专利名称：半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。另外，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工作的所有装置，因此电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
背景技术：
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受到关注。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。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体 材料被广泛地所知。但是，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。例如，已经公开了，作为晶体管的活性层使用其电子载流子浓度低于IO1Vcm3的包含铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)的非晶氧化物的晶体管(参照专利文献I)。[专利文献I]日本专利申请公开2006-165528号公报然而，氧化物半导体当在形成装置的工序中发生形成电子给体的氢、水分的混入等时，其导电率可能变化。这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
鉴于这种问题，本发明的一个实施方式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，以实现高可靠性化。本说明书所公开的发明的一个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，以去除氧化物半导体膜中的氢原子；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的绝缘膜；对绝缘膜进行氧掺杂处理，以对绝缘膜供应氧原子。另外，所公开的发明的一个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，以去除氧化物半导体膜中的氢原子；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的绝缘膜；对绝缘膜进行氧掺杂处理，以对绝缘膜供应氧原子；以及进行热处理。另外，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜以及包含与该绝缘膜的成分元素不同的元素的膜。
或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化镓的绝缘膜。或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。另外，在上述半导体装置的制造方法中，可以覆盖绝缘膜地形成包含氮的绝缘膜。在具有氧化物半导体膜的晶体管的制造工序中，通过进行氧掺杂处 理，可以在层叠的栅极绝缘膜的膜中(块(bulk)中)、氧化物半导体膜的膜中(块中)、绝缘膜的膜中(块中)、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以上设置存在有超过该膜的化学计量比的氧的氧过剩区域。氧含量优选为超过化学计量比的I倍至4倍(小于4倍)，更优选为超过I倍至2倍(小于2倍)。超过化学计量比的氧过剩的氧化物，例如在以InaGabZneSidAleMgfOg (a, b, c, d，e, f, g ^ O)表示的氧化物中，满足2g>3a+3b+2c+4d+3e+2f。另外，通过氧掺杂处理添加的氧有可能存在于氧化物半导体的晶格之间。另外，也可以在层叠的栅极绝缘膜、氧化物半导体膜以及绝缘膜中的两处以上设置上述氧过剩区域。例如，在制造工序中，可以通过进行氧掺杂处理，在栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面、氧化物半导体膜的膜中(块中)、以及氧化物半导体膜与绝缘膜的界面的每一处设置氧过剩区域。另外，在没有缺陷(氧缺乏)的氧化物半导体中，只要包含相同于化学计量比的数量的氧即可，但是为了确保如抑制晶体管的阈值电压的变动等的可靠性，优选使氧化物半导体包含超过化学计量比的数量的氧。类似地，在没有缺陷(氧缺乏)的氧化物半导体中，不需要将氧过剩的绝缘膜用作栅极绝缘膜或绝缘膜，但是为了确保如抑制晶体管的阈值电压的变动等的可靠性，考虑到在氧化物半导体层中可能产生氧缺乏的状态，而优选将氧过剩的绝缘膜用作栅极绝缘膜或绝缘膜。另外，对氧化物半导体膜通过热处理进行脱水化或脱氢化处理，去除氧化物半导体膜中的氢原子或水等包含氢原子的杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。这里，将由氧掺杂处理而添加的氧量设定为比由脱水化或脱氢化处理而被高纯度化了的氧化物半导体膜中的氢量多。如果在上述叠层的栅极绝缘膜、氧化物半导体膜、以及绝缘膜的至少一部分的氧量多，该氧扩散并与其他不稳定因素的原因的氢起反应，来固定氢(使氢不动离子化)。也就是说，可以降低(或充分减小)可靠性上的不稳定性。另外，通过形成氧过剩状态，可以减小由氧缺乏而引起的阈值电压Vth的不均匀，并可以降低阈值电压的偏移AVth。这里，上述“氧掺杂”是指将氧(至少包含氧自由基、氧原子、氧离子中的任一种)添加到块中的处理。该术语“块”是为了明确显示不仅将氧添加到薄膜表面还将氧添加到薄膜内部的情况的目的而使用。另外，“氧掺杂”包括将等离子体化的氧添加到块中的“氧等离子体掺杂”。在此，描述通过上述“氧等离子体掺杂”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中进行氧掺杂处理时，一般来说，确认氧浓度的增减是很困难的。由此，这里使用硅片来确认氧掺杂处理的效果。氧掺杂处理通过利用电感稱合等离子体(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0W、压力为I. 5Pa、气体流量为 75sccm、衬底温度为 70°C。图 15 表不根据 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry 二次离子质谱)分析的硅片的深度方向的氧浓度分布。在
