TWI555171B - 半導體裝置 - Google Patents

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Description

半導體裝置
本發明係有關於一種使用一半導體元件的半導體裝置，以及一種製造該半導體裝置的方法。
使用半導體元件的儲存元件可以大致上分成二類：在電源供應停止時會遺失資料的揮發性元件，以及即使是沒有電力供應仍能保存被儲存之資料的非揮發性元件。
揮發性儲存元件的典型例子為DRAM(動態隨機存取記憶體)。DRAM儲存資料的方式是選取內含於一儲存元件內的一電晶體，並將電荷儲存於一電容器內。
在前述的原則下，當自DRAM內讀取資料時，電容器內的電荷將會遺失；因此，每一次讀取資料後就必須進行另一次的寫入作業。再者，內含於一儲存元件的電晶體會具有漏電流，即使是該電晶體未被選取到，電荷仍會流入或流出電容器，因此資料保持時間較短。就此因素之故，在預定的時間間隔就必須進行另一次的寫入作業(再新作業)，且不容易充分地減低功率消耗。另外，由於被儲存的資料在電源供應停止時會遺失，因此必須要以一另外之使用磁性材料或光學材料的儲存元件來長時間保持住該資料。
揮發性儲存元件的另一個例子是SRAM(靜態隨機存取記憶體)。SRAM是使用例如正反器之類的電路來維持住被儲存的資料，因此不需要再新作業。這代表說SRAM有優於DRAM的優點。但是，因為使用例如正反器之類的電路之故，因此會增高每一儲存容量的成本。再者，如同DRAM一樣，SRAM內的儲存資料在電源供應停止時也會遺失。
非揮發性儲存元件的典型例子是快閃記憶體。快閃記憶體包含一浮動閘極，位於一電晶體中的一閘極電極與一通道形成區域之間，能藉由將電荷加以保持於該浮動閘極內而儲存資料。因此，快閃記憶體的好處在於資料保持時間是相當的長(幾乎是永久)，並且不需要揮發性儲存元件所必須要有的再新作業(例如說參見專利文獻1)。
但是，儲存元件內所包含有的閘極絕緣層會因寫入時所產生的穿隧電流而變劣，因此此儲存元件會在預定次數的寫入作業後停止其功能。為了減低此問題的負面作用，可以針對儲存元件採用例如寫入作業次數均衡的方法。但是，實施此方法必須要使用複雜的周邊電路。再者，採用此種方法仍不能解決有關於使用壽命的基本問題。換言之，快閃記憶體並不適合於資料要頻繁地重寫的應用中。
另外，要將電荷維持於浮動閘極內或將電荷移除，必須要使用高電壓。再者，要花很長的時間才能維持或移除電荷，並且不容易以較高的速度來進行寫入及擦拭作業。
[參考文獻]
[專利文獻1]日本公開專利申請第S57-105889號
在必須要將一輸入信號保持於一邏輯電路或類似者內的情形中，需要將前述的記憶元件加入至該邏輯電路或類似者內。
但是，資料在前述的揮發性記憶元件內只能保持一小段時間，因此會形成該揮發性記憶元件不適宜用來將輸入信號做長時間保持的困擾。再者，在供應至一半導體裝置的電源中斷，而後重新啟動以繼續該項作業的情形中，信號必須要再一次地輸入至該邏輯電路或類似者內。
非揮發性記憶元件適合用於長時間保持一信號，但是如果應用於例如邏輯電路之類資料會頻繁地重寫的半導體裝置上時，在運作速度及元件壽命上會有問題。
基於前面所述，本發明一實施例的目前在於提供一種半導體裝置，具有一種能夠保持住一輸入信號的新穎結構。
本發明的一實施例是一半導體裝置，其中有一使用一氧化物半導體所形成的電晶體及一使用氧化物半導體以外之一材料所形成的電晶體堆疊在一起。此半導體裝置可以具有例如以下的結構。
本發明的一實施例是一半導體裝置，包含：一電晶體，具有一氧化物半導體層；以及一邏輯電路，係使用氧化物半導體以外之一半導體材料所形成。該電晶體的源極電極及汲極電極之一者係電性連接至該邏輯電路的至少一輸入端，且至少一輸入信號可經由該電晶體施加至該邏輯電路。
該電晶體的截止電流最好是1×10-13A或更小。
本發明的另一實施例是一半導體裝置，包含：一第一電晶體，具有一第一閘極電極、一第一源極電極、以及一第一汲極電極；一第二電晶體，具有一第二閘極電極、一第二源極電極、以及一第二汲極電極；以及一第三電晶體，具有一第三閘極電極、一第三源極電極、以及一第三汲極電極。第一電晶體及第二電晶體係使用一包含氧化物半導體以外之一半導體材料的基板所形成；第三電晶體包含一氧化物半導體層；第一汲極電極及第二汲極電極係互相電性連接在一起；以及第一閘極電極、第二閘極電極、以及第三源極電極與第三汲極電極之一者係互相電性連接在一起。
在上述的結構中，最好設置一電容器電性連接第一閘極電極、第二閘極電極、以及第三源極電極與第三汲極電極之一者。最好第一電晶體是一p通道電晶體，而第二電晶體是一n通道電晶體。
本發明的另一實施例是一半導體裝置，包含：一第一電晶體，具有一第一閘極電極、一第一源極電極、以及一第一汲極電極；一第二電晶體，具有一第二閘極電極、一第二源極電極、以及一第二汲極電極；以及一第三電晶體，具有一第三閘極電極、一第三源極電極、以及一第三汲極電極。第一電晶體及第二電晶體係使用一包含氧化物半導體以外之一半導體材料的基板所形成；第三電晶體包含一氧化物半導體層；第一汲極電極及第二汲極電極係互相電性連接在一起；第一源極電極及第一閘極電極係互相電性連接在一起；以及第二閘極電極及第三源極電極與第三汲極電極之一者係互相電性連接在一起。
在上述的結構中，最好設置一電容器電性連接第二閘極電極，以及第三源極電極與第三汲極電極之一者。最好第一電晶體是一n通道電晶體，而第二電晶體是一n通道電晶體。
另外在上述結構中，最好第三源極電極與第三汲極電極中的另一者是電性連接至一信號輸入佈線，第一汲極電極及第二汲極電極電性連接至一信號輸出佈線，第三閘極電極電性連接至一閘極信號輸入佈線，第一源極電極電性連接至一用以施用一第一電位的佈線，以及第二源極電極電性連接至一用以施用一第二電位的佈線。
第一電晶體最好包含：一第一通道形成區域，係形成於包含有氧化物半導體以外之一半導體材料的基板；第一雜質區域，設置成夾置該第一通道形成區域；一第一閘極絕緣層，位於該第一通道形成區域上；一第一閘極電極，位於該第一閘極絕緣層上；以及一第一源極電極及一第一汲極電極，係電性連接至該第一雜質區域。第二電晶體最好包含：一第二通道形成區域，形成於該包含有氧化物半導體以外之一半導體材料的基板內；第二雜質區域，設置成夾置該第二通道形成區域；一第二閘極絕緣層，位於該第二通道形成區域上；一第二閘極電極，位於該第二閘極絕緣層上；以及一第二源極電極及一第二汲極電極，係電性連接至該等第二雜質區域。第三電晶體最好包含：一第三閘極電極，位於該包含有氧化物半導體以外之一半導體材料的基板上；一第三閘極絕緣層，位於該第三閘極電極上；該氧化物半導體層，位於該第三閘極絕緣層上；以及一第三源極電極及一第三汲極電極，係電性連接至該氧化物半導體層。
在上述結構中，第三電晶體的截止電流最好是1×10-13A或更小。
在上述結構中，該包含有氧化物半導體以外之一半導體材料的基板最好是一單晶半導體基板或一SOI基板。其最好是使用矽做為該氧化物半導體以外之半導體材料。
在上述結構中，該氧化物半導體層最好包含一In-Ga-Zn-O基氧化物半導體材料。此外，該氧化物半導體層最好包含一In2Ga2ZnO7晶體。
在上述結構中，該氧化物半導體層中的氫濃度最好是5×1019原子/cm3或更低。
在上述結構中，該第三電晶體可以設置在一個疊覆於該第一電晶體或該第二電晶體的區域內。
應注意，在本說明書及類似者中，諸如“上”或“下”等詞並不一定就表示說一部件是設置成位於另一部份的“直接上方”或“直接下方”。例如說，“一第一閘極電極位於一第一閘極絕緣層上”的說法並不排除一部件是位於閘極絕緣層與閘極電極之間的情形。再者，諸如“上”及“下”等詞僅利用於便利描述之用，除非另外說明，要不然也可以包括部件間係是互相顛倒的情形。
另外，在本說明書及類似者大，諸如“電極”或“佈線”等詞並不侷限於部件的功能。例如說，諸如“電極”或“佈線”等詞是可以互相替換的。另外，一“電極”有時是用來做為一“佈線”的一部份，或是相反過來。
“源極”及“汲極”的功能有時在例如說使用反向極性之電晶體時或是電路運作中電流流動的方向改變時，是可以互相替換的。因此，“源極”及“汲極”等詞在本說明書中是可以互相替換的。
應注意，在本說明書及類似者中，“電性連接至”一詞包含有部件是經由具有任何電氣功能之物件加以連接起來的情形。只要電氣信號能在以該具有任何電氣功能之物件連接起來的部件之間傳送及接收，對於該物件並沒有任何特別的限制。
具有任何電氣功能之物件的例子是例如電晶體、電阻器、電感器、電容器、以及具有多種功能之元件之類的切換元件，以及電極及佈線。
一般而言，“SOI基板”一詞是指一種將一矽半導體層設置在一絕緣表面上的基板。在本說明書及類似者內，“SOI基板”一詞在範圍上亦包含有一種將由矽以外之材料所形成的半導體層設置在一絕緣表面上的基板。也就是說，包含在“SOI基板”內的半導體層並不限於矽半導體層。“SOI基板”內的基板並不限於諸如矽晶圓之類的半導體基板，也可以是諸如玻璃基板、石英基板、藍寶石基板、或金屬基板之類的非半導體基板。換言之，“SOI基板”在範圍上也包括具有絕緣表面的導電性基板，或是設有一層由半導體材料所構成之層的絕緣基板。此外，在本說明書及類似者內，“半導體基板”一詞不僅是指僅使用單一種半導體材料所構成的基板，也包括所有包含半導體材料的基板。也就是說，在本說明書及類似者內，“SOI基板”亦包含在“半導體基板”的範圍內。
本發明一實施例提供一半導體裝置，其中係將包含一種氧化物半導體以外之材料的一電晶體設置於一下方部份內，並將包含一氧化物半導體之一電晶體設置於一上方部份內。
由於包含氧化物半導體之電晶體的截止電流是相當的低，被儲存的資料可以藉由使用該等電晶體而維持住相當長一段時間。藉由利用此種特性，其可以提供一種可以保持住一輸入信號而具有新穎結構的半導體裝置。
應注意，根據本發明一實施例，輸入信號可以藉由提供一電晶體而加以保持住，其相對於使用正反器的等效電路而言，可以防止電路架構的複雜化。
另外，相對於使用揮發性儲存元件的電路而言，功率的消耗可以適度地減低，因為不需要再新作業，或者再新作業的頻率可以相當的低。再者，即使是沒有電力供應(也就是說電源關閉)，也可以維持住儲存的資料。
其亦可以解決非揮發性儲存元件劣化的問題、因為寫入或擦拭所造成的作業速度問題、以及類似者。
以此方式，其可以藉由同時具有包含一種氧化物半導體以外之材料的電晶體以及包含氧化物半導體的電晶體二者而實現具有新穎結構的半導體裝置。
下面將配合於圖式來說明本發明的實施例。應注意，本發明並不僅限於以下的實施例，熟知此技藝之人士當可瞭解，模式及細節可以多種方式來加以修改而不會脫離本發明的精神及範疇。因此，本發明並不應解讀成僅限於以下所列之實施例的說明而已。
應注意，在某些情形中，為易於理解之故，在圖式及類似者中所示之每一結構的的位置、大小、範圍可能並不是精確地表示出來的。因此，本發明並不必然侷限於圖式及類似者中所揭露的該位置、大小、範圍、或類似者。
