成良好的電極、布線、絕緣層、半導(dǎo)體層等。
[0121]此后，形成絕緣層152。在絕緣層152，形成到達(dá)電極150a、150b、150c以及150d的開口。然后，導(dǎo)電層形成為嵌入開口中。此后，通過蝕刻、CMP等移除導(dǎo)電層的部分以便絕緣層152暴露并且形成電極154a、154b以及154c (參照圖K))。此步驟類似于電極136a、電極150a等的步驟；因此，此處省略詳細(xì)描述。
[0122]當(dāng)晶體管162以上述的方式制造時，氧化物半導(dǎo)體層140的氫濃度是5X 119原子/cm3或更少，優(yōu)選5 X 10 18原子/cm 3或更少，更優(yōu)選5 X 10 17原子/cm 3或更少。晶體管162的截止?fàn)顟B(tài)電流是IX 10_13A或更少并且截止電阻率是I XlO9 Ω.πι或者更多(備選地，I X 110 Ω.πι或者更多)。從而通過采用其中氫濃度充分地降低并且由于氧缺乏引起的能隙中的缺陷水平降低的高度純化的氧化物半導(dǎo)體層，可以獲得具有優(yōu)異的特性的晶體管162。
[0123]注意，在本實(shí)施例中，涉及使用除了氧化物半導(dǎo)體以外的材料的晶體管以及使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置；然而，可以用于所公開的發(fā)明的結(jié)構(gòu)不限于疊層結(jié)構(gòu)?？梢允褂脝螌咏Y(jié)構(gòu)、兩個或者更多層的疊層結(jié)構(gòu)。例如，因?yàn)檠趸锇雽?dǎo)體的場效應(yīng)遷移率相對高，所以半導(dǎo)體裝置可以具有僅僅使用氧化物半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體材料的單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。特別地，在使用具有晶體結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體的情況下，場效應(yīng)遷移率μ可以是y>100cm2/V*S并且可以實(shí)現(xiàn)僅僅使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。另外，在此情況下，可以使用襯底(例如玻璃襯底等)形成半導(dǎo)體裝置。
[0124]此外，電極(布線)、絕緣層、半導(dǎo)體層等的排列和連接關(guān)系，各種參數(shù)(例如布線的寬度、溝道寬度、溝道長度)以及其他條件可以根據(jù)半導(dǎo)體集成電路所要求的功能而合適地改變。例如，電極的結(jié)構(gòu)、具有單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的布線等很大地不同于具有疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的布線等。
[0125]在本實(shí)施例中描述的結(jié)構(gòu)、方法等可以與在其他實(shí)施例中描述的任何結(jié)構(gòu)、方法等合適地組合。
[0126](實(shí)施例2)
在本實(shí)施例中，參照圖6A和6B以及圖7描述具有與以上實(shí)施例所示出的半導(dǎo)體裝置不同的配置的半導(dǎo)體裝置。
[0127]<半導(dǎo)體裝置的電路配置和操作>
圖6A和6B示出根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的電路配置的例子。圖6A是使用作為最簡單的CMOS電路的CMOS反相器的電路的半導(dǎo)體裝置的例子。圖6B是具有多個CMOS反相器電路的半導(dǎo)體裝置的例子。
[0128]圖6A和6B所示出的半導(dǎo)體裝置與圖1A和IB所示出的半導(dǎo)體裝置之間的差別是開關(guān)晶體管SI是否使用具有背柵(back gate)的氧化物半導(dǎo)體。在圖6A和6B所示出的半導(dǎo)體裝置中，開關(guān)晶體管SI具有背柵，以便可以通過控制背柵的電位來控制開關(guān)晶體管SI的閾值電壓。因此，截止?fàn)顟B(tài)漏電流可以容易地降低到可以認(rèn)為大體上為零的值。
