半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利說明】半導(dǎo)體器件及其制造方法
[0001]本申請是申請日為“2010年9月8日”、申請?zhí)枮椤?01080043173.1”、題為“半導(dǎo)體器件及其制造方法”的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及含有氧化物半導(dǎo)體層的薄膜晶體管、以及含有薄膜晶體管的半導(dǎo)體器件和制造其的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，通過使用在襯底上形成的半導(dǎo)體薄膜(具有約數(shù)納米到數(shù)百納米的厚度)而制造具有絕緣表面的薄膜晶體管(TFT)的技術(shù)吸引了人們的注意力。薄膜晶體管被應(yīng)用于廣泛的電子器件，諸如IC或電光器件，且薄膜晶體管快速地被發(fā)展，特別是作為圖像顯示設(shè)備中的開關(guān)元件。各種金屬氧化物被用于廣泛的應(yīng)用中。氧化銦是已知材料，且被用作液晶顯示器等所必須的透光電極材料。
[0004]一些金屬氧化物具有半導(dǎo)體特性。這類有半導(dǎo)體特性的金屬氧化物的示例包括氧化鎢、氧化錫、氧化銦、和氧化鋅等。已知其中使用這種具有半導(dǎo)體特性的金屬氧化物來形成溝道形成區(qū)的薄膜晶體管(專利文獻(xiàn)I和2)。
[0005][參考文獻(xiàn)]
[0006]專利文獻(xiàn)I日本已公開專利申請N0.2007-123861
[0007]專利文獻(xiàn)2日本已公開專利申請N0.2007-96055

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供含有具有新狀態(tài)的氧化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。
[0009]此外，本發(fā)明的實(shí)施例的另一個目的是提供具有良好電特性和高可靠性的薄膜晶體管和含有該薄膜晶體管作為開關(guān)元件的半導(dǎo)體器件。
[0010]形成具有新狀態(tài)(培育(incubat1n)狀態(tài))的In-Ga-Zn-O基膜，新狀態(tài)表現(xiàn)出電子衍射圖案，其不同于傳統(tǒng)已知的非晶狀態(tài)也不同于傳統(tǒng)已知的晶體狀態(tài)。使用具有培育狀態(tài)的In-Ga-Zn-O基膜用于薄膜晶體管的溝道形成區(qū)。當(dāng)使用具有培育狀態(tài)的In-Ga-Zn-O基膜用作薄膜晶體管的溝道形成區(qū)時，可改進(jìn)導(dǎo)通狀態(tài)電流和電子場效應(yīng)迀移率，且可進(jìn)一步改進(jìn)可靠性。
[0011]在本說明書中公開的本發(fā)明的一個實(shí)施例是設(shè)置有薄膜晶體管的半導(dǎo)體器件，該薄膜晶體管的溝道形成區(qū)部分地或全部地使用在電子衍射圖案的分析中具有培育狀態(tài)的In-Ga-Zn-O基膜來形成，其中所述In-Ga-Zn-O基膜的培育狀態(tài)既不是清楚地出現(xiàn)點(diǎn)的晶體狀態(tài)也不是出現(xiàn)暈環(huán)形狀圖案的非晶狀態(tài)。
[0012]通過以上結(jié)構(gòu)，可解決以上問題中的至少一個問題。
[0013]形成用InMO3(ZnO)n1iiX))表達(dá)的薄膜作為氧化物半導(dǎo)體層，并制造含有該薄膜作為氧化物半導(dǎo)體層的薄膜晶體管。要注意，M表示選自Ga、Fe、N1、Mn和Co的一種或多種金屬元素。例如，M可以是Ga或M可包括除了 Ga之外的上述金屬元素，例如M可以是Ga和N1、或者Ga和Fe。另外，在上述氧化物半導(dǎo)體中，在某些情況下，除包含作為M的金屬元素之外，還包含諸如Fe或Ni之類的過渡金屬元素或過渡金屬的氧化物作為雜質(zhì)元素。在本說明書中，在組合式被表達(dá)為InMO3(ZnO)n1iiX))的氧化物半導(dǎo)體層中，包括Ga作為M的氧化物半導(dǎo)體被稱作In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體，且In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的薄膜也被稱作In-Ga-Zn-O基膜。
