半导体装置及其制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年11月27日、申请号为200910246370. 2、发明名称为"半 导体装置及其制造方法"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及使用氧化物半导体的半导体装置、W及使用该半导体装置的显示装置 及其制造方法。
【背景技术】
[0003] 近年来，W液晶显示器为代表的液晶显示装置逐渐普遍。作为液晶显示器，通常使 用在每个像素中设置有薄膜晶体管（TFT)的有源矩阵型的显示器。在有源矩阵型液晶显示 器的薄膜晶体管中使用非晶娃或多晶娃作为激活层。虽然使用非晶娃的薄膜晶体管的场效 应迁移率低，但是也可W容易地形成在如大型玻璃衬底的大面积衬底上。另一方面，虽然使 用多晶娃的薄膜晶体管的场效应迁移率高，但是因为需要激光退火等晶化工序，所W当在 如大型玻璃衬底的大面积衬底上形成时，需要极长的时间。
[0004] 针对于此，使用氧化物半导体代替上述的娃材料来制造薄膜晶体管，并将其应用 于电子器件及光器件的技术受到瞩目。例如，专利文献1及专利文献2公开了使用氧化锋、 In-Ga-化-0类氧化物半导体作为氧化物半导体层来制造薄膜晶体管，并将它用作图像显示 装置的开关元件等的技术。
[0005][专利文献1]日本专利申请公开2007 - 123861号公报
[0006][专利文献2]日本专利申请公开2007 - 96055号公报
[0007] 上述氧化物半导体层的电特性受氧化物半导体层的组成、膜质或界面等的很大影 响。而且氧化物半导体层的组成、膜质或界面等由于暴露在大气中或与包含杂质的膜的接 触而容易发生变化。
[0008] 在氧化物半导体层上设置有由W娃为主要成分的氧化物（氧化娃）或氮化物（氮 化娃）等构成的保护绝缘层，W防止大气中的氧或水分进入到薄膜晶体管的氧化物半导体 层。
[0009] 但是，仅形成W娃为主要成分的保护绝缘层还不能充分地使氧化物半导体层的组 成、膜质或界面等稳定。
[0010] 另外，由于当对氧化物半导体层进行构图时形成的抗蚀剂掩模或抗蚀剂剥离液与 氧化物半导体层的接触，也有氧化物半导体层的膜质或组成发生变化的可能。
[0011] 如上所述存在如下问题，即：随着氧化物半导体层的组成、膜质或界面等的变化， 使用氧化物半导体层的薄膜晶体管的电特性也发生变化。
【发明内容】
[0012] 本发明的一个方式的目的在于当形成薄膜晶体管时，将第一氧化物半导体区用作 激活层，并在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成第二氧化物半导体 区，该第二氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电导率且用作第一氧化物 半导体区的保护层。
[0013] 本发明的一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘 层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；源电极层及漏电极层上的第一氧化物半导体 区；W及第一氧化物半导体区上的第二氧化物半导体区，其中在源电极层和漏电极层之间 第一氧化物半导体区部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且第二 氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电导率，并且第一氧化物半导体区和 源电极层及漏电极层电连接。
[0014] 本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝 缘层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；源电极层及漏电极层上的具有n型导电型的 缓冲层；具有n型导电型的缓冲层上的第一氧化物半导体区；W及第一氧化物半导体区上 的第二氧化物半导体区，其中在源电极层和漏电极层之间第一氧化物半导体区部分地接触 于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且缓冲层的载流子浓度高于第一氧化物 半导体区的载流子浓度，并且第二氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电 导率，并且缓冲层的电导率高于第一氧化物半导体区及第二氧化物半导体区的电导率，并 且第一氧化物半导体区和源电极层及漏电极层的上面通过缓冲层电连接。
[0015] 本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝 缘层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；W及源电极层及漏电极层上的氧化物半导体 层，其中在源电极层和漏电极层之间氧化物半导体层部分地接触于栅极绝缘层和源电极层 及漏电极层的侧面部，并且氧化物半导体层是包含铜、嫁、锋或锡中的至少一种的氧化物半 导体层，并且氧化物半导体层通过绝缘层部分地接触于源电极层和漏电极层的侧面部，并 且氧化物半导体层和源电极层及漏电极层电连接。
[0016] 注意，第一氧化物半导体区、第二氧化物半导体区及缓冲层优选分别包含铜、 嫁、锋或锡中的至少一种。另外，第二氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度（densityOf oxygen-holedefects)优选低于第一氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度。另外，第一氧化 物半导体区和第二氧化物半导体区既可W形成为不同氧化物半导体层，又可W形成为同一 氧化物半导体层。
[0017] 注意，第二氧化物半导体区的电导率优选为1.OXlOSs/cmW下。另外，缓冲层的 载流子浓度优选为1Xl〇i8/cm3W上。
[0018] 另外，优选第一氧化物半导体区通过氧化膜部分地接触于源电极层及漏电极层的 侧面部。另外，氧化膜优选通过热氧化、氧等离子体处理或臭氧水处理形成。
[0019] 另外，优选第一氧化物半导体区通过侧壁绝缘层部分地接触于源电极层及漏电极 层的侧面部。另外，侧壁绝缘层优选使用娃膜、氧化娃膜、氮氧化娃膜或氧氮化娃膜形成。
[0020] 本发明的另一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：在衬底上形 成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成导电膜；对导电膜进行 蚀刻形成源电极层及漏电极层；在栅极绝缘层、源电极层及漏电极层上通过瓣射法形成第 一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上通过瓣射法形成第二氧化物半导体膜；W及 对第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜进行蚀刻形成第一氧化物半导体区及第二 氧化物半导体区，其中将第一氧化物半导体区设置为在源电极层和漏电极层之间该第一氧 化物半导体区部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且使用来形成 第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率高于用来形成第一氧化物半导体膜 的成膜气体中的氧气流量的比率。
[0021] 注意，第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜优选包含铜、嫁、锋或锡中的至 少一种。另外，也可W通过在增大氧气流量的同时一步形成第一氧化物半导体膜和第二氧 化物半导体膜。另外，用来形成第一氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率优选 为低于70体积％，并且用来形成第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率优 选为70体积％W上。
[0022] 注意，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层叠顺 序。另外，在本说明书中不表示用来特定发明的事项的固有名词。
[0023] 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而工作的所有装 置，电光学装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
[0024] 根据本发明的一个方式，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中， 通过在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化 物半导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，该第二氧化物半导体区可W防 止第一氧化物半导体区的组成的变化和膜质的劣化并使薄膜晶体管的电特性稳定。
[00巧]通过将该薄膜晶体管用于显示装置的像素部及驱动电路部，可W提供电特性高且 可靠性良好的显示装置。
【附图说明】
[0026] 图IA和IB是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0027] 图2A至2D是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0028] 图3A至3C是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0029] 图4是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0030] 图5是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0031] 图6是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0032] 图7是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[003引图8A-1和8A-2、8B-1和8B-2是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0034] 图9是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0035] 图10是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0036] 图IlA至IlC是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
[0037] 图12是表示氧化物半导体层的电导率的测量结果的图表；
[0038] 图13是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0039] 图14A和14B是说明半导体装置的框图的图；
[0040] 图15是说明信号线驱动电路的结构的图；
[0041] 图16是说明信号线驱动电路的工作的时序图；
[0042] 图17是说明信号线驱动电路的工作的时序图；
[0043] 图18是说明移位寄存器的结构的图；
[0044] 图19是说明图18所示的触发器的连接结构的图；
[0045] 图20是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的像素等效电路的图；
