半导体装置的制造方法
【专利说明】半导体装置的制造方法
[0001]本分案申请是基于申请号为201080029505.0 (国际申请号为PCT/JP2010/060699)，申请日为2010年6月17日，发明名称为“半导体装置的制造方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种包括氧化物半导体的半导体装置的制造方法。
【背景技术】
[0003]近年来，使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜(厚度约为几nm至几百nm)来制造薄膜晶体管(TFT)的技术受到关注。薄膜晶体管被广泛地应用于如IC或电光装置那样的电子器件，尤其是对作为图像显示装置中的开关元件的薄膜晶体管的研究开发日益火热。
[0004]金属氧化物的种类繁多且用途广泛。氧化铟为众所周知的材料，并且其被用作液晶显示器等所需要的透明电极材料。
[0005]一些金属氧化物具有半导体特性。具有半导体特性的金属氧化物例如包括氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化锌等，并且分别使用这些具有半导体特性的金属氧化物形成沟道形成区的薄膜晶体管已经是众所周知的(参照专利文献I至4、非专利文献I)。
[0006]另外，作为金属氧化物，不仅已知一元氧化物，还有多元氧化物。例如，作为包含In、Ga及Zn的多元氧化物半导体,具有同系物(homologous series)的InGaO3 (ZnO)m(m:自然数)是众所周知的(参照非专利文献2至4)。
[0007]并且，已经确认到可以将上述的包括In-Ga-Zn类氧化物的氧化物半导体用于薄膜晶体管的沟道层(参照专利文献5、非专利文献5及6)。
[0008][参考文献]
[0009][专利文献]
[0010][专利文献I]日本专利申请公开昭60-198861号公报
[0011][专利文献2]日本专利申请公开平8-264794号公报
[0012][专利文献3]PCT国际申请日本公表平11-505377号公报
[0013][专利文献4]日本专利申请公开2000-150900号公报
[0014][专利文献5]日本专利申请公开2004-103957号公报
[0015][非专利文献]
[0016][非专利文献 1]M.ff.Prins, K.0.Grosse-Holz, G.Muller, J.F.M.Ci I lessen, J.B.Giesbersj R.P.Weening, and R.M.Wolf, 〃A ferroelectric transparent thin-filmtransistor〃(透明铁电薄膜晶体管)，Appl.Phys.Lett.，17 June 1996，Vol.68p.3650-3652
[0017][非专利文献 2]Μ.Nakamura, N.Kimizukaj and Τ.Mohrij "The Phase Relat1nsin the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350°C 〃(In2O3-Ga2ZnO4-ZnO类在 1350°C 时的相位关系)，J.Solid State Chem.，1991，Vol.93，p.298-315
[0018][非专利文献 3]N.Kimizuka, M.1sobe, and M.Nakamura, "Synthesesand Single-Crystal Data of Homologous Compounds, In2O3 (ZnO)m (m = 3,4,and5)，InGaO3 (ZnO) 3, and Ga2O3 (ZnO) m (m = 7, 8, 9, and 16) in the In2O3-ZnGa2O4-ZnOSystem"(同系物的合成和单晶数据，In2O3-ZnGa2O4-ZnO类的In2O3 (ZnO)m(m=3，4，5)，InGaO3(ZnO)3,以及 Ga2O3 (ZnO) = 7, 8, 9, 16)), J.Solid StateChem.，1995，Vol.116，p.170-178
[0019][非专利文献 4]M.Nakamura, N.Kimizuka, T.Mohri, and M.1sobe, "Synthesesand crystal structures of new homologous compounds, indium iron zincoxides (InFe03 (ZnO)m) (m:natural number) and related compounds"(新同系物、铟铁锋氧化物(InFeO3(ZnO)ni) (m为自然数)及其相关化合物的合成以及晶体结构)，固体物理(SOLID STATE PHYSICS)，1993，Vol.28，N0.5，p.317-327