图15中，纵轴表示氧浓度，横轴表示离硅片表面的深度。根据图15，可以确认在RF偏置功率为OW的情况以及RF偏置功率为300W的情况都添加有氧。另外，可以确认在RF偏置为300W时，与RF偏置为OW的情况相比，氧的添加深度更深。接着，在图16A 和 16B 中不出通过 STEM (Scanning Transmission ElectronMicroscopy :扫描透射电子显微镜)对进行氧掺杂处理之前和之后的硅片的截面进行观察的结果。图16A是进行氧掺杂处理之前的STEM图像，图16B是在上述RF偏置功率为300W的条件下进行氧掺杂处理之后的STEM图像。由图16B可知，通过进行氧掺杂处理，在硅片中形成了氧高掺杂区域。如上所示，通过对硅片进行氧掺杂，可以在硅片中添加氧。根据该结果，可以理解通过对氧化物半导体膜进行氧掺杂，当然也可以在氧化物半导体膜中添加氧。 至于所公开的发明的一个方式的上述结构的效果，按照下述考察就很容易理解。但是，以下说明只不过是一个考察而已。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氢离子移动到背沟道一侧并蓄积在与绝缘膜的界面附近。由于正电荷从所蓄积的氢离子移动到绝缘膜中的电荷俘获中心(氢原子、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，阈值电压向负值一侧偏移，从而晶体管显示常通(normally-on)的趋势。如上所述，由于在绝缘膜中的氢或水等电荷俘获中心捕获正电荷,正电荷移动到绝缘膜中，而晶体管的电特性变动，所以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心，或者电荷俘获中心的含量少。由此，作为绝缘膜的形成方法，优选使用沉积时的氢含量少的溅射法。通过溅射法而沉积的绝缘膜在膜中没有存在电荷俘获中心或电荷俘获中心很少，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，可以抑制晶体管的阈值电压的偏移，并可以使晶体管成为常关闭(normally-off)型。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氢离子移动到栅极绝缘膜一侧并蓄积在与栅极绝缘膜的界面附近。由此，晶体管的阈值电压向负值一侧偏移。另外，在对栅电极施加负电压后，在电压O的条件下放置时，从电荷俘获中心释放正电荷，晶体管的阈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，并可以认为最小原子的氢成为最容易移动的离子。另外，在底栅型的晶体管中，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，不仅可以去除包含在氧化物半导体膜中的水或氢，而且也可去除包含在栅极绝缘膜中的水或氢。因此，在栅极绝缘膜中，用来捕获在氧化半导体膜中移动而来的正电荷的电荷俘获中心很少。像这样，由于用来对氧化物半导体膜进行脱水化或脱氢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的下层的栅极绝缘膜进行，所以在底栅型晶体管中，栅极绝缘膜可以通过利用等离子体CVD法等的CVD法而形成。另外，由于氧化物半导体膜吸收光，因光能在氧化物半导体膜中的金属元素(M)与氢原子(H)间的键合(也称为M-H键)断裂。这里，波长为400nm左右的光能和金属元素与氢原子间的键合能大致相同。当对氧化物半导体膜中的金属元素与氢元素间的键合断裂的晶体管施加负值栅极偏压时，与金属元素之间的键切断了的氢离子被引到栅极一侧，因此电荷分布发生变化，晶体管的阈值电压向负值一侧偏移而显示常通的趋势。另外，通过停止电压施加，由于晶体管的光照射和负值栅极偏压的施加而移动到栅极绝缘膜界面的氢离子返回到初始状态。这可理解为氧化物半导体膜中的离子移动的典型例。作为对于这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)的对策，最重要的是，从氧化物半导体膜彻底去除氢原子或水等包含氢原子的杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。在电荷密度为1015cm-3，或每单位面积的电荷 为IOiciCnT2的情况下，该电荷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IO15CnT3以下。当假设氧化物半导体膜所包含的氢中10%的氢在氧化物半导体膜中移动时，氢浓度优选为IO16CnT3以下。并且，为了防止在完成装置后氢从外部侵入，优选使用通过溅射法形成的氮化硅膜作为钝化膜，并覆盖晶体管。并且，通过对包含在氧化物半导体膜中的氢掺杂过剩的氧((氢原子数量)〈〈(氧自由基数量)或(氧离子数量))，可以从氧化物半导体膜中去除氢或水。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、氧离子掺杂或添加到衬底上的氧化物半导体膜中，以使在氧化物半导体膜中使氧量多于氢的量。