半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】在具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管中，抑制氫及氮移動(dòng)到氧化物半導(dǎo)體膜。此外，在使用具有氧化物半導(dǎo)體的晶體管的半導(dǎo)體裝置中，抑制電特性的變動(dòng)且提高可靠性。包括具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管及設(shè)置在該晶體管上的氮化絕緣膜，并且通過(guò)熱脫附譜分析法從該氮化絕緣膜釋放出的氫分子量小于5×1021分子/cm3，優(yōu)選小于或等于3×1021分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于1×1021分子/cm3，并且通過(guò)熱脫附譜分析法從該氮化絕緣膜釋放出的氨分子量小于1×1022分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5×1021分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于1×1021分子/cm3。
【專利說(shuō)明】半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于以液晶顯示裝置及發(fā)光顯示裝置為代表的大部分的平板顯示器的晶體管使 用設(shè)置在玻璃襯底上的如非晶硅、單晶硅和多晶硅等硅半導(dǎo)體形成。此外，使用該硅半導(dǎo)體 而形成的晶體管被用于集成電路（IC)等。
[0003] 近年來(lái)，將呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性的金屬氧化物用于晶體管代替硅半導(dǎo)體的技術(shù)受到矚 目。注意，在本說(shuō)明書(shū)中，將呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性的金屬氧化物稱為氧化物半導(dǎo)體。
[0004] 例如，已公開(kāi)了如下技術(shù)，其中，使用氧化鋅或In-Ga-Zn類氧化物作為氧化物半 導(dǎo)體來(lái)制造晶體管，并且該晶體管被用作顯示裝置的像素的開(kāi)關(guān)元件等(參照專利文獻(xiàn)1 及2)。
[0005] 此外，已經(jīng)指出，特別是在氧化物半導(dǎo)體中氫是載流子的供應(yīng)源。因此，需要采取 某些措施以防止在形成氧化物半導(dǎo)體時(shí)氫混入到氧化物半導(dǎo)體。并且，通過(guò)減少包含在氧 化物半導(dǎo)體膜或接觸于氧化物半導(dǎo)體的柵極絕緣膜中的氫量，抑制閾值電壓的變動(dòng)（參照 專利文獻(xiàn)3)。
[0006] 此外，水是氫的供應(yīng)源。由此，通過(guò)在具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管上設(shè)置具有阻 擋水的功能的氮化硅膜，可以防止水從外部侵入到氧化物半導(dǎo)體膜。
[0007] [參考文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)1]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)第2007-123861號(hào)公報(bào) [專利文獻(xiàn)2]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)第2007-096055號(hào)公報(bào) [專利文獻(xiàn)3]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)第2009-224479號(hào)公報(bào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 但是，與氫同樣地，氮成為載流子的供應(yīng)源。由此，當(dāng)包含在氮化硅膜中的氮侵入 到氧化物半導(dǎo)體膜時(shí)，發(fā)生具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性的變動(dòng)，典型地是，發(fā)生 閾值電壓的負(fù)向漂移。此外，有晶體管之間的電特性偏差的問(wèn)題。
