半导体装置制造方法
半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种包含氧化物半导体的电特性变化得到抑制或者可靠性得到提高的半导体装置。在包括形成沟道形成区的氧化物半导体膜的半导体装置中，在上述氧化物半导体膜上设置有抑制水渗入且至少含有氮的绝缘膜以及抑制从该绝缘膜释放出的氮渗入的绝缘膜。作为渗入氧化物半导体膜的水，可以举出包含在空气中的水、设置在抑制水渗入的绝缘膜上的膜中的水等。另外，作为抑制水渗入的绝缘膜，可以使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分子的量低于5.0×1021分子/cm3。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001] 本说明书等所公开的发明涉及半导体装置。
[0002] 注意，本说明书等中的半导体装置是指通过利用半导体特性而能够工作的任何装 置，例如，电光装置、图像显示装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
【背景技术】
[0003] 对于以液晶显示装置及发光显示装置为代表的图像显示装置，利用了使用形成于 具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜的晶体管。此外，该晶体管也被广泛应用于如集成电 路（IC)等的电子设备。对于能够应用于该晶体管的半导体薄膜，不仅可以使用广为人知的 硅类半导体，还可以使用呈现半导体特性的金属氧化物（以下，称为氧化物半导体）。
[0004] 例如，已公开了制造使用氧化锌或In-Ga-Zn类氧化物半导体作为氧化物半导体 的晶体管的技术（参照专利文献1及2)。
[0005] 在本说明书中，使用氧化物半导体薄膜作为形成于具有绝缘表面的衬底上的半导 体薄膜的晶体管称为使用氧化物半导体的晶体管。另外，晶体管可以通过利用半导体特性 能够工作；由此，在本说明书中，晶体管是半导体装置。
[参考文献]
[专利文献]
[0006] [专利文献1]日本专利申请公开第2007-123861号 [专利文献2]日本专利申请公开第2007-096055号
【发明内容】
[0007] 在使用氧化物半导体的半导体装置中，在有些情况中，从设置在包含沟道形成区 的氧化物半导体膜上的绝缘膜等中释放出的元素作为杂质扩散到上述氧化物半导体膜中， 由此半导体装置的电特性（典型的是，阈值电压）改变了，这使半导体装置的可靠性降低 了。
[0008] 例如，在水及/或氢、或者氮及/或氨被包含在设置于氧化物半导体膜上的绝缘膜 中的情况下，水、氢、氮及氨中的任一种的扩散导致了半导体装置的电特性的变化，这使半 导体装置的可靠性降低了。
[0009] 渗入氧化物半导体膜中的氢与键合到金属原子的氧起反应而生成水，并且缺陷形 成在氧脱离的晶格（或氧脱离的部分）中。另外，部分氢与氧起反应而生成了作为载流子 的电子。此外，渗入氧化物半导体膜的氮与金属原子或氧起反应而生成了作为载流子的电 子。其结果是，包括含有氢或氮的氧化物半导体膜的晶体管很容易成为正常情况下导通。 [0010] 于是，本发明的一个方式的目的是提供一种电特性的变化得到抑制或者可靠性得 到提高的包含氧化物半导体的半导体装置。
[0011] 本发明的一个方式是一种具有包含沟道形成区的氧化物半导体膜的半导体装置， 并且在上述氧化物半导体膜上包括至少含有氮且抑制水的渗入（扩散）的绝缘膜以及抑制 从该绝缘膜释放出的元素（典型地是氮）渗入（扩散）的绝缘膜。作为渗入氧化物半导体 膜的水，可以举出空气中含有的水以及设置在抑制水渗入的绝缘膜上的膜中的水等。另外， 作为氮的来源，可以举出N2及NH 3等。
[0012] 也就是说，本发明的一个方式的半导体装置至少包括抑制水渗入的绝缘膜以及保 护氧化物半导体膜而避免从上述绝缘膜释放出的包含于上述绝缘膜中的元素渗入氧化物 半导体膜的绝缘膜。用来保护氧化物半导体膜的该绝缘膜抑制氮的渗入要多于氢的渗入。 因此，抑制水的渗入的绝缘膜优选为氢含量尽量被降低的绝缘膜。例如，通过加热从抑制水 的渗入的绝缘膜中释放的氢分子的量优选低于5. OX IO21分子/cm3。
[0013] 于是，本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅 电极的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜 接触的一对电极；设置于氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触且至少 含有氮的第二绝缘膜。第一绝缘膜保护氧化物半导体膜而避免从第二绝缘膜释放出的氮渗 入到氧化物半导体膜。通过加热从第二绝缘膜释放出的氢分子的量低于5. 0 X IO21分子/ cm3。
[0014] 另外，在本发明的一个方式的半导体装置中，可以使用致密的氧化物绝缘膜作为 保护氧化物半导体膜而避免从抑制水渗入的绝缘膜释放出的元素的影响的绝缘膜。作为抑 制水渗入的绝缘膜，可以使用氮化物绝缘膜，并通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分 子的量是在上述范围内。
[0015] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；设置于氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触的第二绝缘 膜。第一绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。通过加热从第二绝缘膜释放出的氢分子的量低于 5. OXlO21 分子 /cm3。
[0016] 另外，在本发明的一个方式的半导体装置中，致密的氧化物绝缘膜是在25°C用 0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min的氧化物绝缘膜。
