半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及制造該半導(dǎo)體裝置的方法。
[0002]注意，在本說明書中的半導(dǎo)體裝置指的是能夠通過利用半導(dǎo)體特性工作的所有裝置，并且，電光裝置、半導(dǎo)體電路以及電子設(shè)備都是半導(dǎo)體裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]形成包括形成在具有絕緣表面的襯底上的半導(dǎo)體薄膜的晶體管(也稱為薄膜晶體管)的技術(shù)受到關(guān)注。該晶體管適用于諸如集成電路(IC)或圖像顯示裝置(顯示裝置)等范圍廣泛的電子設(shè)備。硅類半導(dǎo)體材料眾所周知地作為適用于晶體管的半導(dǎo)體薄膜的材料。對(duì)于其他材料，氧化物半導(dǎo)體受到關(guān)注。
[0004]例如，專利文獻(xiàn)I已公開了具有包含銦(In)、鎵(Ga)及鋅(Zn)的氧化物半導(dǎo)體的晶體管。
[0005]可以通過諸如濺射法等的用于形成薄膜的技術(shù)來形成氧化物半導(dǎo)體膜。另外，與硅半導(dǎo)體等相比，可以在相對(duì)較低的溫度下形成氧化物半導(dǎo)體膜。因此，氧化物半導(dǎo)體膜可以被形成為與其他晶體管重疊。例如，專利文獻(xiàn)2公開了在其中通過將包括作為溝道形成區(qū)域的氧化物半導(dǎo)體層的晶體管設(shè)置在包括硅的晶體管上，來縮小單元面積(cell area)的半導(dǎo)體裝置。
[0006][參考文獻(xiàn)]
[0007][專利文獻(xiàn)I]日本專利申請(qǐng)公開2006-165528號(hào)公報(bào)
[0008][專利文獻(xiàn)2]日本專利申請(qǐng)公開2012-15500號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在包括作為溝道形成區(qū)域的氧化物半導(dǎo)體層的晶體管中，因氧從氧化物半導(dǎo)體層釋放而產(chǎn)生氧空位(氧缺陷)，以及由于該氧空位產(chǎn)生載流子。另外，諸如氫等雜質(zhì)進(jìn)入到氧化物半導(dǎo)體層內(nèi)而引起載流子的產(chǎn)生。
[0010]產(chǎn)生在氧化物半導(dǎo)體層內(nèi)的載流子增大晶體管的關(guān)態(tài)電流(off-state current)以及閾值電壓的變化。因此，發(fā)生晶體管的電特性變動(dòng)，而造成半導(dǎo)體裝置的可靠性下降。
[0011]鑒于上述問題，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的目的是提供表現(xiàn)穩(wěn)定電特性的高可靠性半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)目的是制造高可靠性半導(dǎo)體裝置。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置包括在其中層疊有第一氧化物半導(dǎo)體層、第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層的氧化物半導(dǎo)體疊層，以及在第一氧化物絕緣層和第二氧化物絕緣層之間夾有氧化物半導(dǎo)體疊層。在該半導(dǎo)體裝置中，第一氧化物半導(dǎo)體層、第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層都至少包含銦，第二氧化物半導(dǎo)體層中銦的比例高于第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中的每個(gè)中銦的比例，第一氧化物半導(dǎo)體層是非晶的，并且，第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層都具有晶體結(jié)構(gòu)。
[0013]由于第二氧化物半導(dǎo)體層中銦的比例高于第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中的每個(gè)中銦的比例，所以第二氧化物半導(dǎo)體層具有高載流子迀移率且用作載流子路徑。因此，載流子在遠(yuǎn)離設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體疊層的下方或上方的氧化物絕緣層的區(qū)域中流過。由此，可以降低從氧化物絕緣層進(jìn)入雜質(zhì)等的影響。
[0014]適當(dāng)?shù)剡x擇氧化物半導(dǎo)體疊層的材料，以便形成講形結(jié)構(gòu)(wel1- shapedstructure)(也稱為講結(jié)構(gòu))，該講結(jié)構(gòu)中第二氧化物半導(dǎo)體層的導(dǎo)帶(conduct1n band)底部位于最深能級(jí)。具體而言，也可以適當(dāng)?shù)剡x擇材料，使得第二氧化物半導(dǎo)體層的導(dǎo)帶底部與第一及第三氧化物半導(dǎo)體層的導(dǎo)帶底部相比離真空能級(jí)更深。
