半导体装置和制造半导体装置的方法

专利名称：半导体装置和制造半导体装置的方法
技术领域：
本发明涉及包括氧化物半导体的晶体管，包括包含晶体管的集成电路的半导体装置，以及用于制造半导体装置的方法。例如，本发明涉及其上安装有半导体集成电路作为部件的电子装置。在本说明书中，“半导体装置”指的是能够通过利用半导体特性而起作用的任意装置，并且显示装置、电光装置、半导体电路、电子部件以及电子装置都包括在半导体装置的范畴中。
背景技术：
近年来，开发了半导体装置，并且制造了诸如具有硅晶圆或玻璃衬底(取决于使用)的半导体装置的各种半导体装置。例如，在液晶显示装置中，晶体管和布线形成于玻璃衬底之上。LSI、CPU或存储器是各设置有作为连接端子的电极的半导体元件的集成体，其包括从半导体晶圆分离的半导体集成电路(至少包括晶体管和存储器)。在以上的半导体装置中，晶体管能够用作部件的一部分。已知硅类半导体材料作为能够应用于晶体管的半导体薄膜的材料。作为另ー种材料，氧化物半导体也受到了关注。作为氧化物半导体的材料，已知包含氧化锌作为其成分的材料。此外，公开有使用包括氧化锌的半导体所形成的晶体管(专利文献I至3)。[參考文献]
[专利文献]
[专利文献I]日本专利申请公开2006-165527号公报 [专利文献2]日本专利申请公开2006-165528号公报 [专利文献3]日本专利申请公开2006-165529号公报。

发明内容
对于半导体装置，除了在操作期间之外的功率消耗，在待机期间的功率消耗被认为是重要的。特别地在便携式半导体装置中，功率是由电池供应的；因此，由于受限制的电功率量，可用时间受限。此外，至于车内(invehicle)半导体装置，当待机期间的泄漏电流高吋，电池的寿命可能降低。例如，在电动车辆的情况下，车内半导体装置的泄漏电流缩短了每一定量充电的行进距离。为了降低功率消耗，減少在待机期间的泄漏电流以及在操作期间的功率消耗是有效的。虽然每个晶体管泄漏电流的量不高，但是在LSI中设置了几百万个晶体管，从而那些晶体管的泄漏电流的总量决不低。这些泄漏电流引起半导体装置在待机期间的功率消耗上的増加。虽然泄漏电流由于多种因素而引起，但是如果在待机期间的泄漏电流能够降低，则在半导体装置中能够通过降低在驱动器电路等中所使用的电功率来节约电功率。因此，本发明的目的在于减少待机期间的半导体装置的泄漏电流。
此外，需要半导体装置的小型化；因此，自然同样要求作为半导体装置的部件的晶体管的小型化。对于小型化的晶体管，要求栅极绝缘层減少其厚度；然而，在栅极绝缘层的厚度变为I nm或更小时，隧道电流增加，并且在栅极绝缘层中可能生成针孔的概率迅速地増加；因此，由于这些因素而增加了栅极泄漏电流。所以，在栅极绝缘层是单层氧化硅膜的情况下，栅极绝缘层的变薄可能受物理上的限制。因此，本发明的目的在于减小栅极绝缘层的厚度，并且本发明的另ー个目的在于达到晶体管的小型化以及进一步达到整个半导体装置的小型化。使用晶体管来制造显示装置、电光装置、半导体电路、电子部件以及电子装置，在该晶体管中使用氧化物半导体来形成沟道形成区，该氧化物半导体通过去除诸如水和氢的杂质(其在氧化物半导体中形成施主能级)而成为本征或实质性本征半导体，并且具有比硅半导体更大的能隙。
使用高度纯化的氧化物半导体层，从而晶体管的断态电流能够降低。该氧化物半导体层的氢浓度通过以下方式充分降低通过高于或等于400°C且低于衬底的应变点的温度下的热处理去除包含在氧化物半导体中的诸如氢的杂质。注意，作为氧化物半导体，能够使用由化学式InMO3 (ZnO)w On > O)表示的薄膜。这里，M表不从Ga、Al、Mn和Co中选择的一种或多种金属兀素。例如，M能够为Ga、Ga和Al、Ga 和 Mn、Ga 和 Co 等。通过将相对电容率高于或等于10的高k (high-k)膜用于栅极绝缘层，小型化晶体管的栅极泄漏电流能够减少，并且能够实现半导体装置的节能。对于具有高的相对电容率的高k膜，能够使用氧化铪(HfO2等)、硅酸铪(HfSirO, Cr > O, χ > O))、硅酸氧氮化铪(HfSiON)、铝酸铪(HfAlxO, Cr > 0，ァ> O))等。此外，作为另ー种高k膜，还能够使用氧化错(ZrO2等)、氧化钽(Ta2O5等)、氧化错招(ZrAlxO, Cx > Ο,χ > O))等。包括任ー种这些材料的层与包含上述铪的绝缘膜的叠层也能够用作栅极绝缘层。此外，包含铪的绝缘膜在采用湿法蚀刻的情况下难以被蚀刻；因此，包含铪的绝缘膜也能够作为用于保护以下提供的电极或衬底的蚀刻阻挡物(stopper)起作用。此外，将相对电容率高于或等于10高k膜用作栅极绝缘层，使得具有大于或等于
2nm (具体地，2nm至10 nm (包括两端))的厚度的栅极绝缘层能够获得与仅仅使用氧化硅膜来形成的、具有小于或等于O. 8 nm的厚度的栅极绝缘层相同的效果。备选地，通过将相对电容率高于或等于10 (具体地，厚度为2 nm至10 nm (包括两端))的高k膜用作栅极绝缘层，栅极绝缘层的厚度能够薄于考虑氧化硅膜的栅极绝缘层的厚度。此外，在栅极绝缘层中没有针孔等；因此，能够实现具有均匀的击穿电压的晶体管。根据本说明书中公开的本发明的一个实施例，半导体装置包括设置成与栅电极相接触的第一绝缘层、设置成与第一绝缘层相接触的第二绝缘层、设置成与第二绝缘层相接触的氧化物半导体层以及设置成与氧化物半导体层相接触的第三绝缘层，其中氧化物半导体层设置在第二绝缘层和第三绝缘层之间，并且其中第一绝缘层具有比第二绝缘层更高的相对电容率。利用以上的结构，能够解决至少ー个以上的问题。例如,通过将包含铪的绝缘膜(具体地,厚度为2 nm至10 nm (包括两端))作为相对电容率比与氧化物半导体层相接触的第二绝缘层的相对电容率更高的第一绝缘层，栅极绝缘层的厚度能够薄于考虑氧化硅膜的栅极绝缘层；因此，能够实现晶体管的小型化。在以上的结构中，优选地通过溅射法形成第二绝缘层、第三绝缘层以及氧化物半导体层。优选地在去除膜形成室中剰余的水分而使得在氧化物半导体层中尽可能少地包含氢、羟基和水分的同时，通过引入从其中去除了氢和水分的溅射气体而形成第二绝缘层和
第三绝缘层。用于制造底栅晶体管的方法也是本发明的一个实施例。根据与该方法有关的结构，制造半导体装置的方法包括以下步骤在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极，通过溅射法形成覆盖栅电极的第一绝缘层，通过溅射法在第一绝缘层之上形成第二绝缘层，在第二绝缘层之上形成氧化物半导体层，在包括氮、氧或稀有气体的气氛下以高于或等于400°C且低于衬底的应变点的温度执行热处理而使得包含在氧化物半导体层中的水分等減少，以及通过溅射法在氧化物半导体层之上形成第三绝缘层，其中第一绝缘层具有比第二绝缘层更高的相对电容率。
此外，因为第二绝缘层和第三绝缘层与氧化物半导体层相接触，所以优选地形成氧化硅等的氧化物绝缘层。具体地，在形成氧化物半导体层之后形成的第三绝缘层能够供应氧，其中氧为包括在氧化物半导体中的成分之一，并且在与用于通过在高于或等于400°C且低于衬底的应变点的温度下热处理去除氧化物半导体层中的杂质(水分等)的步骤的同时減少。供应作为氧化物半导体的成分之ー的氧，使得氧化物半导体层能够被高度纯化并且成为电学上i型(本征)氧化物半导体。此外，在使用相对电容率高于或等于10的高k膜形成第一绝缘层(例如包含铪的绝缘膜)时，甚至在氧化物半导体层的图案形成时采用湿法蚀刻并且去除薄的第二绝缘层时，第一绝缘层也难以被蚀刻；因此，第一栅极绝缘层也能够作为用于保护栅电极或以下提供的衬底的蚀刻阻挡物而起作用。具有两个栅电极的双栅极晶体管同样是本发明的一个实施例，两个栅电极中的一个隔着栅极绝缘层设置于沟道形成区之上，并且两个栅电极中的另ー个隔着另ー个栅极绝缘层设置于沟道形成区之下。根据其结构，半导体装置包括设置成与第一栅电极相接触的第一绝缘层，设置成与第一绝缘层相接触的第二绝缘层，设置成与第二绝缘层相接触的氧化物半导体层，设置成与氧化物半导体层相接触的第三绝缘层，具有比第三绝缘层更高的相对电容率并且与第三绝缘层相接触的第四绝缘层，以及与第一栅电极重叠并且与第四绝缘层相接触的第二栅电极，其中氧化物半导体层设置在第二绝缘层和第三绝缘层之间，并且其中第一绝缘层具有比第二绝缘层更高的相对电容率。利用以上的结构，能够解决至少ー个以上的问题。例如，使用包含铪的绝缘膜作为具有比第二绝缘层更高的相对电容率的第一绝缘层，并且，使用包含铪的绝缘膜作为具有比第三绝缘层更高的相对电容率的第四绝缘层，使得双栅极晶体管的栅极绝缘层的厚度能够减少；因此，能够实现双栅极晶体管的小型化。在以上结构的晶体管中，当氧化物半导体层用于包括沟道形成区的半导体层吋，取决于半导体装置的制造过程，晶体管的阈值电压有时沿正方向或负方向变化。因此，其中氧化物半导体用于包括沟道形成区的半导体层的晶体管优选地具有其中能够控制阈值电压的结构，通过控制第一栅电极或第二栅电极的电位，阈值电压也能控制成为期望的值。通过使用包括充分地降低了氢浓度的、高度纯化的氧化物半导体层的晶体管，能够实现因泄漏电流而产生的功率消耗较低的半导体装置。此外，能够实现包括使用极好的高k膜的栅极绝缘层的、其栅极泄漏电流较低的
晶体管。此外，包括氢浓度充分地降低的、高度纯化的氧化物半导体层的晶体管能够形成于玻璃衬底之上；因此，在其上能够形成显示器、LSI、CPU或存储器。通过使用大面积的玻璃衬底，制造成本能够降低。


图IA至图ID为各示出本发明的实施例的截面视图。图2A至图2E为示出本发明的实施例的截面过程视图。 图3A至图3C为示出本发明的实施例的截面过程视图。图4A和图4B分别为示出本发明的实施例的俯视图和截面视图。图5B和图5A以及图5C分别为示出本发明的实施例的截面视图和俯视图。图6为示出本发明的实施例的截面视图。图7A和图7B分别为示出本发明的实施例的截面图和俯视图。图8A至图8E各示出电子装置的示例。
