专利名称：半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及一种半导体装置及其制造方法，所述半导体装置包括作为元件至少具有诸如晶体管的半导体元件的电路。例如，本发明的实施方式涉及电子设备，作为构件其包括下列中的任意:安装在电源电路中的功率器件；包括存储器、闸流晶体管、转换器、图像传感器等的半导体集成电路；典型为液晶显示装置的电光装置；以及包括发光元件的发光显示装置。注意，本说明书中的半导体装置是指可通过利用半导体特性而作用的所有装置，并且光电装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
背景技术：
通常使用非晶硅、多晶硅等来制造形成在玻璃衬底等上的晶体管，这在液晶显示装置中很常见。虽包括非晶硅的晶体管具有低场效应迁移率，但可在大玻璃衬底上形成它们。另一方面，虽使用多晶硅所制造的晶体管具有高场效应迁移率，但其有不适合于大玻璃衬底的缺点。有鉴于上述，一种技术受到关注，即通过使用氧化物半导体制造晶体管，且将这种晶体管应用于电子设备或光学装置。例如，专利文献I及专利文献2公开一种技术，其中使用氧化锌或In-Ga-Zn-O类氧化物作为氧化物半导体来制造晶体管并使用这种晶体管作为显示装置的像素的开关元件 等。针对用于这种晶体管中的氧化物半导体，有如下说明:氧化物半导体对杂质不敏感；当膜中含有大量金属杂质时没有问题；并且，也可使用含有如钠的大量碱金属且不贵的钠钙玻璃(参见非专利文献I)。[参考文献]
[专利文献I]日本公开专利申请第2007-123861号；
[专利文献2]日本公开专利申请第2007-096055号；
[非专利文献]
[非专利文献 I] Kamiya, Nomura, and Hosono, “Carrier Transport Propertiesand Electronic Structures of Amorphous Oxide Semiconductors: The presentstatus”， KOTAI BUTSURI (SOLID STATE PHYSICS), 2009， Vol.44， pp.621-633。
发明内容
当将成为供应载流子的来源的氢或水分在制造装置的工序中进入氧化物半导体时，氧化物半导体的导电率会改变。这种现象导致使用氧化物半导体的晶体管的电气特性的变动。此外，可能会因可见光或紫外光的照射而改变使用氧化物半导体的半导体装置的电气特性。有鉴于上述问题，一个目的是提供一种包括氧化物半导体膜的半导体装置，其具有稳定电气特性及高可靠性。此外，另一目的是提供一种半导体装置的制造过程，其中通过使用大型衬底如母玻璃能够实现高可靠性半导体装置的批量生产。本发明的一个方式的主要点为在一个溅射步骤中以下列方式形成结晶氧化物半导体膜而不用进行多个步骤。通过利用包括在氧化物半导体的靶材中的多种原子的原子量的差异，在氧化物绝缘膜上优先淀积具有低原子量的锌以在被形成的膜的表面上至少形成包含锌的具有六角形晶体结构的种晶；并且在晶体生长的同时在种晶上淀积具有高原子量的锡、铟等。注意，包含锌的种晶不仅形成在被形成的膜的表面上，且可形成在与氧化物绝缘膜的界面中。此外，通过使用具有包含锌的六角形晶体结构的种晶作为核来进行晶体生长以形成结晶氧化物半导体膜，从而形成单晶氧化物半导体膜或实质上单晶氧化物半导体膜，其为本发明的一个方式的另一主要点。此外，本发明的一个方式的另一主要点在于使用具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜来形成晶体管。以下列方式形成结晶氧化物半导体膜。在形成于衬底上的氧化物绝缘膜上通过溅射方法形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶，且使用种晶作为核进行晶体生长。在250°C以上且350°C以下在氧气氛中进行第一热处理的同时通过溅射方法形成结晶氧化物半导体膜。因此，在处理室中进行第一热处理。在用于淀积的溅射设备中，将靶材与物质之间的距离设定为能够使具有低原子量的元素优先到达衬底的表面的距离。结果，在氧化物绝缘膜上优先淀积锌，并且使已淀积的锌氧化，从而形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶，典型为具有包括氧化锌的六角形晶体结构的种晶。因此，能够形成从氧化物绝缘膜的表面生长的种晶。此外，通过连续进行溅射，使用具有包含锌的六角形晶体结构作为核来进行晶体生长，所以能够形成具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜。在这种具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜中，在与形成膜的衬底表面平行的a-b面中形成用于形成六角形晶格的键，且c轴与和a-b面实质上平行的衬底的平表面实质上垂直。在a-b面中形成用于形成六角形晶格的键且c轴与衬底的平表面垂直的具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜中，晶体结构的有序性很高。
