2和栅电极层401。布线层436a和布线层436b设置成分别与源电极层405a和漏电极层405b相接触。
[0127]在这个实施例中，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，能够使用诸如In-Sn-Ga-Zn-Ο基氧化物半导体之类的四金属元素的氧化物；诸如In-Ga-Ζη-Ο基氧化物半导体、In-Sn-Zn-Ο基氧化物半导体、In-Al-Zn-Ο基氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-0基氧化物半导体、Al-Ga-Zn-0基氧化物半导体层或Sn-Al-Zn-Ο基氧化物半导体之类的三金属元素的氧化物；诸如Ιη-Ζη-0基氧化物半导体、Sn-Zn-Ο基氧化物半导体、Al-Ζη-Ο基氧化物半导体、Zn-Mg-0基氧化物半导体、Sn_Mg_0基氧化物半导体或In-Mg-Ο基氧化物半导体之类的两金属元素的氧化物；Ιη-0基氧化物半导体、Sn-Ο基氧化物半导体或者Ζη-0基氧化物半导体。此外，Si02可添加到氧化物半导体。在这里，例如，In-Ga-Ζη-Ο基氧化物半导体是至少包括In、Ga和Zn的氧化物，而对其组成比没有特殊限制。此外，In-Ga-Zn-Ο基氧化物半导体可包含除了 In、Ga和Zn之外的元素。
[0128]对于氧化物半导体层403，能够使用由化学式InMOjZnOhOii > 0)所表示的氧化物半导体。在这里，Μ表示从Ga、Al、Mn或Co中选取的一种或多种金属元素。例如，Μ能够是 Ga、Ga 和 Al、Ga 和 Μη、Ga 和 Co 等。
[0129]包括氧化物半导体层403的晶体管410、晶体管420、晶体管430和晶体管440的断态电流能够显著降低。因此，在脉冲信号输出电路和移位寄存器中使用这类晶体管时，能够易于保持各结点的电位，使得脉冲信号输出电路和移位寄存器的故障的可能性能够显著降低。
[0130]对于能够用作具有绝缘表面的衬底400的衬底没有特殊限制。例如，能够使用用于液晶显示装置等的玻璃衬底、石英衬底等。备选地，例如，可使用在硅晶圆之上形成绝缘层的衬底。
[0131]在底栅晶体管410、420和430的每个中，用作基底的绝缘膜可设置在衬底与栅电极层之间。绝缘层具有防止杂质元素从衬底扩散的功能，并且能够形成为具有包括从氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜中选取的一个或多个膜的单层结构或分层结构。
[0132]栅电极层401能够使用诸如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕或钪之类的金属材料或者包括这些材料的任一种作为主要成分的合金材料来形成。栅电极层401可具有单层结构或分层结构。
[0133]栅绝缘层402能够使用从氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜、氮氧化铝膜、氧化铪膜等中选取的一个或多个膜通过等离子体增强CVD方法、溅射方法等形成。例如，总厚度大约为300nm的栅绝缘层能够按照如下方式来形成:使得厚度为50至200nm的氮化硅膜(SiNy(y > 0))通过等离子体增强CVD来形成为第一栅绝缘层，并且厚度为5至300nm的氧化硅膜(S1x(x > 0))通过溅射方法堆叠在第一栅绝缘层之上作为第二栅绝缘层。
[0134]源电极层405a和漏电极层405b能够使用诸如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕或钪之类的金属材料或者包括这些材料的任一种作为主要成分的合金材料来形成。例如，源电极层405a和漏电极层405b能够具有包括铝、铜等的金属层以及包括钛、钼、钨等的耐火金属层的分层结构。借助于添加了用于防止小丘和触须的生成的元素(例如硅、钕或钪)的铝材料，可提尚耐热性。
[0135]备选地，导电金属氧化物膜可作为用作源电极层405a和漏电极层405b (包括使用与源电极层405a和漏电极层405b相同的层所形成的布线层)的导电膜来使用。氧化铟(Ιη203)、氧化锡(Sn02)、氧化锌(ZnO)、氧化铟和氧化锡的合金(In203_Sn02，在一些情况下缩写成ΙΤ0)、氧化铟和氧化锌的合金(Ιη203-Ζη0)、包括氧化硅的这些金属氧化物材料的任一种等能够用作导电材料氧化物。
