專利名稱：半導體裝置和制造半導體裝置的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括氧化物半導體的晶體管，包括包含晶體管的集成電路的半導體裝置，以及用于制造半導體裝置的方法。例如，本發(fā)明涉及其上安裝有半導體集成電路作為部件的電子裝置。在本說明書中，“半導體裝置”指的是能夠通過利用半導體特性而起作用的任意裝置，并且顯示裝置、電光裝置、半導體電路、電子部件以及電子裝置都包括在半導體裝置的范疇中。
背景技術：
近年來，開發(fā)了半導體裝置，并且制造了諸如具有硅晶圓或玻璃襯底(取決于使用)的半導體裝置的各種半導體裝置。例如，在液晶顯示裝置中，晶體管和布線形成于玻璃襯底之上。LSI、CPU或存儲器是各設置有作為連接端子的電極的半導體元件的集成體，其包括從半導體晶圓分離的半導體集成電路(至少包括晶體管和存儲器)。在以上的半導體裝置中，晶體管能夠用作部件的一部分。已知硅類半導體材料作為能夠應用于晶體管的半導體薄膜的材料。作為另ー種材料，氧化物半導體也受到了關注。作為氧化物半導體的材料，已知包含氧化鋅作為其成分的材料。此外，公開有使用包括氧化鋅的半導體所形成的晶體管(專利文獻I至3)。[參考文獻]
[專利文獻]
[專利文獻I]日本專利申請公開2006-165527號公報 [專利文獻2]日本專利申請公開2006-165528號公報 [專利文獻3]日本專利申請公開2006-165529號公報。

發(fā)明內(nèi)容
對于半導體裝置，除了在操作期間之外的功率消耗，在待機期間的功率消耗被認為是重要的。特別地在便攜式半導體裝置中，功率是由電池供應的；因此，由于受限制的電功率量，可用時間受限。此外，至于車內(nèi)(invehicle)半導體裝置，當待機期間的泄漏電流高吋，電池的壽命可能降低。例如，在電動車輛的情況下，車內(nèi)半導體裝置的泄漏電流縮短了每一定量充電的行進距離。為了降低功率消耗，減少在待機期間的泄漏電流以及在操作期間的功率消耗是有效的。雖然每個晶體管泄漏電流的量不高，但是在LSI中設置了幾百萬個晶體管，從而那些晶體管的泄漏電流的總量決不低。這些泄漏電流引起半導體裝置在待機期間的功率消耗上的増加。雖然泄漏電流由于多種因素而引起，但是如果在待機期間的泄漏電流能夠降低，則在半導體裝置中能夠通過降低在驅(qū)動器電路等中所使用的電功率來節(jié)約電功率。因此，本發(fā)明的目的在于減少待機期間的半導體裝置的泄漏電流。
此外，需要半導體裝置的小型化；因此，自然同樣要求作為半導體裝置的部件的晶體管的小型化。對于小型化的晶體管，要求柵極絕緣層減少其厚度；然而，在柵極絕緣層的厚度變?yōu)镮 nm或更小時，隧道電流增加，并且在柵極絕緣層中可能生成針孔的概率迅速地増加；因此，由于這些因素而增加了柵極泄漏電流。所以，在柵極絕緣層是單層氧化硅膜的情況下，柵極絕緣層的變薄可能受物理上的限制。因此，本發(fā)明的目的在于減小柵極絕緣層的厚度，并且本發(fā)明的另ー個目的在于達到晶體管的小型化以及進一步達到整個半導體裝置的小型化。使用晶體管來制造顯示裝置、電光裝置、半導體電路、電子部件以及電子裝置，在該晶體管中使用氧化物半導體來形成溝道形成區(qū)，該氧化物半導體通過去除諸如水和氫的雜質(zhì)(其在氧化物半導體中形成施主能級)而成為本征或?qū)嵸|(zhì)性本征半導體，并且具有比硅半導體更大的能隙。
使用高度純化的氧化物半導體層，從而晶體管的斷態(tài)電流能夠降低。該氧化物半導體層的氫濃度通過以下方式充分降低通過高于或等于400°C且低于襯底的應變點的溫度下的熱處理去除包含在氧化物半導體中的諸如氫的雜質(zhì)。注意，作為氧化物半導體，能夠使用由化學式InMO3 (ZnO)w On > O)表示的薄膜。這里，M表不從Ga、Al、Mn和Co中選擇的一種或多種金屬兀素。例如，M能夠為Ga、Ga和Al、Ga 和 Mn、Ga 和 Co 等。通過將相對電容率高于或等于10的高k (high-k)膜用于柵極絕緣層，小型化晶體管的柵極泄漏電流能夠減少，并且能夠?qū)崿F(xiàn)半導體裝置的節(jié)能。對于具有高的相對電容率的高k膜，能夠使用氧化鉿(HfO2等)、硅酸鉿(HfSirO, Cr > O, χ > O))、硅酸氧氮化鉿(HfSiON)、鋁酸鉿(HfAlxO, Cr > 0，ァ> O))等。此外，作為另ー種高k膜，還能夠使用氧化錯(ZrO2等)、氧化鉭(Ta2O5等)、氧化錯招(ZrAlxO, Cx > Ο,χ > O))等。包括任ー種這些材料的層與包含上述鉿的絕緣膜的疊層也能夠用作柵極絕緣層。此外，包含鉿的絕緣膜在采用濕法蝕刻的情況下難以被蝕刻；因此，包含鉿的絕緣膜也能夠作為用于保護以下提供的電極或襯底的蝕刻阻擋物(stopper)起作用。此外，將相對電容率高于或等于10高k膜用作柵極絕緣層，使得具有大于或等于
2nm (具體地，2nm至10 nm (包括兩端))的厚度的柵極絕緣層能夠獲得與僅僅使用氧化硅膜來形成的、具有小于或等于O. 8 nm的厚度的柵極絕緣層相同的效果。備選地，通過將相對電容率高于或等于10 (具體地，厚度為2 nm至10 nm (包括兩端))的高k膜用作柵極絕緣層，柵極絕緣層的厚度能夠薄于考慮氧化硅膜的柵極絕緣層的厚度。此外，在柵極絕緣層中沒有針孔等；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有均勻的擊穿電壓的晶體管。根據(jù)本說明書中公開的本發(fā)明的一個實施例，半導體裝置包括設置成與柵電極相接觸的第一絕緣層、設置成與第一絕緣層相接觸的第二絕緣層、設置成與第二絕緣層相接觸的氧化物半導體層以及設置成與氧化物半導體層相接觸的第三絕緣層，其中氧化物半導體層設置在第二絕緣層和第三絕緣層之間，并且其中第一絕緣層具有比第二絕緣層更高的相對電容率。利用以上的結構，能夠解決至少ー個以上的問題。例如,通過將包含鉿的絕緣膜(具體地,厚度為2 nm至10 nm (包括兩端))作為相對電容率比與氧化物半導體層相接觸的第二絕緣層的相對電容率更高的第一絕緣層，柵極絕緣層的厚度能夠薄于考慮氧化硅膜的柵極絕緣層；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)晶體管的小型化。在以上的結構中，優(yōu)選地通過濺射法形成第二絕緣層、第三絕緣層以及氧化物半導體層。優(yōu)選地在去除膜形成室中剰余的水分而使得在氧化物半導體層中盡可能少地包含氫、羥基和水分的同時，通過引入從其中去除了氫和水分的濺射氣體而形成第二絕緣層和
第三絕緣層。用于制造底柵晶體管的方法也是本發(fā)明的一個實施例。根據(jù)與該方法有關的結構，制造半導體裝置的方法包括以下步驟在具有絕緣表面的襯底上形成柵電極，通過濺射法形成覆蓋柵電極的第一絕緣層，通過濺射法在第一絕緣層之上形成第二絕緣層，在第二絕緣層之上形成氧化物半導體層，在包括氮、氧或稀有氣體的氣氛下以高于或等于400°C且低于襯底的應變點的溫度執(zhí)行熱處理而使得包含在氧化物半導體層中的水分等減少，以及通過濺射法在氧化物半導體層之上形成第三絕緣層，其中第一絕緣層具有比第二絕緣層更高的相對電容率。
此外，因為第二絕緣層和第三絕緣層與氧化物半導體層相接觸，所以優(yōu)選地形成氧化硅等的氧化物絕緣層。具體地，在形成氧化物半導體層之后形成的第三絕緣層能夠供應氧，其中氧為包括在氧化物半導體中的成分之一，并且在與用于通過在高于或等于400°C且低于襯底的應變點的溫度下熱處理去除氧化物半導體層中的雜質(zhì)(水分等)的步驟的同時減少。供應作為氧化物半導體的成分之ー的氧，使得氧化物半導體層能夠被高度純化并且成為電學上i型(本征)氧化物半導體。此外，在使用相對電容率高于或等于10的高k膜形成第一絕緣層(例如包含鉿的絕緣膜)時，甚至在氧化物半導體層的圖案形成時采用濕法蝕刻并且去除薄的第二絕緣層時，第一絕緣層也難以被蝕刻；因此，第一柵極絕緣層也能夠作為用于保護柵電極或以下提供的襯底的蝕刻阻擋物而起作用。具有兩個柵電極的雙柵極晶體管同樣是本發(fā)明的一個實施例，兩個柵電極中的一個隔著柵極絕緣層設置于溝道形成區(qū)之上，并且兩個柵電極中的另ー個隔著另ー個柵極絕緣層設置于溝道形成區(qū)之下。根據(jù)其結構，半導體裝置包括設置成與第一柵電極相接觸的第一絕緣層，設置成與第一絕緣層相接觸的第二絕緣層，設置成與第二絕緣層相接觸的氧化物半導體層，設置成與氧化物半導體層相接觸的第三絕緣層，具有比第三絕緣層更高的相對電容率并且與第三絕緣層相接觸的第四絕緣層，以及與第一柵電極重疊并且與第四絕緣層相接觸的第二柵電極，其中氧化物半導體層設置在第二絕緣層和第三絕緣層之間，并且其中第一絕緣層具有比第二絕緣層更高的相對電容率。利用以上的結構，能夠解決至少ー個以上的問題。例如，使用包含鉿的絕緣膜作為具有比第二絕緣層更高的相對電容率的第一絕緣層，并且，使用包含鉿的絕緣膜作為具有比第三絕緣層更高的相對電容率的第四絕緣層，使得雙柵極晶體管的柵極絕緣層的厚度能夠減少；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)雙柵極晶體管的小型化。在以上結構的晶體管中，當氧化物半導體層用于包括溝道形成區(qū)的半導體層吋，取決于半導體裝置的制造過程，晶體管的閾值電壓有時沿正方向或負方向變化。因此，其中氧化物半導體用于包括溝道形成區(qū)的半導體層的晶體管優(yōu)選地具有其中能夠控制閾值電壓的結構，通過控制第一柵電極或第二柵電極的電位，閾值電壓也能控制成為期望的值。通過使用包括充分地降低了氫濃度的、高度純化的氧化物半導體層的晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)因泄漏電流而產(chǎn)生的功率消耗較低的半導體裝置。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)包括使用極好的高k膜的柵極絕緣層的、其柵極泄漏電流較低的
晶體管。此外，包括氫濃度充分地降低的、高度純化的氧化物半導體層的晶體管能夠形成于玻璃襯底之上；因此，在其上能夠形成顯示器、LSI、CPU或存儲器。通過使用大面積的玻璃襯底，制造成本能夠降低。


