專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括氧化物半導(dǎo)體的絕緣柵晶體管。
背景技術(shù)：
近年來，使用在具有絕緣表面的襯底之上形成的半導(dǎo)體薄膜(厚度大約為數(shù)納米至數(shù)百納米)來形成絕緣柵晶體管的技術(shù)已經(jīng)引起關(guān)注。絕緣柵晶體管廣泛應(yīng)用于諸如IC和電光裝置之類的電子裝置，并且已經(jīng)預(yù)計特別是作為圖像顯示裝置的開關(guān)元件迅速發(fā)展。各種金屬氧化物存在并且用于各種應(yīng)用。氧化銦是眾所周知的材料，并且用作液晶顯示器等所需的透明電極材料。一些金屬氧化物具有半導(dǎo)體特性。具有半導(dǎo)體特性的這類金屬氧化物的示例包括氧化鎢、氧化錫、氧化銦和氧化鋅。其中具有半導(dǎo)體特性的這種金屬氧化物用于溝道形成區(qū) 的絕緣柵晶體管是已知的(專利文獻(xiàn)I和2)。[參考文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)I]日本已發(fā)表專利申請No. 2007-123861。[專利文獻(xiàn)2]日本已發(fā)表專利申請No.2007-096055。

發(fā)明內(nèi)容
包括氧化物半導(dǎo)體的元件具有較高的場效應(yīng)遷移率，并且因而能夠不僅應(yīng)用于顯示裝置的像素的開關(guān)元件，而且還應(yīng)用于驅(qū)動器電路。此外，包括氧化物半導(dǎo)體的元件還能夠應(yīng)用于常規(guī)地包括諸如存儲器元件或圖像拾取裝置之類的體晶體管(bulk transistor)的裝置。對于任何用途，預(yù)期根據(jù)高精度或高集成化的元件的尺寸的減小，并且尺寸減小的極限需要考慮與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的因素、例如短溝道效應(yīng)以及材料的性質(zhì)和物理處理技術(shù)所引起的問題來確定。本發(fā)明的一個實(shí)施例的目的是提供一種具有有利電特性的絕緣柵晶體管，其中能夠最大程度地抑制短溝道效應(yīng)。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，經(jīng)過了脫水或脫氫的步驟以及添加氧的步驟的高度純化氧化物半導(dǎo)體用于其中形成溝道區(qū)的絕緣柵晶體管的氧化物半導(dǎo)體層。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的氧化物半導(dǎo)體是一種半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體通過將作為電子施主(施主)的雜質(zhì)降低到最小來成為本征或基本上本征，并且具有比硅半導(dǎo)體要大的能隙。具體來說，氧化物半導(dǎo)體的能隙為2 eV或以上，優(yōu)選地為2. 5 eV或以上，更優(yōu)選地為3 eV或以上。也就是說，本發(fā)明的一個實(shí)施例是其中使用氧化物半導(dǎo)體來形成溝道區(qū)的絕緣柵晶體管。在氧化物半導(dǎo)體中，去除氧化物半導(dǎo)體中包含的氫或OH基，使得氧化物半導(dǎo)體中的氫的濃度為度為5 X IO19 /cm3或更小、優(yōu)選地為5 X IO18 /cm3或更小、更優(yōu)選地為5 X IO17/cm3或更小、進(jìn)一步更優(yōu)選地為IXlO16 /cm3或更小作為通過二次離子質(zhì)譜(SMS)所測量的最小值，以及載流子濃度小于I X IO12 /Cm3、優(yōu)選地小于I X IO11 /cm3、更優(yōu)選地小于或等于I. ASXIOki /cm3 (這 是硅的本征載流子濃度)。在一般使用的砷化硅或鎵中，即使施主或受主的濃度充分降低，也無法實(shí)現(xiàn)這種極低的載流子濃度。那是因?yàn)樯榛韬玩壍哪芟斗謩e略大于I eV，并且通過這種等級的能隙，因大約室溫下的熱激發(fā)而生成載流子。此外，在諸如碳化硅和氮化鎵之類的寬帶隙半導(dǎo)體中，存在因熱激發(fā)而生成的明顯極少的載流子；但是，晶體缺陷、局部的化學(xué)計算差等引起載流子的生成。因此，在這種半導(dǎo)體材料中，無法實(shí)現(xiàn)極低的載流子濃度，除非半導(dǎo)體材料具有帶極少缺陷的理想晶體。換言之，本發(fā)明的一個實(shí)施例中使用的氧化物半導(dǎo)體能夠僅通過具有能隙為2 eV或以上、優(yōu)選地為2. 5 eV或以上、更優(yōu)選地為3 eV或以上的特性以及沒有因晶體缺陷等而引起的載流子的特性來具有其載流子濃度，這些特性是氧化物半導(dǎo)體特有的特性。按照本發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，在許多氧化物半導(dǎo)體中，特別是在包含鋅的氧化物半導(dǎo)體中，雜質(zhì)沒有變成施主或受主，其中有些例外、例如氫、氧和氮，并且氫的離子化速率相當(dāng)?shù)?。已知的是，載流子由這些氧化物半導(dǎo)體中的氧空位(氧缺陷)來生成，并且氧空位能夠通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硐Ｒ簿褪钦f，按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，具有以上所述的這種極低載流子濃度的本征或基本上本征半導(dǎo)體能夠通過將氧化物半導(dǎo)體中的氫的濃度設(shè)置成上述等級并且然后通過氧氣氛中的熱處理填充氧空位(氧缺陷)來得到。按照上述方式經(jīng)過高度純化的氧化物半導(dǎo)體用于絕緣柵晶體管的溝道形成區(qū)，由此絕緣柵晶體管具有常截止的電特性；因此，當(dāng)漏極電壓為I V至10 V的范圍之內(nèi)的給定電壓時，截止電流(當(dāng)柵極與源極之間的電壓為0 V或更小時在源極與漏極之間流動的電流)能夠?yàn)?X10—13 A或更小，或者截止電流密度(通過將截止電流除以絕緣柵晶體管的溝道寬度所得到的數(shù)值)能夠?yàn)?00 aA/um(aA :毫微安，毫微表示10_18倍)或更小、優(yōu)選地為10 aA/u m或更小、更優(yōu)選地為I aA/um或更小。雖然極低的截止電流特性能夠如上所述來得到，但是耗盡層可能延伸，并且因而短溝道效應(yīng)易于發(fā)生，因?yàn)闇系佬纬蓞^(qū)使用具有極低載流子濃度的這種本征或基本上本征半導(dǎo)體來形成。具體來說，本發(fā)明的一個實(shí)施例中所處理的氧化物半導(dǎo)體具有以上指出的極低載流子濃度；因此，甚至在具有從一般知識尚未被認(rèn)為引起短溝道效應(yīng)的充分長的溝道長度的絕緣柵晶體管中，短溝道效應(yīng)也發(fā)生。但是，這種事實(shí)尚未被完全研究。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于鑒于該事實(shí)的研究，有效的是優(yōu)化氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的厚度以抑制這種短溝道效應(yīng)。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，在溝道長度為0.2 至3.0 ym(包括兩端)的絕緣柵晶體管中，因短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化量(AVth)的最大值能夠抑制為小于0. 5 V、優(yōu)選地為0. 25 V或更小、更優(yōu)選地為0. I V或更小。本說明書中公開的本發(fā)明的一個實(shí)施例是一種絕緣柵晶體管，其中包括柵電極層；柵絕緣層，與柵電極層重疊；氧化物半導(dǎo)體層，隔著柵絕緣層與柵電極層重疊；源電極和漏電極層，與氧化物半導(dǎo)體層的部分重疊；以及氧化物絕緣層，與氧化物半導(dǎo)體層相接觸。氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于lX1012/cm3。在氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為0. 2 ii m至3. 0 11111(包括兩端)。氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至30 nm(包括兩端)。柵絕緣層的厚度為20 nm至50 nm (包括兩端)。本說明書中公開的本發(fā)明的另一個實(shí)施例是一種絕緣柵晶體管，其中包括柵電極層；柵絕緣層，與柵電極層重疊；氧化物半導(dǎo)體層，隔著柵絕緣層與柵電極層重疊；源電極和漏電極層，與氧化物半導(dǎo)體層的部分重疊；以及氧化物絕緣層，與氧化物半導(dǎo)體層相接觸。氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于lX1012/cm3。在氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為0. 2 iim至3.0 11111(包括兩端)。氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至100 nm(包括兩端)。柵絕緣層的厚度為10 nm至20 nm(包括兩端)。本發(fā)明的一個實(shí)施例的目的是通過上述結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)如下方面。閾值電壓的變化量(AVth)的最大值小于0.5 V、優(yōu)選地為0.25 V或更小、更優(yōu)選地為0. I V或更小。為了將A Vth抑制到0. 