[0009] 由此，本發(fā)明的一個(gè)方式的目的是在具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管中抑制氫及氮 移動(dòng)到氧化物半導(dǎo)體膜中。本發(fā)明的一個(gè)方式的其他目的是在使用具有氧化物半導(dǎo)體的晶 體管形成的半導(dǎo)體裝置中抑制電特性的變動(dòng)且提高可靠性。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)方式包括具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管以及設(shè)置在該晶體管上的 氮化絕緣膜，并且，通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放出的氫分子量小于5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選 小于或等于3 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3，并且，通過(guò)加熱從氮化 絕緣膜釋放出的氨分子量小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5 X IO21分子/cm3,更優(yōu)選 小于或等于IX IO21分子/cm3。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)方式包括柵電極、隔著柵極絕緣膜重疊于柵電極的一部分的氧化 物半導(dǎo)體膜、接觸于氧化物半導(dǎo)體膜的一對(duì)電極、以及設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體膜上的氮化絕 緣膜。通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放出的氫分子量小于5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選小于或等于 3 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3，并且，通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放 出的氨分子量小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于 IXlO21 分子 /cm3。
[0012] 本發(fā)明的另一個(gè)方式在具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管中包括氮化絕緣膜作為柵 極絕緣膜。通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放出的氫分子量小于5 X IO21分子/cm3,優(yōu)選小于或等 于3 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3，并且，通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋 放出的氨分子量小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等 于 IXlO21 分子/cm3。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)方式包括氧化物半導(dǎo)體膜、接觸于氧化物半導(dǎo)體膜的一對(duì)電極、 至少設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體膜上的柵極絕緣膜、以及隔著柵極絕緣膜重疊于氧化物半導(dǎo)體膜 的一部分的柵電極。柵極絕緣膜具有氮化絕緣膜。通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放出的氫分子 量小于5 X IO21分子/cm3,優(yōu)選小于或等于3 X IO21分子/cm3,更優(yōu)選小于或等于I X IO21分 子/cm3，并且，通過(guò)加熱從氮化絕緣膜釋放出的氨分子量小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或 等于5 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3。
[0014] 通過(guò)加熱釋放小于5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選小于或等于3 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小 于或等于I X IO21分子/cm3的氫分子、以及小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5 X IO21分子/cm3,更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氨分子的氮化絕緣膜被設(shè)置在具有氧化 物半導(dǎo)體膜的晶體管上，由此可以減少?gòu)牡^緣膜向氧化物半導(dǎo)體膜移動(dòng)的氫量及氮 量。此外，可以抑制包含在水中的氫從外部侵入到氧化物半導(dǎo)體膜。