應注意到，在本說明書及類以者內，諸如“第一”、“第二”、以及“第三”等序數係用來避免部件的混淆，這些詞句並不是對於部件數量的限制。
(第一實施例)
在本實施例中將配合於第1A圖及第1B圖、第2A圖至第2D圖、第3A圖及第3B圖、第4A圖至第4H圖、第5A圖至第5G圖、以及第6A圖至第6D圖來說明本發明之一實施例的一半導體裝置的結構及製造方法。應注意，本發明的一實施例可以應用至任何其中之輸入信號必須被維持住的半導體裝置上。本發明的一實施例可以應用至例如說諸如“非”(NOT)電路、“或”(OR)電路、“及”(AND)電路、或“或非”(NOR)電路之類的邏輯電路上，以供保持住一輸入信號。
＜半導體裝置的概要結構＞
首先將配合第1A圖及第1B圖來說明此半導體裝置的概要結構。
第1A圖顯示出一半導體裝置，其中一使用氧化物半導體的電晶體180係電性連接至一邏輯電路190的一輸入端。在此半導體裝置中，一輸入信號係經由該電晶體180施加至該邏輯電路190。
由於該使用氧化物半導體的電晶體180具有低截止電流，可以藉由關閉電晶體180來保持資料。在此，該電晶體180的源極電極及汲極電極係電性連接至該邏輯電路的該輸入端；因此，該邏輯電路的輸入信號可以藉由關閉該電晶體180來加以保持住。應注意到，該邏輯電路190具有單一輸入端。
第1B圖顯示出一半導體裝置，其中一使用氧化物半導體的電晶體182係電性連接至一邏輯電路192的一輸入端。當此使用氧化物半導體的電晶體係電性連接至要保持一信號其內的該輸入端上時，即可將必要的資料加以保持住。雖然在第1B圖，邏輯電路192具有二輸入端，但本發明一實施例並不僅限於。另外，在該邏輯電路的每一輸入端上可以電性連接一電晶體，或者一電晶體可以電性連接該邏輯電路的一或多個輸入端上。
＜半導體裝置的電路架構＞
第2A圖至第2D圖顯示出此半導體裝置之電路架構的特定範例。此半導體裝置包含一第一電晶體及一第二電晶體，其每一者均使用一種氧化物半導體以外的材料，以及一使用氧化物半導體的第三電晶體。應注意到，在以下所述的半導體裝置中，一反相器電路係用來做為可保持一輸入信號於其內之電路的例子；但是，如前所述，本發明一實施例可以應用至任何必須要保持住一輸入信號於其內的電路上。
第2A圖顯示出此半導體裝置之電路架構的第一範例。第2A圖的半導體裝置包含一第一電晶體160及一第二電晶體162，其每一者均使用一種氧化物半導體以外的材料，以及一使用氧化物半導體的第三電晶體164。
第一電晶體160的汲極電極係電性連接至第二電晶體162的汲極電極。另外，第一電晶體160的閘極電極及第二電晶體162的閘極電極係電性連接至第三電晶體164之源極電極及汲極電極中之一者。應注意到，第一電晶體160及第二電晶體162中之一者最好一p通道電晶體，而另一者則最好是一n通道電晶體。在此，第一電晶體160是p通道電晶體，而第二電晶體162是n通道電晶體。
該等電晶體的電極可以電性連接至各種佈線。例如說，最好第三電晶體164的源極電極及汲極電極中的該另一者是電性連接至一信號輸入佈線，而以及第一電晶體160的汲極電極及第二電晶體162的汲極電極則電性連接至一信號輸出佈線。另外，最好第一電晶體160的源極電極是電性連接至用以施加一第一電位(例如說電源供應電位：VDD)的佈線上，而第二電晶體162的源極電極則是電性連接至用以施加一第二電位(例如說接地電位：GND)的一佈線上。其亦最好第三電晶體164的閘極電極是電性連接至一閘極信號輸入佈線。
前述的半導體裝置是以下面的方式運作。
第一電位施加至第一電晶體160的源極電極，且第二電位施加至第二電晶體162的源極電極。在此狀態中，一輸入信號施加至第三電晶體164的源極電極及汲極電極中的該另一者，而一用以開啟第三電晶體164的電位施加至第三電晶體164的閘極電極，因此前述的輸入信號會被施加至第一電晶體的閘極電極及第二電晶體的閘極電極。根據施加至第一電晶體之閘極電極及第二電晶體之閘極電極的該輸入信號，可將第一電位或第二電位自此半導體裝置輸出。
在將該信號輸入至第三電晶體164之源極電極及汲極電極中的該另一者上時，第三電晶體164即會被關閉。接著，第一電晶體160之閘極電極及第二電晶體162之閘極電極會保持於最後輸入之信號的電位上。換言之，當第三電晶體164是處於關閉狀態時，即使輸入信號改變，輸出信號也不會改變。
此種運作係透過使用氧化物半導體來做第三電晶體164而達成的。也就是說，氧化物半導體的使用使其可以充分地減低第三電晶體164的截止電流，因此第一電晶體160之閘極電極及第二電晶體162之閘極電極的電位可以保持一段長時間。以此方式，根據本發明一實施例，其可以提供一種具有能保持輸入信號之功能的半導體裝置(在此是一反相器電路)。
第2B圖顯示出此半導體裝置之電路架構的第二範例。第2B圖中的半導體裝置具有一種將一電容器166加入至第2A圖之半導體裝置內的結構。電容器166係電性連接至第一電晶體160的閘極電極、第二電晶體162的閘極電極、以及第三電晶體164之源極電極及汲極電極中之一者。藉由如此提供該電容器166，其可以更輕易地保持住第一電晶體160之閘極電極及第二電晶體162之閘極電極的電位。
第2C圖顯示出此半導體裝置之電路架構的第三範例。第2C圖中的半導體裝置具有一種設置一連接二極體的電晶體168來取代第2A圖之半導體裝置中的第一電晶體160的結構。也就是說，電晶體168的源極電極及閘極電極是互相電性連接在一起。應注意到，在此種情形中，電晶體168及第二電晶體162二者均是n通道電晶體。另一種可能是，電晶體168及第二電晶體162二者均是p通道電晶體。
第2D圖顯示出此半導體裝置之電路架構的第四範例。第2D圖中的半導體裝置具有一種設置該連接二極體的電晶體168來取代第2B圖之半導體裝置中的第一電晶體160的結構。也就是說，電晶體168的源極電極及閘極電極是互相電性連接在一起。在此情形中，同樣的，電晶體168及第二電晶體162二者可以均為n通道電晶體或p通道電晶體。
如上所述，在將一使用氧化物半導體所形成的電晶體加設至可供一輸入信號施加至其上的電極上時，即能保持該輸入信號。因此之故，其可以實現一種半導體裝置(例如各種的邏輯電路)，其具有可保持一輸入信號於其內之新穎結構。
＜半導體裝置的頂部結構及剖面結構＞
第3A圖及第3B圖顯示出第2A圖中所示之半導體裝置的結構之一範例。第3A圖顯示出該半導體裝置的剖面，而第3B圖顯示出該半導體裝置的頂視圖。在此，第3A圖對應於第3B圖中沿著線A1-A2及線B1-B2的剖面。第3A圖及3B圖中所示之半導體裝置在下方部份中包含有該等使用一種氧化物半導體以外之材料的電晶體160及電晶體162，而上方部份內則包含有使用一氧化物半導體的電晶體164。應注意到，由於電晶體160及162具有相似的基礎結構，下面將主要說明電晶體160。
電晶體160包含一通道形成區域116，設置於包含一半導體材料的一基板100內，雜質區域114及高濃度雜質區域120(這些區域可以簡單地統稱為雜質區域)，設置成夾置通道形成區域116，一閘極絕緣層108a，設置在通道形成區域116上，一閘極電極110a設置在閘極絕緣層108a上，以及一源極或汲極電極130a及一源極或汲極電極130b係電性連接至雜質區域114。
一側壁絕緣層118設置在閘極電極110a的一側向表面上。自頂視圖觀看，高濃度雜質區域120是設置在基板100上一個不會疊覆側壁絕緣層118的區域內。一金屬化合物區域124設置在高濃度雜質區域120上。一元件隔離絕緣層106設置在基板100上而圍繞著電晶體160。一層間絕緣層126及一層間絕緣層128設置成覆蓋住電晶體160。源極或汲極電極130a及源極或汲極電極130b之每一者係經由形成在層間絕緣層126及128內的開孔而電性連接至金屬化合物區域124。也就是說，源極或汲極電極130a及130b每一者係經由金屬化合物區域124而電性連接至高濃度雜質區域120及雜質區域114。以類似於源極或汲極電極130a及130b之方式所形成的一電極130c，係電性連接至閘極電極110a。
電晶體164包含一閘極電極136d，設置在層間絕緣層128上，一閘極絕緣層138，設置在閘極電極136d上，一氧化物半導體層140，設置在閘極絕緣層138上，以及一源極或汲極電極142a及一源極或汲極電極142b，設置在氧化物半導體層140上並電性連接至氧化物半導體層140。
在此，閘極電極136d係設置成埋設在一形成於層間絕緣層128上的絕緣層132內。如同閘極電極136d，一電極136a、一電極136b、以及一電極136c形成分別與源極或汲極電極130a、源極或汲極電極130b、以及電極130c接觸。
一保護絕緣層144設置在電晶體164上而與氧化物半導體層140的一部分接觸。一層間絕緣層146設置在保護絕緣層144上。在保護絕緣層144及層間絕緣層146內形成有開孔，通達至源極或汲極電極142a及源極或汲極電極142b。一電極150d及一電極150e形成分別經由各自的開孔而與源極或汲極電極142a及源極或汲極電極142b接觸。如同電極150d及150e，一電極150a、一電極150b、以及一電極150c形成為分別經由設置在閘極絕緣層138、保護絕緣層144、以及層間絕緣層146內的開孔而電極136a、電極136b、以及電極136c接觸。
在此，氧化物半導體層140最好是一高度純化的氧化物半導體層，其中諸如氫之類的雜質係已充分地加以移除。更具體地說，氧化物半導體層140內的氫濃度是5×1019原子/cm3或更低，最好是5×1018原子/cm3或更低，再更好的是5×1017原子/cm3或更低。藉由使用該一透過充分消減氫濃度而高度純化之氧化物半導體層140，其可以得到具有極佳截止電流特性的電晶體164。例如說，當汲極電壓Vd是+1V或+10V，而閘極電壓Vg是在-5V至-20V的範圍內，截止電流會是1×10-13A或更小。當使用該透過充分消減氫濃度而高度純化之氧化物半導體層140來減低電晶體164的截止電流時，其可以實現一具有新穎結構的半導體裝置。應注意到，氧化物半導體層140內的氫濃度是以二次離子質譜術(SIMS)來加以測量的。
一絕緣層152設置在層間絕緣層146上。一電極154a、一電極154b、一電極154c、以及一電極154d設置成埋設在絕緣層152內。電極154a與電極150a接觸。電極154b與電極150b接觸。電極154c與電極150c及電極150d接觸。電極154d與電極150e接觸。
也就是說，在第3A圖及第3B圖所示的半導體裝置中，電晶體160(以及電晶體162)的閘極電極110a與電晶體164的源極或汲極電極142a是經由電極130c、136c、150c、154c、以及150d而電性連接。
＜製造半導體裝置的方法＞