25 V或更小，優(yōu)選的是將柵絕緣層和氧化物半導(dǎo)體層的厚度分別設(shè)置為10nm至20 nm(包括兩端)和15 nm至50 nm(包括兩端)或者分別為20 nm至50 nm(包括兩端)和15 nm或更小。為了將AVth 抑制到0.1 V或更小，優(yōu)選的是將柵絕緣層和氧化物半導(dǎo)體層的厚度分別設(shè)置為10 nm至20 nm(包括兩端)和15 nm或更小。在上述結(jié)構(gòu)中，絕緣柵晶體管的柵電極層能夠使用包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者這些膜的兩個或更多的疊層(stack)來形成。源電極層和漏電極層可使用任意能夠用于柵電極層的金屬元素來形成，或者可形成為具有一種結(jié)構(gòu)，其中鉻、鉭、鈦、鑰、鎢等的高熔點(diǎn)金屬層在鋁、銅等的金屬層之上和/或之下形成。在使用鋁的情況下，添加了諸如硅、鈦、鉭、鎢、鑰、鉻、釹或釔之類的防止鋁膜中的小丘和須(hillock and whisker)的生成的元素的招材料可用來代替純招。作為柵絕緣層，能夠使用氧化娃、氧氮化娃(silicon oxynitride)、氮氧化娃(silicon nitride oxide)、氮化娃、氧化招、氧化鉿、氧化鉭等中的任意的單層膜或?qū)盈B膜(laminate film)。在上述結(jié)構(gòu)中，絕緣柵晶體管包括氧化物半導(dǎo)體層之上的氧化物絕緣層，并且氧化物絕緣層可使用以氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜或氧氮化鋁膜為代表的無機(jī)絕緣膜來形成。注意，作為氧化物半導(dǎo)體層，能夠使用由InMO3(ZnO)niOiiS 0)所表示的薄膜。在這里，M表不從Ga、Al、Mn和Co中所選的一種或多種金屬兀素。例如，M能夠是Ga、Ga和Al、Ga 和 Mn、Ga 和 Co 等。通過形成具有上述結(jié)構(gòu)的絕緣柵晶體管，甚至在本征或基本上本征半導(dǎo)體用于溝道形成區(qū)的情況下，也能夠最大程度地抑制短溝道效應(yīng)，并且在溝道長度的上述范圍中，閾值電壓的變化量的最大值能夠抑制為小于0.5 V。注意，在本說明書中，半導(dǎo)體器件表示能夠通過利用半導(dǎo)體特性來起作用的一般裝置，并且電光裝置、半導(dǎo)體電路和電子裝置都是半導(dǎo)體器件。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，甚至在包括本征或基本上本征高度純化氧化物半導(dǎo)體層、具有溝道長度較短的結(jié)構(gòu)的絕緣柵管中，也能夠通過適當(dāng)設(shè)置氧化物半導(dǎo)體和柵絕緣層的厚度來抑制短溝道效應(yīng)。


圖I是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的晶體管的截面 圖2A至圖2E是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的制造過程的截面 圖3示出包括氧化物半導(dǎo)體的絕緣柵晶體管的VG-ID特性；圖4A和圖4B是包括氧化物半導(dǎo)體的絕緣柵晶體管的照片；
圖5A和圖5B示出包括氧化物半導(dǎo)體的絕緣柵晶體管的VG-ID特性(溫度特性)；
圖6是包括氧化物半導(dǎo)體的反交錯(inverted-staggered)絕緣柵晶體管的縱向截面
圖7A和圖7B是與沿圖6的A-A’所截取的截面對應(yīng)的能帶圖(示意圖)；
圖8A和圖8B是與沿圖6的B-B’所截取的截面對應(yīng)的能帶圖(示意圖)；圖8八示出將正電位(VG > 0)提供給柵極(Gl)的狀態(tài)，以及圖8B示出將負(fù)電位(VG < 0)提供給柵極(Gl)的狀態(tài)； 圖9示出真空能級、金屬的功函數(shù)((K)和氧化物半導(dǎo)體的電子親合勢(X)之間的關(guān)
系;
圖10示出用于科學(xué)計算的絕緣柵晶體管的結(jié)構(gòu)模型；
圖IlA至圖IlD示出通過由科學(xué)計算來計算閾值電壓所得到的結(jié)果；
圖12A和圖12B示出電子裝置；
圖13A和圖13B示出電子裝置；
圖14A和圖14B示出電子裝置；
圖15是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的晶體管的截面 圖16示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的晶體管的VG-ID特性；
圖17是比較按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的晶體管的閾值電壓和科學(xué)計算結(jié)果的圖表。
具體實(shí)施例方式將參照附圖來描述實(shí)施例和示例。注意，本發(fā)明并不局限于以下描述，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解，本發(fā)明的模式和細(xì)節(jié)能夠通過各種方式來修改，而沒有背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)被理解為局限于實(shí)施例和示例的以下描述。注意，在以下所述的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，相同部分或者具有相似功能的部分在不同附圖中由相同的參考標(biāo)號來表不，并且省略其描述。(實(shí)施例I)
在這個實(shí)施例中，所述的將是按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的絕緣柵晶體管的結(jié)構(gòu)以及絕緣柵晶體管的制造方法。在這個實(shí)施例中，以反交錯絕緣柵晶體管為例，并且圖I示出其結(jié)構(gòu)。注意，該結(jié)構(gòu)并不局限于反交錯結(jié)構(gòu)，而是可采用其它底接觸結(jié)構(gòu)、頂柵結(jié)構(gòu)等的任一個。圖I所示的絕緣柵晶體管在襯底400之上包括柵電極層421、柵絕緣層402、氧化物半導(dǎo)體層404、源電極層445a、漏電極層445b、氧化物絕緣層427以及用作保護(hù)膜的絕緣層 428。另外，圖I中的“L”表示在氧化物半導(dǎo)體層404中形成的溝道區(qū)的溝道長度，并且通過源電極層445a與漏電極層445b之間的距離來定義。一般來說，當(dāng)距離較短時，延伸到溝道區(qū)的源區(qū)和漏區(qū)的耗盡層的比例可能增加，使得采用柵極電壓的對電流的控制較難。換言之，所謂的短溝道效應(yīng)可能發(fā)生。特別是在作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的絕緣柵晶體管中，由于作為具有明顯低載流子濃度的本征或基本上本征半導(dǎo)體的氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)，所以耗盡層可能延伸，并且因而可能引起短溝道效應(yīng)。
當(dāng)短溝道效應(yīng)發(fā)生時，例如，閾值電壓發(fā)生變化，以及此外，亞閾值擺動(subthreshold swing)和截止電流增加，并且源極與漏極之間的耐受電壓降低；因此，晶體管的性質(zhì)變得相當(dāng)差。為了抑制短溝道效應(yīng)，有效的是減小作為溝道形成層的氧化物半導(dǎo)體層的厚度，使得能夠抑制因漏極電場引起的耗盡層的延伸；以及減小柵絕緣層的厚度以增加?xùn)艠O電場，使得漏極電場的影響相對降低。因此，在作為具有明顯低載流子濃度的本征或基本上本征半導(dǎo)體的按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)的情況下，氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層具有相對于某個范圍中的溝道長度的厚度的優(yōu)選范圍，這允許抑制短溝道效應(yīng)。當(dāng)溝道長度為0.2 至3.0 Pm(包括兩端)的絕緣柵晶體管包括具有下列厚度的氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層時，閾值電壓的變化量的最大值能夠抑制成小于0. 5 V。柵電極層421能夠形成為具有使用諸如鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹或鈧之類的金屬材料、包含任意這些金屬材料作為其主要成分的合金材料或者包含任意這些金屬材料的氮化物的單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的是，柵電極層借助于諸如鋁或銅之類的低電阻金屬材料來形成，這是有效的；但是，低電阻金屬材料優(yōu)選地與高熔點(diǎn)金屬材料結(jié)合使用，因?yàn)樗哂兄T如低耐熱性以及被腐蝕的趨勢之類的缺點(diǎn)。作為高熔點(diǎn)金屬材料，能夠使用鑰、鈦、鉻、鉭、鶴、釹、鈧等。源電極層445a和漏電極層445b (包括在與源電極層445a和漏電極層445b相同的層中形成的布線層)可使用任意能夠用于柵電極層的金屬元素來形成，或者可形成為具有一種結(jié)構(gòu)，其中鉻、鉭、鈦、鑰、鎢等的高熔點(diǎn)金屬層在鋁、銅等的金屬層之上和/或之下形成。又備選地，當(dāng)使用添加了諸如硅、鈦、鉭、鎢、鑰、鉻、釹或釔之類的防止鋁膜中的小丘和須的生成的元素的鋁材料時，耐熱性能夠增加。備選地，源電極層445a和漏電極層445b (包括在與源電極層445a和漏電極層445b相同的層中形成的布線層)可使用導(dǎo)電金屬氧化物來形成。