[0017] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；设置在氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触的第二绝缘 膜。第一绝缘膜是在25°c用0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min 的氧化物绝缘膜。第二绝缘膜是氮化物绝缘膜，并且通过加热从氮化物绝缘膜释放出的氢 分子的量低于5. OX IO21分子/cm3。
[0018] 在上述半导体装置中，在有机树脂膜被设置为与第二绝缘膜接触且被用作层间绝 缘膜或平坦化绝缘膜的情况下，第二绝缘膜可以抑制包含于该有机树脂膜中的水及空气中 含有的水透过该有机树脂膜进入氧化物半导体膜中。作为上述有机树脂膜的例子，可以举 出丙烯酸膜等。
[0019] 在本发明的一个方式的半导体装置中，能够填充氧化物半导体膜中所包括的氧空 位的绝缘膜被设置在氧化物半导体膜与保护氧化物半导体膜而避免从抑制水渗入的绝缘 膜中释放出的元素的影响的绝缘膜之间。具体地，设置了与氧化物半导体膜接触且使氧透 过的绝缘膜以及与使氧透过的绝缘膜接触且含有比化学计量组成更高比例的氧的绝缘膜。
[0020] 在上述半导体装置中，使氧透过的绝缘膜以及含有比化学计量组成更高比例的氧 的绝缘膜被设置在氧化物半导体膜上。因此，本发明的一个方式的半导体装置包括在氧化 物半导体膜上的具有不同功能的四种绝缘膜。
[0021] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；与氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜；与第一绝缘膜接触的第二绝缘膜；与 第二绝缘膜接触的第三绝缘膜；以及与第三绝缘膜接触且至少含有氮的第四绝缘膜。第一 绝缘膜是使氧透过的绝缘膜。第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧。第三绝缘膜 保护氧化物半导体膜而避免从第四绝缘膜释放出的氮渗入氧化物半导体膜。通过加热从第 四绝缘膜释放出的氢分子的量低于5. OX IO21分子/cm3。
[0022] 另外，在上述半导体装置中，使氧透过的氧化物绝缘膜可以用作第一绝缘膜，含有 比化学计量组成更高比例的氧的氧化物绝缘膜可以用作第二绝缘膜，致密的氧化物绝缘膜 可以用作第三绝缘膜，氮化物绝缘膜可以用作第四绝缘膜，通过加热从氮化物绝缘膜释放 出的氢分子的量是在上述范围内。
[0023] 在上述半导体装置中，能够用作第三绝缘膜的致密的氧化物绝缘膜是在25°C用 0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min的氧化物绝缘膜，这低于第二 绝缘膜的蚀刻速率。
[0024] 在上述半导体装置中，在有机树脂膜被设置为接触于第四绝缘膜以被用作层间绝 缘膜或平坦化绝缘膜的情况下，该第四绝缘膜可以抑制包含于该有机树脂膜中的水及空气 中的水透过该有机树脂膜扩散至氧化物半导体膜中。例如，作为上述有机树脂膜，可以举出 丙烯酸膜等。
[0025] 根据本发明的一个方式，可以提供一种电特性的变化得到抑制的半导体装置或可 靠性得到提高的半导体装置。注意，作为通过本发明的一个方式的半导体装置能够抑制的 电特性的变化，可以举出随时间变化的半导体装置的阈值电压的变化、因利用光照射的栅 极偏压-温度BT (Bias-Temperature)应力试验而导致的半导体装置的阈值电压的变化等。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图IA至IC是示出晶体管的一个方式的俯视图及截面图。 图2A至2D是示出晶体管的制造方法的一个方式的截面图。 图3是示出晶体管的一个方式的截面图。 图4A至4C是示出显示装置的一个方式的俯视图。 图5A和5B是不出显不装置的一个方式的截面图。 图6是示出显示装置的一个方式的截面图。 图7A至7C是示出显示装置的一个方式的俯视图及截面图。 图8是示出显示装置的一个方式的截面图。 图9A和9B是示出半导体装置的一个方式的电路图及截面图。 图IOA至IOC都示出电子设备。 图IlA至IlC不出电子设备。 图12A和12B示出样品的结构。 图13A至13C示出热脱附（desorption)谱分析的结果。 图14A和14B示出热脱附谱分析的结果。 图15A和15B示出热脱附谱分析的结果。 图16A和16B示出热脱附谱分析的结果。 图17A至17D是示出晶体管的制造方法的截面图。 图18A至18C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图19A至19C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图20A至20C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图21示出晶体管的Vg-Id特性与氮化硅膜中的氢分子的释放量及氨分子的释放量之间 的关系。
【具体实施方式】
[0027] 下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。注意，本发明不局限于以下说明，所 属【技术领域】的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容可以被变 换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定于以下实施方式的记载内容中。
[0028] 另外，在下面所说明的本发明的结构中，在不同的附图中使用相同的附图标记来 显示相同的部分或具有相同功能的部分，而不进行重复说明。此外，相同的阴影线适用于具 有相同功能的部分，该部分有时不特别由附图标记而表示。