[0014]只要氧化物半導(dǎo)體層是具有表現(xiàn)出電子衍射圖案的培育狀態(tài)的金屬氧化物，氧化物半導(dǎo)體層并不被具體限于In-Ga-Zn-O基金屬氧化物，所述培育狀態(tài)不同于傳統(tǒng)已知的非晶狀態(tài)，也不同于傳統(tǒng)已知的晶體狀態(tài)。作為可應(yīng)用于氧化物半導(dǎo)體層的金屬氧化物的其他示例，可采用下列金屬氧化物中的任意項(xiàng):In-Sn-O基金屬氧化物！In-Sn-Zn-O基金屬氧化物；In-Al-Zn-O基金屬氧化物；Sn-Ga-Zn-O基金屬氧化物；A1-Ga-Zn_0基金屬氧化物；Sn-Al-Zn-O基金屬氧化物；In-Zn-O基金屬氧化物；Sn-Zn-O基金屬氧化物；A1-Zn_0基金屬氧化物；Ιη-0基金屬氧化物；Sn-0基金屬氧化物；或Zn-O基金屬氧化物。氧化硅可被包含在使用上述金屬氧化物中的任意項(xiàng)所形成的氧化物半導(dǎo)體層中。
[0015]作為本發(fā)明的實(shí)施例，使用了底柵薄膜晶體管。具體地，底柵薄膜晶體管是溝道蝕刻類型，其中源電極層和漏電極層中的每一個在氧化物半導(dǎo)體層之上與氧化物半導(dǎo)體層交迭，且其中氧化物半導(dǎo)體層的一部分在氧化物半導(dǎo)體層的溝道形成區(qū)上被蝕刻。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，半導(dǎo)體器件包括在絕緣表面之上的柵電極層；在所述柵電極層之上的第一絕緣層；在所述第一絕緣層之上的含有銦、鎵、以及鋅的氧化物半導(dǎo)體層；在所述氧化物半導(dǎo)體層之上的源電極層或漏電極層；以及第二絕緣層，其覆蓋源電極層或漏電極層，其中氧化物半導(dǎo)體層包括其厚度小于與源電極層或漏電極層交迭的區(qū)域的厚度的區(qū)域，其中第二絕緣層與氧化物半導(dǎo)體層與氧化物半導(dǎo)體層的厚度更小的區(qū)域相接觸，且其中氧化物半導(dǎo)體層的厚度更小的區(qū)域在電子衍射圖案的分析中具有培育狀態(tài)，其中所述培育狀態(tài)既不是清楚地出現(xiàn)點(diǎn)的晶體系統(tǒng)也不是出現(xiàn)暈環(huán)形狀圖案的非晶系統(tǒng)。
[0017]在本說明書中，在電子衍射圖案的分析中，培育狀態(tài)既不是清楚地出現(xiàn)點(diǎn)的晶體系統(tǒng)也不是出現(xiàn)暈環(huán)形狀圖案的非晶系統(tǒng)，而是其中在電子衍射圖案的分析中沒有清楚地但是周期性地出現(xiàn)點(diǎn)的狀態(tài)。此外，培育狀態(tài)對應(yīng)于如下狀態(tài):使用用于例如摩爾比為In2O3:Ga203:ZnO = 1:1:1或In2O3:Ga203:ZnO = 1:1:2的成膜的革巴而獲得的氧化物半導(dǎo)體膜的狀態(tài)，該膜用濺射方法形成；和在達(dá)到諸如InGaZnO4的晶體狀態(tài)(見圖35)和In2Ga2ZnO7的晶體狀態(tài)(見圖34)之類的穩(wěn)定晶體狀態(tài)之前的狀態(tài)，S卩，部分地結(jié)合但還沒有變成具有成為一個晶體的穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)的晶體的前體。
[0018]圖28、圖29、圖30、以及圖31示出表現(xiàn)出培育狀態(tài)的圖案的示例。圖26示出溝道蝕刻的薄膜晶體管的截面的照片，其溝道形成區(qū)使用具有培育狀態(tài)的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層而形成，這可使用高分辨率透射電子顯微鏡(TEM:由日立有限公司制造的"H9000-NAR")而觀察到。圖27示出在氧化物半導(dǎo)體層和其上接觸的氧化物絕緣層之間的界面的高倍放大照片(400萬倍放大倍率)，這是用掃描透射電子顯微鏡(STEM:由日立有限公司制造的"HD-2700")在200kV的加速電壓下觀察到的。
[0019]此外，圖32示出在電子衍射圖案的分析中清楚地出現(xiàn)點(diǎn)的晶體系統(tǒng)的圖案的示例，作為比較示例。當(dāng)已知晶格常數(shù)與圖32的電子衍射圖案比較時，其中的晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖34中所示的In2Ga2Zn07。圖34是晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中參考標(biāo)號201指示平面ab中In原子的位點(diǎn)(site) ;202，In原子;203，Ga原子或Zn原子；以及204，氧原子。
[0020]另外，圖33示出其中在電子衍射圖案的分析中出現(xiàn)暈環(huán)形狀圖案的非晶系統(tǒng)的圖案，作為另一個比較示例。
[0021]每一個在圖28、圖29、圖30、以及圖31中示出培育狀態(tài)的圖案不同于圖32和圖33中的圖案。
[0022]在上述結(jié)構(gòu)中，使用含有選自以下組的金屬元素作為其主要組分的膜或含有這些金屬元素中的任意項(xiàng)的合金膜形成薄膜晶體管的柵電極層、源電極層、以及漏電極層:鋁、銅、鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、釹、以及鈧。源電極層和漏電極層中的每一個并不限于含有上述元素的單層，可以是兩個或更多層的層疊。
