半導(dǎo)體裝置和制造半導(dǎo)體裝置的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括氧化物半導(dǎo)體的晶體管，包括包含晶體管的集成電路的半導(dǎo)體裝置，以及用于制造半導(dǎo)體裝置的方法。例如，本發(fā)明涉及其上安裝有半導(dǎo)體集成電路作為部件的電子裝置。
[0002]在本說明書中，“半導(dǎo)體裝置”指的是能夠通過利用半導(dǎo)體特性而起作用的任意裝置，并且顯示裝置、電光裝置、半導(dǎo)體電路、電子部件以及電子裝置都包括在半導(dǎo)體裝置的范疇中。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，開發(fā)了半導(dǎo)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(dǎo)體裝置的各種半導(dǎo)體裝置。
[0004]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。LS1、CPU或存儲器是各設(shè)置有作為連接端子的電極的半導(dǎo)體元件的集成體，其包括從半導(dǎo)體晶圓分離的半導(dǎo)體集成電路(至少包括晶體管和存儲器)。
[0005]在以上的半導(dǎo)體裝置中，晶體管能夠用作部件的一部分。已知硅類半導(dǎo)體材料作為能夠應(yīng)用于晶體管的半導(dǎo)體薄膜的材料。作為另一種材料，氧化物半導(dǎo)體也受到了關(guān)注。
[0006]作為氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體所形成的晶體管(專利文獻(xiàn)1至3)。
[0007][參考文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)1]日本專利申請公開2006-165527號公報 [專利文獻(xiàn)2]日本專利申請公開2006-165528號公報 [專利文獻(xiàn)3]日本專利申請公開2006-165529號公報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]對于半導(dǎo)體裝置，除了在操作期間之外的功率消耗，在待機(jī)期間的功率消耗被認(rèn)為是重要的。特別地在便攜式半導(dǎo)體裝置中，功率是由電池供應(yīng)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(dǎo)體裝置，當(dāng)待機(jī)期間的泄漏電流高時，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(dǎo)體裝置的泄漏電流縮短了每一定量充電的行進(jìn)距離。
[0009]為了降低功率消耗，減少在待機(jī)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(shè)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(dǎo)體裝置在待機(jī)期間的功率消耗上的增加。雖然泄漏電流由于多種因素而引起，但是如果在待機(jī)期間的泄漏電流能夠降低，則在半導(dǎo)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(jī)期間的半導(dǎo)體裝置的泄漏電流。
[0010]此外，需要半導(dǎo)體裝置的小型化；因此，自然同樣要求作為半導(dǎo)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)閘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增加；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)明的另一個目的在于達(dá)到晶體管的小型化以及進(jìn)一步達(dá)到整個半導(dǎo)體裝置的小型化。
[0011]使用晶體管來制造顯示裝置、電光裝置、半導(dǎo)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(dǎo)體來形成溝道形成區(qū)，該氧化物半導(dǎo)體通過去除諸如水和氫的雜質(zhì)(其在氧化物半導(dǎo)體中形成施主能級)而成為本征或?qū)嵸|(zhì)性本征半導(dǎo)體，并且具有比娃半導(dǎo)體更大的能隙。
[0012]使用高度純化的氧化物半導(dǎo)體層，從而晶體管的斷態(tài)電流能夠降低。該氧化物半導(dǎo)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(yīng)變點(diǎn)的溫度下的熱處理去除包含在氧化物半導(dǎo)體中的諸如氫的雜質(zhì)。
[0013]注意，作為氧化物半導(dǎo)體，能夠使用由化學(xué)式InMO^ZnOhOnX))表示的薄膜。這里，Μ表示從Ga、Al、Mn和Co中選擇的一種或多種金屬元素。例如，Μ能夠?yàn)镚a、Ga和A1、Ga 和 Μη、Ga 和 Co 等。
[0014]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(dǎo)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01?)2等)、硅酸鉿(HfSix0y(x>0，y>0))、硅酸氧氮化鉿(HfS1N)、鋁酸鉿(HfAlx0y(x>0，y>0))等。此外，作為另一種高k膜，還能夠使用氧化鋯(21*02等)、氧化鉭(Ta 205等)、氧化錯招(ZrAl x0y (x>0, y>0))等。包括任一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(hù)以下提供的電極或襯底的蝕刻阻擋物(stopper)起作用。
[0015]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10nm(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0.8nm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2nm至10nm(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。
[0016]根據(jù)本說明書中公開的本發(fā)明的一個實(shí)施例，半導(dǎo)體裝置包括設(shè)置成與柵電極相接觸的第一絕緣層、設(shè)置成與第一絕緣層相接觸的第二絕緣層、設(shè)置成與第二絕緣層相接觸的氧化物半導(dǎo)體層以及設(shè)置成與氧化物半導(dǎo)體層相接觸的第三絕緣層，其中氧化物半導(dǎo)體層設(shè)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。
[0017]利用以上的結(jié)構(gòu)，能夠解決至少一個以上的問題。
[0018]例如，通過將包含鉿的絕緣膜(具體地，厚度為2nm至10nm(包括兩端))作為相對電容率比與氧化物半導(dǎo)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。
[0019]在以上的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體層。優(yōu)選地在去除膜形成室中剩余的水分而使得在氧化物半導(dǎo)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。
[0020]用于制造底柵晶體管的方法也是本發(fā)明的一個實(shí)施例。根據(jù)與該方法有關(guān)的結(jié)構(gòu)，制造半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)變點(diǎn)的溫度執(zhí)行熱處理而使得包含在氧化物半導(dǎo)體層中的水分等減少，以及通過濺射法在氧化物半導(dǎo)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。
