TW201701483A - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明一個實施例提供一種電特性良好的半導體裝置及其製造方法。一種電晶體，包括：形成在絕緣層上的氧化物半導體層；與氧化物半導體層的一部分重疊的源極電極層及汲極電極層；與氧化物半導體層的一部分接觸的閘極絕緣層；以及閘極絕緣層上的閘極電極層，其中在源極電極層與氧化物半導體層以及汲極電極層與氧化物半導體層各個之間形成具有n型導電型的緩衝層，因此降低寄生電阻，從而提高電晶體的導通電流特性。

Description

半導體裝置及其製造方法
本發明關於一種使用氧化物半導體的半導體裝置及其製造方法。
本說明書中的半導體裝置是指能藉由利用半導體特性工作的所有裝置。例如，電晶體是半導體裝置，包括該電晶體的液晶顯示裝置或發光裝置等電光裝置、半導體電路及電子裝置等都是半導體裝置。
藉由使用形成在具有絕緣表面的基板上的半導體薄膜構成電晶體的技術受到注目。該電晶體被廣泛地應用於電子裝置諸如積體電路(IC)、影像顯示裝置(顯示裝置)等。作為可以應用於電晶體的半導體薄膜，眾所周知矽類半導體材料。但是，作為其他材料，氧化物半導體受到注目。
例如，作為電晶體的啟動層，公開有使用電子載子濃度低於1018/cm3的包含銦(In)、鎵(Ga)及鋅(Zn)的非晶氧化物的電晶體(參照專利文獻1)。
此外，使用氧化物半導體的電晶體的工作速度比使用非晶矽的電晶體的工作速度快，並且該電晶體可以構成顯示裝置的驅動電路或高速的儲存電路等。
〔專利文獻1〕日本專利申請公開第2006-165528號公報
例如，用於顯示裝置的驅動電路的電晶體被要求進行高速工作。尤其是，顯示部的精細度越高顯示影像的寫入時間越短，所以作為用於驅動電路的電晶體被要求其導通電流高且能夠進行高速工作。
因此，本發明的一個實施例的目的之一是提供一種導通電流高且能夠進行高速工作的電晶體及其製造方法。另外，本發明的一個實施例的目的之一是提供一種包括該電晶體的半導體裝置。
本說明書所公開的本發明的一個實施例是如下方式：藉由在電晶體的通道形成區的氧化物半導體層與源極電極或汲極電極的金屬層之間形成具有n型導電型的緩衝層，降低寄生電阻，並提高電晶體的導通電流特性。
本說明書所公開的本發明的一個實施例是一種半導體裝置，包括：形成在絕緣層上的氧化物半導體層；與氧化物半導體層的一部分重疊的源極電極層及汲極電極層；與氧化物半導體層的一部分接觸的閘極絕緣層；以及閘極絕緣層上的閘極電極層，其中，在源極電極層與氧化物半導 體層以及汲極電極層與氧化物半導體層各個之間形成有具有n型導電型的緩衝層。
上述源極電極層及汲極電極層可以使用以選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、鎢中的元素為主要成分的單膜、合金膜或這些的疊層膜。
此外，上述緩衝層使用選自氧化銦、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化錫、氧化鋅、氧化錫鋅中的一種金屬氧化物或在該金屬氧化物中包含選自鋁、鎵、矽中的一種或更多種的元素的材料。藉由採用該結構，可以降低源極電極層及汲極電極層與氧化物半導體層之間的寄生電阻。
此外，本說明書所公開的本發明的另一個實施例是一種半導體裝置的製造方法，包括如下步驟：在具有絕緣表面的基板上形成絕緣層；在絕緣層上將氧化物半導體層形成為島狀；在氧化物半導體層上形成具有n型導電型的緩衝層及金屬層；對緩衝層及金屬層選擇性地進行蝕刻來與氧化物半導體層的一部分重疊地形成由緩衝層及金屬層形成的源極區及汲極區；覆蓋氧化物半導體層、源極區及汲極區地形成閘極絕緣層；以及在閘極絕緣層上與氧化物半導體層的一部分重疊地形成閘極電極層。
根據本發明的一個實施例可以降低氧化物半導體層與用作源極電極層及汲極電極層的金屬層之間的寄生電阻。從而，可以提供一種包括導通電流提高且能夠進行高速工作的電晶體的半導體裝置及其製造方法。
100‧‧‧基板
102‧‧‧絕緣層
106‧‧‧氧化物半導體層
107a‧‧‧緩衝層
107b‧‧‧緩衝層
108a‧‧‧源極電極層
108b‧‧‧汲極電極層
112‧‧‧閘極絕緣層
114‧‧‧閘極電極層
151‧‧‧電晶體
201‧‧‧基板
202‧‧‧像素部
203‧‧‧信號線驅動電路
204‧‧‧掃描線驅動電路
205‧‧‧密封材料
206‧‧‧基板
208‧‧‧液晶層
210‧‧‧電晶體
211‧‧‧電晶體
213‧‧‧液晶元件
215‧‧‧連接端子電極
216‧‧‧端子電極
218‧‧‧FPC
218a‧‧‧FPC
218b‧‧‧FPC
219‧‧‧各向異性導電層
221‧‧‧絕緣層
230‧‧‧電極層
231‧‧‧電極層
232‧‧‧絕緣層
233‧‧‧絕緣層
235‧‧‧間隔物
236‧‧‧遮光層
237‧‧‧濾色片
238a‧‧‧遮光層
238b‧‧‧遮光層
240‧‧‧分隔壁
241‧‧‧電致發光層
243‧‧‧發光元件
244‧‧‧填充材料
252‧‧‧空洞
253‧‧‧球形粒子
254‧‧‧填充材料
255a‧‧‧黑色區域
255b‧‧‧白色區域
301‧‧‧主體
302‧‧‧外殼
303‧‧‧顯示部
304‧‧‧鍵盤
311‧‧‧主體
312‧‧‧觸屏筆
313‧‧‧顯示部
314‧‧‧操作按鈕
315‧‧‧外部介面
320‧‧‧電子書閱讀器
321‧‧‧外殼
322‧‧‧外殼
323‧‧‧顯示部
324‧‧‧顯示部
325‧‧‧軸部
326‧‧‧電源
327‧‧‧操作鍵
328‧‧‧揚聲器
330‧‧‧外殼
331‧‧‧外殼
332‧‧‧顯示面板
333‧‧‧揚聲器
334‧‧‧麥克風
335‧‧‧操作鍵
336‧‧‧指向裝置
337‧‧‧影像拍攝裝置
338‧‧‧外部連接端子
340‧‧‧太陽能電池
341‧‧‧外部儲存槽
351‧‧‧主體
353‧‧‧取景器
354‧‧‧操作開關
355‧‧‧顯示部B
356‧‧‧電池
357‧‧‧顯示部A
360‧‧‧電視裝置
361‧‧‧外殼
363‧‧‧顯示部
365‧‧‧支架
在圖式中：圖1A是說明半導體裝置的平面圖，圖1B及1C是說明半導體裝置的剖面圖；圖2A至2E是說明半導體裝置的製造方法的製程剖面圖；圖3A至3C是說明半導體裝置的一個實施例的平面圖；圖4是說明半導體裝置的一個實施例的剖面圖；圖5是說明半導體裝置的一個實施例的剖面圖；圖6是說明半導體裝置的一個實施例的剖面圖；圖7A至7F是示出電子裝置的圖；圖8A至8C是說明半導體裝置的剖面圖；圖9A至9C示出施加負閘極BT壓力前後的電晶體的I-V特性；圖10示出科學計算的模型及施加負閘極BT壓力時的電場強度分佈；圖11示出固定負電荷時的電晶體的I-V特性及電流密度分佈(汲電壓+0.1V時)；圖12示出固定負電荷時的電晶體的I-V特性及電流密度分佈(汲電壓+3V時)；圖13A和13B是具有緩衝層的電晶體的剖面TEM照片及其示意圖。
下面，關於本發明的實施例參照圖式給予詳細的說明。但是，本發明不侷限於以下說明，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實，就是其方式和詳細內容可以被變換為各種各樣的形式。另外，本發明不應該被解釋為僅限於以下所示的實施例所記載的內容。注意，當參照圖式發明結構之際，在不同的圖式中也共同使用相同的圖式標記來表示相同的部分。另外，也有如下情況：當表示相同的部分時使用相同的陰影線，而不特別附加圖式標記。
注意，為方便起見，附加了第一、第二等序數詞，而該序數詞並不表示製程順序或疊層順序。此外，該序數詞在本說明書中不表示用來特定發明的事項的固有名稱。
實施例1
