半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术为半导体装置及其制造方法。所提供的是一种具有对于其目的而言必要的电特性并且使用氧化物半导体层的晶体管以及一种包括该晶体管的半导体装置。在底栅晶体管(其中至少一个栅电极层、栅绝缘膜和半导体层按照这种顺序堆叠)中，包括其能隙彼此不同的至少两个氧化物半导体层的氧化物半导体堆叠层用作半导体层。氧和/或掺杂剂可添加到氧化物半导体堆叠层。

【技术实现步骤摘要】
半导体装置及其制造方法
本专利技术涉及半导体装置以及用于制造半导体装置的方法。
技术介绍
在本说明书中，半导体装置一般表示能够通过利用半导体特性来起作用的任何装置，并且电子光学装置、半导体电路和电子设备都包含在半导体装置的类别中。已经将注意力集中在用于借助于具有绝缘表面的衬底之上形成的半导体薄膜来形成晶体管的技术(该晶体管又称作薄膜晶体管(TFT))。晶体管已经应用于大范围的电子装置，例如集成电路(IC)或图像显示装置(显示装置)。硅半导体材料被广泛已知是用于可适用于晶体管的半导体薄膜的材料。作为另一种材料，氧化物半导体引起了关注。例如，公开了其活性层包括包含铟(In)、镓(Ga)和锌(Zn)的非晶氧化物的晶体管(参见专利文献1)。[参考文献]专利文献1：日本公布专利申请No.2006-165528。
技术实现思路
晶体管的通态特性(例如通态电流和场效应迁移率)的改进引起对输入信号的高速响应以及半导体装置的高速操作；因此，能够实现具有较高性能的半导体装置。同时，需要晶体管的断态电流充分小，以便获得半导体装置的低功率消耗。如上所述，晶体管所必需的电特性根据其目的或目标而改变，并且以高精度来调整电特性是有用的。本专利技术的一个实施例的一个目的是提供一种晶体管结构及其制造方法，其中将氧化物半导体用于其沟道形成区的晶体管的作为电特性之一的阈值电压能够取正值，从而提供所谓的常断类型的开关元件。优选的是，沟道在晶体管中栅极电压是尽可能接近0V的正阈值电压时的阈值电压下形成。如果晶体管的阈值电压为负，则晶体管趋向于作为所谓的常通类型，其中甚至在0V的栅极电压下电流也在源电极与漏电极之间流动。电路中包含的晶体管的电特性在LSI、CPU或存储器中是重要的，并且支配半导体装置的功率消耗。具体来说，在晶体管的电性质中，阈值电压(Vth)是重要的。如果阈值电压值甚至在场效应迁移率高时也为负，则难以控制电路。其中沟道甚至在负电压下也形成以使得漏极电流流动的这种晶体管不适合作为半导体装置的集成电路中使用的晶体管。此外，重要的是，取决于其材料或制造条件，晶体管的特性甚至在晶体管不是常断晶体管时也接近常断特性。本专利技术的一个实施例的目的是提供一种结构及其制造方法，其中晶体管的阈值电压甚至在阈值电压为负时、即甚至在晶体管是所谓的常通晶体管时也接近零。此外，本专利技术的一个实施例的目的是提供一种结构及其制造方法，其中晶体管的通态特性(例如通态电流和场效应迁移率)增加，从而引起半导体装置的高速响应和高速操作以获得更高性能的半导体装置。本专利技术的一个实施例的目的是提供一种具有其目的所必需的电特性并且使用氧化物半导体层的晶体管，以及提供一种包括该晶体管的半导体装置。本专利技术的一个实施例的目的是实现上述目的中的至少一个。在其中至少栅电极层、栅绝缘膜和半导体层按照这种顺序堆叠的底栅晶体管中，包括其能隙彼此不同的至少两个氧化物半导体层的氧化物半导体堆叠层用作半导体层。氧化物半导体堆叠层可具有由第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层所组成的堆叠结构，在这种情况下，其堆叠顺序不受限制，只要其能隙彼此不同即可：其能隙较大的一个氧化物半导体层或者其能隙较小的另一个氧化物半导体层作为与栅绝缘膜相接触的氧化物半导体层来设置。具体来说，氧化物半导体堆叠层中的一个氧化物半导体层的能隙大于或等于3eV，而另一个氧化物半导体层的能隙小于3eV。术语“能隙”在本说明书中与“带隙”或“禁带宽度”是同义的。氧化物半导体堆叠层可具有由三个或更多氧化物半导体层所组成的堆叠结构，在这种情况下，所有氧化物半导体层的能隙彼此不同，或者三个或更多氧化物半导体层之中的多个氧化物半导体层的能隙彼此基本上相同。