半导体器件及其制造方法技术

一个目的是提供一种包括氧化物半导体膜、具有稳定电特性的高度可靠的薄膜晶体管。包括氧化物半导体膜的薄膜晶体管的沟道长度在1.5μm至100μm(包括两端)、优选地为3μm至10μm(包括两端)的范围之内；当阈值电压的变化量在室温至180℃(包括两端)或者‑25℃至‑150℃(包括两端)的工作温度范围中小于或等于3V、优选地小于或等于1.5V时，能够制造具有稳定电特性的半导体器件。具体来说，在作为半导体器件的一个实施例的显示装置中，能够降低因阈值电压的变化而引起的显示不均匀性。

【技术实现步骤摘要】
半导体器件及其制造方法
本专利技术涉及包括氧化物半导体的半导体器件及其制造方法。在本说明书中，半导体器件一般表示能够通过利用半导体特性来起作用的所有器件，并且电光器件、半导体电路和电子装置都是半导体器件。
技术介绍
近年来，用于通过使用在具有绝缘表面的衬底之上形成的半导体薄膜(具有大约数纳米至数百纳米的厚度)来形成薄膜晶体管(TFT)的技术已经引起关注。薄膜晶体管适用于诸如IC或电光器件之类的宽广范围的电子装置，并且具体来说，推动用作图像显示装置中的开关元件的薄膜晶体管迅速发展。各种金属氧化物用于各种应用。氧化铟是众所周知的材料，并且用作液晶显示器等等中所需的透明电极材料。一些金属氧化物具有半导体特性。具有半导体特性的这类金属氧化物的示例包括氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化锌等。其中使用具有半导体特性的这种金属氧化物来形成沟道形成区的薄膜晶体管是已知的(专利文献1和2)。[参考文献][专利文献][专利文献1]日本已发表专利申请No.2007-123861[专利文献2]日本已发表专利申请No.2007-096055
技术实现思路
在有源矩阵显示装置中，电路中包含的薄膜晶体管的电特性是重要的，并且显示装置的性能取决于薄膜晶体管的电特性。在薄膜晶体管的电特性之中，阈值电压(以下又称作阈值或Vth)特别重要。甚至当场效应迁移率较高时薄膜晶体管的阈值电压也较高或者为负时，难以控制包括薄膜晶体管的电路。当薄膜晶体管具有高阈值电压以及其阈值电压的大绝对值时，在以低电压驱动薄膜晶体管时薄膜晶体管不能作为TFT来执行开关功能，并且可能是负载。此外，当阈值电压值为负时，电流趋向于在源电极与漏电极之间流动，即使栅极电压为0V，即，薄膜晶体管趋向于常通。在n沟道薄膜晶体管的情况下，优选的薄膜晶体管具有一种结构，其中形成沟道并且漏极电流在施加作为栅极电压的正电压之后开始流动。其中如果不升高驱动电压则不形成沟道的薄膜晶体管以及其中形成沟道并且漏极电流甚至在施加负电压时也流动的薄膜晶体管不适合于电路中使用的薄膜晶体管。例如，在半导体器件中，当电路中包含的薄膜晶体管的特性极大地改变时，因薄膜晶体管的阈值电压的变化而可能引起故障。因此，本专利技术的一个实施例的目的是提供在宽广温度范围中稳定操作的薄膜晶体管以及包括薄膜晶体管的半导体器件。按照本说明书中公开的本专利技术的一个实施例，半导体器件包括：在具有绝缘表面的衬底之上形成的栅电极层；在栅电极层之上形成的栅极绝缘层；在栅极绝缘层之上形成的氧化物半导体层；在氧化物半导体层之上形成的源电极层和漏电极层；以及在栅极绝缘层、氧化物半导体层、源电极层和漏电极层之上形成为与氧化物半导体层的一部分相接触的绝缘层。按照本说明书中公开的本专利技术的另一个实施例，用于制造半导体器件的方法包括下列步骤：在具有绝缘表面的衬底之上形成栅电极层；在栅电极层之上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层之上形成氧化物半导体层；在形成氧化物半导体层之后执行第一热处理；在氧化物半导体层之上形成源电极层和漏电极层；在栅极绝缘层、氧化物半导体、源电极层和漏电极层之上形成与氧化物半导体层的一部分相接触的绝缘层，并且在形成绝缘层之后执行第二热处理。注意，第一热处理优选在氮气氛或稀有气体气氛中执行。另外，第一热处理优选地在大于或等于350℃且小于或等于750℃的温度下执行。第二热处理优选地在空气、氧气氛、氮气氛或者稀有气体气氛中执行。另外，第二热处理优选在大于或等于100℃且小于或等于第一热处理的温度下执行。通过上述结构，能够实现上述目的的至少一个。使用本说明书中所述的氧化物半导体来形成由InMO3(ZnO)m(m＞0)所表示的材料的薄膜，并且制造包括作为氧化物半导体层的薄膜的薄膜晶体管。注意，m不一定为整数。此外，M表示从Ga、Fe、Ni、Mn和Co中选取的一种金属元素或多种金属元素。作为一个示例，M可以是Ga，或者除了Ga之外还可包括上述金属元素，例如，M可以是Ga和Ni或者Ga和Fe。此外，在上述氧化物半导体中，在一些情况下，除了作为M所包含的金属元素之外，还包含诸如Fe或Ni之类的过渡金属元素或者过渡金属的氧化物作为杂质元素。在本说明书中，对于其组成分子式由InMO3(ZnO)m(m＞0)表示的氧化物半导体层，其中包含Ga作为M的氧化物半导体称作In-Ga-Zn-O基氧化物半导体，并且其薄膜称作In-Ga-Zn-O基非单晶膜。