氧的电负性是3.0，其高于电负性为2. O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氢过剩的氧，从M-H键夺取氢原子，而形成OH基。另外，该OH基可能与M键合而形成M-O-H基。另外，优选以使氧化物半导体膜的氧含量比化学计量比更过剩的方式进行氧掺杂。例如，在作为氧化物半导体膜使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体膜的情况下，优选通过氧掺杂等将氧的比率设定为超过化学计量比的I倍至2倍(小于2倍)的范围。例如，理想的In-Ga-Zn-O类氧化物半导体单晶的化学计量比是In Ga Zn :0=1 :1 :1 :4，因此在以InGaZnOx表示组成的氧化物半导体膜中，X更优选为超过4且小于8。由于光能或BT应力，氢离子从M-H键脱离而成为退化的原因，但是，在通过上述掺杂注入氧的情况下，所注入的氧与氢离子键合而成为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BT应力也不放出氢离子，而且，由于其质量比氢离子更大，所以不容易在氧化物半导体膜中移动。因此，起因于氧掺杂而形成的OH基不会成为晶体管退化的原因，或者可减小退化的原因。另外，已经确认氧化物半导体膜的膜厚度越厚，晶体管的阈值电压的不均匀性越增大的趋势。可以推测，这是因为氧化物半导体膜中的氧缺乏成为阈值电压变动的一个原因，并且其厚度越厚，氧缺乏越增加的缘故。在根据本发明的一个方式的晶体管中，对氧化物半导体膜掺杂氧的工序不仅实现从氧化物半导体膜排出氢或水，而且对膜中的氧缺乏的填补很有效。由此，根据本发明的一个方式的晶体管可以抑制阈值电压的不均匀性。
另外，隔着氧化物半导体膜设置由与氧化物半导体膜相同种类的成分构成的金属氧化物膜的结构，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相同种类的成分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金属元素的氧化物的膜。这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，可以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的金属氧化物膜作为与氧化物半导体膜接触的绝缘膜，可以抑制或防止氢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硅膜等由与氧化物半导体膜不同的 成分构成的绝缘膜的情况相比，可以充分降低对晶体管的阈值电压有影响的氧化物半导体膜界面的氢浓度。另外，作为该金属氧化物膜，优选使用氧化镓膜。氧化镓的带隙(Eg)较大，因此通过在氧化镓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，氢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。即使氢离子蓄积在与绝缘膜的界面附近，由于用作金属氧化物膜的氧化镓膜没有形成能够流动载流子的寄生沟道，所以对晶体管的阈值电压没有影响，或影响极少。另外，在氧化镓与In-Ga-Zn-O类材料接触时的能垒，在导带一侧为O. 8eV左右，在价电子带一侧为O. 9eV左右。至于根据所公开的发明的一个方式的晶体管，其技术思想在于通过氧掺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、或这些膜的界面附近中的至少
一处的氧含量。在使用包含铟的氧化物半导体材料作为氧化物半导体膜时，由于铟与氧的键合力较弱，所以在与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中含有硅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，从而可以在氧化物半导体膜的界面附近形成氧缺乏。然而，根据所公开的发明的一个方式的晶体管，通过对与氧化物半导体膜接触的绝缘膜供应过剩的氧，可以抑制因从氧化物半导体膜的氧抽出导致的氧缺乏的形成。这里，在晶体管的制造工序中进行氧掺杂处理之后，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过剩的氧量有时在各层中彼此不同。在过剩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。由此，在对绝缘膜的氧掺杂处理后，优选进行热处理。通过在氧掺杂处理后进行热处理，可以扩散对绝缘膜供应的过剩的氧，并可以将充分量的氧供应到氧化物半导体膜中。下面将研讨平衡状态下的氧分布。在某一温度T、压力P下的平衡状态是指全体系的吉布斯(Gibbs)自由能G最小的状态，并可以由如下式(I)表示全体系的吉布斯自由能G。式(I)G (Na，Nb，Nc,…，T，P)=G(1) (Na, Nb, Nc, ...，T, P) +G⑵(Na, Nb, Nc, ...，T, P) +G(3) (Na, Nb, Nc, ...，T, P)· · · · (I)在式(I)中，G(1)、G(2)、G(3)表示各层的吉布斯自由能。另外，Na、Nb、N。表示粒子数，a、b、c表示粒子的种类。粒子a从i层向j层移动δ Na )时，吉布斯自由能的变化如下面的式(2)所示那样。式(2)
权利要求
1.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤 形成栅电极层； 在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜； 以与所述栅电极层重叠的方式在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜； 对所述氧化物半导体膜进行热处理，以去除所述氧化物半导体膜中的氢原子； 以与所述氧化物半导体膜电连接的方式形成源电极层及漏电极层； 以与所述氧化物半导体膜接触的方式在所述氧化物半导体膜、所述源电极层及漏电极层上形成绝缘膜；以及 对所述绝缘膜进行氧掺杂处理，以对所述绝缘膜供应氧原子。