[0023]使用氧化銦、氧化銦-氧化錫合金、氧化銦-氧化鋅合金、氧化鋅、氧化鋅鋁、氧氮化鋅鋁、氧化鋅鎵等的透光氧化物導(dǎo)電層用作源電極層、漏電極層、以及柵電極層，這樣可改進(jìn)像素部分中的透光性質(zhì)并可增加孔徑比。
[0024]另外，使用驅(qū)動器電路部分和像素部分(每一個都形成在一襯底上)可形成使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的晶體管、以及EL元件、液晶元件、電泳元件等的顯示設(shè)備。
[0025]因?yàn)楸∧ぞw管容易因靜電等而損壞，所以優(yōu)選在相同襯底上的柵線或源線上設(shè)置用于保護(hù)像素部分的薄膜晶體管的保護(hù)電路。優(yōu)選地使用包括氧化物半導(dǎo)體層在內(nèi)的非線性元件形成保護(hù)電路。
[0026]注意，此說明書中所使用的諸如“第一”和“第二”之類的序數(shù)是為了方便，而不表示步驟順序和層堆疊順序。此外，此說明書中的序數(shù)不表示指定本發(fā)明的特定名稱。
[0027]在此說明書中，半導(dǎo)體器件一般地意味著通過利用半導(dǎo)體特性而可起作用的器件，并且電泳器件、半導(dǎo)體電路，以及電子器件都是半導(dǎo)體器件。
[0028]注意，本說明書中的術(shù)語“連續(xù)成膜”意味著:在從用濺射方法的第一處理步驟到用濺射方法的第二處理步驟的一系列步驟的過程中，其中設(shè)置了要處理襯底的氣氛不會被諸如空氣之類的污染氣氛所污染，且被持續(xù)地控制為真空或惰性氣體氣氛(氮?dú)鈿夥栈蛳∮袣怏w氣氛)。通過連續(xù)成膜，可在防止?jié)駳獾仍俅胃街烈呀?jīng)被清理的要被處理的襯底的同時，進(jìn)行成膜。
[0029]在同一室中執(zhí)行從第一成膜步驟到第二成膜步驟的一系列步驟在此說明書的連續(xù)成膜的范圍內(nèi)。
[0030]此外，以下情況也在此說明書的連續(xù)處理的范圍內(nèi):在不同室中進(jìn)行從第一成膜步驟到第二成膜步驟的一系列步驟、在不暴露給空氣的情況下襯底在第一成膜步驟后被轉(zhuǎn)移至另一室經(jīng)受第二次成膜的情況。
[0031]注意，在第一成膜步驟和第二成膜步驟之間有襯底轉(zhuǎn)移步驟、對齊步驟、緩慢冷卻步驟、加熱或冷卻襯底以使襯底的溫度適于第二成膜步驟的步驟、等等的情況也在本說明書的連續(xù)處理的范圍內(nèi)。
[0032]然而，在第一成膜步驟與第二成膜步驟之間有諸如清潔步驟、濕法蝕刻、或抗蝕劑形成之類的使用了液體的步驟的情況不在此說明書的連續(xù)成膜的范圍內(nèi)。
[0033]當(dāng)氧化物半導(dǎo)體層以培育狀態(tài)部分地或全部地形成時，可抑制寄生溝道的產(chǎn)生?？色@得具有高導(dǎo)通-截止比的薄膜晶體管，從而可制造具有良好的動態(tài)特性的薄膜晶體管。
【附圖說明】
[0034]圖1是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0035]圖2A到2C是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面過程圖。
[0036]圖3A到3C是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面過程圖。
[0037]圖4A和4B是示出本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0038]圖5是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0039]圖6是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0040]圖7是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0041]圖8A1和8B1是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖，且圖8A2和8B2是示出本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0042]圖9是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0043]圖10是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖。
[0044]圖1IA和IlB各自是半導(dǎo)體器件的框圖。
[0045]圖12A和12B各自示出信號線驅(qū)動器電路的電路圖和時序圖。
[0046]圖13A到13C是移位寄存器的配置的電路圖。