具体实施例方式在下文中，将參照附图详细地描述本发明的实施例。但是，本发明并不局限于以下描述，并且本领域的技术人员易于理解，本文公开的模式和细节能够按照各种方式来修改，而没有背离本发明的精神和范围。因此，本发明不被理解为局限于下面实施例的描述。[实施例I]
在本实施例中，将描述能够应用于在本说明书中公开的半导体装置的晶体管的ー个示例。对于能够应用于本说明书中公开的半导体装置的晶体管的结构没有具体限制。例如，能够使用具有顶栅结构或底栅结构的交错晶体管、平面晶体管等，在顶栅结构中栅电极隔着栅极绝缘层设置于氧化物半导体层之上，在底栅结构中栅电极隔着栅极绝缘层设置在氧化物半导体层之下。晶体管可具有包括一个沟道形成区的单栅极结构、包括两个沟道形成区的双栅极结构或包括三个沟道形成区的三栅极结构。备选地，晶体管可具有包含两个栅电极的二重栅极结构，两个栅电极之一隔着栅极绝缘层设置于沟道区之上，并且两个栅电极的另一个隔着另ー个栅极绝缘层设置于沟道形成区之下。图IA至图ID示出晶体管的截面结构的示例。在图IA至图ID中示出的每ー个晶体管包括氧化物半导体作为半导体。使用氧化物半导体的优点在于在晶体管导通时场效应迁移率(最大值高于或等于5 cm2/Vsec,优选地为10 cm2/Vsec至150 cm2/Vsec (包括两端))相对地优良，并且在晶体管截止时能够获得较低的断态电流(在85°C下低于I aA/ym，优选地低于10 ζΑ/ μ m并且低于100 ζΑ/ μ m)。在图IA中示出的晶体管410为底栅晶体管之一，并且也称为反交错晶体管。晶体管410在具有绝缘表面的衬底400之上包括栅电极401、第一栅极绝缘层402a、第二栅极绝缘层402b、氧化物半导体层403、源电极405a以及漏电极405b。此外，设置了覆盖晶体管410并且层叠于氧化物半导体层403之上的绝缘膜407。保护绝缘层409设置于绝缘膜407之上。在图IB中示出的晶体管420为称为沟道保护(沟道止挡)晶体管并且也称为反交错晶体管的底栅晶体管之一。晶体管420在具有绝缘表面的衬底400之上包括栅电极401、第一栅极绝缘层402a、第二栅极绝缘层402b、氧化物半导体层403、作为覆盖氧化物半导体层403的沟道形成区的沟道保护层而起作用的绝缘层427、源电极405a以及漏电极405b。保护绝缘层409设置成覆盖晶体管420。在图IC中示出的晶体管430为底栅晶体管，并且在具有绝缘表面的衬底400之上包括栅电极401、第一栅极绝缘层402a、第二栅极绝缘层402b、源电极405a、漏电极405b以及氧化物半导体层403。设置了覆盖晶体管430并且与氧化物半导体层403接触的绝缘 膜407。保护绝缘层409设置于绝缘膜407之上。在晶体管430中，第一栅极绝缘层402a设置于衬底400和栅电极401之上并且与它们接触，并且源电极405a和漏电极405b设置于第二栅极绝缘层402b之上并且与其接触。此外，氧化物半导体层403设置于第二栅极绝缘层402b、源电极405a和漏电极405b之上。在图ID中示出的晶体管440为顶栅晶体管之一。晶体管440在具有绝缘表面的衬底400之上包括绝缘层437、氧化物半导体层403、源电极405a、漏电极405b、第二栅极绝缘层402b、第一栅极绝缘层402a以及栅电极401。布线层436a和布线层436b设置成分别与源电极405a和漏电极405b接触并且分别电连接至源电极405a和漏电极405b。在本实施例中，如上所述，氧化物半导体层403用作半导体层。作为用于氧化物半导体层403的氧化物半导体，能够使用作为四成分金属氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O类氧化物半导体；作为三成分金属氧化物的In-Ga-Zn-O类氧化物半导体、In-Sn-Zn-O类氧化物半导体、In-Al-Zn-O类氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-O类氧化物半导体、Al-Ga-Zn-O类氧化物半导体或Sn-Al-Zn-O类氧化物半导体；作为ニ成分金属氧化物的In-Zn-O类氧化物半导体、Sn-Zn-O类氧化物半导体、Al-Zn-O类氧化物半导体、Zn-Mg-O类氧化物半导体、Sn-Mg-O类氧化物半导体或In-Mg-O类氧化物半导体；或作为一成分金属氧化物的In-O类氧化物半导体、Sn-O类氧化物半导体或Zn-O类氧化物半导体。此外，在以上氧化物半导体中可包含Si02。注意，这里，例如，In-Sn-Ga-Zn-O类氧化物半导体表示包含铟(In)、镓(Ga)和锌(Zn)的氧化膜，并且对于其化学计量比没有具体限制。In-Ga-Zn-O类氧化物半导体可包含除了In、Ga和Zn之外的元素。在各包括氧化物半导体层403的晶体管410、晶体管420、晶体管430以及晶体管440中，能够降低断态的电流值(断态电流值)。此外，在各包括氧化物半导体层403的晶体管410、晶体管420、晶体管430以及晶体管440中，能够获得相对高的场效应迁移率，由此高速操作是可能的。第一栅极绝缘层402a能够使用例如作为包含铪的高k膜的氧化铪膜、硅酸铪膜、硅酸氧氮化铪膜或铝酸铪膜而形成为具有单层结构或层叠结构，该包含铪的高k膜通过等离子体CVD方法、溅射法等获得。第二栅极绝缘层402b能够使用氧化硅层(SiOr Cr > 2))、氮化硅层、氧氮化硅层或氮氧化硅层形成为具有单层结构或层叠结构。例如，通过溅射法形成具有5 nm至100 nm(包括两端)的厚度的氧化铪层作为第一栅极绝缘层402a，然后在第一栅极绝缘层之上层叠具有5 nm至100 nm (包括两端)的厚度的氧化硅层(SiOr Cr > 2))作为第二栅极绝缘层402b，由此栅极绝缘层的总厚度小于或等于100 nm。注意，优选的是，适当地设置第一栅极绝缘层402a的厚度，使得大于第二栅极绝缘层402b的厚度。在顶栅晶体管440中，形成第一栅极绝缘层402a，然后第二栅极绝缘层402b形成于氧化物半导体层403之上并且与其接触。在底栅晶体管410、底栅晶体管420以及底栅晶体管430中，用作基膜的绝缘膜可设置在衬底和栅电极之间。基膜具有防止杂质元素从衬底扩散的功能，并且能够使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜以及氧氮化硅膜中的ー个或者多个形成为具有单层结构或层叠结构。虽然对于用于具有绝缘表面的衬底400的衬底没有具体限制，但是使用硼硅酸钡 玻璃、硼硅酸铝玻璃等的玻璃衬底。栅电极401能够使用诸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金属材料或者包含以上金属材料作为其主要成分的合金材料形成为具有单层结构或层叠结构。作为用于源电极405a和漏电极405b的导电膜,能够使用例如包含从Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo和W中选择的元素的金属膜或包含任意以上元素作为其主要成分的金属氮化物膜(氮化钛膜、氮化钥膜或氮化钨膜)。具有高的熔点的Ti、Mo、W等的金属膜或任意这些元素的金属氮化物膜(氮化钛膜、氮化钥膜或氮化钨膜)可层叠于Al、Cu等的金属膜的下侧和上侧中的一个或者两个之上。备选地,用作源电极405a和漏电极405b的导电膜(包括使用与源电极405a和漏电极405b相同的层形成的布线层)可使用导电金属氧化物来形成。作为导电金属氧化物，能够使用氧化铟(In2O3等)、氧化锡(SnO2等)、氧化锌(ZnO等)、氧化铟氧化锡合金(In2O3-SnO2等，其缩写为ΙΤ0)、氧化铟氧化锌合金(In2O3-ZnO等)、或其中包含氧化硅的任意这些金属氧化物材料。作为设置于氧化物半导体层之上的绝缘膜407和绝缘膜427，典型地，能够使用诸如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜或氧氮化铝膜的无机绝缘膜。作为设置在氧化物半导体层之下的绝缘层437，典型地，能够使用诸如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜或氧氮化铝膜的无机绝缘膜。作为设置于氧化物半导体层之上的保护绝缘层409，能够使用氮化硅膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜、包含铪的高k膜等。作为包含铪的高k膜，能够使用例如氧化铪膜、硅酸铪膜、娃酸氧氮化铪(hafnium oxynitride silicate)膜或招酸铪膜。如上所述，通过使用包括具有高的场效应迁移率和低的断态电流的氧化物半导体层的晶体管，以及将包含铪的高k膜用作第一栅极绝缘层402a，在本实施例中能够提供因泄漏电流而产生的功率消耗低的半导体装置。[实施例2]
