半导体装置制造方法
【专利摘要】提供一种包含氧化物半导体膜的具有稳定的电特性的晶体管。在该晶体管中，在能够通过加热释放氧的氧化膜上形成可以至少抑制从氧化膜释放氧的第一氧化物半导体膜。在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜。通过采用层叠有氧化物半导体膜的结构，可以当形成第二氧化物半导体膜时抑制从氧化膜释放氧，并且通过进行此后的热处理从氧化膜释放氧。因此，以氧能够透过第一氧化物半导体膜适当地供应到第二氧化物半导体膜。通过将氧供应到第二氧化物半导体膜，抑制氧缺陷而得到稳定的电特性。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及包含氧化物半导体的半导体装置。
[0002]注意，在本说明书中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性工作的所有装置，因此，晶体管、电光装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
【背景技术】
[0003]使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜构成晶体管的技术受到关注。该晶体管被广泛地应用于如集成电路(IC)及图像显示装置(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。但是，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。
[0004]例如，已公开了作为晶体管的活性层包含含有铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的非晶氧化物半导体膜的晶体管(参照专利文献I)。
[0005][专利文献I]日本专利申请公开2006-165528号公报
包含氧化物半导体膜的晶体管具有如下特征:与包含非晶硅膜的晶体管相比更高速工作(也可以说是场效应迁移率更高)，并且与包含多晶硅膜的晶体管相比更容易制造。
[0006]然而，包含氧化物半导体膜的晶体管被指出有几个问题，其中之一是晶体管的电特性的不稳定性。具体地说，由于可见光或紫外线的照射或偏压温度应力试验(BT应力试验)而使晶体管的阈值电压向负漂移，由此晶体管趋于常导通(normally-on)的问题被指出。该问题的原因之一是氧化物半导体膜中的氧缺陷。
[0007]例如，当氧化物半导体膜为非晶(amorphous )时，氧化物半导体膜中的金属原子与氧原子之间的结合状态没有秩序，所以容易导致氧缺陷。由此，有可能导致氧化物半导体膜的电特性(例如，电传导性)的变化。这种变化可造成晶体管的电特性变化，由此导致包含该晶体管的半导体装置的可靠性被降低。
[0008]另外，作为降低在氧化物半导体膜中产生的氧缺陷的方法之一例，可以举出将氧从形成在氧化物半导体膜附近的氧化膜等供应到该氧化物半导体膜来填充氧缺陷的方法等。然而，在形成氧化物半导体膜之前(换言之，在将氧供应到氧化物半导体膜之前)，因进行加热处理等而使形成在氧化物半导体膜附近的氧化膜等释放氧，不能将氧充分地供应到氧化物半导体膜。
【发明内容】
[0009]鉴于上述问题，本发明的一个方式的课题之一是提供一种包含氧化物半导体膜的具有稳定的电特性的晶体管。
[0010]在能够通过加热释放氧的氧化膜上形成可以至少抑制从氧化膜释放氧的第一氧化物半导体膜，并在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜。通过采用上述层叠有氧化物半导体膜的结构，可以当形成第二氧化物半导体膜时抑制从氧化膜释放氧，通过进行此后的热处理从氧化膜释放氧。因此，氧能够透过第一氧化物半导体膜适当地供应到第二氧化物半导体膜。通过将氧供应到第二氧化物半导体膜，抑制氧缺陷的产生而得到稳定的电特性。
[0011]另外，第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜是至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。由此，第二氧化物半导体膜形成在含有相同种类的材料的第一氧化物半导体膜上，而可以形成包括从与第一氧化物半导体膜的界面生长的结晶的膜。下面进行详细的说明。
[0012]本发明的一个方式是一种半导体装置，包括:第一氧化物半导体膜；以及在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0013]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；以及在与栅极绝缘膜接触并与第二氧化物半导体膜重叠的区域中形成的栅电极。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0014]注意，本说明书等中的含有率是指包含在各膜中的成分的比例。尤其是，在很多情况下是指第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜的含有率。