圖IA至圖ID為各示出本發(fā)明的實施例的截面視圖。圖2A至圖2E為示出本發(fā)明的實施例的截面過程視圖。 圖3A至圖3C為示出本發(fā)明的實施例的截面過程視圖。圖4A和圖4B分別為示出本發(fā)明的實施例的俯視圖和截面視圖。圖5B和圖5A以及圖5C分別為示出本發(fā)明的實施例的截面視圖和俯視圖。圖6為示出本發(fā)明的實施例的截面視圖。圖7A和圖7B分別為示出本發(fā)明的實施例的截面圖和俯視圖。圖8A至圖8E各示出電子裝置的示例。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖詳細地描述本發(fā)明的實施例。但是，本發(fā)明并不局限于以下描述，并且本領域的技術人員易于理解，本文公開的模式和細節(jié)能夠按照各種方式來修改，而沒有背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不被理解為局限于下面實施例的描述。[實施例I]
在本實施例中，將描述能夠應用于在本說明書中公開的半導體裝置的晶體管的ー個示例。對于能夠應用于本說明書中公開的半導體裝置的晶體管的結構沒有具體限制。例如，能夠使用具有頂柵結構或底柵結構的交錯晶體管、平面晶體管等，在頂柵結構中柵電極隔著柵極絕緣層設置于氧化物半導體層之上，在底柵結構中柵電極隔著柵極絕緣層設置在氧化物半導體層之下。晶體管可具有包括一個溝道形成區(qū)的單柵極結構、包括兩個溝道形成區(qū)的雙柵極結構或包括三個溝道形成區(qū)的三柵極結構。備選地，晶體管可具有包含兩個柵電極的二重柵極結構，兩個柵電極之一隔著柵極絕緣層設置于溝道區(qū)之上，并且兩個柵電極的另一個隔著另ー個柵極絕緣層設置于溝道形成區(qū)之下。圖IA至圖ID示出晶體管的截面結構的示例。在圖IA至圖ID中示出的每ー個晶體管包括氧化物半導體作為半導體。使用氧化物半導體的優(yōu)點在于在晶體管導通時場效應遷移率(最大值高于或等于5 cm2/Vsec,優(yōu)選地為10 cm2/Vsec至150 cm2/Vsec (包括兩端))相對地優(yōu)良，并且在晶體管截止時能夠獲得較低的斷態(tài)電流(在85°C下低于I aA/ym，優(yōu)選地低于10 ζΑ/ μ m并且低于100 ζΑ/ μ m)。在圖IA中示出的晶體管410為底柵晶體管之一，并且也稱為反交錯晶體管。晶體管410在具有絕緣表面的襯底400之上包括柵電極401、第一柵極絕緣層402a、第二柵極絕緣層402b、氧化物半導體層403、源電極405a以及漏電極405b。此外，設置了覆蓋晶體管410并且層疊于氧化物半導體層403之上的絕緣膜407。保護絕緣層409設置于絕緣膜407之上。在圖IB中示出的晶體管420為稱為溝道保護(溝道止擋)晶體管并且也稱為反交錯晶體管的底柵晶體管之一。晶體管420在具有絕緣表面的襯底400之上包括柵電極401、第一柵極絕緣層402a、第二柵極絕緣層402b、氧化物半導體層403、作為覆蓋氧化物半導體層403的溝道形成區(qū)的溝道保護層而起作用的絕緣層427、源電極405a以及漏電極405b。保護絕緣層409設置成覆蓋晶體管420。在圖IC中示出的晶體管430為底柵晶體管，并且在具有絕緣表面的襯底400之上包括柵電極401、第一柵極絕緣層402a、第二柵極絕緣層402b、源電極405a、漏電極405b以及氧化物半導體層403。設置了覆蓋晶體管430并且與氧化物半導體層403接觸的絕緣 膜407。保護絕緣層409設置于絕緣膜407之上。在晶體管430中，第一柵極絕緣層402a設置于襯底400和柵電極401之上并且與它們接觸，并且源電極405a和漏電極405b設置于第二柵極絕緣層402b之上并且與其接觸。此外，氧化物半導體層403設置于第二柵極絕緣層402b、源電極405a和漏電極405b之上。在圖ID中示出的晶體管440為頂柵晶體管之一。晶體管440在具有絕緣表面的襯底400之上包括絕緣層437、氧化物半導體層403、源電極405a、漏電極405b、第二柵極絕緣層402b、第一柵極絕緣層402a以及柵電極401。布線層436a和布線層436b設置成分別與源電極405a和漏電極405b接觸并且分別電連接至源電極405a和漏電極405b。在本實施例中，如上所述，氧化物半導體層403用作半導體層。作為用于氧化物半導體層403的氧化物半導體，能夠使用作為四成分金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O類氧化物半導體；作為三成分金屬氧化物的In-Ga-Zn-O類氧化物半導體、In-Sn-Zn-O類氧化物半導體、In-Al-Zn-O類氧化物半導體、Sn-Ga-Zn-O類氧化物半導體、Al-Ga-Zn-O類氧化物半導體或Sn-Al-Zn-O類氧化物半導體；作為ニ成分金屬氧化物的In-Zn-O類氧化物半導體、Sn-Zn-O類氧化物半導體、Al-Zn-O類氧化物半導體、Zn-Mg-O類氧化物半導體、Sn-Mg-O類氧化物半導體或In-Mg-O類氧化物半導體；或作為一成分金屬氧化物的In-O類氧化物半導體、Sn-O類氧化物半導體或Zn-O類氧化物半導體。此外，在以上氧化物半導體中可包含Si02。注意，這里，例如，In-Sn-Ga-Zn-O類氧化物半導體表示包含銦(In)、鎵(Ga)和鋅(Zn)的氧化膜，并且對于其化學計量比沒有具體限制。In-Ga-Zn-O類氧化物半導體可包含除了In、Ga和Zn之外的元素。在各包括氧化物半導體層403的晶體管410、晶體管420、晶體管430以及晶體管440中，能夠降低斷態(tài)的電流值(斷態(tài)電流值)。此外，在各包括氧化物半導體層403的晶體管410、晶體管420、晶體管430以及晶體管440中，能夠獲得相對高的場效應遷移率，由此高速操作是可能的。第一柵極絕緣層402a能夠使用例如作為包含鉿的高k膜的氧化鉿膜、硅酸鉿膜、硅酸氧氮化鉿膜或鋁酸鉿膜而形成為具有單層結構或?qū)盈B結構，該包含鉿的高k膜通過等離子體CVD方法、濺射法等獲得。第二柵極絕緣層402b能夠使用氧化硅層(SiOr Cr > 2))、氮化硅層、氧氮化硅層或氮氧化硅層形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。例如，通過濺射法形成具有5 nm至100 nm(包括兩端)的厚度的氧化鉿層作為第一柵極絕緣層402a，然后在第一柵極絕緣層之上層疊具有5 nm至100 nm (包括兩端)的厚度的氧化硅層(SiOr Cr > 2))作為第二柵極絕緣層402b，由此柵極絕緣層的總厚度小于或等于100 nm。注意，優(yōu)選的是，適當?shù)卦O置第一柵極絕緣層402a的厚度，使得大于第二柵極絕緣層402b的厚度。在頂柵晶體管440中，形成第一柵極絕緣層402a，然后第二柵極絕緣層402b形成于氧化物半導體層403之上并且與其接觸。在底柵晶體管410、底柵晶體管420以及底柵晶體管430中，用作基膜的絕緣膜可設置在襯底和柵電極之間。基膜具有防止雜質(zhì)元素從襯底擴散的功能，并且能夠使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜以及氧氮化硅膜中的ー個或者多個形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。雖然對于用于具有絕緣表面的襯底400的襯底沒有具體限制，但是使用硼硅酸鋇 玻璃、硼硅酸鋁玻璃等的玻璃襯底。柵電極401能夠使用諸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金屬材料或者包含以上金屬材料作為其主要成分的合金材料形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。作為用于源電極405a和漏電極405b的導電膜,能夠使用例如包含從Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo和W中選擇的元素的金屬膜或包含任意以上元素作為其主要成分的金屬氮化物膜(氮化鈦膜、氮化鑰膜或氮化鎢膜)。具有高的熔點的Ti、Mo、W等的金屬膜或任意這些元素的金屬氮化物膜(氮化鈦膜、氮化鑰膜或氮化鎢膜)可層疊于Al、Cu等的金屬膜的下側(cè)和上側(cè)中的一個或者兩個之上。備選地,用作源電極405a和漏電極405b的導電膜(包括使用與源電極405a和漏電極405b相同的層形成的布線層)可使用導電金屬氧化物來形成。作為導電金屬氧化物，能夠使用氧化銦(In2O3等)、氧化錫(SnO2等)、氧化鋅(ZnO等)、氧化銦氧化錫合金(In2O3-SnO2等，其縮寫為ΙΤ0)、氧化銦氧化鋅合金(In2O3-ZnO等)、或其中包含氧化硅的任意這些金屬氧化物材料。作為設置于氧化物半導體層之上的絕緣膜407和絕緣膜427，典型地，能夠使用諸如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜或氧氮化鋁膜的無機絕緣膜。作為設置在氧化物半導體層之下的絕緣層437，典型地，能夠使用諸如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜或氧氮化鋁膜的無機絕緣膜。作為設置于氧化物半導體層之上的保護絕緣層409，能夠使用氮化硅膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜、包含鉿的高k膜等。作為包含鉿的高k膜，能夠使用例如氧化鉿膜、硅酸鉿膜、娃酸氧氮化鉿(hafnium oxynitride silicate)膜或招酸鉿膜。如上所述，通過使用包括具有高的場效應遷移率和低的斷態(tài)電流的氧化物半導體層的晶體管，以及將包含鉿的高k膜用作第一柵極絕緣層402a，在本實施例中能夠提供因泄漏電流而產(chǎn)生的功率消耗低的半導體裝置。[實施例2]