在本實施例中說明本發明的一個實施例的半導體裝置及半導體裝置的製造方法的一個實施例。
在圖1A至1C中，作為本發明的一個實施例的半導體裝置的例子示出頂閘型電晶體的平面圖及剖面圖。在此，圖1A是俯視圖，並且圖1B及1C分別是沿著圖1A中的A-B剖面及C-D剖面的剖面圖。此外，電晶體151由於源極區及汲極區與半導體層的上部接觸地形成，所以被稱為頂閘型，也被稱為頂接觸型。
圖1A至1C所示的電晶體151在基板100上包括： 絕緣層102；氧化物半導體層106；源極電極層108a；汲極電極層108b；閘極絕緣層112；以及閘極電極層114。在此，在氧化物半導體層106與源極電極層108a以及氧化物半導體層106與汲極電極層108b各個之間形成有緩衝層107a、107b。此外，在本說明書中，為了容易進行說明，有時以源極電極層108a、緩衝層107a為一體而稱為源極區，並且以汲極電極層108b、緩衝層107b為一體而稱為汲極區。此外，在本實施例中的使用氧化物半導體層的電晶體為n通道型電晶體。
另外，電晶體151也可以採用圖8A、8B、8C的剖面圖所示那樣的結構。圖8A示出將氧化物半導體層106中的通道形成區形成為薄的結構。圖8B示出在緩衝層107a、107b上以具有臺階的方式形成主動電極層108a、汲極電極層108b的結構。圖8C示出組合圖8A及圖8B的結構。這些結構的電晶體具有與圖1B的剖面圖所示的結構的電晶體相等的電特性。
作為絕緣層102的材料，可以使用氧化矽、氧氮化矽、GaxAl2-xO3+y(0x2，0<y<1，x為大於或等於0且小於或等於2的值，y為大於0且小於1的值)所示的氧化鋁、氧化鎵、氧化鎵鋁或它們的混合材料等。另外，也可以使用上述材料與氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化鋁或它們的混合材料等的疊層作為絕緣層102。例如，藉由絕緣層102採用氮化矽層和氮化矽層的疊層結構，可以防止水分從基板等混入到電晶體151中。 在以疊層結構形成絕緣層102時，與氧化物半導體層106接觸一側較佳使用氧化矽、氧氮化矽、氧化鋁、它們的混合材料等的氧化物層。另外，將絕緣層102用作電晶體151的基底層。
所使用的氧化物半導體較佳至少包含銦(In)或鋅(Zn)。尤其是較佳包含In及Zn。此外，作為用來降低使用該氧化物半導體而成的電晶體的電特性的不均勻的穩定劑，除了上述元素以外較佳還包含鎵(Ga)。此外，作為穩定劑較佳包含錫(Sn)。另外，作為穩定劑較佳包含鉿(Hf)。此外，作為穩定劑較佳包含鋁(Al)。
此外，作為其他穩定劑，也可以包含鑭系元素的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)中的一種或多種。
例如，作為氧化物半導體，可以使用如下材料：氧化銦；氧化錫；氧化鋅；二元金屬氧化物的In-Zn-O類材料、Sn-Zn-O類材料、Al-Zn-O類材料、Zn-Mg-O類材料、Sn-Mg-O類材料、In-Mg-O類材料、In-Ga-O類材料；三元金屬氧化物的In-Ga-Zn-O類材料(也稱為IGZO)、In-Al-Zn-O類材料、In-Sn-Zn-O類材料、Sn-Ga-Zn-O類材料、Al-Ga-Zn-O類材料、Sn-Al-Zn-O類材料、In-Hf-Zn-O類材料、In-La-Zn-O類材料、In-Ce-Zn-O類材料、In-Pr-Zn-O類材料、In-Nd-Zn-O類材料、In-Sm- Zn-O類材料、In-Eu-Zn-O類材料、In-Gd-Zn-O類材料、In-Tb-Zn-O類材料、In-Dy-Zn-O類材料、In-Ho-Zn-O類材料、In-Er-Zn-O類材料、In-Tm-Zn-O類材料、In-Yb-Zn-O類材料、In-Lu-Zn-O類材料；四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O類材料、In-Hf-Ga-Zn-O類材料、In-Al-Ga-Zn-O類材料、In-Sn-Al-Zn-O類材料、In-Sn-Hf-Zn-O類材料、In-Hf-Al-Zn-O類材料。
此外，在此，例如，In-Ga-Zn-O类材料是指具有以In、Ga、Zn為主要成分的氧化物，對In、Ga、Zn的比率沒有限制。此外，也可以包含In、Ga、Zn以外的金屬元素。
此外，氧化物半導體層可以由使用以化學式InMO3(ZnO)m(m>0，且m不是整數)為表示的材料的薄膜形成。在此，M示出選自Zn、Ga、Al、Mn及Co中的一種或多種金屬元素。例如，作為M，可以使用Ga、Ga及Al、Ga及Mn或Ga及Co等。
例如，可以使用In：Ga：Zn=1：1：1(=1/3：1/3：1/3)或In：Ga：Zn=2：2：1(=2/5：2/5：1/5)的原子比的In-Ga-Zn-O类材料或具有近於上述原子比的原子比的氧化物。或者，較佳使用In：Sn：Zn=1：1：1(=1/3：1/3：1/3)、In：Sn：Zn=2：1：3(=1/3：1/6：1/2)或In：Sn：Zn=2：1：5(=1/4：1/8：5/8)的原子比的In-Sn-Zn-O類材料或具有近於上述原子比的原子比的氧化物。
氧化物半導體可以為單晶或非單晶。在採用後者時， 可以採用非晶或多晶。另外，可以採用在非晶中包括具有結晶性的部分的結構或非晶。
非晶狀態的氧化物半導體由於可以比較容易地得到平坦的表面，所以可以減少使用該氧化物半導體製造電晶體時的介面散亂，可以比較容易得到較高的遷移率。
另外，在具有結晶性的氧化物半導體中可以進一步降低塊缺陷，在提高表面的平坦性時可以得到非晶狀態的氧化物半導體以上的遷移率。為了提高表面的平坦性，較佳在平坦的表面上形成氧化物半導體。明確而言，在平均面粗糙度(Ra)為小於或等於1nm，較佳為小於或等於0.3nm，更佳為小於或等於0.1nm的表面上形成氧化物半導體。
藉由使氧化物半導體層與基底的氧化物絕緣層接觸，可以降低絕緣層102與氧化物半導體層106之間的介面態及氧化物半導體層106中的氧缺陷。藉由上述介面態及氧缺陷的降低，可以減小電晶體151中的臨界值電壓的隨時間的變化。
在電晶體151的源極區及汲極區中，在與氧化物半導體層106接觸的一側上形成具有n型導電型的緩衝層107a、107b。藉由形成該緩衝層，可以降低在氧化物半導體層106與源極電極層108a以及氧化物半導體層106與汲極電極層108b各個之間的寄生電阻，並可以增加電晶體的導通電流，並可以提高電路的頻率特性。尤其是在電晶體的通道長度為小於或等於5μm時顯然出現上述效 果。此外，在此寄生電阻的降低的主要原因是在氧化物半導體層106與源極電極層108a或汲極電極層108b之間的接觸電阻下降。
作為可用於具有n型導電型的緩衝層107a、107b的典型材料，有氧化銦(In-O類材料)、氧化銦錫(In-Sn-O類材料)、氧化銦鋅(In-Zn-O類材料)、氧化錫(Sn-O類材料)、氧化鋅(Zn-O類材料)、氧化錫鋅(Sn-Zn-O類材料)等金屬氧化物，也可以在上述材料中包含選自鋁(Al)、鎵(Ga)、矽(Si)中的一種或更多種的元素。另外，氧化鈦(Ti-O類材料)、氧化鈦鈮(Ti-Nb-O類材料)、氧化鉬、(Mo-O類材料)、氧化鎢(W-O類材料)、氧化鎂(Mg-O類材料)、氧化鈣(Ca-O類材料)、氧化鎵(Ga-O類材料)等。此外，也可以在上述材料中包含氮(N)。
作為用於源極電極層108a及汲極電極層108b的金屬層，例如可以使用含有選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、鎢中的元素的金屬膜、以上述元素為成分的合金膜(氮化鈦膜、氮化鉬膜、氮化鎢膜)或這些的疊層。例如，還可以採用在鋁、銅等的金屬膜的一個面或兩個面層疊鈦、鉬、鎢等的高熔點金屬膜或它們的氮化膜(氮化鈦膜、氮化鉬膜、氮化鎢膜等)的結構。