在本实施例中，将參照图2A至图2E详细描述包括氧化物半导体层的晶体管的ー个示例和用于制造该晶体管的方法的ー个示例。与以上实施例相同的部分或具有与以上实施例相似的功能的部分，能够以与在以上实施例中所描述的相似的方式来形成，并且同样，与以上实施例中相似的步骤能够以与以上实施例中所描述的相似的方式执行，并且省略重复的描述。此外，不重复相同部分的详细的描述。图2A至图2E示出晶体管的截面结构的ー个示例。在图2A至图2E中示出的晶体管510为底栅反交错晶体管，其类似于图中IA示出的晶体管410。下面将參照图2A至图2E来描述在衬底505之上制造晶体管510的步骤。首先，在导电膜形成于具有绝缘表面的衬底505上之后，在第一光刻步骤中形成栅电极511。注意，抗蚀剂掩模可通过喷墨方法形成。通过喷墨方法的抗蚀剂掩模的形成不需要光掩模；因此，制造成本能够降低。作为具有绝缘表面的衬底505，能够使用类似于实施例I中描述的衬底400的衬底。在本实施例中，使用玻璃衬底作为衬底505。用作基膜的绝缘膜可设置在衬底505和栅电极511之间。基膜具有防止杂质元素 从衬底505扩散的功能，并且能够使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜以及氧氮化硅膜中的一个或者多个而形成为具有单层结构或层叠结构。栅电极511能够使用诸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金属材料或包含以上金属材料作为其主要成分的合金材料形成为具有单层结构或层叠结构。随后，第一栅极绝缘层507a形成于栅电极511之上。通过等离子体CVD方法、溅射法等来形成高k膜来作为第一栅极绝缘层507a。在本实施例，在下列条件之下形成具有50 nm的厚度的氧化铪膜使用包括氧化铪的金属氧化物靶；RF电源为I kW ;压カ为3 mTorr ;在衬底和靶之间的距离(T-S距离)为150 mm ;膜形成温度为室温；氩流率为5 sccm;以及氧流率为5 Sccm0注意，在以上膜形成条件之下获得的具有100 nm的厚度的氧化铪膜的相对电容率为15。假设将表示为ε ^的真空电容率设为8. 84 X10_12 F/m并且将电极板的面积设为O. 7854 mm2来计算相对电容率。此外，当在形成氧化铪膜之后通过在氮气氛下以550°C执行热处理I小时来进行测量时，氧化铪膜的相对电容率为15. 2，其在膜形成之后不久几乎不改变。氧化铪膜几乎不能通过使用化学溶液的湿法蚀刻来蚀刻；因此，在蚀刻时采用使用BCl3气、Cl2气、CHF3气或其混合气体的干法蚀刻。在以后的步骤中通过选择性蚀刻氧化铪膜来形成达到栅电极511的接触孔时使用BCl3,和Cl2气的混合气体，在此情况下，当用Ti膜或Al膜形成栅电极511时栅电极511也被蚀刻；因此，优选的是，使用W膜形成栅电极511的最上层。随后，第二栅极绝缘层507b形成于第一栅极绝缘层507a之上。第二栅极绝缘层507b能够通过等离子体CVD方法、溅射法等使用氧化硅层、氮化硅层、氧氮化硅层或氮氧化硅层形成为具有单层结构或层叠结构。在本实施例中，具有5 nm至100 nm (包括两端)的厚度的氧化硅层(SiOr Cr >2))通过溅射法在第一栅极绝缘层507a之上层叠为第二栅极绝缘层507b，由此栅极绝缘层的总厚度小于或等于100 nm。作为本实施例中的氧化物半导体层，使用通过去除杂质而制成为i型或实质性i型的氧化物半导体。在本发明的技术思想中，制成为i型或实质性i型的氧化物半导体指的是载流子密度小于I XlO12 cm_3、进ー步优选地小于I. 45 XIOki cm_3 (该值小于或等于测量极限)的氧化物半导体。这样高度纯化的氧化物半导体对界面状态密度和界面电荷极其敏感；因此，氧化物半导体层和栅极绝缘层之间的界面是重要的。所以，与高度纯化的氧化物半导体相接触的第二栅极绝缘层507b需要具有更高的质量。
例如，因为绝缘层可以是致密的并且可具有高击穿电压和高质量，所以优选地采用利用微波(例如，2. 45 GHz的频率)的高密度等离子体CVD方法。这是因为当高度纯化的氧化物半导体和高质量的第二栅极绝缘层507b互相紧密接触时，能够降低界面状态密度并且能够获得有利的界面特性。不用说，能够采用诸如溅射法的另ー种膜形成方法，只要能够形成高质量的绝缘层作为第二栅极绝缘层507b。此外，能够使用任意的栅极绝缘层，只要通过在膜形成之后执行的热处理来修改膜质量和与第二栅极绝缘层507b的氧化物半导体的界面的特性。在任一种情况下，能够使用任意的栅极绝缘层，只要作为第二栅极绝缘层507b的膜质量是高的、与氧化物半导体的界面状态密度有所降低的以及能够形成有利的界面。此外，为了在第一栅极绝缘层507a、第二栅极绝缘层507b以及氧化物半导体膜530中尽可能少地包含氢、羟基和水分，优选的是，在溅射设备的预热室中预热其上形成有栅电极511的衬底505，或其上形成有直到并且包括第一栅极绝缘层507a或第二栅极绝缘层507b的层的衬底505，作为用于氧化物半导体膜530的膜形成的预处理，使得消除吸附在 衬底505的诸如氢和水分的杂质，并且执行排气。作为设置在预热室中的排气单元，优选低温泵。注意，能够省略该预热处理。可类似地对衬底505执行这种预热步骤，在衬底505上形成有直到并且包括在形成绝缘层516之前形成的源电极515a和漏电极515b的层。随后，具有2 nm至200 nm (包括两端)、优选地为5 nm至30 nm (包括两端)的厚度的氧化物半导体膜530形成于第二栅极绝缘层507b之上(參见图2A)。注意，在通过溅射法形成氧化物半导体膜530之前，优选地通过在其中引入氩气并且生成等离子体的反溅射来去除附在第二栅极绝缘层507b的表面上的粉末物质(也称为粒子或灰尘)。反溅射指的是这样的方法，其中对靶侧没有施加电压，RF电源用于在氩气氛之下对衬底侧施加电压，使得在衬底的附近生成等离子体以修改表面。注意，代替氩气氛，可使用氮气氛、氦气氛、氧气氛等。作为用于氧化物半导体膜530的氧化物半导体，能够使用在实施例I中描述的氧化物半导体。此外，在以上氧化物半导体中可包含Si02。在本实施例中，借助于In-Ga-Zn-O类金属氧化物靶通过溅射法来形成氧化物半导体膜530。该阶段的截面图对应于图2A。备选地，能够在稀有气体(典型地，氩)气氛、氧气氛或稀有气体和氧的混合气氛下通过溅射法来形成氧化物半导体膜530。使用例如包含组成比为I :1 :1 [摩尔比]的In203、Ga203和ZnO的金属氧化物靶来形成In-Ga-Zn-O膜，作为用于通过溅射法形成氧化物半导体膜530的靶。对于靶的材料和成分没有限制，例如，可使用包含组成比为I :1 :2 [摩尔比]的ln203、Ga2O3和ZnO的金属氧化物靶。 金属氧化物靶的相对密度为90%至100% (包括两端)，优选地为95%至99. 9% (包括两端)。通过使用具有高相对密度的金属氧化物靶，能够形成致密的氧化物半导体膜。优选的是，其中去除了诸如氢、水、羟基或氢化物的杂质的高纯度气体用作用于氧化物半导体膜530的膜形成的溅射气体。衬底置于降低的压カ下的膜形成室中，并且衬底温度设置成100で至600°C (包括两端)、优选地为200°C至400°C (包括两端)的温度。通过在加热衬底的状态中形成氧化物半导体膜，能够降低形成的氧化物半导体膜中的杂质浓度。此外，能够减少由于溅射的损伤。然后，在膜形成室中的剰余水分被去除的同时，引入从其中去除了氢和水分的溅射气体，并且利用以上靶将氧化物半导体膜530形成于衬底505之上。为了去除膜形成室中的剰余水分，优选地使用捕集真空泵，例如低温泵、离子泵或钛升华泵。排气单元可为设置有冷阱的涡轮泵。在利用低温泵来排空的膜形成室中，去除例如氢原子以及诸如水(H2O)的包含氢原子的化合物(更优选地，还有包含碳原子的化合物)，使得在膜形成室中形成的氧化物半导体膜中的杂质浓度能够降低。作为膜形成条件的ー个示例，衬底和靶之间的距离为100 mm、压カ为O. 6 Pa、直流(DC)电源为O. 5 kff以及气氛为氧气氛(氧流率的比例为100%)。注意，因为能够减少在膜形成时生成的粉末物质(也称为粒子或灰尘)并且膜厚度能够是均匀的，所以优选脉冲直流电源。 随后，氧化物半导体膜530在第二光刻步骤中加工成岛状氧化物半导体层。用于形成岛状氧化物半导体层的抗蚀剂掩模可通过喷墨方法形成。通过喷墨方法的抗蚀剂掩模的形成不需要光掩模；因此，能够降低制造成本。在第一栅极绝缘层507a和第二栅极绝缘层507b中形成接触孔的情况下，能够在与氧化物半导体膜530的处理的同时执行形成接触孔的步骤。对于氧化物半导体膜530的蚀刻，可采用湿法蚀刻和干蚀刻的其中ー种或两种。作为用于氧化物半导体膜530的湿法蚀刻的蚀刻剂，可使用例如磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液或 IT007N (由 KANTO CHEMICAL CO. , INC.生产)。随后，氧化物半导体层经受第一热处理。氧化物半导体层能够通过这个第一热处理脱水或脱氢。第一热处理的温度为400°C至750°C (包括两端)，或高于或等于400°C且低于衬底的应变点。在该步骤中，将衬底放入作为ー种热处理设备的电炉，并且在氮气氛下以450°C对氧化物半导体层执行热处理I小时，然后在没有暴露于空气的情况下防止水或氢进入氧化物半导体层；因此，获得氧化物半导体层531 (參见图2B)。注意，热处理设备并不局限于电炉，并且可使用用于通过来自诸如电阻加热器的加热器的热传导或热辐射来加热对象的设备。例如，能够使用诸如GRTA (气体快速热退火)设备或LRTA (灯快速热退火)设备的RTA (快速热退火)设备。LRTA设备是用于通过从诸如卤素灯、金属卤化物灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或高压汞灯的灯所发射的光(电磁波)的辐射来加热对象的设备。GRTA设备是用于使用高温气体的热处理的设备。作为高温气体，使用不会通过热处理与对象发生反应的惰性气体，诸如氮或者诸如氩的稀有气体。例如，作为第一热处理，可执行GRTA，其中衬底被移入加热至650°C至700°C的高温的惰性气体中，加热数分钟，并且从加热至高温的惰性气体中移出。注意，在第一热处理中，优选的是，水、氢等不包含在氮气氛或诸如氦、氖或氩的稀有气体气氛中。引入至热处理设备中的氮气或诸如氦、氖或氩的稀有气体的纯度优选地为6N (99. 