半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專利摘要】提供一種采用使用氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的新穎的半導(dǎo)體裝置，其中將包含Cu的導(dǎo)電膜用作布線或電極等。該半導(dǎo)體裝置包括：第一絕緣膜；第一絕緣膜上的氧化物半導(dǎo)體；隔著柵極絕緣膜與氧化物半導(dǎo)體重疊的柵電極：與柵電極的側(cè)表面接觸的第二絕緣膜；以及與柵電極的頂表面接觸的第三絕緣膜。柵電極包括Cu?X合金膜(X為Mn、Ni、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、Ti、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)以上的混合物)。
【專利說(shuō)明】
半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法。
[0002]注意，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于上述技術(shù)領(lǐng)域。本說(shuō)明書等所公開的本發(fā)明的一個(gè)方式的技術(shù)領(lǐng)域涉及一種物體、方法或制造方法。此外，本發(fā)明的一個(gè)方式涉及一種工序(process)、機(jī)器(machine)、產(chǎn)品(manufacture)或者組合物(composit1n of matter)。本說(shuō)明書等所公開的本發(fā)明的一個(gè)方式的技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)例包括半導(dǎo)體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置、發(fā)光裝置、照明裝置、蓄電裝置、存儲(chǔ)裝置、驅(qū)動(dòng)它們中任一個(gè)的方法和制造它們中任一個(gè)的方法。
[0003]在本說(shuō)明書等中，半導(dǎo)體裝置通常是指能夠利用半導(dǎo)體特性而工作的裝置。顯示裝置、光電裝置、半導(dǎo)體電路和電子設(shè)備在一些情況下包括半導(dǎo)體裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]近幾年，包括晶體管的半導(dǎo)體裝置(例如，中央處理器(CPU)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM))被要求操作速率的改善。連接至晶體管的布線電阻可以為妨礙操作速率的改善的一個(gè)因素;因此，布線電阻的降低是需要的。
[0005]通常，鋁膜已被廣泛地使用，作為布線、信號(hào)線等的材料。為了更進(jìn)一步降低電阻，廣泛地進(jìn)行使用銅(Cu)膜作為材料的研究及開發(fā)。然而，銅膜缺點(diǎn)在于:銅膜與基底膜的粘合性低;對(duì)銅膜進(jìn)行干式蝕刻是困難的；以及因從銅膜擴(kuò)散至晶體管的半導(dǎo)體層內(nèi)的銅而使晶體管的特性容易劣化。
[0006]硅類半導(dǎo)體材料被廣泛地認(rèn)為適用于晶體管的半導(dǎo)體薄膜的材料，并且，氧化物半導(dǎo)體作為另一材料有受到關(guān)注(參照專利文件I)。
[0007]已知使用氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管在截止?fàn)顟B(tài)下具有極低的漏電流。例如，已公開了低功率CPU等利用使用氧化物半導(dǎo)體薄膜的低泄漏電流的晶體管(參照專利文件2)。
[0008]作為使使用氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管具有穩(wěn)定的電特性的方法，已公開了將氧對(duì)氧化物半導(dǎo)體膜進(jìn)行摻雜的技術(shù)(參照專利文件3)。通過(guò)使用專利文件3所公開的技術(shù)，可以降低氧化物半導(dǎo)體膜中的雜質(zhì)濃度和氧缺陷。其結(jié)果是，可以降低使用氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性的變動(dòng)且提高可靠性。
[0009]此外，已公開了作為Cu-Mn合金，形成于包括包含銦的氧化物半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體層上的歐姆電極(參照專利文件4)。
[0010]然而，在使用包括氧化物半導(dǎo)體的晶體管情況下，氧化物半導(dǎo)體的一部分被用作溝道區(qū)，有如下問(wèn)題:柵極BT壓力測(cè)試(S卩，晶體管的可靠性測(cè)試之一)中得到的晶體管特性在Cu擴(kuò)散至溝道區(qū)內(nèi)時(shí)劣化。
[0011][專利文獻(xiàn)]
[0012][專利文件I]日本專利申請(qǐng)公開2007-123861號(hào)公報(bào)