[0047]圖14A和14B各自示出移位寄存器的電路圖和時序圖。
[0048]圖15A1和15A2是示出本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖，圖15B是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0049]圖16是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0050]圖17是半導(dǎo)體器件的像素的等效電路圖。
[0051]圖18A到18C每一個是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0052]圖19A是示出本發(fā)明的實(shí)施例的平面圖，圖19B是示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0053]圖20是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖。
[0054]圖2IA和2IB是示出電子紙的應(yīng)用的示例的圖。
[0055]圖22是示出電子書閱讀器的示例的外部視圖。
[0056]圖23A和23B分別是不出電視設(shè)備和數(shù)碼相框的不例的外部視圖。
[0057]圖24A和24B是示出游戲機(jī)的示例的外部視圖。
[0058]圖25A和25B是示出移動電話手機(jī)的示例的外部視圖。
[0059]圖26是一薄膜晶體管的截面TEM照片。
[0060]圖27是薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體層和氧化物絕緣層之間的界面及其附近的截面TEM照片。
[0061]圖28示出本發(fā)明的實(shí)施例的電子衍射圖案。
[0062]圖29示出本發(fā)明的實(shí)施例的電子衍射圖案。
[0063]圖30示出本發(fā)明的實(shí)施例的電子衍射圖案。
[0064]圖31示出本發(fā)明的實(shí)施例的電子衍射圖案。
[0065]圖32示出比較示例的電子衍射圖案。
[0066]圖33示出比較示例的電子衍射圖案。
[0067]圖34是示出氧化物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)的比較示例的圖。
[0068]圖35是示出氧化物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)的比較示例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069]在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各個實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不限于以下描述，且本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是可以各種方法修改此處公開的模式和細(xì)節(jié)。因此，本發(fā)明不應(yīng)被解釋為限于實(shí)施例的描述。
[0070](實(shí)施例1)
[0071]在這個實(shí)施例中，將參考圖1描述薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)。
[0072]圖1中示出了這個實(shí)施例的溝道蝕刻的薄膜晶體管。圖1是其截面圖且圖4A是其平面圖。圖1是沿圖4A中的線A1-A2所獲取的截面圖。
[0073]圖1中所示的薄膜晶體管包括，在襯底100之上，柵電極層101、柵絕緣層102、氧化物半導(dǎo)體層103、源電極層105a、以及漏電極層105b。進(jìn)一步，在氧化物半導(dǎo)體層103、源電極層105a、以及漏電極層105b上設(shè)置氧化物絕緣層107。
[0074]注意，在圖1中所示的薄膜晶體管具有這樣的結(jié)構(gòu):其中在源電極層105a和漏電極層105b之間氧化物半導(dǎo)體層的一部分被蝕刻。
[0075]可使用諸如鋁、銅、鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、釹、或鈧之類的金屬材料；含有這些金屬材料中的任一種作為其主要組分的合金材料；或者含有這些金屬材料中的任一種的氮化物來形成具有單層結(jié)構(gòu)或?qū)盈B結(jié)構(gòu)的柵電極層101。通過諸如鋁或銅之類的低電阻金屬材料的使用，可有效地形成柵電極層101。此外，優(yōu)選地與難熔金屬材料相結(jié)合使用低電阻金屬材料，因?yàn)榈碗娮杞饘俨牧暇哂兄T如低熱阻和易于被腐蝕之類的劣勢。作為難熔金屬材料，可使用鉬、鈦、絡(luò)、鉭、媽、釹、鈧等。
