TWI582856B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Description

半導體裝置及其製造方法
本發明的實施例係關於包含氧化物半導體的半導體裝置以及半導體裝置的製造方法。
在本說明書中，半導體裝置一般意指可以藉由使用半導體特性而作用的裝置，並且，電光裝置、半導體電路、及電子裝置都是半導體裝置。
近年來，已注意到使用形成於具有絕緣表面的基板之上的半導體薄膜(厚度約數十奈米至數佰奈米)以形成薄膜電晶體(TFT)的技術。薄膜電晶體被應用至範圍廣大的電子裝置，例如IC或電光裝置，以及特別是正在急速地發展用作為影像顯示裝置中的切換元件之薄膜電晶體。有各式各樣的金屬氧化物，它們被使用於範圍廣泛的各種應用。
某些金屬氧化物具有半導體特徵。具有半導體特徵的此類金屬氧化物的實施例包含氧化鎢、氧化錫、氧化銦、及氧化鋅。已知有使用具有半導體特徵的此類金屬氧化物 以形成通道形成區之薄膜電晶體。(專利文獻1及2)。
關於此電晶體中使用的氧化物半導體，說明如下：氧化物半導體對於雜質不敏感；當膜中含有可觀的金屬雜質量時不會有問題；並且，也可以使用含有例如鈉等大量鹼金屬之不昂貴的鈉鈣玻璃(請參見非專利文獻1)。
[參考文獻] [專利文獻1
[專利文獻1]日本公開專利申請號2007-123861
[專利文獻2]日本公開專利申請號2007-96055
[非專利文獻1] Kamiya, Nomura，及Hosono等所著的「Carrier Transport Properties and Electronic Structures of Amorphous Oxide Semiconductors: The present status」, KOTAI BUTSURI (SOLID STATE PHYSICS), 2009, Vol. 44, pp. 621-633
當在裝置製程中形成電子施體的氫或水進入氧化物半導體中時，氧化物半導體的導電率會改變。此現象變成包含氧化物半導體的電晶體之電氣特徵的變化因素。
此外，包含氧化物半導體的半導體裝置之電氣特徵會因可見光或紫外光的照射而改變。
慮及上述問題，其一目的在於提供具有穩定電氣特徵和高可靠度之包含氧化物半導體膜的半導體裝置。
另一目的在於提供半導體裝置的製程，其藉由使用例如母玻璃等大尺寸基板來實現高度可靠的半導體裝置之量產。
本發明的一個實施例是半導體裝置的製造方法，包含下述步驟：在絕緣表面之上形成第一材料膜(具有六角晶體結構的膜)以及使用第一材料膜作為晶核以形成具有六角晶體結構的第二材料膜(結晶氧化物半導體膜)，藉以形成第一材料膜和第二材料膜的堆疊。注意，使用不同的材料來形成第一材料膜及第二材料膜。
具體而言，關於第一材料膜，可以使用具有纖鋅礦晶體結構(例如，氮化鎵或氮化鋁)的材料膜或具有剛玉晶體結構的材料膜(α-Al2O3、α-Ga2O3、In2O3、Ti2O3、V2O3、Cr2O3、或α-Fe2O3)。為了取得有利的晶體結構，可以使用這些材料膜的堆疊；舉例而言，可以使用氮化鋁膜及位於其之上的氮化鎵膜的堆疊。
注意，纖鋅礦晶體結構是在陽離子與陰極以1：1為界限的離子晶體中觀測到的晶體結構的其中之一。圖6A及6B顯示纖鋅礦晶體結構：黑圓圈代表鎵或鋁，並且，白圓圈代表氧。圖6A是在a-b平面中的纖鋅礦晶體結構圖，並且，圖6B是c軸方向為垂直方向的纖鋅礦晶體結構圖。
圖7A及7B顯示剛玉晶體結構：黑圓圈代表銦、鎵、鈦、釩、鉻、鐵、或鋁，白圓圓代表氧。圖7A是a-b平面中的剛玉晶體結構，圖7B是c軸方向為垂直方向 的剛玉晶體結構圖。
第二材料膜是包含鋅、銦、或鎵的結晶氧化物半導體膜。其實施例為例如以In-Al-Ga-Zn-O為基礎的材料以及以In-Sn-Ga-Zn-O為基礎的材料等四成份金屬氧化物、例如以In-Ga-Zn-O為基礎的材料、以In-Al-Zn-O為基礎的材料、以In-Sn-Zn-O為基礎的材料、以Sn-Ga-Zn-O為基礎的材料、以Al-Ga-Zn-O為基礎的材料、及以Sn-Al-Zn-O為基礎的材料等三成份金屬氧化物、例如以In-Zn-O為基礎的材料、以In-Ga-O為基礎的材料、以Sn-Zn-O為基礎的材料、及以Al-Zn-O為基礎的材料等二成份金屬氧化物、等等。此外，可以使用以In-Si-Ga-Zn-O為基礎的材料、以In-Ga-B-Zn-O為基礎的材料、或以In-B-Zn-O為基礎的材料。此外，上述材料可以含有SiO2。舉例而言，以In-Ga-Zn-O為基礎的材料意指含有銦(In)、鎵(Ga)、及鋅(Zn)之氧化物材料，對於其成分比例並無限定。此外，材料可以含有In、Ga、和Zn以外的元素。
以濺射法形成第二材料膜，並且，膜形成時的基板溫度係設定為高於或等於200℃且低於或等於400℃。藉由將膜形成時的基板溫度設定為高於或等於200℃且低於或等於400℃，形成於第一材料膜的表面上並與其接觸的第二材料膜具有六角晶體結構。
在以濺射法來形成第二材料膜期間，膜形成於其之上的表面之溫度較佳為高於或等於250℃且低於或等於用於 基板的熱處理溫度之上限。降止例如水或氫等雜質進入要被形成的膜以及在室中雜質釋出至汽相的溫度為250℃。此外，以濺射法在其之上形成膜之表面的溫度上限是用於基板的熱處理溫度之上限或是要被形成的膜的溫度之上限(假使溫度超過後一個上限時，膜中的成分顯著地改變)。藉由設定膜形成期間的基板溫度為高於或等於250℃，形成於第一材料膜的表面上及與其接觸的第二材料膜具有六角晶體結構。
此外，在用於濺射第二材料膜的濺射設備中的處理室的壓力設定於0.4Pa或更低，因此，抑制例如鹼金屬或氫等雜質進入要被形成的物體或是要被形成的物體之表面。注意，除了氫離子之外，在某些情況中，氫還可以以氫分子、經基、或氫化物含於物體中。
此外，當濺射設備的處理室之洩漏率係設定為低於或等於1 x 10-10Pa．m3/sec時，可以抑制例如鹼金屬及氫化物等雜質進入正由濺射法所形成的結晶氧化物半導體膜中。
為了降低洩漏率，內部洩漏率與外部洩漏率需要降低。外部洩漏意指氣體經由微小孔、密封缺陷、等等而從真空系統的外部流入。內部洩漏是導因於經由真空系統中例如閥等分隔部的漏洩或是導因於來自內部構件的釋出氣體。需要以外部洩漏及內部洩漏等二種態樣而採取措施，以便使洩漏率低於或等於1 x 10-10Pa．m3/sec。
降了降低外部洩漏，處理室的開啟/關閉部較佳藉由 金屬墊片來予以密封。關於金屬墊片，使用由氟化鐵、氧化鋁、或氧化鉻覆蓋的金屬材料。金屬墊片比O型環實現更高的附著，並且，可以降低外部洩漏。此外，藉由使用由處於被動狀態的氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻、等等覆蓋的金屬材料，抑制含有從金屬墊片產生的氫之釋出氣體，以致於也可以降低內部洩漏。
以釋放出小量含氫的氣體之鋁、鉻、鈦、鋯、鎳、或釩用於濺射設備的處理室的內壁之構件。可以使用由上述材料覆蓋之含有鐵、鉻、鎳、等等之合金材料。含有鐵、鉻、鎳、等等之合金材料是堅硬的、耐熱的、及適於處理。此處，當藉由拋光等等來降低構件的表面不平整以降低表面面積時，可以降低被釋放出的氣體。或者，濺射設備的上述構件可以藉由處於被動狀態之氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻、等等來予以覆蓋。
設於濺射設備的處理室內部之構件較佳儘可能僅由金屬材料所形成。舉例而言，在設置由石英等所形成的觀視窗的情況中，表面較佳僅被處於被動狀態的氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻、等等所薄薄地覆蓋，以減少釋出氣體。
此外，較佳的是正好在濺射設備的處理室之前設置使用於濺射氣體的氣體純化器(gas refiner)。此時，在氣體純化器與處理室之間的管路長度小於或等於5m，較佳為小於或等於1m。當管路的長度係小於或等於5m，或是小於或等於1m時，從管路中釋放出的氣體之效果可以因而減少。
濺射氣體從鋼瓶中流至濺射設備的處理室經過的管路較佳為金屬管，金屬管的內部由處於被動狀態的氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻、等等覆蓋。相較於例如SUS316L-EP管路，藉由上述管路，含氫的釋出氣體量小且降低進入膜形成氣體的雜質。此外，高性能超輕巧的金屬墊片接頭(UPG接頭)較佳用作為管路的接頭。此外，由於管路的所有材料是金屬材料之結構相較於使用樹脂等的結構，可以降低產生的釋出氣體或外部洩漏的影響，所以是較佳的。