[0136]分别与源电极层405a和漏电极层405b相接触的布线层436a和布线层436b能够使用与源电极层405a和漏电极层405b的材料类似的材料来形成。
[0137]对于绝缘层407、427和437的每个，通常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之类的无机绝缘膜。
[0138]对于保护绝缘层409，能够使用诸如氮化硅膜、氮化铝膜、氮氧化硅膜或氮氧化铝膜之类的无机绝缘膜。
[0139]另外，可在保护绝缘层409之上形成用于降低因晶体管引起的表面不匀性的平面化绝缘膜。对于平面化绝缘膜，能够使用诸如聚酰亚胺、丙烯酸或苯并环丁烯之类的有机材料。除了这种有机材料之外，还能够使用低介电常数材料(低k材料)等。注意，可通过堆叠包括这些材料的多个绝缘膜来形成平面化绝缘膜。
[0140]如上所述，这个实施例中所述的结构、方法等能够与其它实施例中所述的结构、方法等的任一个适当组合。
[0141](实施例4)
在这个实施例中，将参照图12A至图12E来详细描述包括氧化物半导体层的晶体管的示例及其制造方法的示例。
[0142]图12A至图12E是示出晶体管的制造过程的截面图。这里所示的晶体管510是与图11A中所示的晶体管410类似的反交错晶体管。
[0143]用于这个实施例的半导体层的氧化物半导体是i型(本征)氧化物半导体或者基本上i型(本征)氧化物半导体。按照如下方式来获得i型(本征)氧化物半导体或者基本上i型(本征)氧化物半导体:使得从氧化物半导体中去除作为η型杂质的氢，并且氧化物半导体纯化成使得尽可能少地包含不是氧化物半导体的主要成分的杂质。
[0144]注意，纯化氧化物半导体包括极少载流子，并且载流子浓度低于1 X 1014/cm3，优选地低于lX1012/cm3，更优选地低于lX10n/cm3。这样少的载流子使截止状态中的电流(断态电流)能够足够小。
[0145]具体来说，在包括上述氧化物半导体层的晶体管中，室温(25°C )下的每μπι沟道宽度的断态电流密度在晶体管的沟道长度L为10 μπι并且源-漏电压为3V的条件下能够为 ΙΟΟζΑ/ μ m(l X 10 19Α/ μ m)或更低、或者进一步为 ΙΟζΑ/ μ m(l X 10 20Α/ μ m)或更低。
[0146]包括纯化氧化物半导体层的晶体管510几乎没有通态电流的温度相关性，并且还具有极小断态电流。
[0147]将参照图12A至图12E来描述用于在衬底505之上制造晶体管510的过程。
[0148]首先，在具有绝缘表面的衬底505之上形成导电膜，并且然后通过第一光刻过程来形成栅电极层511。注意，可通过喷墨方法来形成光刻过程中使用的抗蚀剂掩模。通过喷墨方法来形成抗蚀剂掩模不需要光掩模；因此，制造成本能够降低。
[0149]作为具有绝缘表面的衬底505，能够使用与以上实施例中所述的衬底400类似的衬底。在这个实施例中，玻璃衬底用作衬底505。
[0150]用作基底的绝缘层可设置在衬底505与栅电极层511之间。绝缘层具有防止杂质元素从衬底505扩散的功能，并且能够由从氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧氮化硅膜等中选取的一个或多个膜来形成。
[0151]栅电极层511能够使用诸如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕或钪之类的金属材料或者包括这些金属材料的任一种作为主要成分的合金材料来形成。栅电极层511能够具有单层结构或堆叠结构。
[0152]随后，在栅电极层511之上形成栅绝缘层507。能够通过等离子体增强CVD方法、溅射方法等，形成栅绝缘层507。栅绝缘层507能够由从氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜、氮氧化铝膜、氧化铪膜等中选取的一个或多个膜来形成。
