半导体器件及其制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年11月17日、申请号为"201080056035. 7"、发明名称为 "半导体器件及其制造方法"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 所公开的本发明的技术领域涉及包含氧化物半导体的半导体器件以及该半导体 器件的制造方法。注意，此处，半导体器件是指通过利用半导体特性而起作用的通用元件和 器件。
【背景技术】
[0003] 场效应晶体管是最广泛被使用的半导体元件之一。根据晶体管的用途，各种材料 被用于场效应晶体管。特定地，包含硅的半导体材料经常被使用。
[0004] 包含硅的场效应晶体管具有满足各种用途的需要的特性。例如，单晶硅被用于需 要以高速操作的集成电路等，藉此满足需要。进一步，非晶硅被用于需要大面积的对象，诸 如显示设备，藉此可满足需要。
[0005] 如上所述，硅是高度通用的且可被用于各种目的。然而，近年来，半导体材料已经 变得被期待具有更高的性能以及通用性。例如，在改进大面积显示设备的性能方面，为了实 现开关元件的高速操作，需要有助于增加显示设备面积且相比非晶硅表现出更高性能的半 导体材料。
[0006] 在这样的条件下，包含氧化物半导体的场效应晶体管（也被称为FET)的技术已经 引起了注意。例如，专利文献1公开了包含同系化合物InM0 3(Zn0)m(M是111、？6、6&、或八1， 且m是大于或等于1且小于50的整数）的透明薄膜场效应晶体管。
[0007] 此外，专利文献2公开了其中使用包含In、Ga和Zn且具有小于IO1Vcm 3的电子载 流子密度的非晶氧化物半导体的场效应晶体管。注意，在这个专利文献中，非晶氧化物半导 体中In原子与Ga原子和Zn原子的比值为I: I :m(m < 6)。
[0008] 进一步，专利文献3公开了为活性层使用其中包含微晶的非晶氧化物半导体的场 效应晶体管。
[0009] [参考文献]
[0010] [专利文献1]日本公开专利申请No. 2004-103957
[0011] [专利文献2] PCT国际公开No. 05/088726
[0012] [专利文献3]日本公开专利申请No. 2006-165529
【发明内容】
[0013] 专利文献3公开了处于非晶状态的组合物是InGaO3(ZnO)niOiI是小于6的整数）。 进一步，专利文献3在示例1中公开了 InGaO3(ZnO)4的情况。然而，实际上，即使在使用了 这样的氧化物半导体的情况下也没有获得充足的特性。
[0014] 考虑到上述问题，目的是提供具有其中使用了具有新颖结构的氧化物半导体层的 新颖结构的半导体器件。
[0015] 在所公开的本发明的实施例中，使用被纯化且包括结晶区的氧化物半导体层而形 成半导体器件。结晶区是，例如，具有电各向异性的区域或防止杂质进入的区域。
[0016] 例如可采用以下结构。
[0017] 所公开的本发明的实施例是半导体器件，其包括氧化物半导体层，该氧化物半导 体层包含位于绝缘表面上的结晶区、与该氧化物半导体层相接触的源电极层和漏电极层、 覆盖该氧化物半导体层、该源电极层、以及该漏电极层的栅绝缘层、以及在栅绝缘层上与结 晶区相交迭的区域中的栅电极层。结晶区包括其C-轴与基本垂直于氧化物半导体层的表 面的方向对齐的晶体。注意，在本说明书等中，"基本垂直"意味着相对于垂直方向在± 1 〇 ° 范围内。
[0018] 所公开的本发明的另一个实施例是半导体器件，其包括位于绝缘表面上的第一栅 电极层、覆盖该第一栅电极层的第一栅绝缘层、包含位于该第一栅绝缘层上结晶区的氧化 物半导体层、与该氧化物半导体层相接触的源电极层和漏电极层、覆盖该氧化物半导体层、 源电极层、以及漏电极层的第二栅绝缘层、以及位于第二栅绝缘层上与该结晶区相交迭的 区域中的第二栅电极层。结晶区包括其C-轴与基本垂直于氧化物半导体层的表面的方向 对齐的晶体。