[0015]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；在与栅极绝缘膜接触并与第二氧化物半导体膜重叠的区域中形成的栅电极；在栅电极上形成的保护绝缘膜；在保护绝缘膜上形成的层间绝缘膜；以及形成在层间绝缘膜上并与第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0016]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；在与栅极绝缘膜接触并与第二氧化物半导体膜重叠的区域中形成的栅电极；在栅电极上形成的保护绝缘膜；在保护绝缘膜上形成的层间绝缘膜；在栅极绝缘膜、保护绝缘膜及层间绝缘膜中形成的第一开口及第二开口 ；以及填充在第一开口及第二开口中并与第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0017]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；在与栅极绝缘膜接触并与第二氧化物半导体膜重叠的区域中形成的栅电极；在与栅电极重叠的区域中形成的绝缘膜；在沟道长度方向的截面上，在栅电极及绝缘膜的侧面形成的侧壁绝缘膜；以与侧壁绝缘膜接触的方式形成并与第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极；以及至少在源电极及漏电极上形成的保护绝缘膜及层间绝缘膜。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0018]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；在与栅极绝缘膜接触并与第二氧化物半导体膜重叠的区域中形成的栅电极；在沟道长度方向的截面上，与第二氧化物半导体膜中的一个侧面接触的源电极及与第二氧化物半导体膜中的另一个侧面接触的漏电极；在栅电极中的一个侧面形成的第一导电膜；在栅电极中的另一个侧面形成的第二导电膜；在第一导电膜及第二导电膜的侧面形成的侧壁绝缘膜；以及至少在栅电极、源电极及漏电极上形成的保护绝缘膜及层间绝缘膜。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0019]在上述结构的任一个中，第一导电膜的至少一部分隔着栅极绝缘膜形成在源电极上，并且，第二导电膜的至少一部分隔着栅极绝缘膜形成在漏电极上。
[0020]如此，通过以与栅电极接触的方式形成第一导电膜及第二导电膜，可以设置隔着栅极绝缘膜与源电极及漏电极重叠的区域(也称为Lov区域)。由此，可以抑制随着微型化导致的导通电流的下降。
[0021]另外，本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括:在氧化膜上形成的第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上形成的第二氧化物半导体膜；在第二氧化物半导体膜上形成的栅极绝缘膜；在与栅极绝缘膜接触并覆盖第二氧化物半导体膜的上面及侧面的栅电极，在栅电极上形成的保护绝缘膜及层间绝缘膜；以及在沟道长度方向的截面上，在穿过层间绝缘膜、保护绝缘膜、栅极绝缘膜及第二氧化物半导体膜的开口部中，与第二氧化物半导体膜的侧面接触的源电极及漏电极。第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜各为至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比第二氧化物半导体膜小，且第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜大。
[0022]在上述各结构的任一个中优选的是，源电极及漏电极包括通过化学机械抛光处理而平坦化的表面。
[0023]当形成具有通过化学机械抛光处理而平坦化的表面的源电极及漏电极时不进行使用抗蚀剂掩模的蚀刻处理，所以当源电极及漏电极的沟道长度方向的宽度缩小时也可以准确地进行精密的加工。
[0024]在上述各结构的任一个中优选的是，第一氧化物半导体膜包括低电阻区及高电阻区，该高电阻区位于至少比第二氧化物半导体膜更靠外侧。
[0025]在第二氧化物半导体膜的外侧形成的第一氧化物半导体膜的高电阻区用作各晶体管之间的分离层。这样的结构可以抑制所相邻的晶体管电连接。
[0026]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，第二氧化物半导体膜包括沟道区及与沟道区接触的一对低电阻区。通过形成与第二氧化物半导体膜的沟道区接触的一对低电阻区，可以降低第二氧化物半导体膜与源电极及漏电极之间的接触电阻。
[0027]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，第二氧化物半导体膜在沟道宽度方向的双侧包括高电阻区。通过在第二氧化物半导体膜的沟道宽度方向的双侧形成高电阻区，可以抑制第二氧化物半导体膜中的寄生沟道的生成。
[0028]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，第一氧化物半导体膜中的镓的含有率等于或大于铟的含有率，并且，第二氧化物半导体膜中的铟的含有率大于镓的含有率。当第二氧化物半导体膜中的铟的含有率大于镓的含有率时，可以提高第二氧化物半导体膜的结晶性。
[0029]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，第一氧化物半导体膜使用原子数比为In:Ga:Zn=l:l:l或In:Ga: Zn=1: 3:2的氧化物形成，并且，第二氧化物半导体膜使用原子数比为In:Ga:Zn=3:1:2的氧化物形成。