[0020][非专利文献 5] K.Nomura, H.0hta, K.Ueda, T.Kamiya, M.Hirano, andH.Hosono, 〃Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparentoxide semiconductor〃(在单晶透明氧化物半导体中制造的薄膜晶体管)，SCIENCE, 2003, Vol.300，ρ.1269-1272
[0021][非专利文献 6] K.Nomura, H.0hta, A.Takagi, T.Kamiya, M.Hirano, andH.Hosono,〃Room-temperature fabricat1n of transparent flexible thin-filmtransistors using amorphous oxide semiconductors〃(在室温下制造使用非晶氧化物半导体的透明柔性薄膜晶体管)，NATURE, 2004, Vol.432 p.488-492
【发明内容】
[0022]本发明的一个目的是制造并提供包括具有稳定的电特性的薄膜晶体管的高可靠性的半导体装置。
[0023]在如下半导体装置的制造方法中，进行加热处理(用于脱水化或脱氢化的加热处理)，以便提高氧化物半导体层的纯度并减少例如水分的杂质，该半导体装置包括使用氧化物半导体层形成包括沟道形成区的半导体层、源极区及漏极区的薄膜晶体管。另外，不仅减少了存在于氧化物半导体层中的水分等杂质，而且减少了存在于栅极绝缘层内的水分等杂质，并且还减少了存在于氧化物半导体层与设置在氧化物半导体层上下并与其接触的膜之间的界面中的水分等杂质。
[0024]在本说明书中，将用于包括沟道形成区的半导体层的氧化物半导体膜称为第一氧化物半导体膜(第一氧化物半导体层)，而将用于源极区及漏极区的氧化物半导体膜称为第二氧化物半导体膜(第二氧化物半导体层)。
[0025]为了减少水分等杂质，在形成第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜之后，在氮或稀有气体(氩或氦等)的惰性气体气氛下或在减压下以第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜露出的状态进行200°C以上，优选是400°C以上且600°C以下的加热处理。由此减少了第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜中所包含的水分。在加热之后，在氧气氛下，在室温以上且低于100°C的范围内，对氧化物半导体膜进行缓慢冷却。
[0026]通过使用其中通过在氮或氩的惰性气体气氛下或减压下的加热处理来减少水分的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，提高了薄膜晶体管的电特性并实现了具备高生产率和高性能二者的薄膜晶体管。
[0027]图29示出在不同的加热温度的条件下，在氮气氛下，使用热脱附谱装置对进行加热处理的多个样品进行热脱附谱(TDS:Thermal Desorpt1n Spectroscopy)测量的结果。
[0028]热脱附谱装置是使用四极质谱计检测并识别当在高真空中对样品进行加热并且其温度升高时从样品脱离或产生的气体成分的装置。通过热脱附谱可以观察到从样品表面或内部脱离的气体及分子。使用ESCO Ltd.制造的热脱附谱装置(产品名称:EMD-WA1000S)。关于测量条件，将升温速率设定为约10°C /分钟，将SEM电压设定为1500V，停留时间(dwell time)为0.2 (秒)，所使用的通道数为23。另外，在测量中，压力处于约lX10_7(Pa)的真空度。应当指出，将H2O的电离系数设定为1.0，将!120的破碎系数(fragmentat1n coefficient)设定为 0.805,将 H2O 的传达系数(pass-throughcoefficient)设定为 1.56,将 H2O 的抽运速率(pumping rate)设定为 1.0。
[0029]图29是示出对!120的TDS测量结果的图，其中对如下样品进行比较:在玻璃衬底上形成厚度是50nm的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的样品(样品I);在氮气氛下在250°C进行I小时的加热处理的样品(样品4);在氮气氛下在350°C进行I小时的加热处理的样品(样品3);在氮气氛下在450°C进行I小时的加热处理的样品(样品5);以及在氮气氛下在350°C进行10小时的加热处理的样品(样品6)。图29的结果表明:在氮气氛下，加热温度越高，诸如从In-Ga-Zn-O类非单晶膜中脱离的水分(H2O)的杂质越减少。