[0015] 此外，作為具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的柵極絕緣膜，設(shè)置通過(guò)加熱釋放小于 5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選小于或等于3 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氫分子、以及小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或等于5 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等 于IX IO21分子/cm3的氨分子的氮化絕緣膜，由此可以減少?gòu)牡^緣膜向氧化物半導(dǎo)體 膜移動(dòng)的氫量及氮量。此外，可以抑制包含在水中的氫從外部侵入到氧化物半導(dǎo)體膜。
[0016] 通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性的變動(dòng)被抑制， 由此可以提高可靠性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 在附圖中： 圖IA和IB是說(shuō)明晶體管的一個(gè)方式的圖； 圖2A至2D是說(shuō)明晶體管的制造方法的一個(gè)方式的截面圖； 圖3A和3B是說(shuō)明晶體管的一個(gè)方式的圖； 圖4A至4D是說(shuō)明晶體管的制造方法的一個(gè)方式的截面圖； 圖5是說(shuō)明晶體管的一個(gè)方式的截面圖； 圖6A和6B是說(shuō)明晶體管的一個(gè)方式的圖； 圖7A和7B是說(shuō)明晶體管的一個(gè)方式的圖； 圖8A至8C是說(shuō)明顯示裝置的一個(gè)方式的俯視圖； 圖9A和9B是說(shuō)明顯示裝置的一個(gè)方式的截面圖； 圖10是說(shuō)明顯示裝置的一個(gè)方式的截面圖； 圖IlA至IlC是說(shuō)明顯示裝置的一個(gè)方式的截面圖； 圖12A和12B是說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的一個(gè)方式的圖； 圖13A至13C都說(shuō)明電子設(shè)備； 圖14A至14C說(shuō)明電子設(shè)備； 圖15A和15B都說(shuō)明樣品的結(jié)構(gòu)； 圖16A至16C示出TDS分析結(jié)果； 圖17A和17B示出TDS分析結(jié)果； 圖18A和18B示出TDS分析結(jié)果； 圖19A和19B示出TDS分析結(jié)果； 圖20A至20C都示出晶體管的Vg-Id特性； 圖21A至21C都示出晶體管的Vg-Id特性； 圖22A至22C都示出晶體管的Vg-Id特性； 圖23示出從氮化硅膜的氫分子的釋放量及氨分子的釋放量、以及晶體管的Vg-Id特 性。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，本發(fā)明不局限于以下說(shuō)明，而 所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員可以很容易地理解一個(gè)事實(shí)就是其方式及詳細(xì)內(nèi)容在不脫 離本發(fā)明的宗旨及其范圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被 解釋為僅限定在下面的實(shí)施方式及實(shí)施例所記載的內(nèi)容中。另外，在下面的實(shí)施方式及實(shí) 施例中，在不同的附圖中使用相同的附圖標(biāo)記或相同的陰影線表示相同部分或具有相同功 能的部分，而省略反復(fù)說(shuō)明。
[0019] 注意，在本說(shuō)明書(shū)所說(shuō)明的各附圖中，為了明確起見(jiàn)，有時(shí)夸大表示各構(gòu)成要素的 尺寸、膜的厚度或區(qū)域。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式并不一定限定于這些尺度。
[0020] 注意，本說(shuō)明書(shū)中的如"第一"、"第二"、"第三"等序數(shù)詞是為了避免構(gòu)成要素的混 同而使用的，在數(shù)目方面上這些序數(shù)詞并不限定構(gòu)成要素。因此，例如，"第一"可以適當(dāng)?shù)?調(diào)換為"第二"或"第三"等。
[0021] 例如，當(dāng)電路工作中的電流方向變化時(shí)，"源極"及"漏極"的功能有時(shí)互相調(diào)換。 因此，在本說(shuō)明書(shū)中，用語(yǔ)"源極"及"漏極"分別可以被用來(lái)定義漏極及源極。
[0022] 另外，電壓是指兩個(gè)點(diǎn)之間的電位差，電位是指在靜電場(chǎng)中的某一點(diǎn)的單位電荷 的靜電能（電位能量）。注意，一般來(lái)說(shuō)，某一點(diǎn)的電位與標(biāo)準(zhǔn)電位(例如，接地電位）之間 的電位差簡(jiǎn)單地被稱為電位或電壓，在很多的情況下，電位和電壓被用作同義詞。因此，在 本說(shuō)明書(shū)中，除了特別指定的情況以外，電位可換稱為電壓，電壓可換稱為電位。