[0015]另外，當(dāng)?shù)?4族元素之一的硅或碳作為雜質(zhì)包含在氧化物半導(dǎo)體層中時(shí)，它可以作為施主且形成η型區(qū)域。所以，包含在氧化物半導(dǎo)體層中的硅濃度低于或等于3 X 1018atoms/cm3，優(yōu)選低于或等于3 X 1017atoms/cm3o此外，氧化物半導(dǎo)體層中的碳濃度低于或等于3 X 1018atoms/cm3,優(yōu)選低于或等于3 X 1017atoms/cm3o尤其優(yōu)選的是，米用以第一及第三氧化物半導(dǎo)體層夾著或包圍用作載流子路徑的第二氧化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，使得大量第14族元素不進(jìn)入第二氧化物半導(dǎo)體層。也就是說，第一及第三氧化物半導(dǎo)體層也可以被稱為阻擋層，該阻擋層防止諸如硅等第14族元素進(jìn)入第二氧化物半導(dǎo)體層中。
[0016]當(dāng)氫或水分作為雜質(zhì)被包含在氧化物半導(dǎo)體疊層中時(shí)，它可以作為施主且形成η型區(qū)域。所以，從獲得阱形結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，在氧化物半導(dǎo)體疊層的上方或下方設(shè)置防止氫或水分從外部進(jìn)入的保護(hù)膜(例如，氮化硅膜)是有利的。
[0017]通過使用具有上述疊層結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層，形成溝道的區(qū)域可以具有低于或等于3Χ 10_3/cm(當(dāng)換算成態(tài)密度時(shí)，低于或等于3X 1013/cm3)的通過恒定光電流法(CPM:Constant Photocurrent Method)測(cè)定的局部態(tài)的吸收系數(shù)。
[0018]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置包括形成在半導(dǎo)體襯底上的第一氧化物絕緣層，第一氧化物絕緣層上的層疊有第一氧化物半導(dǎo)體層、第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層的氧化物半導(dǎo)體疊層，氧化物半導(dǎo)體疊層上的第二氧化物絕緣層，以及與氧化物半導(dǎo)體疊層重疊的第一柵電極層(在第一柵電極層和氧化物半導(dǎo)體疊層之間設(shè)置有第二氧化物絕緣層)。在該半導(dǎo)體裝置中，第一至第三氧化物半導(dǎo)體層都至少包含銦，第二氧化物半導(dǎo)體層中銦的比例高于第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中的每個(gè)中銦的比例，第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層都具有晶體結(jié)構(gòu)，并且，第一氧化物半導(dǎo)體層是非晶的。
[0019]除了上述結(jié)構(gòu)以外，可以在第一氧化物半導(dǎo)體層的下方設(shè)置第一氮化物絕緣層，并且可以在第二氧化物絕緣層的上方設(shè)置第二氮化物絕緣層。第一及第二氮化物絕緣層防止氫或水分等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體疊層中。
[0020]第一氧化物絕緣層以及第二氧化物絕緣層可以包含超過化學(xué)計(jì)量組成的氧。當(dāng)這樣包含超過化學(xué)計(jì)量組成的氧，可以將氧供應(yīng)給氧化物半導(dǎo)體疊層，使得可以用氧填充氧空位。
[0021]在第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中，至少銦濃度可以高于或等于lX1019atomS/Cm3。另外，在氧化物半導(dǎo)體疊層中，由局部態(tài)的吸收系數(shù)可以小于或等于3 X 10 V cm。
[0022]半導(dǎo)體裝置可以包括與氧化物半導(dǎo)體疊層重疊的第二柵電極層，在第二柵電極層和氧化物半導(dǎo)體疊層中間設(shè)置有第一氧化物絕緣層。
[0023]第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層可以包括其c軸在大致垂直于表面的方向取向的晶體。
[0024]第一氧化物半導(dǎo)體層、第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層可以包含銦、鋅及鎵。尤其是，當(dāng)使用相同的元素形成第一氧化物半導(dǎo)體層、第二氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層時(shí)，可以降低第一和第二氧化物半導(dǎo)體層之間的界面處以及第二和第三氧化物半導(dǎo)體層之間的界面處的散射。
[0025]第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中的硅濃度可以低于或等于3X1018atoms/cm3。第一氧化物半導(dǎo)體層以及第三氧化物半導(dǎo)體層中的每個(gè)的碳濃度可以低于或等于 3 X 1018atoms/cm3o