[0019] 此外，可在源电极层和漏电极层上提供具有与源电极层和漏电极层基本一样的形 状的绝缘层。注意，在本说明书等中，表述"基本一样"或"基本是一样"并不必然意味着在 严格意义上严格地一样且可意味着被认为是一样的。例如，由单个蚀刻工艺造成的差异是 可接受的。进一步，厚度并不需要是一样的。
[0020] 此外，源电极层和漏电极层与氧化物半导体层接触的一部分可包括具有低氧亲和 力。
[0021] 氧化物半导体层中结晶区以外的区域（如，沟道形成区以外的区域）可具有非晶 结构。
[0022] 在与栅电极层相交迭的区域中，氧化物半导体层表面高度差异可以是Inm或更 小。
[0023] 所公开的本发明的另一个实施例是制造半导体器件的方法，其包括如下步骤：在 绝缘表面上形成氧化物半导体层；在该氧化物半导体层上形成导电层；通过蚀刻该导电层 而形成源电极层和漏电极层；通过执行热处理，形成具有与基本垂直于该氧化物半导体层 表面的方向对齐的C-轴的结晶区；形成栅绝缘层来覆盖该氧化物半导体层、源电极层、以 及漏电极层；并在该栅绝缘层上与结晶区相交迭的区域中形成栅电极层。
[0024] 所公开的本发明的另一个实施例是制造半导体器件的方法，其包括如下步骤：在 绝缘表面上形成第一栅电极层；形成第一栅绝缘层从而覆盖该第一栅电极层；在该第一栅 绝缘层上形成氧化物半导体层，在该氧化物半导体层上形成导电层；通过蚀刻该导电层而 形成源电极层和漏电极层；通过执行热处理，形成具有与基本垂直于该氧化物半导体层表 面的方向对齐的C-轴的结晶区；形成第二栅绝缘层来覆盖该氧化物半导体层、源电极层、 以及漏电极层；并在该第二栅绝缘层上与结晶区相交迭的区域中形成第二栅电极层。
[0025] 在上述实施例中，热处理可在高于或等于550°C且低于或等于850°C的温度下执 行，优选地在高于或等于550°C且低于或等于750°C的温度下执行。当该导电层被蚀刻时， 可移除该氧化物半导体层的部分。可在源电极层和漏电极层上形成具有与源电极层和漏电 极层基本一样的形状的绝缘层。
[0026] 源电极层和漏电极层与氧化物半导体层接触的一部分可使用具有低氧亲和力的 材料形成。
[0027] 可将具有非晶结构的氧化物半导体层形成为氧化物半导体层，且该非晶结构可留 在结晶区以外的区域中（如，沟道形成区以外的区域）。
[0028] 注意，在本说明书等中的诸如"上"或"下"之类的术语不一定是指组件直接置于 另一组件之上或直接置于另一组件之下。例如，表述"栅绝缘层上的第一栅电极层"不排除 有组件置于栅绝缘层和栅电极层之间的情况。此外，诸如"上"和"下"之类的术语只是为 了方便描述，并且可包括组件的垂直关系颠倒的情况，除非另外指明。
[0029] 另外，在本说明书等中的诸如"电极"和"引线"之类的术语不限制组件的功能。例 如，可使用"电极"作为部分的"引线"，且可使用"引线"作为部分的"电极"。此外，术语"电 极"或"引线"可包括以集成的方式形成多个"电极"或"引线"的情况。
[0030] 例如，当使用相反极性的晶体管时、或当在电路操作中改变电流流向时，"源极"和 "漏极"的功能有时可彼此互换。因此，在本说明书中，术语"源极"与"漏极"可分别用于表 示漏极和源极。
[0031] 注意，在本说明书等中的术语"电连接"包括组件通过具有任何电功能的物体连接 的情况。只要可在通过该物体连接的组件之间发射和接收电信号，对具有任何电功能的物 体就没有具体限制。
[0032] "具有任何电功能的对象"的示例是诸如晶体管的开关元件、电阻器、电感器、电容 器、以及具有各种功能以及电极和引线的元件。