[0030]另外，在图29的图表中，可以在200°C至250°C附近观察到示出水分(H2O)等杂质脱离的第一峰值，并且可以在300°C以上观察到示出水分(H2O)等杂质脱离的第二峰值。
[0031]应当指出，即使将在氮气氛下进行了 450°C的加热处理的样品在室温的大气中放置I周左右也观察不到在200°C以上脱离的水分。因此，可知通过加热处理In-Ga-Zn-O类非单晶膜被稳定化。
[0032]另外，除了 H20之外对H、0、0H、H2、02、N、N2及Ar中的每一个执行TDS测量。对于Η20、Η、0以及OH中的每一个，可以清楚地观察到峰值，但是对于Η2、02、Ν、Ν2& Ar观察不到。每个样品具有这样的结构，其中在玻璃衬底上以50nm的厚度形成In-Ga-Zn-O类非单晶膜，并且加热条件被如下设置:在氮气氛下以250°C持续I小时、在氮气氛下以350°C持续I小时、在氮气氛下以350°C持续10小时、以及在氮气氛下以450°C持续I小时。作为比较例，对玻璃衬底自身以及未执行加热处理的In-Ga-Zn-O类非单晶膜中的每一个进行测量。图30、图31和图32分别示出对Η、0、0Η和HJ^TDS测量的结果。注意，上述加热条件下的氮气氛中的氧密度是20ppm或更低。
[0033]根据上述结果发现水分主要通过In-Ga-Zn-O类非单晶膜的加热处理放出。换言之，主要由加热处理引起水分(H2O)从In-Ga-Zn-O类非单晶膜的脱离，并且水分子分解而产生的产物影响到分别在图30、图31和图32所示的针对H、0和OH的TDS测量值。注意，In-Ga-Zn-O类非单晶膜被认为包含氢和0H，所以通过热处理也放出氢、0H。
[0034]在本说明书中，将氮或稀有气体(氩或氦等)的惰性气体气氛下或在减压下的加热处理称为用于脱水化或脱氢化的加热处理。在本说明书中，“脱氢化”不只指通过加热处理去除H2,而为了方便起见“脱水化或脱氢化”还指去除H、OH等。
[0035]在惰性气体气氛下通过加热处理减少包含在氧化物半导体层中的杂质(Η20、Η或OH等)从而提高载流子浓度之后，在氧气氛下执行缓慢冷却。在缓慢冷却之后，例如，形成与氧化物半导体层接触的氧化物绝缘膜；从而降低氧化物半导体层的载流子浓度，并且因此提闻可罪性。
[0036]通过在氮气氛下的加热处理减小第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜的电阻(载流子浓度被提高，优选地，到IX 11Vcm3或更高)。从而，可以形成各自电阻被减小的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜。通过蚀刻步骤处理各自电阻被减小的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，以便形成第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层，并且通过蚀刻步骤进一步处理，以便形成半导体层、源极区及漏极区。
[0037]然后，与电阻被减小的第一氧化物半导体层接触地形成氧化物绝缘膜，从而在电阻被减小的第一氧化物半导体层中，与氧化物绝缘膜接触的至少一个区域的电阻被提高(载流子浓度被降低，优选地，到低于IXlO1Vcm3);从而可以形成电阻被提高的氧化物半导体区域。在半导体装置的制造工艺中，通过在惰性气体气氛下(或者在减压下)加热、在氧气氛下的缓慢冷却、氧化物绝缘膜的形成等来提高或降低第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜的载流子浓度是重要的。换言之，对i型的第一氧化物半导体膜以及i型第二氧化物半导体膜进行用于脱水化或脱氢化的加热处理，以便成为氧缺乏型，即，η型(诸如，ιΓ或η +型)氧化物半导体膜，然后形成氧化物绝缘膜，从而第一氧化物半导体层成为过氧类型，即，i型氧化物半导体层。因此，可以制造和提供包括具有满意的电特性的高可靠性薄膜晶体管的半导体装置。
[0038]注意，使用阻挡诸如水分、氢离子和0H—的杂质的无机绝缘膜，作为与电阻被降低的第一氧化物半导体层接触地形成的氧化物绝缘膜。具体地，使用氧化硅膜或氮氧化硅膜。
[0039]另外，在该半导体层以及源极区及漏极区上形成作为保护膜的氧化物绝缘膜之后，可以执行第二加热。当在半导体层和源极区及漏极区上形成作为保护膜的氧化物绝缘膜之后执行第二加热时，可以降低薄膜晶体管的电特性的变化。