另外，在源極電極及汲極電極與閘極絕緣層接觸的結構中，為了防止降低閘極絕緣層的耐壓，較佳將抽出氧的作用較弱的金屬膜用於源極電極及汲極電極。作為該金屬 膜，例如可以使用鉬或鎢等。但是在源極電極及汲極電極為疊層時，至少與閘極絕緣層接觸的一側為該金屬膜即可。
閘極絕緣層112可以藉由電漿CVD法或濺射法等使用氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁、氧化鉿、氧化鎵、氧化鑭或這些的混合材料形成。另外，閘極絕緣層112不僅是單層，也可以是上述多種材料的疊層。
另外，作為閘極絕緣層112較佳使用包含與氧化物半導體層相同種類的成分的絕緣材料。這種材料可以使與氧化物半導體層的介面保持良好狀態。在此，“與氧化物半導體層相同種類的成分”是指包含選自氧化物半導體層的構成元素中的一種或多種元素。例如，當氧化物半導體層由In-Ga-Zn類氧化物半導體材料構成時，作為包含相同種類的成分的絕緣材料，有氧化鎵等。
閘極電極層114可以使用鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹、鈧等的金屬材料、它們的氮化物或以上述金屬材料為主要成分的合金材料形成。另外，閘極電極層114既可以採用單層結構，又可以採用上述材料的疊層結構。
另外，雖然未圖示，但是也可以在電晶體151上設置有絕緣層。該絕緣層可以使用與絕緣層102同樣的材料。另外，也可以在閘極絕緣層112等中形成有開口，以使源極電極層108a或汲極電極層108b與佈線電連接。此外，也可以在氧化物半導體層106的下方具有第二閘極電極。 此外，較佳將氧化物半導體層106加工為島狀，但也可以不加工為島狀。
接著，對圖1A至1C所示的電晶體151的製造製程的例子進行說明。
首先，在具有絕緣表面的基板100上形成成為基底膜的絕緣層102(參照圖2A)。絕緣層102具有防止雜質元素從基板100擴散的功能，可以使用選自氮化矽膜、氧化矽膜、氮氧化矽膜、氧氮化矽膜或以GaxAl2-xO3+y(0x2，0<y<1，x為大於或等於0且小於或等於2的值，y為大於0且小於1的值)表示的氧化鋁、氧化鎵、氧化鎵鋁中的膜。此外，該基底膜不侷限於單層，也可以採用上述的多種膜的疊層。
在此，作為基板100可以使用至少對於後面的熱處理具有耐熱性的基板。例如，可以使用玻璃基板如硼矽酸鋇玻璃和硼矽酸鋁玻璃等、陶瓷基板、石英基板、藍寶石基板等。另外，作為基板100，也可以使用矽或碳化矽等的單晶半導體基板、多晶半導體基板、矽鍺等的化合物半導體基板或SOI基板等。
另外，作為基板100也可以使用撓性基板。或者，也可以使用設置有分離層的基板。在採用後者時，也可以在根據以下所公開的方法製造包括氧化物半導體層的電晶體之後轉置到撓性基板。
接著，在絕緣層102上形成厚度為大於或等於2nm且小於或等於200nm，較佳為大於或等於5nm且小於或等 於30nm的氧化物半導體膜。
作為用於該氧化物半導體膜的氧化物半導體，如上所述那樣可以使用化學式InMO3(ZnO)m(m>0且m不是整數)所表示的膜。在此，藉由濺射法形成In-Ga-Zn-O膜。
作為用於上述濺射法的成膜用靶材，例如可以使用組成比為In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：1〔莫耳數比〕的金屬氧化物。此外，也可以使用具有In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2〔莫耳數比〕的金屬氧化物。
另外，當作為氧化物半導體使用In-Zn-O類材料時，將所使用的靶材的組成比設定為使原子數比為In：Zn=50：1至1：2(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=25：1至1：4)，較佳為In：Zn=20：1至1：1(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=10：1至1：2)，更佳為In：Zn=1.5：1至15：1(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=3：4至15：2)。例如，作為用於形成In-Zn-O類氧化物半導體的靶材，當原子數比為In：Zn：O=X：Y：Z時，滿足Z>1.5X+Y的關係。
另外，較佳在作為氧化物半導體使用In-Sn-Zn-O類材料時，將所使用的靶材的組成比設定為使原子數比為In：Sn：Zn=2：1：3。
此外，成膜用靶材的填充率為大於或等於90%且小於或等於100%，較佳為大於或等於95%且小於或等於100%。藉由使用高填充率的成膜用靶材，可以使所形成的氧化物半導體膜成為緻密的膜。
另外，作為濺射氣體，可以使用稀有氣體(典型的是氬)、氧或稀有氣體和氧的混合氣體。作為該濺射氣體，較佳使用氫、水、羥基或氫化物等的雜質被去除了的高純度氣體。
較佳邊加熱基板邊形成氧化物半導體膜。藉由在維持減壓狀態的沉積室內基底基板，並且將基板溫度設定為高於或等於100℃且低於或等於600℃，較佳為高於或等於200℃且低於或等於400℃形成氧化物半導體膜，可以減少氧化物半導體膜所包含的雜質濃度。
另外，為了去除殘留在沉積室內的水分，較佳使用吸附型真空泵，例如，低溫泵、離子泵、鈦昇華泵。另外，作為排氣單元，也可以使用設置有冷阱的渦輪分子泵。在使用低溫泵進行排氣的沉積室中，例如對氫原子、水等的包含氫原子的化合物及包含碳原子的化合物等進行排氣，所以可以降低在該沉積室中形成的氧化物半導體膜所包含的雜質濃度。
作為成膜條件的一例，可以採用如下條件：基板與靶材之間的距離為100mm；壓力為0.6Pa；直流(DC)電源為0.5kW；氧(氧流量比率為100%)氣圍。另外，當使用脈衝直流電源時，可以減少成膜時產生的粉狀物質(也稱為微粒、塵屑)，並且膜厚度分佈也變得均勻。
接著，藉由第一光刻製程及蝕刻製程將氧化物半導體膜加工為島狀的氧化物半導體層106(參照圖2B)。
另外，也可以藉由噴墨法形成用於光刻製程的抗蝕劑 掩模。因為在噴墨法中不使用光掩模，所以可以減少製造成本。
在此，作為氧化物半導體膜的蝕刻，可以採用乾蝕刻或濕蝕刻。此外，也可以使用兩者。例如，作為用於氧化物半導體膜的濕蝕刻的蝕刻液，可以使用磷酸、醋酸以及硝酸的混合溶液等。此外，也可以使用ITO-07N(關東化學株式會社製造)。
接著，藉由第一熱處理對氧化物半導體層106進行脫水化或脫氫化。在本說明書中，脫水化或脫氫化不僅包括使水、氫分子脫離的情況，而且還包括使氫原子、羥基等脫離的情況。
藉由該熱處理，可以去除過量的氫(包括水或羥基)降低氧化物半導體層106的能隙中的雜質能階。將熱處理的溫度設定為高於或等於250℃且低於或等於650℃，較佳為高於或等於350℃且低於或等於500℃，更佳為高於或等於390℃且低於或等於460℃。另外，只要是在上述適當的溫度範圍內的處理溫度下，就進行一個小時左右的熱處理，即可。另外，作為該熱處理也可以進行如下處理：在惰性氣體(氮、氦、氖或氬等)氣圍下，溫度為高於或等於500℃且低於或等於750℃(或玻璃基板的應變點以下的溫度)，時間為大於或等於1分鐘且小於或等於10分鐘，較佳的是650℃，大於或等於3分鐘且小於或等於6分鐘的RTA(快速熱退火：Rapid Thermal Annealing)處理。實施者適當地決定這些熱處理方法， 即可。另外，用來進行該氧化物半導體層106的脫水化或脫氫化的加熱處理不侷限於上述時序，也可以在光刻製程或成膜製程的前後等多次進行。另外，在此，也可以在含氧的氣圍下進行熱處理。