作为应用于氧化物半导体层的氧化物半导体，除了上述之外，还能够应用任意下列氧化物半导体：In-Sn-Zn-O基氧化物半导体、In-Al-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Al-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体、In-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Zn-O基氧化物半导体、Al-Zn-O基氧化物半导体、In-O基氧化物半导体、Sn-O基氧化物半导体和Zn-O基氧化物半导体。氧化硅可包含在氧化物半导体层中。当阻止晶化的氧化硅(SiOx(x＞0))包含于氧化物半导体层时，在制造过程中形成氧化物半导体层之后执行热处理的情况下，能够抑制氧化物半导体层的晶化。注意，氧化物半导体层的优选状态是非晶的，或者其部分晶化是可接受的。氧化物半导体优选地是包含In的氧化物半导体，更优选地是包含In和Ga的氧化物半导体。脱水和脱氢在形成i型(本征)氧化物半导体层中是有效的。取决于热处理的条件或者氧化物半导体层的材料，非晶状态的氧化物半导体层可转变为微晶膜或多晶膜。甚至当氧化物半导体层为微晶膜或多晶膜时，也能够得到作为TFT的开关特性。能够制造其阈值电压没有极大地改变并且其电特性是稳定的薄膜晶体管。因此，能够提供包括高度可靠的薄膜晶体管、具有有利电特性的半导体器件。附图说明图1A至图1E是示出半导体器件的制造过程的视图。图2A至图2C是各示出半导体器件的视图。图3A和图3B是分析中使用的样品的示意截面结构图以及示出氧化物半导体层中的氢浓度的分析结果的图表。图4A至图4C是各示出示例1中的薄膜晶体管的电流对电压特性的图表。图5A和图5B是示出示例1中的薄膜晶体管的工作温度与阈值电压之间的关系的表和图表。图6是示出本说明书中如何定义阈值电压的图表。图7A和图7B是半导体器件的框图。图8A和图8B是示出信号线驱动器电路的结构的简图以及示出其操作的时序图。图9A至图9D是各示出移位寄存器的结构的电路图。图10A和图10B是示出移位寄存器的结构的简图以及示出其操作的时序图。图11A-1至图11B是示出半导体器件的视图。图12是示出半导体器件的视图。图13是示出半导体器件的视图。图14是示出半导体器件的像素的等效电路的简图。图15A至图15C是各示出半导体器件的视图。图16A和图16B是示出半导体器件的视图。图17是示出半导体器件的视图。图18是示出半导体器件的视图。图19是示出半导体器件的视图。图20是示出半导体器件的结构的电路图。图21是示出半导体器件的视图。图22是示出半导体器件的视图。图23是示出半导体器件的视图。图24是示出半导体器件的结构的电路图。图25是示出电子书阅读器的示例的视图。图26A和图26B分别是示出电视机的示例的视图以及示出数码相框的示例的视图。图27A和图27B是示出游戏机的示例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，所述半导体装置具有：包含结晶部的氧化物半导体层；栅电极，隔着栅极绝缘膜与所述氧化物半导体层重叠；源电极，与所述氧化物半导体层电连接；漏电极，与所述氧化物半导体层电连接；以及绝缘层，具有与所述氧化物半导体层接触的区域，所述氧化物半导体层具有铟、镓和锌，所述绝缘层在与所述氧化物半导体层接触的区域具有氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝或氮化铝，其中，对所述氧化物半导体层进行第1热处理，对所述绝缘层进行第2热处理，所述第2热处理在100℃以上且所述第1热处理的温度以下进行。

【技术特征摘要】
2009.09.16 JP 2009-215077;2010.02.19 JP 2010-035341.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，所述半导体装置具有：包含结晶部的氧化物半导体层；栅电极，隔着栅极绝缘膜与所述氧化物半导体层重叠；源电极，与所述氧化物半导体层电连接；漏电极，与所述氧化物半导体层电连接；以及绝缘层，具有与所述氧化物半导体层接触的区域，所述氧化物半导体层具有铟、镓和锌，所述绝缘层在与所述氧化物半导体层接触的区域具有氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝或氮化铝，其中，对所述氧化物半导体层进行第1热处理，对所述绝缘层进行第2热处理，所述第2热处理在100℃以上且所述第1热处理的温度以下进行。2.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，所述半导体装置具有：包含结晶部的氧化物半导体层；栅电极，隔着栅极绝缘膜与所述氧化物半导体层重叠；源电极，与所述氧化物半导体层电连接；漏电极，与所述氧化物半导体层电连接；以及绝缘层，具有与所述氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，津吹将志，乡户宏充，
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