在本實施例中，將參照圖2A至圖2E詳細描述包括氧化物半導體層的晶體管的ー個示例和用于制造該晶體管的方法的ー個示例。與以上實施例相同的部分或具有與以上實施例相似的功能的部分，能夠以與在以上實施例中所描述的相似的方式來形成，并且同樣，與以上實施例中相似的步驟能夠以與以上實施例中所描述的相似的方式執(zhí)行，并且省略重復的描述。此外，不重復相同部分的詳細的描述。圖2A至圖2E示出晶體管的截面結構的ー個示例。在圖2A至圖2E中示出的晶體管510為底柵反交錯晶體管，其類似于圖中IA示出的晶體管410。下面將參照圖2A至圖2E來描述在襯底505之上制造晶體管510的步驟。首先，在導電膜形成于具有絕緣表面的襯底505上之后，在第一光刻步驟中形成柵電極511。注意，抗蝕劑掩?？赏ㄟ^噴墨方法形成。通過噴墨方法的抗蝕劑掩模的形成不需要光掩模；因此，制造成本能夠降低。作為具有絕緣表面的襯底505，能夠使用類似于實施例I中描述的襯底400的襯底。在本實施例中，使用玻璃襯底作為襯底505。用作基膜的絕緣膜可設置在襯底505和柵電極511之間?；ぞ哂蟹乐闺s質(zhì)元素 從襯底505擴散的功能，并且能夠使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜以及氧氮化硅膜中的一個或者多個而形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。柵電極511能夠使用諸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金屬材料或包含以上金屬材料作為其主要成分的合金材料形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。隨后，第一柵極絕緣層507a形成于柵電極511之上。通過等離子體CVD方法、濺射法等來形成高k膜來作為第一柵極絕緣層507a。在本實施例，在下列條件之下形成具有50 nm的厚度的氧化鉿膜使用包括氧化鉿的金屬氧化物靶；RF電源為I kW ;壓カ為3 mTorr ;在襯底和靶之間的距離(T-S距離)為150 mm ;膜形成溫度為室溫；氬流率為5 sccm;以及氧流率為5 Sccm0注意，在以上膜形成條件之下獲得的具有100 nm的厚度的氧化鉿膜的相對電容率為15。假設將表示為ε ^的真空電容率設為8. 84 X10_12 F/m并且將電極板的面積設為O. 7854 mm2來計算相對電容率。此外，當在形成氧化鉿膜之后通過在氮氣氛下以550°C執(zhí)行熱處理I小時來進行測量時，氧化鉿膜的相對電容率為15. 2，其在膜形成之后不久幾乎不改變。氧化鉿膜幾乎不能通過使用化學溶液的濕法蝕刻來蝕刻；因此，在蝕刻時采用使用BCl3氣、Cl2氣、CHF3氣或其混合氣體的干法蝕刻。在以后的步驟中通過選擇性蝕刻氧化鉿膜來形成達到柵電極511的接觸孔時使用BCl3,和Cl2氣的混合氣體，在此情況下，當用Ti膜或Al膜形成柵電極511時柵電極511也被蝕刻；因此，優(yōu)選的是，使用W膜形成柵電極511的最上層。隨后，第二柵極絕緣層507b形成于第一柵極絕緣層507a之上。第二柵極絕緣層507b能夠通過等離子體CVD方法、濺射法等使用氧化硅層、氮化硅層、氧氮化硅層或氮氧化硅層形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。在本實施例中，具有5 nm至100 nm (包括兩端)的厚度的氧化硅層(SiOr Cr >2))通過濺射法在第一柵極絕緣層507a之上層疊為第二柵極絕緣層507b，由此柵極絕緣層的總厚度小于或等于100 nm。作為本實施例中的氧化物半導體層，使用通過去除雜質(zhì)而制成為i型或?qū)嵸|(zhì)性i型的氧化物半導體。在本發(fā)明的技術思想中，制成為i型或?qū)嵸|(zhì)性i型的氧化物半導體指的是載流子密度小于I XlO12 cm_3、進ー步優(yōu)選地小于I. 45 XIOki cm_3 (該值小于或等于測量極限)的氧化物半導體。這樣高度純化的氧化物半導體對界面狀態(tài)密度和界面電荷極其敏感；因此，氧化物半導體層和柵極絕緣層之間的界面是重要的。所以，與高度純化的氧化物半導體相接觸的第二柵極絕緣層507b需要具有更高的質(zhì)量。
例如，因為絕緣層可以是致密的并且可具有高擊穿電壓和高質(zhì)量，所以優(yōu)選地采用利用微波(例如，2. 45 GHz的頻率)的高密度等離子體CVD方法。這是因為當高度純化的氧化物半導體和高質(zhì)量的第二柵極絕緣層507b互相緊密接觸時，能夠降低界面狀態(tài)密度并且能夠獲得有利的界面特性。不用說，能夠采用諸如濺射法的另ー種膜形成方法，只要能夠形成高質(zhì)量的絕緣層作為第二柵極絕緣層507b。此外，能夠使用任意的柵極絕緣層，只要通過在膜形成之后執(zhí)行的熱處理來修改膜質(zhì)量和與第二柵極絕緣層507b的氧化物半導體的界面的特性。在任一種情況下，能夠使用任意的柵極絕緣層，只要作為第二柵極絕緣層507b的膜質(zhì)量是高的、與氧化物半導體的界面狀態(tài)密度有所降低的以及能夠形成有利的界面。此外，為了在第一柵極絕緣層507a、第二柵極絕緣層507b以及氧化物半導體膜530中盡可能少地包含氫、羥基和水分，優(yōu)選的是，在濺射設備的預熱室中預熱其上形成有柵電極511的襯底505，或其上形成有直到并且包括第一柵極絕緣層507a或第二柵極絕緣層507b的層的襯底505，作為用于氧化物半導體膜530的膜形成的預處理，使得消除吸附在 襯底505的諸如氫和水分的雜質(zhì)，并且執(zhí)行排氣。作為設置在預熱室中的排氣單元，優(yōu)選低溫泵。注意，能夠省略該預熱處理?？深愃频貙σr底505執(zhí)行這種預熱步驟，在襯底505上形成有直到并且包括在形成絕緣層516之前形成的源電極515a和漏電極515b的層。隨后，具有2 nm至200 nm (包括兩端)、優(yōu)選地為5 nm至30 nm (包括兩端)的厚度的氧化物半導體膜530形成于第二柵極絕緣層507b之上(參見圖2A)。注意，在通過濺射法形成氧化物半導體膜530之前，優(yōu)選地通過在其中引入氬氣并且生成等離子體的反濺射來去除附在第二柵極絕緣層507b的表面上的粉末物質(zhì)(也稱為粒子或灰塵)。反濺射指的是這樣的方法，其中對靶側(cè)沒有施加電壓，RF電源用于在氬氣氛之下對襯底側(cè)施加電壓，使得在襯底的附近生成等離子體以修改表面。注意，代替氬氣氛，可使用氮氣氛、氦氣氛、氧氣氛等。作為用于氧化物半導體膜530的氧化物半導體，能夠使用在實施例I中描述的氧化物半導體。此外，在以上氧化物半導體中可包含Si02。在本實施例中，借助于In-Ga-Zn-O類金屬氧化物靶通過濺射法來形成氧化物半導體膜530。該階段的截面圖對應于圖2A。備選地，能夠在稀有氣體(典型地，氬)氣氛、氧氣氛或稀有氣體和氧的混合氣氛下通過濺射法來形成氧化物半導體膜530。使用例如包含組成比為I :1 :1 [摩爾比]的In203、Ga203和ZnO的金屬氧化物靶來形成In-Ga-Zn-O膜，作為用于通過濺射法形成氧化物半導體膜530的靶。對于靶的材料和成分沒有限制，例如，可使用包含組成比為I :1 :2 [摩爾比]的ln203、Ga2O3和ZnO的金屬氧化物靶。 金屬氧化物靶的相對密度為90%至100% (包括兩端)，優(yōu)選地為95%至99. 9% (包括兩端)。通過使用具有高相對密度的金屬氧化物靶，能夠形成致密的氧化物半導體膜。優(yōu)選的是，其中去除了諸如氫、水、羥基或氫化物的雜質(zhì)的高純度氣體用作用于氧化物半導體膜530的膜形成的濺射氣體。襯底置于降低的壓カ下的膜形成室中，并且襯底溫度設置成100で至600°C (包括兩端)、優(yōu)選地為200°C至400°C (包括兩端)的溫度。通過在加熱襯底的狀態(tài)中形成氧化物半導體膜，能夠降低形成的氧化物半導體膜中的雜質(zhì)濃度。此外，能夠減少由于濺射的損傷。然后，在膜形成室中的剰余水分被去除的同時，引入從其中去除了氫和水分的濺射氣體，并且利用以上靶將氧化物半導體膜530形成于襯底505之上。為了去除膜形成室中的剰余水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵，例如低溫泵、離子泵或鈦升華泵。排氣單元可為設置有冷阱的渦輪泵。在利用低溫泵來排空的膜形成室中，去除例如氫原子以及諸如水(H2O)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)，使得在膜形成室中形成的氧化物半導體膜中的雜質(zhì)濃度能夠降低。作為膜形成條件的ー個示例，襯底和靶之間的距離為100 mm、壓カ為O. 6 Pa、直流(DC)電源為O. 5 kff以及氣氛為氧氣氛(氧流率的比例為100%)。注意，因為能夠減少在膜形成時生成的粉末物質(zhì)(也稱為粒子或灰塵)并且膜厚度能夠是均勻的，所以優(yōu)選脈沖直流電源。 隨后，氧化物半導體膜530在第二光刻步驟中加工成島狀氧化物半導體層。用于形成島狀氧化物半導體層的抗蝕劑掩模可通過噴墨方法形成。通過噴墨方法的抗蝕劑掩模的形成不需要光掩模；因此，能夠降低制造成本。在第一柵極絕緣層507a和第二柵極絕緣層507b中形成接觸孔的情況下，能夠在與氧化物半導體膜530的處理的同時執(zhí)行形成接觸孔的步驟。對于氧化物半導體膜530的蝕刻，可采用濕法蝕刻和干蝕刻的其中ー種或兩種。作為用于氧化物半導體膜530的濕法蝕刻的蝕刻劑，可使用例如磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液或 IT007N (由 KANTO CHEMICAL CO. , INC.生產(chǎn))。隨后，氧化物半導體層經(jīng)受第一熱處理。氧化物半導體層能夠通過這個第一熱處理脫水或脫氫。第一熱處理的溫度為400°C至750°C (包括兩端)，或高于或等于400°C且低于襯底的應變點。在該步驟中，將襯底放入作為ー種熱處理設備的電爐，并且在氮氣氛下以450°C對氧化物半導體層執(zhí)行熱處理I小時，然后在沒有暴露于空氣的情況下防止水或氫進入氧化物半導體層；因此，獲得氧化物半導體層531 (參見圖2B)。注意，熱處理設備并不局限于電爐，并且可使用用于通過來自諸如電阻加熱器的加熱器的熱傳導或熱輻射來加熱對象的設備。例如，能夠使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)設備或LRTA (燈快速熱退火)設備的RTA (快速熱退火)設備。LRTA設備是用于通過從諸如鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈的燈所發(fā)射的光(電磁波)的輻射來加熱對象的設備。