专利名称：半导体装置及半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。注意，本说明书中的半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
背景技术：
通过利用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜来形成晶体管(也称为薄膜晶体管TFT))的技术引人注目。该晶体管被广泛地应用于如集成电路(IC)或图像显示装置(显示装置)等的电子设备。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体材料被广泛地周知。此外，作为其他材料氧化物半导体受到关注。例如，已经公开了一种使用包含铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的非晶(amorphous)氧化物(In-Ga-Zn-O类非晶氧化物)的半导体层的晶体管(参照专利文献I)。[专利文献I]日本专利申请公开2011-181801号公报另外，为了实现商品化，需要提高具有使用氧化物半导体的晶体管的半导体装置的可靠性。
另外，半导体装置包括复杂地层叠的多个薄膜，并且利用各种材料、方法及工序制造。因此，制造工序会导致所得到的半导体装置的形状不良或电特性劣化。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个方式的目的之一是提供具有使用氧化物半导体的晶体管且可靠性高的半导体装置。本发明的一个方式的另一个目的之一是通过提高可靠性高的半导体装置的成品率来提高生产率。在具有底栅结构的反交错(inverted staggered)晶体管的半导体装置中，防止由形成金属层(栅电极层或源电极层及漏电极层)的蚀刻工序残留的残留物污染氧化物半导体膜或栅电极层表面及其附近。在形成栅电极层或源电极层及漏电极层等金属层的蚀刻工序中，蚀刻材料(蚀刻气体或蚀刻溶液)的残留物残留在金属层表面或氧化物半导体膜表面及其附近。上述残留物会导致晶体管的电特性的降低或变动如栅极绝缘膜对电压的耐受性的降低或泄漏电流。残留物包括蚀刻材料(蚀刻气体或蚀刻溶液)、被进行加工的金属层、包含在暴露于蚀刻材料的氧化物半导体膜中的元素以及该元素的化合物。例如，在形成栅电极层或源电极层及漏电极层等金属层的蚀刻工序中适当地使用包含卤素的气体，此时，残留物是卤素类杂质(卤素或卤化物)。作为残留物，例如可以举出氯、氟、硼、磷、铝、铁或碳等。另外，残留物有时含有包含在氧化物半导体膜中的金属元素(例如，铟、镓或锌)等。在本说明书所公开的发明的结构的一个方式中，在形成源电极层及漏电极层之后，进行去除源电极层与漏电极层之间的氧化物半导体膜表面及其附近的残留物的工序(残留物去除工序)。在本说明书所公开的发明的结构的另一个方式中，在形成栅电极层之后，进行去除栅电极层表面的残留物的工序(残留物去除工序)。上述残留物去除工序可以通过使用水或碱性溶液的处理或者等离子体处理进行。具体而言，可以适当地采用使用水或TMAH(TetraMethyl Ammonium Hydroxide :四甲基氢氧化铵)溶液的处理或者使用氧、一氧化二氮或稀有气体(典型为氩)的等离子体处理。另夕卜，也可以进行使用稀释氢氟酸(氟化氢酸)的处理。由于可以防止氧化物半导体膜或栅电极层表面及其附近被残留物污染，所以可以在具有底栅结构的反交错晶体管的半导体装置中将氧化物半导体膜(或栅电极层)表面的残留物(典型为卤素(例如氯、氟)、硼、磷、铝、铁或碳)的面密度设定为lX1013atomS/Cm2以下(优选设定为lX1012atomS/Cm2以下)。另外，可以将氧化物半导体膜(或栅电极层)表面的残留物(典型为卤素(例如氯、氟)、硼、磷、铝、铁或碳)的浓度设定为5X1018atoms/cm3以下(优选设定为I X 1018atoms/cm3以下)。因此，可以提供包括使用氧化物半导体膜的具有稳定电特性的晶体管且可靠性高的半导体装置。另外，可以通过提高可靠性高的半导体装置的成品率来提高生产率。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置，包括绝缘表面上的栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及接触于与栅电极层重叠的氧化物半导体膜的区域并覆盖源电极层及漏电极层的绝缘膜，其中，氧化物半导体膜的表面与绝缘膜接触，并且，表面的齒素的面密度为I X 1013atoms/cm2以下。