[0029] 另外，在本说明书所说明的每个附图中，各构成要素的大小、膜的厚度或区域为了 清晰可见而有时被夸大。因此，本发明的一个方式并不一定限定于这种比例。此外，在本说 明书等中的"第一"、"第二"等序数词为方便而使用，并不表示工序顺序或叠层顺序。另外， 在本说明书等中的序数词不表示用来特定发明的固有名称。
[0030] 例如，在电路工作的电流方向变化的情况下，本发明中的"源极"及"漏极"的功能 有时互相调换。因此，在本说明书中词语"源极"及"漏极"可以被互相调换。
[0031] 另外，电压是指两个点的电位之间的差，电位是指某一点的静电场中的单位电荷 的静电能（电位能量）。注意，一般来说，将一点的电位与标准电位之间的差简单地称为电 位或电压，在很多情况下，电位和电压被用作同义词。因此，在本说明书中，除了特别指定的 情况以外，电位被可称为电压，电压也被可称为电位。
[0032] 在本说明书中，在光刻工序之后进行蚀刻工序的情况下，在蚀刻工序后去除光刻 工序中形成的掩模。
[0033] 实施方式1 在本实施方式中，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的一个方式的半导体装置及该半导体装置的制 造方法。在本实施方式中，说明包括氧化物半导体膜的晶体管作为半导体装置的例子。
[0034] 图IA至IC是晶体管50的俯视图及截面图。图IA是晶体管50的俯视图，图IB 是沿图IA的点划线A-B的截面图，并且图IC是沿图IA的点划线C-D的截面图。另外，在 图IA中，为了简化，省略衬底11、基底绝缘膜13、晶体管50的一些部件（例如，栅极绝缘膜 18)、绝缘膜23至26等。
[0035] 晶体管50是栅电极15被设置于衬底11上的底部栅极型晶体管。在晶体管50中， 栅极绝缘膜18设置在衬底11及栅电极15上，氧化物半导体膜20隔着栅极绝缘膜18设置 为与栅电极15重叠，并且一对电极21设置为接触于氧化物半导体膜20。此外，在晶体管50 中，绝缘膜25及26至少设置在栅极绝缘膜18、氧化物半导体膜20及一对电极21上。晶体 管50优选包括由设置在绝缘膜25与氧化物半导体膜20之间的绝缘膜23及24以及绝缘 膜25及26形成的保护膜27 (参照图IB及1C)。
[0036] 绝缘膜26至少含有氮，且具有抑制外部的水渗入氧化物半导体膜20的功能。绝 缘膜25具有抑制从绝缘膜26释放出的元素渗入氧化物半导体膜20的功能。换言之，绝缘 膜25保护氧化物半导体膜20以免受从绝缘膜26释放出的元素的影响。另外，绝缘膜25 还具有抑制包含在氧化物半导体膜20、设置在氧化物半导体膜20上的膜（例如，绝缘膜23 及24)等中的氧释放到外部的功能（氧的阻挡效果）。绝缘膜26也可以具有氧的阻挡效 果。从绝缘膜26释放出的元素主要为氮及含有如氨等可以成为氮的来源的化合物。在本 说明书中，外部的水是指空气中含有的水或者除了绝缘膜26以外的任一构成要素（例如， 绝缘膜）中含有的水。
[0037] 作为绝缘膜25,可以应用致密的氧化物绝缘膜。具体来说，该致密的氧化物绝缘膜 是在25°C用0. 5wt %的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于10nm/min (优选低于或等于 8nm/分）的氧化物绝缘膜。
[0038] 绝缘膜25具有能够抑制从绝缘膜26释放出的元素渗入氧化物半导体膜20的厚 度。例如，绝缘膜25的厚度可以大于或等于5nm且小于或等于150nm，优选大于或等于5nm 且小于或等于50nm，更优选大于或等于IOnm且小于或等于30nm。
[0039] 因此，作为绝缘膜25,可以使用具有上述蚀刻速率及上述范围内的厚度的氧化硅 膜或氧氮化硅膜等。
[0040] 可用作绝缘膜25的氧化硅膜或氧氮化硅膜可以使用下述条件来形成。将经真空 排气的等离子体CVD装置的处理室内所放置的衬底置于高于或等于300°C且低于或等于 400°C，优选高于或等于320°C且低于或等于370°C的温度下，向处理室中引入源气体从而 使得压力为高于或等于IOOPa且低于或等于250Pa，优选高于或等于IOOPa且低于或等于 200Pa，并且高频电力被施加到设置于处理室内的电极。
[0041] 作为绝缘膜25的源气体，优选使用含有硅的沉积气体及氧化气体。含有硅的沉积 气体的典型例子包括硅烷、乙硅烷、丙硅烷、氟化硅烷。氧化气体的例子包括氧、臭氧、一氧 化二氮、二氧化氮。
[0042] 作为绝缘膜26,优选使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化绝物缘膜释放出 的氢分子的量尽量低。这是因为绝缘膜25有效地抑制从绝缘膜26释放出的氮的扩散，但 是较弱地抑制从绝缘膜26释放出的氢的扩散。具体地说，作为绝缘膜26,可以使用氮化 物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分子的量为以下范围内。通过加热 释放出的氢分子的量低于5. OX IO21分子/cm3,优选低于3. OX IO21分子/cm3,更优选低于 I. OX IO21分子/cm3。虽然在晶体管50中通过绝缘膜25可以抑制从绝缘膜26释放出的氮 的渗入，但是优选尽量降低绝缘膜26中的可作为氮的源的氨的量。就是说，作为绝缘膜26， 优选使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氨分子的量尽量低。
[0043] 下面，说明通过热脱附谱分析（以下称为TDS)而释放出的氢分子的量及氨的量的 测量方法。
[0044] 在TDS分析中的气体的释放量与谱（spectrum)的积分值成正比。因此，根据绝缘 膜的谱的积分值与标准样品的基准值之间的比率，可以算出气体的释放量。标准样品的基 准值是指包含在样品中的预定的原子的密度相对于谱的积分值的比率。