例如，氧化物半导体堆叠层具有由第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层和第三氧化物半导体层所组成的堆叠结构，其中第二氧化物半导体层的能隙比第一氧化物半导体层和第三氧化物半导体层的能隙要小，或者第二氧化物半导体层的电子亲合势比第一氧化物半导体层和第三氧化物半导体层的电子亲合势要大。在那种情况下，能隙和电子亲合势在第一氧化物半导体层与第三氧化物半导体层之间能够彼此相等。其中其能隙较小的第二氧化物半导体层由其能隙较大的第一氧化物半导体层和第三氧化物半导体层夹合的堆叠结构使晶体管的断态电流(泄漏电流)能够降低。电子亲合势表示氧化物半导体的真空级与导带之间的能量差。使用氧化物半导体层的晶体管的电性质受到氧化物半导体层的能隙影响。例如，使用氧化物半导体层的晶体管的通态特性(例如通态电流和场效应迁移率)能够随氧化物半导体层的能隙变小而增加，而晶体管的断态电流能够随氧化物半导体层的能隙变大而降低。难以通过单一氧化物半导体层来为晶体管提供适当电特性，这是因为晶体管的电特性主要由氧化物半导体层的能隙来确定。通过使用采用具有不同能隙的多个氧化物半导体层的氧化物半导体堆叠层，晶体管的电特性能够以较高精度来调整，从而为晶体管提供适当电特性。相应地，能够提供用于各种目的、例如高功能性、高可靠性和低功率消耗的半导体装置。本说明书中公开的本专利技术的一个实施例是一种半导体装置，其中包括：栅电极层之上的栅绝缘膜；栅绝缘膜之上与栅电极层重叠的氧化物半导体堆叠层，氧化物半导体堆叠层包括其能隙彼此不同的第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层；以及氧化物半导体堆叠层之上的源电极层和漏电极层。本说明书中公开的本专利技术的一个实施例是一种半导体装置，其中包括：栅电极层之上的栅绝缘膜；栅绝缘膜之上与栅电极层重叠的氧化物半导体堆叠层，包括按照如下顺序堆叠的第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层和第三氧化物半导体层；以及氧化物半导体堆叠层之上的源和漏电极层。第二氧化物半导体层的能隙比第一氧化物半导体层和第三氧化物半导体层的能隙要小。本说明书中公开的本专利技术的一个实施例是一种半导体装置，其中包括：栅电极层之上的栅绝缘膜；栅绝缘膜之上的源和漏电极层；以及栅绝缘膜以及源和漏电极层之上与栅电极层重叠的氧化物半导体堆叠层，包括其能隙彼此不同的第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层。本说明书中公开的本专利技术的一个实施例是一种半导体装置，其中包括：栅电极层之上的栅绝缘膜；栅绝缘膜之上的源和漏电极层；以及栅绝缘膜以及源和漏电极层之上与栅电极层重叠的氧化物半导体堆叠层，包括按照如下顺序堆叠的第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层和第三氧化物半导体层。第二氧化物半导体层的能隙比第一氧化物半导体层和第三氧化物半导体层的能隙要小。在氧化物半导体堆叠层中，上氧化物半导体层可覆盖下氧化物半导体层的顶面和侧面。例如，在上述结构中，第二氧化物半导体层可覆盖第一氧化物半导体层的顶面和侧面，和/或第三氧化物半导体层可覆盖第二氧化物半导体层的顶面和第二氧化物半导体层的侧面(或者第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的相应侧面)。在氧化物半导体堆叠层中，既不与源电极层也不与漏电极层重叠的区域中的氧浓度可比与源电极层或漏电极层重叠的区域中的氧浓度要高。在氧化物半导体堆叠层中，没有与栅电极层重叠的区域可包括掺杂剂以形成低电阻区。本说明书中公开的本专利技术的一个实施例是一种用于制造半导体装置的方法，其中栅绝缘膜在栅电极层之上形成，包括其能隙彼此不同的第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的氧化物半导体堆叠层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，包括：栅电极；所述栅电极之上的栅绝缘膜；所述栅绝缘膜之上的氧化物半导体堆叠层，所述氧化物半导体堆叠层包括：　　所述栅绝缘膜之上的第一氧化物半导体层；以及　　所述第一氧化物半导体层之上的第二氧化物半导体层；以及所述氧化物半导体堆叠层之上的源电极和漏电极，其中，所述第一氧化物半导体层的能隙与所述第二氧化物半导体层的能隙彼此不同。