另外，也可以對加工為島狀的氧化物半導體層之前的氧化物半導體膜進行氧化物半導體的熱處理。在此情況下，在熱處理之後進行光刻製程。此外，只要在形成氧化物半導體之後就也可以在島狀的氧化物半導體層上層疊源極電極層及汲極電極層之後進行熱處理。
接著，在絕緣層102、氧化物半導體層106上形成緩衝層及金屬層。緩衝層及金屬層可以使用上述材料，在此藉由濺射法作為緩衝層形成氧化銦錫，作為金屬層形成鎢的單層。
接著，藉由第二光刻製程在金屬層上形成抗蝕劑掩模，選擇性地進行蝕刻形成構成源極區的緩衝層107a及源極電極層108a、構成汲極區的緩衝層107b及汲極電極層108b，然後去除抗蝕劑掩模(參照圖2C)。
另外，在形成源極區及汲極區時，較佳氧化物半導體層106儘量不受到蝕刻。然而，難以得到只對金屬層及緩衝層進行蝕刻的條件，有時當對金屬層及緩衝層進行蝕刻時氧化物半導體層106的一部分被蝕刻，而成為具有槽部(凹部)的氧化物半導體層。此外，也可以在緩衝層107a、107b上以具有臺階的方式形成主動電極層108a、汲極電極層108b。
接著，在源極區、汲極區及氧化物半導體層106上形成閘極絕緣層112(參照圖2D)。在此，藉由濺射法形成氧化矽作為閘極絕緣層112。
另外，作為閘極絕緣層112的形成方法，也可以利用使用微波(例如，頻率為2.45GHz)的高密度電漿CVD，該方法能夠形成緻密且絕緣耐壓高的高品質絕緣層。藉由使氧化物半導體層與高品質的閘極絕緣層密接，可以降低介面態。
另外，也可以使用藉由成膜後的熱處理改變閘極絕緣層的膜質及與氧化物半導體層之間的介面特性的絕緣層。總之，作為閘極絕緣層112，較佳採用不但膜質良好而且可以降低與氧化物半導體層之間的介面態密度而形成良好的介面的絕緣層。
在形成閘極絕緣層112之後，較佳進行第二熱處理。將第二熱處理的溫度設定為高於或等於250℃且低於或等於700℃，較佳設定為高於或等於350℃且低於或等於600℃或低於基板的應變點。
第二熱處理在氧化性氣體氣圍下或惰性氣體氣圍下進行即可，但是較佳在氣圍中不包含水、氫等。另外，較佳將引入到熱處理裝置中的氣體的純度設定為高於或等於6N(99.9999%)，更佳設定為高於或等於7N(99.99999%)(即，雜質濃度為低於或等於1ppm，較佳為低於或等於0.1ppm)。
在第二熱處理中，在氧化物半導體層106與包含氧的 閘極絕緣層112接觸的狀態下進行加熱。因此，可以將構成氧化物半導體的主要成分材料之一的氧從閘極絕緣層112供應到氧化物半導體層106。由此，可以降低氧化物半導體層106的氧缺陷及氧化物半導體層106與閘極絕緣層112之間的介面態。另外，也可以同時減少閘極絕緣層112中的缺陷。
另外，對第二熱處理的時序只要在形成閘極絕緣層112之後就沒有特別的限制。例如，也可以在形成閘極電極層114之後進行第二熱處理。
接著，在形成導電膜之後，藉由第三光刻製程及蝕刻製程形成閘極電極層114(參照圖2E)。在此，作為該導電膜藉由濺射法形成鎢及氮化鉭的疊層。
另外，雖然未圖示，但也可以在閘極絕緣層112及閘極電極層114上形成絕緣層。作為該絕緣層，可以使用氧化矽膜、氧氮化矽膜、氧氮化鋁膜、以GaxAl2-xO3+y(0x2，0<y<1，x為大於或等於0且小於或等於2的值，y為大於0且小於1的值)表示的氧化鋁、氧化鎵、氧化鎵鋁等的無機絕緣膜。
此外，也可以在該絕緣層上形成保護絕緣層，以提高可靠性。作為保護絕緣層，可以使用氮化矽膜、氮化鋁膜、氮氧化矽膜、氮氧化鋁膜等無機絕緣膜。
此外，也可以在上述絕緣層或保護絕緣層上形成平坦化絕緣膜以減少因電晶體產生的表面凹凸。作為平坦化絕緣膜，可以使用聚醯亞胺、丙烯酸樹脂、苯並環丁烯等的 有機材料。此外，除了上述有機材料之外，還可以使用低介電常數材料(low-k材料)等。另外，也可以藉由層疊多個由這些材料形成的絕緣膜，來形成平坦化絕緣膜。
藉由上述製程可以形成電晶體151。
藉由上述步驟，可以提供電特性良好的半導體裝置。
本實施例可以與其他實施例所記載的結構適當地組合而實施。
實施例2
可以藉由使用在實施例1中所例示的電晶體製造具有顯示功能的半導體裝置(也稱為顯示裝置)。此外，藉由將包括電晶體的驅動電路的一部分或全部與像素部一起形成在與相同的基板上，可以形成系統整合型面板(system-on-panel)。
在圖3A中，以圍繞設置在第一基板201上的像素部202的方式設置密封材料205，並且，使用第二基板206進行密封。在圖3A中，在第一基板201上的與由密封材料205圍繞的區域不同的區域中安裝有使用單晶半導體或多晶半導體形成的掃描線驅動電路204、信號線驅動電路203。此外，供給到信號線驅動電路203、掃描線驅動電路204或者像素部202的各種信號及電位藉由FPC(Flexible printed circuit：撓性印刷電路)218a、218b供給。
在圖3B和圖3C中，以圍繞設置在第一基板201上 的像素部202和掃描線驅動電路204的方式設置密封材料205。此外，在像素部202和掃描線驅動電路204上設置有第二基板206。因此，像素部202、掃描線驅動電路204與顯示元件一起由第一基板201、密封材料205以及第二基板206密封。在圖3B和圖3C中，在第一基板201上的與由密封材料205圍繞的區域不同的區域中安裝有使用單晶半導體或多晶半導體形成的信號線驅動電路203。在圖3B和圖3C中，供給到另行形成的信號線驅動電路203、掃描線驅動電路204或者像素部202的各種信號及電位藉由FPC218a供給。
此外，圖3B和圖3C示出另行形成信號線驅動電路203並且將該信號線驅動電路203安裝到第一基板201的實例，但是不侷限於該結構。既可以另行形成掃描線驅動電路並進行安裝，又可以另行僅形成信號線驅動電路的一部分或者掃描線驅動電路的一部分並進行安裝。
注意，對另行形成的驅動電路的連接方法沒有特別的限制，而可以採用COG(Chip On Glass；玻璃覆晶封裝)法、引線接合法或者TAB(Tape Automated Bonding；卷帶式自動接合)法等。圖3A是藉由COG法安裝信號線驅動電路203、掃描線驅動電路204的例子，圖3B是藉由COG方法安裝信號線驅動電路203的例子，而圖3C是藉由TAB方法安裝信號線驅動電路203的例子。
注意，本說明書中的顯示裝置是指影像顯示裝置、顯 示裝置或光源(包括照明裝置)。另外，顯示裝置還包括：安裝有FPC或TAB膠帶的模組；在TAB膠帶的端部上設置有印刷線路板的模組；藉由COG方式將IC(積體電路)直接安裝到顯示元件的模組。
此外，設置在第一基板上的像素部及掃描線驅動電路包括多個電晶體，並且，可以使用在實施例1中示出作為一例的電晶體。
作為設置在顯示裝置中的顯示元件，可以使用液晶元件(也稱為液晶顯示元件)、發光元件(也稱為發光顯示元件)。發光元件將由電流或電壓控制亮度的元件包括在其範疇內，明確而言，包括無機EL(Electro Luminescence)元件、有機EL元件等。此外，也可以應用電子墨水等由於電作用而改變對比度的顯示媒體。
參照圖4至圖6說明顯示裝置的一個實施例。圖4至圖6相當於沿著圖3B的M-N的剖面圖。
如圖4至圖6所示，半導體裝置包括連接端子電極215及端子電極216，並且，連接端子電極215及端子電極216藉由各向異性導電層219電連接到FPC218所包括的端子。
連接端子電極215由與第一電極層230相同的導電層形成，並且，端子電極216由與電晶體210、電晶體211的源極電極及汲極電極相同的導電層形成。