[0026]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式是一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，包括如下步驟:在半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化物絕緣層；在第一氧化物絕緣層上形成非晶的第一氧化物半導(dǎo)體層以及具有晶體結(jié)構(gòu)的第二氧化物半導(dǎo)體層；在氧及氮的氣氛中進(jìn)行第一加熱處理；在第二氧化物半導(dǎo)體層上形成具有晶體結(jié)構(gòu)的第三氧化物半導(dǎo)體層；在第三氧化物半導(dǎo)體層上形成第二氧化物絕緣層；以及在氧及氮的氣氛中進(jìn)行第二加熱處理。
[0027]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式是一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，包括如下步驟:在半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化物絕緣層；在第一氧化物絕緣層上層疊非晶的第一氧化物半導(dǎo)體層以及具有晶體結(jié)構(gòu)的第二氧化物半導(dǎo)體層；以及在第二氧化物半導(dǎo)體層上形成第三氧化物半導(dǎo)體層。第三氧化物半導(dǎo)體層的晶體生長(zhǎng)使用第二氧化物半導(dǎo)體層中的晶體作為晶種而進(jìn)行。
[0028]注意，可以使用設(shè)置有晶體管的半導(dǎo)體襯底作為半導(dǎo)體襯底。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可以提供包括氧化物半導(dǎo)體且表現(xiàn)穩(wěn)定的電特性的高可靠性半導(dǎo)體裝置?？梢灾圃旄呖煽啃园雽?dǎo)體裝置。
【附圖說明】
[0030]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
[0031]圖2A和2B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的制造半導(dǎo)體裝置的方法的圖。
[0032]圖3A和3B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的制造半導(dǎo)體裝置的方法的圖。
[0033]圖4A和4B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
[0034]圖5A至5C是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
[0035]圖6A和6B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
[0036]圖7A至7C是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的電路圖及示意圖。
[0037]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的框圖。
[0038]圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的框圖。
[0039]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的框圖。
[0040]圖1lA和IlB示出可以使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
[0041]圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置中所包括的氧化物半導(dǎo)體疊層的圖，圖12B是該氧化物半導(dǎo)體疊層的能帶圖，以及圖12C是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置所包括的氧化物半導(dǎo)體疊層的能帶圖。
[0042]圖13是示出用于制造半導(dǎo)體裝置的裝置的例子的頂視圖。
[0043]圖14A示出氧化物半導(dǎo)體疊層的從真空能級(jí)到導(dǎo)帶底部的能級(jí)的能量，圖14B是其能帶圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面，將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，本發(fā)明不限于以下的說明，并且，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易地理解:可以以不同的方式對(duì)其模式和細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。由此，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為受限于對(duì)這些實(shí)施方式的說明。
[0045]進(jìn)一步，在以下所說明的實(shí)施方式中，遍及所述附圖使用相同的參考符號(hào)來表示相同的部分。注意，為了實(shí)施方式的說明的清楚起見，有時(shí)夸大附圖所示的部件(即，層和區(qū)域等)的厚度、寬度以及相對(duì)位置關(guān)系等。