由例如乾式泵等粗式抽真空泵、及例如濺射離子泵、渦輪分子泵、或低溫泵等高真空泵之適當結合，較佳執行濺射設備的處理室之抽真空。渦輪分子泵在大尺寸分子的抽真空方面具有優異的能力，但是在氫或水的抽真空方面具有低的能力。因此，具有高能力的水抽真空之低溫泵以及具有高能力的氫抽真空之濺射離子泵的結合是有效的。
由於存在於濺射設備的處理室內部之被吸附物被吸附於內壁上，所以，被吸附物不會影響處理室中的壓力，但是，被吸附物在處理室抽真空時導致氣體被釋放出。因此，雖然洩漏速率及抽真空速率未具有相關性，但是，重要的是存在於處理室中的被吸附物儘可能地脫附以及使用具有高抽真空能力的泵來預先執行抽真空。注意，處理室可以受到用於促進被吸附物的脫附之烘烤。藉由烘烤，被吸附物的脫附速率可以增加約10倍。烘烤應在高於或等於100℃且低於或等於450℃的溫度下執行。此時，當被 吸附物被去除並導入惰性氣體時，難以簡單地藉由抽真空而脫附之水、等等的脫附速率可以進一步增加。
當靶材的純度係設定於99.99%或更高時，可以降低進入結晶的氧化物半導體膜中的鹼金屬、氫原子、氫分子、水、羥基、氫化物、等等。此外，當使用靶材時，結晶的氧化物半導體膜中例如鋰、鈉、或鉀等鹼金屬的濃度可以被降低。
在這些膜形成條件下，形成結晶的氧化物半導體膜。結果，在膜形成期間執行材料的純化，因而形成包含相當少量的雜質之結晶氧化物半導體膜，其中，鹼金屬的濃度係低於或等於5x1016原子/cm3並且氫濃度係低於或等於1x1019原子/cm3。
以如此所取得的第一及第二材料膜的堆疊使用於電晶體，因而電晶體具有穩定的電氣特徵及高可靠度。此外，藉由將電晶體製程中的最大加熱溫度設定為低於或等於450℃，藉由使用例如母玻璃等大尺寸基板，以執行高度可靠的半導體裝置之量產。
在上述半導體裝置製造方法中，當製造第一材料膜及/或第二材料膜以及/或者閘極絕緣層時，較佳使用捕獲型真空泵以便將處理室抽真空。舉例而言，較佳使用低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵。上述捕獲型真空泵作用以降低第一材料膜及/或第二材料膜中以及/或閘極絕緣層中的氫、水、羥基、或氫化物的數量。
由於氫、水、羥基、或氫化物可能成為阻止氧化物半 導體膜晶化的因素的其中之一，所以，較佳在雜質充份地降低的氛圍中執行膜形成、基板轉移、等等步驟。
由上述製造方法取得的半導體裝置也是本發明的一個實施例。本發明的實施例是包含在絕緣表面之上之具有六角晶體結構的第一材料膜、在第一材料膜之上及與其接觸的具有六角晶體結構之半導體裝置、在第二材料膜之上之閘極絕緣層、以及在閘極絕緣層之上的閘極電極層。第二材料膜比第一材料膜還厚，第二材料膜是結晶的氧化物半導體膜。
本發明的另一實施例是半導體裝置，其包含在絕緣表面之上的閘極電極層、在閘極電極層之上的閘極絕緣層、在閘極絕緣層之上具有六角晶體結構的第一材料膜、以及在第一材料膜之上且與其接觸的具有六角晶體結構的第二材料膜。第二材料膜比第一材料膜還厚，並且，第二材料膜是結晶的氧化物半導體膜。
製造電晶體，在所述電晶體中，通道區包含於具有六角晶體結構之結晶的氧化物半導體膜中，在六角晶體結構中，用於形成六角晶格的鍵形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面，因此，可以降低偏壓熱應力(BT)性能測試之前與之後之間電晶體的臨界電壓的變化量或是電晶體的光照射。因此，電晶體具有穩定的電氣特徵。
於下將說明包含結晶的氧化物半導體膜之電晶體的高可靠度的其中之一理由。
結晶的氧化物半導體比非晶氧化物半導體具有更高的金屬與氧之間的鍵整齊度(-M-O-M，其中，O代表氧原子，M代表金屬原子)。換言之，在氧化物半導體具有非晶結構的情況中，配位數視金屬種類而變。相反地，在結晶的氧化物半導體的情況中，配位數實質上是均勻的。因此，顯微的氧空乏可以降低，並且，降低導因於稍後說明的「空間」中的氫原子(包含氫離子)或鹼金屬原子的附著或脫附之不穩定及電荷轉移。
另一方面，在非晶結構的情況中，由於配位數視金屬種類而改變，所以，金屬原子或氧原子的濃度微觀上是不均勻的，且有些部份無原子存在(「空間」)。在此「空間」中，舉例而言，氫原子(包含氫離子)或鹼金屬原子被捕捉，並且，在某些情況中，接合至氧。此外，這些原子可能移動經過此「空間」。
此原子的移動造成氧化物半導體的特徵變異，因而此原子的存在造成可靠度的顯著問題。特別是，藉由施加高電場或光能量，造成此原子的移動；因此，當在此條件下使用氧化物半導體時，其特徵是不穩定的。亦即，非晶氧化物半導體的可靠度是次於結晶氧化物半導體的可靠度。
於下，將使用實際取得的電晶體(樣品1與樣品2)之間的可靠度差異來作說明。注意，實際取得且於下說明的樣品2包含結晶的氧化物半導體膜，如下所述地取得結晶的氧化物半導體膜：藉由在200℃的膜形成溫度下形成第一材料膜，然後在氮氛圍中執行450℃的加熱，並且， 藉由在200℃的膜形成溫度下形成第二材料膜，然後在乾空氣氛圍中執行450℃的加熱。樣品2包含結晶的氧化物半導體膜，結晶的氧化物半導體膜包含具有相同材料的第一及第二材料膜；無需多言，即使當第一及第二材料膜包含不同的材料時，仍然適用。用於比較的樣品1包含結晶的氧化物半導體膜，如下所述地取得結晶的氧化物半導體膜：以RTA，在650℃下加熱單層材料膜而取得結晶氧化物半導體膜，然後在乾空氣氛圍中，以450℃執行加熱。
關於檢查可靠度的方法，測量電晶體的Id-Vg曲線，當電晶體的閘極電極與源極電極之間的電壓(Vg)隨著電晶體受光照射而改變時，測量電晶體的汲極電極與源極電極之間的電流(Id)而取得電晶體的Id-Vg曲線。在包含氧化物半導體膜的電晶體中，當執行-BT測試時，亦即，當電晶體受光照射時施加負閘極應力時，造成電晶體的臨界電壓改變之劣化。此劣化也稱為負偏壓溫度應力光劣化。
圖11中顯示樣品1和2之負偏壓溫度應力光劣化。
在圖11中，樣品2中的Vth變化量小於樣品1中的Vth變化量。
圖12A是光響應特徵圖(光電流的時間相依性圖)，其係根據樣品1(L/W=3μm/50μm)的電晶體受光(波長：400nm，照射強度：3.5mW/cm2)照射600秒之前及之後測量其光響應特徵的結構而製成的。注意，源極-汲極電極(Vd)是0.1V。
圖12B是光響應特徵圖(光電流的時間相依性圖)，其係根據樣品2(L/W=3μm/50μm)的電晶體受光(波長：400nm，照射強度：3.5mW/cm2)照射600秒之前及之後測量其光響應特徵的結構而製成的。注意，源極-汲極電極(Vd)是0.1V。
此外，對與樣品2相同製造條件下形成的且具有更大W寬度(L/W=30μm/10000μm)之電晶體以及與樣品2相同製造條件下形成的、具有更大W寬度、及被供予更高的Vd(Vd=15V)之電晶體執行測量，並且，對測量結果執行配適(fitting)。表1中顯示二種弛緩時間(τ 1及τ 2)。
注意，二種弛緩時間(τ 1及τ 2)取決於阱密度。用於計算τ 1及τ 2的方法稱為光響應缺陷評估法。
從表1發現樣品2的電晶體以及在負偏壓溫度應力光劣化小之樣品2的製造條件下形成的電晶體均比樣品1具 有更高的光響應特徵。因此，發現隨著負偏壓溫度應力光劣化變小而取得更高的光響應特徵之關係。
將說明該點的其中一個原因。假使存有深的施體能階以及電洞被施體能階捕捉時，電洞可能因負偏壓溫度應力光劣化時被施加至閘極的負偏壓而變成固定電荷，並且，光響應時電流值的弛緩時間可能增加。包含結晶的氧化物半導體膜之電晶體為何具有小的負偏壓溫度應力光劣化及高的光響應特徵之理由被認為是歸因於上述捕捉電洞的施體能階之低密度。圖13是假定的施體能階圖。
為了檢查施體能階的深度及密度變化，執行使用低溫PL之測量。圖14顯示氧化物半導體膜形成時的基板溫度為400℃且在形成氧化物半導體膜時的基板溫度為200℃的情況中的測量結果。
根據圖14，當氧化物半導體膜形成時的基板溫度為400℃時，約1.8eV的附近之峰值強度遠低於基板溫度為200℃時的情況。測量結果顯示施體能階的密度顯著降低而其深度未改變。
在變化的基板溫度條件下，形成多個氧化物半導體膜，並且，將它們彼此比較，並均當作單一膜評估。