[0045] 例如，根据公式1，使用标准样品的含有预定密度的氢的硅晶片的TDS分析结果以 及绝缘膜的TDS分析结果，就可以算出从绝缘膜释放出的氢分子的量（N H2)。在此，通过TDS 分析而得到的质量数为2的所有的谱都被假设为源自氢分子。并不考虑其质量数不是1的 氢原子同位素，因为这种分子的在自然界中的比率极低。
[0046] [公式 1]
【权利要求】
1. 一种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触且至少含有氮的第二绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第二绝缘膜释放 出的氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第二绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。
3. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的氢 氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度小于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜。
4. 根据权利要求1所述的半导体装置，还包括与所述第二绝缘膜接触而设置的有机树 脂膜。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
6. -种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜； 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触的第二绝缘膜； 在所述第二绝缘膜上并与所述第二绝缘膜接触的第三绝缘膜；以及 在所述第三绝缘膜上并与所述第三绝缘膜接触且至少含有氮的第四绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜是使氧透过的绝缘膜， 所述第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧， 所述第三绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第四绝缘膜释放出的 氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第四绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
7. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。
8. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的氢 氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度低于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜，这低于所述第二绝 缘膜的蚀刻速度。
9. 根据权利要求6所述的半导体装置，还包括与所述第四绝缘膜接触而设置的有机树 脂膜。
10. 根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
11. 一种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜，该第一绝缘膜 含有氧和硅； 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触的第二绝缘膜，该第二绝缘膜含有氧和 硅； 在所述第二绝缘膜上并与所述第二绝缘膜接触的第三绝缘膜，该第二绝缘膜含有氧和 娃；以及 在所述第三绝缘膜上并与所述第三绝缘膜接触且含有氮和硅的第四绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜是使氧透过的绝缘膜， 所述第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧， 所述第三绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第四绝缘膜释放出的 氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第四绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是致密的氧化物绝缘 膜。
13. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的 氢氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度低于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜，这低于所述第二 绝缘膜的蚀刻速度。
14. 根据权利要求11所述的半导体装置，还包括与所述第四绝缘膜接触而设置的有机 树脂膜。
15. 根据权利要求14所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
16. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第一、第二和第三绝缘膜中的至少 一个还含有氮。
【文档编号】H05B33/14GK104395991SQ201380034241
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】山崎舜平, 佐佐木俊成, 羽持贵士, 宫本敏行, 野村昌史, 肥塚纯一, 冈崎健一 申请人:株式会社半导体能源研究所