[0129]在本實(shí)施例中，因?yàn)殚_關(guān)晶體管SI具有如上所述的背柵，所以有兩個控制端子:控制端子S_IN_1和控制端子S_IN_2。類似于前面的實(shí)施例，輸入高電位或低電位到控制端子S_IN_1，由此開關(guān)晶體管SI切換為導(dǎo)通和截止。輸入到控制端子S_IN_2的電位的值沒有特別地限制，只要是其為使開關(guān)晶體管SI的閾值電壓是所希望的值的電位即可。可以輸入常數(shù)電位或波動電位到控制端子S_IN_2。此外，可以采用類似于地電位的電位。
[0130]其他配置、操作等與上述實(shí)施例的那些相同；從而省略其描述。
[0131]<半導(dǎo)體裝置的平面結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)>
圖7是圖6A所示出的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)(截面)的例子。圖7所示出的半導(dǎo)體裝置在下部分包括使用除了氧化物半導(dǎo)體以外的材料的晶體管160 (包括于CMOS反相器電路Cl中的晶體管)，以及在上部分包含使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管162 (作為開關(guān)晶體管SI起作用的晶體管)。針對此點(diǎn)，圖7所示出的半導(dǎo)體裝置與圖2A所示出的半導(dǎo)體裝置相同。圖2A所示出的半導(dǎo)體裝置與圖7所示出的半導(dǎo)體裝置之間的差別是除柵電極136c以外是否提供柵電極145。
[0132]每個部件的細(xì)節(jié)與前面的實(shí)施例所示出的半導(dǎo)體裝置的那些相同。在與具有生成控制晶體管162的閾值電壓的電場的功能的氧化物半導(dǎo)體層140重疊的保護(hù)絕緣層144上的區(qū)域提供柵電極145。從而晶體管162的截止?fàn)顟B(tài)漏電流容易地抑制到可以認(rèn)為大體上為零的值。注意，采用通過柵電極136c切換晶體管162的導(dǎo)通和截止并且通過柵電極145控制閾值電壓的結(jié)構(gòu)；然而，柵電極136c和柵電極145的角色可以互換。此外，保護(hù)絕緣層144也具有柵極絕緣層的功能。
[0133]在本實(shí)施例中示出的結(jié)構(gòu)、方法等可以與其他實(shí)施例中所示出的任何結(jié)構(gòu)、方法等合適地組合。
[0134](實(shí)施例3)
在本實(shí)施例中，參照圖8描述作為所公開的發(fā)明的另一實(shí)施例的集成半導(dǎo)體裝置。
[0135]圖8示出作為前面的實(shí)施例(例如，實(shí)施例1)所示出的半導(dǎo)體裝置的修改例子的集成半導(dǎo)體裝置170。集成半導(dǎo)體裝置170的具體例子是CPU、MPU等。
[0136]半導(dǎo)體裝置170包括多個電路塊(例如，電路塊171到174等)。此外，電路塊通過至少在其部分使用氧化物半導(dǎo)體的元件(例如開關(guān)元件181、開關(guān)元件182等)彼此電連接。
[0137]例如，包括CMOS反相器電路Cl到Cn等的集成電路可以用于電路塊171到174。備選地，還可以應(yīng)用以DRAM為代表的存儲器電路等。每個電路塊取決于所要求的性質(zhì)需要具有合適的功能。
[0138]例如，開關(guān)晶體管SI可以用于開關(guān)元件181和開關(guān)元件182。優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體(特別地，高度純化的氧化物半導(dǎo)體)形成開關(guān)元件181和開關(guān)元件182的至少一部分。
[0139]圖8所示出的半導(dǎo)體裝置170僅僅是簡化了配置的例子，實(shí)際的半導(dǎo)體裝置取決于用途可以具有各種配置。
[0140]使用氧化物半導(dǎo)體(特別地，高度純化的氧化物半導(dǎo)體)形成半導(dǎo)體裝置170的至少一部分并且充分地抑制其待機(jī)功率。如前面的實(shí)施例中所描述的，在集成的和復(fù)雜的半導(dǎo)體裝置中抑制待機(jī)功率的效果極其大。
