是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图9A和9B是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图IOA和IOB是表不电子设备的图； 图IlA至IlF是表示电子设备的图； 图12A至12C是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图13A至13D是说明半导体装置的一个实施方式的图； 图14A是表示本发明的一个实施方式的等离子体装置的俯视图；图14B是其截面图； 图15是表示SIMS测试的结果的图； 图16A和16B是说明截面STEM图像的图； 图17A和17B是各示出晶体管的电特性评价的结果的图； 图18A和18B是各示出晶体管的电特性评价的结果的图。
【具体实施方式】
[0054] 下面，参照附图详细地说明本发明的实施方式。但是，所属技术领域的普通技术人 员可W很容易地理解一个事实，就是本发明的方式及详细内容可W被变换为各种各样