[0030]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，第二氧化物半导体膜包括结晶部，并且，结晶部的c轴在平行于第二氧化物半导体膜的被形成面的法线向量的方向上一致。通过使第二氧化物半导体膜包括结晶部，来使第二氧化物半导体膜中的金属原子与氧原子的键合状态有序化，从而可以抑制氧缺陷。
[0031]另外，在上述各结构的任一个中优选的是，保护绝缘膜是氧化铝膜，并且，氧化铝的膜密度为3.2g/cm3以上。通过将上述氧化铝膜用作保护绝缘膜，可以得到不使氢、水分等杂质侵入到第二氧化物半导体膜或者不使氧脱离第二氧化物半导体膜的遮断效果。
[0032]本发明可以提供使用氧化物半导体膜的具有稳定的电特性的晶体管。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1A是示出半导体装置的一个方式的平面图，而图1B和图1C是示出半导体装置的一个方式的截面图；
图2A至图2D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图3A至图3D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图4A是示出半导体装置的一个方式的平面图，而图4B和图4C是示出半导体装置的一个方式的截面图；
图5A至图是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图6A至图6C是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图7A是示出半导体装置的一个方式的平面图，而图7B和图7C是示出半导体装置的一个方式的截面图；
图8A至图8D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图9A是示出半导体装置的制造工序的一个方式的平面图，而图9B和图9C是示出半导体装置的制造工序的一个方式的截面图；
图1OA是示出半导体装置的制造工序的一个方式的平面图，而图1OB和图1OC是示出半导体装置的制造工序的一个方式的截面图；
图1lA至图1lD是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图12A至12C是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图13A是示出半导体装置的一个方式的平面图，而图13B和图13C是示出半导体装置的一个方式的截面图；
图14A至图14D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图15A至图1?是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图16A至图16D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图17A和图17B是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图18A是示出半导体装置的一个方式的平面图，而图18B和图18C是示出半导体装置的一个方式的截面图；
图19A至图19D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图20A至图20D是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图21A至图21C是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图；
图22A至图22C是示出半导体装置的一个方式的截面图、平面图及电路图；
图23A和图23B是示出半导体装置的一个方式的电路图及透视图；
图24A是示出半导体装置的一个方式的截面图，而图24B是示出半导体装置的一个方式的平面图；
图25A和图25B是示出半导体装置的一个方式的电路图；
图26是示出半导体装置的一个方式的框图；
图27是示出半导体装置的一个方式的框图；
图28是示出半导体装置的一个方式的框图；
图29是示出溅射靶材的制造工序的流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面，参照附图对本说明书所公开的发明的实施方式进行详细说明。但是，本发明不局限于以下说明，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其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。
[0035]注意，为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、大小及范围等有时不表示实际上的位置、大小及范围等。因此，所公开的发明不一定局限于附图等所公开的位置、大小及范围等。
[0036]另外，本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等的序数词是为了避免构成要素的混淆而附记的，而不是用于在数目方面上进行限制。
[0037]另外，在本说明书等中，“上”或“下”不局限于构成要素的位置关系为“直接在XX之上”或“直接在XX之下”。例如，“栅极绝缘膜上的栅电极”不排除栅极绝缘膜与栅电极之间具有其它构成要素的情况。