此外，設置在第一基板201上的像素部202、掃描線驅動電路204包括多個電晶體，並且，在圖4至圖6中例 示像素部202所包括的電晶體210、掃描線驅動電路204所包括的電晶體211。
在本實施例中，作為電晶體210、211，可以應用在實施例1中示出的電晶體。電晶體210、211的電特性良好，所以可以構成顯示功能強的顯示裝置。
設置在像素部202中的電晶體210電連接到顯示元件，構成顯示面板。只要可以進行顯示就對顯示元件沒有特別的限制，而可以使用各種各樣的顯示元件。
圖4示出作為顯示元件使用液晶元件的液晶顯示裝置的實例。在圖4中，作為顯示元件的液晶元件213包括第一電極層230、第二電極層231以及液晶層208。注意，以夾持液晶層208的方式設置有用作對準層的絕緣層232、233。第二電極層231設置在第二基板206一側，並且，第一電極層230和第二電極層231夾著液晶層208而層疊。另外，示出用來進行彩色顯示的濾色片237設置在對置基板一側的結構，也可以設置在形成電晶體的基板一側。在不進行彩色顯示時，不需要設置濾色片237。
在電晶體210、211的下層設置有用來遮罩從背光燈等照射到該電晶體的通道形成區的光的遮光層238a、238b。對可用於該遮光層的材料沒有限制，採用遮光性高的材料即可。例如，在使用金屬層時，不僅用作遮光層，而可以用作第二閘極電極。
此外，在對置基板一側在位於電晶體210、211的上部的區域設置有遮光層236，它防止光照射到該電晶體。 遮光層236在顯示區中也用作黑矩陣，從而可以提高顯示品質。
如上所述，藉由遮罩照射到電晶體210、211的光，可以抑制使用氧化物半導體的電晶體所具有的問題的光劣化現象，從而可以較長期間抑制臨界值電壓的劣化。
此外，間隔物235為藉由對絕緣層選擇性地進行蝕刻而獲得的柱狀間隔物，並且它是為控制液晶層208的厚度(單元間隙)而設置的。另外，還可以使用球狀間隔物。
當作為顯示元件使用液晶元件時，可以使用熱致液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、鐵電液晶、反鐵電液晶等。上述液晶材料根據條件而呈現膽固醇相、近晶相、立方相、手征向列相、均質相等。
另外，還可以使用不需要對準層的呈現藍相的液晶。藍相是液晶相的一種，是指當使膽固醇相液晶的溫度上升時即將從膽固醇相轉變到均質相之前出現的相。由於藍相只出現在較窄的溫度範圍內，所以為了改善溫度範圍使用如下液晶層，即對混合有大於或等於5wt%的手性試劑及紫外線固化樹脂等的液晶組成物照射紫外線而成的液晶組成物用於液晶層。該液晶層呈現溫度範圍寬的藍相，並其回應速度短，即為小於或等於1msec。並且，其具有光學各向同性，所以不需要對準處理，從而視角依賴性小。另外，由於不需要設置對準層而不需要摩擦處理，因此可以防止由於摩擦處理而引起的靜電破壞，並可以降低製造製程中的液晶顯示裝置的不良、破損。從而，可以提高液晶 顯示裝置的生產率。另外，在使用藍相時，不侷限於圖4的結構，也可以採用第二電極層231形成在與第一電極層230相同的基板一側的結構的所謂水平電場模式的結構。
此外，液晶材料的固有電阻率為大於或等於1×109Ω．cm，較佳為大於或等於1×1011Ω．cm，更佳為大於或等於1×1012Ω．cm。注意，本說明書中的固有電阻率的值為以20℃測量的值。
考慮到配置在像素部中的電晶體的汲電流等而以能夠在指定期間中保持電荷的方式設定設置在液晶顯示裝置中的儲存電容器的尺寸。藉由使用具有高純度的氧化物半導體層的電晶體，設置具有各像素中的液晶電容的小於或等於三分之一，較佳為小於或等於五分之一的電容的尺寸的儲存電容器，就足夠了。
在本實施例中使用的具有高純度化的氧化物半導體層的電晶體可以降低截止狀態中的電流值(截止電流值)。因此，可以延長視頻信號等的電信號的保持時間，並且，還可以延長電源導通狀態下的寫入間隔。因此，可以降低刷新工作的頻度，所以可以得到抑制耗電量的效果。
此外，在本實施例中使用的具有高純度化的氧化物半導體層的電晶體可以得到較高的場效應遷移率，所以可以進行高速驅動。因此，藉由將上述電晶體用於液晶顯示裝置的像素部，可以提供高影像品質的影像。此外，因為可以使用上述電晶體在同一基板上製造驅動電路部，所以可以削減液晶顯示裝置的零部件數。
液晶顯示裝置可以採用TN(Twisted Nematic，扭曲向列)模式、IPS(In-Plane-Switching，平面內轉換)模式、FFS(Fringe Field Switching，邊緣電場轉換)模式、ASM(Axially Symmetric aligned Micro-cell，軸對稱排列微單元)模式、OCB(Optical Compensated Birefringence，光學補償彎曲)模式、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal，鐵電性液晶)模式、以及AFLC(Anti ferroelectric Liquid Crystal，反鐵電性液晶)模式等。
此外，也可以使用常黑型液晶顯示裝置，例如採用垂直配向(VA)模式的透射型液晶顯示裝置。在此，垂直配向模式是指控制液晶顯示面板的液晶分子的排列的方式的一種，是當不施加電壓時液晶分子朝向垂直於面板表面的方向的方式。作為垂直配向模式，例如可以使用MVA(Multi-Domain Vertical Alignment：多象限垂直配向)模式、PVA(Patterned Vertical Alignment：垂直取向構型)模式、ASV模式等。此外，也可以使用將像素(pixel)分成幾個區域(子像素)，並且使分子分別倒向不同方向的稱為多疇化或者多域設計的方法。
此外，在顯示裝置中，適當地設置黑矩陣(遮光層)、偏振構件、相位差構件、抗反射構件等的光學構件(光學基板)等。例如，也可以使用利用偏振基板以及相位差基板的圓偏振。此外，作為光源，也可以使用背光燈、側光燈等。
此外，也可以作為背光燈利用多個發光二極體 (LED)來進行分時顯示方式(場序制驅動方式)。藉由應用場序制驅動方式，可以不使用濾色片地進行彩色顯示。
此外，作為像素部中的顯示方式，可以採用逐行掃描方式或隔行掃描方式等。此外，當進行彩色顯示時在像素中受到控制的顏色因素不侷限於RGB(R顯示紅色，G顯示綠色，B顯示藍色)的三種顏色。例如，也可以採用RGBW(W顯示白色)、或者對RGB追加黃色、青色、品紅色等中的一種或更多種顏色的顏色。注意，也可以按每個顏色因素的點使其顯示區域的大小不同。但是，本實施例不侷限於彩色顯示的顯示裝置，而也可以應用於單色顯示的顯示裝置。
此外，作為顯示裝置所包括的顯示元件，可以應用利用電致發光的發光元件。利用電致發光的發光元件根據其發光材料為有機化合物還是無機化合物進行區分，一般來說，將前者稱為有機EL元件而將後者稱為無機EL元件。
在有機EL元件中，藉由對發光元件施加電壓，電子及電洞分別從一對電極注入到包括具有發光性的有機化合物的層，以電流流過。並且，這些載子(電子及電洞)重新結合，具有發光性的有機化合物形成激發狀態，當從該激發狀態回到基態時發光。具有這種機理的發光元件被稱為電流激發型發光元件。
無機EL元件根據其元件結構而分類為分散型無機EL 元件和薄膜型無機EL元件。分散型無機EL元件具有發光層，其中發光材料的微粒分散在黏合劑中，並且其發光機理是利用施主能階和受主能階的施主-受主複合型發光。薄膜型無機EL元件具有一種結構，其中，發光層夾在介電層之間，並且該夾著發光層的介電層由電極夾住，其發光機理是利用金屬離子的內殼層電子躍遷的定域類型發光。注意，這裏使用有機EL元件作為發光元件進行說明。
