半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

提供一种显示稳定的电特性的高可靠性半导体装置。制造高可靠性半导体装置。其包括在其中层叠有第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层的氧化物半导体叠层，与氧化物半导体叠层接触的源电极层以及漏电极层，与氧化物半导体层重叠的栅电极层(在所述氧化物半导体层和所述栅电极层之间设置有栅极绝缘层)，以及第一氧化物绝缘层及第二氧化物绝缘层(在所述第一氧化物绝缘层及所述第二氧化物绝缘层之间夹有氧化物半导体叠层)。第一至第三氧化物半导体层中的每个包含铟、镓及锌。第二氧化物半导体层中的铟的比例比第一及第三氧化物半导体层中的每个的铟的比例多。第一氧化物半导体层是非晶的。第二及第三氧化物半导体层都具有晶体结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体装置及其制造方法
本专利技术涉及半导体装置及制造该半导体装置的方法。注意，在本说明书中的半导体装置指的是能够通过利用半导体特性工作的所有装置，并且，电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
技术介绍
形成包括形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜的晶体管(也称为薄膜晶体管)的技术受到关注。该晶体管适用于诸如集成电路(IC)或图像显示装置(显示装置)等范围广泛的电子设备。硅类半导体材料众所周知地作为适用于晶体管的半导体薄膜的材料。对于其他材料，氧化物半导体受到关注。例如，专利文献1已公开了具有包含铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的氧化物半导体的晶体管。可以通过诸如溅射法等的用于形成薄膜的技术来形成氧化物半导体膜。另外，与硅半导体等相比，可以在相对较低的温度下形成氧化物半导体膜。因此，氧化物半导体膜可以被形成为与其他晶体管重叠。例如，专利文献2公开了在其中通过将包括作为沟道形成区域的氧化物半导体层的晶体管设置在包括硅的晶体管上，来缩小单元面积(cellarea)的半导体装置。[参考文献][专利文献1]日本专利申请公开2006-165528号公报[专利文献2]日本专利申请公开2012-15500号公报
技术实现思路
在包括作为沟道形成区域的氧化物半导体层的晶体管中，因氧从氧化物半导体层释放而产生氧空位(氧缺陷)，以及由于该氧空位产生载流子。另外，诸如氢等杂质进入到氧化物半导体层内而引起载流子的产生。产生在氧化物半导体层内的载流子增大晶体管的关态电流(off-statecurrent)以及阈值电压的变化。因此，发生晶体管的电特性变动，而造成半导体装置的可靠性下降。鉴于上述问题，本专利技术的一个实施方式的目的是提供表现稳定电特性的高可靠性半导体装置。本专利技术的一个实施方式的另一个目的是制造高可靠性半导体装置。本专利技术的一个实施方式的半导体装置包括在其中层叠有第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层的氧化物半导体叠层，以及在第一氧化物绝缘层和第二氧化物绝缘层之间夹有氧化物半导体叠层。在该半导体装置中，第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层都至少包含铟，第二氧化物半导体层中铟的比例高于第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中的每个中铟的比例，第一氧化物半导体层是非晶的，并且，第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层都具有晶体结构。由于第二氧化物半导体层中铟的比例高于第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中的每个中铟的比例，所以第二氧化物半导体层具有高载流子迁移率且用作载流子路径。因此，载流子在远离设置在氧化物半导体叠层的下方或上方的氧化物绝缘层的区域中流过。由此，可以降低从氧化物绝缘层进入杂质等的影响。适当地选择氧化物半导体叠层的材料，以便形成阱形结构(well–shapedstructure)(也称为阱结构)，该阱结构中第二氧化物半导体层的导带(conductionband)底部位于最深能级。具体而言，也可以适当地选择材料，使得第二氧化物半导体层的导带底部与第一及第三氧化物半导体层的导带底部相比离真空能级更深。另外，当第14族元素之一的硅或碳作为杂质包含在氧化物半导体层中时，它可以作为施主且形成n型区域。所以，包含在氧化物半导体层中的硅浓度低于或等于3×1018atoms/cm3，优选低于或等于3×1017atoms/cm3。此外，氧化物半导体层中的碳浓度低于或等于3×1018atoms/cm3，优选低于或等于3×1017atoms/cm3。尤其优选的是，采用以第一及第三氧化物半导体层夹着或包围用作载流子路径的第二氧化物半导体层的结构，使得大量第14族元素不进入第二氧化物半导体层。也就是说，第一及第三氧化物半导体层也可以被称为阻挡层，该阻挡层防止诸如硅等第14族元素进入第二氧化物半导体层中。当氢或水分作为杂质被包含在氧化物半导体叠层中时，它可以作为施主且形成n型区域。所以，从获得阱形结构的观点来看，在氧化物半导体叠层的上方或下方设置防止氢或水分从外部进入的保护膜(例如，氮化硅膜)是有利的。通过使用具有上述叠层结构的氧化物半导体层，形成沟道的区域可以具有低于或等于3×10-3/cm(当换算成态密度时，低于或等于3×1013/cm3)的通过恒定光电流法(CPM:ConstantPhotocurrentMethod)测定的局部态的吸收系数。本专利技术的一个实施方式的半导体装置包括形成在半导体衬底上的第一氧化物绝缘层，第一氧化物绝缘层上的层叠有第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层的氧化物半导体叠层，氧化物半导体叠层上的第二氧化物绝缘层，以及与氧化物半导体叠层重叠的第一栅电极层(在第一栅电极层和氧化物半导体叠层之间设置有第二氧化物绝缘层)。