9999%)或者更高，更优选地为7N (99. 99999%)或者更高(例如，杂质浓度为I ppm或更低，优选地为O. I ppm或更低)。此外，在第一热处理中加热氧化物半导体层之后，高纯度氧气、高纯N2O气或超干空气(露点低于或等于-40°C，优选地为低于或等于-60°C)可引入至相同的电炉。优选的是，氧气和N2O气不包括水、氢等。备选地,引入热处理设备中的氧气或N2O气的纯度优选地为6N (99. 9999%)或更高，更优选地为7N (99. 99999%)或更高(B卩，氧气或N2O气体的杂质浓度优选地为I ppm或更低,优选地为O. I ppm或更低)。通过氧气或N2O气体的作用供应了氧，其中氧是包括在氧化物半导体中的成分之一，并且在与用于通过脱水或脱氢去除杂质的步骤同时被減少，从而使得氧化物半导体层能够为高度纯化并且电学上i型(本征)的氧化物半导体。此外，也能够对尚未加工成岛状氧化物半导体层的氧化物半导体膜530执行氧化物半导体层的第一热处理。在那种情况下，在第一热处理之后，从加热设备中取出衬底，然后执行光刻步骤。注意，可在除了以上定时之外的任意下列定时执行第一热处理，只要它是在氧化物半导体层的膜形成之后执行在源电极和漏电极层叠于氧化物半导体层之后，并且在绝缘层形成于源电极和漏电极上之后。在第一栅极绝缘层507a和第二栅极绝缘层507b中形成接触孔的情况下，可在对 氧化物半导体膜530执行第一热处理之前或之后执行形成接触孔的步骤。此外，作为氧化物半导体层，可通过执行膜形成两次和热处理两次来形成具有厚度较大的结晶区(即c轴对齐垂直于膜的表面的结晶区)的氧化物半导体层，即使在任意氧化物、氮化物、金属等用于基底部件的材料时。例如，形成具有3 nm至15 nm (包括两端)的厚度的第一氧化物半导体膜，并且在氮、氧、稀有气体或干燥空气气氛下以450°C至850°C(包括两端)、优选地为550°C至750°C (包括两端)的温度来执行第一热处理，使得在包括表面的区域中形成具有结晶区(包括板状結晶)的第一氧化物半导体膜。然后，形成具有比第ー氧化物半导体膜更大厚度的第二氧化物半导体膜，并且以450°C至850°C (包括两端)、优选地为600°C至700°C (包括两端)的温度来执行第二热处理，使得结晶生长借助于作为结晶生长的种子的第一氧化物半导体膜向上进行，并且使第二氧化物半导体膜结晶。这样，可形成拥有具有厚度较大的结晶区的氧化物半导体层。随后，用作源电极和漏电极(包括在与源电极和漏电极相同的层中形成的布线)的导电膜形成于第二栅极绝缘层507b和氧化物半导体层531之上。作为用于源电极和漏电极的导电膜，能够使用在实施例I中描述的、用于源电极405a和漏电极405b的材料。抗蚀剂掩模在第三光刻步骤中形成于导电膜之上，源电极515a和漏电极515b通过选择性蚀刻来形成，然后去除抗蚀剂掩模(參见图2C)。可在第三光刻步骤中形成抗蚀剂掩模的时候使用紫外线灯、KrF激光灯或ArF激光灯来执行曝光，以后将要形成的晶体管的沟道长度L由氧化物半导体层531之上彼此相邻的源电极与漏电极的底端部之间的距离来确定。在对于沟道长度L小于25 nm的情况下执行曝光时，可使用具有数纳米至数十纳米的极短波长的远紫外线，在第三光刻过程中形成抗蚀剂掩模的时候执行曝光。在通过远紫外光的曝光中，分辨率高并且焦深大。因此，以后将要形成的晶体管的沟道长度L能够为10 nm至1000 nm (包括两端)。由此，电路的操作速度能够增加。为了減少光刻步骤中所使用的光掩模的数量以及減少光刻步骤的数量，可借助于使用作为其中光透射成具有多种强度的曝光掩模的多色调掩模来形成的抗蚀剂掩模来执行蚀刻步骤。由于借助于多色调掩模所形成的抗蚀剂掩模具有多个厚度并且能够通过蚀刻进ー步改变形状，因此，抗蚀剂掩模能够在多个蚀刻步骤中用于加工成不同的图案。所以，与至少两种或多种不同图案对应的抗蚀剂掩模能够通过ー种多色调掩模来形成。因此，曝光掩模的数量能够減少，并且对应的光刻步骤的数量也能够減少，由此能够实现过程的简化。注意，优选的是，优化蚀刻条件，以便在蚀刻导电膜时不会蚀刻和分割氧化物半导体层531。然而，难以获取其中仅仅蚀刻导电膜而一点也不蚀刻氧化物半导体层531的蚀刻条件。在某些情况下，当蚀刻导电膜时，仅仅氧化物半导体层531的一部分蚀刻成具有沟槽部分(凹陷部分)的氧化物半导体层。在本实施例中，Ti膜用作导电膜并且In-Ga-Zn-O类氧化物半导体用于氧化物半导体层531 ;因此，过氧化氢铵混合物(31 wt. %过氧化氢溶液28 wt. %氨水水=5 2 2)用作蚀刻剂。随后，可通过使用诸如N20、N2或Ar的气体的等离子体处理去除吸附在氧化物半导体层的暴露部分的表面的水等。在执行等离子体处理的情况下，在等离子体处理之后，以不暴露至空气的方式形成与氧化物半导体层的一部分相接触的、用作保护绝缘膜的绝缘层 516。绝缘层516能够适当地采用诸如溅射法的方法形成为至少I nm的厚度，在方法中诸如水和氢的杂质不会进入绝缘层516。当氢包含于绝缘层516吋，发生氢进入氧化物半导体层或者通过氢抽取氧化物半导体层中的氧，由此氧化物半导体层的背沟道成为η型(具有较低的电阻)；因此，可能形成寄生沟道。所以，重要的是，采用其中没有使用氢的膜形成方法，使得形成包含尽可能少的氢的绝缘层516。在本实施例中，通过溅射法将氧化硅膜形成为200 nm的厚度作为绝缘层516。在膜形成期间的衬底温度可为室温至300°C(包括两端)，并且在本实施例中设置成100°C。能够在稀有气体(典型地，氩)气氛、氧气氛或包含稀有气体和氧的混合气氛下通过溅射法形成氧化硅膜。作为靶，能够使用氧化硅靶或硅靶。例如，能够在包含氧的气氛下通过溅射法使用硅靶来形成氧化硅膜。作为形成为与氧化物半导体层相接触的绝缘层516，使用不包括诸如水分、氢离子和0H_并且阻止其从外部进入的无机绝缘膜。典型地，使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜等。为了在与氧化物半导体膜530的膜形成的同时去除在绝缘层516的膜形成室中剩余的水分，优选地使用捕集真空泵(诸如低温泵)。在使用低温泵排气的膜形成室中形成绝缘层516时，能够降低绝缘层516中的杂质浓度。此外，作为用于去除绝缘层516的膜形成室中剰余的水分的排气单元，可使用设置有冷阱的涡轮泵。优选的是使用其中去除了诸如氢、水、羟基或氢化物的杂质的高纯度气体作为用于绝缘层516的膜形成的溅射气体。随后，在惰性气体气氛或氧气气氛下(优选地以200至400°C(包括两端)、例如250至350°C (包括两端)的温度)来执行第二热处理。例如，在氮气氛下以250°C执行第二热处理I小时。在第二热处理中，氧化物半导体层的一部分(沟道形成区)在与绝缘层516相接触的同时被加热。通过以上过程，氧能够供应至氧化物半导体层，其中氧作为氧化物半导体的成分之一并且在与对氧化物半导体膜执行的第一热处理(有意地从氧化物半导体层去除诸如氢、水分、羟基或氢化物(也称为氢化合物)的杂质的步骤)的同时被減少。因此，氧化物半导体层为高度纯化并且电学上i型(本征)的氧化物半导体。
通过以上过程，形成晶体管510 (參见图2D)。在具有许多缺陷的氧化硅层用作绝缘层516时，利用在氧化硅层的形成之后所执行的热处理，包含在氧化物半导体层中的诸如氢、水分、羟基、或氢化物的杂质能够扩散至绝缘层，使得氧化物半导体层中的杂质能够进一歩減少。保护绝缘层506可形成于绝缘层516之上。例如，通过RF溅射法形成氮化硅膜。RF溅射法具有高的生产率；因此，优选地使用RF溅射法作为保护绝缘层的膜形成方法。作为保护绝缘层，使用不包括诸如水分的杂质并且防止这些杂质从外部进入的无机绝缘膜，诸如氮化硅膜或氮化铝膜。在本实施例中，使用氮化硅膜形成保护绝缘层506(參见图2E)。在本实施例中，作为保护绝缘层506，通过加热衬底505 (其上形成有直到绝缘层516的层)到100°C至400°C的温度、引入从其去除了氢和水分的包含高纯度氮的溅射气体以及使用硅半导体靶来形成氮化硅膜。同样，在这种情况下，优选地在以与绝缘层516相似 的方式去除了处理室中剰余的水分的同时形成保护绝缘层506。在形成保护绝缘层之后，可进ー步在空气中以100°C至200°C (包括两端)的温度执行热处理I小时至30小时(包括两端)。该热处理可以以固定的加热温度执行。备选地，加热温度中的以下变化可反复地执行多次加热温度从室温増加至100°C至200°C (包括两端)，然后降低至室温。包括根据本实施例以这样的方式形成的高度纯化的氧化物半导体层的晶体管具有较高的场效应迁移率；因此，高速驱动是可能的。借助于用于第一栅极绝缘层的氧化铪膜，晶体管的栅极泄漏电流能够减少；因此，能够实现半导体装置的节能。此外，对第一栅极绝缘层使用氧化铪膜使得具有大于或等于2 nm (具体地，2nm至10 nm (包括两端))的厚度的栅极绝缘层，能够获得与仅仅使用氧化硅膜来形成的、具有小于或等于O. 8 nm的厚度的栅极绝缘层相同的效果。本实施例能够与实施例I任意地组合。[实施例3]