【专利摘要】本发明提供一种包含氧化物半导体的电特性变化得到抑制或者可靠性得到提高的半导体装置。在包括形成沟道形成区的氧化物半导体膜的半导体装置中，在上述氧化物半导体膜上设置有抑制水渗入且至少含有氮的绝缘膜以及抑制从该绝缘膜释放出的氮渗入的绝缘膜。作为渗入氧化物半导体膜的水，可以举出包含在空气中的水、设置在抑制水渗入的绝缘膜上的膜中的水等。另外，作为抑制水渗入的绝缘膜，可以使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分子的量低于5.0×1021分子/cm3。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001] 本说明书等所公开的发明涉及半导体装置。
[0002] 注意，本说明书等中的半导体装置是指通过利用半导体特性而能够工作的任何装 置，例如，电光装置、图像显示装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
【背景技术】
[0003] 对于以液晶显示装置及发光显示装置为代表的图像显示装置，利用了使用形成于 具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜的晶体管。此外，该晶体管也被广泛应用于如集成电 路（IC)等的电子设备。对于能够应用于该晶体管的半导体薄膜，不仅可以使用广为人知的 硅类半导体，还可以使用呈现半导体特性的金属氧化物（以下，称为氧化物半导体）。
[0004] 例如，已公开了制造使用氧化锌或In-Ga-Zn类氧化物半导体作为氧化物半导体 的晶体管的技术（参照专利文献1及2)。
[0005] 在本说明书中，使用氧化物半导体薄膜作为形成于具有绝缘表面的衬底上的半导 体薄膜的晶体管称为使用氧化物半导体的晶体管。另外，晶体管可以通过利用半导体特性 能够工作；由此，在本说明书中，晶体管是半导体装置。
[参考文献]
[专利文献]
[0006] [专利文献1]日本专利申请公开第2007-123861号 [专利文献2]日本专利申请公开第2007-096055号
【发明内容】
[0007] 在使用氧化物半导体的半导体装置中，在有些情况中，从设置在包含沟道形成区 的氧化物半导体膜上的绝缘膜等中释放出的元素作为杂质扩散到上述氧化物半导体膜中， 由此半导体装置的电特性（典型的是，阈值电压）改变了，这使半导体装置的可靠性降低 了。
[0008] 例如，在水及/或氢、或者氮及/或氨被包含在设置于氧化物半导体膜上的绝缘膜 中的情况下，水、氢、氮及氨中的任一种的扩散导致了半导体装置的电特性的变化，这使半 导体装置的可靠性降低了。
[0009] 渗入氧化物半导体膜中的氢与键合到金属原子的氧起反应而生成水，并且缺陷形 成在氧脱离的晶格（或氧脱离的部分）中。另外，部分氢与氧起反应而生成了作为载流子 的电子。此外，渗入氧化物半导体膜的氮与金属原子或氧起反应而生成了作为载流子的电 子。其结果是，包括含有氢或氮的氧化物半导体膜的晶体管很容易成为正常情况下导通。 [0010] 于是，本发明的一个方式的目的是提供一种电特性的变化得到抑制或者可靠性得 到提高的包含氧化物半导体的半导体装置。
[0011] 本发明的一个方式是一种具有包含沟道形成区的氧化物半导体膜的半导体装置， 并且在上述氧化物半导体膜上包括至少含有氮且抑制水的渗入（扩散）的绝缘膜以及抑制 从该绝缘膜释放出的元素（典型地是氮）渗入（扩散）的绝缘膜。作为渗入氧化物半导体 膜的水，可以举出空气中含有的水以及设置在抑制水渗入的绝缘膜上的膜中的水等。另外， 作为氮的来源，可以举出N2及NH 3等。
[0012] 也就是说，本发明的一个方式的半导体装置至少包括抑制水渗入的绝缘膜以及保 护氧化物半导体膜而避免从上述绝缘膜释放出的包含于上述绝缘膜中的元素渗入氧化物 半导体膜的绝缘膜。用来保护氧化物半导体膜的该绝缘膜抑制氮的渗入要多于氢的渗入。 因此，抑制水的渗入的绝缘膜优选为氢含量尽量被降低的绝缘膜。例如，通过加热从抑制水 的渗入的绝缘膜中释放的氢分子的量优选低于5. OX IO21分子/cm3。
[0013] 于是，本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅 电极的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜 接触的一对电极；设置于氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触且至少 含有氮的第二绝缘膜。第一绝缘膜保护氧化物半导体膜而避免从第二绝缘膜释放出的氮渗 入到氧化物半导体膜。通过加热从第二绝缘膜释放出的氢分子的量低于5. 0 X IO21分子/ cm3。
[0014] 另外，在本发明的一个方式的半导体装置中，可以使用致密的氧化物绝缘膜作为 保护氧化物半导体膜而避免从抑制水渗入的绝缘膜释放出的元素的影响的绝缘膜。作为抑 制水渗入的绝缘膜，可以使用氮化物绝缘膜，并通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分 子的量是在上述范围内。
[0015] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；设置于氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触的第二绝缘 膜。第一绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。通过加热从第二绝缘膜释放出的氢分子的量低于 5. OXlO21 分子 /cm3。
[0016] 另外，在本发明的一个方式的半导体装置中，致密的氧化物绝缘膜是在25°C用 0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min的氧化物绝缘膜。