[0038]另外，在本说明书等中，“电极”或“布线”不限定构成要素的功能。例如，有时将“电极”用作“布线”的一部分，反之亦然。再者，“电极”或“布线”还包括多个“电极”或“布线”形成为一体的情况等。
[0039]此外，在采用极性不同的晶体管的情况下或在电路工作中电流方向发生变化的情况等下，“源极”和“漏极”的功能有时互相调换。因此，在本说明书等中，可以互相调换使用“源极”和“漏极”。
[0040]另外，在本说明书等中，“电连接”包括通过“具有某种电作用的元件”连接的情况。这里，“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接对象间的电信号的收发，就对其没有特别的限制。例如，“具有某种电作用的元件”不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等的开关元件、电阻元件、电感器、电容器、具有其他各种功能的元件等。
[0041]实施方式I
在本实施方式中，参照图1A至1C、图2A至2D以及图3A至图3D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。
[0042]<半导体装置的结构例1>
图1A至图1C示出具有顶栅结构的晶体管的平面图及截面图作为半导体装置的一个例子。图1A是平面图，图1B相当于沿着图1A中的Xl-Yl的截面图，图1C相当于沿着图1A中的Vl-Wl的截面图。注意，在图1A中，为了避免变得复杂，省略半导体装置的构成要素的一部分(例如，栅极绝缘膜110等)。
[0043]图1A至图1C所示的半导体装置包括:氧化膜104 ;在氧化膜104上形成的第一氧化物半导体膜106 ;在第一氧化物半导体膜106上形成的第二氧化物半导体膜108 ;在第二氧化物半导体膜108上形成的栅极绝缘膜110 ;以及在与栅极绝缘膜110接触并与第二氧化物半导体膜108重叠的区域中形成的栅电极112。
[0044]另外，第一氧化物半导体膜106及第二氧化物半导体膜108各是至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，并且，第一氧化物半导体膜106中的镓的含有率比第二氧化物半导体膜108大。
[0045]另外，第一氧化物半导体膜106中的镓的含有率等于或大于铟的含有率。另外，第二氧化物半导体膜108中的铟的含有率大于镓的含有率。通过提高第二氧化物半导体膜108的铟的含有率，可以提高第二氧化物半导体膜108的结晶性。
[0046]如此，第一氧化物半导体膜106与第二氧化物半导体膜108层叠，并且第一氧化物半导体膜106与第二氧化物半导体膜108的组成不同。另外，第一氧化物半导体膜106可以抑制当形成第二氧化物半导体膜108时从氧化膜104释放的氧。
[0047]在此，考虑不形成第一氧化物半导体膜106的结构。此时，第二氧化物半导体膜108直接形成在氧化膜104上。例如，当在400°C等的温度下进行加热来形成第二氧化物半导体膜108时，在形成第二氧化物半导体膜108之前氧化膜104释放氧。其结果，在形成第二氧化物半导体膜108之后氧化膜104所释放的氧的量减少，不能够将氧充分地供应到第二氧化物半导体膜108。此外，当氧化膜104使用与第二氧化物半导体膜108不同的材料形成时，例如，当氧化膜104使用氧化硅膜形成时，有氧化膜104中含有的硅作为杂质混入到第二氧化物半导体膜108中而阻碍第二氧化物半导体膜108的晶化的担忧。
[0048]然而，通过采用本实施方式所示的结构，例如，通过在形成氧化膜104之后以低温度(例如室温以上且200°C以下)形成第一氧化物半导体膜106并以高温度(例如250°C以上且500°C以下，优选为300°C以上且400°C以下)形成第二氧化物半导体膜108，来可以由第一氧化物半导体膜106抑制从氧化膜104释放氧。另外，第二氧化物半导体膜108形成在使用相同种类的材料形成的第一氧化物半导体膜106上，所以混入到第二氧化物半导体膜108中的杂质没有或极少，从而可以形成包括从与第一氧化物半导体膜106的界面生长的结晶的氧化物半导体膜。
[0049]就是说，第一氧化物半导体膜106至少当形成第二氧化物半导体膜108时抑制从氧化膜104释放氧并用作第二氧化物半导体膜108的基底膜，从而可以提高第二氧化物半导体膜108的结晶性。另外，在形成第二氧化物半导体膜108之后，可以进行热处理等从氧化膜104释放氧并将该氧透过第一氧化物半导体膜106供应到第二氧化物半导体膜108。
[0050]如上所述，采用层叠有第一氧化物半导体膜106与第二氧化物半导体膜108的结构，具有抑制第二氧化物半导体膜108的氧缺陷的产生并提高第二氧化物半导体膜108的结晶性的优良效果。
[0051]第二氧化物半导体膜108的高结晶性，能够使第二氧化物半导体膜中的金属原子与氧原子的键合状态有序化，从而可以抑制氧缺陷的产生。另外，即使产生氧缺陷，也可以从氧化膜104供应氧而填充氧缺陷。
[0052]另外，在第一氧化物半导体膜106中，在与栅电极112重叠的区域及第二氧化物半导体膜108的外侧分别形成有高电阻区106a，并以相邻于与栅电极112重叠的区域的方式形成有一对低电阻区106b。另外，在第二氧化物半导体膜108中，在与栅电极112重叠的区域形成有沟道区108a，并以相邻于与栅电极112重叠的区域的方式形成有一对低电阻区108b。
[0053]另外，在第二氧化物半导体膜108的外侧形成的高电阻区106a用作各晶体管之间的分离层。这是为了例如有当采用在第二氧化物半导体膜108的外侧不设置高电阻区106a的结构时阻止相邻的晶体管电连接的缘故。