接下來將說明一種用以製造前述半導體裝置之方法的一範例。首先將在下文中配合第4A圖至第4H圖來說明製造該下方部份內之電晶體160的方法，然後再配合第5A圖至第5G圖及第6A圖至第6D圖來說明製造該上方部份內之電晶體164的方法。
＜製造下方部份內之電晶體的方法＞
首先製備該包含一半導體材料的基板100(參見第4A圖)。至於包含有一半導體材料的基板100，可以使用由矽、碳化矽或類似者製成的單晶半導體基板或多晶半導體基板；由鍺化矽或類似者製成的化合物半導體基板；SOI基板；或類似者。在此將描述使用單晶矽基板來做為包含半導體材料之基板100的一範例。應注意到，一般而言，“SOI基板”一詞是指一種將一矽半導體層設置在一絕緣表面上的基板。在本說明書及類似者內，“SOI基板“一詞在範圍上亦包含有一種將由矽以外之材料所形成的半導體層設置在一絕緣表面上的基板。也就是說，包含在“SOI基板”內的半導體層並不限於矽半導體層。再者，該SOI基板可以是一種具有將半導體層設置在諸如玻璃基板之類之絕緣基板上並夾置一絕緣層於其間之結構的基板。
一做為用以形成元件隔離絕緣層之遮罩的保護層102，形成於基板100上(參見第4A圖)。做為保護層102，可以使用例如由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或類似者所構成的絕緣層。應注意，在此步驟之前或之後，可以在基板100內加入能造成n型導電性的雜質元素或造成p型導電性的雜質元素，以供控制此半導體裝置的臨限電壓。在此包含於基板100內之半導體材料是矽時，磷、砷、或類似者可以用來做為造成n型導電性的雜質。硼、鋁、鎵、類似者可以用來做為造成p型導電性的雜質。
接著，在以保護層102做為遮罩的情形下，利用蝕刻將基板100中位於未被保護層102遮蓋住的區域(亦即，暴露區域)內的部份加以移除。因此可形成一隔離開的半導體區域104(參見第4B圖)。至於蝕刻方式，最好是使用乾式蝕刻，但也可以使用濕式蝕刻。至於蝕刻氣體及蝕刻劑，可依要加以蝕刻的那一層材料來適當地加以選取。
接著形成一絕緣層來覆蓋住半導體區域104，並將與半導體區域104重疊之區域內的該絕緣層加以選擇性地移除，以形成元件隔離絕緣層106(參見第4B圖)。該絕緣層是由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或類似者所構成。至於用來移除該絕緣層的方法，任何蝕刻處理及諸如化學機械拋光(CMP)之類的拋光處理均可加以採用。應注意，保護層102是在半導體區域104形成後或是元件隔離絕緣層106形成後才移除的。
接下來，形成一絕緣層於半導體區域104上，並將一包含導電性材料的層形成於該絕緣層上。
由於該絕緣層在後來是要做為一閘極絕緣層，因此該絕緣層最好具有由化學氣相沉積(CVD)法、濺鍍法、或類似者所製成的單層結構或是一種使用一含有氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、氧化鉭、或類似者之薄膜的層狀結構。另一種方式，該絕緣層可以藉由將半導體區域104之一表面透過高密度電漿處理或熱氧化處理加以氧化或氮化的方式來形成。高密度電漿處理可以利用例如說諸如He、Ar、Kr、或Xe等稀有氣體及諸如氧、氧化氮、氨、氮、或氫之類的氣體的混合氣體來實施。該絕緣層的厚度並沒有特別的限制；該絕緣層可以具有例如說1nm至100nm的厚度。
該包含導電性材料之層可以使用諸如鋁、銅、鈦、鉭、或鎢之類的金屬材料來製做。該包含導電性材料的層可以使用諸如含有導電性材料之多晶矽之類的半導體材料來加以製做。製做該含有導電性材料之層的方法並沒有特別的限制，諸如蒸鍍法、CVD法、濺鍍法、或旋塗法之類的多種薄膜成形方法均可採用。應注意，本實施例中是顯示出一種使用金屬材料來形成該含有導電性材料之層的情形的一範例。
在那之後，將該絕緣層及該包含導電性材料之層加以選擇性地蝕刻，以形成閘極絕緣層108a及閘極電極110a(參見第4C圖)。
接著形成一層覆蓋住閘極電極110a的絕緣層112(參見第4C圖)。接著透過將硼(B)、鋁(Al)、或類似者添加至半導體區域104內而形成具有淺接面深度的雜質區域114(參見第4C圖)。應注意，在此是添加硼或鋁來形成一p通道電晶體；但是，在要形成n通道電晶體情形中(例如說要形成電晶體162的情形)，則可添加諸如磷(P)或砷(As)之類的雜質元素。藉由雜質區域114的形成，在半導體區域104內閘極絕緣層108a的下方可形成通道形成區域116(參見第4C圖)。在此，所添加的雜質濃度可適當地設定；在半導體元件尺寸極度縮減時，該濃度最好要加大。在此是採用在絕緣層112形成後才形成雜質區域114的步驟；另一種方式是，在雜質區域114形成後才形成絕緣層112。
接著形成側壁絕緣層118(參見第4D圖)。在形成一絕緣層覆蓋住絕緣層112並進行高度異向性蝕刻後，側壁絕緣層118即能以自動對準的方式形成。在此時，最好是將絕緣層112加以部份蝕刻，以暴露出閘極電極110a的一頂側表面及雜質區域114的頂側表面。
接著形成一絕緣層覆蓋住閘極電極110a、雜質區域114、側壁絕緣層118、以及類似者。接下來將硼(B)、鋁(Al)、或類似者添加至與雜質區域114接觸的區域內，以形成高濃度雜質區域120(參見第4E圖)。在要形成n通道電晶體的情形中，可以如上所述般地添加諸如磷(P)或砷(As)之類的雜質元素。在那之後，將該絕緣層加以移除，並形成一金屬層122來覆蓋住閘極電極110a、側壁絕緣層118、高濃度雜質區域120、以及類似者(參見第4E圖)。諸如真空蒸鍍法、濺鍍法、或旋塗法之類的多種薄膜成形方法可以用來製做該金屬層122。該金屬層122最好是使用一種能與包含在半導體區域104內之半導體材料反應成為低阻抗金屬化合物的金屬材料來加以製做。該金屬材料的例子有鈦、鉭、鎢、鎳、鈷、以及鉑。
接下來進行熱處理，以使金屬層122與該半導體材料反應。因此即可形成與高濃度雜質區域120接觸的金屬化合物區域124(參見第4F圖)。應注意，當閘極電極110a是使用多晶矽或類似者來加以形成時，在閘極電極110a與金屬層122a接觸的區域內亦會形成一金屬化合物區域。
至於熱處理的方法，可以採用例如以閃光燈照射的方式。不用說，其他的熱處理方法也可以採用，但最好是使用能在極短時間內完成的熱處理方法，以便能增進對於金屬化合物形成時之化學反應的控制性。應注意，該等金屬化合物區域是由金屬材料與半導體材料之反應所形成的，具有夠高的導電性。該等金屬化合物區域的形成可以適度地減低電性阻抗並改善元件特性。應注意，在金屬化合物區域124形成後，要移除金屬層122。
接著形成層間絕緣層126及層間絕緣層128來覆蓋住前述步驟中所形成的部件(參見第4G圖)。層間絕緣層126及128可以使用諸如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、或氧化鉭之類的無機絕緣材料來製做。再者，層間絕緣層126及128可以使用諸如聚醯亞胺或丙烯酸酯之類的有機絕緣材料來加以製做。應注意，在此是採用由層間絕緣層126及層間絕緣層128所構成的雙層結構；但是，層間絕緣層的結構並不限於此種結構。在該層間絕緣層128形成之後，最好能以CMP、蝕刻、或類似者將該層間絕緣層128的一表面加以平坦化處理。
接著在該等層間絕緣層內形成通達至金屬化合物區域124的開孔，並在該等開孔內形成源極或汲極電極130a及源極或汲極電極130b(參見第4H圖)。該等源極或汲極電極130a及130b係藉由例如以物理氣相沉積(PVD)法、CVD法、或類似者將一導電層形成於一包含該等開孔的區域內，並再以蝕刻、CMP、或類似者將該導電層的一部份加以移除而加以製成的。
應注意，在源極或汲極電極130a及130b是藉由將該導電層之一部份加以移除的方式來製成的情形中，該製程最好是實施成能將該等表面加以平坦化。例如說，在將薄的鈦膜或薄的氮化鈦膜形成於一包含該等開孔之區域內並將一鎢膜形成為埋設於該等開孔內時，要將多餘的鎢、鈦、氮化鈦、或類似者加以移除，而後續的CMP作業即可改善表面的平坦度。在利用該種方式將包含有源極或汲極電極130a及130b的表面加以平坦化後，在後續的步驟中可以順利地形成電極、佈線、絕緣層、半導體層、以及類似者。
應注意，在此僅顯示出與金屬化合物區域124接觸的源極或汲極電極130a及130b；但是，與閘極電極110相接觸的電極(例如說第3A圖中的電極130c)以及類似者也可以在此步驟中形成。對於源極或汲極電極130a及130b所用的材料並沒有特別的限制，有多種的導電材料均可加以使用。例如說，可以使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧之類的導電性材料。
經由上述的步驟，即可形成使用包含半導體材料之基板100的電晶體160(以及電晶體162)。應注意，電極、佈線、絕緣層、或類似者可以在上述的步驟之後另外形成。在使用具有由一包含一層間絕緣層及一導電層之層狀結構所構成之多層結構的佈線時，其可以提供一種高度整合的半導體裝置。
＜製造上方部份內之電晶體的方法＞
接下來將配合於第5A圖至第5G圖及第6A圖至第6D圖來說明用以製做位在層間絕緣層128上之電晶體164的步驟。應注意，第5A圖至第5G圖及第6A圖至第6D圖顯示出用以製造位在層間絕緣層128上之電極、電晶體164、以及類似者的步驟；因此，設置在電晶體164下方的電晶體160及類似者將會被省略掉。
首先形成絕緣層132於層間絕緣層128、源極或汲極電極130a及130b、以及電極130c上(參見第5A圖)。絕緣層132可以由PVD法、CVD法、類似者加以製做。絕緣層132可以使用諸如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、或氧化鉭之類的無機絕緣材料加以製成。
接下來在絕緣層132內形成通達至源極或汲極電極130a及130b與電極130c的開孔。在此時，在一個稍後要形成閘極電極136d的區域內亦形成一開孔。接著，形成一導電層134埋設於該等開孔內(參見第5B圖)。該等開孔可以利用諸如使用一遮罩的蝕刻作業來加以製做。該遮罩可以利用諸如使用光罩的曝光作業之類的方法來加以製做。濕式蝕刻法或乾式蝕刻法均可以用來進行該蝕刻作業；在微製造上最好是採用乾式蝕刻。導電層134可以由諸如PVD法或CVD法之類的薄膜成形方法來加以製做。導電層134可以例如說使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧或這些材料任一者的合金或化合物(例如說氮化物)之類的導電性材料來加以製做。
具體地說，可以採用一種例如將一薄鈦膜以PVD法形成於一包含有該等開孔之區域內並將一薄氮化鈦膜以CVD法加以形成，而後再將一鎢膜形成為埋設於該等開孔內的方法。在此，由PVD法形成的鈦膜具有縮小與絕緣層132之界面間之氧化物膜的功能，以減小與下方電極(在此為源極或汲極電極130a及130b、電極130c、以及類似者)間的接觸阻抗。在鈦膜形成後所形成的氮化鈦膜具有防阻導電材料擴散的障壁功能。在形成鈦、氮化鈦、或類似者之障壁膜後，可由電鍍法形成一銅膜。