為了取出發光，使發光元件的一對電極中的至少一個為透明即可。並且，在基板上形成電晶體及發光元件，作為發光元件，有從與基板相反一側的表面取出發光的頂部發射；從基板一側的表面取出發光的底部發射；從基板一側及與基板相反一側的表面取出發光的雙面發射結構的發光元件，可以應用上述任一種發射結構的發光元件。
圖5示出作為顯示元件使用發光元件的發光裝置的實例。作為顯示元件的發光元件243電連接到設置在像素部202中的電晶體210。注意，發光元件243的結構是由第一電極層230、電致發光層241、第二電極層231構成的疊層結構，但是，不侷限於該結構。根據從發光元件243取出的光的方向等，可以適當地改變發光元件243的結構。
分隔壁240使用有機絕緣材料或者無機絕緣材料形成。尤其是，使用感光樹脂材料，在第一電極層230上形成開口部，並且將該開口部的側壁形成為具有連續曲率的 傾斜面。
電致發光層241既可以使用一個層構成，又可以使用多個層的疊層構成。
為了防止氧、氫、水分、二氧化碳等侵入到發光元件243中，也可以在第二電極層231及分隔壁240上形成保護層。作為保護層，可以形成氮化矽層、氮氧化矽層、DLC層等。此外，在由第一基板201、第二基板206以及密封材料205密封的空間中設置有填充材料244並被密封。如此，為了不暴露於外氣，較佳使用氣密性高且脫氣少的保護薄膜(黏合薄膜、紫外線固化樹脂薄膜等)、覆蓋材料進行封裝(封入)。
作為填充材料244，除了氮或氬等惰性氣體以外，還可以使用紫外線固化樹脂、熱固化樹脂，並且，可以使用PVC(聚氯乙烯)、丙烯酸樹脂、聚醯亞胺樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂、PVB(聚乙烯醇縮丁醛)或者EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)。
另外，如果需要，則可以在發光元件的射出表面上適當地設置諸如偏光板、圓偏光板(包括橢圓偏光板)、相位差板(λ/4板，λ/2板)、濾色片等的光學膜。此外，也可以在偏光板、圓偏光板上設置防反射層。例如，可以進行抗眩光處理，該處理是利用表面的凹凸來擴散反射光而可以降低眩光的處理。
此外，作為顯示裝置，也可以提供驅動電子墨水的電子紙。電子紙也稱為電泳顯示裝置(電泳顯示器)，並 且，具有如下優點：與紙同樣的易讀性；其耗電量比其他顯示裝置的耗電量低；形狀薄且輕。
作為電泳顯示裝置，有各種各樣的形式，但是它是多個包括具有正電荷的第一微粒和具有負電荷的第二微粒的微膠囊分散在溶劑或溶質中，並且，藉由對微膠囊施加電場，使微膠囊中的微粒彼此移動到相對方向，以只顯示集合在一側的微粒的顏色的裝置。注意，第一微粒或者第二微粒包括染料，並且，當沒有電場時不移動。此外，第一微粒的顏色和第二微粒的顏色不同(包括無色)。
如此，電泳顯示裝置是利用介電常數高的物質移動到高電場區域，即所謂的介電泳效應(dielectrophoretic effect)的顯示器。
分散有上述微囊的溶劑被稱為電子墨水，並且該電子墨水可以印刷到玻璃、塑膠、布、紙等的表面上。另外，還可以藉由使用濾色片、具有色素的微粒來進行彩色顯示。
此外，作為微囊中的第一微粒及第二微粒，使用選自導電材料、絕緣材料、半導體材料、磁性材料、液晶材料、鐵電性材料、電致發光材料、電致變色材料、磁泳材料中的一種材料或這些的材料的複合材料即可。
此外，作為電子紙，還可以應用使用旋轉球顯示方式的顯示裝置。旋轉球顯示方式是如下方法，即將分別塗為白色和黑色的球形微粒配置在用於顯示元件的電極層的第一電極層與第二電極層之間，使第一電極層與第二電極層 之間產生電位差來控制球形微粒的方向，以進行顯示。
圖6示出半導體裝置的一個實施例的主動矩陣型電子紙。圖6所示的電子紙是使用旋轉球顯示方式的顯示裝置的實例。
在連接到電晶體210的第一電極層230與設置在第二基板206上的第二電極層231之間設置有具有黑色區域255a及白色區域255b並且在該黑色區域255a及白色區域255b的周圍包括填充有液體的空洞252的球形粒子253，並且，球形粒子253的周圍填充有樹脂等填充材料254。第二電極層231相當於公共電極(對置電極)。第二電極層231電連接到公共電位線。
注意，在圖4至圖6中，作為第一基板201、第二基板206，除了玻璃基板以外，還可以使用具有撓性的基板。例如，可以使用具有透光性的塑膠基板等。作為塑膠基板，可以使用FRP(Fiberglass-Reinforced Plastics；纖維增強塑膠)板、PVF(聚氟乙烯)薄膜、聚酯薄膜或丙烯酸樹脂薄膜。此外，也可以使用具有由PVF薄膜或聚酯薄膜夾住鋁箔的結構的薄膜。
絕緣層221可以使用無機絕緣材料或者有機絕緣材料來形成。注意，當使用丙烯酸樹脂、聚醯亞胺、苯並環丁烯樹脂、聚醯胺、環氧樹脂等具有耐熱性的有機絕緣材料時，適於用作平坦化絕緣層。此外，除了上述有機絕緣材料以外，還可以使用低介電常數材料(low-k材料)、矽氧烷類樹脂、PSG(Phosphorus Silicate Glass：磷矽玻 璃)、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass：硼磷矽玻璃)等。注意，藉由層疊多個由這些材料形成的絕緣層，來形成絕緣層221。
對絕緣層221的形成方法沒有特別的限制，可以根據其材料利用濺射法、旋塗法、浸漬法、噴塗法、液滴噴射法(噴墨法、絲網印刷法、膠版印刷法等)、輥塗機法、幕式塗布機法、刮刀式塗布機法等。
關於對顯示元件施加電壓的第一電極層230及第二電極層231(也稱為像素電極層、公共電極層、對置電極層等)，根據取出光的方向、設置電極層的地方以及電極層的圖案結構而選擇其透光性、反射性，即可。
作為第一電極層230和第二電極層231中的一者或兩者，可以使用包括氧化鎢的氧化銦、包括氧化鎢的氧化銦鋅、包括氧化鈦的氧化銦、包括氧化鈦的氧化銦錫、氧化銦錫(以下顯示為ITO)、氧化銦鋅、添加有氧化矽的氧化銦錫等具有透光性的導電材料。
此外，第一電極層230和第二電極層231中的任一個可以使用鎢(W)、鉬(Mo)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等的金屬、其合金或者其氮化物中的一種或多種來形成。
此外，第一電極層230和第二電極層231中的任一個可以使用包括導電高分子(也稱為導電聚合體)的導電組 成物來形成。作為導電高分子，可以使用所謂的π電子共軛類導電高分子。例如，可以舉出聚苯胺或其衍生物、聚吡咯或其衍生物、聚噻吩或其衍生物、或者包含苯胺、吡咯和噻吩中的兩種或更多種的共聚物或其衍生物等。
此外，由於電晶體容易被靜電等破壞，所以較佳設置驅動電路保護用保護電路。保護電路較佳使用非線性元件構成。
如上所述，藉由應用在實施例1中所例示的電晶體，可以提供顯示功能高的顯示裝置。另外，實施例1所例示的電晶體不但可以應用於上述具有顯示功能的半導體裝置，而且可以應用於具有各種各樣的功能的半導體裝置，諸如安裝在電源電路中的功率裝置、LSI、記憶體等的半導體積體電路、具有讀取物件物的資訊的影像感測器功能的半導體裝置等。
本實施例可以與其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例3
本發明的一個實施例的半導體裝置可以應用於各種電子裝置(包括遊戲機)。作為電子裝置，例如可以舉出電視裝置(也稱為電視或電視接收機)、用於電腦等的監視器、數位相機、數位攝像機等影像拍攝裝置、數位相框、行動電話機(也稱為手機、行動電話裝置)、可攜式遊戲機、移動資訊終端、聲音再現裝置、彈子機等大型遊戲機 等。以下，對具備在實施例1或2中說明的半導體裝置的電子裝置的例子進行說明。
