半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及半导体装置及其制造方法。提供高批量生产性、使用新的半导体材料且适于大电力应用的半导体装置。为了降低氧化物半导体膜中的水分或氢等杂质而在形成氧化物半导体膜之后在氧化物半导体膜露出的状态下进行第一加热处理。接着，为了进一步降低氧化物半导体膜中的水分或氢等杂质而使用离子注入法或离子掺杂法等对氧化物半导体膜添加氧，然后在氧化物半导体膜露出的状态下进行第二加热处理。

【技术实现步骤摘要】
半导体装置及其制造方法本申请是申请日为2010年11月15日、申请号为201080054058.4、专利技术名称为“半导体装置及其制造方法”的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种使用氧化物半导体制造的半导体装置及其制造方法。
技术介绍
对于半导体装置来说，使用形成在绝缘表面上的半导体膜形成的晶体管是不可缺少的半导体元件。因为在晶体管的制造中对衬底的耐热温度有限制，所以其激活层具有可以以较低温度形成的非晶硅、通过使用激光或催化剂元素的晶化而得到的多晶硅等的晶体管成为用于半导体显示装置的晶体管的主流。近年来，被称为氧化物半导体的显示半导体特性的金属氧化物作为兼有多晶硅所具有的高迁移率和非晶硅所具有的均匀的元件特性的新的半导体材料引人注目。金属氧化物用于多种用途，例如作为众所周知的金属氧化物的氧化铟用于液晶显示装置等中的透明电极材料。作为显示半导体特性的金属氧化物，例如有氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化锌等，并且已知将上述显示半导体特性的金属氧化物用于沟道形成区的晶体管(专利文献1以及专利文献2)。[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
技术实现思路
作为用于半导体装置的晶体管，优选其随时间的劣化所导致的阈值电压的不均匀小且截止电流低等。通过使用随时间的劣化所导致的阈值电压的偏差小的晶体管，可以提高半导体装置的可靠性。另外，通过使用截止电流低的晶体管，可以抑制半导体装置的耗电量。本专利技术的目的之一是提供可靠性高的半导体装置的制造方法。或者，本专利技术的目的之一是提供耗电量低的半导体装置的制造方法。或者，本专利技术的目的之一是提供可靠性高的半导体装置。或者，本专利技术的目的之一是提供耗电量低的半导体装置。另外，目前，在高耐压的被称为用来控制大电流的功率器件(powerdevice)的半导体装置中，作为半导体材料主要使用硅。但是，一般认为使用硅形成的半导体元件的物理特性已达到了理论值的极限，因此为了实现更高耐压且能够进一步抑制大电流的功率器件，需要能够提高特性的新的半导体材料。作为可能提高高耐压性、高转换效率、高速开关等各种特性的半导体材料，例如可以举出碳化硅、氮化镓等化合物半导体。碳化硅的带隙是3.26eV，氮化镓的带隙是3.39eV，两者都具有硅的带隙的大约3倍左右的大带隙。因此，已知此类化合物半导体有利于半导体装置的耐压的提高、电力损失的降低等。但是，碳化硅、氮化镓等化合物半导体具有工艺温度高的问题。碳化硅的工艺温度大约为1500℃，氮化镓的工艺温度大约为1100℃左右，因此不可以将其形成在耐热温度低的玻璃衬底上。据此，因为不能利用廉价的玻璃衬底且化合物半导体不能够对应衬底的大型化，所以使用碳化硅、氮化镓等的化合物半导体形成的半导体装置的批量生产性低，而成为难以实现实用化的原因。鉴于上述问题，本专利技术的目的之一是提供具有高批量生产性的使用新的半导体材料形成的用于大电力的半导体装置。本专利技术人注意到存在于氧化物半导体膜中的氢、水等杂质是造成晶体管的阈值电压漂移等随时间的劣化的原因。已知在通过溅射等形成的氧化物半导体膜中包含多量的氢或水等杂质。因此，在本专利技术的一个方式中，为了减少氧化物半导体膜中的水分或氢等杂质，在形成氧化物半导体膜之后，在氧化物半导体膜露出的状态下，在减压气氛、氮或稀有气体等惰性气体气氛、氧气体气氛或超干燥空气(使用CRDS(cavityring-downlaserspectroscopy：光腔衰荡光谱法)方式的露点计进行测定时的水分量是20ppm(露点换算，-55℃)以下，优选的是1ppm以下，更优选的是10ppb以下的空气)气氛下进行第一加热处理。接着，为了进一步降低氧化物半导体膜中的水分或氢等杂质，在使用离子注入法或离子掺杂法等对氧化物半导体膜添加氧之后，再次在氧化物半导体膜露出的状态下，在减压气氛、氮或稀有气体等惰性气体气氛、氧气体气氛或超干燥空气(使用CRDS(cavityring-downlaserspectroscopy：光腔衰荡光谱法)方式的露点计进行测定时的水分量是20ppm(露点换算，-55℃)以下，优选的是1ppm以下，更优选的是10ppb以下的空气)气氛下进行第二加热处理。虽然通过第一加热处理氧化物半导体膜中的水分或氢等杂质被降低，但是并没有被完全去除，而还有改善的余地。可以认为这是因为还存在与构成氧化物半导体的金属键合的氢或羟基。