[0046]注意，在本說明書等中諸如“之上”等術(shù)語(yǔ)不一定意味著一個(gè)部件“直接”被放置在另一部件“上”。例如，表述“絕緣層上的柵電極層”不排除在絕緣層和柵電極層之間存在附加部件的情況。同樣適用于術(shù)語(yǔ)“之下”。
[0047]在本說明書等中，術(shù)語(yǔ)“電極層”或“布線層”不限制部件的功能。例如，“電極層”可以用作“布線層”的一部分，而“布線層”可以用作“電極層”的一部分。再者，術(shù)語(yǔ)“電極層”或“布線層”例如還可以意味著多個(gè)“電極層”及“布線層”的組合。
[0048]“源極”和“漏極”的功能有時(shí)被互換，例如，當(dāng)使用極性相反的晶體管時(shí)或者當(dāng)電路操作中的電流方向變化時(shí)。因此，在本說明書中術(shù)語(yǔ)“源極”和“漏極”可以被互換。
[0049]注意，在本說明書等中，術(shù)語(yǔ)“電連接”包括其中通過具有任何電功能的元件將部件連接的情況。只要在通過該元件連接的部件之間可以傳輸和接收電信號(hào)，對(duì)具有任何電功能的元件就沒有特別的限制。
[0050]“具有任何電功能的元件”的例子是電極和布線。
[0051]實(shí)施方式I
[0052]在本實(shí)施方式中，將參照附圖詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置。圖1示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置。
[0053]半導(dǎo)體裝置包括具有第一半導(dǎo)體材料的晶體管160、以及形成在晶體管160上的具有第二半導(dǎo)體材料的晶體管162。
[0054]在此，包括在晶體管160和晶體管162中的半導(dǎo)體材料優(yōu)選具有不同的帶隙。例如，硅類半導(dǎo)體(單晶硅、多晶硅等)可以被用于第一半導(dǎo)體材料，并且，氧化物半導(dǎo)體可以被用于第二半導(dǎo)體材料。包括硅類半導(dǎo)體的晶體管可以容易進(jìn)行高速操作。另一方面，包括氧化物半導(dǎo)體的晶體管由于其特征而具有低的關(guān)態(tài)電流。
[0055]圖1所示的晶體管160包括襯底100上的柵極絕緣層108以及柵極絕緣層108上的柵電極層110。注意，襯底100設(shè)置有溝道形成區(qū)域、源極區(qū)域及漏極區(qū)域。元件分離絕緣層102被設(shè)置為圍繞晶體管160。將與晶體管160電連接的布線層112設(shè)置在元件分離絕緣層102上。
[0056]注意，側(cè)壁絕緣層可以被設(shè)置為與晶體管160的柵電極層110的側(cè)表面接觸。當(dāng)如圖1所示，沒有設(shè)置側(cè)壁絕緣層時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高集成化。
[0057]在晶體管160、元件分離絕緣層102以及布線層112上形成絕緣層104。在絕緣層104中形成到達(dá)布線層112的開口。在該開口中形成布線層114。布線層114可以利用以下方法來形成，在絕緣層104中形成開口后，在該開口中形成導(dǎo)電膜，以及通過化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing:CMP)等使絕緣層104以及導(dǎo)電膜平坦化。
[0058]在絕緣層104上形成布線層115。布線層115具有布線層115a、布線層115b以及布線層115c的層疊結(jié)構(gòu)。但是，布線層115并不限于該結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)所需要的特性來設(shè)置布線層。在布線層115上設(shè)置絕緣層120。絕緣層120的頂表面是平坦的；由此，減少起因于晶體管160和布線層115的不均勻性。
[0059]在絕緣層120上設(shè)置絕緣層135。使用具有阻擋特性的膜形成絕緣層135，以抑制因氫等從晶體管162釋放而引起的晶體管160的特性的降低，并且防止起因于晶體管160的雜質(zhì)進(jìn)入到晶體管162中。在此，進(jìn)入到晶體管162中的雜質(zhì)的例子包括氫、水分及氮。所以，不使這些雜質(zhì)透過的膜優(yōu)選用于絕緣層135。
[0060]在絕緣層135以及絕緣層120中形成的開口中，布線層116形成為與布線層115接觸。在絕緣層135上形成與布線層116接觸的布線層117。在布線層117上形成絕緣層140。
[0061]絕緣層140可以為包含超過化學(xué)計(jì)量組成的氧的膜。通過使用包含超過化學(xué)計(jì)量組成的氧的絕緣層140，可以將氧供應(yīng)給與絕緣層140接觸的氧化物半導(dǎo)體疊層144。因此，可以減少氧化物半導(dǎo)體疊層144的氧空位。
[0062]絕緣層140的頂表面受到通過化學(xué)機(jī)械拋光等的平坦化處理，因此，減少晶體管160、布線層115以及布線層117等所引起的不均勻性。通過提高絕緣層140頂表面的平坦性，可以使氧化物半導(dǎo)體疊層144的厚度分布均勻，并且可以提高晶體管162的特性。
[0063]在絕緣層140上形成晶體管162。晶體管162包括氧化物半導(dǎo)體疊層144，與氧化物半導(dǎo)體疊層144接觸的源電極層142a及漏電極層142b，在氧化物半導(dǎo)體疊層144、源