[0033] 在所公开的发明的实施例中，被提纯的氧化物半导体层被用于半导体器件。提纯 意味着以下中的至少一项：从氧化物半导体层中尽量移除氢（氢导致氧化物半导体改变为 n-型氧化物半导体），和通过提供氧化物半导体层缺少的氧来减少缺陷（缺陷是由氧化物 半导体层中的缺氧引起的），缺氧。
[0034] 进行提纯从而获得本征（i_型）氧化物半导体层。由于氧化物半导体层一般具有 n-型导电率，截止态电流较高。当截止态电流较高时，开关特性不充分，这对于半导体器件 是不合适的。因此，氧化物半导体层被提纯从而改变为i-型或基本i-型的氧化物半导体 层。
[0035] 在所公开的发明的实施例中，包括结晶区的氧化物半导体层被用在半导体器件 中。
[0036] 在包括具有电各向异性的结晶区的氧化物半导体层和没有结晶区的氧化物半导 体层之间，电特性是不同的。例如，在包括具有与基本垂直于该氧化物半导体层表面的方向 对齐的C-轴的结晶区的氧化物半导体层中，增加了与氧化物半导体层的表面平行的方向 中的导电率且增加了与氧化物半导体层的表面垂直的方向中的绝缘性质。
[0037] 因此，当包括结晶区的氧化物半导体层被用作半导体器件时，半导体器件可具有 良好的电特性。
【附图说明】
[0038] 图IA和IB是各自示出半导体器件的截面图。
[0039] 图2是包括氧化物半导体的晶体管的截面图。
[0040] 图3是图2中的A-A'截面的能带图（示意图）。
[0041] 图4A示出向栅极（GEl)施加正电压（Ve> 0)的状态，而图4B示出向栅极（GEl) 施加负电压（\< 0)的状态。
[0042] 图5是示出真空能级和金属的功函数之间、以及真空能级和氧化物半导体 的电子亲和力（X)之间的关系的示图。
[0043] 图6示出在娃（Si)中热载流子注入所需的能量。
[0044] 图7示出在In-Ga-Zn-O基氧化物半导体（IGZO)中热载流子注入所需的能量。
[0045] 图8示出关于短沟道效应的器件模拟的结果。
[0046] 图9示出关于短沟道效应的器件模拟的结果。
[0047] 图10示出C-V (电容-电压）特性。
[0048] 图11示出Ve和（1/C) 2之间的关系。
[0049] 图12A至12D是示出半导体器件的制造工艺的截面图。
[0050] 图13A至13D是示出半导体器件的制造工艺的截面图。
[0051] 图14A到14C是各自示出半导体器件的截面图。
[0052] 图15A到15C是各自示出半导体器件的截面图。
[0053] 图16是示出半导体器件的图。
[0054] 图17A和17B是各自示出半导体器件的截面图。
[0055] 图18A至18C是示出半导体器件的制造工艺的截面图。
[0056] 图19A至19C是示出半导体器件的制造工艺的截面图。
[0057] 图20A至20D是示出半导体器件的制造工艺的截面图。
[0058] 图21A到21C是各自示出半导体器件的截面图。
[0059] 图22A到22C是各自示出半导体器件的截面图。
[0060] 图23A至23F各自示出包括半导体器件的电子设备。
[0061] 附图标记解释
[0062] 100:衬底，101:导电层，IOla:栅电极层，102:绝缘层，106:氧化物半导体 层，106a:氧化物半导体层，107a:导电层，107b:导电层，108:导电层，108a:源或漏电极 层，108b:源或漏电极层，109a:绝缘层，109b:绝缘层，110:结晶区，112:栅绝缘层，114: 栅电极层，116:层间绝缘层，118:层间绝缘层，150:晶体管，200:衬底，206:元件隔离绝 缘层，208a:栅绝缘层，210a:栅电极层，214:杂质区，216:沟道形成区，218:侧壁绝缘 层，220:高浓度杂质区，224:金属化合物区，226:层间绝缘层，228:层间绝缘层，230a: 