[0017] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；设置在氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及与第一绝缘膜接触的第二绝缘 膜。第一绝缘膜是在25°c用0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min 的氧化物绝缘膜。第二绝缘膜是氮化物绝缘膜，并且通过加热从氮化物绝缘膜释放出的氢 分子的量低于5. OX IO21分子/cm3。
[0018] 在上述半导体装置中，在有机树脂膜被设置为与第二绝缘膜接触且被用作层间绝 缘膜或平坦化绝缘膜的情况下，第二绝缘膜可以抑制包含于该有机树脂膜中的水及空气中 含有的水透过该有机树脂膜进入氧化物半导体膜中。作为上述有机树脂膜的例子，可以举 出丙烯酸膜等。
[0019] 在本发明的一个方式的半导体装置中，能够填充氧化物半导体膜中所包括的氧空 位的绝缘膜被设置在氧化物半导体膜与保护氧化物半导体膜而避免从抑制水渗入的绝缘 膜中释放出的元素的影响的绝缘膜之间。具体地，设置了与氧化物半导体膜接触且使氧透 过的绝缘膜以及与使氧透过的绝缘膜接触且含有比化学计量组成更高比例的氧的绝缘膜。
[0020] 在上述半导体装置中，使氧透过的绝缘膜以及含有比化学计量组成更高比例的氧 的绝缘膜被设置在氧化物半导体膜上。因此，本发明的一个方式的半导体装置包括在氧化 物半导体膜上的具有不同功能的四种绝缘膜。
[0021] 本发明的一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括：栅电极；覆盖栅电极 的栅极绝缘膜；隔着栅极绝缘膜与栅电极重叠的氧化物半导体膜；与氧化物半导体膜接触 的一对电极；与氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜；与第一绝缘膜接触的第二绝缘膜；与 第二绝缘膜接触的第三绝缘膜；以及与第三绝缘膜接触且至少含有氮的第四绝缘膜。第一 绝缘膜是使氧透过的绝缘膜。第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧。第三绝缘膜 保护氧化物半导体膜而避免从第四绝缘膜释放出的氮渗入氧化物半导体膜。通过加热从第 四绝缘膜释放出的氢分子的量低于5. OX IO21分子/cm3。
[0022] 另外，在上述半导体装置中，使氧透过的氧化物绝缘膜可以用作第一绝缘膜，含有 比化学计量组成更高比例的氧的氧化物绝缘膜可以用作第二绝缘膜，致密的氧化物绝缘膜 可以用作第三绝缘膜，氮化物绝缘膜可以用作第四绝缘膜，通过加热从氮化物绝缘膜释放 出的氢分子的量是在上述范围内。
[0023] 在上述半导体装置中，能够用作第三绝缘膜的致密的氧化物绝缘膜是在25°C用 0. 5wt%的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于lOnm/min的氧化物绝缘膜，这低于第二 绝缘膜的蚀刻速率。
[0024] 在上述半导体装置中，在有机树脂膜被设置为接触于第四绝缘膜以被用作层间绝 缘膜或平坦化绝缘膜的情况下，该第四绝缘膜可以抑制包含于该有机树脂膜中的水及空气 中的水透过该有机树脂膜扩散至氧化物半导体膜中。例如，作为上述有机树脂膜，可以举出 丙烯酸膜等。
[0025] 根据本发明的一个方式，可以提供一种电特性的变化得到抑制的半导体装置或可 靠性得到提高的半导体装置。注意，作为通过本发明的一个方式的半导体装置能够抑制的 电特性的变化，可以举出随时间变化的半导体装置的阈值电压的变化、因利用光照射的栅 极偏压-温度BT (Bias-Temperature)应力试验而导致的半导体装置的阈值电压的变化等。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图IA至IC是示出晶体管的一个方式的俯视图及截面图。 图2A至2D是示出晶体管的制造方法的一个方式的截面图。 图3是示出晶体管的一个方式的截面图。 图4A至4C是示出显示装置的一个方式的俯视图。 图5A和5B是不出显不装置的一个方式的截面图。 图6是示出显示装置的一个方式的截面图。 图7A至7C是示出显示装置的一个方式的俯视图及截面图。 图8是示出显示装置的一个方式的截面图。 图9A和9B是示出半导体装置的一个方式的电路图及截面图。 图IOA至IOC都示出电子设备。 图IlA至IlC不出电子设备。 图12A和12B示出样品的结构。 图13A至13C示出热脱附（desorption)谱分析的结果。 图14A和14B示出热脱附谱分析的结果。 图15A和15B示出热脱附谱分析的结果。 图16A和16B示出热脱附谱分析的结果。 图17A至17D是示出晶体管的制造方法的截面图。 图18A至18C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图19A至19C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图20A至20C都示出晶体管的Vg-Id特性。 图21示出晶体管的Vg-Id特性与氮化硅膜中的氢分子的释放量及氨分子的释放量之间 的关系。
【具体实施方式】
[0027] 下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。注意，本发明不局限于以下说明，所 属【技术领域】的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容可以被变 换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定于以下实施方式的记载内容中。