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置，包括绝缘表面上的栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及接触于与栅电极层重叠的氧化物半导体膜的区域并覆盖源电极层及漏电极层的绝缘膜，其中，栅电极层表面的卤素的面密度为lX1013atomS/cm2以下。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置，包括绝缘表面上的栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及接触于与栅电极层重叠的氧化物半导体膜的区域并覆盖源电极层及漏电极层的绝缘膜，其中，氧化物半导体膜的表面与绝缘膜接触，氧化物半导体膜的表面的卤素的面密度为lX1013atomS/Cm2以下，并且，栅电极层的表面的卤素的面密度为 I X 1013atoms/cm2 以下。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤在绝缘表面上形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；在氧化物半导体膜上形成导电膜；通过使用包含卤素的气体对导电膜进行蚀刻，来形成源电极层及漏电极层；以及对氧化物半导体膜进行残留物去除工序。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤在绝缘表面上形成导电膜；通过使用包含卤素的气体对导电膜进行蚀刻，来形成栅电极层；对栅电极层进行残留物去除工序；在对栅电极层进行残留物去除工序之后在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；以及在氧化物半导体膜上形成源电极层及漏电极层。本说明书所公开的发明的结构的一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤在绝缘表面上形成第一导电膜；通过使用包含卤素的气体对第一导电膜进行蚀亥IJ，来形成栅电极层；对栅电极层进行残留物去除工序；在对栅电极层进行残留物去除工序之后在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；在氧化物半导体膜上形成第二导电膜；通过使用包含卤素的气体对第二导电膜进行蚀刻，来形成源电极层及漏电极层；以及对氧化物半导体膜进行残留物去除工序。本发明的一个方式涉及一种半导体装置，该半导体装置具有晶体管或包括晶体管的电路。例如，本发明的一个方式涉及一种半导体装置，该半导体装置具有沟道形成区由氧化物半导体形成的晶体管或包括该晶体管的电路。例如，本发明的一个方式涉及LSI ；CPU ;安装在电源电路中的功率器件；包括存储器、晶闸管、转换器以及图像传感器等的半导体集成电路；以及作为部件安装有以液晶显示面板为代表的电光装置或具有发光元件的发光显示装置的电子设备。本发明的一个方式提供一种具有使用氧化物半导体的晶体管且可靠性高的半导体装置。另外，根据本发明的一个方式，通过提高可靠性高的半导体装置的成品率来提高
生产率。
图1A至图1E是说明半导体装置及半导体装置的制造方法的一个方式的截面`
图2A至图2E是说明半导体装置及半导体装置的制造方法的一个方式的截面图；图3A至图3F是说明半导体装置及半导体装置的制造方法的一个方式的截面图；图4A至图4C是说明半导体装置的一个方式的平面图；图5A和图5B是说明半导体装置的一个方式的平面图及截面图；图6A和图6B是示出半导体装置的一个方式的截面图；图7A和图7B是示出半导体装置的一个方式的电路图及截面图；图8A至图8C是示出电子设备的图；图9A至图9C是示出电子设备的图。
具体实施例方式下面，参照附图详细地说明本说明书所公开的发明的实施方式。但是，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是本说明书所公开的发明的方式及详细内容可以被变换为各种各样的形式而不局限于以下说明。并且，本说明书所公开的发明不应被看作仅限定于以下实施方式的描述内容。另外，为了方便起见附加了第一、第二等序数词，其并不表示工序顺序或叠层顺序。此外，本说明书中的序数词不表示特定发明的事项的固有名称。实施方式I在本实施方式中，参照图1A至图1E对半导体装置及半导体装置的制造方法的一个方式进行说明。在本实施方式中，作为半导体装置的一个例子示出包括具有氧化物半导体膜的晶体管的半导体装置。晶体管既可以采用形成一个沟道形成区的单栅结构，又可以采用形成两个沟道形成区的双栅(double-gate)结构，还可以采用形成三个沟道形成区的三栅(triple-gate)结构。此外，还可以采用在沟道形成区的上下隔着栅极绝缘膜设置有两个栅电极层的两栅(dual-gete)结构。