[发明专利]半导体装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。

另外，在本说明书中半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。

背景技术

使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜构成晶体管(也称为薄膜晶体管(TFT))的技术受到关注。该晶体管被广泛地应用于如集成电路(IC)及图像显示装置(显示装置)等电子设备。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体材料被广泛地周知。但是，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。

例如，已经公开了，作为晶体管的活性层使用电子载流子浓度低于10¹⁸/cm³的包含铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的非晶氧化物的晶体管(参照专利文献1)。

[专利文献1]日本专利申请公开2006-165528号公报

但是，在薄膜形成工序中，当氧化物半导体偏离化学计量组成或者形成电子施主的氢或水分混入到氧化物半导体时，其导电率有可能变化。这种现象是导致使用氧化物半导体的晶体管的电特性变动的主要原因。

发明内容

鉴于上述问题，目的之一是对使用氧化物半导体的半导体装置赋予稳定的电特性来实现高可靠性。

在包括氧化物半导体层的晶体管的制造工序中，在氧化硅膜上形成包括氧含量超过氧化物半导体处于结晶状态时的化学计量组成比的区域的非晶氧化物半导体层，在该非晶氧化物半导体层上形成氧化铝膜，然后进行加热处理来使该非晶氧化物半导体层的至少一部分晶化，从而形成包含具有大致垂直于表面的c轴的结晶的氧化物半导体层。

包含具有大致垂直于表面的c轴的结晶的氧化物半导体层(以下，也称为结晶氧化物半导体层)具有不是单晶结构也不是非晶结构的结构，并具有如下氧化物，即含有具有c轴取向的结晶(C Axis Aligned Crystal：也称为CAAC)的氧化物。通过采用结晶氧化物半导体层，可以进一步抑制因可见光或紫外光的照射而产生的晶体管的电特性变化，从而可以制造可靠性高的半导体装置。

氧化物半导体层(非晶氧化物半导体层及结晶氧化物半导体层)包括氧含量超过氧化物半导体处于结晶状态时的化学计量组成比的区域。此时，氧含量超过氧化物半导体的化学计量组成比。或者，氧含量超过单晶时的氧含量。有时氧存在于氧化物半导体的晶格之间。例如，在单晶结构为由InGaO₃(ZnO)_m(m＞0)表示的材料的情况下，由于氧化物半导体的组成由InGaZn_mO_m+3表示，所以例如在m＝1(InGaZnO₄)时，使用具有InGaZnO_x(x＞0)的x超过4的氧过剩区的氧化物半导体层。这种氧过剩区存在于氧化物半导体层的一部分(也包括界面)即可。

另外，包含在氧化物半导体层中的氧在氧化物半导体中动态地(dynamically)重复下述表达式(1)所示的与金属元素键合及脱离的反应。因为氧脱离了的金属元素具有悬空键，所以在氧化物半导体层中氧缺损存在于氧脱离了的部分。

[表达式1]

在根据所公开的发明的一个实施方式的氧化物半导体层中，因为膜中含有过剩的氧(优选的是超过化学计量组成比的氧)，所以可以立即填补该氧缺损。由此，可以减少存在于膜中的起因于氧缺损的DOS(density of state：状态密度)。例如，在氧化物半导体层含有与化学计量组成比一致的量的氧时的DOS的平均密度为10¹⁸cm^-3以上且10¹⁹cm^-3以下左右的情况下，包含超过化学计量组成比的氧的氧化物半导体中的DOS的平均密度有可能成为10¹⁵cm^-3以上且10¹⁶cm^-3以下左右。

因为存在于氧化物半导体层中的过剩的氧能够立即填补产生在膜中的氧缺损，所以可以使产生起因于氧缺损的施主能级的时间短，从而可以降低或实际上消除存在于膜中的施主能级。

设置在氧化物半导体层上的氧化铝膜具有高遮断效果(阻挡效果)，即不使氢、水分、羟基或氢化物(也称为氢化合物)等杂质及氧这两者透过膜的效果。