半導體裝置及其制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2010年10月6日、國際申請?zhí)枮镻CT/JP2010/067997、國家申 請?zhí)枮?01080048595. 8、發(fā)明名稱為"半導體裝置及其制造方法"的專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及一種采用氧化物半導體的半導體裝置及其制造方法。
[0003] 注意，本說明書中的半導體裝置是指所有能夠利用半導體特性工作的裝置，并且 電光裝置、半導體電路和電子裝置均為半導體裝置。
【背景技術】
[0004] 一種采用形成于具有絕緣表面的襯底之上的半導體薄膜形成薄膜晶體管（TFT) 的技術已經(jīng)引起了人們的注意。薄膜晶體管用于以液晶電視為典型代表的顯示裝置。基于 硅的半導體材料是已知的用于適用于薄膜晶體管的半導體薄膜的材料，除此之外氧化物半 導體也引起了人們的注意。
[0005] 已知氧化鋅以及含有氧化鋅作為其成分的材料可作為所述氧化物半導體的材料。 此外，還公開了一種包括電子載流子濃度低于l〇18/cm3的非晶氧化物（氧化物半導體）的 薄膜晶體管（參考專利文獻1到3)。
[0006] [參考文獻]
[0007] [專利文獻1]日本公開專利申請No. 2006-165527
[0008] [專利文獻1]日本公開專利申請No. 2006-165528
[0009] [專利文獻1]日本公開專利申請No. 2006-165529

【發(fā)明內容】

[0010] 但是，在薄膜形成過程中將出現(xiàn)偏離氧化物半導體的理想配比成分。例如，由于氧 的過多或者缺乏而改變了氧化物半導體的電導率。此外，在薄膜的形成過程中進入氧化物 半導體的氫或濕氣形成了氫氧（0-H)鍵，并且起著電子施主的作用，這是電導率變化的一 個因素。此外，由于0-H為極性分子，因而其將導致采用氧化物半導體形成的諸如薄膜晶體 管的有源裝置的特性的變化。
[0011] 考慮到這些問題，本發(fā)明的一個實施例的目的在于提供一種具有穩(wěn)定的電特征的 包括氧化物半導體的半導體裝置。
[0012] 為了防止包括氧化物半導體層的薄膜晶體管的電特性的變化，從所述氧化物半導 體層去除引起變化的諸如氫、濕氣、氫氧根或氫化物（又稱為氫化合物）的雜質。
[0013] 在氧化物半導體層之上形成具有很多以懸掛鍵為典型代表的缺陷的絕緣層，并在 其間插入氧過量混合區(qū)域或氧過量氧化物絕緣層，由此使氧化物半導體層內的諸如氫或濕 氣（氫原子或者含有氫原子的化合物（諸如H2o))的雜質移動通過所述氧過量混合區(qū)域或 氧過量氧化物絕緣層，并擴散到所述具有缺陷的絕緣層內。因而，降低了氧化物半導體層的 雜質濃度。
[0014] 由于具有很多缺陷的絕緣層具有與氫或濕氣（氫原子或者含有氫原子的化合物 (諸如H2o))的高的結合能，并且這些雜質被穩(wěn)定在所述具有很多缺陷的絕緣層內，因而這 些雜質能夠從氧化物半導體層擴散到所述具有缺陷的絕緣層內，由此能夠從氧化物半導體 層去除這些雜質。