圖7A示出筆記本個人電腦，由主體301、外殼302、顯示部303以及鍵盤304等構成。
圖7B示出可攜式資訊終端(PDA)，在主體311中設置有顯示部313、外部介面315以及操作按鈕314等。另外，作為操作用附屬部件，有觸屏筆312。
圖7C示出電子書閱讀器的一個例子。例如，電子書閱讀器320由兩個外殼，即外殼321及外殼322構成。外殼321及外殼322由軸部325形成為一體，使電子書閱讀器320可以以該軸部325為軸進行開閉工作。藉由採用這種結構，電子書閱讀器320可以進行如紙的書籍那樣的工作。
外殼321組裝有顯示部323，而外殼322組裝有顯示部324。顯示部323及顯示部324的結構既可以是顯示連屏影像的結構，又可以是顯示不同的影像的結構。藉由採用顯示不同的影像的結構，例如在右邊的顯示部(圖7C中的顯示部323)中可以顯示文章，而在左邊的顯示部(圖7C中的顯示部324)中可以顯示照片或圖畫。
此外，在圖7C中示出外殼321具備操作部等的例子。例如，在外殼321中具備電源326、操作鍵327、揚聲器328等。利用操作鍵327可以翻頁。另外，也可以與外殼的顯示部在相同的面上設置鍵盤、指向裝置等。另外，也可以在外殼的背面或側面具備外部連接端子(耳機 端子、USB端子等)、記錄媒體插入部等。再者，電子書閱讀器320也可以具有電子詞典的功能。
此外，電子書閱讀器320也可以採用能夠以無線的方式收發資料的結構。還可以採用以無線的方式從電子書閱讀器伺服器購買所希望的書籍資料等，然後下載的結構。
圖7D示出行動電話，由外殼330及外殼331的兩個外殼構成。外殼331具備顯示面板332、揚聲器333、麥克風334、指向裝置336、影像拍攝裝置337、外部連接端子338等。此外，外殼330具備對可攜式資訊終端進行充電的太陽能電池340、外部儲存槽341等。另外，在外殼331內組裝有天線。
另外，顯示面板332具備觸摸屏，圖7D使用虛線示出作為映射被顯示出來的多個操作鍵335。另外，還安裝有用來將由太陽能電池340輸出的電壓升壓到各電路所需的電壓的升壓電路。
顯示面板332根據使用方式適當地改變顯示的方向。另外，由於與顯示面板332在同一面上設置影像拍攝裝置337，所以可以實現可視電話。揚聲器333及麥克風334不侷限於音頻通話，還可以進行可視通話、錄音、再生等。再者，外殼330和外殼331滑動而可以處於如圖7D那樣的展開狀態和重疊狀態，所以可以實現適於攜帶的小型化。
外部連接端子338可以與充電電纜或各種電纜如USB電纜等連接，並可以進行充電及與個人電腦等的資料通 訊。另外，藉由將記錄媒體插入外部儲存槽341中，可以對應於更大量資料的保存及移動。
另外，除了上述功能以外還可以具有紅外線通信功能、電視接收功能。
圖7E示出數位攝像機，其由主體351、顯示部A 357、取景器353、操作開關354、顯示部B 355以及電池356等構成。
圖7F示出電視裝置的一例。在電視裝置360中，外殼361組裝有顯示部363。利用顯示部363可以顯示映射。此外，在此示出利用支架365支撐外殼361的結構。
可以藉由利用外殼361所具備的操作開關或另行提供的遙控器進行電視裝置360的操作。或者，也可以採用在遙控器中設置顯示部的結構，該顯示部顯示從該遙控器輸出的資料。
另外，電視裝置360採用具備接收機、數據機等的結構。可以藉由利用接收機接收一般的電視廣播。再者，藉由數據機連接到有線或無線方式的通信網路，從而也可以進行單向(從發送器到接收器)或雙向(在發送器和接收器之間或在接收器之間等)的資訊通信。
本實施例可以與其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
範例
在本範例中，對製造實施例1所說明的具有n型緩衝 層的電晶體，而其電特性及可靠性與現有的結構的電晶體進行比較的結果進行說明。
根據實施例1的製造方法製造相當於圖8A的結構的電晶體。作為電晶體採用如下結構：將厚度為300nm的氧化矽膜用作基底層的絕緣層102；將其通道形成區的厚度為25nm的In-Ga-Zn-O膜用作氧化物半導體層106；將厚度為5nm的包含矽(Si)的氧化銦錫(以下稱為ITO)膜或氧化銦鋅(以下稱為IZO)膜用作緩衝層107a、107b；將厚度為100nm的鎢膜用作源極電極層108a及汲極電極層108b；將厚度為15nm的氧氮化矽膜用作閘極絕緣層112；將從閘極絕緣層112一側層疊厚度為15nm的氮化鉭膜、厚度為135nm的鎢膜用作閘極電極層114。
此外，在圖8A中未圖示，在閘極電極層114及閘極絕緣層112上利用濺射法形成用作層間絕緣膜的厚度為300nm的氧化矽膜。作為藉由形成在該層間絕緣膜中的接觸孔分別連接於源極電極層108a、汲極電極層108b以及閘極電極層114的佈線層形成厚度為50nm的鈦膜、厚度為100nm的鋁膜以及厚度為5nm的鈦膜。將該佈線層用作獲得電晶體的電特性時的取出電極。
首先，基於所製造的電晶體(L=0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、2μm、3μm、5μm、10μm，W=10μm)的導通電阻的L長度依賴性的資料利用TLM(傳輸線模型：Transmission Line Model)法算出半導體層與源極電極/汲極電極之間的寄生電阻。此外，根 據所製造的電晶體(L/W=0.8μm/10μm)的I-V特性(汲電壓=3V，閘電壓=-6V至+6V)算出場效應遷移率。表1示出這些的結果。在此，場效應遷移率示出上述閘極電極內的最大值，對三種電晶體(不包括緩衝層的電晶體、包括使用包含Si的ITO的緩衝層的電晶體以及包括使用IZO的緩衝層的電晶體)的每一種測量12個，而示出其中值。
根據表1的結果可知在具有n型緩衝層的電晶體中半導體層與源/汲極電極之間的寄生電阻降低大約40%，由此顯示具有n型緩衝層的效果。此外，隨著上述結果也確認到導通電流特性提高，並且場效應遷移率提高9%至10%左右的效果。
再者，對於與上述同樣地製造的L/W=3μm/50μm的電晶體進行負閘極BT(電壓-熱)壓力測試。在如下條件下進行150℃且一小時的測試：電晶體的源極電極為GND；對汲極電極施加+0.1V；對閘極施加+3V(+2MV/cm)、 -3V(-2MV/cm)、+9V(+6MV/cm)或-9V(-6MV/cm)。
在上述測試中可知，在對閘極施加+3V、-3V或+9V的電晶體中不管有沒有緩衝層也沒有區別，但是至於對閘極施加-9V的電晶體，圖9A至9C所示那樣具有緩衝層的電晶體的導通電流(閘電壓=3V時的電流)的劣化小。表2示出從圖9A、9B及9C讀取的導通電流的劣化率。在此，初期的導通電流定義為閘電壓=3V的電流值，而進行負閘極BT壓力測試後的導通電流定義為閘電壓=3V-△Vth(初期與進行壓力測試後的臨界值電壓之差)的電流值。
根據上述結果可知，與沒有緩衝層的電晶體相比，包括緩衝層的電晶體具有大幅度地降低導通電流的劣化率的效果。另外，也可知與使用IZO的緩衝層相比使用包含Si的ITO的緩衝層可以進一步抑制導通電流的劣化率。
至於上述負閘極BT壓力測試的結果(導通電流的降低抑制)，為了調查其原因進行了科學計算。
用於科學計算的模型的結構基本上為圖8A所示的結 構。考慮到實際上的裝置結構，在沒有緩衝層的模型中通道形成區的氧化物半導體層的膜減少量為5nm，而在具有緩衝層的模型中根據圖13A所示的電晶體的剖面TEM觀察結果其端部的錐形角為30°，通道形成區的氧化物半導體層的膜減少量為10nm。此外，圖13B是用來說明圖13A的示意圖。