GRTA設備是用于使用高溫氣體的熱處理的設備。作為高溫氣體，使用不會通過熱處理與對象發(fā)生反應的惰性氣體，諸如氮或者諸如氬的稀有氣體。例如，作為第一熱處理，可執(zhí)行GRTA，其中襯底被移入加熱至650°C至700°C的高溫的惰性氣體中，加熱數(shù)分鐘，并且從加熱至高溫的惰性氣體中移出。注意，在第一熱處理中，優(yōu)選的是，水、氫等不包含在氮氣氛或諸如氦、氖或氬的稀有氣體氣氛中。引入至熱處理設備中的氮氣或諸如氦、氖或氬的稀有氣體的純度優(yōu)選地為6N (99. 9999%)或者更高，更優(yōu)選地為7N (99. 99999%)或者更高(例如，雜質(zhì)濃度為I ppm或更低，優(yōu)選地為O. I ppm或更低)。此外，在第一熱處理中加熱氧化物半導體層之后，高純度氧氣、高純N2O氣或超干空氣(露點低于或等于-40°C，優(yōu)選地為低于或等于-60°C)可引入至相同的電爐。優(yōu)選的是，氧氣和N2O氣不包括水、氫等。備選地,引入熱處理設備中的氧氣或N2O氣的純度優(yōu)選地為6N (99. 9999%)或更高，更優(yōu)選地為7N (99. 99999%)或更高(B卩，氧氣或N2O氣體的雜質(zhì)濃度優(yōu)選地為I ppm或更低,優(yōu)選地為O. I ppm或更低)。通過氧氣或N2O氣體的作用供應了氧，其中氧是包括在氧化物半導體中的成分之一，并且在與用于通過脫水或脫氫去除雜質(zhì)的步驟同時被減少，從而使得氧化物半導體層能夠為高度純化并且電學上i型(本征)的氧化物半導體。此外，也能夠?qū)ι形醇庸こ蓫u狀氧化物半導體層的氧化物半導體膜530執(zhí)行氧化物半導體層的第一熱處理。在那種情況下，在第一熱處理之后，從加熱設備中取出襯底，然后執(zhí)行光刻步驟。注意，可在除了以上定時之外的任意下列定時執(zhí)行第一熱處理，只要它是在氧化物半導體層的膜形成之后執(zhí)行在源電極和漏電極層疊于氧化物半導體層之后，并且在絕緣層形成于源電極和漏電極上之后。在第一柵極絕緣層507a和第二柵極絕緣層507b中形成接觸孔的情況下，可在對 氧化物半導體膜530執(zhí)行第一熱處理之前或之后執(zhí)行形成接觸孔的步驟。此外，作為氧化物半導體層，可通過執(zhí)行膜形成兩次和熱處理兩次來形成具有厚度較大的結晶區(qū)(即c軸對齊垂直于膜的表面的結晶區(qū))的氧化物半導體層，即使在任意氧化物、氮化物、金屬等用于基底部件的材料時。例如，形成具有3 nm至15 nm (包括兩端)的厚度的第一氧化物半導體膜，并且在氮、氧、稀有氣體或干燥空氣氣氛下以450°C至850°C(包括兩端)、優(yōu)選地為550°C至750°C (包括兩端)的溫度來執(zhí)行第一熱處理，使得在包括表面的區(qū)域中形成具有結晶區(qū)(包括板狀結晶)的第一氧化物半導體膜。然后，形成具有比第ー氧化物半導體膜更大厚度的第二氧化物半導體膜，并且以450°C至850°C (包括兩端)、優(yōu)選地為600°C至700°C (包括兩端)的溫度來執(zhí)行第二熱處理，使得結晶生長借助于作為結晶生長的種子的第一氧化物半導體膜向上進行，并且使第二氧化物半導體膜結晶。這樣，可形成擁有具有厚度較大的結晶區(qū)的氧化物半導體層。隨后，用作源電極和漏電極(包括在與源電極和漏電極相同的層中形成的布線)的導電膜形成于第二柵極絕緣層507b和氧化物半導體層531之上。作為用于源電極和漏電極的導電膜，能夠使用在實施例I中描述的、用于源電極405a和漏電極405b的材料?？刮g劑掩模在第三光刻步驟中形成于導電膜之上，源電極515a和漏電極515b通過選擇性蝕刻來形成，然后去除抗蝕劑掩模(參見圖2C)?？稍诘谌饪滩襟E中形成抗蝕劑掩模的時候使用紫外線燈、KrF激光燈或ArF激光燈來執(zhí)行曝光，以后將要形成的晶體管的溝道長度L由氧化物半導體層531之上彼此相鄰的源電極與漏電極的底端部之間的距離來確定。在對于溝道長度L小于25 nm的情況下執(zhí)行曝光時，可使用具有數(shù)納米至數(shù)十納米的極短波長的遠紫外線，在第三光刻過程中形成抗蝕劑掩模的時候執(zhí)行曝光。在通過遠紫外光的曝光中，分辨率高并且焦深大。因此，以后將要形成的晶體管的溝道長度L能夠為10 nm至1000 nm (包括兩端)。由此，電路的操作速度能夠增加。為了減少光刻步驟中所使用的光掩模的數(shù)量以及減少光刻步驟的數(shù)量，可借助于使用作為其中光透射成具有多種強度的曝光掩模的多色調(diào)掩模來形成的抗蝕劑掩模來執(zhí)行蝕刻步驟。由于借助于多色調(diào)掩模所形成的抗蝕劑掩模具有多個厚度并且能夠通過蝕刻進ー步改變形狀，因此，抗蝕劑掩模能夠在多個蝕刻步驟中用于加工成不同的圖案。所以，與至少兩種或多種不同圖案對應的抗蝕劑掩模能夠通過ー種多色調(diào)掩模來形成。因此，曝光掩模的數(shù)量能夠減少，并且對應的光刻步驟的數(shù)量也能夠減少，由此能夠?qū)崿F(xiàn)過程的簡化。注意，優(yōu)選的是，優(yōu)化蝕刻條件，以便在蝕刻導電膜時不會蝕刻和分割氧化物半導體層531。然而，難以獲取其中僅僅蝕刻導電膜而一點也不蝕刻氧化物半導體層531的蝕刻條件。在某些情況下，當蝕刻導電膜時，僅僅氧化物半導體層531的一部分蝕刻成具有溝槽部分(凹陷部分)的氧化物半導體層。在本實施例中，Ti膜用作導電膜并且In-Ga-Zn-O類氧化物半導體用于氧化物半導體層531 ;因此，過氧化氫銨混合物(31 wt. %過氧化氫溶液28 wt. %氨水水=5 2 2)用作蝕刻劑。隨后，可通過使用諸如N20、N2或Ar的氣體的等離子體處理去除吸附在氧化物半導體層的暴露部分的表面的水等。在執(zhí)行等離子體處理的情況下，在等離子體處理之后，以不暴露至空氣的方式形成與氧化物半導體層的一部分相接觸的、用作保護絕緣膜的絕緣層 516。絕緣層516能夠適當?shù)夭捎弥T如濺射法的方法形成為至少I nm的厚度，在方法中諸如水和氫的雜質(zhì)不會進入絕緣層516。當氫包含于絕緣層516吋，發(fā)生氫進入氧化物半導體層或者通過氫抽取氧化物半導體層中的氧，由此氧化物半導體層的背溝道成為η型(具有較低的電阻)；因此，可能形成寄生溝道。所以，重要的是，采用其中沒有使用氫的膜形成方法，使得形成包含盡可能少的氫的絕緣層516。在本實施例中，通過濺射法將氧化硅膜形成為200 nm的厚度作為絕緣層516。在膜形成期間的襯底溫度可為室溫至300°C(包括兩端)，并且在本實施例中設置成100°C。能夠在稀有氣體(典型地，氬)氣氛、氧氣氛或包含稀有氣體和氧的混合氣氛下通過濺射法形成氧化硅膜。作為靶，能夠使用氧化硅靶或硅靶。例如，能夠在包含氧的氣氛下通過濺射法使用硅靶來形成氧化硅膜。作為形成為與氧化物半導體層相接觸的絕緣層516，使用不包括諸如水分、氫離子和0H_并且阻止其從外部進入的無機絕緣膜。典型地，使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜、氧氮化鋁膜等。為了在與氧化物半導體膜530的膜形成的同時去除在絕緣層516的膜形成室中剩余的水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵(諸如低溫泵)。在使用低溫泵排氣的膜形成室中形成絕緣層516時，能夠降低絕緣層516中的雜質(zhì)濃度。此外，作為用于去除絕緣層516的膜形成室中剰余的水分的排氣單元，可使用設置有冷阱的渦輪泵。優(yōu)選的是使用其中去除了諸如氫、水、羥基或氫化物的雜質(zhì)的高純度氣體作為用于絕緣層516的膜形成的濺射氣體。隨后，在惰性氣體氣氛或氧氣氣氛下(優(yōu)選地以200至400°C(包括兩端)、例如250至350°C (包括兩端)的溫度)來執(zhí)行第二熱處理。例如，在氮氣氛下以250°C執(zhí)行第二熱處理I小時。在第二熱處理中，氧化物半導體層的一部分(溝道形成區(qū))在與絕緣層516相接觸的同時被加熱。通過以上過程，氧能夠供應至氧化物半導體層，其中氧作為氧化物半導體的成分之一并且在與對氧化物半導體膜執(zhí)行的第一熱處理(有意地從氧化物半導體層去除諸如氫、水分、羥基或氫化物(也稱為氫化合物)的雜質(zhì)的步驟)的同時被減少。因此，氧化物半導體層為高度純化并且電學上i型(本征)的氧化物半導體。
通過以上過程，形成晶體管510 (參見圖2D)。在具有許多缺陷的氧化硅層用作絕緣層516時，利用在氧化硅層的形成之后所執(zhí)行的熱處理，包含在氧化物半導體層中的諸如氫、水分、羥基、或氫化物的雜質(zhì)能夠擴散至絕緣層，使得氧化物半導體層中的雜質(zhì)能夠進一歩減少。保護絕緣層506可形成于絕緣層516之上。例如，通過RF濺射法形成氮化硅膜。RF濺射法具有高的生產(chǎn)率；因此，優(yōu)選地使用RF濺射法作為保護絕緣層的膜形成方法。作為保護絕緣層，使用不包括諸如水分的雜質(zhì)并且防止這些雜質(zhì)從外部進入的無機絕緣膜，諸如氮化硅膜或氮化鋁膜。在本實施例中，使用氮化硅膜形成保護絕緣層506(參見圖2E)。在本實施例中，作為保護絕緣層506，通過加熱襯底505 (其上形成有直到絕緣層516的層)到100°C至400°C的溫度、引入從其去除了氫和水分的包含高純度氮的濺射氣體以及使用硅半導體靶來形成氮化硅膜。同樣，在這種情況下，優(yōu)選地在以與絕緣層516相似 的方式去除了處理室中剰余的水分的同時形成保護絕緣層506。在形成保護絕緣層之后，可進ー步在空氣中以100°C至200°C (包括兩端)的溫度執(zhí)行熱處理I小時至30小時(包括兩端)。該熱處理可以以固定的加熱溫度執(zhí)行。備選地，加熱溫度中的以下變化可反復地執(zhí)行多次加熱溫度從室溫増加至100°C至200°C (包括兩端)，然后降低至室溫。包括根據(jù)本實施例以這樣的方式形成的高度純化的氧化物半導體層的晶體管具有較高的場效應遷移率；因此，高速驅(qū)動是可能的。借助于用于第一柵極絕緣層的氧化鉿膜，晶體管的柵極泄漏電流能夠減少；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)半導體裝置的節(jié)能。此外，對第一柵極絕緣層使用氧化鉿膜使得具有大于或等于2 nm (具體地，2nm至10 nm (包括兩端))的厚度的柵極絕緣層，能夠獲得與僅僅使用氧化硅膜來形成的、具有小于或等于O. 8 nm的厚度的柵極絕緣層相同的效果。本實施例能夠與實施例I任意地組合。[實施例3]