[0015] 此外，提供于所述氧化物半導體層和具有缺陷的絕緣層之間的所述混合區(qū)域或氧 化物絕緣層含有過量的氧，因而具有很多作為缺陷的氧懸掛鍵，并且具有與諸如氫或濕氣 (氫原子或者含有氫原子的化合物（諸如H2o))的雜質的高的結合能。因此，在雜質從氧化 物半導體層擴散到具有缺陷的絕緣層內時，所述氧過量混合區(qū)域或氧過量氧化物絕緣層起 著促進擴散的作用。另一方面，在已經(jīng)被從氧化物半導體層去除并擴散到具有缺陷的絕緣 層內的雜質向氧化物半導體層回移時，氧過量混合區(qū)域或氧過量氧化物絕緣層起著保護層 (阻擋層）的作用，其與雜質結合并使其穩(wěn)定，以防止雜質進入氧化物半導體層。
[0016] 因而，氧化物半導體層內的諸如氫或濕氣（氫原子或者含有氫原子的化合物（諸 如H20))的雜質擴散到所述氧過量混合區(qū)域或氧過量氧化物絕緣層內。
[0017] 因而，所述氧過量混合區(qū)域或氧過量氧化物絕緣層從氧化物半導體層去除了引起 變化的諸如氫、濕氣、氫氧根或氫化物（又稱為氫化合物）的雜質，并且進一步充當阻擋層， 其防止已經(jīng)擴散到具有缺陷的絕緣層內的雜質再次進入氧化物半導體層。因此，能夠使氧 化物半導體層保持低雜質濃度。
[0018] 由上文可知，包括減少了引起變化的諸如氫、濕氣、氫氧根或氫化物（又被稱為氫 化合物）的雜質的氧化物半導體層的薄膜晶體管具有穩(wěn)定的電特性，因而包括所述薄膜晶 體管的半導體裝置能夠實現(xiàn)高度可靠性。
[0019] 所述混合區(qū)域是指氧化物半導體層中含有的材料與上面的的具有缺陷的絕緣層 內含有的材料的混合區(qū)域。通過提供所述混合區(qū)域，使得氧化物半導體層和具有缺陷的的 絕緣層之間的界面未被清晰地界定；因而有利于氫從氧化物半導體層擴散到具有缺陷的的 絕緣層內。例如，在采用氧化硅層作為具有缺陷的絕緣層時，所述混合區(qū)域包括氧、硅以及 氧化物半導體層中包含的金屬元素中的至少一種。對氧過量氧化物絕緣層，可以采用氧化 硅層（Si02+x，其中X優(yōu)選大于等于0且小于3)。所述混合區(qū)域或氧化物絕緣層的厚度可以 為 0.lnm到 30nm(優(yōu)選為 2nm到 10nm)。
[0020] 優(yōu)選在通過采用諸如低溫泵的俘獲型真空泵抽空而降低了雜質濃度的膜形成室 (處理室）中形成所述氧化物半導體層、氧過量混合區(qū)域、氧過量氧化物絕緣層和具有缺陷 的絕緣層。對俘獲型真空泵，優(yōu)選采用例如低溫泵、離子泵、或鈦升華泵。所述俘獲型真空 泵起著降低所述氧化物半導體層、氧過量混合區(qū)域、氧過量氧化物絕緣層和具有缺陷的絕 緣層中的氫、水、氫氧根或氫化物的量的作用。
[0021] 所述氧化物半導體層、氧過量混合區(qū)域、氧過量氧化物絕緣層和具有缺陷的絕緣 層的形成過程中采用的每種濺射氣體均優(yōu)選是高純度氣體，在所述氣體中，使諸如氫、水、 氫氧根或氫化物的雜質減少到能夠以ppm或ppb為單位表示其濃度的程度。
[0022] 在本說明書公開的薄膜晶體管中，在氧化物半導體層中形成溝道形成區(qū)域，其中， 將氫設定為小于等于5X1019/cm3,優(yōu)選小于等于5X1018/cm3,更優(yōu)選小于等于5X1017/cm3; 去除氫或0-H根；并且載流子濃度小于等于5X1014cm3,優(yōu)選小于等于5X1012/cm3。
[0023] 將氧化物半導體的能隙設為大于等于2eV，優(yōu)選大于等于2. 5eV，更優(yōu)選大于等于 3eV，從而盡可能地減少雜質，例如，形成施主的氫，并且將氧化物半導體的載流子濃度設為 小于等于lX1014/cm3,優(yōu)選小于等于lX1012/cm3。