在本实施例中，下面将描述形成包括两个栅电极的双栅极晶体管的ー个示例，两个栅电极之一隔着栅极绝缘层设置于沟道区之上，并且两个栅电极的另一个隔着另ー个栅极绝缘层设置于沟道形成区之下。注意，因为在制造过程的中间的步骤与实施例2中的步骤相同，所以对于相同的部分将使用相同的參考标号来进行描述。图3A至图3C示出晶体管的截面结构的ー个示例。图3A与图2C相同。首先，根据实施例2，获得在图3A中示出的状态。随后，以与实施例2相似的方式形成与氧化物半导体层的一部分相接触的、用作保护绝缘膜的绝缘层516。在本实施例中，为了在以后的步骤中形成第二栅电极，使用与第ニ栅极绝缘层507b相同的材料和厚度来形成绝缘膜。随后，如图3B中所示，具有比绝缘层516更高的相对电容率的绝缘层526形成于绝缘层516之上。作为绝缘层526，形成其材料和厚度与第一栅极绝缘层507a相同的绝缘膜(即，具有20 nm的厚度的氧化铪膜)。随后，第二栅电极508形成于绝缘层526之上。第二栅电极508能够使用诸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金属材料，或包含以上金属材料作为其主要成分的合金材料来形成为具有单层结构或层叠结构。通过以上过程，能够制造在图3C中示出的晶体管520。注意，使用氧化铪形成的绝缘层526难以通过湿法蚀刻来蚀刻；因此，在第二栅电极508的图案形成的时候采用湿法蚀刻时，甚至在绝缘层526的厚度为2 nm至10 nm (包括两端)吋，绝缘层526作为蚀刻阻挡物而起作用并且不具有针孔等；因此，能够实现具有均匀的击穿电压的晶体管520。作为相对电容率高于第二绝缘层的相对电容率的第一绝缘层和相对电容率高于第三绝缘层的相对电容率的第四绝缘层的每ー个，使用包含铪的绝缘膜，使得本实施例的栅极绝缘层的厚度能够薄于考虑氧化硅膜的栅极绝缘层的厚度。在氧化物半导体层用于包括晶体管中的沟道形成区的半导体层时，根据半导体装置的制造过程，晶体管的阈值电压有时沿正方向或负方向变化。因此，其中氧化物半导体用 于包括沟道形成区的半导体层的晶体管，优选地具有其中能够通过采用像晶体管520那样的双栅极结构控制阈值电压的结构，其中通过控制第一栅电极511或第二栅电极508的电位，阈值电压也能够被控制成为期望的值。本实施例能够与实施例I或实施例2任意组合。[实施例4]
氧化物半导体层容易被在制造过程中生成的电场影响。因此，图4A和图4B示出用于降低例如这样的电场的影响的膜形成设备在根据实施例I制造如图ID中所示的顶栅晶体管的情况下，通过溅射法在氧化物半导体层之上形成栅极绝缘层的时候生成的电场。在本实施例中，将描述在图4A和图4B中示出的使用膜形成设备形成氧化铪膜的一个示例。在形成真空状态的室301中，供应Ar气或O2气和Ar气的混合气体，使得连接至RF电源304的电极302和电极303设置成互相面对。各为氧化铪的靶308和靶309分别固定至电极302和电极303。注意，图4A为从上面看的室301的俯视示意图，并且图4B为室301的截面示意图。衬底305垂直地放置并且经受溅射膜形成，使得能够处理大尺寸的衬底。以使氧化铪的靶308和靶309互相面对并且使衬底305不放置在两个靶之间的方式，使得衬底305几乎不暴露至等离子体。衬底305设置有覆盖了绝缘膜的氧化物半导体层，并且借助于在图4A和图4B中示出的设备，能够形成氧化铪膜而没有尤其对氧化物半导体层造成麻烦的损伤(例如，等离子体损伤)。这样，氧化铪膜形成在通过支架307固定的衬底305的表面上。注意，通过光闸306停止在衬底上的膜的形成直到膜形成速度稳定为止，并且打开光闸306以开始膜形成。虽然光闸306为在图4A和图4B中的滑动型，但是没有具体限制。在图4A中，虽然衬底表面示出为关于室的底面垂直，但是并不限制于此，可通过支架307放置衬底使得其表面倾斜于室的底面。支架307设置有加热器，并且能够在加热衬底305的同时执行膜形成。借助于支架307的加热器，衬底305保持在维持在降低的压カ下的室301中，并且衬底305之上的氧化物半导体层也能够被加热，使得衬底305的温度高于或等于100°C且低于550°C，优选地为200°C至400°C (包括两端)。然后，在去除了室301中的水分的同时，弓丨入从其中去除了氢、水等的溅射气体(氧或氩)，由此，使用以上靶来形成氧化铪膜。在借助干支架307的加热器加热衬底305的同时形成氧化铪膜，使得因溅射而产生的损伤也能够減少。为了去除在室301中的水分，优选地使用捕集真空泵。例如，能够使用低温泵、离子泵、钛升华泵等。可使用设置有冷阱的涡轮泵。通过使用低温泵等的排气，能够从处理室中去除氢、水等。此外，虽然给出了氧化铪膜的膜形成作为本实施例中ー个示例，但是没有具体限制，通过利用在图中4A和图4B中示出的膜形成设备，能够使用能用于栅极绝缘层的绝缘膜或另ー种高k膜的膜形成。此外，在图4A和图4B中示出的膜形成设备能够用于形成与氧化物半导体层相接触的绝缘膜。[实施例5]
在本实施例中，将參照图5A至图5C来描述对应于半导体装置的一种模式的液晶显示面板的外观和截面。图5A和图5C是面板的平面图，在各面板中，晶体管4010、晶体管4011以及液晶元件4013采用密封剂4005密封在第一衬底4001与第二衬底4006之间。图5B 为沿着图5A或图5C的线丽所截取的截面图。密封剂4005设置成包围设置在第一衬底4001之上的像素部分4002和扫描线驱动器电路4004。第二衬底4006设置在像素部分4002和扫描线驱动器电路4004之上。因此，像素部分4002和扫描线驱动器电路4004连同液晶层4008 —起由第一衬底4001、密封剂4005和第二衬底4006来密封。使用在単独制备的衬底之上的单晶半导体膜或多晶半导体膜来形成的信号线驱动器电路4003，安装在与被第一衬底4001之上的密封剂4005所包围的区域不同的区域中。注意，没有具体地限制単独地形成的驱动器电路的连接方法，并且能够使用COG方法、电线接合方法、TAB方法等。图5A示出其中信号线驱动器电路4003通过COG方法安装的ー个示例。图5C示出其中信号线驱动器电路4003通过TAB方法来安装的ー个示例。设置于第一衬底4001之上的像素部分4002和扫描线驱动器电路4004包括多个晶体管。图5B示出包括在像素部分4002中的晶体管4010和包括在扫描线驱动器电路4004中的晶体管4011作为ー个示例。晶体管4011包括第一栅极绝缘层4020a和第二栅极绝缘层4020b，并且能够使用在实施例2中描述的第一栅极绝缘层402a和第二栅极绝缘层402b。能够借助于用于第一栅极绝缘层402a的高k膜形成具有低的栅极泄漏电流的晶体管。绝缘层4041、绝缘层4042以及绝缘层4021设置在晶体管4010和晶体管4011之上。在实施例I中描述的具有低的栅极泄漏电流的晶体管能够用作晶体管4010和晶体管4011。在实施例I中描述的任意晶体管410、晶体管420、晶体管430和晶体管440能够用作用于驱动器电路的晶体管4011以及用于像素的晶体管4010。在本实施例中，晶体管4010和晶体管4011为η沟道晶体管。导电层4040设置于绝缘层4021的一部分之上，其与用于驱动器电路的晶体管4011中的氧化物半导体层的沟道形成区重叠。导电层4040设置在与氧化物半导体层的沟道形成区重叠的位置，由此介于BT测试前和BT测试后之间的晶体管4011的阈值电压中的变化量能够降低。导电层4040的电位可同于或不同于晶体管4011的栅电极的电位。导电层4040也能够作为第二栅电极起作用。备选地，导电层4040的电位可为GND或O V，或导电层4040可为浮态。
包括在液晶元件4013中的像素电极层4030电连接到晶体管4010。对第二衬底4006设置液晶元件4013的对电极层4031。像素电极层4030、对电极层4031和液晶层4008相互重叠的一部分对应于液晶元件4013。注意，像素电极层4030和对电极层4031分别设置有各作为对准膜而起作用的绝缘层4032和绝缘层4033，并且液晶层4008夹在像素电极层4030和对电极层4031之间，液晶层4008和像素电极层4030之间隔着绝缘层4032，液晶层4008和对电极层4031之间隔着绝缘层4033。注意，作为第一衬底4001和第二衬底4006，能够使用透光衬底，例如诸如聚酯膜或丙烯酸树脂膜的塑料衬底、玻璃衬底或陶瓷衬底。參考标号4035表示柱状隔离物，该柱状隔离物通过有选择性蚀刻绝缘膜而得到，并且设置成以便控制像素电极层4030与对电极层4031之间的距离(単元间隙)。备选地，还可使用球形隔离物。对电极层4031电连接至设置在与晶体管4010相同的衬底之上的公共电位线。借助于公共连接部分，对电极层4031和公共电位线能够通过布置在一对衬底之·间的导电粒子相互电连接。注意，导电粒子包含在密封剂4005中。备选地，可使用不需要对准膜的呈现蓝相的液晶。在那种情况下，因为采用了水平电场模式，所以电极布置成与在图中5A至图5C中示出的不同。例如，在相同的绝缘层之上布置像素电极层和公共电极层，并且施加水平电场至液晶层。蓝相是在胆留型液晶的温度增加的同时刚好在胆留型相变成各向同性相之前生成的ー种液晶相位。蓝相仅在窄温度范围内生成；因此，为改进温度范围而包含5 wt%或以上的手性试剂的液晶组合物用于液晶层4008。包括呈现蓝相的液晶和手性试剂的液晶组合物具有I毫秒或更小的短响应时间，具有使得不需要对准过程的光学各向同性，以及具有小的视角依赖性。注意，除了透射液晶显示装置之外，本实施例还能够应用于半透反射(transflective)液晶显示装置。描述了液晶显示装置的示例，其中偏光板设置在衬底的外表面上(观看者侧)，并且用于显示元件的着色层和电极层依次设置在衬底的内表面上；然而，偏光板可设置在衬底的内表面上。偏光板和着色层的层叠结构并不局限于本实施例，而是可根据偏光板和着色层的材料或制造过程的条件来适当地设置。此外，作为黑矩阵而起作用的遮光膜可设置在除了显示部分之外的部分中。在晶体管4011和晶体管4010之上，形成与氧化物半导体层相接触的绝缘层4041。绝缘层4041可使用与在实施例I中描述的绝缘膜407相似的材料和方法来形成。这里，作为绝缘层4041，使用在实施例4中描述的膜形成设备通过溅射法来形成氧化硅膜。绝缘层4042在绝缘层4041上形成并且与其接触。绝缘层4042能够使用与实施例I中描述的保护绝缘层409相似的材料和方法来形成。此外，为了降低因晶体管而产生的表面粗糙度，绝缘层4042覆盖有作为平面化绝缘膜而起作用的绝缘层4021。