樣品A具有50nm厚的氧化物半導體膜形成於石英基板(厚度：0.5mm)上之結構。注意，在下述條件下形成氧化物半導體膜：使用用於氧化物半導體的靶材(用於以In-Ga-Zn-O為基礎的氧化物半導體(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])；基板與靶材之間的距離為170mm；基板溫度為 200℃；壓力是0.4Pa；直流電(DC)功率為0.5kW；以及，氛圍是氬(30sccm)及氧(15sccm)的混合氛圍。
在室溫(300K)下測量這些樣品的電子旋轉共振(ESR)頻譜。藉由使用等式g=hv/β H0中微波(頻率：9.5GHz)被吸收之磁場(H0)的值，取得g因數的參數。注意，h及β分別代表浦朗克(Planck)常數及波耳(Bohr)磁子，二者都是常數。
圖15A顯示樣品A的g因素圖形。
在與樣品A相同的條件下，執行沈積，然後，在氮氛圍中以450℃執行加熱1小時，以此方式，形成樣品B。圖15B顯示樣品B的g因數。
在與樣品A相同的條件下，執行沈積，然後，在氮及氧的混合氛圍中以450℃執行加熱1小時，以此方式，形成樣品C。圖15C顯示樣品C的g因數。
在樣品B的g因數圖形中，觀察到g=1.93的訊號以及旋轉密度為1.8 x 1018[旋轉/cm3]。另一方面，在樣品C的ESR測量結果中未觀察到g=1.93的訊號，因此g=1.93的訊號歸因於氧化物半導體膜中的懸空鍵。
此外，樣品D、E、F、及G均具有100nm厚的氧化物半導體膜形成於石英基板(厚度：0.5mm)之上的結構。注意，在下述條件下形成氧化物半導體膜：使用用於氧化物半導體的靶材(用於以In-Ga-Zn-O為基礎的氧化物半導體(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])；基板與靶材之間的距離為170mm；壓力是0.4Pa；直流電(DC) 功率為0.5kW；以及，氛圍是氬(30sccm)及氧(15sccm)的混合氛圍。樣品D、E、F、及G在不同的基板溫度下形成，樣品D為室溫，樣品E為200℃，樣品F為300℃，樣品G為400℃。
樣品D、E、F、及G的g因數圖依序地顯示於圖16中。
在沈積時的基板溫度為400℃的樣品G中，觀察到g=1.93的訊號及旋轉密度是1.3 x 1018[旋轉/cm3]。旋轉密度與樣品B中取得的g=1.93的訊號之旋轉密度是相同等級。
從這些結果中，確認當沈積時的基板溫度增加時，g因數的各向異性增加，此被視為歸因於晶性改進。這些結果也顯示造成訊號g=1.93之懸空鍵視膜厚度而定並存在於IGZO的塊體(bulk)中。
圖17是樣品B的ESR測量圖並顯示磁場垂直於基板表面施加的情況與磁場平行於基板表面施加的情況之間g因數的差異(各向異性)。
圖18是樣品H的ESR測量圖，並且顯示磁場垂直於基板表面施加的情況與磁場平行於基板表面施加的情況之間g因數的差異(各向異性)，樣品H係以下述方式來予以取得：在與樣品G相同條件下執行沈積，然後，在氮氛圍中以450℃執行加熱1小時。
由圖17及圖18的比較結果，發現200℃的基板溫度時導因於各向異性的g因數變化△g為0.001或更低，而 400℃的基板溫度時因數變化△g增加至0.003。大致上知道各向異性隨著晶性變得更高而增加(軌道方向更加對齊)。因此，導出之結論為相較於在200℃的基板溫度時形成的膜中，在400℃的基板溫度時形成的膜中，由氮氛圍中以450℃加熱一小時所產生的金屬的懸空鍵之方向更良好地對齊；亦即，前者比後者具有更高的晶性。
此外，在變化的氧化物半導體膜的厚度條件下，執行ESR測量。圖19及圖20中顯示訊號g=1.93的強度變化。從圖19及20中結果，確認訊號g=1.93的強度隨著氧化物半導體膜的厚度增加而增加。這表示造成訊號g=1.93的懸空鍵並未存在於石英基板與氧化物半導體膜之間的介面或是氧化物半導體膜的表面但存在於氧化物半導體膜的塊體中。
從這些結果發現，由於在更高的沈積溫度下取得更高的結晶度，所以，金屬的懸空鍵具有各向異性以及各向異性隨著沈積溫度變高而增加。此外，發現金屬的懸空鍵未存在於介面或表面但存在於塊體中。
在用於形成具有六角晶體結構的第一材料膜的製程之溫度為450℃或更低的情況中，在450℃或更低溫度下，在其之上形成結晶的氧化物半導體膜。因此，能夠藉由使用例如母玻璃等大尺寸基板，執行高度可靠的半導體裝置之量產。
10a‧‧‧膜形成裝置
10b‧‧‧膜形成裝置
10c‧‧‧膜形成裝置
11‧‧‧基板供應室
12a‧‧‧載鎖室
12b‧‧‧載鎖室
13‧‧‧轉移室
14‧‧‧卡匣埠
15‧‧‧基板加熱室
100‧‧‧基板
101‧‧‧氧化物絕緣層
102‧‧‧閘極絕緣層
104a‧‧‧源極電極層
104b‧‧‧汲極電極層
108‧‧‧結晶氧化物半導體膜
110a‧‧‧絕緣膜
110b‧‧‧絕緣膜
112‧‧‧閘極電極層
113a‧‧‧n+層
113b‧‧‧n+層
114‧‧‧絕緣層
118‧‧‧第一材料膜
120‧‧‧電晶體
130‧‧‧電晶體
140‧‧‧電晶體
150‧‧‧電晶體
160‧‧‧電晶體
602‧‧‧閘極佈線
603‧‧‧閘極佈線
616‧‧‧源極或汲極電極層
628‧‧‧電晶體
629‧‧‧電晶體
651‧‧‧第一液晶元件
652‧‧‧第二液晶元件
690‧‧‧電容器佈線
2800‧‧‧外殼
2801‧‧‧外殼
2802‧‧‧顯示面板
2803‧‧‧揚聲器
2804‧‧‧麥克風
2805‧‧‧操作鍵
2806‧‧‧指向裝置
2807‧‧‧相機鏡頭
2808‧‧‧外部連接端子
2810‧‧‧太陽能電池
2811‧‧‧外部記憶體插槽
3001‧‧‧主體
3002‧‧‧外殼
3003a‧‧‧顯示部
3003b‧‧‧顯示部
3004‧‧‧鍵盤
3021‧‧‧主體
3022‧‧‧固定部
3023‧‧‧顯示部
3024‧‧‧操作鍵
3025‧‧‧外部記憶體插槽
5300‧‧‧基板
5301‧‧‧像素部
5302‧‧‧第一掃描線驅動電路
5303‧‧‧第二掃描線驅動電路
5304‧‧‧訊號線驅動電路
6400‧‧‧像素
6401‧‧‧切換電晶體
6402‧‧‧驅動電晶體
6403‧‧‧電容器
6404‧‧‧發光元件
6405‧‧‧訊號線
6406‧‧‧掃描線
6407‧‧‧電源線
6408‧‧‧共同電極
9600‧‧‧電視機
9601‧‧‧外殼
9602‧‧‧儲存媒體記錄及再生部
9603‧‧‧顯示部
9604‧‧‧外部連接端子
9605‧‧‧支架
9606‧‧‧外部記憶體
圖1A至1E是本發明的一個實施例之剖面視圖。
圖2A至2D是本發明的一個實施例之剖面視圖。
圖3A至3F是本發明的一個實施例之剖面視圖。
圖4A至4E是本發明的一個實施例之剖面視圖。
圖5A至5D是本發明的一個實施例之剖面視圖及上視圖。
圖6A及6B是纖鋅礦晶體結構圖。
圖7A及7B是剛玉晶體結構圖。
圖8是上視圖，顯示用以製造根據本發明的一個實施例之製造設備的實施例；圖9A至9C是本發明的一個實施例之方塊圖及等效電路圖。
圖10A至10D是本發明的一個實施例之電子裝置的外部視圖。
圖11是用於說明負偏壓溫度應力。
圖12A及12B是用於說明光電流的時間相依性。
圖13顯示施體能階。
圖14顯示低溫度PL的測量結果。
圖15A至15C顯示ESR測量結果。
圖16顯示ESR測量結果。
圖17顯示ESR測量結果。
圖18顯示ESR測量結果。
圖19顯示ESR測量結果。
圖20顯示ESR測量取得的總旋轉數與氧化物半導體 層的厚度之間的關係。
於下，將參考附圖，詳述本發明的實施例。注意，本發明不限於下述說明，習於此技藝者清楚知道，可以用不同方式來修改此處揭示的模式及細節。此外，本發明不應被解釋成侷限於下述實施例說明。
(實施例1)
在本實施例中，將參考圖1A至1E來說明半導體裝置的結構及其製造方法之實施例。
圖1E是頂部閘極型電晶體120的剖面視圖。電晶體120包含設於具有絕緣表面的基板100之上的氧化物絕緣層101、包含通道形成區之半導體層堆疊、源極電極層104a、汲極電極層104b、閘極絕緣層102、閘極電極層112、及絕緣膜110a。源極電極層104a和汲極電極層104b係設置成覆蓋半導體層堆疊的端部，並且，覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b的閘極絕緣層102接觸部份之半導體層堆疊。閘極電極層112係設於部份的半導體層堆疊之上而以閘極絕緣層102介於其間。
此外，設置絕緣膜110b以覆蓋絕緣膜110a。
於下，參考圖1A至1E，說明在基板100之上製造電晶體120的製程。