作為導(dǎo)電金屬氧化物，能夠使用氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦和氧化錫的合金(In2O3-SnO2,縮寫成IT0)、氧化銦和氧化鋅的合金(In2O3-ZnO)或者任意包含硅或氧化硅的金屬氧化物材料。作為柵絕緣層402，能夠使用通過CVD方法、濺射方法等所形成的氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭等中的任意的單層膜或?qū)盈B膜。柵絕緣層402的厚度為10 nm至20 nm (包括兩端)或者20 nm至50 nm (包括兩端)，并且有選擇地與氧化物半導(dǎo)體層的厚度的示例相結(jié)合，下面將進(jìn)行描述。作為用于氧化物半導(dǎo)體層404的材料，能夠使用諸如In-Sn-Ga-Zn-O基材料之類的四元金屬氧化物材料、諸如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基材料或Sn-Al-Zn-O基材料之類的三元金屬氧化物材料、諸如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、In-Mg-O基材料或In-Ga-O基材料之類的二元金屬氧化物材料、In-O基材料、Sn-O基材料或Zn-O基材料。另外，上述材料可包含Si02。在這里，例如，In-Ga-Zn-O基材料表示包含銦(In)、鎵(Ga)和鋅(Zn)的氧化物，而對組成比沒有具體限制。此外，In-Ga-Zn-O基材料可包含除了 In、Ga和Zn之外的元素。氧化物半導(dǎo)體層404通過濺射方法來形成。當(dāng)柵絕緣層402的厚度為10 nm至20、nm(包括兩端)時,氧化物半導(dǎo)體層404的厚度優(yōu)選地為15 nm至100 nm(包括兩端)，以及當(dāng)柵絕緣層402的厚度為20 nm至50 nm(包括兩端)時，氧化物半導(dǎo)體層404的厚度優(yōu)選地為15 nm至30 nm(包括兩端)。通過這種組合，能夠最大程度地抑制短溝道效應(yīng)。在被形成之后，氧化物半導(dǎo)體層404經(jīng)過采用電爐、RTA (快速熱退火)設(shè)備等的脫水或脫氫處理。脫水或脫氫處理在惰性氣體氣氛中以400°C至750°C (包括兩端)來執(zhí)行。注意，在玻璃等用作襯底的情況下，必需以小于或等于襯底的應(yīng)變點(diǎn)的溫度來執(zhí)行脫水或脫氫處理。例如，加熱可使用電爐以450°C來執(zhí)行一小時。通過RTA設(shè)備，脫水或脫氫能夠在短時間中執(zhí)行；因此，處理能夠甚至在高于玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)的溫度下執(zhí)行。用作溝道保護(hù)層的氧化物絕緣層427設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體層404、源電極層445a和漏電極層445b之上。使用以氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜或氧氮化鋁膜為代表的無機(jī)絕緣膜來形成氧化物絕緣層427此外，絕緣層428優(yōu)選地作為保護(hù)膜來設(shè)置。作為絕緣層428，優(yōu)選地使用氮化硅膜、氮氧化硅膜或氮化鋁膜。雖然未示出，但是導(dǎo)電膜可設(shè)置在氧化物絕緣層427或絕緣層428之上，以便與溝道形成區(qū)重疊，使得形成背柵電極層。有效的是在抑制閾值電壓的變化方面將背柵電極層的電位設(shè)置成特定電位(例如地電位)。接下來將參照圖2A至圖2E來描述用于制造包括圖I的氧化物半導(dǎo)體層的絕緣柵晶體管的方法。首先，導(dǎo)電膜在具有絕緣表面的襯底400之上形成。然后，抗蝕劑掩模通過第一光刻過程來形成，以及有選擇地蝕刻導(dǎo)電膜，使得形成柵電極層421。注意，抗蝕劑掩?？赏ㄟ^噴墨方法來形成。通過噴墨方法來形成抗蝕劑掩模不需要光掩模；因此，制造成本能夠降低。形成柵電極層421的導(dǎo)電膜使用從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的元素、包含任意上述元素作為其主要成分的金屬材料、包含任意這些元素或者任意上述金屬材料的組合的合金膜、任意這些元素、任意上述金屬材料和任意金屬膜的疊層等等來形成。當(dāng)后來執(zhí)行的熱處理的溫度較高時，應(yīng)變點(diǎn)為730°C或更高的玻璃襯底優(yōu)選地用作襯底400。作為玻璃襯底的材料，例如能夠使用諸如鋁硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃或鋇硼硅酸鹽玻璃之類的玻璃材料。注意，代替上述玻璃襯底，使用諸如陶瓷襯底、石英襯底或藍(lán)寶石襯底之類的絕緣體所形成的襯底可用作襯底400。備選地，可使用晶化玻璃襯底等。雖然未示出，但是用作基底膜的絕緣層可設(shè)置在襯底400與柵電極層421之間?；啄ぞ哂蟹乐闺s質(zhì)元素從襯底400擴(kuò)散的功能，并且能夠形成為具有使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜和氧氮化硅膜中的一個或多個的單層結(jié)構(gòu)或分層結(jié)構(gòu)。作為用于形成絕緣層的方法的示例，將描述通過濺射方法來形成氧化硅層的示例。例如，在下列條件下采用RF濺射方法來形成氧化硅膜石英(優(yōu)選地為合成石英)用作靶；襯底溫度為108°C ;襯底與靶之間的距離(T-S距離)為60 mm;壓力為0.4 Pa ;高頻功率為1.5 kff ；以及氣氛為包含氧和氬的氣氛(氧與氬的流量比為1:1(各流量比為25sccm))。氧化娃膜的厚度為100 nm。從業(yè)人員可適當(dāng)?shù)馗淖冞@些條件。注意，代替石英(優(yōu)選地為合成石英)，硅靶可用作在形成氧化硅膜時使用的靶。作為濺射氣體，使用氧或者氧和氬的混合氣體，并且采用RF濺射方法。在那種情況下，優(yōu)選地在去除處理室中剩余的水分的情況下形成絕緣層。這用于防止氫、羥基和水分包含在絕緣層中。為了去除處理室中剩余的水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵。例如，優(yōu)選地使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。此外，排氣單元可以是提供有冷阱的渦輪分子泵。在采用低溫泵排空的沉積室中，去除氫原子、包含氫原子的化合物、如水(H2O)等，由此能夠降低沉積室中形成的絕緣層的雜質(zhì)(具體為氫)的濃度。優(yōu)選的是使用從其中將諸如氫、水、羥基或氫化物之類的雜質(zhì)去除到數(shù)ppm或者數(shù)PPb的濃度的高純度氣體，作為在形成絕緣層時使用的濺射氣體。濺射方法的示例包括上述RF濺射方法，其中高頻電力用作濺射電源；DC濺射方法；以及脈沖DC濺射方法，其中以脈沖方式來施加偏壓。RF濺射方法主要用于形成絕緣膜的情況，而DC濺射方法主要用于形成金屬導(dǎo)電膜的情況。 另外，還存在多源濺射設(shè)備，其中能夠設(shè)置不同材料的多個靶。通過多源濺射設(shè)備，不同材料的膜能夠形成為層疊在同一個室中，或者多種材料能夠在同一個室中同時派射供膜形成。另外，存在一種提供有室內(nèi)部的磁系統(tǒng)的濺射設(shè)備，磁系統(tǒng)用于磁控管濺射方法，并且存在一種用于ECR濺射方法的濺射設(shè)備，其中使用通過采用微波所產(chǎn)生的等離子體，而無需使用輝光放電。此外，作為使用濺射方法的沉積方法，還存在反應(yīng)濺射方法，其中靶物質(zhì)和濺射氣體成分在沉積期間相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以便形成其化合物薄膜，并且存在偏壓濺射方法，其中電壓在沉積期間還施加到襯底。從業(yè)人員可適當(dāng)?shù)剡x擇這些濺射方法的任一種。此外，絕緣層可具有分層結(jié)構(gòu)，其中，例如，諸如氮化硅層、氮氧化硅層、氮化鋁層或者氮氧化鋁層之類的氮化物絕緣層和上述氧化物絕緣層按照這個順序從襯底側(cè)來層疊。例如，引入從其中去除氫和水分并且其包含高純度氮的濺射氣體以及使用硅發(fā)出，由此在氧化硅層與襯底之間形成氮化硅層。在這種情況下，優(yōu)選地在去除處理室中剩余的水分的情況下形成氮化硅層，與氧化硅層相似。在形成氮化硅層的情況下，可在膜形成中加熱襯底。在氮化硅層和氧化硅層的疊層這樣設(shè)置為絕緣層的情況下，能夠借助于公共硅發(fā)出在相同處理室中形成氮化硅層和氧化硅層。在首先引入包含氮的濺射氣體之后，使用在處理室中安裝的硅靶來形成氮化硅層，然后將濺射氣體切換到包含氧的濺射氣體，并且使用相同的硅靶來形成氧化硅層。因此，氮化硅層和氧化硅層能夠相繼形成而無需暴露于空氣；因此能夠防止諸如氫和水分之類的雜質(zhì)吸附到氮化硅層的表面。然后，柵絕緣層402在柵電極層421之上形成。在這里，后來將要形成的氧化物半導(dǎo)體層是通過去除雜質(zhì)而成為本征或基本上本征的并且對界面能級(interface level)和界面電荷相當(dāng)敏感的氧化物半導(dǎo)體；因此,與柵絕緣層的界面是重要的。為此，將要與高度純化的氧化物半導(dǎo)體相接觸的柵絕緣層需要具有聞質(zhì)量。例如，優(yōu)選地采用使用微波(2. 45 GHz)的高密度等離子體CVD方法，因?yàn)槟軌蛐纬擅芗牟⑶揖哂懈吣褪茈妷汉透哔|(zhì)量的絕緣膜。當(dāng)高度純化的氧化物半導(dǎo)體和高質(zhì)量柵絕緣層相互緊密接觸時，界面電平可減小，并且界面特性能夠是有利的。不用說，能夠采用例如濺射方法或等離子體CVD方法之類的另一種形成方法，只要能夠形成作為柵絕緣層的高質(zhì)量絕緣層。