[0023] 此外，具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管是n溝道型晶體管；因此，在本說(shuō)明書(shū)中，將 被認(rèn)為當(dāng)柵電壓為OV時(shí)漏電流不流過(guò)的晶體管定義為具有常截止（normally-off)特性 的晶體管。與此相反，將被認(rèn)為當(dāng)柵電壓為OV時(shí)漏電流流過(guò)的晶體管定義為具有常導(dǎo)通 (normally-on)特性的晶體管。
[0024] 實(shí)施方式1 在本實(shí)施方式中，參照【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置及該半導(dǎo)體裝置的制 造方法。
[0025] 圖IA和IB示出半導(dǎo)體裝置所具有的晶體管1的俯視圖及截面圖。圖IA是晶體 管1的俯視圖，圖IB是沿著圖IA的點(diǎn)劃線A-B的截面圖。注意，在圖IA中，為了簡(jiǎn)化，省 略襯底11、晶體管1的構(gòu)成要素的一部分(例如，柵極絕緣膜18)、絕緣膜23、氮化絕緣膜25 等。
[0026] 圖IA和IB所示的晶體管1包括設(shè)置在襯底11上的柵電極15、形成在襯底11及 柵電極15上的柵極絕緣膜18、隔著柵極絕緣膜18重疊于柵電極15的氧化物半導(dǎo)體膜19、 以及接觸于氧化物半導(dǎo)體膜19的一對(duì)電極21。包括絕緣膜23及氮化絕緣膜25的保護(hù)膜 26形成在柵極絕緣膜18、氧化物半導(dǎo)體膜19及一對(duì)電極21上。
[0027] 通過(guò)熱脫附譜分析法（TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))，本實(shí)施方式中 的設(shè)置在晶體管1上的氮化絕緣膜25釋放小于5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選小于或等于3 X IO21分子/cm3,更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氫分子、以及小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選 小于或等于5 X IO21分子/cm3，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氨分子。從氮化絕緣 膜25釋放出的氫的分子量以及氮的供應(yīng)源的氨的分子量少；因此，向晶體管1中的氧化物 半導(dǎo)體膜19移動(dòng)的氫量及氮量少。
[0028] 包含在氧化物半導(dǎo)體膜19中的氫與鍵合于金屬原子的氧起反應(yīng)而構(gòu)成水，并且 缺陷形成在氧脫離的晶格(或氧脫離的部分）中。另外，氫的一部分與氧起反應(yīng)而產(chǎn)生作為 載流子的電子。此外，包含在氧化物半導(dǎo)體膜19中的氮與金屬元素或氧起反應(yīng)而產(chǎn)生作為 載流子的電子。其結(jié)果是，具有氧化物半導(dǎo)體膜19的晶體管有容易成為常導(dǎo)通型的趨向。 由此，通過(guò)盡可能減少氧化物半導(dǎo)體膜19中的氫及氮，可以抑制閾值電壓的負(fù)向漂移并可 以減少電特性的偏差。此外，可以減小晶體管的源極和漏極之間的泄漏電流，典型地是截止 態(tài)電流（off-state current)〇
[0029] 通過(guò)熱脫附譜分析法釋放小于5 X IO21分子/cm3，優(yōu)選小于或等于3 X IO21分子/ cm3,更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氫分子以及小于I X IO22分子/cm3，優(yōu)選小于或 等于5 X IO21分子/cm3的氨分子，更優(yōu)選小于或等于I X IO21分子/cm3的氮化絕緣膜設(shè)置 在晶體管1上，由此可以減少?gòu)牡^緣膜向氧化物半導(dǎo)體膜19移動(dòng)的氫量及氨量，并且 可以降低氧化物半導(dǎo)體膜19中的氫及氮的濃度。此外，氮化絕緣膜25設(shè)置在晶體管1上； 因此，可以抑制水從外部侵入到氧化物半導(dǎo)體膜19。換言之，可以抑制包含在水中的氫侵 入到氧化物半導(dǎo)體膜19。其結(jié)果是，可以抑制閾值電壓的負(fù)向漂移并可以減少電特性的偏 差。此外，可以降低晶體管的源極和漏極之間的泄漏電流，典型地是截止態(tài)電流。
[0030] 作為氮化絕緣膜25,可以使用厚度為大于或等于50nm且小于或等于200nm的氮化 硅、氮氧化硅、氮化鋁、氮氧化鋁等。此外，在本說(shuō)明書(shū)中，"氧氮化硅膜"是指具有比氮多的 氧的膜，"氮氧化硅膜"是指具有比氧多的氮的膜。此外，"氧氮化鋁膜"是指具有比氮多的 氧的膜。"氮氧化鋁膜"是指具有比氧多的氮的膜。
[0031] 在此，以下說(shuō)明利用熱脫附譜分析法（以下稱為TDS分析）的所釋放的氫分子及氨 分子量的測(cè)量方法。
[0032] TDS分析中的所釋放的氣體量與譜的積分值成比例。因此，根據(jù)絕緣膜的譜的積分 值和標(biāo)準(zhǔn)樣品的基準(zhǔn)值之間的比例可以計(jì)算出釋放氣體的量。標(biāo)準(zhǔn)樣品的基準(zhǔn)值是指包含 在樣品中的預(yù)定原子的密度和譜的積分值的比例。