首先，在基板100之上形成氧化物絕緣層101。
做為基板100，使用由熔融法或漂浮法所形成的非鹼性玻璃基板、具有足以耐受本製程的製程溫度的抗熱性之塑膠基板、等等。此外，可以使用絕緣膜設於例如不銹鋼基板等金屬基板的表面上之基板、或是絕緣膜設於半導體基板的表面上的基板。在基板100是母玻璃時，基板可以具有任何下述尺寸：第一代(320mm x 400mm)、第二代(400mm x 500mm)、第三代(550mm x 650mm)、第四代(680mm x 880mm或730mm x 920mm)第五代(1000mm x 1200mm或1100mm x 1250mm)、第六代(1500mm x 1800mm)、第七代(1900mm x 2200mm)、第八代(2160mm x 2460mm)、第九代(2400mm x 2800mm或2450mm x 3050mm)、第十代(2950mm x 3400mm)、等等。當處理溫度高且處理時間長時，母玻璃顯著地收縮。因此，在使用母玻璃執行量產的情況中，在製程中的較佳加熱溫度為低於或等於600℃，更佳為低於或等於450℃。
以PCVD法或濺射法，使用氧化矽膜、氧化鎵膜、氧化鋁膜、氧氮化矽膜、氧氮化鋁膜、及氮氧化矽膜的其中之一或包含任何上述膜的堆疊層，以形成氧化物絕緣層101至具有大於或等於50nm且低於或等於600nm。用作為基底絕緣層的氧化物絕緣層101含有大量的氧，至少超過層(的塊體)中的化學計量。舉例而言，在使用氧化矽膜的情況中，成分公式為SiO2+α(α>0)。當氧化物絕緣層101具有大的厚度時，在稍後要被執行的熱處理中從 氧化物絕緣層101釋放出的氧量增加，此增加能夠降低氧化物絕緣層101與稍後要被形成的氧化物半導體膜之間的介面處的缺陷。
在使用包含例如鹼金屬等雜質的玻璃基板之情況中，以PCVD法或濺射法形成氮化矽膜、氮化鋁膜、等等用作為氧化物絕緣層101與基板100之間的氮化物絕緣層，以防止鹼金屬進入。由於例如Li或Na等鹼金屬是雜質，所以，較佳的是降低例如鹼金屬的含量。
接著，在氧化物絕緣層101之上形成具有1nm至10nm厚的第一材料膜118(請參見圖1A)。
在本實施例中，關於第一材料膜118，以使用鎵及電漿活化氮之分子束磊晶(MBE)法，取得具有六角晶體結構的氮化鎵膜。只要可以取得具有六角晶體結構的氮化鎵膜，則不僅可以使用MBE法，也可以使用其它方法；以使用三甲基鎵及氨氣作為源氣體以及使用氮氣等作為載送氣體的金屬有機化學汽相沈積(MOCVD)法，形成具有六角晶體結構的氮化鎵膜。第一材料膜118具有用以在a-b平面中形成六角晶格的鍵並包含具有六角晶體結構的氮化鎵晶體，在六角晶體結構中，c軸實質上垂直於基板的平坦表面，基板實質上平行於a-b平面。第一材料膜118用作為種晶。注意，種晶在c軸方向上包含至少一原子層，此至少一原子層具有用於在a-b平面中形成六角晶格的鍵。
接著，使用第一材料膜118作為種晶，在其之上形成 第二材料膜，亦即包含具有六角晶體結構的晶體之結晶氧化物半導體膜108，而不曝露於空氣(請參見圖1B)。第二材料膜比第一材料膜厚且舉例而言比10nm還厚。
在本實施例中，關於第二材料膜，在氧氛圍或是包含氬及氧的氛圍中，在下述條件下，形成厚度25nm的結晶氧化物半導體膜108：使用用於氧化物半導體的靶材(用於以In-Ga-Zn-O為基礎的氧化物半導體(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])，基板與靶材之間的距離為170mm，基板溫度為400℃；壓力是0.4Pa，直流電(DC)功率為0.5kW。
在形成第二材料膜時，適當地使用稀有氣體(典型上，氬)、氧或稀有氣體與與氧的混合氣體作為濺射氣體。較佳的是使用例如氫、水、羥基、及氫化物等雜質去除的高純度氣體作為濺射氣體。注意，用以形成第二材料膜的處理室的壓力係設定於0.4Pa或更低，因此，抑制例如鹼金屬或氫等雜質進入結晶的氧化物半導體膜的表面或內部。此外，當用以形成第二材料膜的處理室之洩漏速率係設定為低於或等於1 x 10-10Pa．m3/sec時，可以抑制例如鹼金屬、氫、水、羥基、或氫化物等雜質進入正由濺射法所形成的結晶氧化物半導體膜中。此外，藉由使用捕獲型真空泵作為抽真空系統，可以降低例如鹼金屬、氫、水、羥基、或氫化物等雜質從抽真空系統逆流。當用以形成第二材料膜的靶材的純度係設定為99.99%或更高時，可以降低進入結晶的氧化物半導體膜中之例如鹼金屬、 氫、水、羥基、氫化物等雜質。藉由使用此靶材，在結晶氧化物半導體膜中，鋰濃度為5x1015cm-3或更低，較佳為1x1015cm-3或更低；鈉濃度為5x1016cm-3或更低，較佳為1x1016cm-3或更低，更佳為1x1015cm-3或更低；鉀濃度為5x1015cm-3或更低，較佳為1x1015cm-3或更低。
鹼金屬及鹼土金屬對於結晶的氧化物半導體膜是不利的雜質，較佳含有儘可能少的鹼金屬及鹼土金屬。特別是，在鹼金屬之中，鈉擴散至接觸結晶的氧化物半導體之氧化物絕緣膜且變成Na+。此外，鈉切斷金屬與氧之間的鍵或是進入結晶氧化物半導體中的鍵。結果，電晶體特徵劣化(例如，電晶體變成常開(臨界電壓偏移至負側)或遷移率降低)。此外，這也造成特徵變異。特別是在結晶的氧化物半導體膜中氫濃度相當低的情況中，此問題更顯著。因此，在含於結晶氧化物半導體膜中的氫濃度低於或等於5x1019cm-3，特別是低於或等於5x1018cm-3的情況中，高度較佳的是將鹼金屬的濃度設在上述範圍中。
在形成第二材料膜時，基板由設於基板支撐構件中的加熱器加熱至高於或等於250℃且低於或等於基板熱處理溫度的上限。因此，在膜形成時，藉由使用種晶作為核心，晶體生長進行，而沈積於膜形成表面上的原子正被氧化；因此，製造結晶的氧化物半導體膜108。
在上述條件下形成結晶的氧化物半導體膜，因而結晶的氧化物半導體膜中的雜質量相當小(鹼金屬的濃度係低於或等於5x1016原子/cm3，並且，氫的濃度係低於或等於 1x1019原子/cm3)。藉由降低結晶的氧化物半導體膜中的雜質，促進種晶及結晶氧化物半導體膜的晶體生長，並且，形成單晶氧化物半導體膜或實質的單晶氧化物半導體膜。本實施例中所述的結晶氧化物半導體膜108並未具有非晶結構但具有結晶結構，理想上，具有單晶結構，以及包括包含晶體的氧化物，在晶體中，c軸實質地垂直於基板的平坦表面(此晶體也稱為C軸對齊晶體(CAAC))。
接著，在基板設置的室之氛圍為氮或乾空氣的氛圍之條件下，執行熱處理。熱處理的溫度係高於或等於400℃且低於或等於750℃。此外，熱處理的加熱時間係大於或等於1分鐘且小於或等於24小時。
較佳的是從氧化物絕緣層101之形成至熱處理的步驟是連續地執行而未曝露於空氣。舉例而言，可以使用其上視圖顯示於圖8中的製造設備。圖8中所示的製造設備是單晶多室設備，包含三個膜形成裝置10a、10b、及10c、設有三個用以固持處理基板之卡匣埠14的基板供應室11、載鎖室12a和12b、轉移室13、基板加熱室15、等等。注意，用以傳送處理基板的傳送機器人係設在基板供應室11及轉移室13中的每一室。膜形成裝置10a、10b、及10c、轉移室13、及基板加熱室15的氛圍較佳被控制成幾乎不含氫及濕氣(亦即，惰性氛圍、降壓氛圍、或乾空氣氛圍)。舉例而言，較佳的氛圍是濕氣的露點為-40℃或更低、較佳為-50℃或更低之乾氮氛圍。藉由使 用圖8中所示的製造設備之製造步驟的程序實例如下所述。處理基板從基板供應室11經由載鎖室12a和轉移室13而轉移至基板加熱室15；在基板加熱室15中以真空烘烤以去除附著至處理基板的濕氣；處理基板經由轉移室13而傳送至膜形成裝置10c；以及，在膜形成裝置10c中形成氧化物絕緣層110。然後，處理基板經由轉移室13而被傳送至膜形成裝置10a而不曝露於空氣；以及，在膜形成裝置10a中形成厚度5nm的第一材料膜118。然後，處理基板經由轉移室13而被傳送至膜形成裝置10b，以及，在膜形成裝置10b中形成比10nm還厚的結晶氧化物半導體膜108。然後，處理基板經由轉移室13而被傳送至基板加熱室15而未曝露於空氣，並且，執行熱處理。如上所述，藉由使用圖8中所示的製造設備，製程繼續進行而未曝露於空氣。
接著，將包含第一材料膜118及結晶的氧化物半導體膜108之半導體層堆疊處理成為島狀的半導體層堆疊。在附圖中，在第一材料膜118與結晶氧化物半導體膜108之間的介面以實線來予以表示，這些膜由於包含不同的材料，所以被說明成複數層的堆疊。在某些情況中，由於稍後步驟中的熱處理等等，所以，介面變成模糊的。在使用α-Ga2O3或In2O3以形成第一材料膜的情況中，介面由於部份包含與結晶氧化物半導體膜108相同的材料，所以其係不明顯的。