在本實施例中，下面將描述形成包括兩個柵電極的雙柵極晶體管的ー個示例，兩個柵電極之一隔著柵極絕緣層設置于溝道區(qū)之上，并且兩個柵電極的另一個隔著另ー個柵極絕緣層設置于溝道形成區(qū)之下。注意，因為在制造過程的中間的步驟與實施例2中的步驟相同，所以對于相同的部分將使用相同的參考標號來進行描述。圖3A至圖3C示出晶體管的截面結構的ー個示例。圖3A與圖2C相同。首先，根據(jù)實施例2，獲得在圖3A中示出的狀態(tài)。隨后，以與實施例2相似的方式形成與氧化物半導體層的一部分相接觸的、用作保護絕緣膜的絕緣層516。在本實施例中，為了在以后的步驟中形成第二柵電極，使用與第ニ柵極絕緣層507b相同的材料和厚度來形成絕緣膜。隨后，如圖3B中所示，具有比絕緣層516更高的相對電容率的絕緣層526形成于絕緣層516之上。作為絕緣層526，形成其材料和厚度與第一柵極絕緣層507a相同的絕緣膜(即，具有20 nm的厚度的氧化鉿膜)。隨后，第二柵電極508形成于絕緣層526之上。第二柵電極508能夠使用諸如Mo、Ti、Cr、Ta、W、Al、Cu、Nd或Sc的金屬材料，或包含以上金屬材料作為其主要成分的合金材料來形成為具有單層結構或?qū)盈B結構。通過以上過程，能夠制造在圖3C中示出的晶體管520。注意，使用氧化鉿形成的絕緣層526難以通過濕法蝕刻來蝕刻；因此，在第二柵電極508的圖案形成的時候采用濕法蝕刻時，甚至在絕緣層526的厚度為2 nm至10 nm (包括兩端)吋，絕緣層526作為蝕刻阻擋物而起作用并且不具有針孔等；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有均勻的擊穿電壓的晶體管520。作為相對電容率高于第二絕緣層的相對電容率的第一絕緣層和相對電容率高于第三絕緣層的相對電容率的第四絕緣層的每ー個，使用包含鉿的絕緣膜，使得本實施例的柵極絕緣層的厚度能夠薄于考慮氧化硅膜的柵極絕緣層的厚度。在氧化物半導體層用于包括晶體管中的溝道形成區(qū)的半導體層時，根據(jù)半導體裝置的制造過程，晶體管的閾值電壓有時沿正方向或負方向變化。因此，其中氧化物半導體用 于包括溝道形成區(qū)的半導體層的晶體管，優(yōu)選地具有其中能夠通過采用像晶體管520那樣的雙柵極結構控制閾值電壓的結構，其中通過控制第一柵電極511或第二柵電極508的電位，閾值電壓也能夠被控制成為期望的值。本實施例能夠與實施例I或?qū)嵤├?任意組合。[實施例4]
氧化物半導體層容易被在制造過程中生成的電場影響。因此，圖4A和圖4B示出用于降低例如這樣的電場的影響的膜形成設備在根據(jù)實施例I制造如圖ID中所示的頂柵晶體管的情況下，通過濺射法在氧化物半導體層之上形成柵極絕緣層的時候生成的電場。在本實施例中，將描述在圖4A和圖4B中示出的使用膜形成設備形成氧化鉿膜的一個示例。在形成真空狀態(tài)的室301中，供應Ar氣或O2氣和Ar氣的混合氣體，使得連接至RF電源304的電極302和電極303設置成互相面對。各為氧化鉿的靶308和靶309分別固定至電極302和電極303。注意，圖4A為從上面看的室301的俯視示意圖，并且圖4B為室301的截面示意圖。襯底305垂直地放置并且經(jīng)受濺射膜形成，使得能夠處理大尺寸的襯底。以使氧化鉿的靶308和靶309互相面對并且使襯底305不放置在兩個靶之間的方式，使得襯底305幾乎不暴露至等離子體。襯底305設置有覆蓋了絕緣膜的氧化物半導體層，并且借助于在圖4A和圖4B中示出的設備，能夠形成氧化鉿膜而沒有尤其對氧化物半導體層造成麻煩的損傷(例如，等離子體損傷)。這樣，氧化鉿膜形成在通過支架307固定的襯底305的表面上。注意，通過光閘306停止在襯底上的膜的形成直到膜形成速度穩(wěn)定為止，并且打開光閘306以開始膜形成。雖然光閘306為在圖4A和圖4B中的滑動型，但是沒有具體限制。在圖4A中，雖然襯底表面示出為關于室的底面垂直，但是并不限制于此，可通過支架307放置襯底使得其表面傾斜于室的底面。支架307設置有加熱器，并且能夠在加熱襯底305的同時執(zhí)行膜形成。借助于支架307的加熱器，襯底305保持在維持在降低的壓カ下的室301中，并且襯底305之上的氧化物半導體層也能夠被加熱，使得襯底305的溫度高于或等于100°C且低于550°C，優(yōu)選地為200°C至400°C (包括兩端)。然后，在去除了室301中的水分的同時，弓丨入從其中去除了氫、水等的濺射氣體(氧或氬)，由此，使用以上靶來形成氧化鉿膜。在借助干支架307的加熱器加熱襯底305的同時形成氧化鉿膜，使得因濺射而產(chǎn)生的損傷也能夠減少。為了去除在室301中的水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵。例如，能夠使用低溫泵、離子泵、鈦升華泵等。可使用設置有冷阱的渦輪泵。通過使用低溫泵等的排氣，能夠從處理室中去除氫、水等。此外，雖然給出了氧化鉿膜的膜形成作為本實施例中ー個示例，但是沒有具體限制，通過利用在圖中4A和圖4B中示出的膜形成設備，能夠使用能用于柵極絕緣層的絕緣膜或另ー種高k膜的膜形成。此外，在圖4A和圖4B中示出的膜形成設備能夠用于形成與氧化物半導體層相接觸的絕緣膜。[實施例5]
在本實施例中，將參照圖5A至圖5C來描述對應于半導體裝置的一種模式的液晶顯示面板的外觀和截面。圖5A和圖5C是面板的平面圖，在各面板中，晶體管4010、晶體管4011以及液晶元件4013采用密封劑4005密封在第一襯底4001與第二襯底4006之間。圖5B 為沿著圖5A或圖5C的線麗所截取的截面圖。密封劑4005設置成包圍設置在第一襯底4001之上的像素部分4002和掃描線驅(qū)動器電路4004。第二襯底4006設置在像素部分4002和掃描線驅(qū)動器電路4004之上。因此，像素部分4002和掃描線驅(qū)動器電路4004連同液晶層4008 —起由第一襯底4001、密封劑4005和第二襯底4006來密封。使用在単獨制備的襯底之上的單晶半導體膜或多晶半導體膜來形成的信號線驅(qū)動器電路4003，安裝在與被第一襯底4001之上的密封劑4005所包圍的區(qū)域不同的區(qū)域中。注意，沒有具體地限制単獨地形成的驅(qū)動器電路的連接方法，并且能夠使用COG方法、電線接合方法、TAB方法等。圖5A示出其中信號線驅(qū)動器電路4003通過COG方法安裝的ー個示例。圖5C示出其中信號線驅(qū)動器電路4003通過TAB方法來安裝的ー個示例。設置于第一襯底4001之上的像素部分4002和掃描線驅(qū)動器電路4004包括多個晶體管。圖5B示出包括在像素部分4002中的晶體管4010和包括在掃描線驅(qū)動器電路4004中的晶體管4011作為ー個示例。晶體管4011包括第一柵極絕緣層4020a和第二柵極絕緣層4020b，并且能夠使用在實施例2中描述的第一柵極絕緣層402a和第二柵極絕緣層402b。能夠借助于用于第一柵極絕緣層402a的高k膜形成具有低的柵極泄漏電流的晶體管。絕緣層4041、絕緣層4042以及絕緣層4021設置在晶體管4010和晶體管4011之上。在實施例I中描述的具有低的柵極泄漏電流的晶體管能夠用作晶體管4010和晶體管4011。在實施例I中描述的任意晶體管410、晶體管420、晶體管430和晶體管440能夠用作用于驅(qū)動器電路的晶體管4011以及用于像素的晶體管4010。在本實施例中，晶體管4010和晶體管4011為η溝道晶體管。導電層4040設置于絕緣層4021的一部分之上，其與用于驅(qū)動器電路的晶體管4011中的氧化物半導體層的溝道形成區(qū)重疊。導電層4040設置在與氧化物半導體層的溝道形成區(qū)重疊的位置，由此介于BT測試前和BT測試后之間的晶體管4011的閾值電壓中的變化量能夠降低。導電層4040的電位可同于或不同于晶體管4011的柵電極的電位。導電層4040也能夠作為第二柵電極起作用。備選地，導電層4040的電位可為GND或O V，或?qū)щ妼?040可為浮態(tài)。
包括在液晶元件4013中的像素電極層4030電連接到晶體管4010。對第二襯底4006設置液晶元件4013的對電極層4031。像素電極層4030、對電極層4031和液晶層4008相互重疊的一部分對應于液晶元件4013。注意，像素電極層4030和對電極層4031分別設置有各作為對準膜而起作用的絕緣層4032和絕緣層4033，并且液晶層4008夾在像素電極層4030和對電極層4031之間，液晶層4008和像素電極層4030之間隔著絕緣層4032，液晶層4008和對電極層4031之間隔著絕緣層4033。注意，作為第一襯底4001和第二襯底4006，能夠使用透光襯底，例如諸如聚酯膜或丙烯酸樹脂膜的塑料襯底、玻璃襯底或陶瓷襯底。參考標號4035表示柱狀隔離物，該柱狀隔離物通過有選擇性蝕刻絕緣膜而得到，并且設置成以便控制像素電極層4030與對電極層4031之間的距離(単元間隙)。備選地，還可使用球形隔離物。對電極層4031電連接至設置在與晶體管4010相同的襯底之上的公共電位線。借助于公共連接部分，對電極層4031和公共電位線能夠通過布置在一對襯底之·間的導電粒子相互電連接。注意，導電粒子包含在密封劑4005中。備選地，可使用不需要對準膜的呈現(xiàn)藍相的液晶。在那種情況下，因為采用了水平電場模式，所以電極布置成與在圖中5A至圖5C中示出的不同。例如，在相同的絕緣層之上布置像素電極層和公共電極層，并且施加水平電場至液晶層。藍相是在膽留型液晶的溫度增加的同時剛好在膽留型相變成各向同性相之前生成的ー種液晶相位。藍相僅在窄溫度范圍內(nèi)生成；因此，為改進溫度范圍而包含5 wt%或以上的手性試劑的液晶組合物用于液晶層4008。包括呈現(xiàn)藍相的液晶和手性試劑的液晶組合物具有I毫秒或更小的短響應時間，具有使得不需要對準過程的光學各向同性，以及具有小的視角依賴性。注意，除了透射液晶顯示裝置之外，本實施例還能夠應用于半透反射(transflective)液晶顯示裝置。描述了液晶顯示裝置的示例，其中偏光板設置在襯底的外表面上(觀看者側(cè))，并且用于顯示元件的著色層和電極層依次設置在襯底的內(nèi)表面上；然而，偏光板可設置在襯底的內(nèi)表面上。