[0028] 另外，在下面所说明的本发明的结构中，在不同的附图中使用相同的附图标记来 显示相同的部分或具有相同功能的部分，而不进行重复说明。此外，相同的阴影线适用于具 有相同功能的部分，该部分有时不特别由附图标记而表示。
[0029] 另外，在本说明书所说明的每个附图中，各构成要素的大小、膜的厚度或区域为了 清晰可见而有时被夸大。因此，本发明的一个方式并不一定限定于这种比例。此外，在本说 明书等中的"第一"、"第二"等序数词为方便而使用，并不表示工序顺序或叠层顺序。另外， 在本说明书等中的序数词不表示用来特定发明的固有名称。
[0030] 例如，在电路工作的电流方向变化的情况下，本发明中的"源极"及"漏极"的功能 有时互相调换。因此，在本说明书中词语"源极"及"漏极"可以被互相调换。
[0031] 另外，电压是指两个点的电位之间的差，电位是指某一点的静电场中的单位电荷 的静电能（电位能量）。注意，一般来说，将一点的电位与标准电位之间的差简单地称为电 位或电压，在很多情况下，电位和电压被用作同义词。因此，在本说明书中，除了特别指定的 情况以外，电位被可称为电压，电压也被可称为电位。
[0032] 在本说明书中，在光刻工序之后进行蚀刻工序的情况下，在蚀刻工序后去除光刻 工序中形成的掩模。
[0033] 实施方式1 在本实施方式中，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的一个方式的半导体装置及该半导体装置的制 造方法。在本实施方式中，说明包括氧化物半导体膜的晶体管作为半导体装置的例子。
[0034] 图IA至IC是晶体管50的俯视图及截面图。图IA是晶体管50的俯视图，图IB 是沿图IA的点划线A-B的截面图，并且图IC是沿图IA的点划线C-D的截面图。另外，在 图IA中，为了简化，省略衬底11、基底绝缘膜13、晶体管50的一些部件（例如，栅极绝缘膜 18)、绝缘膜23至26等。
[0035] 晶体管50是栅电极15被设置于衬底11上的底部栅极型晶体管。在晶体管50中， 栅极绝缘膜18设置在衬底11及栅电极15上，氧化物半导体膜20隔着栅极绝缘膜18设置 为与栅电极15重叠，并且一对电极21设置为接触于氧化物半导体膜20。此外，在晶体管50 中，绝缘膜25及26至少设置在栅极绝缘膜18、氧化物半导体膜20及一对电极21上。晶体 管50优选包括由设置在绝缘膜25与氧化物半导体膜20之间的绝缘膜23及24以及绝缘 膜25及26形成的保护膜27 (参照图IB及1C)。
[0036] 绝缘膜26至少含有氮，且具有抑制外部的水渗入氧化物半导体膜20的功能。绝 缘膜25具有抑制从绝缘膜26释放出的元素渗入氧化物半导体膜20的功能。换言之，绝缘 膜25保护氧化物半导体膜20以免受从绝缘膜26释放出的元素的影响。另外，绝缘膜25 还具有抑制包含在氧化物半导体膜20、设置在氧化物半导体膜20上的膜（例如，绝缘膜23 及24)等中的氧释放到外部的功能（氧的阻挡效果）。绝缘膜26也可以具有氧的阻挡效 果。从绝缘膜26释放出的元素主要为氮及含有如氨等可以成为氮的来源的化合物。在本 说明书中，外部的水是指空气中含有的水或者除了绝缘膜26以外的任一构成要素（例如， 绝缘膜）中含有的水。
[0037] 作为绝缘膜25,可以应用致密的氧化物绝缘膜。具体来说，该致密的氧化物绝缘膜 是在25°C用0. 5wt %的氢氟酸对其进行蚀刻的速率低于或等于10nm/min (优选低于或等于 8nm/分）的氧化物绝缘膜。
[0038] 绝缘膜25具有能够抑制从绝缘膜26释放出的元素渗入氧化物半导体膜20的厚 度。例如，绝缘膜25的厚度可以大于或等于5nm且小于或等于150nm，优选大于或等于5nm 且小于或等于50nm，更优选大于或等于IOnm且小于或等于30nm。
[0039] 因此，作为绝缘膜25,可以使用具有上述蚀刻速率及上述范围内的厚度的氧化硅 膜或氧氮化硅膜等。
[0040] 可用作绝缘膜25的氧化硅膜或氧氮化硅膜可以使用下述条件来形成。将经真空 排气的等离子体CVD装置的处理室内所放置的衬底置于高于或等于300°C且低于或等于 400°C，优选高于或等于320°C且低于或等于370°C的温度下，向处理室中引入源气体从而 使得压力为高于或等于IOOPa且低于或等于250Pa，优选高于或等于IOOPa且低于或等于 200Pa，并且高频电力被施加到设置于处理室内的电极。
[0041] 作为绝缘膜25的源气体，优选使用含有硅的沉积气体及氧化气体。含有硅的沉积 气体的典型例子包括硅烷、乙硅烷、丙硅烷、氟化硅烷。氧化气体的例子包括氧、臭氧、一氧 化二氮、二氧化氮。
[0042] 作为绝缘膜26,优选使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化绝物缘膜释放出 的氢分子的量尽量低。这是因为绝缘膜25有效地抑制从绝缘膜26释放出的氮的扩散，但 是较弱地抑制从绝缘膜26释放出的氢的扩散。具体地说，作为绝缘膜26,可以使用氮化 物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氢分子的量为以下范围内。通过加热 释放出的氢分子的量低于5. OX IO21分子/cm3,优选低于3. OX IO21分子/cm3,更优选低于 I. OX IO21分子/cm3。虽然在晶体管50中通过绝缘膜25可以抑制从绝缘膜26释放出的氮 的渗入，但是优选尽量降低绝缘膜26中的可作为氮的源的氨的量。就是说，作为绝缘膜26， 优选使用氮化物绝缘膜，并且通过加热从该氮化物绝缘膜释放出的氨分子的量尽量低。
[0043] 下面，说明通过热脱附谱分析（以下称为TDS)而释放出的氢分子的量及氨的量的 测量方法。
[0044] 在TDS分析中的气体的释放量与谱（spectrum)的积分值成正比。因此，根据绝缘 膜的谱的积分值与标准样品的基准值之间的比率，可以算出气体的释放量。标准样品的基 准值是指包含在样品中的预定的原子的密度相对于谱的积分值的比率。