[0141]在本實(shí)施例中所示出的結(jié)構(gòu)、方法等可以與其他實(shí)施例中所示出的任何結(jié)構(gòu)、方法等合適地組合。
[0142](實(shí)施例4)
接下來，參照圖9A到9E描述用于使用可以用作在前面的實(shí)施例(例如實(shí)施例1)的開關(guān)晶體管SI的氧化物半導(dǎo)體來制造晶體管的方法的另一例子。在本實(shí)施例中，詳細(xì)描述使用高度純化的氧化物半導(dǎo)體(具體地，具有非晶結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體)的情況。注意，在下文中，作為例子描述頂柵晶體管，但是晶體管的結(jié)構(gòu)不必限制于頂柵晶體管。
[0143]首先，在下層襯底200上形成絕緣層202。然后在絕緣層202上形成氧化物半導(dǎo)體層206 (參照圖9A)。
[0144]例如，下層襯底200可以是在低于前面的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置(圖2A所示出的半導(dǎo)體裝置等)中的層間絕緣層128的部分的結(jié)構(gòu)主體。對于細(xì)節(jié)，可以參照前面的實(shí)施例。
[0145]絕緣層202作為基底起作用并且以與前面的實(shí)施例中的柵極絕緣層138、保護(hù)絕緣層144等相同的方式形成。對于詳細(xì)描述，可以參照前面的實(shí)施例。注意，優(yōu)選形成包含盡可能少的氫或水的絕緣層202。
[0146]作為氧化物半導(dǎo)體層206，可以使用四成分的金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層；三成分的金屬氧化物的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、In-Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層或Sn-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層；兩成分的金屬氧化物的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層、Zn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體層、Sn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體層或In-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體層；或單成分的金屬氧化物的In-O基氧化物半導(dǎo)體層、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體層或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層。
[0147]特別地，當(dāng)沒有電場時In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料具有充分高的電阻并且從而可以充分地降低截止?fàn)顟B(tài)電流。此外，具有高的場效應(yīng)遷移率，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料適用于半導(dǎo)體裝置。
[0148]可以使用由InMO3 (ZnO) m (?>0并且》不是自然數(shù))表示的薄膜作為氧化物半導(dǎo)體層。此處，M是選自Ga、Al、Mn和Co的一個或多個金屬兀素。例如，給出Ga、Ga和Al、Ga和Mn、以及Ga和Co作為M。還可以使用由InGaJnjO崖示的材料。此處，z、和Zjk給定的數(shù)量。此外，和4?有必要是整數(shù)并且可以是非整數(shù)。注意^可以是零，但是7優(yōu)選不是零。例如，表達(dá)InGa^Zn/Vll括其中是零的In-Zn-O。在本說明書中描述的由In-Ga-Zn-O表示的氧化物半導(dǎo)體材料是InGaO3 (ZnO)w (ffl>0并且《不是自然數(shù))?？梢酝ㄟ^使用ICP-MS或RBS的分析確認(rèn)?不是自然數(shù)的事實(shí)。另外，表達(dá)InGa JrvOz包括^=I并且尸1、z=l并且尸0.5等的情況。注意，以上描述的組分來源于晶體結(jié)構(gòu)并且僅僅是個例子。