图1E所示的晶体管440是底栅晶体管之一，该晶体管也被称为反交错晶体管。另夕卜，图1A至图1E是晶体管440的沟道长度方向的截面图。如图1E所示,包 括晶体管440的半导体装置在具有绝缘表面的衬底400上具有栅电极层401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、源电极层405a及漏电极层405b。另外，设置有覆盖晶体管440的绝缘膜407。用作氧化物半导体膜403的氧化物半导体优选至少包含铟(In)。尤其是优选包含In及锌(Zn)。此外，作为用来降低使用该氧化物半导体膜的晶体管的电特性偏差的稳定齐U，除了上述元素以外优选还包含镓(Ga)。此外，作为稳定剂优选包含锡(Sn)。另外，作为稳定剂优选包含铪(Hf)。此外，作为稳定剂优选包含铝(Al)。另外，作为稳定剂优选包含锆(Zr)。此外，作为其他稳定剂，也可以包含镧系元素的镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的一种或多种。例如，作为氧化物半导体可以使用氧化铟、氧化锡、氧化锌、In-Zn类氧化物、In-Mg类氧化物、In-Ga类氧化物、In-Ga-Zn类氧化物(也称为IGZ0)、In-Al-Zn类氧化物、In-Sn-Zn类氧化物、In-Hf-Zn类氧化物、In-La-Zn类氧化物、In-Ce-Zn类氧化物、In-Pr-Zn类氧化物、In-Nd-Zn类氧化物、In-Sm-Zn类氧化物、In-Eu-Zn类氧化物、In-Gd-Zn类氧化物、In-Tb-Zn类氧化物、In-Dy-Zn类氧化物、In-Ho-Zn类氧化物、In-Er-Zn类氧化物、In-Tm-Zn类氧化物、In-Yb-Zn类氧化物、In-Lu-Zn类氧化物、In-Sn-Ga-Zn类氧化物、In-Hf-Ga-Zn 类氧化物、In-Al-Ga-Zn 类氧化物、In-Sn-Al-Zn 类氧化物、In-Sn-Hf-Zn 类氧化物以及In-Hf-Al-Zn类氧化物。在此，例如，“In-Ga-Zn类氧化物”是指以In、Ga、Zn为主要成分的氧化物，对In、Ga、Zn的比率没有限制。另外，也可以含有In、Ga、Zn以外的金属元素。另外，作为氧化物半导体，也可以使用表示为InMO3(ZnO)m(m > 0且m不是整数)的材料。注意，M表不选自Ga、Fe、Mn和Co中的一种或多种金属兀素。此外，作为氧化物半导体，也可以使用表示为In2SnO5 (Zn0)n(n > 0且n是整数)的材料。例如，可以使用原子数比为In Ga Zn = I I I ( = 1/3 1/3 1/3)、In Ga Zn = 2 2 1( = 2/5 2/5 1/5)或 In : Ga : Zn = 3 :1 : 2 (=1/2 1/6 1/3)的In-Ga-Zn类氧化物或与其类似的组成的氧化物。或者，优选使用原子数比为 In Sn Zn = I I I ( = 1/3 1/3 1/3)、In Sn Zn = 2 I 3 (=1/3 1/6 1/2)或 In : Sn : Zn = 2 : 1:5(=1/4: 1/8 5/8)的 In-Sn-Zn 类氧化物或与其类似的组成的氧化物。但是，含有铟的氧化物半导体不局限于此，可以根据所需要的电特性(迁移率、阈值、偏差等)而使用适当的组成的材料。另外，优选采用适当的载流子浓度、杂质浓度、缺陷密度、金属元素及氧的原子数比、原子间距离以及密度等，以得到所需要的电特性。例如，In-Sn-Zn类氧化物比较容易得到高迁移率。但是，当使用In-Ga-Zn类氧化物时，也可以通过降低块体内缺陷密度而提高迁移率。在此,例如当In、Ga、Zn 的原子数比为 In : Ga : Zn = a : b : c (a+b+c = I)的氧化物的组成与原子数比为In Ga Zn = A B C(A+B+C = I)的氧化物的组成类似时，a、b、c满足(a-A) 2+(b-B)2+(c-C)2 Sr2的状态。1~例如可以为0.05。其他氧化物也是同样的。氧化物半导体膜403有可能处于单晶、多晶(polycrystal)或非晶等状态。氧化物半导体膜403 优选为 CAAC-OS(C Axis Aligned CrystallineOxideSemiconductor c轴取向结晶氧化物半导体)膜。CAAC-OS膜不是完全的单晶，也不是完全的非晶。CAAC-OS膜是在非晶相中具有结晶部及非晶部的结晶-非晶混合相结构的氧化物半导体膜。另外，一般该结晶部的尺寸为能够容纳于一个边长小于IOOnm的立方体内的尺寸。在使用透射电子显微镜(TEM:TransmissionElectron Microscope)观察时的图像中，包含于CAAC-0S膜中的非晶部与结晶部的边界未必明确。