[0045] 例如，根据公式1，使用标准样品的含有预定密度的氢的硅晶片的TDS分析结果以 及绝缘膜的TDS分析结果，就可以算出从绝缘膜释放出的氢分子的量（N H2)。在此，通过TDS 分析而得到的质量数为2的所有的谱都被假设为源自氢分子。并不考虑其质量数不是1的 氢原子同位素，因为这种分子的在自然界中的比率极低。
[0046] [公式 1]
【权利要求】
1. 一种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上的第一绝缘膜；以及 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触且至少含有氮的第二绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第二绝缘膜释放 出的氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第二绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。
3. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的氢 氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度小于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜。
4. 根据权利要求1所述的半导体装置，还包括与所述第二绝缘膜接触而设置的有机树 脂膜。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
6. -种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜； 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触的第二绝缘膜； 在所述第二绝缘膜上并与所述第二绝缘膜接触的第三绝缘膜；以及 在所述第三绝缘膜上并与所述第三绝缘膜接触且至少含有氮的第四绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜是使氧透过的绝缘膜， 所述第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧， 所述第三绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第四绝缘膜释放出的 氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第四绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
7. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是致密的氧化物绝缘膜。
8. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的氢 氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度低于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜，这低于所述第二绝 缘膜的蚀刻速度。
9. 根据权利要求6所述的半导体装置，还包括与所述第四绝缘膜接触而设置的有机树 脂膜。
10. 根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
11. 一种半导体装置，包括： 栅电极； 覆盖所述栅电极的栅极绝缘膜； 与所述栅电极重叠的氧化物半导体膜，所述栅极绝缘膜位于所述氧化物半导体膜和所 述栅电极之间； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的一对电极； 在所述氧化物半导体膜上并与所述氧化物半导体膜接触的第一绝缘膜，该第一绝缘膜 含有氧和硅； 在所述第一绝缘膜上并与所述第一绝缘膜接触的第二绝缘膜，该第二绝缘膜含有氧和 硅； 在所述第二绝缘膜上并与所述第二绝缘膜接触的第三绝缘膜，该第二绝缘膜含有氧和 娃；以及 在所述第三绝缘膜上并与所述第三绝缘膜接触且含有氮和硅的第四绝缘膜， 其中，所述第一绝缘膜是使氧透过的绝缘膜， 所述第二绝缘膜含有比化学计量组成更高比例的氧， 所述第三绝缘膜配置为保护所述氧化物半导体膜以防止从所述第四绝缘膜释放出的 氮渗入所述氧化物半导体膜， 并且，通过加热从所述第四绝缘膜释放的氢分子的量低于5. OX 1021分子/cm3。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是致密的氧化物绝缘 膜。
13. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第三绝缘膜是在25°C用0. 5wt%的 氢氟酸对其进行蚀刻的蚀刻速度低于或等于l〇nm/min的氧化物绝缘膜，这低于所述第二 绝缘膜的蚀刻速度。
14. 根据权利要求11所述的半导体装置，还包括与所述第四绝缘膜接触而设置的有机 树脂膜。
15. 根据权利要求14所述的半导体装置，其中所述有机树脂膜为丙烯酸膜。
16. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述第一、第二和第三绝缘膜中的至少 一个还含有氮。
【文档编号】H05B33/14GK104395991SQ201380034241
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】山崎舜平, 佐佐木俊成, 羽持贵士, 宫本敏行, 野村昌史, 肥塚纯一, 冈崎健一 申请人:株式会社半导体能源研究所
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1