[0153]此外，为了在栅绝缘层507和氧化物半导体膜530中尽可能少地包括氢、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了栅电极层511的衬底505或者其上形成了栅电极层511和栅绝缘层507的衬底505，作为氧化物半导体膜530的形成的预处理，使得消除衬底505上吸附的诸如氢和水分之类的杂质。作为排空单元，优选地为预热室设置低温栗。可对其上形成了一直到并且包括源电极层515a和漏电极层515b的层的衬底505来执行这个预热步骤。注意，能够省略这个预热处理。
[0154]随后，在栅绝缘层507之上，形成厚度大于或等于2nm且小于或等于200nm、优选地大于或等于5nm且小于或等于30nm的氧化物半导体膜530 (参见图12A)。
[0155]对于氧化物半导体膜530，能够使用以上实施例中描述的四成分金属氧化物、三成分金属氧化物、两成分金属氧化物、In-Ο基氧化物半导体、Sn-Ο基氧化物半导体、Ζη_0基氧化物半导体等的任一个。
[0156]作为用于通过溅射方法来形成氧化物半导体膜530的靶，特别优选的是使用组成比为In: Ga: Zn = 1: X: y(x为0或更大，以及y大于或等于0.5且小于或等于5)的革巴。例如，能够使用组成比为ln203: Ga203: ZnO = 1: 1: 2[摩尔比]的靶。备选地，能够使用组成比为ln203: Ga203: ZnO = 1: 1: 1[摩尔比]的靶、组成比为In203: Ga203: ZnO=1: 1: 4[摩尔比]的靶或者组成比为ln203: ZnO = 1: 0: 2[摩尔比]的靶。
[0157]在这个实施例中，使用In-Ga-Zn-Ο基金属氧化物靶通过溅射方法来形成具有非晶结构的氧化物半导体层。
[0158]金属氧化物靶中的金属氧化物的相对密度大于或等于80%，优选地大于或等于95%，以及更优选地大于或等于99.9%。具有高相对密度的金属氧化物靶的使用使得有可能形成具有致密结构的氧化物半导体层。
[0159]其中形成氧化物半导体膜530的气氛优选地为稀有气体(通常为氩)气氛、氧气氛或者包含稀有气体(通常为氩)和氧的混合气氛。具体来说，优选的是使用例如去除了诸如氢、水、羟基或氢化物之类的杂质以使得杂质浓度为lppm或更低(优选地，杂质浓度为lOppb或更低)的高纯度气体气氛。
[0160]在氧化物半导体膜530的形成中，例如，加工对象保持在控制为降低压力的处理室中，并且可加热加工对象以使得加工对象的温度高于或等于100°C且低于550°C，优选地高于或等于200°C且低于或等于400°C。备选地，氧化物半导体膜530的形成中的加工对象的温度可以是室温(25°C ±10°C)。然后，在去除处理室中的水分的同时引入去除了氢、水等的溅射气体，并且使用上述靶，由此形成氧化物半导体膜530。在加热加工对象的同时形成氧化物半导体膜530，使得氧化物半导体层中包含的杂质能够降低。此外，因溅射引起的损坏能够降低。为了去除处理室中的水分，优选地使用捕集真空栗(entrapment vacuumpump) ο例如，能够使用低温栗、离子栗、钛升华栗等。备选地，可使用提供有冷阱的涡轮分子栗。通过采用低温栗等的排空，能够从处理室中去除氢、水等，由此能够降低氧化物半导体膜530中的杂质浓度。
[0161]能够在例如下列条件下形成氧化物半导体膜530:加工对象与靶之间的距离为170mm，压力为0.4Pa，直流(DC)功率为0.5kW，以及气氛是氧气氛(氧的比例为100% )、氩气氛(氩的比例为100% )或者包括氧和氩的混合气氛。优选地使用脉冲直流(DC)电源，因为能够降低膜形成中生成的粉状物质(又称作微粒或灰尘)，并且膜厚度能够是均匀的。氧化物半导体膜530的厚度大于或等于lnm且小于或等于50nm，优选地大于或等于lnm且小于或等于30nm，更优选地大于或等于lnm且小于或等于10nm。通过具有这种厚度的氧化物半导体膜530，能够抑制因小型化引起的短沟道效应。注意，适当厚度根据要使用的氧化物半导体材料、半导体装置的预计用途等而有所不同；因此，可按照材料、预计用途等确定厚度。