[0021]此外，因?yàn)榈诙^緣層和第三絕緣層與氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體層之后形成的第三絕緣層能夠供應(yīng)氧，其中氧為包括在氧化物半導(dǎo)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(yīng)變點(diǎn)的溫度下熱處理去除氧化物半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)(水分等)的步驟的同時減少。供應(yīng)作為氧化物半導(dǎo)體的成分之一的氧，使得氧化物半導(dǎo)體層能夠被高度純化并且成為電學(xué)上i型(本征)氧化物半導(dǎo)體。
[0022]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(dǎo)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(hù)柵電極或以下提供的襯底的蝕刻阻擋物而起作用。
[0023]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(shí)施例，兩個柵電極中的一個隔著柵極絕緣層設(shè)置于溝道形成區(qū)之上，并且兩個柵電極中的另一個隔著另一個柵極絕緣層設(shè)置于溝道形成區(qū)之下。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體裝置包括:設(shè)置成與第一柵電極相接觸的第一絕緣層，設(shè)置成與第一絕緣層相接觸的第二絕緣層，設(shè)置成與第二絕緣層相接觸的氧化物半導(dǎo)體層，設(shè)置成與氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體層設(shè)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。
[0024]利用以上的結(jié)構(gòu)，能夠解決至少一個以上的問題。
[0025]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。
[0026]在以上結(jié)構(gòu)的晶體管中，當(dāng)氧化物半導(dǎo)體層用于包括溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體層時，取決于半導(dǎo)體裝置的制造過程，晶體管的閾值電壓有時沿正方向或負(fù)方向變化。因此，其中氧化物半導(dǎo)體用于包括溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體層的晶體管優(yōu)選地具有其中能夠控制閾值電壓的結(jié)構(gòu)，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。
[0027]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(dǎo)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(dǎo)體裝置。
[0028]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。
[0029]此外，包括氫濃度充分地降低的、高度純化的氧化物半導(dǎo)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、LS1、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。
【附圖說明】
[0030]圖1A至圖1D為各示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面視圖。
[0031]圖2A至圖2E為示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面過程視圖。
[0032]圖3A至圖3C為示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面過程視圖。
[0033]圖4A和圖4B分別為不出本發(fā)明的實(shí)施例的俯視圖和截面視圖。
[0034]圖5B和圖5A以及圖5C分別為示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面視圖和俯視圖。
[0035]圖6為示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面視圖。
[0036]圖7A和圖7B分別為示出本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖和俯視圖。
[0037]圖8A至圖8E各示出電子裝置的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0038]在下文中，將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明并不局限于以下描述，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解，本文公開的模式和細(xì)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(shí)施例的描述。
[0039][實(shí)施例1]
在本實(shí)施例中，將描述能夠應(yīng)用于在本說明書中公開的半導(dǎo)體裝置的晶體管的一個示例。對于能夠應(yīng)用于本說明書中公開的半導(dǎo)體裝置的晶體管的結(jié)構(gòu)沒有具體限制。例如，能夠使用具有頂柵結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)的交錯晶體管、平面晶體管等，在頂柵結(jié)構(gòu)中柵電極隔著柵極絕緣層設(shè)置于氧化物半導(dǎo)體層之上，在底柵結(jié)構(gòu)中柵電極隔著柵極絕緣層設(shè)置在氧化物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)、包括兩個溝道形成區(qū)的雙柵極結(jié)構(gòu)或包括三個溝道形成區(qū)的三柵極結(jié)構(gòu)。備選地，晶體管可具有包含兩個柵電極的二重柵極結(jié)構(gòu)，兩個柵電極之一隔著柵極絕緣層設(shè)置于溝道區(qū)之上，并且兩個柵電極的另一個隔著另一個柵極絕緣層設(shè)置于溝道形成區(qū)之下。
[0040]圖1A至圖1D示出晶體管的截面結(jié)構(gòu)的示例。在圖1A至圖1D中示出的每一個晶體管包括氧化物半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體。使用氧化物半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)在于:在晶體管導(dǎo)通時場效應(yīng)迀移率(最大值高于或等于5cm2/Vsec，優(yōu)選地為10cm2/Vsec至150cm2/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laA/μπι，優(yōu)選地低于ΙΟζΑ/ μ m并且低于ΙΟΟζΑ/ μ m)。
[0041]在圖1A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。
[0042]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(dǎo)體層403、源電極405a以及漏電極405b。此外，設(shè)置了覆蓋晶體管410并且層疊于氧化物半導(dǎo)體層403之上的絕緣膜407。保護(hù)絕緣層409設(shè)置于絕緣膜407之上。
[0043]在圖1B中示出的晶體管420為稱為溝道保護(hù)(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。
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