[0054]另外，也可以采用如下结构，包括:在栅电极112上形成的保护绝缘膜114 ;在保护绝缘膜114上形成的层间绝缘膜116 ;以及在层间绝缘膜116上形成并与第二氧化物半导体膜108电连接的源电极118a及漏电极118b。另外，由于源电极118a及漏电极118b与形成在第二氧化物半导体膜108中的一对低电阻区108b接触，所以可以降低接触电阻。
[0055]下面，对可以用于本发明的半导体装置的各构成要素进行详细说明。
[0056][衬底的详细说明]
虽然对可以用于衬底102的衬底没有特别的限制，但是至少需要具有能够承受后面的加热处理程度的耐热性。例如，可以使用钡硼硅酸盐玻璃或铝硼硅酸盐玻璃等玻璃衬底、陶瓷衬底、石英衬底、蓝宝石衬底等的衬底。此外，还可以应用由硅或碳化硅等构成的单晶半导体衬底或多晶半导体衬底、由硅锗等构成的化合物半导体衬底、SOI衬底等。
[0057][氧化膜的详细说明]
氧化膜104具有防止氢、水分等杂质元素从衬底102扩散的效果，可以使用选自氧化硅膜、氮氧化硅膜及氧氮化硅膜中的一种或多种膜的单层结构或叠层结构来形成。另外，作为氧化膜104的其他效果，优选具有将氧供应到后面形成的第一氧化物半导体膜106及第二氧化物半导体膜108中的效果。例如，当作为氧化膜104使用氧化硅膜时，可以通过对该氧化膜104进行加热使氧的一部分脱离,从而可以将氧供应到第一氧化物半导体膜106及第二氧化物半导体膜108中以填补第一氧化物半导体膜106及第二氧化物半导体膜108中的氧缺陷。
[0058]尤其是，优选在氧化膜104中含有至少超过化学计量组成的氧，例如，作为氧化膜104优选使用以Si02+a ( a > O)表示的氧化娃膜。通过将上述氧化娃膜用作氧化膜104,可以将氧供应到第一氧化物半导体膜106及第二氧化物半导体膜108中。
[0059][第一氧化物半导体膜的详细说明]
第一氧化物半导体膜106使用至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，从而可以使用In-Ga-Zn类氧化物(也称为IGZ0)。另外，In-Ga-Zn类氧化物是指包含In、Ga及Zn的氧化物，而也可以包含In、Ga及Zn之外的金属元素。例如,可以使用In-Sn-Ga-Zn类氧化物、In-Hf-Ga-Zn类氧化物及In-Al-Ga-Zn类氧化物。
[0060]另外，第一氧化物半导体膜106中的铟的含有率小于第二氧化物半导体膜108，且第一氧化物半导体膜106中的镓的含有率大于第二氧化物半导体膜108。另外，第一氧化物半导体膜106中的镓的含有率等于或大于铟的含有率。就是说，优选使用其含有率可表示为In≤Ga的组成的氧化物。例如，优选使用其原子数比为In:Ga:Zn=l:1:1或In:Ga:Zn=l:3:2的In-Ga-Zn类氧化物或其组成附近的氧化物。
[0061]另外，作为第一氧化物半导体膜106的形成方法,可以使用派射法、ALD (AtomicLayer Deposition:原子层沉积)法、蒸镀法或涂敷法等。另外，第一氧化物半导体膜106的厚度大于5nm且200nm以下，优选为IOnm以上且30nm以下。另外，第一氧化物半导体膜106处于单晶、多晶(polycrystalline,也称为polycrystal)或非晶等状态。 [0062][第二氧化物半导体膜的详细说明]
第二氧化物半导体膜108使用至少包含铟、镓及锌的氧化物膜，从而可以使用In-Ga-Zn类氧化物(也称为IGZ0)。另外，In-Ga-Zn类氧化物是指包含In、Ga及Zn的氧化物，而也可以包含In、Ga及Zn之外的金属元素。例如,可以使用In-Sn-Ga-Zn类氧化物、In-Hf-Ga-Zn类氧化物及In-Al-Ga-Zn类氧化物。
[0063]另外，第二氧化物半导体膜108中的铟的含有率大于第一氧化物半导体膜106，且第二氧化物半导体膜108中的镓的含有率小于第一氧化物半导体膜106。另外，第二氧化物半导体膜108中的铟的含有率大于镓的含有率。就是说，优选使用其含有率可表示为In >Ga的组成的氧化物。例如，可以使用其原子数比为In:Ga:Zn=3:1:2或In:Ga:Zn=2:1:3的In-Ga-Zn类氧化物或其组成附近的氧化物。
[0064]另外，作为形成第二氧化物半导体膜108的方法，可以利用溅射法、ALD法、蒸镀法、涂敷法等。另外，第二氧化物半导体膜108的厚度大于5nm且200nm以下，优选为IOnm以上且30nm以下。另外，第二氧化物半导体膜108优选采用具有单晶、多晶(polycrystalline,也称为polycrystal)或微晶等结晶性的结构。
[0065]另外，优选第二氧化物半导体膜108 是 CAAC-0S (C Axis Aligned CrystallineOxide Semiconductor:c轴取向结晶氧化物半导体)膜。CAAC-0S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的结晶-非晶混合相结构的氧化物半导体膜。另外，在很多情况下该结晶部的尺寸为能够容纳于一个边长小于IOOnm的立方体的尺寸。另外，在使用透射电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscope)观察时的图像中，包括在CAAC-OS膜中的非结晶部与结晶部的边界不明确。并且，在CAAC-OS膜中利用TEM观察不到晶界(也称为晶粒边界(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。