[0040]在本说明书所公开的发明的结构的一个实施例中，形成栅极电极层；在栅极电极层上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜；加热第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜以便脱水或脱氢，然后在氧气氛下缓慢冷却；选择性蚀刻在氧气氛下缓慢冷却的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，以便形成第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层；在第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层上形成导电膜；选择性蚀刻第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层、导电膜以便形成半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层；在栅极绝缘层、半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层上形成与半导体层的一部分接触的氧化物绝缘膜，以降低载流子浓度。
[0041]在本说明书所公开的发明的结构的另一个实施例中，形成栅极电极层；在栅极电极层上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜；在惰性气体气氛下加热第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，从而提高载流子浓度，并且然后在氧气氛下进行缓慢冷却；选择性蚀刻在氧气氛下被缓慢冷却的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，以便形成第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层；在第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层上形成导电膜；选择性蚀刻第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层、导电膜，以便形成半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层；在栅极绝缘层、半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层上形成与半导体层的一部分接触的氧化物绝缘膜，以便降低载流子浓度。
[0042]在本说明书所公开的发明的结构的另一个实施例中，形成栅极电极层；在栅极电极层上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜；在减压下加热第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，从而提高载流子浓度，然后在氧气氛下缓慢冷却；选择性蚀刻在氧气氛下被缓慢冷却的第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜，以便形成第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层；在第一氧化物半导体层以及第二氧化物半导体层上形成导电膜；选择性蚀刻第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层、导电膜，以便形成半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层；以及在栅极绝缘层、半导体层、源极区、漏极区、源极电极层及漏极电极层上形成与半导体层的一部分接触的氧化物绝缘膜，以降低载流子浓度。
[0043]对于可以用作半导体层、源极区及漏极区的氧化物半导体层，可以使用具有半导体特性的氧化物材料。例如，形成以InMO3(ZnO) m (m>0)表示的薄膜,并且制造使用这些薄膜作为半导体层、源极区及漏极区的薄膜晶体管。注意，M表示选自Ga、Fe、N1、Mn及Co中的一种金属元素或多种金属元素。例如，M在某些情况下代表Ga ;同时，在其它情况下，M还代表除了 Ga之外的上述金属元素，诸如Ni或Fe (Ga和Ni或Ga和Fe)。此外，除了作为M包括的金属元素之外，上述氧化物半导体可以包括Fe或N1、另一种过渡金属元素或该过渡金属的氧化物作为杂质元素。在本说明书中，在组成式以InMO3(ZnO)ni(IiiX))表示的氧化物半导体中，将包括Ga作为M的氧化物半导体称为In-Ga-Zn-O类氧化物半导体，并且还将In-Ga-Zn-O类氧化物半导体的薄膜称为In-Ga-Zn-O类非单晶膜。
[0044]作为应用于氧化物半导体层的氧化物半导体，除了可以使用上述之外，还可以应用下列氧化物半导体中的任意一种: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、Sn-Al-Zn-O类氧化物半导体、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、In-O类氧化物半导体、Sn-O类氧化物半导体、以及Zn-O类氧化物半导体。另外，上述氧化物半导体层可以包含氧化硅。在制造工艺中在形成氧化物半导体层之后执行加热处理的情况下，包括在氧化物半导体层内的阻碍结晶的氧化硅(Si0x(X>0))可以抑止氧化物半导体层的结晶。注意，氧化物半导体层优选是非晶状态的，但是氧化物半导体层可以部分地结晶。