【技术特征摘要】
2011.07.08 JP 2011-1520991.一种半导体装置，包括：栅电极；所述栅电极之上的栅绝缘膜；所述栅绝缘膜之上的氧化物半导体堆叠层，所述氧化物半导体堆叠层包括：所述栅绝缘膜之上的第一氧化物半导体层；以及所述第一氧化物半导体层之上的第二氧化物半导体层；以及所述氧化物半导体堆叠层之上的源电极和漏电极，其中，所述第一氧化物半导体层的能隙与所述第二氧化物半导体层的能隙彼此不同，以及所述氧化物半导体堆叠层包括其中氧含量比晶态下的氧化物半导体的化学计量组成比中的氧含量要高的区域。2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体层覆盖所述第一氧化物半导体层的顶面和侧面。3.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层包括其中包含掺杂剂的低电阻区。4.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层在所述第一氧化物半导体层与所述第二氧化物半导体层之间包括混合区，其中，所述第一氧化物半导体层包括第一元素，其中，所述第二氧化物半导体层包括第二元素，以及其中，所述混合区包括所述第一元素和所述第二元素。5.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层在所述第二氧化物半导体层之上包括第三氧化物半导体层；以及其中，所述第二氧化物半导体层的能隙小于所述第三氧化物半导体层的能隙。6.如权利要求5所述的半导体装置，其中，所述第三氧化物半导体层覆盖所述第一氧化物半导体层的侧面以及所述第二氧化物半导体层的顶面和侧面。7.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层包括其中包含c轴配向的晶体。8.一种半导体装置，包括：栅电极；所述栅电极之上的栅绝缘膜；所述栅绝缘膜之上的源电极和漏电极；以及所述源电极和所述漏电极之上的氧化物半导体堆叠层，所述氧化物半导体堆叠层包括：第一氧化物半导体层；以及所述第一氧化物半导体层之上的第二氧化物半导体层，其中，所述第一氧化物半导体层的能隙与所述第二氧化物半导体层的能隙彼此不同，以及所述氧化物半导体堆叠层包括其中氧含量比晶态下的氧化物半导体的化学计量组成比中的氧含量要高的区域。9.如权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物半导体层覆盖所述第一氧化物半导体层的顶面和侧面。10.如权利要求8所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层包括其中包含掺杂剂的低电阻区。11.如权利要求8所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层包括所述第一氧化物半导体层与所述第二氧化物半导体层之间的混合区，其中，所述第一氧化物半导体层包括第一元素，其中，所述第二氧化物半导体层包括第二元素，以及其中，所述混合区包括所述第一元素和所述第二元素。12.如权利要求8所述的半导体装置，其中，所述氧化物半导体堆叠层在所述第二氧化物半导体层之上包括第三氧化物半导体层，其中，所述第二氧化物半导体层的能隙小于所述第三氧化物半导体层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，筱原聪始，
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：