在半導體層堆疊之上形成具有所需的形狀之掩罩之 後，藉由蝕刻，處理半導體層堆疊。以例如微影術或噴墨法等方法而形成掩罩。
注意，關於半導體層堆疊的蝕刻，可以使用乾式蝕刻或濕式蝕刻。無需多言，可以結合地使用此二者。
接著，在半導體層堆疊之上形成用以形成源極電極層和汲極電極層(包含使用與源極電極層和汲極電極層相同的層形成的佈線)之導電膜並將其處理成為源極電極層104a和汲極電極層104b(請參見圖1C)。以濺射法等等，形成源極電極層104a和汲極電極層104b以致於具有使用例如鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹、及鈧等任何金屬材料或含有任何上述金屬材料的合金材料之單層結構或堆疊層結構。
接著，閘極絕緣層102係形成為接觸部份之半導體層堆疊及覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b(請參見圖1D)。閘極絕緣層102是氧化物絕緣層，其係使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氧氮化鋁、氮氧化鋁、及氧化鉿及其組合中的任意者，以電漿CVD法、濺射法、等等形成的。閘極絕緣層102的厚度係大於或等於10nm且小於或等於200nm。
在本實施例中，以濺射法來形成100nm厚的氧化矽膜做為閘極絕緣層102。在形成閘極絕緣層102之後，執行第二熱處理。在惰性氣體氛圍、氧氛圍、或氧及氮的混合氛圍中，以高於或等於200℃且低於或等於400℃之溫度，執行第二熱處理。此外，第二熱處理的加熱時間係大 於或等於1分鐘且小於或等於24小時。藉由第二熱處理，氧從閘極絕緣層102供應至半導體層堆疊。加熱處理的溫度愈高，則受光照射下執行的-BT測試時之臨界電壓的變化量被抑制的愈多。
接著，導電膜形成在閘極絕緣層102之上以及受到微影步驟，以致於形成閘極電極層112。閘極電極層112與部份之半導體層堆疊重疊而以閘極絕緣層102介於其間。以濺射法等等，形成用以形成閘極電極層112的導電膜，以致具有使用例如鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹、及鈧等任何金屬材料或含有任何上述金屬材料作為主成分的合金材料的單層結構或堆疊層結構。
接著，形成絕緣膜110a及絕緣膜110b以覆蓋閘極電極層112和閘極絕緣層102(請參見圖1E)。
絕緣膜110a和絕緣膜110b形成為具有使用氧化矽、氮化矽、氧化鎵、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、或這些材料的混合材料之單層結構或堆疊層結構。在本實施例中，以濺射法形成厚度300nm的氧化矽膜並在氮氛圍中以250℃執行熱處理一小時，以用作為絕緣膜110a。然後，為了防止濕氣或鹼金屬進入，以濺射法形成氮化矽膜用作為絕緣膜110b。由於例如Li或Na等鹼金屬是雜質，所以，鹼金屬的含量較佳降低。在半導體層堆疊中的鹼金屬濃度低於或等於2x1016cm-3，較佳地，低於或等於1x1015cm-3。雖然在本實施例中以絕緣膜110a和絕緣膜110b的雙層結構為 例說明，可以使用單層結構。
經由上述製程，形成頂部閘極型電晶體120。電晶體120在包含具有六角晶體結構的晶體之結晶的氧化物半導體膜中具有通道區，在六角晶體結構中，用以形成六角晶格的鍵形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面。電晶體120在光照射或BT測試之前與之後之間具有少的臨界電壓變化量並因而具有穩定的電氣特徵。
(實施例2)
在本實施例中，將參考圖2A至2D來說明部份不同於實施例1中所述的製程實例。注意，在圖2A至2D中，相同的代號用於與圖1A至1E中相同的部份，並於此省略具有相同代號的部份之說明。
圖2D是頂部閘極型電晶體130的剖面視圖。電晶體130包含設於具有絕緣表面的基板100之上的氧化物絕緣層101、源極電極層104a、汲極電極層104b、包含通道形成區之半導體層堆疊、閘極絕緣層102、閘極電極層112、及絕緣膜110a。半導體層堆疊設置成覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b。閘極電極層112設於部份的半導體層堆疊之上而以閘極絕緣層102介於其間。
此外，設置絕緣膜110b以覆蓋絕緣膜110a。
於下，參考圖2A至2D，說明在基板之上製造電晶體130的製程。
首先，在基板100上形成氧化物絕緣層101。
接著，在氧化物絕緣層101之上形成用以形成源極電極層和汲極電極層(包含使用與源極電極層和汲極電極層相同的層形成的佈線)之導電膜並將其處理成為源極電極層104a和汲極電極層104b。
接著，在源極電極層104a和汲極電極層104b之上形成厚度1nm至10nm的第一材料膜118(請參見圖2A)。
接著，在第一材料膜118之上形成比10nm厚的結晶氧化物半導體膜108(請參見圖2B)。
然後，在基板設置的室之氛圍為氮或乾空氣的氛圍之條件下，執行熱處理。熱處理的溫度係高於或等於400℃且低於或等於750℃。
接著，假使需要時，將包含第一材料膜118及結晶氧化物半導體膜108之半導體層堆疊處理成為島狀半導體層堆疊。
接著，在半導體層堆疊之上形成閘極絕緣層102(請參見圖2C)。
接著，導電膜形成在閘極絕緣層102之上並且受到微影步驟，以致於形成閘極電極層112。閘極電極層112與部份之半導體層堆疊重疊而以閘極絕緣層102介於其間。
然後，形成絕緣膜110a和絕緣膜110b以覆蓋閘極電極層112和閘極絕緣層102(請參見圖2D)。
經由上述製程，以形成頂部閘極型電晶體130。
圖2D中所示的電晶體130也在包含具有六角晶體結構的晶體之結晶的氧化物半導體膜中具有通道區，在六角晶體結構中，用以形成六角晶格的鍵係形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面。電晶體130在光照射或BT測試之前與之後之間具有少的臨界電壓變化量並因而具有穩定的電氣特徵。
本實施例可以與實施例1自由地結合。
(實施例3)
在本實施例中，將參考圖3A至3F來說明部份不同於實施例1中所述的製程實例。注意，在圖3A至3F中，相同的代號用於與圖1A至1E中相同的部份，並於此省略具有相同代號的部份之說明。
圖3F是底部閘極型電晶體140的剖面視圖。電晶體140包含設於具有絕緣表面的基板100之上的氧化物絕緣層101、閘極電極層112、閘極絕緣層102、源極電極層104a、汲極電極層104b、包含通道形成區之半導體層堆疊、及絕緣膜110a。半導體層堆疊係設置成覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b。用作為通道形成區的區域是與閘極電極層112重疊並以閘極絕緣層102介於其間的半導層堆疊的部份。
此外，設置絕緣膜110b以覆蓋絕緣膜110a。
於下，參考圖3A至3F，說明在基板之上製造電晶體140的製程。
首先，在基板100之上形成氧化物絕緣層101。
接著，在氧化物絕緣層101之上形成導電膜並使導電膜受到微影步驟，以致於形成閘極電極層112。
接著，在閘極電極層112之上形成閘極絕緣層102(請參見圖3A)。
接著，在閘極絕緣層102之上形成用於形成源極電極層和汲極電極層(包含使用與源極電極層和汲極電極層相同的層形成的佈線)之導電膜並將其處理成為源極電極層104a和汲極電極層104b(請參見圖3B)。
接著，在源極電極層104a和汲極電極層104b之上形成厚度1nm至10nm的第一材料膜118(請參見圖3C)。
接著，在第一材料膜118之上形成比10nm厚的結晶氧化物半導體膜108(請參見圖3D)。
然後，在基板設置的室之氛圍為氮或乾空氣的氛圍之條件下，執行熱處理。熱處理的溫度係高於或等於400℃且低於或等於750℃。此外，熱處理的加熱時間係大於或等於1分鐘且小於或等於24小時。
接著，將包含第一材料膜118及結晶氧化物半導體膜108之半導體層堆疊處理成為島狀半導體層堆疊(請參見圖3E)。
在半導體層堆疊之上形成具有所需的形狀之掩罩之後，藉由蝕刻，以處理半導體層堆疊。以例如微影術或噴墨法等方法，形成掩罩。