另外，在CAAC-OS膜中利用TEM观察不到晶界(grain boundary)。因此，在CAAC-OS膜中，起因于晶界的电子迁移率的降低得到抑制。包含于CAAC-OS膜中的结晶部的c轴在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法线向量或CAAC-OS膜的表面的法线向量的方向上一致，在从垂直于ab面的方向看时具有三角形或六角形的原子排列，且在从垂直于 c轴的方向看时，金属原子排列为层状或者金属原子和氧原子排列为层状。另外，不同结晶部的a轴及b轴的方向也可以彼此不同。在本说明书中，在只记载“垂直”时，包括85°以上且95°以下的范围。另外，当只记载“平行”时，包括-5°以上且5°以下的范围。另外，构成氧化物半导体膜的氧的一部分也可以用氮取代。另外，在CAAC-OS膜中，结晶部的分布也可以不均匀。例如，在CAAC-OS膜的形成过程中，当从氧化物半导体膜的表面一侧进行结晶生长时，有时与被形成面附近相比表面附近的结晶部所占的比例更高。另外，通过对CAAC-OS膜添加杂质，有时在该杂质添加区中结晶部发生非晶化。由于包含于CAAC-OS膜中的结晶部的c轴在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法线向量或CAAC-OS膜的表面的法线向量的方向上一致，所以有时其根据CAAC-OS膜的形状(被形成面的截面形状或膜表面的截面形状)而朝向不同的方向。另外，结晶部的c轴方向是平行于形成CAAC-OS膜时的被形成面的法线向量或表面的法线向量的方向。结晶部是通过成膜或通过在成膜之后进行加热处理等的晶化处理而形成的。使用CAAC-OS膜的晶体管能够降低由可见光或紫外光的照射引起的电特性变动。因此，该晶体管的可罪性闻。另外，也可以用氮取代构成氧化物半导体膜的氧的一部分。另外，像CAAC-OS膜那样的具有结晶部的氧化物半导体可以进一步降低块体内缺陷，通过提高表面的平坦性，可以得到处于非晶状态的氧化物半导体的迁移率以上的迁移率。为了提高表面的平坦性，优选在平坦的表面上形成氧化物半导体，具体地，优选在平均面粗糙度(Ra)为Inm以下，优选为0. 3nm以下，更优选为0.1nm以下的表面上形成氧化物半导体。注意，Ra是将JIS B601 :2001 (IS04287 :1997)中定义的算术平均粗糙度扩大为三维以使其能够应用于曲面，可以以“将从基准面到指定面的偏差的绝对值平均而得的值”表示，以如下算式定义。[算式I]
权利要求
1.一种半导体装置，包括 包括绝缘表面的衬底； 所述绝缘表面上的栅电极层； 所述栅电极层上的栅极绝缘膜； 所述栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及 接触于与所述栅电极层重叠的所述氧化物半导体膜的区域的绝缘膜，该绝缘膜覆盖所述源电极层及所述漏电极层， 其中，残留物残留在所述氧化物半导体膜的表面上，该表面与所述绝缘膜接触， 并且，所述表面的所述残留物的面密度为lX1013atomS/Cm2以下。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述残留物是氯、氟、硼、磷、铝、铁或碳。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体膜具有结晶-非晶混合相结构。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述栅电极层包含钥、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕或钪。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述栅电极层包括包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、铟锡氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物、铟锌氧化物或包含氧化鹤的铟锌氧化物。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中与所述栅极绝缘膜接触的所述栅电极层包括包含氮的In-Ga-Zn类氧化物膜、包含氮的In-Sn类氧化物膜、包含氮的In-Ga类氧化物膜、包含氮的In-Zn类氧化物膜、包含氮的氧化锡膜、包含氮的氧化铟膜、InN或SnN。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述半导体装置是电光装置、半导体电路或电子设备。