[0149]在本實(shí)施例中，通過使用用于形成In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的靶的濺射法來形成具有非晶結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層206。
[0150]可以使用可以由組分公式In:Ga:Zn=l:x: y Cx是零或者更多，7是0.5或者更多以及5或更少)表示的靶作為用于通過濺射法形成In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層206的革巴。例如，可以使用具有相對比例In:Ga:Zn=l:1:1[原子比](z=l,尸I)、即，In203:Ga 203:ZnO=I:1:2[摩爾比]的靶。此外，還可以使用具有相對比例In:Ga:Zn=l:1:0.5[原子比](z=l,尸0.5)的革巴,具有相對比例In:Ga:Zn=l:1:2[原子比](z=l,尸2)的革巴或具有相對比例In:Ga:Zn=l:0:1 [原子比](z=0,尸I)的革巴。
[0151]優(yōu)選包含于用于膜形成的氧化物半導(dǎo)體靶的金屬氧化物半導(dǎo)體具有80%或者更多、優(yōu)選95%或者更多、更優(yōu)選99.9%或者更多的相對密度。通過使用用于形成具有高的相對密度的氧化物半導(dǎo)體的靶，可以形成具有致密的結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層206。
[0152]用于氧化物半導(dǎo)體層206的形成的氣氛優(yōu)選為稀有氣體(典型地，氬)氣氛、氧氣氛或稀有氣體(典型地，氬)與氧的混合氣氛。具體地，優(yōu)選其中雜質(zhì)(例如，氫、水、氫氧根以及氫化物)的濃度降低到大約百萬分之幾(優(yōu)選十億分之幾)的濃度的高純度氣體的氣氛。
[0153]在形成氧化物半導(dǎo)體層206時，例如，在保持減壓狀態(tài)的處理室中固定襯底并且加熱以便襯底溫度是100°C或更高以及600°C或更低，優(yōu)選為200°C或更高以及400°C或更低。當(dāng)移除處理室中的剩余水分時，引入從其中移除氫、水分等的濺射氣體，并且通過使用靶而形成氧化物半導(dǎo)體層206。通過當(dāng)加熱襯底時形成氧化物半導(dǎo)體層206，可以降低包含于氧化物半導(dǎo)體層206的雜質(zhì)的濃度。此外，降低由于濺射引起的氧化物半導(dǎo)體層206的損害。為了移除處理室中的剩余水分，優(yōu)選使用捕獲真空泵。例如，可以使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。抽空單元可以是配備有冷阱的渦輪泵。通過用低溫泵抽空而從沉積室移除氫、水等，以便可以降低包含于氧化物半導(dǎo)體層206的雜質(zhì)的濃度。
[0154]例如，氧化物半導(dǎo)體層206的膜形成條件可以設(shè)置如下:襯底與靶之間的距離是170mm，壓力是0.4Pa，直流(DC)功率是0.5kff以及氣氛是氧氣氛(氧的流量比是100%)或氬氣氛(氬的流量比是100%)。因?yàn)榭梢越档头勰┪镔|(zhì)(也稱作粒子或塵埃)并且可以減少膜厚度的變化，所以優(yōu)選使用脈沖直流(DC)電源。氧化物半導(dǎo)體層206的厚度是2nm或者更多以及200nm或更少,優(yōu)選5nm或者更多以及30nm或更少。注意,合適的厚度取決于待應(yīng)用的氧化物半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體裝置的預(yù)期用途等，并且因此氧化物半導(dǎo)體層的厚度可以取決于待使用的材料、預(yù)期用途等而合適地設(shè)置。