注意，關於半導體層堆疊的蝕刻，可以使用乾式蝕刻或濕式蝕刻。無需多言，可以結合地使用此二者。
接著，形成絕緣膜110a和絕緣膜110b以覆蓋半導體層堆疊、源極電極層104a、和汲極電極層104b(請參見圖3F)。
經由上述製程，以形成底部閘極型電晶體140。
圖3F中所示的電晶體140也在包含具有六角晶體結構的晶體之結晶的氧化物半導體膜中具有通道區，在六角晶體結構中，用以形成六角晶格的鍵係形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面。電晶體140在光照射或BT測試之前與之後之間具有少的臨界電壓變化量並因而具有穩定的電氣特徵。
本實施例可以與實施例1自由地結合。
(實施例4)
在本實施例中，將參考圖4A至4E來說明部份不同於實施例3中所述的製程實例。注意，在圖4A至4E中，相同的代號用於與圖3A至3F中相同的部份，並於此省略具有相同代號的部份之說明。
圖4E是底部閘極型電晶體150的剖面視圖。電晶體150包含設於具有絕緣表面的基板100之上的氧化物絕緣層101、閘極電極層112、閘極絕緣層102、包含通道形成區之半導體層堆疊、源極電極層104a、汲極電極層104b、及絕緣膜110a。源極電極層104a和汲極電極層 104b設置成覆蓋半導體層堆疊。用作為通道形成區的區域是與閘極電極層112重疊並以閘極絕緣層102介於其間的半導層堆疊的部份。
此外，設置絕緣膜110b以覆蓋絕緣膜110a。
於下，參考圖4A至4E，說明在基板上製造電晶體150的製程。
首先，在基板100之上形成氧化物絕緣層101。
接著，在氧化物絕緣層101之上形成導電膜並使導電膜受到微影步驟，以致於形成閘極電極層112。
接著，在閘極電極層112之上形成閘極絕緣層102(請參見圖4A)。
接著，在閘極絕緣層102之上形成厚度1nm至10nm的第一材料膜118(請參見圖4B)。
接著，在第一材料膜118之上形成比10nm厚的結晶氧化物半導體膜108(請參見圖4C)。
接著，將包含第一材料膜118及結晶氧化物半導體膜108之半導體層堆疊處理成為島狀半導體層堆疊(請參見圖4D)。
在半導體層堆疊之上形成具有所需的形狀之掩罩之後，藉由蝕刻，以處理半導體層堆疊。以例如微影術或噴墨法等方法，形成掩罩。
注意，關於半導體層堆疊的蝕刻，可以使用乾式蝕刻或濕式蝕刻。無需多言，可以結合地使用此二者。
接著，在半導體層堆疊之上形成用於形成源極電極層 和汲極電極層(包含使用與源極電極層和汲極電極層相同的層形成的佈線)之導電膜並將其處理成為源極電極層104a和汲極電極層104b。
接著，形成絕緣膜110a及絕緣膜110b以覆蓋半導體層堆疊、源極電極層104a和汲極電極層104b(請參見圖4E)。使用氧化物絕緣材料，較佳形成絕緣膜110a並在膜形成後使其受到熱處理。藉由熱處理，氧從絕緣膜110a供應至半導體層堆疊。在惰性氣體氛圍、氧氛圍、或氧及氮的混合氛圍中，以高於或等於200℃且低於或等於400℃之溫度，執行熱處理。此外，熱處理的加熱時間係大於或等於1分鐘且小於或等於24小時。
經由上述製程，以形成底部閘極型電晶體150。
圖4E中所示的電晶體150也在包含具有六角晶體結構的晶體之結晶的氧化物半導體膜中具有通道區，在六角晶體結構中，用以形成六角晶格的鍵係形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面。電晶體150在光照射或BT測試之前與之後之間具有少的臨界電壓變化量並因而具有穩定的電氣特徵。
本實施例可以與實施例1自由地結合。
(實施例5)
在本實施例中，將參考圖5A至5D來說明部份不同於實施例1中所述的結構實例。注意，在圖5A至5D中，相同的代號用於與圖1A至1E中相同的部份，並於 此省略具有相同代號的部份之說明。
在實施例1中，說明使用氮化鎵作為第一材料膜的實例；在本實施例中，於下說明使用具有六角晶體結構的另一材料的實例。
在使用類似氮化鎵膜也具有纖鋅礦晶體結構的氮化鋁膜的情況中，氮化鋁膜由於是絕緣材料而未用作為半導體層但用作為基底絕緣層的一部份。
也可以使用具有剛玉晶體結構的α-Al2O3膜。以化學汽相沈積法等形成α-Al2O3膜。在用α-Al2O3膜的情況中，α-Al2O3膜由於是絕緣材料而未用作為半導體層但用作為基底絕緣層的一部份。
圖5C是頂部閘極型電晶體160的剖面視圖及用作為上視圖之圖5D中的虛線C1-C2剖面視圖。電晶體160包含設於具有絕緣表面的基板100之上的氧化物絕緣層101、第一材料膜118、包含通道形成區之結晶氧化物半導體膜108、n+層113a和113b、源極電極層104a、汲極電極層104b、閘極絕緣層102、閘極電極層112、絕緣層114、及絕緣膜110a。源極電極層104a和汲極電極層104b係設置成覆蓋結晶氧化物半導體膜108的端部以及n+層113a和113b的端部。覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b的閘極絕緣層102接觸部份的結晶氧化物半導體膜108。閘極電極層112係設於部份的結晶氧化物半導體膜108之上而以閘極絕緣層102介於其間。
與源極電極層104a和汲極電極層104b重疊的絕緣層 114係設於閘極絕緣層102之上以降低產生於閘極電極層112與源極電極層104a之間的寄生電容以及產生於閘極電極層112與汲極電極層104b之間的寄生電容。此外，閘極電極層112和絕緣層114被絕緣膜110a所覆蓋，以及，絕緣膜110b係設置成覆蓋絕緣膜110a。
於下，參考圖5A至5C，說明在基板之上製造電晶體160的製程。
首先，在基板100之上形成氧化物絕緣層101。使用氧化矽膜、氧化鎵膜、氧化鋁膜、氧氮化矽膜、氧氮化鋁膜、或氮氧化矽膜的其中之一，以形成氧化物絕緣層101。
接著，在氧化物絕緣層101之上形成厚度1nm至10nm的第一材料膜118(請參見圖5A)。
在本實施例中，使用石英基板作為基板，並且，使用昇華法形成的氮化鋁膜作為第一材料膜118。
接著，在第一材料膜118之上形成比10nm厚的結晶氧化物半導體膜108(請參見圖5B)。
在本實施例中，在氧氛圍、氬氛圍、或是包含氬及氧的氛圍中，在下述條件下，形成厚度25nm的結晶氧化物半導體膜：使用用於氧化物半導體的靶材(用於以In-Ga-Zn-O為基礎的氧化物半導體(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])、基板與靶材之間的距離為170mm、基板溫度為400℃、壓力是0.4Pa、直流電(DC)功率為0.5kW。
然後，在基板係設置其中的室之氛圍為氮或乾空氣的 氛圍之條件下，執行熱處理。熱處理的溫度係高於或等於400℃且低於或等於650℃。此外，熱處理的加熱時間係大於或等於1分鐘且小於或等於24小時。
接著，使用以In-Zn-O為基礎的材料、以In-Sn-O為基礎的材料、以In-O為基礎的材料、或以Sn-O為基礎的材料，形成用作為n+層的膜及具有1nm至10nm厚度的膜。此外，在上述用於n+層的材料中可以含有SiO2。在本實施例中，形成含有SiO2的In-Sn-O膜至5nm厚。
接著，處理第一材料膜118、結晶氧化物半導體膜108、及用作為n+層的膜。
接著，在用作為n+層的膜之上，形成用以形成源極電極層以及汲極電極層的導電膜(包含使用與源極電極層和汲極電極層相同的層形成的佈線)並將導電膜處理成為源極電極層104a和汲極電極層104b。在處理導電膜時或是在處理導電膜之後，執行蝕刻。選擇性地蝕刻用作為n+層的膜，因而使結晶氧化物半導體膜108部份地曝露出。注意，用作為n+層的膜之膜的選擇性蝕刻能夠形成與源極電極層104a重疊的n+層113a、以及與汲極電極層104b重疊的n+層113b。n+層113a及113b的端部較佳具有錐形形狀。
以濺射法等等，形成源極電極層104a和汲極電極層104b以致於具有使用例如鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹、及鈧等任何金屬材料或含有任何上述金屬材料的合金材料之單層結構或堆疊層結構。
當n+層113a或113b係形成於結晶氧化物半導體膜108與源極電極層104a或汲極電極層104b之間時，接觸電阻可以低於在結晶氧化物半導體膜108接觸源極電極層104a或汲極電極層104b的情況中之接觸電阻。此外，當形成n+層113a或113b時，寄生電容可以降低，並且，可以抑制BT測試中因負閘極應力施加之開啟狀態電流(ION劣化)變化量。