2.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。
3.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜；以及包含与该包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜的成分元素不同的成分元素的膜。
4.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜。
5.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。
6.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化铝的绝缘膜。
7.根据权利要求I所述的半导体装置的制造方法，其中，以覆盖所述绝缘膜的方式形成包含氮的绝缘膜。
8.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤 形成栅电极层； 在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜； 以与所述栅电极层重叠的方式在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜； 对所述氧化物半导体膜进行热处理，以去除所述氧化物半导体膜中的氢原子； 以与所述氧化物半导体膜电连接的方式形成源电极层及漏电极层； 以与所述氧化物半导体膜接触的方式在所述氧化物半导体膜、所述源电极层及漏电极层上形成绝缘膜； 对所述绝缘膜进行氧掺杂处理，以对所述绝缘膜供应氧原子；以及 在进行所述氧掺杂处理之后，进行热处理。
9.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。
10.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜；以及包含与该包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜的成分元素不同的成分元素的膜。
11.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜。
12.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。
13.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化铝的绝缘膜。
14.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中，以覆盖所述绝缘膜的方式形成包含氮的绝缘膜。
15.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤 形成栅电极层； 在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜； 以与所述栅电极层重叠的方式在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜； 对所述氧化物半导体膜进行热处理，以去除所述氧化物半导体膜中的氢原子； 以与所述氧化物半导体膜电连接的方式形成源电极层及漏电极层； 以与所述氧化物半导体膜接触的方式在所述氧化物半导体膜、所述源电极层及漏电极层上形成绝缘膜；以及 对所述绝缘膜进行氧掺杂处理，以对所述绝缘膜供应氧原子，从而所述绝缘膜中的氧含量高于所述绝缘膜的化学计量比。
16.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。
17.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜；以及包含与该包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜的成分元素不同的成分元素的膜。
18.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜。
19.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。
20.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化铝的绝缘膜。
21.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，以覆盖所述绝缘膜的方式形成包含氮的绝缘膜。
22.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中，所述绝缘膜中的氧含量小于所述绝缘膜的化学计量比的4倍。
全文摘要
在具有氧化物半导体膜的底栅结构晶体管的制造工序中，进行由热处理的脱水化或脱氢化处理以及氧掺杂处理。具有经过由热处理的脱水化或脱氢化处理的氧化物半导体膜且受到氧掺杂处理的晶体管可以减小晶体管在偏压-热应力试验(BT试验)的前后的阈值电压的变化量，从而可以实现具有稳定电特性的可靠性高的晶体管。
文档编号H01L51/50GK102859704SQ20118002039
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月5日 优先权日2010年4月23日
发明者山崎舜平 申请人:株式会社半导体能源研究所