图17为该结晶氧化物半导体膜的平面TEM图像。图18显示图17的放大图像的一部分，其中由白线围绕原子以方便了解六角形晶格。包括这种结晶氧化物半导体膜的晶体管具有稳定的电气特性及高可靠性。将在下面描述包括结晶氧化物半导体膜的晶体管的高可靠性的一个原因。结晶氧化物半导体比非晶氧化物半导体具有金属与氧之间的键(-Μ-0-Μ-，其中O代表氧原子且M代表金属原子)的更高的有序性。换言之，在氧化物半导体具有非晶结构的情况中，配位数会根据金属原子的种类而变。相反地，在结晶氧化物半导体的情况中，配位数实质上一致。据此，可减少微观氧缺损，且可减少在后述“空间”中氢原子(包括氢离子)或碱金属原子的附着或脱离所致的不稳定性及电荷转移。另一方面，在非晶结构的情况中，由于配位数随金属原子的种类而变，金属原子或氧原子的浓度可能为微观上不均匀且可能有不存在原子的某些部分(“空间”)。在这种“空间”中，例如，捕捉氢原子(包括氢离子)或碱金属原子，且在一些情况中，键合到氧。此外，这些原子可能移动通过这种“空间”。原子的这种移动会导致氧化物半导体的特性的变动，且因此这种原子的存在导致可靠性的显著问题。尤其，通过高电场或光能的施加导致原子的这种移动；因此，当在这种条件下使用氧化物半导体时，其特性不稳定。亦即，非晶氧化物半导体的可靠性劣于结晶氧化物半导体的可靠性。此后，将使用对晶体管(样品I及样品2)实际获得的结果来描述可靠性的差异。注意，实际获得并在下面描述的样品2包括通过在200°C的膜形成温度形成第一材料膜并接着在氮气氛中在450°C进行加热并且通过在200°C的膜形成温度形成第二材料膜并接着在干燥空气气氛中在450°C进行加热所得的结晶氧化物半导体膜。样品2包括包括相同材料的第一及第二材料膜的结晶氧化物半导体膜；不用说当第一及第二材料膜包括不同材料时也同样适用。用于对照的样品I包括通过在650°C以RTA加热单层材料膜并接着在干燥空气气氛中在450 V进行加热所得的结晶氧化物半导体膜。作为检测可靠性的方法，测量晶体管的Id-Vg曲线，这是通过在以光照射晶体管的同时改变晶体管的栅电极与源电极之间的电压(Vg)时测量晶体管的漏电极与源电极之间的电流(Id)而得到的。在包括氧化物半导体膜的晶体管中，当进行-BT测试时，亦即，当以光照射晶体管的同时施加负栅极应力时，导致晶体管的阈值电压发生变化的劣化。该劣化也称为负偏压温度应力光劣化。在图19中显不样品I及2中的负偏压温度应力光劣化。在图19中，样品2中的Vth的改变量小于样品I中的Vth的改变量。接着，测量在以光(波长:400nm，照射强度:3.5mff/cm2)照射600秒之前与之后的样品I的晶体管(L/ff=3 μ m/50 μ m)的光响应特性。图20A为依据测量结果所作的光响应特性的图(光电流时间依赖性的图)。注意，源极-漏极电压(Vd)为0.1V。此外，测量在以光(波长:400nm，照射强度:3.5mff/cm2)照射600秒之前与之后的样品2的晶体管(L/ff=3 μ m/50 μ m)的光响应特性。图20B为依据测量结果所作的光响应特性的图(光电流时间依赖性的图)。此外，对在与样品2相同制造条件下形成且具有较大W宽度(L/W=30 μ m/10000 μ m)的晶体管以及在与样品2相同制造条件下形成具有较大W宽度且供应有较高Vd (Vd=15V)的晶体管进行测量。接着，对测量结果进行拟合，以获得两种弛豫时间(τ I及τ 2)。其计算结果及最大电流值(Imax)显示在表I中。
权利要求
1.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤: 在衬底上形成氧化物绝缘膜； 在所述氧化物绝缘膜上通过溅射方法形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶；使用所述种晶作为核来进行晶体生长以形成具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜； 对所述结晶氧化物半导体膜进行热处理； 在所述热处理之后蚀刻所述结晶氧化物半导体膜； 在所述蚀刻步骤之后在所述结晶氧化物半导体膜上形成一对电极； 在所述结晶氧化物半导体膜及所述一对电极上形成栅极绝缘膜；以及 在所述栅极绝缘膜上形成栅电极。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中具有包含锌的六角形结构的所述种晶为氧化锌。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中当在200°C以上且400°C以下的温度加热所述衬底的同时形成所述结晶氧化物半导体。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中包括在所述种晶中的所述晶体或包括在所述结晶氧化物半导体膜中的所述晶体具有与所述衬底的平表面实质上垂直的c轴。
5.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述热处理的温度为释放包括在所述结晶氧化物半导 体膜中的氢的温度。