[0155]注意，在通過濺射法形成氧化物半導(dǎo)體層206之前，優(yōu)選通過在其中引入氬氣并且生成等離子體的反濺射來移除附著于絕緣層202的表面的材料。此處，反濺射意味著用于通過表面上的離子撞擊而改善待處理對象的表面的質(zhì)量的方法，而一般濺射通過濺射靶上的離子撞擊而實(shí)現(xiàn)。用于使離子撞擊待處理的對象的表面的方法包括高頻電壓在氬氣氛中施加到表面上并且等離子體在襯底附近生成的方法。注意，可以使用氮?dú)夥铡⒑夥?、氧氣氛等代替氬氣氛?br>[0156]接下來，通過使用掩模的蝕刻等處理氧化物半導(dǎo)體層206來形成島狀氧化物半導(dǎo)體層206a。
[0157]對于氧化物半導(dǎo)體層206的蝕刻，可以使用干蝕刻或濕蝕刻。不必說，可以采用干蝕刻與濕蝕刻的組合。可以取決于材料合適地設(shè)置蝕刻條件(蝕刻氣體、蝕刻溶液、蝕刻時間、溫度等)，以便氧化物半導(dǎo)體層可以蝕刻為所希望的形狀。對于其詳細(xì)描述，可以參照前面的實(shí)施例?？梢耘c前面的實(shí)施例中的半導(dǎo)體層的蝕刻相同的方式進(jìn)行氧化物半導(dǎo)體層206的蝕刻。對于詳細(xì)描述，可以參照前面的實(shí)施例。
[0158]此后，氧化物半導(dǎo)體層206a期望經(jīng)受熱處理(第一熱處理)。通過第一熱處理移除氧化物半導(dǎo)體層206a中的過多的氫(包括水和氫氧基)并且改善氧化物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，以便可以降低氧化物半導(dǎo)體層206a的能隙中的缺陷水平。例如，以溫度300°C或更高以及750°C或更低、優(yōu)選40(TC或更高以及70(TC或更低進(jìn)行第一熱處理。
[0159]第一熱處理可以以這樣的方式進(jìn)行，例如，引入下層襯底200到使用電阻加熱元件等的電爐并且在氮?dú)夥障乱?50°C加熱一小時。在第一熱處理期間，氧化物半導(dǎo)體層206a不暴露到空氣以防止水和氫的進(jìn)入。
[0160]注意，熱處理器件不必限于電爐，并且可以包含用于通過由介質(zhì)(例如熱氣體等)給出的熱傳導(dǎo)或熱輻射來加熱待處理對象的裝置。例如，可以使用快速熱退火(RTA)器件，例如燈快速熱退火(LRTA)器件或氣體快速熱退火(GRTA)器件。LRTA器件是用于通過從燈(例如鹵素?zé)?、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈)發(fā)射的光輻射(電磁波)來加熱待處理對象的器件。GRTA器件是用于使用高溫氣體的熱處理的器件。使用通過熱處理不與待處理的對象反應(yīng)的惰性氣體(例如氮)或稀有氣體(例如気)作為該氣體。
[0161]例如，作為第一熱處理，GRTA處理可以進(jìn)行如下。在已經(jīng)加熱到650°C到700°C的高溫的惰性氣體氣氛中放置襯底，加熱幾分鐘，并且從惰性氣體氣氛中取出。GRTA處理使能短時間的高溫度熱處理。此外，因?yàn)樵诙虝r間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)熱處理，所以即使當(dāng)溫度超過襯底的上溫度限制時仍可以采用GRTA處理。注意，在處理期間，惰性氣體可以切換為包括氧的氣體。這是因?yàn)橥ㄟ^在包括氧的氣氛中進(jìn)行第一熱處理可以降低由于氧缺乏引起的能隙中的缺陷水平。
[0162]注意，惰性氣體氣氛優(yōu)選為包含氮或稀有氣體(例如氦、氖或氬)作為其主成分并且不包含水、氫等的氣氛。例如，引入到熱處理器件的氮或稀有氣體(例如氦、氖或氬)的純度是6N (99.9999%)或者更多，優(yōu)選7N (99.99999% )或者更多(B卩，雜質(zhì)的的濃度是Ippm或更少，優(yōu)選0.1ppm或更少)。
[0163]在任何情況，通過第一熱處理降低雜質(zhì)并且形成i型或大體上i型的氧化物半導(dǎo)體層206a，以便可以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異的特性的晶體管。
[0164]注意，可以對還沒有處理為島狀的氧化物半導(dǎo)體層206a的氧化物半導(dǎo)體層206進(jìn)行第一熱處理。在那種情況下，在第一熱處理之后，下層襯底200從加熱器件中取出并且經(jīng)受光刻步驟。
[0165]第一熱處理具有移除氫、水等的效果并且可以稱作脫水處理、脫氫處理等?？梢栽?