在该半导体装置中，第一至第三氧化物半导体层都至少包含铟，第二氧化物半导体层中铟的比例高于第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中的每个中铟的比例，第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层都具有晶体结构，并且，第一氧化物半导体层是非晶的。除了上述结构以外，可以在第一氧化物半导体层的下方设置第一氮化物绝缘层，并且可以在第二氧化物绝缘层的上方设置第二氮化物绝缘层。第一及第二氮化物绝缘层防止氢或水分等进入氧化物半导体叠层中。第一氧化物绝缘层以及第二氧化物绝缘层可以包含超过化学计量组成的氧。当这样包含超过化学计量组成的氧，可以将氧供应给氧化物半导体叠层，使得可以用氧填充氧空位。在第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中，至少铟浓度可以高于或等于1×1019atoms/cm3。另外，在氧化物半导体叠层中，由局部态的吸收系数可以小于或等于3×10-3/cm。半导体装置可以包括与氧化物半导体叠层重叠的第二栅电极层，在第二栅电极层和氧化物半导体叠层中间设置有第一氧化物绝缘层。第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层可以包括其c轴在大致垂直于表面的方向取向的晶体。第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层可以包含铟、锌及镓。尤其是，当使用相同的元素形成第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层时，可以降低第一和第二氧化物半导体层之间的界面处以及第二和第三氧化物半导体层之间的界面处的散射。第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中的硅浓度可以低于或等于3×1018atoms/cm3。第一氧化物半导体层以及第三氧化物半导体层中的每个的碳浓度可以低于或等于3×1018atoms/cm3。本专利技术的另一个实施方式是一种制造半导体装置的方法，包括如下步骤：在半导体衬底上形成第一氧化物绝缘层；在第一氧化物绝缘层上形成非晶的第一氧化物半导体层以及具有晶体结构的第二氧化物半导体层；在氧及氮的气氛中进行第一加热处理；在第二氧化物半导体层上形成具有晶体结构的第三氧化物半导体层；在第三氧化物半导体层上形成第二氧化物绝缘层；以及在氧及氮的气氛中进行第二加热处理。本专利技术的另一个实施方式是一种制造半导体装置的方法，包括如下步骤：在半导体衬底上形成第一氧化物绝缘层；在第一氧化物绝缘层上层叠非晶的第一氧化物半导体层以及具有晶体结构的第二氧化物半导体层；以及在第二氧化物半导体层上形成第三氧化物半导体层。第三氧化物半导体层的晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，包括：绝缘表面上的第一氧化物半导体层；所述第一氧化物半导体层上的第二氧化物半导体层；所述第二氧化物半导体层上的第三氧化物半导体层；所述第三氧化物半导体层上的第一绝缘层；以及所述第一绝缘层上的第一栅电极，所述第一栅电极与所述第一氧化物半导体层、所述第二氧化物半导体层及所述第三氧化物半导体层重叠，其中，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层中的每个具有晶体结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.10 JP 2012-1786341.一种半导体装置，包括：绝缘表面上的第一氧化物半导体层；所述第一氧化物半导体层上的第二氧化物半导体层；所述第二氧化物半导体层上的第三氧化物半导体层；所述第三氧化物半导体层上的第一绝缘层；以及所述第一绝缘层上的第一栅电极，所述第一栅电极与所述第一氧化物半导体层、所述第二氧化物半导体层及所述第三氧化物半导体层重叠，其中，所述第三氧化物半导体层与所述第一氧化物半导体层的侧表面接触，其中，所述第三氧化物半导体层覆盖所述第二氧化物半导体层的侧表面并与之接触，其中，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层中的每个具有晶体结构，其中，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层中的每个包括铟、锌及镓，并且其中，所述第二氧化物半导体层中的铟的比例高于所述第三氧化物半导体层中的铟的比例。2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：所述第一氧化物半导体层、所述第二氧化物半导体层及所述第三氧化物半导体层上的与所述第一氧化物半导体层、所述第二氧化物半导体层及所述第三氧化物半导体层电连接的源电极及漏电极。3.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：具有所述绝缘表面的第二绝缘层；以及所述第二绝缘层下的第二栅电极，所述第二栅电极与所述第一氧化物半导体层、所述第二氧化物半导体层及所述第三氧化物半导体层重叠。4.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层具有非晶结构。5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一绝缘层包含超过化学计量组成的氧。6.一种半导体装置，包括：第一晶体管；所述第一晶体管上的第一绝缘层，所述第一绝缘层包括铝及氧；以及所述第一晶体管上的第二晶体管，其中所述第二晶体管包括：所述第一绝缘层上的第一栅电极；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP