[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本申请基于并要求2006年2月15日提交的第2006-38424号在先日本专利申请的优先权，通过引用将其整体内容并入此处。

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造方法，并且尤其涉及包含氧化物半导体薄膜层的半导体器件及其制造方法，其中氧化物半导体薄膜层主要包括氧化锌。

背景技术

诸如氧化锌或氧化锌镁(magnesium zinc oxide)的氧化物作为半导体(有源层)具有极优的特性，这已经为公众所知许多年了。最近几年中，为了将这种半导体薄膜层应用于电子器件，例如薄膜晶体管(以下缩写为TFT)、光发射器件和透明导电膜，已经对使用这些化合物的半导体薄膜层进行了活跃的研究和开发。

与具有非晶硅(a-Si∶H)半导体薄膜层的非晶硅TFT相比，包括由氧化锌或氧化锌镁制成的半导体薄膜层的氧化物TFT具有更大的电子迁移率和更好的TFT特性，其已经主要用于液晶显示器。氧化物TFT的另一个优点在于，因为晶体薄膜即使在低至室温的温度中均能形成，所以可预期高电子迁移率。这些优点一直在激励着氧化物TFT的发展。

已报道了使用氧化物半导体薄膜层的TFT，如底栅型TFT和顶栅型TFT。

例如，底栅型TFT包括衬底、在衬底上形成的栅电极、在栅电极上形成的栅极绝缘薄膜、主要包括氧化锌并设置在栅电极的上表面上的氧化物半导体薄膜层、与氧化物半导体薄膜层连接的一对源/漏电极。用类似于制造底栅型非晶硅TFT的方法制造底栅型氧化物TFT，该制造方法已经工业化。这种底栅型结构广泛用在氧化锌TFT中。

另一方面，顶栅型TFT包括，例如衬底、在衬底上形成的一对源/漏电极、在源/漏电极上形成的氧化物半导体薄膜层、在氧化物半导体薄膜层上形成的栅极绝缘膜以及在栅极绝缘膜上形成的栅电极。

在底栅型TFT中，氧化物半导体薄膜层在栅极绝缘膜上形成。在有着这种结构的底栅型TFT中，在氧化物半导体薄膜层形成的早期阶段所沉积的氧化物半导体薄膜层的不完全晶化区，通常用作有源层。这样导致不充分的电子迁移率。另一方面，在顶栅型TFT中，栅极绝缘膜设置在氧化物半导体薄膜层上。这意味着在氧化物半导体薄膜层的上部的完全晶化区用作有源层。在这一方面，顶栅型TFT比底栅型TFT更有用。

传统地，优选使用有着高c轴晶体取向的氧化锌半导体薄膜层。在这种氧化锌半导体薄膜层中，晶粒具有与垂直于基底的方向一致的c轴。使用在某一方向具有择优取向的氧化锌半导体薄膜层被认为提高包括有该氧化锌半导体薄膜层的薄膜晶体管(TFT)的电子迁移率。公知具有高c轴晶体取向的基于氧化锌的膜，可通过在500度C或更低的温度下溅射的方法形成。然而，还没有进行过关于针对非C轴取向的其他取向的取向控制的报道或关于非晶氧化锌的报道。

另一方面，有关加强TFT半导体薄膜层的c轴取向已经进行了多种研究。而且，在第2787198号日本专利中公开了加强热释电红外检测元件的热释电部件的c轴取向的方法。

有着高c轴取向的氧化锌包括沿膜厚方向延伸的柱形结构，且氧化锌中存在许多的晶界。在晶界中，存在晶格缺陷、晶体变形以及悬挂键。因而氧化物半导体薄膜层是热不稳定的。当出于某种目的(例如，形成栅极绝缘膜)使氧化物半导体薄膜层经受热处理时，在氧化物半导体薄膜层的晶界中发生氧化物和锌的脱附。这形成产生电性浅杂质能级并降低氧化物半导体薄膜层的电阻的缺陷能级。如果这种氧化物半导体薄膜层用作薄膜晶体管中的有源层，该薄膜晶体管以常开启型(耗尽型)工作。换句话说，不施加栅电压而出现漏电流。在耗尽型工作中，缺陷能级增加，而阈电压降低并且泄漏电流增大。另外，晶界作用为沟道中电子的能垒，并降低了电子迁移率。

在顶栅型薄膜晶体管中这样的问题更突出，与底栅型薄膜晶体管相比，顶栅型薄膜晶体管中的栅极绝缘膜沉积在氧化物半导体薄膜层上。

在主要包括具有高c轴取向并具有柱形结构的氧化锌的氧化物半导体薄膜层中，蚀刻沿柱形结构进行。这种蚀刻在微加工中产生困难。柱形结构增加氧化物半导体薄膜层表面的粗糙度，而增加的粗糙度阻止在其上所设置的薄栅极绝缘膜的形成。由于栅极绝缘膜的电场集中和增大的泄漏电流，进一步引起栅极绝缘膜的击穿。

如上所述，当用在薄膜晶体管以及例如二极管和光电转换元件等其他半导体器件中时，这种具有高c轴取向的氧化物半导体薄膜层在热阻、微加工特性(有利于微加工的材料特性)以及表面平整度方面具有缺陷。

发明内容