半导体装置和及其制造方法制造方法及图纸

公开了一种包括薄膜晶体管和连接至该薄膜晶体管的布线的半导体装置，其中，该薄膜晶体管具有处于氧化物半导体层中的沟道形成区，并且将铜金属用于栅极电极、源极电极、漏极电极、栅极布线、源极布线以及漏极布线中的至少一个。具有氧化物半导体层的晶体管的极其低的截止电流有助于降低半导体装置的功耗。另外，使用铜金属允许半导体装置与显示元件的组合，从而提供具有由利用铜金属形成的布线和电极的低电阻而产生的高显示质量和可忽略缺陷的显示装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括半导体元件的半导体装置及其制造方法。应注意到，本说明书中的半导体装置指示可以利用半导体特性来操作的所有装置，和诸如晶体管的半导体元件；并且包括该半导体元件的光电装置、半导体电路、以及电 子器具都被包括在半导体装置的类别中。
技术介绍
近年来，利用氧化物半导体作为半导体材料来制造晶体管并且将该晶体管应用于半导体电路、1C、光电装置、电子器具等的技术已经引起了关注。例如，专利文献I和专利文献2公开了这样一种技术，即，利用包括处于具有绝缘表面的基板上的氧化锌、In-Ga-Zn-O类氧化物半导体等的半导体薄膜(厚度大约几纳米至几百纳米)来制造薄膜晶体管(还称为TFT)，并且将该TFT用于图像显示装置的切换元件。常规晶体管主要利用诸如非晶硅或多晶硅的半导体材料来制造。利用非晶硅的TFT具有低电场效应迁移率，但可以相对容易地响应于诸如玻璃基板的制造基板的尺寸增力口。另一方面，利用多晶硅的TFT具有高电场效应迁移率，但需要诸如激光退火的结晶步骤，并且不总是可以适合于诸如玻璃基板的制造基板的尺寸增加。与此相反，其中将沟道形成区(还称为沟道区)设置在氧化物半导体中的TFT可以具有比利用非晶硅的TFT更高的场效应迁移率。而且，氧化物半导体膜可以通过溅射方法等来形成。利用氧化物半导体的TFT的制造处理比利用多晶硅的TFT的制造处理简单，并且容易响应于制造基板的尺寸增加。可以被用于玻璃基板、塑料基板等上的高性能晶体管的氧化物半导体希望被应用于诸如液晶显示器、电致发光显示器(还称为EL显示器)、以及电子纸的显示装置。具体来说，存在以液晶显示装置为代表的有源矩阵半导体装置趋于更大屏幕(例如，对角线60英寸的屏幕)的趋势，并且进一步地，开发有源矩阵半导体装置甚至瞄准了对角线120英寸或更大的屏幕尺寸。另外，屏幕分辨率趋于更高的清晰度，例如，高清(HD)图像质量(1366 X 768)或全高清(FHD)图像质量(1920 X 1080)，还急需开发所谓的4K数字电影显示装置，其具有3840X2048或4096X2180的分辨率。随着显示装置具有更大的尺寸和更高的清晰度，该显示装置所需像素数显著增力口。结果，针对一个像素的写入时间需要降低，并由此，像素中设置的晶体管需要具有高速操作特性、大导通电流等。同时，近年来，能源枯竭的问题已经导致对功耗得到抑制的显示装置的需求。因此，还需要晶体管具有低截止电流并且抑制不必要的泄漏电流。如上所述，希望晶体管具有高的导通电流相对于截止电流的比率。专利文献3公开了一种晶体管利用其中导通电流相对于截止电流的比率被增加至大约IO3的氧化物半导体的技术。屏幕尺寸或清晰度的增加往往增加显示部分的布线电阻。布线电阻的增加造成针对信号线末端部分的信号传送延迟，电源线的电压下降等。结果，造成了显示质量的劣化，如显示不均匀或灰度级缺陷，或者功耗增加。为了抑制布线电阻的增加，已经考虑了利用铜(Cu)来形成低电阻布线层的技术(例如，参见专利文献4或5)日本公开专利申请No.2007-123861日本公开专利申请No.2007-096055日本公开专利申请No.2007-134496日本公开专利申请No.2004-133422日本公开专利申请No.2004-16390
技术实现思路