绝缘层4021形成为平面化的绝缘膜。作为绝缘层4021，能够使用诸如聚酰亚胺、丙烯酸、苯并环丁烯、聚酰胺或环氧树脂的具有耐热性的有机材料。除了这些有机材料之夕卜，还有可能使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷类树脂、PSG (磷硅酸盐玻璃)、BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)等。注意，可通过层叠使用这些材料所形成的多个绝缘膜来形成绝缘层4021。对于形成绝缘层4021的方法没有具体限制，并且取决于材料，能够采用下列的方法或工具诸如溅射法、SOG方法、旋涂方法、浸溃方法、喷涂方法或微滴排放方法(例如喷墨方法、丝网印刷或平板印刷)的方法或者诸如刮刀、辊式涂布机、帘式涂布机或刮刀式涂布机的工具。绝缘层4021的烘焙步骤也用作半导体层的退火，使得能够高效地制造半导体装置。能够使用诸如包含氧化鹤的氧化铟、包含氧化鹤的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡(在下文中称为ΙΤ0)、氧化铟锌或添加有氧化硅的氧化铟锡的透光导电材料来形成像素电极层4030和对电极层4031。此外，各种信号和电位从FPC4018供应至单独形成的信号线驱动器电路4003、扫描线驱动器电路4004或像素部分4002。使用与包括在液晶元件4013中的像素电极层4030相同的导电膜来形成连接端子电极4015。使用与晶体管4010和晶体管4011的每个的源电极和漏电极相同的导电膜来形 成端子电极4016。连接端子电极4015通过各向异性导电膜4019电连接至FPC4018的端子。图5A至图5C示出ー个示例，其中信号线驱动器电路4003単独地形成并且安装在第一衬底4001上；然而，本发明的实施例不限于该结构。扫描线驱动器电路可単独地形成然后安装，或可仅仅单独地形成信号线驱动器电路的一部分或扫描线驱动器电路的一部分然后安装。[实施例6]
在本实施例中，将描述作为本发明的实施例的半导体装置的电子纸的一个示例。通过在实施例2中描述的方法获得的、包括层叠的栅极绝缘层的晶体管可用于电子纸，在电子纸中，电子墨水被电连接至开关元件的元件驱动。电子纸也称为电泳显示装置(电泳显示器)，并且其优点在于具有与普通纸相同的可读性级别，它具有比其它显示装置更低的功率消耗，并且能够被制造得薄而且轻量。电泳显示器具有多种模式。电泳显示器包含分散在溶剂或溶质中的多个微胶囊，各微胶囊包含带正电的第一粒子和带负电的第二粒子。通过施加电场至微胶囊，微胶囊中的粒子在相反的方向上相互移动，并且仅仅显示聚集在一侧上的粒子的顔色。注意，第一粒子和第二粒子各包含染料并且在没有电场的情况下不会移动。此外，第一粒子和第二粒子具有不同的顔色(其可为无色的)。因此，电泳显示器是利用所谓的电泳效应的显示器，通过电泳效应，具有高的介电常数的物质移动至高电场区。其中在溶剂中分散了以上微胶囊的溶液称为电子墨水。该电子墨水能够被印刷在玻璃、塑料、布、纸等的表面上。而且，通过利用滤色器或具有色素的粒子，也能够获得彩色显不O此外，如果多个以上微胶囊适当地布置在有源矩阵衬底之上，以便被插入在两个电极之间，则能够完成有源矩阵显示装置，并且能够通过施加电场至微胶囊来执行显示。例如，能够使用利用在实施例2中描述的晶体管来形成的有源矩阵衬底。注意，在微胶囊中的第一粒子和第二粒子可各使用从导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、液晶材料、铁电材料、电致发光材料、电致变色材料以及磁泳(magnetophoretic)材料中选择的单种材料来形成,或使用任意这些的合成材料来形成。
图6示出有源矩阵电子纸作为半导体装置的ー个示例。在半导体装置中使用的晶体管581为具有低的栅极泄漏电流的晶体管，其能够以与实施例2的晶体管相似的方式来制造。图6中的电子纸为使用扭转球显示系统的显示装置的ー个示例。扭转球显示系统指的是ー种方法，其中各以黑色和白色着色的球形粒子布置在作为用于显示元件的电极层的第一电极层和第二电极层之间，并且在第一电极层和第二电极层之间生成电位差以控制球形粒子的取向，使得执行显示。晶体管581为底栅晶体管，其包括在第一栅极绝缘层582a和第二栅极绝缘层582b的叠层之上并且与该叠层相接触的氧化物半导体层，并且其覆盖有与氧化物半导体层相接触的绝缘层583。注意，使用包含铪的绝缘膜来形成第一栅极绝缘层582a，该绝缘膜为相对电容率高于第二栅极绝缘层582b的相对电容率的膜。晶体管581的源电极或漏电极通过在绝缘层583、绝缘层584以及绝缘层585中形 成的开ロ与第一电极层587接触，从而晶体管581电连接至第一电极层587。在第一电极层587和第二电极层588之间，在一对衬底580和衬底596之间设置周围填充有液体的、各具有黑色区590a和白色区590b的球形粒子589。在球形粒子589周围的空间填充有诸如树脂的填充物595 (參见图6)。此外，第一电极层587对应于像素电极,并且第二电极层588对应于公共电极。第ニ电极层588电连接至设置在与晶体管581相同的衬底之上的公共电位线。借助于公共连接部分，第二电极层588和公共电位线能够通过布置在一对衬底580和衬底596之间的导电粒子互相电连接。此外，也能够使用电泳元件代替扭转球。使用具有大约10 μ m至200 μ m的直径的微胶囊，其中将透明液体、带正电的白色微粒子以及带负电黑色微粒子装入胶囊。在设置在第一电极层和第二电极层之间微胶囊中，当通过第一电极层和第二电极层施加电场时，白色微粒和黑色微粒向相反侧移动，使得能够显示白色或黒色。利用该原理的显示元件为电泳显示元件并且通常称为电子纸。电泳显示元件具有比液晶显示元件更高的反射率；因此，不需要辅助灯，功率消耗低，并且甚至在昏暗的地方能也够辨认出显示部分。此外，甚至在电源不供应至显示部分时，能够保持曾经已显示的图像。因此，即使具有显示功能的半导体装置(可简单地称为设置有显示装置的显示器或半导体装置)远离电波源，也能够存储所显示的图像。通过以上过程，能够制造包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管的节能的电子纸。本实施例能够与其它实施例中描述的结构适当地组合来完成。[实施例7]
在本实施例中，下面将描述形成包括氧化物半导体的晶体管和包括除了在相同的衬底之上的氧化物半导体之外的材料的晶体管的ー个示例。图7A和图7B示出半导体装置的结构的ー个示例。图7A示出半导体装置的截面，并且图7B示出半导体装置的平面图。这里，图7A对应于沿着图7B中的线A1-A2和线B1-B2的截面。在图7A和图7B中示出的半导体装置包括在下部包括第一半导体材料的晶体管160，以及在上部包括第二半导体的晶体管162。在本实施例中，第一半导体材料为除了氧化物半导体之外的半导体材料(诸如硅)，并且第二半导体材料为氧化物半导体。能够容易地以高速操作包括除了氧化物半导体之外的材料的晶体管。另ー方面，由于其特性，包括氧化物半导体的晶体管能够长时间地保持电荷。在图7A和图7B中的晶体管160包括设置在包括半导体材料(诸如硅)的衬底100中的沟道形成区116，使得沟道形成区116夹在其间而设置的杂质区120，与杂质区120接触的金属化合物区124，设置在沟道形成区116之上的栅极绝缘层108以及设置在栅极绝缘层108之上的栅电极110。作为包括半导体材料的衬底100，能够使用由硅、碳化硅等组成的单晶半导体衬底或多晶半导体衬底，由硅锗等组成的化合物半导体衬底，SOI衬底等。注意，一般而言，术语“SOI衬底”表示硅半导体层设置在绝缘表面上的衬底。在本说明书中等，术语“SOI衬底”在其范畴中还包括使用除了硅之外的材料而形成的半导体层设置于绝缘表面之上的衬底。即，包括在“SOI衬底”中的半导体层不限于硅半导体层。此外，SOI衬底能够是具有这样ー种结构的衬底其中半导体层隔着绝缘层设置于诸如玻璃衬底的绝缘衬底之上。电极126连接至晶体管160的金属化合物区124的一部分。这里，电极126作为 晶体管160的源电极或漏电极而起作用。元件隔离绝缘层106设置在衬底100之上以围绕晶体管160。绝缘层128和绝缘层130设置成覆盖晶体管160。注意，优选的是，晶体管160不具有如在图7A和图7B中示出的侧壁绝缘层，以实现高集成。在另一方面，当重视晶体管160的特性吋，侧壁绝缘层可设置在栅电极110的侧面上以设置具有杂质浓度彼此不同的区域的杂质区120。能够通过已知的技术形成晶体管160。这样的晶体管160有高速操作的能力。因此，通过利用晶体管作为读取晶体管，能够高速地读取数据。在形成晶体管160之后，通过使绝缘层128和绝缘层130经受CMP处理来作为在晶体管162和电容器164的形成之前的处理,暴露栅电极110和电极126的上表面。备选地，作为用于暴露栅电极110和电极126的上表面的处理，除了 CMP处理之外，有可能采用蚀刻处理等(蚀刻处理等可与CMP处理相结合)。注意，为了改进晶体管162的特性，优选的是，尽可能地平面化绝缘层128和绝缘层130的表面。随后，导电层形成于栅电极110、电极126、绝缘层128、绝缘层130等之上，并且选择性蚀刻，使得形成源电极或漏电极142a和源电极或漏电极142b。能够通过诸如溅射法的PVD方法或诸如等离子体CVD方法的CVD方法来形成导电层。此外，作为导电层的材料，能够使用从Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo以及W中选择的元素，包括以上元素作为其成分的合金等。可使用任意的Mn、Mg、Zr、Be、Nd以及Sc或包括任意这些的组合的材料。