偏光板和著色層的層疊結構并不局限于本實施例，而是可根據(jù)偏光板和著色層的材料或制造過程的條件來適當?shù)卦O置。此外，作為黑矩陣而起作用的遮光膜可設置在除了顯示部分之外的部分中。在晶體管4011和晶體管4010之上，形成與氧化物半導體層相接觸的絕緣層4041。絕緣層4041可使用與在實施例I中描述的絕緣膜407相似的材料和方法來形成。這里，作為絕緣層4041，使用在實施例4中描述的膜形成設備通過濺射法來形成氧化硅膜。絕緣層4042在絕緣層4041上形成并且與其接觸。絕緣層4042能夠使用與實施例I中描述的保護絕緣層409相似的材料和方法來形成。此外，為了降低因晶體管而產(chǎn)生的表面粗糙度，絕緣層4042覆蓋有作為平面化絕緣膜而起作用的絕緣層4021。絕緣層4021形成為平面化的絕緣膜。作為絕緣層4021，能夠使用諸如聚酰亞胺、丙烯酸、苯并環(huán)丁烯、聚酰胺或環(huán)氧樹脂的具有耐熱性的有機材料。除了這些有機材料之夕卜，還有可能使用低介電常數(shù)材料(低k材料)、硅氧烷類樹脂、PSG (磷硅酸鹽玻璃)、BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)等。注意，可通過層疊使用這些材料所形成的多個絕緣膜來形成絕緣層4021。對于形成絕緣層4021的方法沒有具體限制，并且取決于材料，能夠采用下列的方法或工具諸如濺射法、SOG方法、旋涂方法、浸潰方法、噴涂方法或微滴排放方法(例如噴墨方法、絲網(wǎng)印刷或平板印刷)的方法或者諸如刮刀、輥式涂布機、簾式涂布機或刮刀式涂布機的工具。絕緣層4021的烘焙步驟也用作半導體層的退火，使得能夠高效地制造半導體裝置。能夠使用諸如包含氧化鶴的氧化銦、包含氧化鶴的氧化銦鋅、包含氧化鈦的氧化銦、包含氧化鈦的氧化銦錫、氧化銦錫(在下文中稱為ΙΤ0)、氧化銦鋅或添加有氧化硅的氧化銦錫的透光導電材料來形成像素電極層4030和對電極層4031。此外，各種信號和電位從FPC4018供應至單獨形成的信號線驅(qū)動器電路4003、掃描線驅(qū)動器電路4004或像素部分4002。使用與包括在液晶元件4013中的像素電極層4030相同的導電膜來形成連接端子電極4015。使用與晶體管4010和晶體管4011的每個的源電極和漏電極相同的導電膜來形 成端子電極4016。連接端子電極4015通過各向異性導電膜4019電連接至FPC4018的端子。圖5A至圖5C示出ー個示例，其中信號線驅(qū)動器電路4003単獨地形成并且安裝在第一襯底4001上；然而，本發(fā)明的實施例不限于該結構。掃描線驅(qū)動器電路可単獨地形成然后安裝，或可僅僅單獨地形成信號線驅(qū)動器電路的一部分或掃描線驅(qū)動器電路的一部分然后安裝。[實施例6]
在本實施例中，將描述作為本發(fā)明的實施例的半導體裝置的電子紙的一個示例。通過在實施例2中描述的方法獲得的、包括層疊的柵極絕緣層的晶體管可用于電子紙，在電子紙中，電子墨水被電連接至開關元件的元件驅(qū)動。電子紙也稱為電泳顯示裝置(電泳顯示器)，并且其優(yōu)點在于具有與普通紙相同的可讀性級別，它具有比其它顯示裝置更低的功率消耗，并且能夠被制造得薄而且輕量。電泳顯示器具有多種模式。電泳顯示器包含分散在溶劑或溶質(zhì)中的多個微膠囊，各微膠囊包含帶正電的第一粒子和帶負電的第二粒子。通過施加電場至微膠囊，微膠囊中的粒子在相反的方向上相互移動，并且僅僅顯示聚集在一側(cè)上的粒子的顔色。注意，第一粒子和第二粒子各包含染料并且在沒有電場的情況下不會移動。此外，第一粒子和第二粒子具有不同的顔色(其可為無色的)。因此，電泳顯示器是利用所謂的電泳效應的顯示器，通過電泳效應，具有高的介電常數(shù)的物質(zhì)移動至高電場區(qū)。其中在溶劑中分散了以上微膠囊的溶液稱為電子墨水。該電子墨水能夠被印刷在玻璃、塑料、布、紙等的表面上。而且，通過利用濾色器或具有色素的粒子，也能夠獲得彩色顯不O此外，如果多個以上微膠囊適當?shù)夭贾迷谟性淳仃囈r底之上，以便被插入在兩個電極之間，則能夠完成有源矩陣顯示裝置，并且能夠通過施加電場至微膠囊來執(zhí)行顯示。例如，能夠使用利用在實施例2中描述的晶體管來形成的有源矩陣襯底。注意，在微膠囊中的第一粒子和第二粒子可各使用從導電材料、絕緣材料、半導體材料、磁性材料、液晶材料、鐵電材料、電致發(fā)光材料、電致變色材料以及磁泳(magnetophoretic)材料中選擇的單種材料來形成,或使用任意這些的合成材料來形成。
圖6示出有源矩陣電子紙作為半導體裝置的ー個示例。在半導體裝置中使用的晶體管581為具有低的柵極泄漏電流的晶體管，其能夠以與實施例2的晶體管相似的方式來制造。圖6中的電子紙為使用扭轉(zhuǎn)球顯示系統(tǒng)的顯示裝置的ー個示例。扭轉(zhuǎn)球顯示系統(tǒng)指的是ー種方法，其中各以黑色和白色著色的球形粒子布置在作為用于顯示元件的電極層的第一電極層和第二電極層之間，并且在第一電極層和第二電極層之間生成電位差以控制球形粒子的取向，使得執(zhí)行顯示。晶體管581為底柵晶體管，其包括在第一柵極絕緣層582a和第二柵極絕緣層582b的疊層之上并且與該疊層相接觸的氧化物半導體層，并且其覆蓋有與氧化物半導體層相接觸的絕緣層583。注意，使用包含鉿的絕緣膜來形成第一柵極絕緣層582a，該絕緣膜為相對電容率高于第二柵極絕緣層582b的相對電容率的膜。晶體管581的源電極或漏電極通過在絕緣層583、絕緣層584以及絕緣層585中形 成的開ロ與第一電極層587接觸，從而晶體管581電連接至第一電極層587。在第一電極層587和第二電極層588之間，在一對襯底580和襯底596之間設置周圍填充有液體的、各具有黑色區(qū)590a和白色區(qū)590b的球形粒子589。在球形粒子589周圍的空間填充有諸如樹脂的填充物595 (參見圖6)。此外，第一電極層587對應于像素電極,并且第二電極層588對應于公共電極。第ニ電極層588電連接至設置在與晶體管581相同的襯底之上的公共電位線。借助于公共連接部分，第二電極層588和公共電位線能夠通過布置在一對襯底580和襯底596之間的導電粒子互相電連接。此外，也能夠使用電泳元件代替扭轉(zhuǎn)球。使用具有大約10 μ m至200 μ m的直徑的微膠囊，其中將透明液體、帶正電的白色微粒子以及帶負電黑色微粒子裝入膠囊。在設置在第一電極層和第二電極層之間微膠囊中，當通過第一電極層和第二電極層施加電場時，白色微粒和黑色微粒向相反側(cè)移動，使得能夠顯示白色或黒色。利用該原理的顯示元件為電泳顯示元件并且通常稱為電子紙。電泳顯示元件具有比液晶顯示元件更高的反射率；因此，不需要輔助燈，功率消耗低，并且甚至在昏暗的地方能也夠辨認出顯示部分。此外，甚至在電源不供應至顯示部分時，能夠保持曾經(jīng)已顯示的圖像。因此，即使具有顯示功能的半導體裝置(可簡單地稱為設置有顯示裝置的顯示器或半導體裝置)遠離電波源，也能夠存儲所顯示的圖像。通過以上過程，能夠制造包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管的節(jié)能的電子紙。本實施例能夠與其它實施例中描述的結構適當?shù)亟M合來完成。[實施例7]
在本實施例中，下面將描述形成包括氧化物半導體的晶體管和包括除了在相同的襯底之上的氧化物半導體之外的材料的晶體管的ー個示例。圖7A和圖7B示出半導體裝置的結構的ー個示例。圖7A示出半導體裝置的截面，并且圖7B示出半導體裝置的平面圖。這里，圖7A對應于沿著圖7B中的線A1-A2和線B1-B2的截面。在圖7A和圖7B中示出的半導體裝置包括在下部包括第一半導體材料的晶體管160，以及在上部包括第二半導體的晶體管162。在本實施例中，第一半導體材料為除了氧化物半導體之外的半導體材料(諸如硅)，并且第二半導體材料為氧化物半導體。能夠容易地以高速操作包括除了氧化物半導體之外的材料的晶體管。另ー方面，由于其特性，包括氧化物半導體的晶體管能夠長時間地保持電荷。在圖7A和圖7B中的晶體管160包括設置在包括半導體材料(諸如硅)的襯底100中的溝道形成區(qū)116，使得溝道形成區(qū)116夾在其間而設置的雜質(zhì)區(qū)120，與雜質(zhì)區(qū)120接觸的金屬化合物區(qū)124，設置在溝道形成區(qū)116之上的柵極絕緣層108以及設置在柵極絕緣層108之上的柵電極110。作為包括半導體材料的襯底100，能夠使用由硅、碳化硅等組成的單晶半導體襯底或多晶半導體襯底，由硅鍺等組成的化合物半導體襯底，SOI襯底等。注意，一般而言，術語“SOI襯底”表示硅半導體層設置在絕緣表面上的襯底。在本說明書中等，術語“SOI襯底”在其范疇中還包括使用除了硅之外的材料而形成的半導體層設置于絕緣表面之上的襯底。即，包括在“SOI襯底”中的半導體層不限于硅半導體層。此外，SOI襯底能夠是具有這樣ー種結構的襯底其中半導體層隔著絕緣層設置于諸如玻璃襯底的絕緣襯底之上。電極126連接至晶體管160的金屬化合物區(qū)124的一部分。這里，電極126作為 晶體管160的源電極或漏電極而起作用。元件隔離絕緣層106設置在襯底100之上以圍繞晶體管160。絕緣層128和絕緣層130設置成覆蓋晶體管160。注意，優(yōu)選的是，晶體管160不具有如在圖7A和圖7B中示出的側(cè)壁絕緣層，以實現(xiàn)高集成。在另一方面，當重視晶體管160的特性吋，側(cè)壁絕緣層可設置在柵電極110的側(cè)面上以設置具有雜質(zhì)濃度彼此不同的區(qū)域的雜質(zhì)區(qū)120。能夠通過已知的技術形成晶體管160。這樣的晶體管160有高速操作的能力。因此，通過利用晶體管作為讀取晶體管，能夠高速地讀取數(shù)據(jù)。在形成晶體管160之后，通過使絕緣層128和絕緣層130經(jīng)受CMP處理來作為在晶體管162和電容器164的形成之前的處理,暴露柵電極110和電極126的上表面。備選地，作為用于暴露柵電極110和電極126的上表面的處理，除了 CMP處理之外，有可能采用蝕刻處理等(蝕刻處理等可與CMP處理相結合)。注意，為了改進晶體管162的特性，優(yōu)選的是，盡可能地平面化絕緣層128和絕緣層130的表面。