在形成導電層134之後，利用蝕刻、CMP、或類似者將該導電層134的一部份加以移除，以將絕緣層132暴露出來而形成電極136a、136b、及136c、以及閘極電極136d(參見第5C圖)。應注意，在將導電層134之一部份移除以形成電極136a、136b、及136c、以及閘極電極136d時，該製程最好實施成能將表面加以平坦化。在利用該種方式將絕緣層132、電極136a、136b、及136c、以及閘極電極136d的表面加以平坦化後，在後續的步驟中可以順利地形成電極、佈線、絕緣層、半導體層、以及類似者。
接下來形成閘極絕緣層138來覆蓋住絕緣層132、電極136a、136b、及136c、閘極電極136d(參見第5D圖)。閘極絕緣層138可由CVD法、濺鍍法、或類似者來加以形成。閘極絕緣層138最好是使用氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧氮化矽、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭、或類似者來加以製成。應注意，閘極絕緣層138可以具有單層結構或層狀結構。例如說，可以採用電漿化學氣相沉積法利用矽烷(SiH4)、氧、以及氮做為源極氣體而製成由氮氧化矽構成的閘極絕緣層138。對於閘極絕緣層138的厚度並沒有特別的限制；閘極絕緣層138可以具有例如說10nm至500nm的厚度。在採用例如說層狀結構的情形中，閘極絕緣層138最好是由具有50nm至200nm厚度之第一閘極絕緣層與具有5nm至300nm厚度之第二閘極絕緣層所構成的堆疊體。
應注意，藉由將雜質加以移除而成為本質或大致上本質的氧化物半導體(高度純化的氧化物半導體)，對於界面位準及界面電荷是相當敏感的；因此，在以此種氧化物半導體來做為一氧化物半導體層時，與閘極絕緣層間的界面相當重要的。換言之，要與高度純度之氧化物半導體層接觸的閘極絕緣層138必需要具有高品質。
例如說，閘極絕緣層138最好是使用微波(2.45GHz)以高密度電漿化學氣相沉積法製成，因為該閘極絕緣層138可以相當緻密並且具有高耐受電壓。當一高度純化之氧化物半導體層及一高品質閘極絕緣層互相緊密接觸在一起時，界面位準將可降低，而可得到有利的界面特性。
更不用說即使是使用高度純化之氧化物半導體層，諸如濺鍍法或電漿化學氣相沉積法之類的其他方法也可以採用，只要能以高品質的絕緣層來做成閘極絕緣層。再者，其可以使用品質及界面特性在絕緣層形成後進行熱處理來加以改善的絕緣層。無論如何，閘極絕緣層138要以具有能做為閘極絕緣層138之有利薄膜品質且能減低與氧化物半導體層間之界面位準密度來形成有利之界面的絕緣層來加以製做。
在85℃下以2×106V/cm進行12小時的閘極偏壓溫度應力測試(BT試驗)中，如果將雜質加入至一氧化物半導體內，該雜質與該氧化物半導體之主要成份間的鍵結會被高電場(B：偏壓)及高溫度(T：溫度)加以打破，而所造成的懸鍵(Dangling Bond)會導致臨限電壓(Vth)的漂移。
相反的，當氧化物半導體的雜質，特別是氫及水，減至最少，氧化物半導體與閘極絕緣層間的界面特性如上述般調成有利情形，則可以得到能穩定通過BT試驗的電晶體。
接著形成一氧化物半導體層於閘極絕緣層138上，並以諸如使用遮罩的蝕刻作業之類的方法來加以處理，即可形成一島狀的氧化物半導體層140(參見第5E圖)。
做為該氧化物半導體層，最好是使用In-Ga-Zn-O基氧化物半導體層、In-Sn-Zn-O基氧化物半導體層、In-Al-Zn-O基氧化物半導體層、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導體層、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導體層、Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體層、In-Zn-O基氧化物半導體層、Sn-Zn-O基氧化物半導體層、Al-Zn-O基氧化物半導體層、In-O基氧化物半導體層、Sn-O基氧化物半導體層、或Zn-O基氧化物半導體層，其最好特別是非晶質。在本實施例中，做為該氧化物半導體層，其係以濺鍍法使用一標靶來沉積In-Ga-Zn-O基氧化物半導體，以構成一非晶氧化物半導體層。應注意，由於非晶氧化物半導體層可以藉由添加矽至該非晶氧化物半導體層內來抑制結晶作用，因此可以使用例如說含有2wt%至10wt%之SiO2的標靶來形成一氧化物半導體層，以便能含有可抑制結晶作用的SiOX(X>0)。
至於用以供濺鍍法用來形成氧化物半導體層的標靶，可以使用例如含有氧化鋅或類似者做為其主要成分的金屬氧化物標靶。再者，可以使用例如一標靶來沉積出含有In、Ga、及Zn的氧化物半導體(組成比率為In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：1[莫耳比])。再者，至於用以沉積出含有In、Ga、及Zn之氧化物半導體的標靶，可以使用組成比率為In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2(莫耳比)的標靶或組成比率為In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：4(莫耳比)的標靶。用以沉積氧化物半導體之標靶的填充率是90%至100%，最好是大於或等於95%(例如說99.9%)。使用具有高填充率之用來沉積氧化物半導體的標靶可以形成緻密的氧化物半導體層。
用以形成該氧化物半導體層的氛圍最好是稀有氣體(通常是氬)氛圍、氧氣氛圍、或是含有稀有氣體(通常是氬)及氧氣的混合氛圍。具體地說，最好是使用高純度的氣體，例如說其內諸如氫、水、羥基、或氫化物之類的雜質係移除至僅有數個ppm(最好是數個ppb)的濃度。
在形成該氧化物半導體層時，該基板係放置在一維持於較低壓力之處理腔室內，而該基板的溫度是設定在100℃至600℃，最好是200℃至400℃。該氧化物半導體層係在該基板加熱後形成的，因此可以將該氧化物半導體層的雜質濃度加以減低。再者，可以減輕因濺鍍而造成的損傷。接著將去除掉氫及水的濺鍍氣體導入至處理腔室內，而將留存於處理腔室內的水氣加以去除，並利用金屬氧化物做為標靶來形成該氧化物半導體層。最好是使用一截留真空泵來將留存於處理腔室內的水氣加以移除。例如說，可以使用低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵。抽氣單元可以是設有冷阱的渦輪泵。在由低溫泵抽過氣的沉積腔室中，氫原子、諸如水(H2O)之類含有氫原子的化合物(以及最好也有含有碳原子的化合物)、以及類似者係已被移除，因此可以減低形成於該沉積腔室內之氧化物半導體層的雜質濃度。
該氧化物半導體層是以下列條件形成的，例如：基板與標靶間的距離為100mm；壓力為0.6Pa；直流(DC)電源供應為0.5kW；而氛圍為氧氣(氧氣的流率比為100%)。應注意，最好是使用脈波直流(DC)電源供應，因為可以減少沉積所產生的粉粒物質(亦稱為顆粒或灰塵)，且厚度的分佈較均勻。該氧化物半導體層的厚度是2nm至200nm，最好是5nm至30nm。應注意，適當的厚度是依氧化物半導體材料而不同，且該厚度是依所用之材料而適當地設定。
應注意，在以濺鍍法來形成該氧化物半導體層之前，最好是利用將氬氣導入並產生電漿的反向濺鍍法(Reverse Sputtering)將閘極絕緣層138表面上的灰塵加以去除。在此，該反向濺鍍法是一種讓離子撞衝要處理之表面，以改變該表面的方法，不同於一般的濺鍍法是以離子撞擊濺鍍標靶。讓離子撞擊要處理表面之方法的一例是一種在氬氣氛圍內將高頻電壓施加至該表面上，以在一基板附近產生電漿的方法。應注意，氮氣、氦氣、氧氣或類似者的氛圍可用以取代氬氣氛圍。
至於該氧化物半導體層的蝕刻方法，乾式蝕刻法或濕式蝕刻法均可以使用。更不用說，可以將乾式蝕刻法及濕式蝕刻法合併使用。蝕刻的條件(例如說蝕刻氣體或蝕刻溶液、蝕刻時間、以及溫度)可依該材料而適當地設定，以使得該氧化物半導體層可以蝕刻成所需的形狀。
乾式蝕刻所用之蝕刻氣體之一例為含有氯的氣體(氯基氣體，例如氯氣(Cl2)，氯化硼(BCl3)，氯化矽(SiCl4)、或四氯化碳(CCl4))。再者，含有氟的氣體(氟基氣體，例如四氟化碳(CF4)、氟化硫(SF6)、氟化氮(NF3)、或三氟甲烷(CHF3))、溴化氫(HBr)、氧(O2)、任何這些氣體中添加諸如氦(He)或氬(Ar)之類之稀有氣體者、或類似者均可使用。
至於乾式蝕刻方法，可以使用平行板式RIE(反應離子蝕刻)法或ICP(感應耦合電漿)蝕刻法。為能將該氧化物半導體層蝕刻成所需的形狀，可以適當地設定蝕刻條件(例如說施加至圈繞電極上的電功率量、施加至位於基板側之電極的電功率量、以及基板側的電極溫度)。
至於濕式蝕刻用的蝕刻劑，可以使用磷酸、醋酸、以及硝酸的混合溶液，或類似者。也可以使用諸如ITO07N(由肯都化學公司(KANTO CHEMICAL CO.,INC.)製造)之類的蝕刻劑。
接著最好是在該氧化物半導體層上進行第一熱處理作業。該氧化物半導體層藉由第一熱處理作業加以脫水或脫氫。第一熱處理作業的溫度要大於或等於300℃且小於或等於750℃，最好是大於或等於400℃且小於該基板的應變點。例如說，將該基板置入至一內部使用電阻式加熱元件或類似者的電爐內，讓氧化物半導體層140在氮氣氛圍內在450℃下進行熱處理一小時。在該熱處理的過程中，氧化物半導體層140並未暴露於空氣中，因此可以防止水及氫氣的進入。
熱處理設備並不限於電爐，可以是能夠藉由熱傳導或是諸如加熱過氣體之熱輻射來加熱一物體的設施。例如說，諸如氣體快速加熱回火(GRTA)設備或燈泡快速加熱回火(LRTA)設備之類的快速加熱回火(RTA)設備均可使用。LRTA設備是一種利用自諸如鹵素燈、金屬鹵素燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈、或高壓汞燈之類的燈泡發射出之光線輻射(電磁波)來對欲處理物體加以加熱的設備。GRTA設備是一種使用高溫氣體進行熱處理的設備。至於該氣體，則可以使用不會與要做熱處理之物體發生反應的惰性氣體，例如說，氮氣或諸如氬氣之類的稀有氣體。
例如說，做為第一熱處理作業，可依如下方式施行GRTA製程。將基板置入已加熱至650℃至700℃高溫的惰性氣體內、加熱數分鐘、再自該惰性氣體內取出。GRTA製程可以在短時間內進行高溫的熱處理作業。再者，即吏是溫度超過基板的應變點時也可以使用GRTA製程，因為其係短時間的熱處理。