6.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤: 在衬底上形成氧化物绝缘膜； 在所述氧化物绝缘膜上形成一对电极； 在所述氧化物绝缘膜及所述一对电极上通过溅射方法形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶； 使用所述种晶作为核来进行晶体生长以形成具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜； 对所述结晶氧化物半导体膜进行热处理； 在所述热处理之后蚀刻所述结晶氧化物半导体膜； 在所述蚀刻步骤之后在所述结晶氧化物半导体膜上形成栅极绝缘膜；以及 在所述栅极绝缘膜上形成栅电极。
7.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中具有包含锌的六角形结构的所述种晶为氧化锌。
8.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中当在200°C以上且400°C以下的温度加热所述衬底的同时形成所述结晶氧化物半导体。
9.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中包括在所述种晶中的所述晶体或包括在所述结晶氧化物半导体膜中的所述晶体具有与所述衬底的平表面实质上垂直的c轴。
10.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中所述热处理的温度为释放包括在所述结晶氧化物半导体膜中的氢的温度。
11.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤: 在衬底上形成栅电极； 在所述栅电极上形成包括氧化物绝缘膜的栅极绝缘膜； 在所述栅极绝缘膜上通过溅射方法形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶； 使用所述种晶作为核来进行晶体生长以形成具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜； 对所述结晶氧化物半导体膜进行热处理； 在所述热处理之后蚀刻所述结晶氧化物半导体膜；以及 在所述蚀刻步骤之后在所述结晶氧化物半导体膜上形成一对电极。
12.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其中具有包含锌的六角形结构的所述种晶为氧化锌。
13.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其中当在200°C以上且400°C以下的温度加热所述衬底的同时形成所述结晶氧化物半导体。
14.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其中包括在所述种晶中的所述晶体或包括在所述结晶氧化物半导体膜中的所述晶体具有与所述衬底的平表面实质上垂直的c轴。
15.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其中所述热处理的温度为释放包括在所述结晶氧化物半导体膜中的氢的温度。
16.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤: 在衬底上形成栅电极； 在所述栅电极上形成包括氧化物绝缘膜的栅极绝缘膜； 在所述栅极绝缘膜上形成一对电极； 在所述栅极绝缘膜及所述一对电极上通过溅射方法形成具有包含锌的六角形晶体结构的种晶； 使用所述种晶作为核来进行晶体生长以形成具有六角形晶体结构的结晶氧化物半导体膜；以及 对所述结晶氧化物半导体膜进行热处理。
17.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中具有包含锌的六角形结构的所述种晶为氧化锌。
18.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中当在200°C以上且400°C以下的温度加热所述衬底的同时形成所述结晶氧化物半导体。
19.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中包括在所述种晶中的所述晶体或包括在所述结晶氧化物半导体膜中的所述晶体具有与所述衬底的平表面实质上垂直的c轴。
20.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中所述热处理的温度为释放包括在所述结晶氧化物半导体膜中的氢的温度。
全文摘要
一目的在于制造包括氧化物半导体膜的半导体装置，其具有稳定电气特性及高可靠性。以如下方法形成结晶氧化物半导体膜而不用进行多个步骤通过利用包括在氧化物半导体靶材中的多种原子的原子量的差异，在氧化物绝缘膜上优先淀积具有低原子量的锌以形成包含锌的种晶；并且在进行晶体生长的同时淀积具有高原子量的锡、铟等。此外，通过使用包含锌的具有六角形晶体结构的种晶作为核来进行晶体生长以形成结晶氧化物半导体膜，从而形成单晶氧化物半导体膜或实质上单晶氧化物半导体膜。
文档编号H01L29/786GK103155121SQ20118004398
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月5日 优先权日2010年9月13日
发明者山崎舜平, 野中裕介, 井上卓之, 津吹将志, 秋元健吾, 宫永昭治 申请人:株式会社半导体能源研究所