导电层能够具有单层结构或包括两个或者更多层的层叠结构。例如，能够给出钛膜或氮化钛膜的单层结构、包含硅的铝膜的单层结构、其中钛膜层叠在铝膜之上的ニ层结构、其中钛膜层叠在氮化钛膜之上的ニ层结构以及其中依次层叠钛膜、铝膜和钛膜的三层结构。注意，在导电层具有钛膜或氮化钛膜的单层结构的情况下，有ー个优点是导电层容易加工成具有锥形形状的源电极或漏电极142a和源电极或漏电极142b。上部晶体管162的沟道长度(Z)由源电极或漏电极142a的下端部和源电极或漏电极142b的下端部之间的距离所确定。注意，作为用于形成在形成具有小于25 nm的沟道长度(Z)的晶体管的情况下所使用的掩模的曝光，优选的是使用波长短至数纳米至数十纳米的远紫外线。随后，绝缘层143a形成于源电极或漏电极142a之上，并且绝缘层143b形成于源电极或漏电极142b之上。能够以形成覆盖源电极或漏电极142a和源电极或漏电极142b的绝缘层然后选择性蚀刻的方式形成绝缘层143a和绝缘层143b。此外，形成绝缘层143a和绝缘层143b，以便与以后将形成的栅电极部分地重叠。通过设置这样的绝缘层，在栅电极和源电极或漏电极之间形成的电容能够减少。能够使用包括诸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅或氧化铝的无机绝缘材料的材料来形成绝缘层143a和绝缘层143b。注意，在栅电极和源电极或漏电极之间形成的电容減少方面，优选的是形成绝缘层143a和绝缘层143b ;然而，也可能采用没有绝缘层的结构。随后，在氧化物半导体层形成为覆盖源电极或漏电极142a和源电极或漏电极、142b之后，选择性蚀刻氧化物半导体层，以形成氧化物半导体层144。使用在实施例2中描述材料和形成过程形成氧化物半导体层。在那之后，优选地对氧化物半导体层执行热处理(第一热处理)。通过第一热处理去除氧化物半导体层中的过剩的氢(包括水和羟基)，并且改进氧化物半导体层的结构，使得氧化物半导体层的能隙中的缺陷能级密度能够減少。第一热处理的温度设置为高于或等于300°C且低于550°C，或400°C至500°C (包括两端)。能够以这样的方式执行热处理，例如，将对象引入至其中使用电阻加热元件等的电炉，并且在氮气氛下以450°C加热I小吋。在热处理期间，不将氧化物半导体层暴露至大气，以防止水和氢的进入。通过第一热处理減少杂质，从而获得i型(本征)或实质性i型氧化物半导体层。因此，能够实现具有极好的特性的晶体管。随后，形成与氧化物半导体层144相接触的第一栅极绝缘层146a，并且第二栅极绝缘层146b形成于其上。通过溅射法或等离子体CVD方法使用氧化硅、氮化硅或氧氮化硅来形成第一栅极绝缘层146a。此外，在实施例2中描述的、其相对电容率高于或等于10的高k膜用于第二栅极绝缘层146b。借助于高k膜，能够抑制由于栅极绝缘层的变薄而产生的栅极泄漏电流的增加；因此，半导体装置能够小型化。注意，第一栅极绝缘层146a和第二栅极绝缘层146b的总厚度设置为2 nm至100 nm (包括两端)，优选地为10 nm至50 nm (包括两端)。随后，在第二栅极绝缘层146b之上，在与氧化物半导体层144重叠的区域中形成栅电极148a，并且在与源电极或漏电极142a重叠的区域中形成电极148b。在形成第一栅极绝缘层146a或第二栅极绝缘层146b之后，优选地在惰性气体气氛或氧气氛之下执行第二热处理。热处理的温度设置为200°C至450°C(包括两端)，优选地为250°C至350°C (包括两端)。例如，可在氮气氛下以250°C执行热处理I小吋。第二热处理能够减少晶体管的电特性上的变化。此外，第一栅极绝缘层146a或第二栅极绝缘层146b包括氧；因此，氧供应至氧化物半导体层144以补偿氧化物半导体层144中的氧缺陷，从而能够形成i型(本征)或实质性i型氧化物半导体层。注意，第二热处理的定时并不特别地限制于此。例如，可在形成栅电极之后执行第ニ热处理。备选地，可接着第一热处理执行第二热处理，第一热处理可兼做第二热处理或第ニ热处理可兼做第一热处理。如上所述，氧化物半导体层144能够通过应用第一热处理和第二热处理的至少ー个来高度地纯化，使得尽可能少地包含除了主要成分之外的在其中所包含的杂质。能够以这样的方式形成栅电极148a和电极148b，即导电层形成于第二栅极绝缘层146b之上，然后被选择性蚀刻。随后，绝缘层150和绝缘层152形成于第二栅极绝缘层146b、栅电极148a以及电极148b之上。能够通过溅射法、CVD方法等来形成绝缘层150和绝缘层152。能够使用包括诸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化铪或氧化铝的无机绝缘材料的材料来形成绝缘层150和绝缘层152。
随后，在第一栅极绝缘层146a、第二栅极绝缘层146b、绝缘层150以及绝缘层152中形成达到源电极或漏电极142b的开ロ。通过使用掩模等选择性地蚀刻来形成开ロ。这里，优选在与电极126重叠的区域中形成开ロ。通过在这样的区域中形成开ロ，能够防止由于电极的接触区域而引起的元件的面积增加。换句话说，能够改进半导体装置的集成度。在那之后，在开口中形成电极154，并且与电极154相接触的布线156形成于绝缘层152之上。例如，按照下列的方式形成电极154 :通过PVD方法、CVD方法等在包括开ロ的区域中形成导电层，然后通过蚀刻处理、CMP等部分地去除。
能够以这样的方式形成布线156，即通过以溅射法为代表的PVD方法或诸如等离子体CVD方法的CVD方法来形成导电层，然后形成图案。此外，作为导电层的材料，能够使用从Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo以及W中选择的元素，包括以上元素作为其成分的合金等。可使用任意的Mn、Mg、Zr、Be、Nd以及Sc，或包括任意这些的组合的材料。细节与源电极或漏电极142a等的相似。通过以上过程，完成了包括纯化的氧化物半导体层144的晶体管162和电容器164。电容器164包括源电极或漏电极142a、氧化物半导体层144、第一栅极绝缘层146a、第ニ栅极绝缘层146b以及电极148b。注意，在图7A和图7B中示出的电容器164中，通过层叠氧化物半导体层144、第ー栅极绝缘层146a以及第ニ栅极绝缘层146b，能够确保源电极或漏电极142a和电极148b之间的绝缘。不用说，为了确保足够的电容，可采用没有氧化物半导体层144的电容器164。备选地，可采用包括以与绝缘层143a相似的方式形成的绝缘层的电容器164。此外，在不需要电容器的情况下，可采用没有电容器164的结构。借助于高度纯化并且变成本征的氧化物半导体层144，晶体管的断态电流能够充分地減少。然后，通过使用这种晶体管，能够获得其中存储的数据能够存储极长时间的半导体装置。此外，在本实施例中描述的半导体装置中布线共用；因此，能够实现充分改进了集成度的半导体装置。而且，通过形成互相重叠的电极126和电极154，能够防止由于电极接触区而引起的元件面积的增加。因此，实现了更高的集成。在本实施例中描述的结构、方法等能够与其它实施例中描述的任意的结构、方法等适当地結合。
[实施例8]
本说明书中公开的半导体装置能够应用于各种电子装置(包括游戏机)。电子装置的示例为电视机(又称作电视或电视接收机)、计算机等的监视器、诸如数码相机或数码视频摄像机的摄像机、数码相框、移动电话手机(又称作手提电话或移动电话装置)、便携游戏控制台、便携信息終端、音频再现装置、诸如弹球盘机的大型游戏机等等。 在本实施例中，将參照图8A至图8E来描述电子装置的示例，在该电子装置上安装有能够通过实施例I至实施例3的任一个获得的、具有低的栅极泄漏电流的晶体管。图8A示出通过安装至少ー显示装置作为部件而制造的膝上型个人计算机，其包括主体3001、壳体3002、显示部分3003、键盘3004等。注意，这个膝上型的个人计算机包括在实施例5中描述的、并且包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管的节能显示装置。 图SB示出通过至少安装ー显示装置作为部件而制造的便携式的信息終端(PDA)，其包括在主体3021中的显示部分3023、外部接ロ 3025、操作按钮3024等。包括触屏笔3022作为操作配件。注意，这个便携式信息終端包括在实施例5中描述的、并且包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管的节能显示装置。图SC示出通过安装在实施例6中描述的、并且包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管作为部件的节能电子纸而制造的电子书阅读器。图8C示出电子书阅读器的ー个示例。例如，电子书阅读器2700包括两个壳体，壳体2701和壳体2703。壳体2701和壳体2703与铰链2711结合，以使得电子书阅读器2700能够以铰链2711作为轴来打开和关闭。通过这种结构，电子书阅读器2700能够像纸书ー样进行操作。显示部分2705和显示部分2707分别结合在壳体2701和壳体2703中。显示部分2705和显示部分2707可显示ー个图像或不同的图像。在不同的图像显示在不同的显示部分的结构中，例如，右显示部分(在图8C中的显示部分2705)能够显示文本而左显示部分(在图8C中的显示部分2707)能够显示图像。图8C示出其中壳体2701设置有操作部分等的ー个示例。例如，壳体2701设置有电源开关2721、操作键2723、扬声器2725等。通过操作键2723能够翻页。注意，键盘、指示装置等也可设置在其上设置了显示部分的壳体的表面上。