隨后，導電層形成于柵電極110、電極126、絕緣層128、絕緣層130等之上，并且選擇性蝕刻，使得形成源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b。能夠通過諸如濺射法的PVD方法或諸如等離子體CVD方法的CVD方法來形成導電層。此外，作為導電層的材料，能夠使用從Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo以及W中選擇的元素，包括以上元素作為其成分的合金等。可使用任意的Mn、Mg、Zr、Be、Nd以及Sc或包括任意這些的組合的材料。導電層能夠具有單層結構或包括兩個或者更多層的層疊結構。例如，能夠給出鈦膜或氮化鈦膜的單層結構、包含硅的鋁膜的單層結構、其中鈦膜層疊在鋁膜之上的ニ層結構、其中鈦膜層疊在氮化鈦膜之上的ニ層結構以及其中依次層疊鈦膜、鋁膜和鈦膜的三層結構。注意，在導電層具有鈦膜或氮化鈦膜的單層結構的情況下，有ー個優(yōu)點是導電層容易加工成具有錐形形狀的源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b。上部晶體管162的溝道長度(Z)由源電極或漏電極142a的下端部和源電極或漏電極142b的下端部之間的距離所確定。注意，作為用于形成在形成具有小于25 nm的溝道長度(Z)的晶體管的情況下所使用的掩模的曝光，優(yōu)選的是使用波長短至數(shù)納米至數(shù)十納米的遠紫外線。隨后，絕緣層143a形成于源電極或漏電極142a之上，并且絕緣層143b形成于源電極或漏電極142b之上。能夠以形成覆蓋源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b的絕緣層然后選擇性蝕刻的方式形成絕緣層143a和絕緣層143b。此外，形成絕緣層143a和絕緣層143b，以便與以后將形成的柵電極部分地重疊。通過設置這樣的絕緣層，在柵電極和源電極或漏電極之間形成的電容能夠減少。能夠使用包括諸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅或氧化鋁的無機絕緣材料的材料來形成絕緣層143a和絕緣層143b。注意，在柵電極和源電極或漏電極之間形成的電容減少方面，優(yōu)選的是形成絕緣層143a和絕緣層143b ;然而，也可能采用沒有絕緣層的結構。隨后，在氧化物半導體層形成為覆蓋源電極或漏電極142a和源電極或漏電極、142b之后，選擇性蝕刻氧化物半導體層，以形成氧化物半導體層144。使用在實施例2中描述材料和形成過程形成氧化物半導體層。在那之后，優(yōu)選地對氧化物半導體層執(zhí)行熱處理(第一熱處理)。通過第一熱處理去除氧化物半導體層中的過剩的氫(包括水和羥基)，并且改進氧化物半導體層的結構，使得氧化物半導體層的能隙中的缺陷能級密度能夠減少。第一熱處理的溫度設置為高于或等于300°C且低于550°C，或400°C至500°C (包括兩端)。能夠以這樣的方式執(zhí)行熱處理，例如，將對象引入至其中使用電阻加熱元件等的電爐，并且在氮氣氛下以450°C加熱I小吋。在熱處理期間，不將氧化物半導體層暴露至大氣，以防止水和氫的進入。通過第一熱處理減少雜質(zhì)，從而獲得i型(本征)或?qū)嵸|(zhì)性i型氧化物半導體層。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有極好的特性的晶體管。隨后，形成與氧化物半導體層144相接觸的第一柵極絕緣層146a，并且第二柵極絕緣層146b形成于其上。通過濺射法或等離子體CVD方法使用氧化硅、氮化硅或氧氮化硅來形成第一柵極絕緣層146a。此外，在實施例2中描述的、其相對電容率高于或等于10的高k膜用于第二柵極絕緣層146b。借助于高k膜，能夠抑制由于柵極絕緣層的變薄而產(chǎn)生的柵極泄漏電流的增加；因此，半導體裝置能夠小型化。注意，第一柵極絕緣層146a和第二柵極絕緣層146b的總厚度設置為2 nm至100 nm (包括兩端)，優(yōu)選地為10 nm至50 nm (包括兩端)。隨后，在第二柵極絕緣層146b之上，在與氧化物半導體層144重疊的區(qū)域中形成柵電極148a，并且在與源電極或漏電極142a重疊的區(qū)域中形成電極148b。在形成第一柵極絕緣層146a或第二柵極絕緣層146b之后，優(yōu)選地在惰性氣體氣氛或氧氣氛之下執(zhí)行第二熱處理。熱處理的溫度設置為200°C至450°C(包括兩端)，優(yōu)選地為250°C至350°C (包括兩端)。例如，可在氮氣氛下以250°C執(zhí)行熱處理I小吋。第二熱處理能夠減少晶體管的電特性上的變化。此外，第一柵極絕緣層146a或第二柵極絕緣層146b包括氧；因此，氧供應至氧化物半導體層144以補償氧化物半導體層144中的氧缺陷，從而能夠形成i型(本征)或?qū)嵸|(zhì)性i型氧化物半導體層。注意，第二熱處理的定時并不特別地限制于此。例如，可在形成柵電極之后執(zhí)行第ニ熱處理。備選地，可接著第一熱處理執(zhí)行第二熱處理，第一熱處理可兼做第二熱處理或第ニ熱處理可兼做第一熱處理。如上所述，氧化物半導體層144能夠通過應用第一熱處理和第二熱處理的至少ー個來高度地純化，使得盡可能少地包含除了主要成分之外的在其中所包含的雜質(zhì)。能夠以這樣的方式形成柵電極148a和電極148b，即導電層形成于第二柵極絕緣層146b之上，然后被選擇性蝕刻。隨后，絕緣層150和絕緣層152形成于第二柵極絕緣層146b、柵電極148a以及電極148b之上。能夠通過濺射法、CVD方法等來形成絕緣層150和絕緣層152。能夠使用包括諸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化鉿或氧化鋁的無機絕緣材料的材料來形成絕緣層150和絕緣層152。
隨后，在第一柵極絕緣層146a、第二柵極絕緣層146b、絕緣層150以及絕緣層152中形成達到源電極或漏電極142b的開ロ。通過使用掩模等選擇性地蝕刻來形成開ロ。這里，優(yōu)選在與電極126重疊的區(qū)域中形成開ロ。通過在這樣的區(qū)域中形成開ロ，能夠防止由于電極的接觸區(qū)域而引起的元件的面積增加。換句話說，能夠改進半導體裝置的集成度。在那之后，在開口中形成電極154，并且與電極154相接觸的布線156形成于絕緣層152之上。例如，按照下列的方式形成電極154 :通過PVD方法、CVD方法等在包括開ロ的區(qū)域中形成導電層，然后通過蝕刻處理、CMP等部分地去除。
能夠以這樣的方式形成布線156，即通過以濺射法為代表的PVD方法或諸如等離子體CVD方法的CVD方法來形成導電層，然后形成圖案。此外，作為導電層的材料，能夠使用從Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo以及W中選擇的元素，包括以上元素作為其成分的合金等?？墒褂萌我獾腗n、Mg、Zr、Be、Nd以及Sc，或包括任意這些的組合的材料。細節(jié)與源電極或漏電極142a等的相似。通過以上過程，完成了包括純化的氧化物半導體層144的晶體管162和電容器164。電容器164包括源電極或漏電極142a、氧化物半導體層144、第一柵極絕緣層146a、第ニ柵極絕緣層146b以及電極148b。注意，在圖7A和圖7B中示出的電容器164中，通過層疊氧化物半導體層144、第ー柵極絕緣層146a以及第ニ柵極絕緣層146b，能夠確保源電極或漏電極142a和電極148b之間的絕緣。不用說，為了確保足夠的電容，可采用沒有氧化物半導體層144的電容器164。備選地，可采用包括以與絕緣層143a相似的方式形成的絕緣層的電容器164。此外，在不需要電容器的情況下，可采用沒有電容器164的結構。借助于高度純化并且變成本征的氧化物半導體層144，晶體管的斷態(tài)電流能夠充分地減少。然后，通過使用這種晶體管，能夠獲得其中存儲的數(shù)據(jù)能夠存儲極長時間的半導體裝置。此外，在本實施例中描述的半導體裝置中布線共用；因此，能夠?qū)崿F(xiàn)充分改進了集成度的半導體裝置。而且，通過形成互相重疊的電極126和電極154，能夠防止由于電極接觸區(qū)而引起的元件面積的增加。因此，實現(xiàn)了更高的集成。在本實施例中描述的結構、方法等能夠與其它實施例中描述的任意的結構、方法等適當?shù)亟Y合。
[實施例8]
本說明書中公開的半導體裝置能夠應用于各種電子裝置(包括游戲機)。電子裝置的示例為電視機(又稱作電視或電視接收機)、計算機等的監(jiān)視器、諸如數(shù)碼相機或數(shù)碼視頻攝像機的攝像機、數(shù)碼相框、移動電話手機(又稱作手提電話或移動電話裝置)、便攜游戲控制臺、便攜信息終端、音頻再現(xiàn)裝置、諸如彈球盤機的大型游戲機等等。 在本實施例中，將參照圖8A至圖8E來描述電子裝置的示例，在該電子裝置上安裝有能夠通過實施例I至實施例3的任一個獲得的、具有低的柵極泄漏電流的晶體管。圖8A示出通過安裝至少ー顯示裝置作為部件而制造的膝上型個人計算機，其包括主體3001、殼體3002、顯示部分3003、鍵盤3004等。注意，這個膝上型的個人計算機包括在實施例5中描述的、并且包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管的節(jié)能顯示裝置。 圖SB示出通過至少安裝ー顯示裝置作為部件而制造的便攜式的信息終端(PDA)，其包括在主體3021中的顯示部分3023、外部接ロ 3025、操作按鈕3024等。包括觸屏筆3022作為操作配件。注意，這個便攜式信息終端包括在實施例5中描述的、并且包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管的節(jié)能顯示裝置。圖SC示出通過安裝在實施例6中描述的、并且包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管作為部件的節(jié)能電子紙而制造的電子書閱讀器。圖8C示出電子書閱讀器的ー個示例。例如，電子書閱讀器2700包括兩個殼體，殼體2701和殼體2703。殼體2701和殼體2703與鉸鏈2711結合，以使得電子書閱讀器2700能夠以鉸鏈2711作為軸來打開和關閉。通過這種結構，電子書閱讀器2700能夠像紙書ー樣進行操作。