8.一种半导体装置，包括 包括绝缘表面的衬底； 所述绝缘表面上的栅电极层； 所述栅电极层上的栅极绝缘膜； 所述栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及 接触于与所述栅电极层重叠的所述氧化物半导体膜的区域的绝缘膜，该绝缘膜覆盖所述源电极层及所述漏电极层， 其中，残留物残留在所述栅电极层的表面上， 并且，所述表面的所述残留物的面密度为lX1013atomS/Cm2以下。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述残留物是氯、氟、硼、磷、铝、铁或碳。
10.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体膜具有结晶-非晶混合相结构。
11.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述栅电极层包含钥、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕或钪。
12.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述栅电极层包括包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、铟锡氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物、铟锌氧化物或包含氧化鹤的铟锌氧化物。
13.根据权利要求8所述的半导体装置，其中与所述栅极绝缘膜接触的所述栅电极层包括包含氮的In-Ga-Zn类氧化物膜、包含氮的In-Sn类氧化物膜、包含氮的In-Ga类氧化物膜、包含氮的In-Zn类氧化物膜、包含氮的氧化锡膜、包含氮的氧化铟膜、InN或SnN。
14.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述半导体装置是电光装置、半导体电路或电子设备。
15.一种半导体装置，包括 包括绝缘表面的衬底； 所述绝缘表面上的栅电极层； 所述栅电极层上的栅极绝缘膜； 所述栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的源电极层及漏电极层；以及 接触于与所述栅电极层重叠的所述氧化物半导体膜的区域的绝缘膜，该绝缘膜覆盖所述源电极层及所述漏电极层， 其中，残留物残留在所述氧化物半导体膜的表面上及所述栅电极层的表面上，所述氧化物半导体膜的所述表面与所述绝缘膜接触， 所述氧化物半导体膜的所述表面的所述残留物的面密度为lX1013atomS/cm2以下， 并且，所述栅电极层的所述表面的所述残留物的面密度为lX1013atomS/Cm2以下。
16.根据权利要求15所述的半导体装置，其中所述残留物是氯、氟、硼、磷、铝、铁或碳。
17.根据权利要求15所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体膜具有结晶-非晶混合相结构。
18.根据权利要求15所述的半导体装置，其中所述栅电极层包含钥、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕或钪。
19.根据权利要求15所述的半导体装置，其中所述栅电极层包括包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、铟锡氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物、铟锌氧化物或包含氧化鹤的铟锌氧化物。
20.根据权利要求15所述的半导体装置，其中与所述栅极绝缘膜接触的所述栅电极层包括包含氮的In-Ga-Zn类氧化物膜、包含氮的In-Sn类氧化物膜、包含氮的In-Ga类氧化物膜、包含氮的In-Zn类氧化物膜、包含氮的氧化锡膜、包含氮的氧化铟膜、InN或SnN。
21.根据权利要求15所述的半导体装置，其中所述半导体装置是电光装置、半导体电路或电子设备。
全文摘要
本公开涉及半导体装置及半导体装置的制造方法。当制造具有层叠有栅电极层、栅极绝缘膜以及氧化物半导体膜并设置有与氧化物半导体膜接触的源电极层及漏电极层的晶体管的半导体装置时，在通过蚀刻工序形成栅电极层或源电极层及漏电极层之后，进行去除由蚀刻工序残留在栅电极层表面或氧化物半导体膜表面及其附近的残留物的工序。氧化物半导体膜或栅电极层的表面上的残留物的面密度可以为1×1013atoms/cm2以下。
文档编号H01L29/423GK103066112SQ201210401500
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者山崎舜平, 早川昌彦, 本田达也 申请人:株式会社半导体能源研究所