在将因电阻而造成的延迟识别为问题的半导体装置中，如同大型显示装置一样，需要降低布线电阻，并且，例如，考虑使用铜布线的方法。然而，在包括容易响应于制造基板的尺寸增加并且具有电场效应迁移率的氧化物半导体的晶体管中，当将氧化物半导体连接至具有低布线电阻的铜布线时，导致这样的问题，即，导通电流相对于截止电流的比率不足并且保持在大约IO3的数值。另外，存在的另一问题在于，杂质在长期使用之后从外部进入晶体管内部，从而导致诸如阈值的晶体管特性的改变。本专利技术一个实施例的目的是提供一种防止由于因布线电阻而造成的电压下降或信号延迟所导致的针对晶体管的信号写入的缺陷的半导体装置。例如，一个目的是提供一种显示装置，其通过防止因对于设置在该显示装置的显示器中的晶体管的写入的缺陷而造成的灰度级的缺陷来实现高显示质量。本专利技术一个实施例的另一目的是实现半导体装置的高速操作。本专利技术一个实施例的另一目的是实现半导体装置功耗的降低。本专利技术一个实施例的另一目的是提供一种稳定地操作的晶体管和包括该晶体管的半导体装置。本专利技术一个实施例的另一目的是实现具有极好的生产率的半导体装置。本专利技术一个实施例的另一目的是实现具有较高可靠性的半导体装置。制造这样一种晶体管，其中，具有低布线电阻的包括铜的布线连接至具有宽带隙和降低的载流子浓度的高度纯化的氧化物半导体。使用具有宽带隙的氧化物半导体能够降低晶体管的截止电流。另外，当这种氧化物半导体被高度纯化并且具有降低的载流子浓度时，晶体管具有正阈值电压。即，使用具有宽带隙和降低的载流子浓度的高度纯化的氧化物半导体，可以提供所谓的常断晶体管，以使得截止电流与导通电流之间的比率更高。为了实现上述目的，在本专利技术的一个实施例中，将包括具有高导电性的铜的导电膜用作源极布线、栅极布线，以及源极和漏极电极的主要组分。另外，将导电膜与高度纯化并且具有降低的载流子浓度的氧化物半导体层连接。而且，包括氧化物半导体的晶体管可以通过利用绝缘膜包围来密封。本专利技术的一个实施例是一种半导体装置，其包括处于基板上的、包括氮化硅的绝缘基膜，处于基膜上的、利用第一导电层形成的栅极电极，处于栅极电极上的、包括氮化硅的第一绝缘层，处于第一绝缘层上的被高度纯化的氧化物半导体层，与高度纯化的氧化物半导体层相接触的、具有处于栅极电极上并与其交叠的端部部分并且利用第二导电层形成的源极电极和漏极电极，处于第二导电层和高度纯化的氧化物半导体层上的、包括氮化硅的第二绝缘层，利用第一导电层形成的栅极布线，以及利用第二导电层形成的源极布线。第一导电层包括包含铜作为主要组分的导电层，并且第二导电层包括包括铜作为主要组分的导电层。高度纯化的氧化物半导体层的载流子浓度低于I X 1012cm_3。此外，本专利技术一个实施例是上述半导体装置，其中，包含铜作为主要组分(其被包括在第二导电层中)的导电层连接至高度纯化的氧化物半导体层，具有导电性的金属氮化物介于导电层和氧化物半导体层之间。此外，本专利技术的一个实施例是上述半导体装置，其中，利用第一导电层形成的栅极布线和利用第二导电层形成的源极布线彼此相交，高度纯化的氧化物半导体层介于它们之间。 此外，本专利技术的一个实施例是上述半导体装置，其中，基膜和第一绝缘层被设置成包围第一导电层并且彼此相接触，并且第一绝缘层和第二绝缘层被设置成包围氧化物半导体层和第二导电层并且彼此相接触。第一绝缘层和第二绝缘层可以包含相同材料。本专利技术一个实施例是一种用于制造半导体装置的方法，该方法包括以下步骤在基板上形成包括氮化硅的绝缘基膜；在基膜上形成利用第一导电层形成的栅极电极和栅极布线；在第一导电层上形成包括氮化硅的第一绝缘层；在第一绝缘层上形成氧化物半导体层；在氮气氛中将其上设置有氧化物半导体层的基板加热至大于等于350° C且小于等于700° C的温度；在加热之后，在包含氧的干燥空气中，冷却其上设置有氧化物半导体层的基板；在第一绝缘层上形成源极电极、漏极电极以及源极布线，该源极电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，细羽幸，平石铃之介，
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：