[0162]注意，在通过溅射方法形成氧化物半导体膜530之前，附于将要形成氧化物半导体膜530的表面(例如栅绝缘层507的表面)的物质优选地通过其中引入氩气体并且生成等离子体的反向溅射被去除。在这里，反向溅射是一种方法，其中离子与加工表面碰撞，使得表面经过修改，同离子与溅射靶碰撞的标准溅射相反。作为用于使离子与加工表面碰撞的方法的示例，存在一种方法，其中高频电压在氩气氛中施加到加工表面，使得在加工对象附近生成等离子体。注意，氮、氦、氧等的气氛可用来代替氩气氛。
[0163]接下来，通过第二光刻过程将氧化物半导体膜530加工为岛状氧化物半导体层。注意，光刻过程中使用的抗蚀剂掩模可通过喷墨方法来形成。通过喷墨方法来形成抗蚀剂掩模不需要光掩模；因此，制造成本能够降低。
[0164]在栅绝缘层507中形成接触孔的情况下，形成接触孔的步骤能够与加工氧化物半导体膜530同时执行。
[0165]作为氧化物半导体膜530的蚀刻，可采用湿式蚀刻或十式蚀刻或者它们两者。作为用于氧化物半导体膜530的湿式蚀刻的蚀刻剂，能够使用通过混合磷酸、醋酸和硝酸等所获得的溶液。还可使用诸如(由日本关东化学公司生产的ΠΤ0-07Ν之类的蚀刻剂。
[0166]然后，对氧化物半导体层执行热处理(第一热处理)，使得形成氧化物半导体层531(参见图12B)。通过第一热处理，去除氧化物半导体层中的过剩氢(包括水和羟基)，并且改进氧化物半导体层的结构，使得能够降低能隙中的缺陷等级(defect level)。第一热处理的温度例如高于或等于300°C且低于550°C，或者高于或等于400°C且低于或等于500。。。
[0167]能够按照如下方式来执行热处理:例如，将加工对象引入其中使用电阻加热元件等的电炉，并且在氮气氛中以450°C加热一小时。在热处理期间，氧化物半导体层没有暴露于空气，以使防止水和氢的污染。
[0168]热处理设备并不局限于电炉；热处理设备能够是使用来自诸如加热气体等的介质的热传导或热辐射来加热加工对象的设备。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)设备之类的RTA(快速热退火)设备。LRTA设备是使用从诸如卤素灯、金属齒化物灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或高压水银灯之类的灯所发射的光(电磁波)的辐射来加热加工对象的设备。GRTA设备是使用高温气体进行热处理的设备。作为气体，使用不会通过热处理而与加工对象发生反应的诸如氮之类的惰性气体或者诸如氩之类的稀有气体。
[0169]例如，作为第一热处理，可按照如下方式来执行GRTA处理。将加工对象放进已经加热的惰性气体气氛中，加热数分钟，并且然后从惰性气体气氛中取出。GRTA处理实现短时间的高温热处理。此外，在GRTA处理中，甚至能够采用超过加工对象的温度上限的温度条件。注意，在该过程期间，惰性气体可改变成包括氧的气体。这是因为因缺氧引起的能隙中的缺陷等级能够通过在包括氧的气氛中执行第一热处理来降低。
[0170]注意，作为惰性气体气氛，优选地使用包括氮或稀有气体(例如氦、氖或氩)作为其主要成分但没有包含水、氢等的气氛。例如，引入热处理设备中的氮或者诸如氦、氖或氩之类的稀有气体的纯度设置为6Ν(99.9999% )或更大、优选地为7Ν(99.99999% )或更大(即，杂质浓度为lppm或更小，优选地为0.lppm或更小)。
[0171]在任何情况下，通过第一热处理来降低杂质，使得获得i型(本征)或基本上i型氧化物半导体层。相应地，能够实现具有优良特性的晶体管。
[0172]上述热处理(第一热处理)具有去除氢、水等的效果，并且因而能够称作脱水处理、脱氢处理等。能够在形成氧化物半导体膜530之后并且在将氧化物半导体膜530加工成岛状氧化物半导体层之前执行脱水处理或脱氢处理。这种脱水处理或脱氢处理可执行一次或多次。
[0173]第一热处理能够在代替上述定时的下列定时的任一个来执行:在形成源电极层和漏电极层之后，在源电极层和漏电极层之上形成绝缘层之后，等等。
[0174]接下来，在栅绝缘层507和氧化物半导体层531之上形成将要作为源电极层和漏电极层(包括从与源电极层和漏电极层相同的层所形成的布线)的导电膜。能够使用以上实施例中所述材料的任一种来形成用于形成源电极层和漏电极层的导电膜。
[0175]在第三光刻过程中在导电膜之上形成抗蚀剂掩模，并且通过有选择地蚀刻来形成源电极层515a和漏电极层515b，然后去除抗蚀剂掩模(参见图12C)。