此外，有可能形成與氧化物半導(dǎo)體的界面的質(zhì)量和特性通過在形成絕緣層之后所執(zhí)行的熱處理得到改進(jìn)的絕緣層。在任何情況下，形成具有作為柵絕緣層的有利質(zhì)量并且能夠降低與氧化物半導(dǎo)體的界面狀態(tài)密度以形成有利界面的絕緣層。在85°C下以2X IO6 V/cm進(jìn)行的為時12 小時的偏置溫度應(yīng)力測試(BT測試)中，如果雜質(zhì)添加到氧化物半導(dǎo)體，則雜質(zhì)與氧化物半導(dǎo)體的主要成分之間的結(jié)合被高電壓(B :偏置)和高溫度(T :溫度)破壞，并且所生成的懸掛鍵引起閾值電壓(Vth)的漂移。相反，按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，氧化物半導(dǎo)體的雜質(zhì)、特別是氫、水等降低到最小，并且如上所述使氧化物半導(dǎo)體與柵絕緣層之間的界面特性是有利的，由此能夠得到相對于BT測試是穩(wěn)定的絕緣柵晶體管。在這個實(shí)施例中，柵絕緣層402使用其中采用微波(2. 45 GHz)的高密度等離子體CVD設(shè)備來形成。在這里，高密度等離子體CVD設(shè)備指的是能夠?qū)崿F(xiàn)高于或等于IXlO11 /cm3的等離子體密度的設(shè)備。例如，等離子體通過施加3 kW至6 kW(包括兩端)的微波功率來生成。將甲硅烷氣體(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和稀有氣體作為源氣體引入室中，以便在10 Pa至30 Pa的壓力下生成高密度等離子體，并且絕緣層在襯底之上形成。隨后，可通過引入氧化氮(N2O)和稀有氣體，來對絕緣層的表面執(zhí)行等離子體處理，而沒有在停止提供甲硅烷氣體之后暴露于空氣。至少在形成絕緣層之后，通過引入氧化氮(N2O)和稀有氣體，來對絕緣層的表面執(zhí)行等離子體處理。通過上述加工過程所形成的絕緣層是一種絕緣層，例如即使它具有小于100 nm的小厚度，也能夠確保其可靠性。在形成柵絕緣層402中，引入室中的甲硅烷氣體(SiH4)與一氧化二氮(N2O)的流量比是在1:10至1:200的范圍之內(nèi)。另外，作為引入室中的稀有氣體，能夠使用氦、氬、氪、氙等。具體來說，優(yōu)選地使用低成本的氬。此外，使用高密度等離子體CVD設(shè)備所形成的絕緣層具有優(yōu)良階梯覆蓋和優(yōu)良的厚度可控性。使用高密度等離子體CVD設(shè)備所形成的絕緣層的質(zhì)量與通過使用常規(guī)平行板等離子體CVD設(shè)備所得到的絕緣層是明顯不同的。例如，在使用相同蝕刻劑相互進(jìn)行比較時，使用高密度等離子體CVD設(shè)備所形成的蝕刻速率比使用平行板等離子體CVD設(shè)備所形成的絕緣層要低10%或以上或者20%或以上。也就是說，使用高密度等離子體CVD設(shè)備所形成的絕緣層能夠說成是密集的。在這個實(shí)施例中，使用高密度等離子體CVD設(shè)備所形成的厚度為10 nm至50nm(包括兩端)的氧氮化硅膜(又稱作SiOxNy,其中x > y > 0)用作柵絕緣層402。備選地，柵絕緣層402可通過等離子體CVD方法、濺射方法等形成為具有使用氧化硅層、氮化硅層、氧氮化硅層、氮氧化硅層、氧化鋁層、氧化鉿層和氧化鉭層中的任意的單層或分層結(jié)構(gòu)。注意，柵絕緣層402優(yōu)選地通過濺射方法來形成，使得它包含盡可能少的氫。在通過濺射方法來形成氧化硅膜的情況下，硅靶或石英靶用作靶，并且氧或者氧和氬的混合氣體用作濺射氣體。此外，柵絕緣層402優(yōu)選地在去除處理室中剩余的水分的同時通過與用于形成絕緣層(基底膜)的上述方法相似的方法來形成。
又備選地，柵絕 緣層402可具有其中層疊氧化硅層和氮化硅層的結(jié)構(gòu)。例如，總厚度為10 nm至50 nm(包括兩端)的柵絕緣層可按照如下方式來形成使得氧化硅層(SiOx (x> 0))作為第一柵絕緣層以及然后氮化硅層(SiNy (y > 0))作為第二柵絕緣層層疊在第一柵絕緣層之上。隨后，在柵絕緣層402之上，氧化物半導(dǎo)體膜形成為10 nm至100 nm(包括兩端)的厚度(參見圖2A)。在這里，如上所述，柵絕緣層和氧化物半導(dǎo)體膜的厚度的組合設(shè)置成使得閾值電壓的變化量的最大值在溝道長度L處于0.2 至3.0 Pm(包括兩端)的范圍之內(nèi)時能夠抑制到小于0.5 V。作為氧化物半導(dǎo)體膜，能夠使用由InMO3(ZnO)niGii > 0)所表示的薄膜。在這里，M表不從Ga、Al、Mn和Co中所選的一種或多種金屬兀素。例如，M能夠是Ga、Ga和Al、Ga和Mn、Ga 和 Co 等。在這個實(shí)施例中，氧化物半導(dǎo)體膜通過濺射方法、借助于In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體靶來形成。作為濺射氣體，能夠使用稀有氣體(通常為氬)、氧或者稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣體。優(yōu)選的是使用從其中將諸如氫、水、羥基或氫化物之類的雜質(zhì)去除到數(shù)ppm或者數(shù)PPb的濃度的高純度氣體作為濺射氣體。作為用于濺射方法的膜形成靶，使用具有下列組成比的金屬氧化物In2O3 :Ga203: ZnO的組成比為I: I: I [摩爾比]。備選地，可使用具有下列組成比的金屬氧化物=In2O3IGa2O3:ZnO的組成比為1:1:2[摩爾比]。膜形成靶的填充率(fill rate)為90%至100% (包括兩端)，優(yōu)選地為95%至100% (包括兩端)。借助于具有高填充率的膜形成靶，能夠形成密集氧化物半導(dǎo)體膜。將襯底保持在控制為降低壓力的處理室中，將去除了氫和水分的濺射氣體引入去除了剩余水分的處理室中，并且氧化物半導(dǎo)體膜借助于作為靶的金屬氧化物在絕緣層之上形成。為了去除處理室中剩余的水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵。例如，優(yōu)選地使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。此外，排氣單元可以是提供有冷阱的渦輪分子泵。在采用低溫泵排空的沉積室中，去除氫原子、諸如水(H2O)之類的包含氫原子的化合物(更優(yōu)選地，還有包含碳原子的化合物)等等，由此能夠降低沉積室中形成的氧化物半導(dǎo)體膜的雜質(zhì)濃度。當(dāng)形成氧化物半導(dǎo)體膜時，可對襯底加熱。沉積條件的一個示例如下所述襯底溫度為室溫，襯底與靶之間的距離為110 mm,壓力為0.4 Pa，DC功率為0.5 kW，以及氣氛為包含氧和氬的氣氛(氧的流量比為15 sccm:氬的流量比為30 sccm)。優(yōu)選的是使用脈沖DC電源，因?yàn)槟軌蚪档湍ば纬芍猩傻念w粒(又稱作粉狀物質(zhì)或灰塵)，并且膜厚度能夠是均勻的。注意，在氧化物半導(dǎo)體膜通過濺射方法來形成之前，附于其上將要形成氧化物半導(dǎo)體膜的表面的灰塵優(yōu)選地通過其中引入氬氣并且生成等離子體的反濺射(reversesputtering)被去除。在這里，反濺射是一種方法，通過該方法，離子與待處理表面碰撞，使得表面經(jīng)過修正，與離子用以與濺射靶碰撞的標(biāo)準(zhǔn)濺射相反。注意，氮?dú)夥铡⒑夥铡⒀鯕夥盏鹊瓤捎脕泶鏆鍤夥铡?br> 在形成氧化物半導(dǎo)體膜之前，熱處理(以高于或等于400°C但低于襯底的應(yīng)變點(diǎn))可在惰性氣體氣氛(例如氮、氦、氖或氬)中執(zhí)行，使得去除柵絕緣層中包含的諸如氫和水之類的雜質(zhì)。
隨后，氧化物半導(dǎo)體膜通過第二光刻過程處理為島狀氧化物半導(dǎo)體層。也就是說，抗蝕劑施加于氧化物半導(dǎo)體膜之上，并且通過已知光刻方法來處理，以便形成抗蝕劑掩模?？刮g劑掩模可通過噴墨方法來形成。當(dāng)抗蝕劑掩模通過噴墨方法來形成時，制造成本能夠降低(參見圖2B)。然后，氧化物半導(dǎo)體層404經(jīng)過第一熱處理。第一熱處理的溫度高于或等于400°C但低于或等于750°C，優(yōu)選地高于或等于400°C但低于襯底的應(yīng)變點(diǎn)。在這里，將襯底引入作為熱處理設(shè)備之一的電爐中，在氮?dú)夥罩幸?50°C對氧化物半導(dǎo)體層執(zhí)行一小時熱處理。通過第一熱處理，能夠進(jìn)行氧化物半導(dǎo)體層404的脫水或脫氫。當(dāng)溫度從熱處理溫度降低時，氣氛可切換到氧。通過在溫度降低時將氣氛切換到氧，將氧提供給氧化物半導(dǎo)體中的氧 空位部分。當(dāng)消除生成載流子的氧空位時，載流子顯著降低，并且因此能夠得到作為本發(fā)明的特征的具有極低載流子濃度的氧化物半導(dǎo)體。注意，在本說明書中，在諸如氮或稀有氣體之類的惰性氣體的氣氛下的熱處理稱作用于脫水或脫氫的熱處理。在本說明書中，“脫氫”并不表示通過熱處理僅消除H2。為了方便起見，H、OH等的消除也稱作“脫水或脫氫”。用于熱處理的設(shè)備并不局限于電爐，而可以是提供有用于使用來自諸如電阻加熱元件之類的加熱元件的熱傳導(dǎo)或熱輻射來加熱待處理的對象的設(shè)備。例如，能夠使用諸如GRTA(氣體快速熱退火)設(shè)備或LRTA(燈快速熱退火)設(shè)備之類的RTA(快速熱退火)設(shè)備。LRTA設(shè)備是用于通過從諸如鹵素?zé)?、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓水銀燈之類的燈所發(fā)射的光(電磁波)的輻射來加熱待處理對象的設(shè)備。GRTA設(shè)備是用于使用高溫氣體的熱處理的設(shè)備。作為氣體，使用不會與待處理對象發(fā)生反應(yīng)的諸如氮之類的惰性氣體或者諸如氬之類的稀有氣體。例如，作為第一熱處理，GRTA可按如下所述來執(zhí)行。