[0046] 图21A至21C是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0047] 图22A-1和22A-2J2B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0048] 图23是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0049] 图24A和24B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
[0050] 图25A和25B是说明电子纸的使用方式的例子的图；
[0051] 图26是示出电子书籍的一例的外观图；
[0052] 图27A和27B是示出电视装置及数字相框的例子的外观图；
[0053] 图28A和28B是示出游戏机的例子的外观图；
[0054] 图29A和29B是示出移动电话机的一例的外观图；
[00巧]图30A和30B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图。
【具体实施方式】
[0056] 参照附图对本发明的实施方式及实施例进行详细说明。但是，本发明不局限于W 下的说明，所属技术领域的普通技术人员可W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内的情况下可W被变化为各种各样的形式。因此，本 发明不应当被解释为仅限定在W下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在W下说明的 实施方式及实施例的结构中，在不同附图中的使用相同的附图标记表示相同部分或具有相 同功能的部分，并且省略重复说明。
[0057](实施方式1)
[005引在本实施方式中，使用图IA和IB说明薄膜晶体管的结构。
[0059] 图IA和IB示出本实施方式的底栅结构的薄膜晶体管。图IA是截面图，图IB是 平面图。图IA是沿着图IB中的线A1-A2的截面图。
[0060] 在图IA和IB所示的薄膜晶体管中，在衬底100上设置有栅电极层101，在栅电极 层101上设置有栅极绝缘层102,在栅极绝缘层102上设置有源电极层或漏电极层105a、 105b，在栅极绝缘层102和源电极层或漏电极层105a、10化上设置有第一氧化物半导体区 103,在第一氧化物半导体区103上设置有其电导率低于第一氧化物半导体区103的第二氧 化物半导体区104。注意，第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104既可W-起 形成在同一氧化物半导体层中，又可W作为不同氧化物半导体层分别形成。另外，在第一氧 化物半导体区103和第二氧化物半导体区104之间也可W存在其电导率逐渐地或连续地变 化的氧化物半导体的中间区。另外，氧化物半导体中间区既可W与第一氧化物半导体区103 及第二氧化物半导体区104 -起形成在同一氧化物半导体层中，又可W形成与第一氧化物 半导体区103及第二氧化物半导体区104不同的氧化物半导体层。
[0061] 栅电极层101通过使用侣、铜、钢、铁、铭、粗、鹤、钦、筑等金属材料、或W运些金属 材料为主要成分的合金材料、或W运些金属材料为成分的氮化物的单层或叠层形成。优选 由侣或铜等低电阻导电材料形成，但是存在耐热性低或容易腐蚀的问题，因此优选与耐热 性导电材料组合使用。作为耐热性导电材料，使用钢、铁、铭、粗、鹤、钦、筑等。
[0062] 例如，作为栅电极层101的叠层结构，优选采用在侣层上层叠钢层的两层结构、在 铜层上层叠钢层的两层结构、在铜层上层叠氮化铁层或氮化粗层的两层结构、层叠氮化铁 层和钢层的两层结构。作为=层的叠层结构，优选采用鹤层或氮化鹤层、侣和娃的合金层或 侣和铁的合金层、氮化铁层或铁层的叠层结构。
[0063] 作为形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体 层，优选使用表示为InM〇3狂n0)m(m〉0)的结构的氧化物半导体，特别优选使用In-Ga-化-0 类氧化物半导体。另外，M表示选自嫁（Ga)、铁（Fe)、儀（Ni)、儘（Mn)及钻（Co)中的一种 金属元素或多种金属元素。例如，作为M，有时采用Ga,有时包含GaW外的上述金属元素 诸如Ga和Ni或Ga和化等。此外，在上述氧化物半导体中，有不仅包含作为M的金属元 素，而且还包含作为杂质元素的Fe、Ni等其他过渡金属元素或该过渡金属的氧化物的氧化 物半导体。在本说明书中，在表示为InM〇3狂n0)m(m〉0)的结构的氧化物半导体中，将作为 M至少包含Ga的结构的氧化物半导体称为In-Ga-化-0类氧化物半导体，也将该薄膜称为 In-Ga-Si-O类非单晶膜。
[0064] 当进行邸D狂射线衍射）分析时在In-Ga-化-0类非单晶膜中观察到非晶结构。在 通过瓣射法形成In-Ga-Si-O类非单晶膜之后，W200°C至500°C，典型地W300°C至400°C 进行10分钟至100分钟的热处理。
[0065] 通过将In-Ga-化-0类非单晶膜用作薄膜晶体管的激活层，可W制造具有如下电 特性的薄膜晶体管：当栅极电压为±20V时，导通?截止比为IO9W上，迁移率为10W上。
[0066] 但是，形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体 层不局限于WInM〇3狂n0)m(m〉0)表示的结构的氧化物半导体层，只要是包含铜、嫁、锋或锡 中的至少一种的氧化物半导导体层即可。也可W采用由如氧化锋狂nO)、氧化锡（SnO)、氧 化铜锋（IZO)、氧化铜锡（ITO)、包含氧化娃的氧化铜锡（ITSO)、添加有嫁的氧化锋（GZO)等 构成的氧化物半导体层。
[0067] 另外，将第一氧化物半导体区103设置为该第一氧化物半导体区103部分地在源 电极层或漏电极层1〇5曰、10化之间与栅极绝缘层102和源电极层或漏电极层105a、105b的 侧面部接触。将第一氧化物半导体区103的厚度设定为IOnm至300nm，优选设定为20nm至 100nm〇