而且，外部连接端子(耳机端子、USB端子、能够连接至诸如AC适配器和USB线缆的多种线缆的端子等)、记录介质插入部分等可设置在壳体的背面或侧面上。此外，电子书阅读器2700可具有电子词典的功能。电子书阅读器2700可具有能无线地传送和接收数据的结构。经过无线通信，能够从电子书服务器购买和下载所希望的书籍数据等。图8D示出通过安装在实施例5中描述的、并且包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管作为部件的节能显示装置而制造的移动电话，其包括两个壳体，壳体2800和壳体2801。壳体2801包括显示面板2802、扬声器2803、扩音器2804、指示装置2806、摄像头2807、外部连接端子2808等。壳体2801设置有用于给便携式信息终端充电的太阳能电池2810、外部存储器插槽2811等。此外，天线结合在壳体2801中。显示面板2802设置有触摸面板。通过在图8D中的虚线示出作为图像显示的多个操作键2805。注意，还包括增强电路，通过增强电路，从太阳能电池2810输出的电压升高成用于每个电路所必需的电压。在显示面板2802中，取决于所使用图案，能够适当地改变显示方向。此外，移动电话在与显示面板2802相同的表面上设置有摄像头2807 ;因此，其能够用作视频电话。扬声器2803和扩音器2804能够用于可视电话呼叫、记录和播放语音等以及语音电话。此外，如在图8D中示出的那样而开发的壳体2800和壳体2801能够滑动，使得一个重叠在另ー个之上；因此，能够减小移动电话的尺寸，使得移动电话适于携帯。外部连接端子2808能够连接至AC适配器和诸如USB线缆的多种类型的线缆，并且充电和与个人计算机进行数据通信是可能的。此外，大量的数据能够通过插入存储介质至外部存储器插槽2811来存储并且能够移动。在实施例6中描述的半导体装置能够用作存储介质。根据实施例6，借助于能够充分地降低断态电流的晶体管，能够获得有极长时间保持存储的数据的能力的半导体装置。 此外，除了以上的功能之外，可提供红外通信功能、电视接收功能等。图SE示出通过安装在实施例5中描述的、并且包括具有低的栅极泄漏电流的晶体管作为部件的节能显示装置而制造的数码相机，其包括主体3051、显示部分(A) 3057、目镜3053、操作开关3054、显示部分(B) 3055、电池3056等。本实施例能够与实施例I至实施例6的任意ー个任意地组合。本申请基于2010年2月5日向日本专利局提交的序号为2010-024860的日本专利申请，通过引用将其完整内容结合于此。
权利要求
1.一种半导体装置，包括 在具有绝缘表面的衬底之上的第一绝缘层； 在所述第一绝缘层之上的氧化物半导体层； 在所述氧化物半导体层之上的第二绝缘层； 在所述第二绝缘层之上的第三绝缘层；以及 在所述第三绝缘层之上与所述氧化物半导体层重叠的栅电极， 其中，所述第三绝缘层具有比所述第二绝缘层更高的相对电容率。
2.根据权利要求I所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层以及所述氧化物半导体层通过溅射法形成。
3.根据权利要求I所述的半导体装置，其中，所述第三绝缘层包括相对电容率高于10的材料。
4.根据权利要求I所述的半导体装置，其中，所述第三绝缘层包括包含铪的绝缘膜。
5.根据权利要求I所述的半导体装置，其中，所述第三绝缘层包括从由氧化铪、硅酸铪、硅酸氧氮化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钽以及氧化锆铝构成的组中选择的ー种。
6.一种半导体装置，包括 栅电极； 氧化物半导体层； 在所述栅电极和所述氧化物半导体层之间的第一绝缘层； 在所述第一绝缘层和所述氧化物半导体层之间的第二绝缘层；以及 设置成与所述氧化物半导体层相接触的第三绝缘层， 其中，所述氧化物半导体层设置在所述第二绝缘层和所述第三绝缘层之间，并且 其中，所述第一绝缘层具有比所述第二绝缘层更高的相对电容率。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，所述第二绝缘层、所述第三绝缘层以及所述氧化物半导体层通过溅射法形成。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，还包括具有绝缘表面的衬底，其中，所述栅电极形成于所述衬底和所述氧化物半导体层之间。
9.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括相对电容率高于10的材料。
10.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括包含铪的绝缘膜。
11.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括从由氧化铪、硅酸铪、硅酸氧氮化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钽以及氧化锆铝构成的组中选择的ー种。
12.—种半导体装置，包括 第一绝缘层，设置成与第一栅电极相接触； 第二绝缘层，设置成与所述第一绝缘层相接触； 氧化物半导体层，设置成与所述第二绝缘层相接触； 第三绝缘层，设置成与所述氧化物半导体层相接触； 第四绝缘层，具有比所述第三绝缘层更高的相对电容率并且与所述第三绝缘层相接触；以及 第二栅电极，与所述第一栅电极重叠并且与所述第四绝缘层相接触，其中，所述氧化物半导体层设置在所述第二绝缘层和所述第三绝缘层之间，并且 其中，所述第一绝缘层具有比所述第二绝缘层更高的相对电容率。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括相对电容率高于10的材料。
14.根据权利要求12所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括包含铪的绝缘膜。
15.根据权利要求12所述的半导体装置，其中，所述第一绝缘层包括从由氧化铪、硅酸铪、硅酸氧氮化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钽以及氧化锆铝构成的组中选择的ー种。
16.一种用于制造半导体装置的方法，包括以下步骤 在衬底之上形成栅电极； 在所述栅电极之上形成第一绝缘层； 在所述第一绝缘层之上形成第二绝缘层； 在所述第二绝缘层之上形成氧化物半导体层；并且 其中，所述第一绝缘层具有比所述第二绝缘层更高的相对电容率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二绝缘层和所述氧化物半导体层通过溅射法形成。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一绝缘层包括相对电容率高于10的材料。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一绝缘层包括包含铪的绝缘膜。
20.根据权利要求16所述的半导体装置，其中所述第一绝缘层包括从由氧化铪、硅酸铪、硅酸氧氮化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钽以及氧化锆铝构成的组中选择的ー种。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤在包括氮、氧或稀有气体的气氛下以高于或等于400°C且低于所述衬底的应变点的温度对所述氧化物半导体层执行热处理。
22.一种用于制造半导体装置的方法，包括以下步骤 在衬底之上形成氧化物半导体层； 在所述氧化物半导体层之上形成第一绝缘层； 在所述第一绝缘层之上形成第二绝缘层；以及 在所述第二绝缘层之上形成栅电极； 其中，所述第二绝缘层具有比第一绝缘层更高的相对电容率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一绝缘层和所述氧化物半导体层通过溅射法形成。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二绝缘层包括相对电容率高于10的材料。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二绝缘层包括包含铪的绝缘膜。
26.根据权利要求22所述的半导体装置，其中，所述第二绝缘层包括从由氧化铪、硅酸铪、硅酸氧氮化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钽以及氧化锆铝构成的组中选择的ー种。
27.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤:在包括氮、氧或稀有气体的气氛下以高于或等于400°C且低于所述衬底的应变点的温度对所述氧化物半导体层执行热处理。
全文摘要
在小型化晶体管中，需要栅极绝缘层减少其厚度；然而，在栅极绝缘层为单层氧化硅膜的情况下，由于隧道电流(即栅极泄漏电流)的增加，可能发生对栅极绝缘层的变薄的物理上的限制。通过将相对电容率高于或等于10的高k膜用于栅极绝缘层，减少了小型化晶体管的栅极泄漏电流。通过将高k膜用作相对电容率高于与氧化物半导体层接触的第二绝缘层的相对电容率的第一绝缘层，栅极绝缘层的厚度能够薄于考虑氧化硅膜的栅极绝缘层的厚度。
文档编号H01L29/786GK102725851SQ20118000832
公开日2012年10月10日 申请日期2011年1月12日 优先权日2010年2月5日
发明者山崎舜平, 斎藤隆行, 远藤佑太 申请人:株式会社半导体能源研究所