[发明专利]半导体元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件、以及用于制造半导体元件的方法。具体地，本发明涉及各自包括氧化物半导体的半导体元件及其制造方法。

背景技术

通常在液晶显示器件中使用的在诸如玻璃基板之类的平板上形成的薄膜晶体管(TFT)一般使用诸如非晶硅或多晶硅之类的半导体材料来形成。使用非晶硅的TFT具有低电场迁移率，但是可对玻璃基板尺寸的增大作出响应。另一方面，使用多晶硅的TFT具有高电场迁移率，但是需要诸如激光退火之类的结晶步骤，并且未必总是能适应玻璃基板尺寸的增大。

相反，其中TFT使用氧化物半导体作为半导体材料来形成且应用于电子器件或光学器件的技术已引起了关注。例如，专利文献1和2各自公开了其中TFT使用氧化锌或In-Ga-Zn-O基氧化物半导体作为半导体材料来形成且用于图像显示器件中的开关元件等的技术。

其中沟道形成区(也称为沟道区)设置在氧化物半导体中的TFT的电场迁移率比使用非晶硅的TFT的电场迁移率高。可在300℃或更低的温度下通过溅射法等来形成氧化物半导体层，并且使用氧化物半导体层的TFT的制造工艺比使用多晶硅的TFT的制造工艺简单。

预期使用这种氧化物半导体在玻璃基板、塑料基板等上形成的TFT应用于显示器件，诸如液晶显示器、电致发光显示器(也称为EL显示器)、以及电子纸。

[参考文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本公开专利申请No.2007-123861

[专利文献2]日本公开专利申请No.2007-096055

本发明的公开内容

然而，包括氧化物半导体的半导体元件不具有良好的特性。例如，包括氧化物半导体层的薄膜晶体管需要受控阈值电压、高操作速度、相对容易的制造工艺、以及足够的可靠性。鉴于上述技术背景作出本发明。

因此，本发明的一个实施例的目的在于，增加包括氧化物半导体层的半导体元件的可靠性。具体地，目的在于提供具有受控阈值电压的包括氧化物半导体的薄膜晶体管。另一目的在于提供具有高操作速度、相对容易的制造工艺、以及足够的可靠性的包括氧化物半导体的薄膜晶体管。

另一目的在于提供用于制造具有受控阈值电压、高操作速度、相对容易的制造工艺、以及足够的可靠性的包括氧化物半导体的薄膜晶体管的方法。

氧化物半导体层中的载流子浓度对包括氧化物半导体的薄膜晶体管的阈值电压产生影响。氧化物半导体层中的载流子因氧化物半导体层中所包含的杂质而产生。例如，在所形成的氧化物半导体层中包含的氢原子、包含氢原子的化合物(诸如H₂O)、或包含碳原子的化合物导致氧化物半导体层中的载流子浓度增加。

因此，难以控制包括包含氢原子、包含氢原子的化合物(诸如H₂O)、或包含碳原子的化合物的氧化物半导体层的薄膜晶体管的阈值电压。

为了实现以上目的，可消除对氧化物半导体层中所包含的载流子的浓度产生影响的杂质，例如，氢原子、包含氢原子的化合物(诸如H₂O)、或包含碳原子的化合物。具体地，半导体元件中所包括的氧化物半导体层中的氢浓度可以是大于或等于1×10¹⁸cm^-3且小于或等于2×10²⁰cm^-3。

另外，可形成与氧化物半导体层接触的包含大量缺陷(诸如悬空键)的氧化物绝缘层，从而氧化物半导体层中所包含的氢原子、或包含氢原子的化合物(诸如H₂O)可扩散到氧化物绝缘层中，并且可降低氧化物半导体层中的杂质浓度。

此外，可在通过使用低温泵排空来降低杂质浓度的沉积室中形成氧化物半导体层或与该氧化物半导体层接触的氧化物绝缘层。

即，本发明的一个实施例是用于制造氧化物半导体元件的方法，该方法包括以下步骤：在基板上形成栅电极；在栅电极上形成栅绝缘膜；在栅电极上隔着栅绝缘膜形成氧化物半导体层；以源电极和漏电极与氧化物半导体层接触、且源电极和漏电极的端部与栅电极重叠的方式形成源电极和漏电极；以及在源电极和漏电极之间形成覆盖氧化物半导体层的氧化物绝缘层。注意，基板被保持在维持在减压状态中的反应室中，基板被加热到低于600℃的温度，并且在去除了反应室中剩余水分的状态中，通过引入去除了氢气和水分的溅射气体、以及使用设置在反应室中的靶而在基板上形成栅绝缘膜。在用于制造氧化物半导体元件的以上方法中，通过使用设置在反应室中的金属氧化物作为靶在栅绝缘膜上形成氧化物半导体层。