此外，假設如下條件：電晶體的尺寸為L/W=3/50μm；閘極絕緣膜(氧氮化矽)的厚度為15nm；氧化物半導體的帶隙(Eg)為3.15eV；電子親和力(χ)為4.3eV；介電常數為15；電子遷移率為10cm2/Vs。另外，成為通道形成區的氧化物半導體層假設為均勻的非晶，並且n型緩衝層假設為包含高濃度(1×1020/cm3)的施體的氧化物半導體。n型緩衝層的帶隙、電子親和力等使用與成為通道形成區的氧化物半導體層相等的值，並以滿足電阻率為3×10-3Ω．cm的方式決定電子遷移率的值。閘極金屬的功函數為4.9eV(設想鎢)，源極電極/汲極電極金屬的功函數為4.5eV(設想鉬)，使用新思(Synopsys)公司製造的裝置模擬器Sentaurus Device進行計算。
圖10示出對各個電晶體施加負閘極BT壓力(閘電壓=-9V，汲電壓=+0.1V，150℃)時的電場強度分佈圖。根據科學計算的結果可知，如圖式中的箭頭所示那樣在氧化物半導體層的一部分產生電場的集中。注意，圖式中的OS是指氧化物半導體層，並且GI是指閘極絕緣層。
接著，圖11及圖12示出假設因負閘極BT壓力形成 電子俘獲，並在電場集中產生的位置(氧化物半導體層與閘極絕緣層的介面)固定負電荷時的計算結果。
負電荷為1×1013cm-2的面密度的電荷，對有負電荷、沒有負電荷時的I-V特性進行計算，並確認到在負閘極BT壓力測試中是否再現導通電流劣化的現象。另外，將負電荷左右對稱地施加到源極電極一側的相同位置。
其結果是，如圖11所示那樣，在汲電壓=+0.1V時在沒有緩衝層的模型中導通電流大幅度地降低，並可以再現圖9A中的I-V特性。另外，雖然在圖11中的具有緩衝層的模型中導通電流降低，但其下降量極少，從這點來看也可以說可再現圖9B、圖9C中的I-V特性。
根據圖11的電流密度分佈圖(閘電壓=+3V，汲電壓=+0.1V)可知，在沒有緩衝層的模型中因負電荷而閘極絕緣層介面的電子被排斥，在負電荷的周圍形成有耗盡層。由於該耗盡層存在於電流通路，所以其成為導通電流降低的主要原因。另一方面，可以認為由於在具有緩衝層的模型中，從附近的n型緩衝層供應電子，所以即使存在有負電荷也耗盡層非常小，而抑制導通電流的降低。
在圖12的電流密度分佈圖(閘電壓=+3V，汲電壓=+3V)中在沒有緩衝層的模型中也觀察到電流迂回因負電荷產生的耗盡層並流過的狀態。在汲電壓高的情況(飽和區的情況)下由於因汲極電極電場而在遠離閘極絕緣層介面的位置電流流過，所以電流迂回負電荷並流過。由此，可以說在汲電壓高時，不容易產生因負閘極BT壓力 引起的導通電流的降低。
如上所述，根據科學計算的結果可說明圖9A至9C所示的在進行負閘極BT壓力測試後導通電流降低的現象。
本範例可以與其他實施例所記載的結構適當地組合而實施。
100‧‧‧基板
102‧‧‧絕緣層
106‧‧‧氧化物半導體層
107a‧‧‧緩衝層
107b‧‧‧緩衝層
108a‧‧‧源極電極層
108b‧‧‧汲極電極層
112‧‧‧閘極絕緣層
114‧‧‧閘極電極層
151‧‧‧電晶體

Claims (16)

  1. 一種半導體裝置，包括：絕緣層上的氧化物半導體層；該氧化物半導體層上且與其接觸的第一金屬氧化物層；該氧化物半導體層上且與其接觸的第二金屬氧化物層；該第一金屬氧化物層上的第一金屬氮化物層，其中該第一金屬氧化物層延伸超過該第一金屬氮化物層的內側邊緣；該第二金屬氧化物層上的第二金屬氮化物層，其中該第二金屬氧化物層延伸超過該第二金屬氮化物層的內側邊緣；該第一金屬氮化物層、該第二金屬氮化物層及該氧化物半導體層上的閘極絕緣層；以及該閘極絕緣層上的閘極電極層，該閘極電極層重疊於該氧化物半導體層，其中，該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層的內側邊緣為錐形。
  2. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一金屬氮化物層及第二金屬氮化物層都包含氮化鈦、氮化鉬或氮化鎢。
  3. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及第二金屬氧化物層都包含選自氧化 銦、氧化銦錫和氧化銦鋅所組成的群組中的材料。
  4. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層包含選自In、Ga、Sn、Zn、Al、Mg、Hf和鑭系元素中的至少一種元素。
  5. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該閘極絕緣層包含氧。
  6. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層的該內側邊緣的錐形角度小於該第一金屬氮化物層及該第二金屬氮化物層的該內側邊緣的錐形角度。
  7. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層包含選自氧化鈦、氧化鈦鈮、氧化鉬、氧化鎢、氧化鎂、氧化鈣和氧化鎵中的材料。
  8. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該閘極電極層重疊於該第一金屬氮化物層及該第二金屬氮化物層。
  9. 一種半導體裝置，包括：絕緣層上的氧化物半導體層；該氧化物半導體層上且與其接觸的第一金屬氧化物層；該氧化物半導體層上且與其接觸的第二金屬氧化物層；該第一金屬氧化物層上的第一金屬氮化物層，其中該 第一金屬氧化物層延伸超過該第一金屬氮化物層的內側邊緣；該第二金屬氧化物層上的第二金屬氮化物層，其中該第二金屬氧化物層延伸超過該第二金屬氮化物層的內側邊緣；該第一金屬氮化物層、該第二金屬氮化物層及該氧化物半導體層上的閘極絕緣層；以及該閘極絕緣層上的閘極電極層，該閘極電極層重疊於該氧化物半導體層，其中，該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層的內側邊緣為錐形，並且其中，該第一金屬氧化物層與該第二金屬氧化物層之間的該氧化物半導體層的表面部分被蝕刻。
  10. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該第一金屬氮化物層及第二金屬氮化物層都包含氮化鈦、氮化鉬或氮化鎢。
  11. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及第二金屬氧化物層都包含選自氧化銦、氧化銦錫和氧化銦鋅所組成的群組中的材料。
  12. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層包含選自In、Ga、Sn、Zn、Al、Mg、Hf和鑭系元素中的至少一種元素。
  13. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該閘極絕緣層包含氧。
  14. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層的該內側邊緣的錐形角度小於該第一金屬氮化物層及該第二金屬氮化物層的該內側邊緣的錐形角度。
  15. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層包含選自氧化鈦、氧化鈦鈮、氧化鉬、氧化鎢、氧化鎂、氧化鈣和氧化鎵中的材料。
  16. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該閘極電極層重疊於該第一金屬氮化物層及該第二金屬氮化物層。
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