源或漏电极层，230b:源或漏电极层，230c:电极层，234:绝缘层，236a:电极层，236b:电 极层，236c:电极层，250:晶体管，254a:电极层，254b:电极层，254c:电极层，254d:电 极层，254e:电极层，256:绝缘层，258a:电极层，258b:电极层，258c:电极层，258d:电 极层，301:主体，302:外壳，303:显示部分，304:键盘，311:主体，312:指示笔，313:显 示部分，314:操作按钮，315:外部接口，320:电子书，321:外壳，323:外壳，325:显示部 分，327:显示部分，331:电源开关，333:操作键，335:扬声器，337:枢纽，340:外壳，341: 外壳，342:显示面板，343:扬声器，344:话筒，345:操作键，346:指向设备，347:摄像 头透镜，348:外部连接端子，349:太阳能电池，350:外部存储器槽，361:主体，363:目 镜，364:操作开关，365:显示部分B，366:电池，367:显示部分A，370:电视机，371:外 壳，373:显示部分，375:支架，377:显示部分，379:操作键，以及380:遥控器。
【具体实施方式】
[0063] 下文将参考附图描述本发明的实施例的示例。要注意，本发明不限于以下描述，且 本领域技术人员将容易理解，可按各种方式改变本发明的方式与细节而不背离本发明的精 神与范围。因此，本发明不应被解释为限于以下诸实施例的描述。
[0064] 注意，为了容易理解起见，附图等所示的每一组件的位置、尺寸、范围等在一些情 况下未准确地表示。因此，所公开的发明不一定限于附图等所公开的位置、尺寸、范围等。
[0065] 要注意，为了避免组件之间的混淆而在本说明书等中使用诸如"第一"、"第二"和 "第三"的序数，这些术语并不在数量上限制组件。
[0066](实施例1)
[0067] 在本实施例中，根据所公开的本发明的一个实施例的半导体器件的结构和制造方 法将参考图IA和1B、图2、图3、图4A和4B、图5到11、图12A到12D、图13A到13D、图14A 到14C、图15A到15C、以及图16而描述。
[0068]〈半导体器件的结构〉
[0069]图IA和IB是各自示出作为半导体器件的结构的示例的晶体管150的截面图。注 意，在此晶体管150是n沟道晶体管；可选地，可使用p沟道晶体管。
[0070] 晶体管150包括在衬底100上的氧化物半导体层106a (绝缘层102夹在其之间）、 在该氧化物半导体层l〇6a中的结晶区110、电连接至该氧化物半导体层106a的源或漏电极 层108a和源或漏电极层108b、覆盖该氧化物半导体层106a、源或漏电极层108a、以及源或 漏电极层l〇8b的栅绝缘层112、还有位于栅绝缘层112上的栅电极层114(见图IA和1B)。 此处，图IA示出其中源或漏电极层108a和源或漏电极层108b具有层叠结构的情况，且图 IB示出其中源或漏电极层108a和源或漏电极层108b具有单层结构的情况。注意，在单层 结构的情况下，易于实现良好的楔形。
[0071] 此外，层间绝缘层116和层间绝缘层118被提供在晶体管150上。注意，层间绝缘 层116和层间绝缘层118并不是必须的组件且因此合适时可被省略。
[0072] 对于氧化物半导体层106a，可使用如下材料中的任意：四组分金属氧化物，如 In-Sn-Ga-Zn-O基材料；三组分金属氧化物，如In-Ga-Zn-O基材料、In-Sn-Zn-O基材料、 In-Al-Zn-O 基材料、Sn-Ga-Zn-O 基材料、Al-Ga-Zn-O 基材料、和 Sn-Al-Zn-O 基材料；二 组分金属氧化物，如In-Zn-O基材料、Sn-Zn-O基材料、Al-Zn-O基材料、Zn-Mg-O基材料、 Sn-Mg-O基材料、和In-Mg-O基材料；单组分金属氧化