將襯底傳遞并放入已經(jīng)加熱到650°C至700°C (包括兩端)的高溫的惰性氣體中，加熱數(shù)分鐘，從已經(jīng)加熱到高溫的惰性氣體中傳遞和取出。GRTA實(shí)現(xiàn)在短時間的高溫?zé)崽幚?。注意，在第一熱處理中，?yōu)選的是，水、氫等沒有包含在處理氣氛、例如氮或者諸如氦、氖或氬之類的稀有氣體中。因此，優(yōu)選的是，引入用于熱處理的設(shè)備中的氮或者諸如氦、氖或氬之類的稀有氣體具有6N(99. 9999% )或更高、或者更優(yōu)選地為7N(99. 99999% )或更高的純度(也就是說，雜質(zhì)濃度設(shè)置為I ppm或更低,優(yōu)選地為0. I ppm或更低)。當(dāng)使用氧時，氧的純度優(yōu)選地處于相似水平。此外，氧化物半導(dǎo)體層404可根據(jù)第一熱處理的條件或者氧化物半導(dǎo)體層的材料來晶化為微晶膜或多晶膜。例如，氧化物半導(dǎo)體層可晶化以成為具有90%或以上或者80%或以上的晶化度的微晶氧化物半導(dǎo)體層。此外，取決于第一熱處理的條件以及氧化物半導(dǎo)體層的材料，氧化物半導(dǎo)體層可成為沒有包含結(jié)晶成分的非晶氧化物半導(dǎo)體層。氧化物半導(dǎo)體層可成為其中微晶部分(粒徑大于或等于I _但小于或等于20 nm，通常大于或等于2 nm但小于或等于4 nm)混合到非晶氧化物半導(dǎo)體層中的氧化物半導(dǎo)體層。
備選地，氧化物半導(dǎo)體層的第一熱處理可對尚未被處理成島狀氧化物半導(dǎo)體層的氧化物半導(dǎo)體膜來執(zhí)行。在那種情況下，在第一熱處理之后，從加熱設(shè)備中取出襯底，并且執(zhí)行光刻過程。注意，希望水在后一步驟中沒有附于氧化物半導(dǎo)體層。注意，用于對氧化物半導(dǎo)體層的脫水或脫氫的熱處理可在下列定時的任一個執(zhí)行在形成氧化物半導(dǎo)體層之后；在氧化物半導(dǎo)體層之上形成源電極層和漏電極層之后；以及在源電極層和漏電極層之上形成氧化物絕緣層之后。在上述條件下經(jīng)過充分脫水或脫氫的氧化物半導(dǎo)體層中，譜中的兩個峰值在大約250°C至300°C處的至少一個峰值甚至在脫水或脫氫氧化物半導(dǎo)體層的溫度增加到450°C時也沒有被熱解吸譜(TDS)檢測到。在半導(dǎo)體層404形成為具有島狀之后，導(dǎo)電膜在柵絕緣層402和氧化物半導(dǎo)體層404之上形成。使用從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的元素、包含任意上述元素作為其主要成分的合金、包含任意上述元素的組合的合金等，來形成導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜可具有一種結(jié)構(gòu)，其中鉻、鉭、鈦、鑰、鎢等的高熔點(diǎn)金屬層在鋁、銅等的金屬層之上和/或之下形成。在使用鋁的情況下，使用添加了諸如硅、鈦、鉭、鎢、鑰、鉻、釹或釔之類的防止鋁膜中的小丘和須的生成的元素的鋁材料，由此耐熱性能夠增加。備選地，導(dǎo)電膜可使用導(dǎo)電金屬氧化物來形成。作為導(dǎo)電金屬氧化物，能夠使用氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦和氧化錫的合金(In2O3-SnO2,縮寫成IT0)、氧化銦和氧化鋅的合金(In2O3-ZnO)或者任意包含硅或氧化硅的金屬氧化物材料。隨后，執(zhí)行第三光刻過程。形成抗蝕劑掩模，并且有選擇地蝕刻導(dǎo)電膜，使得形成源電極層445a和漏電極層445b。此后，去除抗蝕劑掩模(參見圖2C)。用于形成源電極層445a和漏電極層445b的抗蝕劑掩?？赏ㄟ^噴墨方法來形成。當(dāng)抗蝕劑掩模采用噴墨方法來形成時，沒有使用光掩模；因此制造成本能夠降低。然后，氧化物絕緣層427在氧化物半導(dǎo)體層404、源電極層445a和漏電極層445b之上形成(參見圖2D)。氧化物絕緣層427使用氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜、氧氮化硅膜等形成。在這個實(shí)施例中，氧化物絕緣層427通過濺射方法由氧化硅膜來形成。厚度為I nm或以上的氧化物絕緣層427能夠適當(dāng)?shù)厥褂糜靡詻]有將諸如水和氫之類的雜質(zhì)混合到氧化物絕緣層427中的方法來形成。在這個實(shí)施例中，采用濺射方法來形成用于氧化物絕緣層427的氧化硅膜。膜形成中的襯底溫度可以是從室溫至300°C，在這個實(shí)施例中為100°C。為了在膜形成中防止諸如水或氫之類的雜質(zhì)進(jìn)入，優(yōu)選的是在在膜形成之前，在降低壓力下以從150°C至350°C的溫度執(zhí)行2至10分鐘的預(yù)烘焙，使得揮發(fā)附于表面的水分等，以便形成氧化物絕緣層427，而沒有暴露于空氣。能夠采用濺射方法在稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或者包含稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣氛中形成氧化硅膜。此外，氧化硅靶或硅靶能夠用作靶。例如，借助于硅靶，氧化硅膜能夠采用濺射方法在氧和稀有氣體的氣氛中形成。形成為與氧化物半導(dǎo)體層相接觸的氧化物絕緣層使用沒有包含諸如水分、氫離子和0H—之類的雜質(zhì)并且阻止這類雜質(zhì)從外部進(jìn)入的無機(jī)絕緣膜來形成。隨后，第二熱處理在諸如氮?dú)夥罩惖亩栊詺怏w氣氛中執(zhí)行(優(yōu)選地以從200°C至400°C，例如從250°C至350°C的溫度)。例如，第二熱處理在氮?dú)夥罩幸?50°C執(zhí)行I小、時。備選地，RTA處理可在高溫下執(zhí)行短時間。氧化物絕緣層427與氧化物半導(dǎo)體層404的部分相接觸的狀態(tài)中執(zhí)行第二熱處理。注意，通過第二熱處理，通過第一熱處理(脫水或脫氫)開始具有較低電阻的氧化物半導(dǎo)體層404處于氧過剩狀態(tài)。因此，氧化物半導(dǎo)體層404能夠具有較高電阻(作為i型)。在這個實(shí)施例中，第二熱處理在形成氧化硅膜之后執(zhí)行；但是，熱處理的定時并不局限于緊接形成氧化硅膜之后的定時，只要它在形成氧化硅膜之后。注意，熱處理的定時并不局限于那個定時，而是例如在光刻過程或膜形成步驟之前和之后可多次執(zhí)行。此外，可在空氣中以100°C至200°C (包括兩端)執(zhí)行熱處理I小時至30小時(包括兩端)。這種熱處理可在固定加熱溫度下執(zhí)行。備選地，加熱溫度的下列變化可重復(fù)進(jìn)行多次加熱溫度從室溫增加到100°c至200°C (包括兩端)的溫度，并且然后降低到室溫。此外，這種熱處理可在形成氧化物絕緣層之前以降低壓力來執(zhí)行。在降低壓力下，加熱時間能夠縮短。隨后，作為保護(hù)絕緣層的絕緣層428在氧化物絕緣層427之上形成(參見圖2E)。作為絕緣層428，使用氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化鋁膜等。在這個實(shí)施例中，絕緣層428通過濺射方法由氮化硅膜來形成。當(dāng)形成氧化物半導(dǎo)體膜時，去除氣氛中的殘留水分，并且按照上述方式通過熱處理去除膜中的水分；因此，氧化物半導(dǎo)體膜中的氫和氫化物的濃度能夠降低。另外，執(zhí)行包含氮的氣氛中的退火處理或者在氧化物半導(dǎo)體膜與氧化物絕緣層相接觸的同時的退火處理，由此能夠?qū)⒀跆峁┙o氧空位。因此，能夠提供包括載流子濃度小于I X IO12 /Cm3、優(yōu)選地小于IXlO11 /cm3、更優(yōu)選地硅的本征載流子濃度為I. ASXIOki /cm3或更小的本征或基本上本征氧化物半導(dǎo)體的絕緣柵晶體管。此外，通過有利地控制絕緣柵晶體管的溝道長度、氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的厚度，在這種本征或基本上本征氧化物半導(dǎo)體中能夠最大程度地抑制短溝道效應(yīng)。注意,這個實(shí)施例中所述的結(jié)構(gòu)能夠與任意其它實(shí)施例和示例中所述的結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合。(實(shí)施例2)