[0068] 第一氧化物半导体区103的电导率优选为1.0Xl(TSs/cmW上。另外，第一氧化 物半导体区103的电导率优选低于LOXicr3g/cm。第一氧化物半导体区103的载流子浓 度范围优选低于1X10"/cm3 (更优选为1Xl〇ii/cm3W上）。当第一氧化物半导体区103的 载流子浓度范围超过上述范围时，有薄膜晶体管成为常开启型的可能。
[0069] 另外，将第一氧化物半导体区103中的钢浓度设定为5Xl〇i7cm3W下，优选为 1Xl〇is/cm3W下。
[0070] 将第二氧化物半导体区104的电导率设定为小于第一氧化物半导体区103的电导 率，第二氧化物半导体区104的电导率优选小于1.OX10ss/cm。另外，第二氧化物半导体 区104的氧空位缺陷浓度优选小于第一氧化物半导体区103的氧空位缺陷浓度。运是因为 氧化物半导体的电导率受氧化物半导体中的氧空位缺陷的影响。另外，第二氧化物半导体 区104的厚度优选为SnmW上且1000 nmW下，更优选为IOnmW上且IOOnmW下。
[0071] 通过使当瓣射形成第二氧化物半导体区104时的成膜气体整体中的氧气流量的 比率高于当瓣射形成第一氧化物半导体区103时的成膜气体整体中的氧气流量的比率，使 第二氧化物半导体区104的氧空位缺陷浓度低于第一氧化物半导体区103的氧空位缺陷浓 度，从而可W降低第二氧化物半导体区104的电导率。优选将第二半导体区104的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率为70体积％ ^上。另外，优选将第一氧化物半 导体区103的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率低于70体积％。
[0072] 由于可W连续形成第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104,因此可 W实现显示装置制造的高效化并提高生产率。另外，通过连续形成第一氧化物半导体区103 和第二氧化物半导体区104,可W将第一氧化物半导体区103的上面不暴露于大气地进行 第一氧化物半导体区103的构图。
[0073]另外，通过在增大氧气流量的同时一步进行第一氧化物半导体区103和第二氧化 物半导体区104的成膜，可W使第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104的电 导率连续地变化。
[0074] 第一氧化物半导体区103用作薄膜晶体管的激活层。另一方面，其电导率低于第 一氧化物半导体区103的电导率的第二氧化物半导体区104用作保护层，该保护层防止第 一氧化物半导体区103暴露于大气中，且防止第一氧化物半导体区103接触于包含使氧化 物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜。因此，具有沟道形成区且决定薄膜晶体管的电特 性的第一氧化物半导体区103与组成、膜质与其类似的第二氧化物半导体区104接触，所W 可W防止由于杂质导致的组成、膜质或界面等的变化。另外，虽然用作保护层的第二氧化物 半导体区104接触于包含使氧化物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜，但是因为其电导 率低于第一氧化物半导体区103的电导率，所W不会影响到薄膜晶体管的电特性。
[00巧]如上所述，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，通过在第一氧 化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体区的 电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，可W防止第一氧化物半导体区的组成的变化 或膜质的劣化，且可W使薄膜晶体管的电特性稳定。
[007引源电极层或漏电极层105曰、10化采用由第一导电膜112曰、112b、第二导电膜113曰、 113b、第S导电膜114a、114b构成的S层结构。作为第一导电膜112a、112b、第二导电膜 113曰、113b、第S导电膜114a、114b的材料，分别可W使用侣、铜、钢、铁、铭、粗、鹤、钦、筑等 金属材料、W运些金属材料为主要成分的合金材料、或W运些金属材料为成分的氮化物。第 一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第S导电膜114a、114b，优选分别由侣或铜等 低电阻导电材料形成，但是存在耐热性低或容易腐蚀的问题，因此优选与耐热性导电材料 组合使用。作为耐热性导电材料，使用钢、铁、铭、粗、鹤、钦、筑等。
[0077] 例如，优选对第一导电膜112日、11化及第S导电膜114日、114b使用耐热性导电材 料的铁，并且对第二导电膜113a、113b使用低电阻的包含钦的侣合金。通过采用运种结构， 可W发挥侣的低电阻性并减少小丘的发生。注意，在本实施方式中，源电极层或漏电极层 105曰、10化采用由第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第S导电膜114a、114b构 成的=层结构，但是不局限于此，还可W采用单层结构、两层结构或四层W上的结构。
[0078] 通过采用上述结构，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，通过 在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半 导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，可W防止第一氧化物半导体区的组 成的变化或膜质的劣化，且可W使薄膜晶体管的电特性稳定。
[0079] 注意，本实施方式所示的结构可W与其他实施方式所示的结构适当地组合而使 用。
[0080](实施方式。
[0081] 在本实施方式中，使用图2A至图9说明包括实施方式1所示的薄膜晶体管的显示 装置的制造工