[发明专利]包括由氧化锌构成的氧化物半导体薄膜层的半导体器件及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于先前的日本专利申请No.2006-155188(2006年6月2日提 交)、No.2006-155189(2006年6月2日提交)以及No.2007-37176(2007 年2月16日提交)并要求享有其优先权权益，通过引用将其公开内容整体 并入此处。

技术领域

本发明涉及包括氧化锌有源层的半导体器件及其制造方法。

背景技术

多年来已经知道氧化锌作为半导体(有源层)具有以极好的特性。最 近几年中，已对氧化锌半导体薄膜层进行了积极的研究与开发，以便将这 种半导体薄膜层应用于包括薄膜晶体管(下文中缩写为TFT)、发光器件、 透明导电膜等的半导体器件。

与具有非晶硅(a-Si：H)半导体薄膜层的非晶硅TFT相比，包括氧化 锌半导体薄膜层的氧化物TFT具有较大的电子迁移率和较好的TFT性能， 其已经主要用于液晶显示器。氧化物TFT的另一优点是可期望高电子迁移 率，因为晶体薄膜甚至在低至室温的温度下形成。这些优点一直促进着氧 化物TFT的发展。

已报道了利用氧化物半导体薄膜层的TFT，例如，底栅TFT和顶栅TFT。 例如，底栅结构依次包括：衬底、栅电极、栅极绝缘体、源/漏电极、氧化 物半导体薄膜层、以及保护性绝缘体。例如，顶栅结构依次包括：衬底、 一对源/漏电极、氧化物半导体薄膜层、栅极绝缘体、以及栅电极。

众所周知，如果氧化锌氧化物半导体薄膜层形成在非晶材料(例如， 用在显示器基板中的玻璃或塑料)上，氧化锌的物理常数(例如，取向和 晶格常数)根据薄膜形成中所采用的条件而变化。例如，“Microstructural evolution and preferred orientation change of radio-frequencymagnetron sputtered ZnO thin films”Journal of Vacuum and Science of Technology Part.A Vol.14，p.1943(1996)显示了氧化锌膜的取向和晶格常数根据在形成氧化锌 膜的溅射方法中用作源气体的氩气(Ar)和氧气(O₂)之间的比率而变化。 然而，该公布内容没有公开氧化锌的物理性质(例如，取向和晶格常数) 如何影响氧化锌的热阻或者包括TFT等的半导体器件的性能。

氧化锌的取向和晶格常数对半导体器件的影响在公开号为 2005-150635的日本专利中有描述。公开号为2005-150635的日本专利公开 了当沿(002)方向的晶格面的晶格间距d₀₀₂在到的范围内 时，薄膜晶体管展现出优越的性能。在公开号为2005-150635的日本专利中， 测量了底栅TFT的TFT性能。如在图16中所示，底栅TFT包括衬底51、 栅电极52、栅极绝缘体53、氧化锌氧化物半导体薄膜层54、以及一对源/ 漏电极55。这些层按这一次序组合。

公开号为2005-150635的日本专利基于X射线衍射值将氧化物半导体 薄膜层54的晶格间距的优选范围定义为到这是整个氧化 物半导体薄膜层54的平均值。因此，由公开号为2005-150635的日本专利 定义的晶格间距d₀₀₂的优选范围到是由整个氧化物半导体薄 膜层54的平均值计算出来的。

在底栅TFT中，形成栅极绝缘体53和氧化物半导体薄膜层54之间的 界面的一部分氧化物半导体薄膜层54的厚度为10nm或更小，用作沟道区 (channel region)。与其它部分的氧化物半导体薄膜层54相比，该沟道区 结晶度较小，因为沟道区在形成氧化物半导体薄膜层54的早期阶段形成。

这意味着，沟道区(在成膜的早期阶段形成在氧化物半导体薄膜层54 中)的晶格间距d₀₀₂不总是在如公开号为2005-150635的日本专利中所公开 的由整个氧化物半导体薄膜层54的平均值所计算出的范围内。

在底栅TFT在液晶显示器等中的实际使用中，利用加热法在氧化物半 导体薄膜层上形成保护性绝缘体。由于氧化锌的热阻小，在形成保护性绝 缘体期间的热历史(heat history)导致锌或氧从氧化物半导体薄膜层解吸， 并且导致氧化物半导体薄膜层中的缺陷。缺陷形成浅杂质能级并降低氧化 物半导体薄膜层的电阻。