[0024] 在將如此純化的氧化物半導體用于薄膜晶體管的溝道形成區(qū)域時，即使是在溝道 寬度為10mm的情況下，在IV和10V的漏電壓以及處于-5V到-20V的范圍內的柵電壓下， 也仍獲得小于等于1X1(T13A的漏極電流。
[0025] 本說明書中公開的本發(fā)明的一個實施例是一種半導體裝置，其包括：處于襯底之 上的柵電極層；處于所述柵電極層之上的柵極絕緣層；處于所述柵極絕緣層之上的氧化物 半導體層；處于所述氧化物半導體層之上的源電極層和漏電極層；以及處于所述氧化物半 導體層、源電極層和漏電極層之上并且與部分所述氧化物半導體層接觸的具有缺陷的絕緣 層；其中，在所述氧化物半導體層和所述具有缺陷的絕緣層之間提供氧過量氧化物絕緣層。
[0026] 本說明書中公開的本發(fā)明的另一實施例是一種半導體裝置，其包括：處于襯底之 上的柵電極層；處于所述柵電極層之上的柵極絕緣層；處于所述柵極絕緣層之上的氧化物 半導體層；處于所述氧化物半導體層之上的源電極層和漏電極層；以及處于所述源電極層 和所述漏電極層之上并且與部分所述氧化物半導體層接觸的具有缺陷的絕緣層；其中，在 所述氧化物半導體層和所述具有缺陷的絕緣層之間的界面處提供氧過量混合區(qū)域；其中， 所述具有缺陷的絕緣層包括硅；并且其中，所述氧過量混合區(qū)域包括氧、硅以及所述氧化物 半導體層中含有的金屬元素中的至少一種。
[0027] 在上述結構中，可以提供覆蓋具有缺陷的絕緣層的保護絕緣層。
[0028] 本說明書中公開的本發(fā)明的另一實施例是一種半導體裝置的制造方法，其包括： 在襯底之上形成柵電極層和覆蓋所述柵電極層的柵極絕緣層，并將所述襯底引入到處于降 低的壓力下的處理室內；在去除所述處理室內的殘余濕氣的同時引入去除了氫和濕氣的濺 射氣體；采用在去除了濕氣的處理室內的提供的金屬氧化物靶在所述柵極絕緣層之上形成 氧化物半導體層；在所述氧化物半導體層之上形成源電極層和漏電極層；通過濺射法形成 處于所述源電極層和所述漏電極層之上并且與所述氧化物半導體層接觸的氧過量氧化物 絕緣層；通過濺射法在所述氧過量氧化物絕緣層之上形成具有缺陷的絕緣層；以及對所述 襯底加熱，從而使所述氧化物半導體層內含有的氫或濕氣移動通過所述氧過量氧化物絕緣 層，并擴散到所述具有缺陷的絕緣層中。
[0029] 本說明書中公開的本發(fā)明的另一實施例是一種半導體裝置的制造方法，其包括： 在襯底之上形成柵電極層和覆蓋所述柵電極層的柵極絕緣層，并將所述襯底引入到處于降 低的壓力下的處理室內；在去除所述處理室內的殘余濕氣的同時引入去除了氫和濕氣的濺 射氣體；采用在去除了濕氣的處理室內提供的金屬氧化物靶在所述柵極絕緣層之上形成氧 化物半導體層；在所述氧化物半導體層之上形成源電極層和漏電極層；通過濺射法形成與 所述氧化物半導體層接觸的氧過量混合區(qū)域以及具有缺陷的絕緣層，所述具有缺陷的絕緣 層處于所述源電極層和漏電極層之上，并且與所述氧化物半導體層重疊，所述氧過量混合 區(qū)域處于所述具有缺陷的絕緣層和所述氧化物半導體層之間；對所述襯底加熱，從而使所 述氧化物半導體層內含有的氫或濕氣移動通過所述氧過量混合區(qū)域，并擴散到所述具有缺 陷的絕緣層內。
[0030] 在上述結構中，可以在形成處于所述具有缺陷的絕緣層