[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用氧化物半导体的半导体装置及其制造方法。

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，因此，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

如以液晶显示装置为代表那样，形成在玻璃衬底等上的晶体管多由非晶硅、多晶硅等构成。使用非晶硅的晶体管虽然其场效应迁移率低，但是可以对应于玻璃衬底的大面积化。另外，使用多晶硅的晶体管虽然其场效应迁移率高，但是具有不合适于玻璃衬底的大面积化的缺点。

近年来，除了使用硅的晶体管之外，使用氧化物半导体制造晶体管，并将其应用于电子装置和光装置的技术受到注目。例如，专利文献1及专利文献2公开了作为氧化物半导体使用氧化锌、In-Ga-Zn类氧化物来制造晶体管，并将该晶体管用于显示装置的像素的开关元件等的技术。

在氧化物半导体中，氢的一部分成为施主而释放出作为载流子的电子。当氧化物半导体中的载流子浓度高时，即使不对栅极施加电压，沟道也形成在晶体管中。也就是说，阈值电压向负方向漂移，难以控制阈值电压。

专利文献3公开了如下现象：当对氧化物半导体膜中添加氢时，导电率增高4至5位数左右。另外，也公开了如下现象：氢从与氧化物半导体膜接触的绝缘膜扩散到氧化物半导体膜中。

[专利文献1]日本专利申请公开2007-123861号公报；

[专利文献2]日本专利申请公开2007-96055号公报；

[专利文献3]日本专利申请公开2008-141119号公报。

发明内容

本发明的课题之一是对使用氧化物半导体膜的晶体管赋予稳定的电特性，来制造一种可靠性高的半导体装置。

在包括设置在具有绝缘表面的衬底上的底栅结构的反交错型晶体管的半导体装置中，在栅电极层与氧化物半导体膜之间至少设置第一栅极绝缘膜和第二栅极绝缘膜，进行450℃以上，优选为650℃以上的加热处理，然后形成氧化物半导体膜。

作为第一栅极绝缘膜，可以使用氮化物绝缘膜。例如，可以举出氮化硅膜、氮氧化硅膜等。第一栅极绝缘膜可以具有单层结构或叠层结构。将第一栅极绝缘膜的厚度设定为20nm以上且350nm以下。当作为衬底使用玻璃衬底时，第一栅极绝缘膜用作防止包含在玻璃衬底中的杂质的扩散的阻挡膜。另外，当作为栅电极层的材料使用铜等时，第一栅极绝缘膜用作抑制铜元素的扩散的阻挡膜。注意，氮化物绝缘膜包含氢元素，当由于形成氧化物半导体膜之后的加热处理等而氢元素从氮化物绝缘膜被释放，该氢元素扩散到氧化物半导体膜中时，该氢元素与氧化物半导体膜中的氧结合，成为H₂O等而被释放，由此产生氧化物半导体膜中的氧缺损，有导致晶体管的电特性的降低或变动的忧虑。具体而言，有成为具有常导通的电特性的晶体管的忧虑。

通过在形成氧化物半导体膜之前进行450℃以上，优选为650℃以上的加热处理，可以抑制成为导致晶体管的电特性的降低或变动的主要原因的氢元素扩散到氧化物半导体膜中，所以可以对晶体管赋予稳定的电特性。

优选以刚成膜之后的第一栅极绝缘膜的膜中的氢浓度少的方式调节成膜条件。另外，优选以刚成膜之后的第二栅极绝缘膜的膜中的氢浓度也少的方式调节成膜条件。此外，优选在形成第二栅极绝缘膜之后进行450℃以上，优选为650℃以上的加热处理，来减少从膜中被释放的氢气体量。

另外，当形成氧化物半导体膜时，优选采用如下条件：使用多晶且相对密度（填充率）高的溅射靶材；当成膜时，将溅射靶材充分冷却到室温；将被成膜衬底的被成膜面的温度设定为室温以上；以及在成膜处理室内的气氛下几乎没有水分或氢。

溅射靶材的密度越高越优选。通过将溅射靶材的密度设定为高，也可以增高所形成的膜的密度。具体而言，将靶材的相对密度（填充率）设定为90%以上且100%以下，优选为95%以上，更优选为99.9%以上。另外，溅射靶材的相对密度是指溅射靶材的密度和与溅射靶材同一组成材料的没有气孔状态下的密度之比。

另外，从得到致密的膜的观点来看，减少残存在成膜处理室内的杂质也是重要的。将成膜处理室内的背压（极限真空度（ultimate degree of vacuum）：引入反应气体之前的真空度）设定为5×10^-3Pa以下，优选为6×10^-5Pa，将成膜时的压力设定为低于2Pa，优选为0.4Pa以下。通过降低背压，减少成膜处理室内的杂质。