顯示部分2705和顯示部分2707分別結合在殼體2701和殼體2703中。顯示部分2705和顯示部分2707可顯示ー個圖像或不同的圖像。在不同的圖像顯示在不同的顯示部分的結構中，例如，右顯示部分(在圖8C中的顯示部分2705)能夠顯示文本而左顯示部分(在圖8C中的顯示部分2707)能夠顯示圖像。圖8C示出其中殼體2701設置有操作部分等的ー個示例。例如，殼體2701設置有電源開關2721、操作鍵2723、揚聲器2725等。通過操作鍵2723能夠翻頁。注意，鍵盤、指示裝置等也可設置在其上設置了顯示部分的殼體的表面上。而且，外部連接端子(耳機端子、USB端子、能夠連接至諸如AC適配器和USB線纜的多種線纜的端子等)、記錄介質(zhì)插入部分等可設置在殼體的背面或側(cè)面上。此外，電子書閱讀器2700可具有電子詞典的功能。電子書閱讀器2700可具有能無線地傳送和接收數(shù)據(jù)的結構。經(jīng)過無線通信，能夠從電子書服務器購買和下載所希望的書籍數(shù)據(jù)等。圖8D示出通過安裝在實施例5中描述的、并且包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管作為部件的節(jié)能顯示裝置而制造的移動電話，其包括兩個殼體，殼體2800和殼體2801。殼體2801包括顯示面板2802、揚聲器2803、擴音器2804、指示裝置2806、攝像頭2807、外部連接端子2808等。殼體2801設置有用于給便攜式信息終端充電的太陽能電池2810、外部存儲器插槽2811等。此外，天線結合在殼體2801中。顯示面板2802設置有觸摸面板。通過在圖8D中的虛線示出作為圖像顯示的多個操作鍵2805。注意，還包括增強電路，通過增強電路，從太陽能電池2810輸出的電壓升高成用于每個電路所必需的電壓。在顯示面板2802中，取決于所使用圖案，能夠適當?shù)馗淖冿@示方向。此外，移動電話在與顯示面板2802相同的表面上設置有攝像頭2807 ;因此，其能夠用作視頻電話。揚聲器2803和擴音器2804能夠用于可視電話呼叫、記錄和播放語音等以及語音電話。此外，如在圖8D中示出的那樣而開發(fā)的殼體2800和殼體2801能夠滑動，使得一個重疊在另ー個之上；因此，能夠減小移動電話的尺寸，使得移動電話適于攜帯。外部連接端子2808能夠連接至AC適配器和諸如USB線纜的多種類型的線纜，并且充電和與個人計算機進行數(shù)據(jù)通信是可能的。此外，大量的數(shù)據(jù)能夠通過插入存儲介質(zhì)至外部存儲器插槽2811來存儲并且能夠移動。在實施例6中描述的半導體裝置能夠用作存儲介質(zhì)。根據(jù)實施例6，借助于能夠充分地降低斷態(tài)電流的晶體管，能夠獲得有極長時間保持存儲的數(shù)據(jù)的能力的半導體裝置。 此外，除了以上的功能之外，可提供紅外通信功能、電視接收功能等。圖SE示出通過安裝在實施例5中描述的、并且包括具有低的柵極泄漏電流的晶體管作為部件的節(jié)能顯示裝置而制造的數(shù)碼相機，其包括主體3051、顯示部分(A) 3057、目鏡3053、操作開關3054、顯示部分(B) 3055、電池3056等。本實施例能夠與實施例I至實施例6的任意ー個任意地組合。本申請基于2010年2月5日向日本專利局提交的序號為2010-024860的日本專利申請，通過引用將其完整內(nèi)容結合于此。
權利要求
1.一種半導體裝置，包括 在具有絕緣表面的襯底之上的第一絕緣層； 在所述第一絕緣層之上的氧化物半導體層； 在所述氧化物半導體層之上的第二絕緣層； 在所述第二絕緣層之上的第三絕緣層；以及 在所述第三絕緣層之上與所述氧化物半導體層重疊的柵電極， 其中，所述第三絕緣層具有比所述第二絕緣層更高的相對電容率。
2.根據(jù)權利要求I所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層、所述第二絕緣層以及所述氧化物半導體層通過濺射法形成。
3.根據(jù)權利要求I所述的半導體裝置，其中，所述第三絕緣層包括相對電容率高于10的材料。
4.根據(jù)權利要求I所述的半導體裝置，其中，所述第三絕緣層包括包含鉿的絕緣膜。
5.根據(jù)權利要求I所述的半導體裝置，其中，所述第三絕緣層包括從由氧化鉿、硅酸鉿、硅酸氧氮化鉿、鋁酸鉿、氧化鋯、氧化鉭以及氧化鋯鋁構成的組中選擇的ー種。
6.一種半導體裝置，包括 柵電極； 氧化物半導體層； 在所述柵電極和所述氧化物半導體層之間的第一絕緣層； 在所述第一絕緣層和所述氧化物半導體層之間的第二絕緣層；以及 設置成與所述氧化物半導體層相接觸的第三絕緣層， 其中，所述氧化物半導體層設置在所述第二絕緣層和所述第三絕緣層之間，并且 其中，所述第一絕緣層具有比所述第二絕緣層更高的相對電容率。
7.根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其中，所述第二絕緣層、所述第三絕緣層以及所述氧化物半導體層通過濺射法形成。
8.根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，還包括具有絕緣表面的襯底，其中，所述柵電極形成于所述襯底和所述氧化物半導體層之間。
9.根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括相對電容率高于10的材料。
10.根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括包含鉿的絕緣膜。
11.根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括從由氧化鉿、硅酸鉿、硅酸氧氮化鉿、鋁酸鉿、氧化鋯、氧化鉭以及氧化鋯鋁構成的組中選擇的ー種。
12.—種半導體裝置，包括 第一絕緣層，設置成與第一柵電極相接觸； 第二絕緣層，設置成與所述第一絕緣層相接觸； 氧化物半導體層，設置成與所述第二絕緣層相接觸； 第三絕緣層，設置成與所述氧化物半導體層相接觸； 第四絕緣層，具有比所述第三絕緣層更高的相對電容率并且與所述第三絕緣層相接觸；以及 第二柵電極，與所述第一柵電極重疊并且與所述第四絕緣層相接觸，其中，所述氧化物半導體層設置在所述第二絕緣層和所述第三絕緣層之間，并且 其中，所述第一絕緣層具有比所述第二絕緣層更高的相對電容率。
13.根據(jù)權利要求12所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括相對電容率高于10的材料。
14.根據(jù)權利要求12所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括包含鉿的絕緣膜。
15.根據(jù)權利要求12所述的半導體裝置，其中，所述第一絕緣層包括從由氧化鉿、硅酸鉿、硅酸氧氮化鉿、鋁酸鉿、氧化鋯、氧化鉭以及氧化鋯鋁構成的組中選擇的ー種。
16.一種用于制造半導體裝置的方法，包括以下步驟 在襯底之上形成柵電極； 在所述柵電極之上形成第一絕緣層； 在所述第一絕緣層之上形成第二絕緣層； 在所述第二絕緣層之上形成氧化物半導體層；并且 其中，所述第一絕緣層具有比所述第二絕緣層更高的相對電容率。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述第二絕緣層和所述氧化物半導體層通過濺射法形成。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述第一絕緣層包括相對電容率高于10的材料。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述第一絕緣層包括包含鉿的絕緣膜。
20.根據(jù)權利要求16所述的半導體裝置，其中所述第一絕緣層包括從由氧化鉿、硅酸鉿、硅酸氧氮化鉿、鋁酸鉿、氧化鋯、氧化鉭以及氧化鋯鋁構成的組中選擇的ー種。
21.根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括以下步驟在包括氮、氧或稀有氣體的氣氛下以高于或等于400°C且低于所述襯底的應變點的溫度對所述氧化物半導體層執(zhí)行熱處理。
22.一種用于制造半導體裝置的方法，包括以下步驟 在襯底之上形成氧化物半導體層； 在所述氧化物半導體層之上形成第一絕緣層； 在所述第一絕緣層之上形成第二絕緣層；以及 在所述第二絕緣層之上形成柵電極； 其中，所述第二絕緣層具有比第一絕緣層更高的相對電容率。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述第一絕緣層和所述氧化物半導體層通過濺射法形成。
24.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述第二絕緣層包括相對電容率高于10的材料。
25.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述第二絕緣層包括包含鉿的絕緣膜。
26.根據(jù)權利要求22所述的半導體裝置，其中，所述第二絕緣層包括從由氧化鉿、硅酸鉿、硅酸氧氮化鉿、鋁酸鉿、氧化鋯、氧化鉭以及氧化鋯鋁構成的組中選擇的ー種。
27.根據(jù)權利要求22所述的方法，還包括以下步驟:在包括氮、氧或稀有氣體的氣氛下以高于或等于400°C且低于所述襯底的應變點的溫度對所述氧化物半導體層執(zhí)行熱處理。
全文摘要
在小型化晶體管中，需要柵極絕緣層減少其厚度；然而，在柵極絕緣層為單層氧化硅膜的情況下，由于隧道電流(即柵極泄漏電流)的增加，可能發(fā)生對柵極絕緣層的變薄的物理上的限制。通過將相對電容率高于或等于10的高k膜用于柵極絕緣層，減少了小型化晶體管的柵極泄漏電流。通過將高k膜用作相對電容率高于與氧化物半導體層接觸的第二絕緣層的相對電容率的第一絕緣層，柵極絕緣層的厚度能夠薄于考慮氧化硅膜的柵極絕緣層的厚度。
文檔編號H01L29/786GK102725851SQ20118000832
公開日2012年10月10日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權日2010年2月5日
發(fā)明者山崎舜平, 斎藤隆行, 遠藤佑太 申請人:株式會社半導體能源研究所