接著，形成閘極絕緣層102至接觸結晶氧化物半導體膜108的露出部份以及覆蓋源極電極層104a和汲極電極層104b。使用氧化物絕緣材料，較佳形成閘極絕緣層102並在膜形成之後使其受到熱處理。藉由此熱處理，氧從閘極絕緣層102供應至結晶氧化物半導體膜108。在惰性氣體氛圍、氧氛圍、或氧及氮的混合氛圍中，以高於或等於200℃且低於或等於400℃之溫度，執行熱處理。此外，熱處理的加熱時間係大於或等於1分鐘且小於或等於24小時。
然後，絕緣膜係形成於閘極絕緣層102之上，並且，選擇性地去除與閘極絕緣層102接觸結晶氧化物半導體膜108的區域相重疊之部份的絕緣層，以致於部份的閘極絕緣層102曝露出。
絕緣層114會作用以降低產生於源極電極層104a與稍後被形成的閘極電極層112之間的寄生電容以及產生於汲極電極層104b與稍後被形成的閘極電極層112之間的寄生電容。注意，使用氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化 鎵、其混合材料、等等，形成絕緣層114。
接著，導電膜係形成在閘極絕緣層102之上並且受到微影步驟，以致於形成閘極電極層112。以濺射法等等，形成閘極電極層112，以致具有使用例如鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹、及鈧等任何金屬材料或含有任何上述金屬材料的合金材料作為主成分的單層結構或堆疊層結構。
接著，形成絕緣膜110a及絕緣膜110b以覆蓋閘極電極層112和絕緣層114(請參見圖5C)。
絕緣膜110a及絕緣膜110b係形成至具有使用氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁、及氧化鉿中的任一者或這些材料的混合材料之單層結構或堆疊層結構。
經由上述製程，以形成頂部閘極型電晶體160。
圖5C中所示的電晶體160也在包含具有六角晶體結構的晶體之結晶的氧化物半導體膜中具有通道區，在六角晶體結構中，用以形成六角晶格的鍵係形成於a-b平面中以及c軸實質上垂直於與a-b平面實質上平行的基板的平坦表面。電晶體160在光照射或BT測試之前與之後之間具有少的臨界電壓變化量並因而具有穩定的電氣特徵。
本實施例可以與實施例1至4中任一實施例自由地結合。
在本實施例與實施例3或實施例4結合以及使用氮化鋁膜或α-Al2O3膜作為第一材料膜的情況中，第一材料膜不會用作為半導體層但用作為閘極絕緣層的一部份。
(實施例6)
在本實施例中，於下說明至少部份的驅動電路及要被配置於像素部中的電晶體形成於同一基板之上的實例。
根據實施例1至5中任一實施例，形成要被配置於像素部中的電晶體。此外，實施例1至5中任一實施例中所述的電晶體是n通道TFT，因此，多個驅動電路中可以由n通道TFT所形成的驅動電路的部份與像素部的電晶體形成於相同基板之上。
圖9A是主動矩陣型顯示裝置的方塊圖實例。在顯示裝置中的基板5300上，設置像素部5301、第一掃描線驅動電路5302、第二掃描線驅動電路5303、及訊號線驅動電路5304。在像素部5301中，設置從訊號線驅動電路5304延伸出的多條訊號線以及從第一掃描線驅動電路5302及第二掃描線驅動電路5303延伸出的多條訊號線。注意，包含顯示元件的像素以矩陣方式而被設置在掃描線與訊號線彼此交會的各別區域中。此外，顯示裝置中的基板5300經由例如可撓性印刷電路(FPC)等連接部而被連接至時序控制電路(也稱為控制器或控制器IC)。
在圖9A中，第一掃描線驅動電路5302、第二掃描線驅動電路5303、及訊號線驅動電路5304係形成於與像素部5301相同的基板5300之上。因此，設置於外部的例如驅動電路等元件數目等可以降低，以致於可以降低成本。此外，假使驅動電路係設置於基板5300時，佈線需要延長且佈線連接的數目增加，但是假使驅動電路係設置於基 板5300時，佈線連接的數目可以降低。結果，可以取得可靠度的增進。
圖9B顯示像素部的電路配置實例。此處，說明VA液晶顯示面板的像素配置。
在此像素配置中，多個像素電極層係設置在一個像素中，並且，像素電極層係連接至各別電晶體。TFT係連接成由不同的閘極訊號來予以驅動。換言之，獨立地控制施加至多域像素中的個別像素電極層之訊號。
電晶體628的閘極佈線602以及電晶體629的閘極佈線603分開，以致於不同的閘極訊號可以被施加至它們。相反地，用作為資料線的源極或汲極電極層616由電晶體628和629所共用。適當地使用實施例1至5中所述的任何電晶體，用作為電晶體628和629中的每一個電晶體。
均電連接至電晶體628或電晶體629的第一像素電極層和第二像素電極層具有不同的形狀並由狹縫來予以分開。第二像素電極係設置成圍繞以V形散佈的第一像素電極層的外部側。藉由電晶體628和629而使電壓施加的時機在第一和第二像素電極層之間變化，以控制液晶的對齊。電晶體628係連接至閘極佈線602，並且，電晶體629係連接至閘極佈線603。當不同的閘極訊號係供應至閘極佈線602和閘極佈線603時，電晶體628和電晶體629的操作時序可以改變。
此外，使用電容器佈線690、用作為介電質的閘極絕緣層、以及電連接至第一像素電極層或第二像素電極層之 電容器電極，以形成儲存電容器。
第一像素電極層、液晶層、及對置電極層彼此重疊，以形成第一液晶元件651。第二像素電極層、液晶層、及對置電極層彼此重疊，以形成第二液晶元件652。像素結構是多域結構，其中，液晶元件651及第二液晶元件652係設於同一像素中。
注意，像素結構不限於圖9B中所示的結構。舉例而言，開關、電阻器、電容器、電晶體、感測器、邏輯電路、等等可以被添加至圖9B中所示的像素。
圖9C顯示像素部的電路配置之另一實施例。此處，說明使用有機EL元件的顯示面板之像素結構。
在有機EL元件中，藉由施加電壓至發光元件，電子及電洞分別從電極對注入含有發光有機化合物的層，以及，電流流通。載子(電子及電洞)再結合，因而發光有機化合物受激發。發光有機化合物從激態返回至基態，藉以發光。歸因於此機制，此發光元件稱為電流激發發光元件。
圖9C顯示應用數位時間灰階法驅動的像素配置實例作為半導體裝置的實例。
說明被施加數位時間灰階驅動的像素的結構及操作。此處，一個像素包含二個n通道電晶體，每一個n通道電晶體均包含氧化物半導體層用作為通道形成區。
像素6400包含切換電晶體6401、驅動電晶體6402、發光元件6404、及電容器6403。切換電晶體6401的閘極 電極層係連接至掃描線6406，切換電晶體6401的第一電極(源極電極層與汲極電極層的其中之一)係連接至訊號線6405，切換電晶體6401的第二電極(源極電極層與汲極電極層中的另一電極層)係連接至驅動電晶體6402的閘極電極層。驅動電晶體6402的閘極電極層經由電容器6403而被連接至電源線6407，驅動電晶體6402的第一電極係連接至電源線6407，驅動電晶體6402的第二電極係連接至發光元件6404的第一電極(像素電極)。發光元件6404的第二電極對應於共同電極6408。共同電極6408係電連接至設於相同基板之上的共同電位線。
注意，發光元件6404的第二電極(共同電極6408)係設定為低電源電位。注意，相於設定給電源線6407的高電源電位，低電源電位係低於高電源電位。舉例而言，接地(GND)、0V、等等可以用作為低電源電位。在高電源電位與低電源電位之間的電位差被施加至發光元件6404，並且，電流係供應至發光元件6404，以致於發光元件6404發光。此處，為了使發光元件6404發光，將每一個電位設定成使得高電源電位與低電源電位之間的電位差大於或等於發光元件6404的順向臨界電壓。
注意，驅動電晶體6402的閘極電容可以用作為電容器6403的替代，以致於可以省略電容器6403。驅動電晶體6402的閘極電容可以被形成於通道形成區與閘極電極層之間。
在使用電壓輸入電壓驅動法的情況中，視頻訊號被輸 入至驅動電晶體6402的閘極電極層，以致於驅動電晶體6402係處於充份開啟及關閉之二狀態中的任一狀態。亦即，驅動電晶體6402係操作於線性區。為了使驅動電晶體6402在線性區中操作，比電源線6407的電壓還高的電壓被施加至驅動電晶體6402的閘極電極層。注意，高於或等於(電源線電壓+驅動電晶體6402的Vth)之電壓被施加至訊號線6405。