應注意，第一熱處理作業最好是在一種包含有氮氣或稀有氣體(例如說氦、氖、或氬)做為其主要成分且不含有水、氫、或類似者的氛圍內進行。例如說，導入至熱處理設備內的氮氣或諸如氦、氖、或氬之類稀有氣體的純度要高於或等於6N(99.9999%)，最好是高於或等於7N(99.99999%)(亦即，雜質的濃度小於或等於1ppm，最好小於或等於0.1ppm)。
依第一熱處理作業的條件或氧化物半導體層的材料而定，該氧化物半導體層有時會結晶成為微晶質或多晶質。例如說，該氧化物半導體層有時會變成結晶度為90%或更高、或是80%或更高的微晶質氧化物半導體層。另外，第一熱處理作業的條件或氧化物半導體層的材料而定，該氧化物半導體層可以是不含有結晶成分的非晶質氧化物半導體層。
另外，該氧化物半導體層有時會變成一層微晶體(晶粒大小為1nm至20nm，通常是2nm至4nm)混合非晶質氧化物半導體的層(例如說氧化物半導體層的表面)。
該氧化物半導體層的電氣特性可以藉由將非晶質半導體內的微晶體加以對齊而改變之。例如說，當該氧化物半導體層是使用一用來沉積In-Ga-Zn-O基氧化物半導體的標靶加以製成時，該氧化物半導體層的電氣特性可藉由形成一微晶質部份而其內之具有電異向性之In2Ga2ZnO7晶粒係對齊的來加以改變。
更具體地說，例如說，當晶粒是配置成使In2Ga2ZnO7的c軸垂直於該氧化物半導體層之一表面時，即可改善平行於該氧化物半導體層之該表面的方向上的導電性，並可改善垂直於該氧化物半導體層之該表面的方向上的絕緣特性。另外，此一微晶質部份具有能抑制諸如水或氫之類的雜質進入至該氧化物半導體層內的功能。
應注意，該包含有微晶質部份之氧化物半導體層可以透過以GRTA製程來加熱該氧化物半導體層之表面而形成之。另外，該氧化物半導體層可以藉由一種使用其內Zn之量小於In或Ga的濺鍍標靶的更佳的方式來形成之。
氧化物半導體層140的第一熱處理作業可以在尚未處理成島狀氧化物半導體層140的氧化物半導體層上施行。在此情形下，在第一熱處理作業之後，基板自加熱設備內取出，並進行光微影步驟。
應注意，前述的第一熱處理作業可以稱為脫水處理、脫氫處理、或類似者，因其對於氧化物半導體層140的脫水或脫氫氣作用。該脫水處理或脫氫處理可以在例如說該氧化物半導體層形成之後、一源極或汲極電極堆疊於該氧化物半導體層140上之後、或在一保護絕緣層形成於該源極或汲極電極上之後再施行。該脫水處理或脫氫處理可以施行一次或多次。
接著形成源極或汲極電極142a及源極或汲極電極142b與氧化物半導體層140接觸(參見第5F圖)。源極或汲極電極142a及142b係透過將一導電層形成為覆蓋住氧化物半導體層140，接著再做選擇性蝕刻的方式來加以形成的。
該導電層可以由諸如濺鍍法之類的PVD法，或是諸如電漿CVD法之類的CVD法來加以製做。至於該導電層的材料，可以使用選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、及鎢的元素；含有這些元素之一者做為其成分的合金；或類似者。再者，可以使用一種或多種選自錳、鎂、鋯、鈹、以及釷的材料。其亦可以將鋁配合一種或多種鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹、以及鈧的元素來加以使用。該導電層可以具有單層結構或是包含有二層或多層的層狀結構。例如說，該導電層可以具有一層含有矽之鋁膜的單層結構、一種將鈦膜堆疊於鋁膜上的雙層結構、或是一種將鈦膜、鋁膜、及鈦膜依此順序堆疊起來的三層結構。
在此，紫外光、KrF雷射光、或ArF雷射光是最適合使用在用以製做蝕刻用遮罩時曝光之用。
該電晶體的通道長度(L)是由源極或汲極電極142a之下方邊緣部份與源極或汲極電極142b之下方邊緣部份間的距離來決定的。應注意，在通道長度(L)小於25nm的情形中，製做遮罩時的曝光作業是以波長極短為數奈米至數百奈米的極紫外光射線來進行的。以極紫外光射線進行曝光作業的解析度很高，且焦距深度很大。基於這些理由，後來所形成的電晶體的通道長度(L)會在10nm至1000nm的範圍內，而電路即可以更高的速度運作。再者，截止狀態電流相當的低，可以防止功率消耗的增高。
該導電層及氧化物半導體層140的材料及蝕刻條件可適當地調整，以使得氧化物半導體層140在蝕刻該導電層時不會被移除掉。應注意，在某些情形中，依材料及蝕刻條件而定，氧化物半導體層140在蝕刻步驟中會被部份地蝕刻掉，因此會具有一溝槽狀部份(下凹部份)。
在氧化物半導體層140與源極或汲極電極142a之間，以及在氧化物半導體層140與源極或汲極電極142b之間可形成一氧化物導電層。該氧化物導電層及一用以形成源極或汲極電極142a及142b的金屬層可連續地形成。該氧化物導電層可以做為一源極區域或一汲極區域。該氧化物導電層的設置可以減低該源極區域或該汲極區域的阻抗，因此電晶體能以高速運作。
為減少所用之遮罩的數量及減少步驟數目，蝕刻步驟可以利用一使用多色調遮罩(Multi-Tone Mask)加以製做之光阻遮罩來進行之，該多色調遮罩係一種可供光線穿透而具有多種強度的曝光遮罩。使用多色調遮罩所形成的光阻遮罩具有多種厚度(具有樓梯狀的形狀)，且可藉由灰化(Ashing)來改變形狀；因此，光阻遮罩可應用於多個蝕刻步驟中，用以處理成不同的圖案。也就是說，可以使用一多色調遮罩來製成一個對應於至少二種不同圖案的光阻遮罩。因此，可以減少曝光遮罩的數量，並且亦可減少相對應之光微影步驟的數目，因之可以簡化程序。
應注意，最好能在上述的步驟之後，使用諸如N2O、N2、或Ar之類的氣體來進行電漿處理作業。此電漿處理作業可去除掉附著於該氧化物半導體層暴露出之表面上的水或類似者。電漿處理作業可以使用氧及氬的混合氣體來實施。
接著形成保護絕緣層144與氧化物半導體層140的部份接觸而不暴露於空氣中(參見第5G圖)。
保護絕緣層144可以由諸如濺鍍法之類的方法來加以形成，藉由之可以適當地防止水及氫之類的雜質混合至保護絕緣層144內。保護絕緣層144具有至少1nm的厚度。保護絕緣層144可以使用氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧氮化矽、或類似者來加以製做。保護絕緣層144可以具有單層結構或層狀結構。形成該保護絕緣層144時的基板溫度最好是高於或等於室溫，並且低於或等於300℃。用以形成該保護絕緣層144的氛圍最好是稀有氣體(通常是氬)氛圍、氧氣氛圍、或是含有稀有氣體(通常是氬)及氧氣的混合氛圍。
如果保護絕緣層144內含有氫的話，則氫會進入至氧化物半導體層內或抽取掉氧化物半導體層內的氧，因此位於背通道(Backchannel)側的氧化物半導體層的阻抗可能會減低，且可能會形成寄生通道。因此，很重要的是在形成保護絕緣層144時不要使用氫氣，以使氧化物絕緣層144含有的氫儘可能地少。
再者，保護絕緣層144最好是在處理腔室內所存留的水移除後才形成，以使得氧化物半導體層140及保護絕緣層144內不會含有氫、羥基、或水氣。
最好是使用截留真空泵來移除存留於處理腔室內的水氣。例如說，最好是使用低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵。抽氣單元可以是設有冷阱的渦輪泵。在由低溫泵抽過氣的沉積腔室中，例如說氫原子、諸如水(H2O)之類含有氫原子的化合物係已被移除；因此可以減低形成於該沉積腔室內之保護絕緣層144的雜質濃度。
至於用以形成保護絕緣層144的濺鍍氣體，最好是使用高純度的氣體，其內諸如氫、水、羥基、或氫化物之類的雜質均已移除至數個ppm(最好是數個ppb)的濃度。
接著在惰性氣體氛圍或氧氣氛圍內(在200℃至400℃，例如說250℃至350℃)進行第二熱處理。例如說，該第二熱處理作業是在氮氣氛圍內在250℃進行一小時。第二熱處理作業可以減低電晶體電氣特性的變動。
另外，可以空氣中在100℃至200℃下進行一小時至30小時的熱處理作業。此熱處理作業可以在固定的加熱溫度下進行；另一種方式是以下述加熱溫度變化的方式重覆進行多次：將加熱溫度自室溫增加至100℃至200℃的溫度，而後再減低至室溫。此熱處理作業可以在保護絕緣層形成之前，在較低的壓力下進行。此熱處理的時間在較低壓力下可以縮減。此熱處理作業可用以取代該第二熱處理作業，或是例如在該第二熱處理作業之前或之後進行。
接著形成層間絕緣層146於保護絕緣層144上(參見第6A圖)。層間絕緣層146可以由PVD法、CVD法、或類似者加以製成。層間絕緣層146可以使用諸如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、或氧化鉭之類的無機絕緣材料來加以製做。在層間絕緣層146形成後，最好能以CMP、蝕刻、或類似者將層間絕緣層146的表面加以平坦化處理。
接著在層間絕緣層146、保護絕緣層144、以及閘極絕緣層138內形成通達至電極136a、136b、及136c、以及源極或汲極電極142a及142b的開孔。接著形成一導電層148埋設於該等開孔內(參見第6B圖)。該等開孔可由諸如使用一遮罩的蝕刻作業的方法來加以形成。該遮罩可以利用諸如使用光罩的曝光作業之類的方法來加以製做。濕式蝕刻法或乾式蝕刻法均可以用來進行該蝕刻作業；在微製造上最好是採用乾式蝕刻。導電層148可以由諸如PVD法或CVD法之類的薄膜成形方法來加以製做。導電層148可以例如說使用諸如鉬，鈦，鉻，鉭，鎢，鋁，銅，釹、或鈧或這些材料任一者的合金或化合物(例如說氮化物)之類的導電性材料來加以製做。
具體地說，可以採用一種例如將一薄鈦膜以PVD法形成於一包含有該等開孔之區域內並將一薄氮化鈦膜以CVID法加以形成，而後再將一鎢膜形成為埋設於該等開孔內的方法。在此，由PVD法形成的鈦膜具有縮小與層間絕緣層146之界面間之氧化物膜的功能，以減小與下方電極(在此為電極136a、136b、及136c、以及源極或汲極電極142a及142b)間的接觸阻抗。在鈦膜形成後所形成的氮化鈦膜具有防阻導電材料擴散的障壁功能。在形成鈦、氮化鈦、或類似者之障壁膜後，可由電鍍法形成一銅膜。
在形成導電層148之後，利用蝕刻、CMP、或類似者將該導電層148的一部份加以移除，以將層間絕緣層146暴露出來而形成電極150a、150b、150c、150d、及150e(參見第6C圖)。應注意，在將導電層148之一部份移除以形成電極150a、150b、150c、150d、及150e時，該製程最好實施成能將表面加以平坦化。在利用該種方式將層間絕緣層146及電極150a、150b、150c、150d、及 150e的表面加以平坦化後，在後續的步驟中可以順利地形成電極、佈線、絕緣層、半導體層、以及類似者。
接著形成絕緣層152，並在絕緣層152內形成通達至電極150a、150b、150c、150d、及150e的開孔。在形成一層導電層埋設於該等開孔內後，利用蝕刻、CMP、或類似者來將該導電層的一部份加以移除。因此將該絕緣層152暴露出，並形成電極154a、154b、154c、及154d(參見第6D圖)。此步驟類似於形成電極150a及類似者的步驟；因此詳細的說明將省略掉。
在電晶體164是以前述之方法加以形成的情形下，該氧化物半導體層140內的氫濃度是5×1019原子/cm3或更低，且電晶體164的截止電流是1×10-13A或更低。具有極佳特性的電晶體164可以透過應用前述藉由充分減低氫濃度而高度純化之氧化物半導體層140而製得。再者，其可以製造一種半導體裝置，其具有極佳特性，且在下方部份內包含有使用一種氧化物半導體以外之材料加以形成的電晶體160及162，且在上方部份內包含使用一氧化物半導體加以形成的電晶體164。
應注意，在此所述係第2A圖內所示之半導體裝置的製造步驟。第2B圖、第2C圖、以及第2D圖中所示的半導體裝置亦可以類似於第2A圖所示之半導體裝置的方式來製做之。
應注意，碳化矽(例如說4H-SiC)係視為相當於氧化物半導體的半導體材料。氧化物半導體與4H-SiC有一些共同的事物。載子密度是其中之一。根據費米狄瑞克分佈，氧化物半導體的載子密度估計約為10-7/cm3。此載子密度數值是相當地小，類似於4H-SiC的6.7×10-11/cm3。將氧化物半導體的載子密度與矽的本質載子密度(約為1.4×1010/cm3)相比較，可以清楚理解到氧化物半導體的載子密度是相當的低。
另外，氧化物半導體的能帶隙是3.0eV至3.5eV，而4H-SiC的能帶隙是3.26eV。因此，氧化物半導體以及碳化矽就他們都是寬隙(Wide Gap)半導體而言是相似的。
另一方面，氧化物半導體與碳化矽間有一項主要的差異，即是處理溫度。由於碳化矽通常需要在1500℃至2000℃做熱處理，其不易於將碳化矽及使用碳化矽以外之半導體材料所形成的半導體元件來形成一堆疊體。這是因為半導體基板、半導體元件、或類似者在那樣的高溫下會受損。此外，氧化物半導體可以在300℃至500℃(玻璃轉換溫度或更低，最高至約700℃)的熱處理下形成；因此，其可以藉由使用氧化物半導體以外之一半導體材料來製成一積體電路，而後再製成一包含氧化物半導體的半導體元件。
另外，不同於碳化矽，氧化物半導體較為有利，因為可以使用諸如玻璃基板之類的低熱阻抗。再者，氧化物半導體不需要在高溫下做熱處理，因此和碳化矽相比較下，可以充分地減低能源成本，這是另一項優勢。
雖然曾經進行過許多有關於諸如能態密度(Density of State，DOS)之類的氧化物半導體特性的硏究，但他們並不包括將DOS本身加以充分地減低的想法。根據本發明的一實施例，其係藉由將可能會影響到DOS的水或氫加以移除來形成高度純化的氧化物半導體。這是根據將DOS本身加以充分地減低的構想法。此種高度純化的氧化物半導體可使其能夠製造極佳的工業產品。
另外，其亦可以藉由將氧供應至因為氧空洞而產生的金屬懸鍵而形成更高度純化的(i型)氧化物半導體，並減低因該氧空洞而致的DOS。例如說，將一含有過量氧的氧化物膜形成為與一通道形成區域相接觸，而後將氧自該氧化物膜供給至通道形成區域，因之而能減低因氧空洞而致的DOS。
氧化物半導體的缺陷是歸因於過量氫造成的導電帶下的淺能階、因為缺氧而致的深能階、或類似者。就技術上的考量而言，完全移除氫並充分供給氧來消除該缺陷是正確的。
氧化物半導體通常是視為n型半導體；但是，根據本發明一實施例，其可以藉由移除雜質，特別是水及氫，來實現i型半導體。就此而言，可以說本發明一實施例包含一種新穎的技術概念，因為其不同於例如矽添加雜質之類的i型半導體。
＜包含氧化物半導體之電晶體的電傳導機制＞
包含氧化物半導體之電晶體的電傳導機制將配合第12圖、第13A圖及第13B圖、第14A圖及第14B圖、以及第15圖來加以說明。應注意，以下的說明僅係一種想法，並未否認本發明的有效性。
第12圖是一包含氧化物半導體的反交錯型電晶體(薄膜電晶體)的剖面圖。一氧化物半導體層(OS)設置在一閘極電極(GE1)上而其間夾置一閘極絕緣層(GI)，以及一源極電極(S)及一汲極電極(D)設置在該氧化物半導體層上。另外，一背閘極(GE2)設置在該源極電極及該汲極電極上而其間夾置一絕緣層。
第13A圖及第13B圖是第12圖中剖面A-A’的能帶圖(示意圖)。第13A圖顯示出源極與汲極間電位差為零(源極與汲極具有相同電位，VD=0V)的情形。第13B圖顯示出汲極電位高於源極(VD>0)的情形。
第14A圖及第14B圖是第12圖中剖面B-B’的能帶圖(示意圖)。第14A圖顯示出正電壓(VG>0)施加至閘極(GE1)上的情形，也就是說有載子(電子)流通於源極及汲極之間的開啟狀態。第14B圖顯示出負電壓(VG<0)施加至閘極(GE1)上的情形，也就是說關閉狀態(其中有少數載子流動)。
第15圖顯示出真空位準、金屬之功函數(φM)、以及氧化物半導體之電子親合性(χ)間的關係。
金屬退化，且費米能階存在於導電帶中。此外，習用的氧化物半導體是n型，而且費米能階(Ef)在帶隙中心是遠離於本質費米能階(Ei)，且靠於導電帶。已知氧化物半導體內的氫會部份變成施體，且是造成n型氧化物半導體的因素之一。
相反的，根據本發明一實施例的氧化物半導體是一種以下列方式製做的本質的(i型)氧化物半導體或接近於本質者：將造成n型氧化物半導體的氫自氧化物半導體中移除以高度純化，因此該氧化物半導體能夠儘可能少地包含該氧化物半導體主要成分以外的元素(雜質元素)。也就是說，本發明一實施例的特點氧化物半導體並非藉由添加雜質元素而是藉由消除諸如氫及水之類的雜質而製做成為或接近於高度純化的i型(本質)半導體。因此，費米能階(Ef)相近於本質費米能階(Ei)。
在氧化物半導體的帶隙(Eg)是3.15eV的情形中，其電子親合性(χ)是為4.3eV。源極電極或汲極電極內所含之鈦(Ti)的功函數大致上是等於氧化物半導體的電子親合性(χ)。在此種情形中，在金屬與氧化物半導體之間的界面上不會形成阻擋電子的蕭特基障壁。
也就是說，在金屬之功函數(φM)等於氧化物半導體之電子親合性(χ)的情形中，當金屬與氧化物半導體互相接觸在一起時，會呈現第13A圖中所示的能帶圖(示意圖)。
在第13B圖中，黑點(‧)代表電子。第13B圖顯示正電壓(VD>0)施加至汲極，但沒有電壓施加至閘極(VG=0)的情形(以虛線顯示)，以及正電壓(VD>0)施加至汲極，且正電壓(VG>0)施加至閘極的情形(以實線顯示)。當供應一正電位(VD>0)至閘極，並施加一正電位至汲極時，電子會穿越障壁(h)而注入至氧化物半導體內，並流向汲極。該障壁的高度(h)是依閘極電壓及汲極電壓而定。當供應一正電壓(VG>0)至閘極，且施加一正的汲極電壓時，該障壁的高度(h)會低於第13A圖中沒有施加電壓時的障壁高度，也就是說，帶隙(Eg)的一半。在未施加電壓至閘極的情形中，由於高的電位障壁之故，載子(電子)並不會自電極注入至氧化物半導體側，因此不會有電流流動，這代表關閉狀態。另一方面，當施加一正電壓至閘極上時，電位障壁會減低，因此電流可以流通，這代表開啟狀態。
在那時，如第14A圖中所顯示的，電子會在閘極絕緣層與高度純化之氧化物半導體(氧化物半導體在能量上穩定的底部部份)間的界面附近處移動。
如第14B圖中所顯示的，當一負電位供應至閘極電極(GE1)時，做為少數載子的電洞實質上是不存在的。因此，電流數值實質上是接近於0。
以此方式，氧化物半導體層可以藉由高度純化而能儘可能少地含有其主要元素以外的元表(亦即雜質元素)而變成為本質(i型半導體)或大致上為本質。因此，氧化物半導體與閘極絕緣層間的界面的特性會變得明顯。基於此理由，閘極絕緣層必須要與氧化物半導體形成有利的界面。具體地說，最好是採用以下的絕緣層，例如說：利用在VHF頻帶至微波頻帶範圍內的電力供應頻率產生的高密度電漿進行CVD法所形成的絕緣層、或是由濺鍍法所形成的絕緣層。
在氧化物半導體被高度純化而使氧化物半導體與閘極絕緣層之間的界面變得有利時，在例如說電晶體具有1×104μm的通道寬度W及3μm的通道長度L的情形下，其可以達成10-13A或更小的截止電流及0.1V/dec.的次臨界擺幅(S值)(100-nm厚之閘極絕緣層的情形)。
當氧化物半導體如上所述般高度純化而能儘可能少地含有其主要元素以外的元素(亦即雜質元素)時，該薄膜電晶體即可以一種有利的方式運作。
＜變化範例＞
第7圖、第8A圖及第8B圖、第9A圖及第9B圖、以及第10A圖及第10B圖顯示出此半導體裝置之結構的變化範例。應注意，在變化範例中，下文將描述具有結構不同於前述者之電晶體164的半導體裝置。也就是說，電晶體160及電晶體162是與前面所述相同。
第7圖顯示出一包含電晶體164的半導體裝置的例子，其中閘極電極136d是設置於氧化物半導體層140下方，而源極或汲極電極142a及142b則與氧化物半導體層140的一底側表面相接觸。應注意，頂側結構可以適當地改變來配合於該截面；因此在此僅顯示出截面。
第7圖中之結構與第3A圖中之結構間的重大差異是在於氧化物半導體層140連接至源極或汲極電極142a及142b的位置。也就是說，在第3A圖的結構中，氧化物半導體層140是以頂側表面來接觸源極或汲極電極142a及142b，而在第7圖的結構中，氧化物半導體層140則是以底側表面來接觸源極或汲極電極142a及142b。再者，此接觸位置的不同導致其他電極、絕緣層、以及類似者配置的不同。每一部件的細部均與第3A圖及第3B圖的相同。
具體地說，第7圖中所示的半導體裝置顯示包含有設置在層間絕緣層128上的閘極電極136d、設置在閘極電極136d上的閘極絕緣層138、設置在閘極絕緣層138上的源極或汲極電極142a及142b，以及與源極或汲極電極142a及142b頂側表面接觸的氧化物半導體層140。
在此，閘極電極136d是設置成埋設在形成於層間絕緣層128上的絕緣層132內。如同閘極電極136d，電極136a、電極136b、以及電極136c係形成為分別與源極或汲極電極130a、源極或汲極電極130b、以及電極130c接觸。
保護絕緣層144是設置在電晶體164上而與氧化物半導體層140的一部份接觸。層間絕緣層146是設置在保護絕緣層144上。在保護絕緣層144及層間絕緣層146內形成有通達至源極或汲極電極142a及源極或汲極電極142b的開孔。電極150d及電極150e係形成為分別經由該等開孔而與源極或汲極電極142a及源極或汲極電極142b接觸。如同電極150d及150e，電極150a、150b、以及 150c係形成為分別經由開設在閘極絕緣層138、保護絕緣層144、以及層間絕緣層146內的開孔而與電極136a、136b、以及136c接觸。
絕緣層152係設置在層間絕緣層146上。電極154a、154b、154c、以及154d係設置成埋設在絕緣層152內。電極154a是與電極150a接觸。電極154b與電極150b接觸。電極154c與電極150c及電極150d接觸。電極154d與電極150e接觸。
第8A圖及第8B圖每一者均顯示出此半導體裝置之結構的一例，其中閘極電極136d是設置在氧化物半導體層140上。第8A圖顯示出源極或汲極電極142a及142b是與氧化物半導體層140之一底側表面接觸的結構範例。第8B圖則顯示源極或汲極電極142a及142b是與氧化物半導體層140之一頂側表面接觸的結構範例。
第8A圖及第8B圖之結構與第3A圖及第7圖中之結構間的一項重大差異在於閘極電極136d是設置在氧化物半導體層140上。另外，第8A圖中之結構與第8B圖中之結構間的一項重大差異在於源極或汲極電極142a及142b是與氧化物半導體層140的底側表面或頂側表面接觸。再者，這些差異導致其他電極、絕緣層、以及類似者配置的不同。每一部件的細部均與第3A圖及第3B圖、及類似者的相同。
具體地說，第8A圖中所示的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的源極或汲極電極142a及142b、與源極或汲極電極142a及142b之頂側表面接觸的氧化物半導體層140、設置在氧化物半導體層140上的閘極絕緣層138、以及在一疊覆於氧化物半導體層140上之區域內位於閘極絕緣層138上的閘極電極136d。
第8B圖中的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的氧化物半導體層140、設置成與氧化物半導體層140之頂側表面接觸的源極或汲極電極142a及142b、設置在氧化物半導體層140及源極或汲極電極142a及142b上的閘極絕緣層138、以及在一疊覆於氧化物半導體層140上之區域內位於閘極絕緣層138上的閘極電極136d。
應注意，在第8A圖及第8B圖的結構中有時會將部件(例如說電極150a或電極154a)自第3A圖及第3B圖或類似者的結構中省略掉。在此情形下，可以得到諸如製程簡化等的次要效用。更不用說非必要部件可以自第3A圖及第3B圖以及類似者的結構中加以省略掉。
第9A圖及第9B圖每一者均顯示出元件尺寸相當地大而閘極電極136d設置於氧化物半導體層140下方之情形的例子。在此種情形中，對於表面平直度及覆蓋度的需求是較為溫和的，因此其不需要將佈線、電極、以及類似者形成為埋設於一絕緣層內。例如說，閘極電極136d及類似者可以在一導電層形成後加以圖案化而形成之。應注意，雖然未顯示於此，但電晶體160及電晶體162可以相似的方式形成之。
第9A圖中之結構與第9B圖中之結構間的一項重大差異在於源極或汲極電極142a及142b是與氧化物半導體層140的底側表面或頂側表面接觸。再者，此差異會導致其他電極、絕緣層、以及類似者以不同的方式配置。每一部件的細部均與第3A圖及第3B圖、及類似者的相同。
具體地說，第9A圖中的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的閘極電極136d、設置在閘極電極136d上的閘極絕緣層138、設置在閘極絕緣層138上的源極或汲極電極142a及142b，以及設置成與源極或汲極電極142a及142b之頂側表面接觸的氧化物半導體層140。
第9B圖中的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的閘極電極136d、設置在閘極電極136d上的閘極絕緣層138、設置在閘極絕緣層138上而與閘極電極136d疊置的氧化物半導體層140、以及設置成與氧化物半導體層140之一頂側表面接觸的源極或汲極電極142a及142b。
應注意，在第9A圖及第9B圖的結構中，同樣地有時會將部件自第3A圖及第3B圖或類似者的結構中省略掉。在此情形下，同樣可得到的諸如製程簡化等的次要效用。
第10A圖及第10B圖每一者均顯示出元件尺寸相當地大而閘極電極136d設置於氧化物半導體層140上之情形的例子。同樣在此種情形中，對於表面平直度及覆蓋度的需求是較為溫和的，因此其不需要將佈線、電極、以及類似者形成為埋設於一絕緣層內。例如說，閘極電極136d及類似者可以在一導電層形成後加以圖案化而形成之。應注意，雖然未顯示於此，但電晶體160及電晶體162可以相似的方式形成之。
第10A圖中之結構與第10B圖中之結構間的一項重大差異在於源極或汲極電極142a及142b是與氧化物半導體層140的底側表面或頂側表面接觸。再者，此差異會導致其他電極、絕緣層、以及類似者以不同的方式配置。每一部件的細部均與第3A圖及第3B圖、及類似者的相同。
具體地說，第10A圖中的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的源極或汲極電極142a及142b、與源極或汲極電極142a及142b之頂側表面接觸的氧化物半導體層140、設置在源極或汲極電極142a及142b以及氧化物半導體層140上的閘極絕緣層138、以及在一疊覆於氧化物半導體層140上之區域內位於閘極絕緣層138上的閘極電極136d。
第10B圖中的半導體裝置包含設置在層間絕緣層128上的氧化物半導體層140、設置成與氧化物半導體層140之一頂側表面接觸的源極或汲極電極142a及142b、設置在源極或汲極電極142a及142b以及氧化物半導體層140上的閘極絕緣層138、以及在一疊覆於氧化物半導體層140上之區域內位於閘極絕緣層138上的閘極電極136d。
應注意，在第10A圖及第10B圖的結構中，同樣地有時會將部件自第3A圖及第3B圖或類似者的結構中省略掉。在此情形下，同樣可得到的諸如製程簡化等的次要 效用。
如上所述，根據本發明一實施例可以實現一具有新穎結構的半導體裝置。在本實施例中所描述的是電晶體164堆疊於電晶體160及電晶體162上的半導體裝置之例子；但是，此半導體裝置的結構並不限於此種結構。再者，此實施例中顯示出電晶體164之通道長度方向是垂直於電晶體160及162者的例子；但是，電晶體160、162、及164間的位置關係並不限於此種範例。此外，電晶體160及電晶體162可以設置與電晶體164疊覆在一起。
在本實施例中描述具有最小儲存單元的半導體裝置，以供簡化之用；但是，此半導體裝置的結構並不僅限於此。可以藉由將多個半導體裝置適當地加以連接起來，以構成一更先進的半導體裝置。佈線架構並不限於第1A圖及第1B圖以及第2A圖至第2D圖中所示者，可以適當地改變之。
在根據此實施例的半導體裝置中，輸入信號可以保持很長的一段時間，因為電晶體164具有低的截止電流。因此，可以提供一種可以保持住一輸入信號的半導體裝置(例如說一反相器電路)。
本實施例中所述的結構及方法可以適當地結合其他實施例中所描述的結構及方法。
(第二實施例)
在本實施例中將配合第11A圖至第11F圖來說明一設置有由前述實施例中製得之半導體裝置的電子裝置的例子。在由前述實施例製得的實施例中，即使是未供應電源仍能保持住資料。另外，半導體裝置不會因為輸入信號的寫入或擦拭而劣化。再者，半導體裝置能以高速度運作。因此，藉由使用此半導體裝置，其可以提供一種具有新穎結構的電子裝置。應注意，根據前述實施例的半導體裝置係整合成可裝設於於一電路板或類似者上，進而內建於每一電子裝置內。
第11A圖顯示出一包含有根據前述實施例之半導體裝置的膝上型個人電腦。此膝上型個人電腦包含一本體301、一殼體302、一顯示部份303、一鍵盤304、以及類似者。
第11B圖顯示出一包含有根據前述實施例之半導體裝置的可攜式數位助理(Portable Digital Assistant，PDA)。一本體311包含一顯示部份313、一外部界面315、操作鍵314、以及類似者。另外設有一觸控筆312做為操作用的附屬構件。
第11C圖顯示出一電子書320，做為一包含有根據前述實施例之半導體裝置的電子紙的例子。電子書320包含二殼體：殼體321及殼體323。殼體321由鉸鏈337結合至殼體323，因此電子書320可利用鉸鏈337做為一軸線來加以開啟及關閉。此一結構可以讓該電子書320以紙本書的方式來加以使用。
殼體321包含一顯示部份325，而殼體323包含一顯示部份327。顯示部份325及顯示部份327可供顯示出連續的影像或是不同的影像。此種可顯示不同影像的結構可以讓文字顯示於右側的顯示部份(第11C圖中的顯示部份325)，影像顯示於左側的顯示部份(第11C圖中的顯示部份327)。
第11C圖顯示出殼體321包含一操作部份及類似者之情形的一例。例如說，殼體321包含一電源按鍵331、控制鍵333、一喇叭335、以及類似者。控制鍵333可用以翻頁。應注意，在設置著該顯示部份之殼體的表面上可以設置一鍵盤、一指向裝置、或類似者。另外，在該殼體之背側表面或側向表面上可以設置一外部連接接頭(耳機接頭、USB接頭、可用以連接至諸如交流轉接器及USB纜線之類的各種線纜或類似者的接頭)、一記錄媒體插入部份、以及類似者。該電子書320可以用來做為一電子字典。
此外，該電子書320可具有一種能無線傳送及接收資料的結構。透過無線通訊，所需的書本資料或類似者可以購買並自電子書伺服器加以下載。
應注意，電子紙可以應用在要顯示資料的任何領域中。例如說，電子紙可以應用在海報、諸如火車之類的車輛內的廣告、以及諸如信用卡之類的多種卡片，以及電子書上。
第11D圖顯示出一包含有根據前述實施例之半導體裝置的行動電話。此行動電話包含二殼體：殼體340及殼體341。殼體341包含一顯示面板342、一喇叭343、一麥克風344、一指向裝置346、一照相機鏡頭347、一外部連接接頭348、以及類似者。殼體340包含一用以充電該行動電話的太陽能電池349、一外部記憶體槽350、以及類似者。一天線內建於殼體341內。
顯示面板342包含一觸控面板。多個可以顯示成影像的控制鍵345，係以虛線顯示於第11D圖。應注意，此行動電話包含一升壓電路，用以將自太陽能電池349輸出的電壓升高至每一電路所需的電壓。除了前述的結構以外，在此行動電話內也可內建有一非接觸式積體電路晶片、一小型記錄裝置、或類似者。
顯示面板342的顯示方向可根據應用模式而適當地改變。另外，照相機鏡頭347是設置在與顯示面板342相同的表面上，因此此行動電話可以用來做為視訊電話。喇叭343及麥克風344可以用來做視訊電話通話、記錄、以及播放聲音等，以及語音通話。再者，在第11D圖中是顯示成打開狀的殼體340及341可以滑動成互相疊合。因此，此行動電話可具有適合於可攜式使用的適當尺寸。
外部連接接頭348係可連接至一交流轉接器及諸如USB纜線之類的各種線纜，這可使此行動電話能充電及進行資料通訊。再者，可透過將一記錄媒體插入至外部記憶體槽350內來儲存及移除較大量的資料。除了前述的功能，亦可設置紅外線通訊功能、電視接收功能、或類似者。
第11E圖顯示出一包含有根前述實施例之半導體裝置的數位照相機。此數位照相機包含有一本體361、一顯示部份A367、一接目鏡部份363、一操作開關364、一顯示部份B365、一電池366、以及類似者。
第11F圖顯示出一包含有根前述實施例之半導體裝置的電視機。電視機370包含有一殼體371，設有一顯示部份373。影像可以顯示在該顯示部份373上。在此，殼體371係由一腳架375加以支撐。
電視機370可由一包含在殼體371內的操作開關或一單獨設置的遙控器380來加以操作。頻道及聲音可由包含在遙控器380內的控制鍵379來加以控制，故而可以控制顯示在顯示部份373上的影像。另外，遙控器380可以設有一顯示部份377，用以顯示出由遙控器380輸出的資料。
應注意，電視機370最好包含有一接收器、一數據機、以及類似者。透過該接收器，可以接收一般的電視廣播。另外，當電視機370藉由該數據機以有線或無線方式連接至一通訊網路上時，可以進行單向(自一傳送器至一接收器)或雙向(一傳送器與一接收器之間、多個接收器之間、或類似情形)的資料通訊。
在本實施例中所描述的結構及方法可以適當地結合於其他實施例中所描述的結構及方法。
本申請案是依據西元2009年10月29日向日本專利局提出申請之日本專利申請案第2009-249328號，其全部內容係引用於此做為參照之用。
100．．．基板
102．．．保護層
104．．．半導體區域
106．．．元件隔離絕緣層
108a．．．閘極絕緣層
110a．．．閘極電極
112．．．絕緣層
114．．．雜質區域
116．．．通道形成區域
118．．．側壁絕緣層
120．．．高濃度雜質區域
122．．．金屬層
124．．．金屬化合物區域
126．．．層間絕緣層
128．．．層間絕緣層
130a．．．源極或汲極電極
130b．．．源極或汲極電極
130c．．．電極
132．．．絕緣層
134．．．導電層
136a．．．電極
136b．．．電極
136c．．．電極
136d．．．閘極電極
138．．．閘極絕緣層
140．．．氧化物半導體層
142a．．．源極或汲極電極
142b．．．源極或汲極電極
144．．．保護絕緣層
146．．．層間絕緣層
148．．．導電層
150a．．．電極
150b．．．電極
150c．．．電極
150d．．．電極
150e．．．電極
152．．．絕緣層
154a．．．電極
154b．．．電極
154c．．．電極
154d．．．電極
160．．．電晶體
162．．．電晶體
164．．．電晶體
166．．．電容器
168．．．電晶體
180．．．電晶體
182．．．電晶體
190．．．邏輯電路
192．．．邏輯電路
301．．．本體
302．．．殼體
303．．．顯示部份
304．．．鍵盤
311．．．本體
312．．．觸控筆
313．．．顯示部份
314．．．操作鍵
315．．．外部界面
320．．．電子書讀取器
321．．．殼體
323．．．殼體
325．．．顯示部份
327．．．顯示部份
331．．．電源按鍵
333．．．控制鍵
335．．．喇叭
337．．．鉸鏈
340．．．殼體
341．．．殼體
342．．．顯示面板
343．．．喇叭
344．．．麥克風
345．．．控制鍵
346．．．指向裝置
347．．．照相機鏡頭
348．．．外部連接接頭
349．．．太陽能電池
350．．．外部記憶體槽
361．．．本體
363．．．接目鏡部份
364．．．操作開關
365．．．顯示部份B
366．．．電池
367．．．顯示部份A
370．．．電視機
371．．．殼體
373．．．顯示部份
375．．．腳架
377．．．顯示部份
379．．．控制鍵
380．．．遙控器
在所附的圖式中：
第1A圖及第1B圖是電路圖，每一圖均顯示出一半導體裝置。
第2A圖至第2D圖是電路圖，每一圖均顯示出一半導體裝置。
第3A圖及第3B圖分別是一剖面圖及一頂視圖，顯示出一半導體裝置。
第4A圖至第4H圖是剖面圖，顯示出一半導體裝置的製造程序。
第5A圖至第5G圖是剖面圖，顯示出一半導體裝置的製造程序。
第6A圖至第6D圖是剖面圖，顯示出一半導體裝置的製造程序。
第7圖是一剖面圖，顯示出一半導體裝置。
第8A圖及第8B圖是剖面圖，每一圖均顯示出一半導體裝置。
第9A圖及第9B圖是剖面圖，每一圖均顯示出一半導體裝置。
第10A圖及第10B圖是剖面圖，每一圖均顯示出一半導體裝置。
第11A圖至第11F圖是圖式，每一圖均顯示出使用一半導體裝置的電子裝置。
第12圖是一使用氧化物半導體之反交錯型電晶體的縱向剖面圖。
第13A圖及第13B圖是沿著第12圖中剖面A-A’的能帶圖(示意圖)。
第14A圖顯示出正電位(VG＞0)施加至閘極(GE1)的狀態，而第14B圖則顯示出負電位(VG＜0)施加至閘極(GE1)的狀態。
第15圖是曲線圖，顯示出真空位準、金屬之功函數(φM)、以及氧化物半導體之電子親合性(χ)間的關係。
180．．．電晶體
190．．．邏輯電路

Claims (17)

  1. 一種半導體裝置，包含：一第一電晶體，包含在一氧化物半導體層中的一第一通道形成區域；以及一邏輯電路，包含一第二電晶體，該第二電晶體包含一第二通道形成區域，該第二通道形成區域包含氧化物半導體以外之一半導體材料，其中該第一電晶體的源極電極及汲極電極之一者係電性連接至該邏輯電路的至少一輸入端，其中該半導體裝置係設計成：當該第一電晶體處於導通狀態時，一輸入信號可經由該第一電晶體施加至該邏輯電路，以及當該第一電晶體處於關閉狀態時，該輸入信號被儲存於該第二電晶體的閘極電極，以及其中該第一電晶體係設置在該邏輯電路上方。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一電晶體的截止電流是1×10-13A或更小。
  3. 一種半導體裝置，包含：一第一電晶體，包含在一基板上的一第一通道形成區域、一第一閘極電極、一第一源極電極、以及一第一汲極電極；一第二電晶體，包含在該基板上的一第二通道形成區域、一第二閘極電極、一第二源極電極、以及一第二汲極電極；以及一第三電晶體，包含在該第一電晶體及該第二電晶體 上的一第三通道形成區域、一第三閘極電極、一第三源極電極、以及一第三汲極電極，其中該第一通道形成區域及該第二通道形成區域包含氧化物半導體以外之一半導體材料；其中該第三通道形成區域設置於一氧化物半導體層中；其中該第一源極電極及該第一汲極電極中的一個與該第二源極電極及該第二汲極電極中的一個係互相電性連接在一起，其中該第一閘極電極、該第二閘極電極、以及該第三源極電極與該第三汲極電極中之一者係互相直接連接在一起，以及其中該半導體裝置係設計成：當該第三電晶體處於導通狀態時，一輸入信號可經由該第三電晶體施加至該第一閘極電極與該第二閘極電極，以及當該第三電晶體處於關閉狀態時，該輸入信號被儲存於該第一閘極電極與該第二閘極電極。
  4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，進一步包含一電容器，係電性連接至該第一閘極電極、該第二閘極電極、以及該第三源極電極與該第三汲極電極中之該一者。
  5. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中該第一電晶體係一p通道電晶體，而該第二電晶體為一n通道電晶體。
  6. 一種半導體裝置，包含： 一第一電晶體，包含在一基板上的一第一通道形成區域、一第一閘極電極、一第一源極電極、以及一第一汲極電極；一第二電晶體，包含在該基板上的一第二通道形成區域、一第二閘極電極、一第二源極電極、以及一第二汲極電極；以及一第三電晶體，包含在該第一電晶體及該第二電晶體上的一第三通道形成區域、一第三閘極電極、一第三源極電極、以及一第三汲極電極，其中該第一通道形成區域及該第二通道形成區域包含氧化物半導體以外之一半導體材料；其中該第三通道形成區域設置於一氧化物半導體層中；其中該第一源極電極及該第一汲極電極中的一個與該第二源極電極及該第二汲極電極中的一個係互相電性連接在一起，其中該第一電晶體為一二極體連接的電晶體；其中該第二閘極電極與該第三源極電極及該第三汲極電極中之一者係互相直接連接在一起，以及其中該半導體裝置係設計成：當該第三電晶體處於導通狀態時，一輸入信號可經由該第三電晶體施加至該第二閘極電極，以及當該第三電晶體處於關閉狀態時，該輸入信號被儲存於該第二閘極電極。
  7. 如申請專利範圍第3或6項之半導體裝置，進一步 包含一電容器，係電性連接至該第二閘極電極及該第三源極電極與該第三汲極電極中之該一者。
  8. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該第一電晶體係一n通道電晶體，且該第二電晶體為一n通道電晶體。
  9. 如申請專利範圍第3或6項之半導體裝置，其中該第三源極電極及該第三汲極電極中另一者係電性連接至一信號輸入佈線，其中該第一源極電極及該第一汲極電極中的該一個與該第二源極電極及該第二汲極電極中的該一個係電性連接至一信號輸出佈線，其中該第三閘極電極係電性連接至一閘極信號輸入佈線，其中該第一源極電極及該第一汲極電極中的另一個係電性連接至一第一佈線，用以施加一第一電位，以及其中該第二源極電極及該第二汲極電極中的另一個係電性連接至一第二佈線，用以施加一第二電位。
  10. 如申請專利範圍第3或6項之半導體裝置，其中該第一電晶體另包含：第一雜質區域，設置成於其間夾置該第一通道形成區域；以及一第一閘極絕緣層，位於該第一通道形成區域上及該第一閘極電極下，以及其中該第二電晶體另包含：第二雜質區域，設置成於其間夾置該第二通道形成區域；以及一第二閘極絕緣層，位於該第二通道形成區域上及該第二閘極電極下。
  11. 如申請專利範圍第3或6項之半導體裝置，另包含位於該第一電晶體及該第二電晶體上且位於該第三電晶體下的一絕緣膜，其中該第三電晶體另包含位於該第三閘極電極上且位於該氧化物半導體層下的一第三閘極絕緣層。
  12. 如申請專利範圍第3或6項之半導體裝置，其中該第三電晶體的截止電流是1×10-13A或更小。
  13. 如申請專利範圍第1、3及6項中任一項之半導體裝置，其中該半導體材料是單晶矽。
  14. 如申請專利範圍第1、3及6項中任一項之半導體裝置，其中該半導體材料是矽。
  15. 如申請專利範圍第1、3及6項中任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層包含一In-Ga-Zn-O基氧化物半導體材料。
  16. 如申請專利範圍第1、3及6項中任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層包含一In2Ga2ZnO7晶體。
  17. 如申請專利範圍第1、3、及6項中的任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層中的氫濃度是5×1019原子/cm3或更低。
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