[0076]進(jìn)一步，為了增加像素部分的孔徑比，可使用氧化銦、氧化銦-氧化錫合金、氧化銦-氧化鋅合金、氧化鋅、氧化鋅鋁、氧氮化鋅鋁、氧化鋅鎵等的透光氧化物導(dǎo)電層作為柵電極層101。
[0077]作為柵絕緣層102，可使用用CVD方法、濺射方法等形成的氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉭等中任一種的單層膜或?qū)盈B膜。
[0078]使用含有In、Ga、和Zn的，具有用例如InMO3 (ZnO) ? (m > O)所表達(dá)的結(jié)構(gòu)的In-Ga-Zn-O基膜形成氧化物半導(dǎo)體層103。注意，M表示從鎵(Ga)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Mn)以及鈷(Co)中選擇的一種或多種金屬元素。例如，M可以是Ga或M可含有除了 Ga之外的上述金屬元素，例如M可以是Ga和N1、或者Ga和Fe。另外，在上述氧化物半導(dǎo)體中，在某些情況下，除被包含作為M的金屬元素之外，還包含諸如Fe或Ni之類的過渡金屬元素或過渡金屬的氧化物作為雜質(zhì)元素。
[0079]用濺射方法將氧化物半導(dǎo)體層103形成為厚度在1nm到300nm范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在20nm到10nm范圍內(nèi)。注意，由于如圖1所示，在源電極層105a和漏電極層105b之間氧化物半導(dǎo)體層103的一部分被蝕刻，氧化物半導(dǎo)體層含有其厚度小于與源電極層105a或漏電極層105b相交迭的區(qū)域的厚度的區(qū)域。
[0080]盡管氧化物半導(dǎo)體層103優(yōu)選地在成膜階段處于培育狀態(tài)，如果必要的話可進(jìn)行熱處理。在氧化物半導(dǎo)體層在成膜階段是具有數(shù)個懸空鍵的非晶的情況下，執(zhí)行用于脫水或脫氫的加熱步驟以使相鄰的懸空鍵彼此結(jié)合以具有培育狀態(tài)。例如，優(yōu)選地用RTA方法等在短時間內(nèi)以高溫進(jìn)行脫水或脫氫。在本說明書中，在諸如氮?dú)饣蛳∮袣怏w之類的惰性氣體氣氛中的熱處理被稱為用于脫水或脫氫的熱處理。在本說明書中，“脫氫”并不表示用熱處理僅消除H2。為方便起見，消除H、OH等被稱為“脫水或脫氫”。
[0081]源電極層105a具有三層結(jié)構(gòu):第一導(dǎo)電層112a、第二導(dǎo)電層113a、以及第三導(dǎo)電層114a，而漏電極層105b具有三層結(jié)構(gòu):第一導(dǎo)電層112b、第二導(dǎo)電層113b、以及第三導(dǎo)電層114b?？墒褂门c上述柵電極層101類似的材料作為導(dǎo)電層的每一種材料。
[0082]進(jìn)一步，以與柵電極層101類似的方式為源電極層105a和漏電極層105b使用透光氧化物半導(dǎo)體層，藉此可增加像素部分的透光率且還可增加孔徑比。
[0083]進(jìn)一步，可在氧化物半導(dǎo)體層103和含有上述金屬材料中任一種作為其主要成分的每一層膜之間形成氧化物導(dǎo)電層，這就是源電極層105a和漏電極層105b，這樣可減少接觸電阻。
[0084]在氧化物半導(dǎo)體層103、源電極層105a、以及漏電極層105b上設(shè)置用作溝道保護(hù)層的氧化物絕緣層107。使用無機(jī)絕緣膜，一般是氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜、氧氮化鋁膜等用濺射方法形成氧化物絕緣層107。
[0085]可使用具有表現(xiàn)出電子衍射圖案的培育狀態(tài)(既不同于傳統(tǒng)已知的非晶狀態(tài)也不同于傳統(tǒng)已知的晶體狀態(tài))的金屬氧化物作為溝道形成區(qū)，藉此可提供具有高可靠性以及改進(jìn)的電特性(諸如高導(dǎo)通電流和高電子場效應(yīng)迀移率)的薄膜晶體管。
[0086](實(shí)施例2)
[0087]在這個實(shí)施例中，將參考圖2A到2C、圖3A到3C、圖4A和4B、圖5、圖6、圖7、圖8A1、8A2、8B1和8B2、圖9、以及圖10而描述含有實(shí)施例1中所描述的溝道蝕刻的薄膜晶體管的顯示設(shè)備的制造過程。圖2A到2C和圖3A到3C是截面圖，而圖4A和4B、圖5、圖6、以及圖7是平面圖。圖4A和4B、圖5、圖6、以及圖7中的每一圖的線A1-A2以及線B1-B2對應(yīng)于圖2A到2C和圖3A到3C中的每一圖的線A1-A2以及線B1-B2。
[0088]首先，制備襯底100。除了用熔化法或漂浮法形成的玻璃襯底之外，例如，可使用具有足夠承受這個制造過程的加工溫度的耐熱性的塑料襯底作為襯底100?？蛇x地，可使用諸如在表面上設(shè)置了絕緣膜的不銹鋼合金襯底之類的金屬襯底。
[0089]在使用玻