[0066]包括在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，在不同结晶部之间，a轴及b轴的方向可以分别不同。在本说明书中，当只记载“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。
[0067]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，相比于一些情况，在从氧化物半导体膜的表面一侧进行结晶生长时，有时在氧化物半导体膜的表面附近结晶部所占的比例较高。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被非晶化。
[0068]因为包括在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表面的法线向量的方向上一致，所以有时根据CAAC-OS膜的形状(被形成面的截面形状或表面的截面形状)朝向彼此不同的方向。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。结晶部通过进行成膜或进行成膜之后的加热处理等的晶化处理来形成。
[0069]使用CAAC-OS膜的晶体管由可见光或紫外光照射引起的晶体管的电特性的变动小。另外，可以抑制阈值的变动及偏差。因此，该晶体管的可靠性高。
[0070]另外，结晶部或具有结晶性的氧化物半导体可以进一步降低块体内缺陷。再者，通过提高结晶部或具有结晶性的氧化物半导体膜表面的平坦性，使用该氧化物半导体的晶体管可以得到使用处于非晶状态的氧化物半导体的晶体管的场效应迁移率以上的场效应迁移率。为了提高氧化物半导体膜表面的平坦性，优选在平坦的表面上形成氧化物半导体，具体地，在平均面粗糙度(Ra)为0.15nm以下，优选为0.1nm以下的表面上形成氧化物半导体。
[0071]注意，Ra是将JIS B0601中定义的算术平均粗糙度扩大为三维以使其能够应用于面，可以将它表示为“将从基准面到指定面的偏差的绝对值平均而得的值”，以如下算式定义。
[0072][算式1]
【权利要求】
1.一种半导体装置，包括: 第一氧化物半导体膜；以及 所述第一氧化物半导体膜上的第二氧化物半导体膜， 其中，所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜分别包含铟、镓及锌， 并且，所述第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比所述第二氧化物半导体膜小，而所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比所述第二氧化物半导体膜大。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一氧化物半导体膜包括低电阻区及高电阻区，该高电阻区处于所述第二氧化物半导体膜的外侧。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜包括沟道区及与所述沟道区接触的一对低电阻区。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜的沟道宽度方向上的两端部包括高电阻区。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率为铟的含有率以上。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜中的铟的含有率大于镓的含有率。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜包括c轴在平行于所述第二氧化物半导体膜被形成的表面的法线向量的方向上一致的结晶部。
8.一种半导体装置，包括: 氧化膜上的第一氧化物半导体膜； 所述第一氧化物半导体膜上的第二氧化物半导体膜； 所述第二氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜；以及 隔着所述栅极绝缘膜形成在所述第二氧化物半导体膜上的栅电极， 其中，所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜分别包含铟、镓及锌， 并且，所述第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比所述第二氧化物半导体膜小，而所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比所述第二氧化物半导体膜大。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，还包括: 所述栅电极上的保护绝缘膜； 所述保护绝缘膜上的层间绝缘膜；以及 形成在所述层间绝缘膜上并与所述第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极。
10.根据权利要求8所述的半导体装置，还包括: 所述栅电极上的保护绝缘膜； 所述保护绝缘膜上的层间绝缘膜； 设置在所述栅极绝缘膜、所述保护绝缘膜及所述层间绝缘膜中的第一开口及第二开口 ；以及 填充在所述第一开口及所述第二开口中并与所述第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极。