在本专利技术中，通过使用离子注入法或离子掺杂法等对氧化物半导体膜添加氧，来切断构成氧化物半导体的金属与氢之间的键或该金属与羟基之间的键并使该氢或羟基与氧起反应，来生成水。并且，通过在氧的添加之后进行第二加热处理，可以容易使残留的氢或羟基等杂质作为水而脱离。如果通过水分、氢等杂质的脱离而可以得到i型(本征)半导体或实质上i型的氧化物半导体，则可以防止因上述杂质而导致的如阈值电压漂移等的晶体管特性的恶化，从而降低截止电流。具体而言，去除包含在氧化物半导体中的氢或水等杂质，并使利用二次离子质谱分析法(SIMS：SecondaryIonMassSpectroscopy)测定出的氧化物半导体所包含的氢浓度的测定值为5×1019/cm3以下，优选为5×1018/cm3以下，更优选为5×1017/cm3以下，进一步优选低于1×1016/cm3。另外，使可以利用霍尔效应测量来测定出的氧化物半导体膜的载流子密度为低于1×1014/cm3，优选为低于1×1012/cm3，更优选为测定界限以下，即低于1×1011/cm3。换言之，氧化物半导体膜的载流子密度无限趋近于0。另外，氧化物半导体的带隙是2eV以上，优选是2.5eV以上，更优选是3eV以上。通过使用氢浓度被充分地降低而被高纯度化的氧化物半导体膜，可以降低晶体管的截止电流。上述两次的加热处理优选在300℃以上且850℃以下(或玻璃衬底的应变点以下)的温度范围内进行。注意，该加热处理不超过所使用的衬底的耐热温度。已使用TDS(ThermalDesorptionSpectroscopy：热脱附谱分析)确认了通过加热处理得到的水或氢的脱离效果。作为加热处理，利用在炉中进行的热处理或快速热退火法(RTA法)。RTA法有使用灯光源的方法以及将衬底移动到被加热的气体中而进行短时间的热处理的方法。当使用RTA法时，可以使热处理所需的时间短于0.1小时。具体而言，例如即使使用通过上述方法被高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管是沟道宽度W是1×104μm且沟道长度L是3μm的元件，也可以得到10-13A以下的截止电流、0.1V/dec.左右(栅极绝缘膜的厚度是100nm)的亚阈值(S值)的特性。因此，该晶体管的在栅电极和源电极之间的电压是0以下的状态下的截止电流，即泄漏电流与使用具有结晶性的硅的晶体管相比非常低。另外，在使用被高纯度化的氧化物半导体(purifiedOS)形成的晶体管中，几乎不呈现截止电流的温度依赖性。可以认为这是因为通过去除在氧化物半导体中成为电子供体(施主)的杂质氧化物半导体被高纯度化，而导电型无限趋近于本征型，费米能级位于禁止带中央的缘故。另外，氧化物半导体的能隙是3eV以上且热激发载流子极少也是原因之一。另外，源电极及漏电极处于简并状态也是不本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；在所述栅电极上形成栅极绝缘膜；在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；通过对所述氧化物半导体膜进行蚀刻来形成岛状氧化物半导体膜；对所述岛状氧化物半导体膜进行第一加热处理；通过离子注入法或离子掺杂法对进行了所述第一加热处理的所述岛状氧化物半导体膜添加氧；对添加了所述氧的所述岛状氧化物半导体膜进行第二加热处理；以及在所述第二加热处理之后对所述岛状氧化物半导体膜进行等离子体处理。

【技术特征摘要】
2009.12.04 JP 2009-2770861.一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；在所述栅电极上形成栅极绝缘膜；在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；通过对所述氧化物半导体膜进行蚀刻来形成岛状氧化物半导体膜；对所述岛状氧化物半导体膜进行第一加热处理；通过离子注入法或离子掺杂法对进行了所述第一加热处理的所述岛状氧化物半导体膜添加氧；对添加了所述氧的所述岛状氧化物半导体膜进行第二加热处理；以及在所述第二加热处理之后对所述岛状氧化物半导体膜进行等离子体处理。2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，还包括如下步骤：在所述第二加热处理之后形成源电极及漏电极。3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述第二加热处理在水分量为20ppm以下的空气中进行。4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中添加氧的步骤以1×1013ions/cm2至1×1016ions/cm2的剂量来进行。5.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，坂田淳一郎，大原宏树，
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