專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，所述半導(dǎo)體裝置包括作為元件至少具有諸如晶體管的半導(dǎo)體元件的電路。例如，本發(fā)明的實施方式涉及電子設(shè)備，作為構(gòu)件其包括下列中的任意:安裝在電源電路中的功率器件；包括存儲器、閘流晶體管、轉(zhuǎn)換器、圖像傳感器等的半導(dǎo)體集成電路；典型為液晶顯示裝置的電光裝置；以及包括發(fā)光元件的發(fā)光顯示裝置。注意，本說明書中的半導(dǎo)體裝置是指可通過利用半導(dǎo)體特性而作用的所有裝置，并且光電裝置、半導(dǎo)體電路及電子設(shè)備都是半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
通常使用非晶硅、多晶硅等來制造形成在玻璃襯底等上的晶體管，這在液晶顯示裝置中很常見。雖包括非晶硅的晶體管具有低場效應(yīng)遷移率，但可在大玻璃襯底上形成它們。另一方面，雖使用多晶硅所制造的晶體管具有高場效應(yīng)遷移率，但其有不適合于大玻璃襯底的缺點。有鑒于上述，一種技術(shù)受到關(guān)注，即通過使用氧化物半導(dǎo)體制造晶體管，且將這種晶體管應(yīng)用于電子設(shè)備或光學(xué)裝置。例如，專利文獻I及專利文獻2公開一種技術(shù)，其中使用氧化鋅或In-Ga-Zn-O類氧化物作為氧化物半導(dǎo)體來制造晶體管并使用這種晶體管作為顯示裝置的像素的開關(guān)元件 等。針對用于這種晶體管中的氧化物半導(dǎo)體，有如下說明:氧化物半導(dǎo)體對雜質(zhì)不敏感；當膜中含有大量金屬雜質(zhì)時沒有問題；并且，也可使用含有如鈉的大量堿金屬且不貴的鈉鈣玻璃(參見非專利文獻I)。[參考文獻]
[專利文獻I]日本公開專利申請第2007-123861號；
[專利文獻2]日本公開專利申請第2007-096055號；
[非專利文獻]
[非專利文獻 I] Kamiya, Nomura, and Hosono, “Carrier Transport Propertiesand Electronic Structures of Amorphous Oxide Semiconductors: The presentstatus”， KOTAI BUTSURI (SOLID STATE PHYSICS), 2009， Vol.44， pp.621-633。

發(fā)明內(nèi)容
當將成為供應(yīng)載流子的來源的氫或水分在制造裝置的工序中進入氧化物半導(dǎo)體時，氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)電率會改變。這種現(xiàn)象導(dǎo)致使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的電氣特性的變動。此外，可能會因可見光或紫外光的照射而改變使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置的電氣特性。有鑒于上述問題，一個目的是提供一種包括氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體裝置，其具有穩(wěn)定電氣特性及高可靠性。此外，另一目的是提供一種半導(dǎo)體裝置的制造過程，其中通過使用大型襯底如母玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性半導(dǎo)體裝置的批量生產(chǎn)。本發(fā)明的一個方式的主要點為在一個濺射步驟中以下列方式形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜而不用進行多個步驟。通過利用包括在氧化物半導(dǎo)體的靶材中的多種原子的原子量的差異，在氧化物絕緣膜上優(yōu)先淀積具有低原子量的鋅以在被形成的膜的表面上至少形成包含鋅的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶；并且在晶體生長的同時在種晶上淀積具有高原子量的錫、銦等。注意，包含鋅的種晶不僅形成在被形成的膜的表面上，且可形成在與氧化物絕緣膜的界面中。此外，通過使用具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶作為核來進行晶體生長以形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜，從而形成單晶氧化物半導(dǎo)體膜或?qū)嵸|(zhì)上單晶氧化物半導(dǎo)體膜，其為本發(fā)明的一個方式的另一主要點。此外，本發(fā)明的一個方式的另一主要點在于使用具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜來形成晶體管。以下列方式形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。在形成于襯底上的氧化物絕緣膜上通過濺射方法形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶，且使用種晶作為核進行晶體生長。在250°C以上且350°C以下在氧氣氛中進行第一熱處理的同時通過濺射方法形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。因此，在處理室中進行第一熱處理。在用于淀積的濺射設(shè)備中，將靶材與物質(zhì)之間的距離設(shè)定為能夠使具有低原子量的元素優(yōu)先到達襯底的表面的距離。結(jié)果，在氧化物絕緣膜上優(yōu)先淀積鋅，并且使已淀積的鋅氧化，從而形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶，典型為具有包括氧化鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶。因此，能夠形成從氧化物絕緣膜的表面生長的種晶。此外，通過連續(xù)進行濺射，使用具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)作為核來進行晶體生長，所以能夠形成具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。在這種具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中，在與形成膜的襯底表面平行的a-b面中形成用于形成六角形晶格的鍵，且c軸與和a-b面實質(zhì)上平行的襯底的平表面實質(zhì)上垂直。在a-b面中形成用于形成六角形晶格的鍵且c軸與襯底的平表面垂直的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中，晶體結(jié)構(gòu)的有序性很高。

圖17為該結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜的平面TEM圖像。圖18顯示圖17的放大圖像的一部分，其中由白線圍繞原子以方便了解六角形晶格。包括這種結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管具有穩(wěn)定的電氣特性及高可靠性。將在下面描述包括結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的高可靠性的一個原因。結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體比非晶氧化物半導(dǎo)體具有金屬與氧之間的鍵(-Μ-0-Μ-，其中O代表氧原子且M代表金屬原子)的更高的有序性。換言之，在氧化物半導(dǎo)體具有非晶結(jié)構(gòu)的情況中，配位數(shù)會根據(jù)金屬原子的種類而變。相反地，在結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體的情況中，配位數(shù)實質(zhì)上一致。據(jù)此，可減少微觀氧缺損，且可減少在后述“空間”中氫原子(包括氫離子)或堿金屬原子的附著或脫離所致的不穩(wěn)定性及電荷轉(zhuǎn)移。另一方面，在非晶結(jié)構(gòu)的情況中，由于配位數(shù)隨金屬原子的種類而變，金屬原子或氧原子的濃度可能為微觀上不均勻且可能有不存在原子的某些部分(“空間”)。在這種“空間”中，例如，捕捉氫原子(包括氫離子)或堿金屬原子，且在一些情況中，鍵合到氧。此外，這些原子可能移動通過這種“空間”。原子的這種移動會導(dǎo)致氧化物半導(dǎo)體的特性的變動，且因此這種原子的存在導(dǎo)致可靠性的顯著問題。尤其，通過高電場或光能的施加導(dǎo)致原子的這種移動；因此，當在這種條件下使用氧化物半導(dǎo)體時，其特性不穩(wěn)定。亦即，非晶氧化物半導(dǎo)體的可靠性劣于結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體的可靠性。此后，將使用對晶體管(樣品I及樣品2)實際獲得的結(jié)果來描述可靠性的差異。注意，實際獲得并在下面描述的樣品2包括通過在200°C的膜形成溫度形成第一材料膜并接著在氮氣氛中在450°C進行加熱并且通過在200°C的膜形成溫度形成第二材料膜并接著在干燥空氣氣氛中在450°C進行加熱所得的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。樣品2包括包括相同材料的第一及第二材料膜的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜；不用說當?shù)谝患暗诙牧夏ぐú煌牧蠒r也同樣適用。用于對照的樣品I包括通過在650°C以RTA加熱單層材料膜并接著在干燥空氣氣氛中在450 V進行加熱所得的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。作為檢測可靠性的方法，測量晶體管的Id-Vg曲線，這是通過在以光照射晶體管的同時改變晶體管的柵電極與源電極之間的電壓(Vg)時測量晶體管的漏電極與源電極之間的電流(Id)而得到的。在包括氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管中，當進行-BT測試時，亦即，當以光照射晶體管的同時施加負柵極應(yīng)力時，導(dǎo)致晶體管的閾值電壓發(fā)生變化的劣化。該劣化也稱為負偏壓溫度應(yīng)力光劣化。在圖19中顯不樣品I及2中的負偏壓溫度應(yīng)力光劣化。在圖19中，樣品2中的Vth的改變量小于樣品I中的Vth的改變量。接著，測量在以光(波長:400nm，照射強度:3.5mff/cm2)照射600秒之前與之后的樣品I的晶體管(L/ff=3 μ m/50 μ m)的光響應(yīng)特性。圖20A為依據(jù)測量結(jié)果所作的光響應(yīng)特性的圖(光電流時間依賴性的圖)。注意，源極-漏極電壓(Vd)為0.1V。此外，測量在以光(波長:400nm，照射強度:3.5mff/cm2)照射600秒之前與之后的樣品2的晶體管(L/ff=3 μ m/50 μ m)的光響應(yīng)特性。圖20B為依據(jù)測量結(jié)果所作的光響應(yīng)特性的圖(光電流時間依賴性的圖)。此外，對在與樣品2相同制造條件下形成且具有較大W寬度(L/W=30 μ m/10000 μ m)的晶體管以及在與樣品2相同制造條件下形成具有較大W寬度且供應(yīng)有較高Vd (Vd=15V)的晶體管進行測量。接著，對測量結(jié)果進行擬合，以獲得兩種弛豫時間(τ I及τ 2)。其計算結(jié)果及最大電流值(Imax)顯示在表I中。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括如下步驟: 在襯底上形成氧化物絕緣膜； 在所述氧化物絕緣膜上通過濺射方法形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶；使用所述種晶作為核來進行晶體生長以形成具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜； 對所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜進行熱處理； 在所述熱處理之后蝕刻所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜； 在所述蝕刻步驟之后在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜上形成一對電極； 在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜及所述一對電極上形成柵極絕緣膜；以及 在所述柵極絕緣膜上形成柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中具有包含鋅的六角形結(jié)構(gòu)的所述種晶為氧化鋅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中當在200°C以上且400°C以下的溫度加熱所述襯底的同時形成所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中包括在所述種晶中的所述晶體或包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的所述晶體具有與所述襯底的平表面實質(zhì)上垂直的c軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述熱處理的溫度為釋放包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo) 體膜中的氫的溫度。
6.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括如下步驟: 在襯底上形成氧化物絕緣膜； 在所述氧化物絕緣膜上形成一對電極； 在所述氧化物絕緣膜及所述一對電極上通過濺射方法形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶； 使用所述種晶作為核來進行晶體生長以形成具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜； 對所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜進行熱處理； 在所述熱處理之后蝕刻所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜； 在所述蝕刻步驟之后在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜上形成柵極絕緣膜；以及 在所述柵極絕緣膜上形成柵電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中具有包含鋅的六角形結(jié)構(gòu)的所述種晶為氧化鋅。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中當在200°C以上且400°C以下的溫度加熱所述襯底的同時形成所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中包括在所述種晶中的所述晶體或包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的所述晶體具有與所述襯底的平表面實質(zhì)上垂直的c軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述熱處理的溫度為釋放包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的氫的溫度。
11.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括如下步驟: 在襯底上形成柵電極； 在所述柵電極上形成包括氧化物絕緣膜的柵極絕緣膜； 在所述柵極絕緣膜上通過濺射方法形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶； 使用所述種晶作為核來進行晶體生長以形成具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜； 對所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜進行熱處理； 在所述熱處理之后蝕刻所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜；以及 在所述蝕刻步驟之后在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜上形成一對電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中具有包含鋅的六角形結(jié)構(gòu)的所述種晶為氧化鋅。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中當在200°C以上且400°C以下的溫度加熱所述襯底的同時形成所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中包括在所述種晶中的所述晶體或包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的所述晶體具有與所述襯底的平表面實質(zhì)上垂直的c軸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述熱處理的溫度為釋放包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的氫的溫度。
16.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括如下步驟: 在襯底上形成柵電極； 在所述柵電極上形成包括氧化物絕緣膜的柵極絕緣膜； 在所述柵極絕緣膜上形成一對電極； 在所述柵極絕緣膜及所述一對電極上通過濺射方法形成具有包含鋅的六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶； 使用所述種晶作為核來進行晶體生長以形成具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜；以及 對所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜進行熱處理。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中具有包含鋅的六角形結(jié)構(gòu)的所述種晶為氧化鋅。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中當在200°C以上且400°C以下的溫度加熱所述襯底的同時形成所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中包括在所述種晶中的所述晶體或包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的所述晶體具有與所述襯底的平表面實質(zhì)上垂直的c軸。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述熱處理的溫度為釋放包括在所述結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜中的氫的溫度。
全文摘要
一目的在于制造包括氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體裝置，其具有穩(wěn)定電氣特性及高可靠性。以如下方法形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜而不用進行多個步驟通過利用包括在氧化物半導(dǎo)體靶材中的多種原子的原子量的差異，在氧化物絕緣膜上優(yōu)先淀積具有低原子量的鋅以形成包含鋅的種晶；并且在進行晶體生長的同時淀積具有高原子量的錫、銦等。此外，通過使用包含鋅的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的種晶作為核來進行晶體生長以形成結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜，從而形成單晶氧化物半導(dǎo)體膜或?qū)嵸|(zhì)上單晶氧化物半導(dǎo)體膜。
文檔編號H01L29/786GK103155121SQ20118004398
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者山崎舜平, 野中裕介, 井上卓之, 津吹將志, 秋元健吾, 宮永昭治 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所