[0045]氧化物半导体层优选是含有In的氧化物半导体，更优选地，是含有In及Ga的氧化物半导体。为了获得I型(本征)氧化物半导体，脱水化或脱氢化是有效的。
[0046]另外，用作薄膜晶体管的源极区及漏极区的氧化物半导体层(也称为n+层或缓冲层)优选地具有比用作沟道形成区的氧化物半导体层高的传导率(导电率)。
[0047]因为静电等容易损坏薄膜晶体管，优选地在用于栅极线或源极线的相同衬底上设置用来保护驱动电路的保护电路。优选地使用包括氧化物半导体的非线性元件形成保护电路。
[0048]栅极绝缘层、第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜可被连续处理(也称为连续处理、原位(insitu)处理、连续成膜)而不暴露于大气。通过连续处理而不暴露于大气，可以形成叠层之间的每个界面，即，栅极绝缘层、第一氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜的界面，而不被诸如水或烃的大气成分或悬浮在大气中的杂质元素污染。从而，可以降低薄膜晶体管的特性的变化。
[0049]注意，在本说明书中，术语“连续处理”是指在从使用PCVD法或溅射法的第一处理步骤到使用PCVD法或溅射法的第二处理步骤的处理过程中，将被处理的衬底被放置在其中的气氛不被诸如大气的污染物气氛污染，并且恒定地被控制为是真空或惰性气体气氛(氮气氛或稀有气体气氛)。通过连续处理，可以在防止水分等再次附着到待处理的清洁后的衬底上的同时执行诸如成膜的处理。
[0050]在相同处理室内执行从第一处理步骤到第二处理步骤的处理在本说明书中的连续处理的范围内。
[0051]另外，下列也在本说明书中的连续处理的范围内:在不同处理室中执行从第一处理步骤到第二处理步骤的处理的情况下，在第一处理步骤之后，衬底被在不暴露于大气的情况下传送到另一个处理室，并且进行第二处理。
[0052]注意，可以在第一处理步骤和第二处理步骤之间提供衬底传送步骤、对准步骤、缓慢冷却步骤、将衬底加热或冷却到第二处理步骤所需的温度的步骤等。这种处理也在本说明书中的连续处理的范围。
[0053]可以在第一处理步骤和第二处理步骤之间提供使用液体的步骤，诸如清洗步骤、湿蚀刻或抗蚀剂形成。这种情况不在本说明书中的连续处理的范围内。
[0054]注意，为方便起见在本说明书中使用诸如“第一”、“第二”的序号，但序号不表示步骤的顺序或层的堆叠顺序。另外，本说明书中的序号不表示指定本发明的特定名称。
[0055]另外，作为包括驱动电路的显示装置，除了液晶显示装置之外，可以给出包括发光元件的发光显示装置和包括电泳显示元件的显示装置，包括电泳显示元件的显示装置也被称为电子纸。
[0056]在包括发光元件的发光显示装置中，在像素部分中包括多个薄膜晶体管，而且在像素部分中，存在薄膜晶体管的栅极电极连接到另一个薄膜晶体管的源极布线或漏极布线的区域。此外，在包括发光元件的发光显示装置的驱动电路中，存在薄膜晶体管的栅极电极连接到该薄膜晶体管的源极布线或漏极布线的区域。
[0057]在本说明书中，半导体装置一般指可以通过利用半导体特性发挥其功能的装置，并且光电装置、半导体电路及电子仪器都是半导体装置。
[0058]可以制造并提供具有稳定电特性的薄膜晶体管。因此，可以提供包括具有满意电特性的高可靠性薄膜晶体管的半导体装置。
【附图说明】
[0059]在附图中:
[0060]图1A至图1C示出了用于制造半导体装置的方法；
[0061]图2A和图2B示出了用于制造半导体装置的方法；
[0062]图3A和图3B示出了半导体装置；
[0063]图4A至图4C示出了用于制造半导体装置的方法；
[0064]图5A至图5C示出了用于制造半导体装置的方法；
[0065]图6A和图6B示出了用于制造半导体装置的方法；
[0066]图7示出了半导体装置；
[0067]图8A1、8A2、8B1和图8B2示出了半导体装置；
[0068]图9示出了半导体装置；
[0069]图10A1、10A2和1B示出了半导体装置；
[0070]图1lA和图1lB示出了半导体装置；
[0071]图12示出了半导体装置的像素等效电路；
[0072]图13A至图13C示出了半导体装置；
[0073]图14A和图14B半导体装置的框图；
[0074]图15示出了信号线驱动电路的配置；
[0075]图16是示出了信号线驱动电路的操作的时序图；
[0076]图17是示出了信号线驱动电路的操作的时序图；
[0077]图18示出了移位寄存