按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，氧化物半導(dǎo)體中將要作為載流子的施主(或受主)的雜質(zhì)降低到相當(dāng)?shù)偷乃?，由此使半?dǎo)體作為本征或基本上本征的，并且氧化物半導(dǎo)體用于絕緣柵晶體管。在這個實(shí)施例中，將借助于采用用于評估的元件(又稱作TEG)所得到的截止電流的測量值和能帶圖來描述絕緣柵晶體管包括本征或基本上本征半導(dǎo)體的事實(shí)。圖3示出溝道長度L為3 iim并且溝道寬度W為10000 的絕緣柵晶體管的初始特性，其中各具有3 Pm的溝道長度L和50 Pm的溝道寬度W的200個絕緣柵晶體管并聯(lián)連接。另外，圖4A示出頂視圖，以及圖4B示出其局部放大視圖。圖4B中由虛線包圍的區(qū)域是溝道長度L為3 iim、溝道寬度W為50 ii m并且Lov長度為I. 5 的一級的絕緣 柵晶體管。為了測量絕緣柵晶體管的初始特性，在其中襯底溫度為室溫、源極與漏極之間的電壓(以下稱作漏極電壓或VD)為10 V以及源極與柵極之間的電壓(以下稱作柵極電壓或VG)在-20 V與+ 20 V之間改變的條件下測量源極-漏極電流(以下稱作漏極電流或ID)的變化特性、即VG-ID特性。注意，圖3示出從-20 V至+ 5 V的范圍之內(nèi)的VG。如圖3所示，溝道寬度W為10000 Pm的絕緣柵晶體管在VD為I V和10 V時具有1X10_13 A或更小的截止電流，這小于或等于測量裝置(半導(dǎo)體參數(shù)分析器，由AgilentTechnologies Inc.制造的 Agilent 4156C)的分辨率(100 fA)。換言之，具有常截止的電特性，絕緣柵晶體管能夠進(jìn)行操作，使得絕緣柵晶體管的每單位溝道寬度的漏極電流(即，通過將漏極電流除以溝道寬度(單位ym)所得到的值)在漏極電壓是I V至10 V的范圍之內(nèi)的給定電壓時能夠?yàn)?00 aA/iim或更小、優(yōu)選地為10 aA/ u m、更優(yōu)選地為I aA/ u m。將描述一種用于制造用于測量的絕緣柵晶體管的方法。首先，氮化硅層作為基底膜通過CVD方法在玻璃襯底之上形成，并且氧氮化硅層在氮化硅層之上形成。在氧氮化硅層之上，鎢層通過濺射方法作為柵電極層來形成。在這里，有選擇地蝕刻鎢層，以便形成柵電極層。隨后，厚度為100 nm的氧氮化硅層通過CVD方法作為柵絕緣層在柵電極層之上形成。然后，厚度為50 nm的氧化物半導(dǎo)體膜通過濺射方法、借助于使用In-Ga-Zn-O基金屬氧化物靶(按照In2O3 = Ga2O3:ZnO = 1:1:2的摩爾比)在柵絕緣層之上形成。在這里，有選擇地蝕刻氧化物半導(dǎo)體膜，以便形成島狀氧化物半導(dǎo)體層。此后，在清潔爐中在氮?dú)夥罩幸?50°C對氧化物半導(dǎo)體層執(zhí)行一小時第一熱處理。隨后，鈦層(厚度為150 nm)通過濺射方法作為源電極層和漏電極層在氧化物半導(dǎo)體層之上形成。在這里，通過有選擇地蝕刻鈦層，源電極層和漏電極層形成為使得各絕緣柵晶體管的溝道長度L為3 ii m并且溝道寬度W為50 U m。通過并聯(lián)連接各具有3 y m的溝道長度和50 ii m的溝道寬度的200個絕緣柵晶體管,來得到溝道長度L為3 u m并且溝道寬度W為10000 u m的絕緣柵晶體管。然后，通過反應(yīng)濺射方法將氧化硅層作為保護(hù)絕緣層形成為與氧化物半導(dǎo)體層相接觸的300 nm的厚度。在這里，有選擇地蝕刻作為保護(hù)層的氧化硅層，使得開口部分在柵電極層、源電極層和漏電極層之上形成。此后，第二熱處理在氮?dú)夥罩幸?50°C執(zhí)行一小時。然后，在測量VG-ID特性之前，以150°C執(zhí)行10小時熱處理。通過上述過程，制造底柵絕緣柵晶體管。絕緣柵晶體管的截止電流如圖3所示大約為1X10_13 A的原因在于，氧化物半導(dǎo)體層中的氫的濃度以及氧化物半導(dǎo)體層中的氧空位可在上述制造過程中充分降低。氧化物半導(dǎo)體層中的氫的濃度為5X IO19原子/cm3或更小，優(yōu)選地為5 X IO18原子/cm3或更小，更優(yōu)選地為5X1017原子/cm3或更小，進(jìn)一步更優(yōu)選地為IXlO16原子/cm3或更小。注意，氧化物半導(dǎo)體層中的氫濃度通過二次離子質(zhì)譜法(SMS)來測量。雖然以上描述使用In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的示例，但是本發(fā)明的實(shí)施例并非具體地限制于此?？墒褂弥T如In-Sn-Zn-O基半導(dǎo)體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、 In-Sn-O氧化物半導(dǎo)體、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體之類的另一種氧化物半導(dǎo)體材料。作為另一種氧化物半導(dǎo)體材料，可使用與2. 5 1:%至10 wt% (包括兩端)的Al混合的In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體或者與2. 5被％至10 wt% (包括兩端)的Si混合的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體。
在C-V測量中測量的氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度相當(dāng)于硅的載流子濃度或者小于或等于硅的載流子濃度。絕緣柵晶體管的溝道長度L為10 nm至1000 nm(包括兩端)。在那種情況下，電路操作速度能夠增加，并且功率消耗能夠進(jìn)一步降低，因?yàn)榻刂闺娏鳂O小。另外，在電路設(shè)計中，當(dāng)絕緣柵晶體管截止時，氧化物半導(dǎo)體層能夠被看作是絕緣體。此后，評估在這個實(shí)施例中制造的絕緣柵晶體管的截止電流的溫度特性。溫度特性在考慮其中使用絕緣柵晶體管的最終產(chǎn)品的環(huán)境電阻、性能的保持等等中是重要的。不用說，較小變化量是更優(yōu)選的，這增加產(chǎn)品的設(shè)計靈活性。對于溫度特性，使用恒溫器在下列條件下得到VG-ID特性提供有絕緣柵晶體管的襯底保持在-30°C、0°C、25°C、40°C、60°C、80°C、100°C和120°C的相應(yīng)恒定溫度，漏極電壓為6 V，以及柵極電壓在-20 V與+ 20 V之間改變。 圖5A示出在上述溫度下測量的并且相互重疊的VG-ID特性，以及圖5B示出圖5A由虛線包圍的截止電流的范圍的放大視圖。圖中的箭頭所示的最右邊曲線是在-30°C所得到的曲線；最左邊曲線是在120°C所得到的曲線；以及在其它溫度所得到的曲線位于最右邊曲線與最左邊曲線之間。幾乎不能觀測到導(dǎo)通電流的溫度相關(guān)性。另一方面，又如圖5B的放大視圖清楚地示出，在除了 -20 V的柵極電壓附近之外的所有溫度下，截止電流為IXlO12 A或更小，這接近測量裝置的分辨率，并且沒有觀測到截止電流的溫度相關(guān)性。換言之，甚至在120°C的高溫下，截止電流也保持為1X10_12 A或更小，并且給定溝道寬度W為10000 Ii m,能夠看到截止電流相當(dāng)小。因此，包括通過高度純化所得到的本征或基本上本征氧化物半導(dǎo)體(純化氧化物半導(dǎo)體)的絕緣柵晶體管幾乎沒有顯示截止電流對溫度的相關(guān)性。能夠說，氧化物半導(dǎo)體在被純化時沒有顯示對溫度的相關(guān)性，因?yàn)閷?dǎo)電類型變?yōu)闃O為接近本征類型，并且費(fèi)米能級位于禁帶中間，如圖7A的帶圖所示。那還產(chǎn)生于如下事實(shí)氧化物半導(dǎo)體具有3 eV或以上的能隙，并且包括極少熱激發(fā)載流子。另外，源區(qū)和漏區(qū)處于退化狀態(tài)，這也是沒有對溫度的相關(guān)性的因素。絕緣柵晶體管主要采用從退化源區(qū)注入到氧化物半導(dǎo)體的載流子來操作，并且上述特性(截止電流與溫度的無關(guān)性)能夠通過載流子濃度與溫度的無關(guān)性來說明。下面將參照能帶圖來描述這種極低截止電流。圖6是包括氧化物半導(dǎo)體的反交錯絕緣柵晶體管的縱向截面圖。氧化物半導(dǎo)體層
(OS)層隔著柵絕緣層(GI)設(shè)置在柵電極層(GEl)之上，并且源電極層(S)和漏電極層(D)設(shè)置在其之上。圖7A和圖7B是沿圖6的A-A’的截面的能帶圖(示意圖)。圖7示出提供給源極的電位等于提供給漏極的電位的情況(VD = OV),以及圖7B示出相對于源極的正電位提供給漏極的情況(Vd > 0)。圖8A和圖8B是沿圖6的B-B’的截面的能帶圖(示意圖)。圖8A示出其中正電位> 0)提供給柵極(Gl)的狀態(tài)，即，其中載流子(電子)在源極與漏極之間流動的狀態(tài)。圖8B示出其中負(fù)電位(\<0)提供給柵極(Gl)的狀態(tài)，即，(其中少數(shù)載流子沒有流動的)截止?fàn)顟B(tài)。圖9示出真空能級、金屬的功函數(shù)((K)和氧化物半導(dǎo)體的電子親合勢(X)之間的關(guān)系。常規(guī)氧化物半導(dǎo)體層一般為n型，以及在那種情況下，費(fèi)米能級(Ef)在帶隙中心遠(yuǎn)離本征費(fèi)米能級(Ei),并且位于導(dǎo)帶附近。已知的是，氧化物半導(dǎo)體中的氫部分成為施主，并且是產(chǎn)生n型氧化物半導(dǎo)體的原因之一。相反，按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的氧化物半導(dǎo)體是按照下列方式制作為本征(i型)或基本上本征的氧化物半導(dǎo)體對于高度純化從氧化物半導(dǎo)體中去除作為n型雜質(zhì)的氫，使得氧化物半導(dǎo)體盡可能少地包括除了氧化物半導(dǎo)體的主要成分之外的雜質(zhì)。也就是說，本發(fā)明的一個實(shí)施例的特征在于，不是通過添加雜質(zhì)，而是通過將諸如氫和水之類的雜質(zhì)降低到最小，來使氧化物半導(dǎo)體成為或者接近高度純化i型(本征)半導(dǎo)體。因此，費(fèi)米能級(Ef)能夠與本征費(fèi)米能級(Ei)相當(dāng)。據(jù)說，在氧化物半導(dǎo)體的帶隙(Eg)為3. 15 eV的情況下，電子親合勢(X)為4. 3 eV。源電極和漏電極中包含的鈦(Ti)的功函數(shù)大致等于氧化物半導(dǎo)體的電子親合勢(X)。在這種情況下，在金屬與氧化物半導(dǎo)體之間的界面處沒有形成針對電子的肖特基勢壘。也就是說，在金屬的功函數(shù)Qm)等于氧化物半導(dǎo)體的電子親合勢(X)的情況下，當(dāng)金屬和氧化物半導(dǎo)體相互接觸時，示出圖7A中的這種能帶圖(示意圖)。圖7B中，黑點(diǎn)( )表示電子。當(dāng)正電位提供給漏極時，電子跨越勢壘(h)以注入氧化物半導(dǎo)體，并且流動到漏極。在那種情況下，勢壘(h)的高度取決于柵極電壓和漏極電壓。當(dāng)施加正漏極電壓時，勢壘(h)的高度低于圖7A中沒有施加電壓的勢壘的高度，SP，帶隙(Eg)的一半。那時，如圖8A所示，注入氧化物半導(dǎo)體的電子流經(jīng)氧化物半導(dǎo)體。