[0033] 例如，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)樣品的包含預(yù)定密度的氫的硅片的TDS分析結(jié)果以及絕緣膜 的TDS分析結(jié)果根據(jù)算式1可以算出從絕緣膜釋放的氫分子量（NH2)。在此，由TDS分析得 到的質(zhì)量數(shù)2的所有譜被假設(shè)為源自氫分子。此外，不加考慮質(zhì)量數(shù)1以外的氫原子的同 位素，因?yàn)樵谧匀唤缰羞@種分子的存在比例極微量。
[0034] [算式 1]

【權(quán)利要求】
1. 一種半導(dǎo)體裝置，包括： 柵電極； 隔著柵極絕緣膜重疊于所述柵電極的一部分的氧化物半導(dǎo)體膜； 接觸于所述氧化物半導(dǎo)體膜的一對(duì)電極；以及 所述氧化物半導(dǎo)體膜上的氮化絕緣膜， 其中，通過(guò)加熱，所述氮化絕緣膜釋放小于5X1021分子/cm3的氫分子及小于1X1022 分子/cm3的氨分子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述一對(duì)電極夾在所述柵極絕緣膜與所 述氧化物半導(dǎo)體膜之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述一對(duì)電極夾在所述氧化物半導(dǎo)體膜 與所述氮化絕緣膜之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中平坦化膜在于所述氮化絕緣膜上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述平坦化膜為有機(jī)樹(shù)脂。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中氧化絕緣膜夾在所述氧化物半導(dǎo)體膜與 所述氮化絕緣膜之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中氧含量超過(guò)化學(xué)計(jì)量組成的氧化絕緣膜 夾在所述氧化物半導(dǎo)體膜與所述氮化絕緣膜之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化絕緣膜為氧化硅或氧氮化硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氮化絕緣膜為氮化硅或氮氧化硅。
10. -種半導(dǎo)體裝置，包括： 氧化物半導(dǎo)體膜； 接觸于所述氧化物半導(dǎo)體膜的一對(duì)電極； 所述氧化物半導(dǎo)體膜上的柵極絕緣膜；以及 所述柵極絕緣膜上的柵電極， 其中，所述柵極絕緣膜包括氮化絕緣膜， 并且，通過(guò)加熱，所述氮化絕緣膜釋放小于5X1021分子/cm3的氫分子及小于1X1022 分子/cm3的氨分子。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述一對(duì)電極夾在所述氧化物半導(dǎo)體 膜與所述氮化絕緣膜之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中氧化絕緣膜夾在所述氧化物半導(dǎo)體膜 與所述氮化絕緣膜之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中氧含量超過(guò)化學(xué)計(jì)量組成的氧化絕緣 膜夾在所述氧化物半導(dǎo)體膜與所述氮化絕緣膜之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化絕緣膜為氧化硅或氧氮化硅。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氮化絕緣膜為氮化硅或氮氧化硅。
16. -種半導(dǎo)體裝置，包括： 柵電極； 隔著柵極絕緣膜重疊于所述柵電極的一部分的氧化物半導(dǎo)體膜； 接觸于所述氧化物半導(dǎo)體膜的一對(duì)電極；以及 所述氧化物半導(dǎo)體膜上的絕緣膜， 其中，所述柵極絕緣膜和所述絕緣膜中的至少一個(gè)包括通過(guò)熱脫附譜分析法釋放小于 1X1021分子/cm3的氫分子及小于1X1021分子/cm3的氨分子的氮化絕緣膜。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述一對(duì)電極夾在所述柵極絕緣膜與 所述氧化物半導(dǎo)體膜之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化物半導(dǎo)體膜夾在所述一對(duì)電 極與所述柵極絕緣膜之間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氮化絕緣膜為氮化硅或氮氧化硅。
【文檔編號(hào)】H05B33/22GK104380444SQ201380034567
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】佐佐木俊成, 羽持貴士, 宮本敏行, 野村昌史, 肥塚純一, 岡崎健一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所