[0176]在第三光刻过程中形成抗蚀剂掩模时的曝光可使用紫外光、KrF激光或ArF激光来执行。注意，由源电极层与漏电极层之间的距离来确定晶体管的沟道长度(L)。因此，在用于形成沟道长度(L)小于25nm的晶体管的掩模的曝光中，优选的是使用其波长短至数纳米至数十纳米的超紫外光。在使用超紫外光的曝光中，分辨率高，并且焦深大。由于这些原因，后来完成的晶体管的沟道长度(L)能够大于或等于10nm且小于或等于lOOOnm(lym)，并且电路能够以高速度进行操作。此外，半导体装置的功率消耗能够通过小型化来降低。
[0177]为了降低光掩模的数量和光刻过程的数量，可使用采用多色调掩模所形成的抗蚀剂掩模来执行蚀刻步骤。由于采用多色调掩模所形成的抗蚀剂掩模包括多个厚度的区域并且能够通过执行蚀刻进一步改变形状，所以能够在多个蚀刻步骤中使用抗蚀剂掩模以提供不同的图案。因此，能够采用一个多色调掩模来形成与至少两种不同图案对应的抗蚀剂掩模。因此，曝光掩模的数量能够降低，并且对应光刻过程的数量也能够降低，由此能够实现过程的简化。
[0178]注意，优选的是，优化蚀刻条件，以使得在蚀刻导电膜时没有蚀刻和分割氧化物半导体层531。但是，难以获得仅蚀刻导电膜但完全没有蚀刻氧化物半导体层531的蚀刻条件。在一些情况下，在蚀刻导电膜时蚀刻氧化物半导体层531的一部分，由此形成具有凹槽部分(凹陷部分)的氧化物半导体层531。
[0179]湿式蚀刻或干式蚀刻可用于导电膜的蚀刻。注意，在元件的小型化方面，优选地使用干式蚀刻。蚀刻气体和蚀刻剂能够按照要蚀刻的材料来适当地选择。在这个实施例中，钛膜用作导电膜，以及In-Ga-Ζη-Ο基材料用于氧化物半导体层531 ;相应地，在采用湿式蚀刻的情况下，氮过氧化氢(氨、水和过氧化氢的混合溶液)用作蚀刻剂。
[0180]接下来，优选地执行使用诸如N20、队或Ar之类的气体的等离子体处理，使得可去除附于氧化物半导体层的外露部分的表面的水、氢等。在执行等离子体处理的情况下，形成用作保护绝缘膜的绝缘层516，而在等离子体处理之后没有使氧化物半导体层暴露于空气。
[0181]绝缘层516优选地通过没有将诸如水或氢之类的杂质引入绝缘层516的方法(例如溅射方法)来形成为至少lnm的厚度。当在绝缘层516中包含氢时，引起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，由此使氧化物半导体层的背沟道具有较低电阻(以具有η型导电性)，使得可形成寄生沟道。作为绝缘层516，优选地使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜等。
[0182]在这个实施例中，氧化硅膜通过溅射方法作为绝缘层516形成到200nm的厚度。沉积中的衬底温度可高于或等于室温(25°C)且低于或等于300°C，并且在这个实施例中为100°C。能够通过溅射方法在稀有气体(通常为氩)气氛、氧气氛或者包含稀有气体和氧的混合气氛中沉积氧化硅膜。作为靶，可使用氧化硅靶或硅靶。
[0183]为了在与沉积氧化物半导体膜530同时去除绝缘层516的沉积室中剩余的水分，优选地使用捕集真空栗(例如低温栗)。在使用低温栗排空的沉积室中沉积绝缘层516时，绝缘层516中的杂质浓度能够降低。设置有冷阱的涡轮分子栗可用作用于去除用于形成绝缘层516的沉积室中剩余的水分的排空单元。
[0184]用于形成绝缘层16的溅射气体优选地是去除了诸如氢或水之类的杂质的高纯度气体。
[0185]接下来，在惰性气体气氛或氧气体气氛中执行第二热处理。在高于或等于200°C且低于或等于450°C、优选地高于或等于250°C且低于或等于350°C的温度执行第二热处理。例如，热处理可在氮气氛中以250°C执行1小时。第二热处理能够降低晶体管的电特性的变化。通过从绝缘层516向氧化物半导体层531提供氧，氧化物半导体层531中的氧空位降低，由此能够形成i型(本征)或基本上i型氧化物半导体层。
[0186]在这个实施例中，在形成绝缘层516之后执行第二热处理；但是，第二热处理的定时并不局限于此。例如，第一热处理和第二热处理可接连执行，或者第一热处理可兼任第二热处理。