此外，圖8B中，當(dāng)負(fù)電位提供給柵電極(Gl)時，作為少數(shù)載流子的空穴基本上不存在。因此，電流值盡可能接近O。例如，甚至在溝道寬度W為IXlO4 ym并且溝道長度為3 ym的絕緣柵晶體管中，截止電流在室溫下也能夠小于或等于10_13 A，并且亞閾值擺動(S值)能夠?yàn)?. I V/dec.(柵絕緣層的厚度100 nm)。注意，硅半導(dǎo)體的本征載流子濃度為IjSXlOui /cm3 (300 K)，并且載流子甚至在室溫下也存在。這表示熱激發(fā)載流子甚至在室溫下也存在。此外，由于硅半導(dǎo)體的帶隙為I. 12 eV，所以使用硅半導(dǎo)體的晶體管的截止電流根據(jù)溫度極大地波動。因此，不是通過只將具有寬帶隙的氧化物半導(dǎo)體用于晶體管，而是通過高度純化氧化物半導(dǎo)體，使得能夠盡可能多地防止除了主要成分之外的雜質(zhì)包含在其中，以使得載流子濃度小于IXio12 /cm3、優(yōu)選地小于IXlO11 /cm3、更優(yōu)選地小于或等于I. 45X 101° /cm3 (這是硅的本征載流子濃度)，能夠大部分消除在實(shí)際工作溫度下將要熱激發(fā)的載流子，并且晶體管能夠僅采用從源側(cè)注入的電子進(jìn)行操作。相應(yīng)地，有可能得到一種晶體管，其截止態(tài)電流降低到IX 10_13 A或更小，并且因溫度變化而幾乎沒有改變，由此晶體管能夠以極穩(wěn)定方式進(jìn)行操作。本發(fā)明的一個實(shí)施例的技術(shù)概念在于，雜質(zhì)沒有添加到氧化物半導(dǎo)體，而是相反，氧化物半導(dǎo)體本身通過去除其中不合需要存在的諸如水或氫之類的雜質(zhì)來高度純化。換言之，本發(fā)明的一個實(shí)施例的特征在于，氧化物半導(dǎo)體本身通過去除形成施主能級的水或氫并且通過將氧提供給使其在去除時處于氧空缺狀態(tài)的氧化物半導(dǎo)體來高度純化。
在氧化物半導(dǎo)體中，甚至在膜形成之后不久，通過二次離子質(zhì)譜(SMS)觀測到大約102° /cm3的氫。本發(fā)明的一個實(shí)施例的一個技術(shù)概念是通過特意去除形成施主能級的諸如水或氫之類的雜質(zhì)，并且還通過對氧化物半導(dǎo)體添加與去除水或氫同時地降低的氧，來高度純化氧化物半導(dǎo)體，以便得到電學(xué)i型(本征)半導(dǎo)體。因此，優(yōu)選的是，氧化物半導(dǎo)體盡可能少地包含氫和載流子。氧化物半導(dǎo)體是消除了載流子并且在用于絕緣柵晶體管時被賦予作為從源極所提供的載流子(電子)的通路的含意而不是特意包含電流的載流子的純化i型(本征)半導(dǎo)體。因此，從氧化物半導(dǎo)體完全消除或者顯著降低載流子，由此絕緣柵晶體管的截止電流能夠降低，這是本發(fā)明的一個實(shí)施例的技術(shù)概念。也就是說，作為標(biāo)準(zhǔn)，氫的濃度應(yīng)當(dāng)為5 X IO19 /cm3或更小、優(yōu)選地為5 X IO18 /cm3或更小、更優(yōu)選地為5 X IO17 /cm3或更小、進(jìn)一步更優(yōu)選地為IXlO16 /cm3或更小。載流子濃度應(yīng)當(dāng)小于IXlO12 /cm3、優(yōu)選地小于IXlO11 /cm3、更優(yōu)選地小于或等于I. ASXIOki /cm3 (這是硅的本征載流子濃度)。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的技術(shù)概念，理想氫濃度和載流子濃度為零或接近零。另外，因此，氧化物半導(dǎo)體用作通路，并且氧化物半導(dǎo)體本身是i型(本征)半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體經(jīng)過高度純化，以便沒有提供載流子或者提供極少載流子，并且載流子由源側(cè)或漏側(cè)的電極來提供。因此，優(yōu)選的是，截止電流盡可能小，并且本發(fā)明的一個實(shí)施例的特征在于，在對其施加I V至10 V的漏極電壓的絕緣柵晶體管的特性中，溝道寬度中的每微米的截止電流為100 aA/Ii m或更小,優(yōu)選地為10 aA/y m或更小,更優(yōu)選地為I aA/iim或更小。這個實(shí)施例能夠適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合任意其它實(shí)施例和示例中所述的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例3)
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，制作成本征或基本上本征的氧化物半導(dǎo)體應(yīng)用于絕緣柵晶體管。可以說，在本征或基本上本征半導(dǎo)體中，耗盡層可能延伸，并且因而短溝道效應(yīng)易于發(fā)生。在這個實(shí)施例中，所述的將是n溝道絕緣柵晶體管的氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的溝道長度的范圍和厚度的范圍，它們允許抑制短溝道效應(yīng)。一般來說，當(dāng)溝道長度較短時，耗盡層可能從源區(qū)和漏區(qū)延伸到溝道區(qū)，使得采用柵極電壓的導(dǎo)通和截止的控制較難。換言之，所謂的短溝道效應(yīng)可能發(fā)生。耗盡層的寬度取決于溝道中的施主的濃度；隨著施主的濃度降低，耗盡層的寬度可能增加。特別是在按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的絕緣柵晶體管中，短溝道效應(yīng)易于發(fā)生，因?yàn)樽鳛榫哂袠O低載流子濃度的本征或基本上本征半導(dǎo)體的氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)。當(dāng)短溝道效應(yīng)發(fā)生時，例如，閾值電壓降低，亞閾值擺動和截止電流增加，并且源極與漏極之間的耐受電壓降低；因此，晶體管的性質(zhì)變得相當(dāng)差。先前，在大多數(shù)情況下，溝道中的施主或受主的濃度在硅半導(dǎo)體中增加，使得能夠抑制短溝道效應(yīng)。那是因?yàn)榻^緣柵晶體管的源極或漏極和溝道能夠通過pn結(jié)來控制。但是，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中使用的氧化物半導(dǎo)體中，一般來說，難以升高受主的濃度以便增加空穴和形成pn結(jié)，并且升高溝道中的施主的濃度不是優(yōu)選的，因?yàn)榻刂闺娏髟黾?。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，本征或基本上本征氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成層。因此，代替升高溝道中的施主或受主的濃度，有效的是降低氧化物半導(dǎo)體層的厚度，使得耗盡層因漏極電場而引起的延伸能夠盡可能多地抑制，并且降低柵絕緣層的厚度以便增加?xùn)艠O電場，使得在抑制短溝道效應(yīng)中漏極電場的、影響相對降低。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，將集中于閾值電壓來描述通過下列科學(xué)計算所得到的結(jié)果。計算氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的厚度相對于溝道長度的有限范圍的優(yōu)選范圍，它們允許最大程度地抑制短溝道效應(yīng)。圖10示出用于科學(xué)計算的絕緣柵晶體管的結(jié)構(gòu)模型。絕緣柵晶體管是實(shí)施例I和2中類似地采用的反交錯類型，并且包括柵電極層、柵絕緣層、氧化物半導(dǎo)體層、源電極層、漏電極層、形成為與源電極層、漏電極層和氧化物半導(dǎo)體層相接觸的氧化物絕緣層。注意，可使用底接觸類型或頂柵類型的結(jié)構(gòu)模型，并且在那種情況下，等效值作為AVth而得到，下面進(jìn)行描述。 在這里，例如，鎢或鑰用于柵電極層，氧氮化硅膜用于柵絕緣層，In-Ga-Zn-O膜用于氧化物半導(dǎo)體層，以及鈦用于源電極層和漏電極層。表I示出用于科學(xué)計算的參數(shù)。注意，Nd、Eg、4>m和X分別表示施主的濃度、帶隙、功函數(shù)和電子親合勢。計算使用參數(shù)的數(shù)值來執(zhí)行，并且可使用任何其它資料，只要它們具有等效數(shù)值。表中由連字號所示的項沒有用于計算。[表 I]