11.根据权利要求8所述的半导体装置，还包括: 所述栅电极上的保护绝缘膜及层间绝缘膜，形成在所述栅极绝缘膜、所述保护绝缘膜、所述层间绝缘膜及所述第二氧化物半导体膜中的第一开口及第二开口 ；以及 填充在所述第一开口及所述第二开口中并与所述第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极， 其中，所述栅电极隔着所述栅极绝缘膜覆盖所述第二氧化物半导体膜的顶面及侧面。
12.根据权利要求9所述的半导体装置，其中，所述源电极及所述漏电极分别包括通过化学机械抛光处理而平坦化的表面。
13.根据权利要求10所述的半导体装置，其中，所述源电极及所述漏电极分别包括通过化学机械抛光处理而平坦化的表面。
14.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，所述源电极及所述漏电极分别包括通过化学机械抛光处理而平坦化的表面。
15.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第一氧化物半导体膜包括低电阻区及高电阻区，该高电阻区处于所述第二氧化物半导体膜的外侧。
16.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜包括沟道区及与所述沟道区接触的一对低电阻区。
17.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜的沟道宽度方向上的两端部包括高电阻区。
18.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率为铟的含有率以上。
19.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜中的铟的含有率大于镓的含有率。
20.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜包括c轴在平行于所述第二氧化物半导体膜被形成的表面的法线向量的方向上一致的结晶部。
21.根据权利要求9所述的半导体装置，其中，所述保护绝缘膜是具有3.2g/cm3以上的膜密度的氧化铝膜。
22.根据权利要求10所述的半导体装置，其中，所述保护绝缘膜是具有3.2g/cm3以上的膜密度的氧化铝膜。
23.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，所述保护绝缘膜是具有3.2g/cm3以上的膜密度的氧化铝膜。
24.—种半导体装置，包括: 氧化膜上的第一氧化物半导体膜； 所述第一氧化物半导体膜上的第二氧化物半导体膜； 所述第二氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜； 隔着所述栅极绝缘膜形成在所述第二氧化物半导体膜上的栅电极； 所述栅电极上的绝缘膜； 沿着所述栅电极的侧面及所述绝缘膜的侧面的侧壁绝缘膜； 形成在所述侧壁绝缘膜上并与所述第二氧化物半导体膜电连接的源电极及漏电极；以及 所述源电极及所述漏电极上的保护绝缘膜及层间绝缘膜，其中，所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜分别包含铟、镓及锌， 并且，所述第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比所述第二氧化物半导体膜小，而所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比所述第二氧化物半导体膜大。
25.—种半导体装置，包括: 氧化膜上的第一氧化物半导体膜； 所述第一氧化物半导体膜上的第二氧化物半导体膜； 所述第一氧化物半导体膜的顶面上的源电极及漏电极； 所述第二氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜；以及 隔着所述栅极绝缘膜形成在所述第二氧化物半导体膜上的栅电极， 其中，所述第二氧化物半导体膜是在所述源电极及所述漏电极之间并与所述源电极及所述漏电极电连接， 所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜分别包含铟、镓及锌， 并且，所述第一氧化物半导体膜中的铟的含有率比所述第二氧化物半导体膜小，而所述第一氧化物半导体膜中的镓的含有率比所述第二氧化物半导体膜大。
26.根据权利要求2 5所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体膜与所述源电极及所述漏电极位于同一平面上。
27.根据权利要求25所述的半导体装置，还包括: 沿着所述栅电极中的一个侧面的第一导电膜； 沿着所述栅电极中的另一个侧面的第二导电膜； 所述第一导电膜及所述第二导电膜上的侧壁绝缘膜；以及 所述栅电极、所述源电极及所述漏电极上的保护绝缘膜及层间绝缘膜。
28.根据权利要求27所述的半导体装置， 其中，所述第一导电膜隔着所述栅极绝缘膜在所述源电极上， 并且，所述第二导电膜隔着所述栅极绝缘膜在所述漏电极上。
【文档编号】H01L21/8244GK103999228SQ201280063818
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】山崎舜平 申请人:株式会社半导体能源研究所