在執行類比灰階驅動以取代數位時間灰階驅動的情況中，藉由以不同方式來輸入訊號，可以使用與圖9C相同的像素配置。
在執行類比灰階驅動的情況中，高於或等於發光元件6404的順向電壓及驅動電晶體6402的Vth之總合的電壓被施加至驅動電晶體6402的閘極電極層。發光元件6404的順向電壓表示取得所需亮度之電壓且包含至少順向臨界電壓。注意，輸入使驅動電晶體6402在飽合區操作的視頻訊號，以致於電流可以供應給發光元件6404。為了使驅動電晶體6402在飽合區操作，電源線6407的電位高於驅動電晶體6402的閘極電位。當使用類比的視頻訊號時，能夠根據視頻訊號來供應電流給發光元件6404，並且，執行類比灰階法。
注意，像素配置不限於圖9C中所示的配置。舉例而言，開關、電阻器、電容器、感測器、電晶體、邏輯電路、等等可以被添加至圖9C中所示的像素。
(實施例7)
本說明書中揭示的半導體裝置可以被應用至不同的電子裝置(包含遊戲機)。電子裝置的實例為電視機(也稱為電視或電視接收器)、電腦等的監視器、例如數位相機或數位攝影機等相機、數位相框、行動電話手機(也稱為行動電話或行電話裝置)、可攜式遊戲機、可攜式資訊端、音頻再生裝置、例如彈珠台等大型遊戲機、等等。將說明均包含上述實施例中所述的顯示裝置之電子裝置的實例。
圖10A顯示可攜式資訊終端，其包含主體3001、外殼3002、顯示部3003a和3003b、等等。顯示部3003b用作為觸控面板。藉由觸控顯示於顯示部3003b上的鍵盤3004，可以操作螢幕以及輸入文字。無需多言，顯示部3003a可以用作為觸控面板。藉由使用實施例1中所述的作為切換元件及應用至顯示部3003a或3003b的電晶體，以製造液晶面板或有機發光面板，因而可以提供高度可靠的資訊終端。
圖10A中的可攜式資訊終端具有在顯示部上顯示各種資訊的功能(例如，靜態影像、移動影像、及文字影像)、在顯示部上顯示日曆、日期、時間、等等的功能、在顯示部上顯示操作或編輯資訊的功能、以各種軟體(程式)控制處理的功能、等等。此外，可以在外殼的背面或側面上設置外部連接端子(例如，耳機端子、USB端子、等等)、記錄媒體插入部、等等。
圖10A中所示的可攜式資訊終端可以被配置成能夠無線地發送及接收資料。可攜式資訊終端具有從電子書伺服器無線地購買或下載所需的書資料等等之結構。
圖10B顯示可攜式音樂播放器，其在主體3021中包含顯示部3023、可攜式音樂播放器藉以戴在耳上的固定部3022、揚聲器、操作鍵3024、外部記憶體插槽3025、等等。藉由使用實施例1中所述的作為切換元件並施加至顯示部3023的電晶體，以製造液晶面板或有機發光面板，因而可以提供高度可靠的可攜式音樂播放器。
此外，當圖10B中所示的可攜式音樂播放器具有天線、麥克風功能、或無線通訊功能並與行動電話一起使用時，使用者可以在開車等等時不用手即可無線地講電話。
圖10C顯示行動電話，其包含二個外殼，外殼2800和外殼2801。外殼2801包含顯示部2802、揚聲器2803、麥克風2804、指向裝置2806、相機鏡頭2807、外部連接端子2808、等等。此外，外殼2800包含具有可攜式資訊終端的充電功能之太陽能電池2810、外部記憶體插槽2811、等等。此外，天線係併入於外殼2801中。實施例1中所述的電晶體播應用至顯示面板2802，因而提供高度可靠的行動電話。
此外，顯示面板2802包含觸控面板。在圖10C中，被使用作為影像顯示的多個操作鍵2805以虛線來予以標示。注意，也包含升壓電路，藉以將太陽能電池2810輸出的電壓充份地升高至用於每一個電路。
舉例而言，當實施例1中所述的電晶體120的結晶氧化物半導體膜108具有2μm至50μm時，也可以形成例如升壓電路等用於電源電路的功率電晶體。
顯示面板2802根據應用模式而適當地改變顯示方向。此外，相機鏡頭2807設於與顯示面板2802相同的側上，以致於行動電話可以用作為影像電話。揚聲器2803及麥克風2804可以用於影像電話通話、記錄、播放聲音、等等、以及語音通話。此外，如圖10C所示般處於展開狀態的外殼2800和2801可以滑動，以致於一殼疊於另一殼上。因此，行動電話的尺寸可以縮小，使得行動電話適合四處攜帶。
外部連接端子2808可以被連接至AC轉接器以及例如USB纜線等各種纜線，以及能夠充電及與個人電腦等作資料通訊。此外，藉由將記錄媒體插入至外部記憶體插槽2811，行動電話可以儲存及傳送大量資料。
此外，除了上述功能之外，還可以提供紅外線通訊功能、電視接收功能、等等。
圖10D顯示電視機的實例。在電視機9600中，顯示部9603係併入於外殼9601中。顯示部9603可以顯示影像。此處，外殼9601係由具有CPU的支架9605來予以支撐。當實施例1中所述的電晶體被應用至顯示部9603時，可以取得具有高可靠度的電視機9600。
電視機9600可以藉由外殼9601的操作開關或分開的遙控器來予以操作。此外，遙控器可以設有顯示部，用以 顯示自遙控器輸出的資料。
注意，電視機9600係設有接收器、數據機、等等。藉由使用接收器，電視機9600可以接收一般電視廣播。此外，當顯示裝置經由數據機而有線地或無線地連接至通訊網路時，可以執行單向(從發送器至接收器)或雙向(在發送器與接收器之間或在接收器之間)資訊通訊。
此外，電視機9600係設有外部連接端子9604、儲存媒體記錄及再生部9602、以及外部記憶體插槽。外部連接端子9604可以被連接至例如USB纜線等不同型式的纜線，以及能夠與個人電腦進行資料通訊。碟片儲存媒體插入至儲存媒體記錄及再生部9602，以及執行儲存於儲存媒體中的資料讀取及資料寫至儲存媒體。此外，用作為資料儲存於插入至外部記憶體插槽的外部記憶體9606之相片、視訊、等等可以被顯示於顯示部9603上。
本申請案係根據2010年9月13日向日本專利局申請之日本專利申請序號2010-204968的申請案，其整體內容於此一併列入參考。
104a‧‧‧源極電極層
104b‧‧‧汲極電極層
110a‧‧‧絕緣膜
110b‧‧‧絕緣膜
112‧‧‧閘極電極層
120‧‧‧電晶體

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置，包括：第一材料膜，包括α-Ga2O3，且在基板之上；氧化物半導體膜，包括銦，且在該第一材料膜之上；閘極絕緣層，相鄰於該氧化物半導體膜；以及閘極電極層，相鄰於該氧化物半導體膜，且以該閘極絕緣層介於其間，其中該氧化物半導體膜比該第一材料膜更厚。
  2. 一種半導體裝置，包括：第一材料膜，包括α-Ga2O3，且在基板之上；氧化物半導體膜，包括銦，且在該第一材料膜之上；閘極絕緣層，在該氧化物半導體膜之上；以及閘極電極層，在該氧化物半導體膜之上，且以該閘極絕緣層介於其間，其中該氧化物半導體膜比該第一材料膜更厚。
  3. 一種半導體裝置，包括：閘極電極層；閘極絕緣層，在該閘極電極層之上；第一材料膜，包括α-Ga2O3，在該閘極電極層之上，且以該閘極絕緣層介於其間；氧化物半導體膜，包括銦，且在該第一材料膜之上，其中該氧化物半導體膜重疊於該閘極電極層；以及源極電極層和汲極電極層，電性接觸於該氧化物半導體膜， 其中該氧化物半導體膜比該第一材料膜更厚。
  4. 一種半導體裝置，包括：第一材料膜，包括Ga2O3，且在基板之上；氧化物半導體膜，包括銦，且在該第一材料膜之上；閘極絕緣層，相鄰於該氧化物半導體膜；以及閘極電極層，相鄰於該氧化物半導體膜，且以該閘極絕緣層介於其間，其中該氧化物半導體膜比該第一材料膜更厚。
  5. 如請求項4之半導體裝置，其中該閘極絕緣層在該氧化物半導體膜之上，以及該閘極電極層在該閘極絕緣層之上。
  6. 如請求項4之半導體裝置，其中該氧化物半導體膜在該閘極絕緣層之上，以及該閘極絕緣層在該閘極電極層之上。
  7. 如請求項1、2或4之半導體裝置，更包括源極電極層和汲極電極層，電性接觸於該氧化物半導體膜。
  8. 如請求項1至4中任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體膜具有六角晶體結構。
  9. 如請求項1至4中任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體膜更包括錫和鋅。
  10. 如請求項1至4中任一項之半導體裝置，其中該氧化物半導體膜更包括鋅和鎵。
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