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考慮短溝道效應(yīng)開始明顯的范圍以及包括氧化物半導(dǎo)體的裝置的實(shí)際范圍，作為計算的對象的絕緣柵晶體管的溝道長度(L)的范圍為0. 2 ilm至3. 0 ym(包括兩端)(0. 2 u m,0. 3 u m>0. 4 u m>0. 5 u m>0. 7 u m> I. 0 u m>2. 0 ii m 和 3. 0 ii m)。柵絕緣層的厚度的范圍(Tqx)為10 nm至100 nm(包括兩端)(10 nm、20 nm、50 nm和100 nm)。氧化物半導(dǎo)體層的厚度的范圍(Tos)為15 nm至500 nm(包括兩端)(15 nm、30 nm、50 nm和100 nm)。此外，假定溝道Nd中的施主的濃度為氧化物半導(dǎo)體的本征載流子濃度隊，即為1.7X10_8 /cm3。還假定其它項為表I所示的數(shù)值,并且由Silvaco Data Systems Inc.制造的裝置模擬器“Atlas”用于計算。作為遷移率模型，使用“恒定低場遷移率模型(constant low fieldmobility model)”,并且假定本征電子遷移率和本征空穴遷移率分別為15 cm2/V sec和0.1 cm2/V sec.另外，分別假定導(dǎo)帶中的狀態(tài)的有效密度(在300 K時)和價帶中的狀態(tài)的有效密度(在300 K時)為5X1018 /cm3，并且在漏極電壓為I V的時候的閾值電壓從所得電流-電壓特性來計算。圖IlA至圖IlD示出繪制氧化物半導(dǎo)體層的不同厚度(Ttfi)的情況下的計算結(jié)果的圖表，其中水平軸和垂直軸分別表示溝道長度(L)和閾值電壓(Vth)。注意，圖IlA至圖IlD示出柵絕緣層的相應(yīng)厚度(Tox)的情況下的結(jié)果。各圖表示出閾值電壓隨溝道長度降低而降低的趨勢。這是由于短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化。從圖表中能夠發(fā)現(xiàn)，隨著氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的厚度降低，抑制閾值電壓的變化。表2共同示出結(jié)果，其中假定閾值電壓的變化最的最大值(AVth)為溝道長度為3.0 um的情況與溝道長度為0. 2 ii m的情況之間的閾值電壓的差(A Vth = Vth (L = 3.0U m) — Vth (L = 0. 2 u m)) o[表2]
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括 柵電極層； 柵絕緣層，與所述柵電極層相鄰；以及 氧化物半導(dǎo)體層，與所述柵電極層相鄰，所述柵絕緣層在所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層之間， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于IXio12 /cm3, 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為O. 2 μπι至3. O μ , 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至30 nm，以及 其中所述柵絕緣層的厚度為20 nm至50 nm。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵絕緣層包括氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿和氧化鉭中的任意的單層膜或?qū)盈B膜。
4.一種電子裝置，包括權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件。
5.一種半導(dǎo)體器件，包括 柵電極層； 柵絕緣層，與所述柵電極層相鄰；以及 氧化物半導(dǎo)體層，與所述柵電極層相鄰，所述柵絕緣層在所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層之間， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于IXio12 /cm3, 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為O. 2 μπι至3. O μ , 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至100 nm,以及 其中所述柵絕緣層的厚度為10 nm至20 nm。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵絕緣層包括氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿和氧化鉭中的任意的單層膜或?qū)盈B膜。
8.一種電子裝置，包括權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括 柵電極層； 柵絕緣層，在所述柵電極層之上； 氧化物半導(dǎo)體層，在所述柵絕緣層之上，所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層重疊，所述柵絕緣層在所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層之間； 源電極和漏電極層，在所述氧化物半導(dǎo)體層之上，所述源電極和漏電極層與所述氧化物半導(dǎo)體層的部分重疊；以及 氧化物絕緣層，在所述源電極和漏電極層之上，所述氧化物絕緣層與所述氧化物半導(dǎo)體層相接觸， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于IXio12 /cm3, 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為O. 2 μπι至3. O μ ,其中所述氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至30 nm，以及 其中所述柵絕緣層的厚度為20 nm至50 nm。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
11.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述源電極和漏電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
12.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵絕緣層包括氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿和氧化鉭中的任意的單層膜或?qū)盈B膜。
13.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氧化物絕緣層包括從氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁和氧氮化鋁中選取的無機(jī)絕緣膜。
14.一種電子裝置，包括權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件。
15.一種半導(dǎo)體器件，包括 柵電極層； 柵絕緣層，在所述柵電極層之上； 氧化物半導(dǎo)體層，在所述柵絕緣層之上，所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層重疊，所述柵絕緣層在所述氧化物半導(dǎo)體層與所述柵電極層之間； 源電極和漏電極層，在所述氧化物半導(dǎo)體層之上，所述源電極和漏電極層與所述氧化物半導(dǎo)體層的部分重疊；以及 氧化物絕緣層，在所述源電極和漏電極層之上，所述氧化物絕緣層與所述氧化物半導(dǎo)體層相接觸， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度小于IXio12 /cm3, 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度為O. 2 μπι至3. O μ , 其中所述氧化物半導(dǎo)體層的厚度為15 nm至100 nm,以及 其中所述柵絕緣層的厚度為10 nm至20 nm。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
17.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述源電極和漏電極層包括包含從鋁、銅、鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、釹和鈧中選取的金屬元素作為其主要成分的膜、合金膜或者任意這些膜的疊層。
18.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵絕緣層包括氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿和氧化鉭中的任意的單層膜或?qū)盈B膜。
19.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氧化物絕緣層包括從氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁和氧氮化鋁中選取的無機(jī)絕緣膜。
20.一種電子裝置，包括權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件。
全文摘要
經(jīng)受脫水或脫氫的步驟和添加氧的步驟以使得載流子濃度小于1×1012/cm3的本征或基本上本征半導(dǎo)體用于其中形成溝道區(qū)的絕緣柵晶體管的氧化物半導(dǎo)體層。氧化物半導(dǎo)體層中形成的溝道的長度設(shè)置為0.2μm至3.0μm(包括兩端)，以及氧化物半導(dǎo)體層和柵絕緣層的厚度分別設(shè)置為15nm至30nm(包括兩端)和20nm至50nm(包括兩端)或者分別為15nm至100nm(包括兩端)和10nm至20nm(包括兩端)。因此，能夠抑制短溝道效應(yīng)，并且閾值電壓的變化量在上述溝道長度的范圍之內(nèi)能夠小于0.5V。
文檔編號H01L29/423GK102640293SQ20108005360
公開日2012年8月15日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者鄉(xiāng)戶宏充, 山崎舜平, 河江大輔 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所