[0013][專利文件2]日本專利申請(qǐng)公開2012-257187號(hào)公報(bào)
[0014][專利文件3]日本專利申請(qǐng)公開2011-243976號(hào)公報(bào)
[0015][專利文件4]PCT國(guó)際公開第2012/002573號(hào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)專利文件4所公開的結(jié)構(gòu)，Cu-Mn合金膜形成于氧化物半導(dǎo)體上，然后對(duì)Cu-Mn合金膜進(jìn)行熱處理，而使在氧化物半導(dǎo)體和Cu-Mn合金膜之間的接合界面形成Mn氧化物。在這樣形成Mn氧化物的方式，Cu-Mn合金膜中的Mn向氧化物半導(dǎo)體擴(kuò)散且傾向于與包含在氧化物半導(dǎo)體中的氧鍵結(jié)。由于使Mn還原的氧化物半導(dǎo)體的區(qū)域含有豐富的氧缺陷，所以該區(qū)域具有高載流子濃度，因此具有高導(dǎo)電性。此外，Mn擴(kuò)散至氧化物半導(dǎo)體使得Cu-Mn合金變成純Cu，由此得到具有低電阻的歐姆電極。
[0017]然而，在上述結(jié)構(gòu)中，未考慮在電極形成后從電極擴(kuò)散的Cu的影響。例如，在氧化物半導(dǎo)體上形成包括Cu-Mn合金膜的電極上，然后進(jìn)行熱處理，因此在氧化物半導(dǎo)體和Cu-Mn合金膜之間的接合界面形成Mn氧化物。由于Mn氧化物的形成，即使可以減少?gòu)腃u-Mn合金膜擴(kuò)散至氧化物半導(dǎo)體的Cu的量，從Cu-Mn合金膜的側(cè)表面擴(kuò)散或者從通過(guò)從Cu-Mn合金膜釋放Mn而得到的純銅膜的側(cè)表面或表面擴(kuò)散的Cu附著于氧化物半導(dǎo)體的表面上?；蛘撸跒榱诵纬呻姌O，通過(guò)圖案化去除Mn氧化物的情況下，Cu從Cu-Mn合金膜的表面擴(kuò)散。
[0018]鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)方式的目的是提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜作為布線或電極的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的一個(gè)方式的另一個(gè)目的是提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜作為布線或電極的半導(dǎo)體裝置的制造方法。本發(fā)明的一個(gè)方式的另一個(gè)目的是提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜且具有良好的形狀的新穎半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的一個(gè)方式的另一個(gè)目的是提供一種新穎半導(dǎo)體裝置及新穎半導(dǎo)體裝置的制造方法。
[0019]本發(fā)明的一個(gè)方式的另一個(gè)目的是提供一種具有穩(wěn)定的電特性的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的一個(gè)方式的另一個(gè)目的是提供一種高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
[0020]注意，這些目的的描述，不排除其他目的的存在。在本發(fā)明的一個(gè)方式中，沒有必要達(dá)到所有目的。另外，可以從說(shuō)明書、附圖、權(quán)利要求書等描述顯見，并從所述描述中得出上述目的以外的目的。
[0021]本發(fā)明的一個(gè)方式為一種半導(dǎo)體裝置，包括:第一絕緣膜;第一絕緣膜上的氧化物半導(dǎo)體;隔著柵極絕緣膜與氧化物半導(dǎo)體重疊的柵電極:以及與柵電極的側(cè)表面接觸的第二絕緣膜。柵電極包括Cu-X合金膜(XSMn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)以上的混合物)。
[0022]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜。
[0023]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜及Cu-Mn合金膜上的Cu膜。
[0024]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括第一Cu-Mn合金膜、第一Cu-Mn合金膜上的Cu膜以及Cu膜上的第二Cu-Mn合金膜。
[0025]在上述實(shí)施方式中，第一絕緣膜可以具有阻擋氫、氧等的功能。
[0026]在上述實(shí)施方式中，第二絕緣膜可以具有阻擋Cu等的功能。
[0027]在上述實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體可以具有疊層結(jié)構(gòu)。
[0028]本發(fā)明的一個(gè)方式為一種半導(dǎo)體裝置，包括:第一絕緣膜;第一絕緣膜上的氧化物半導(dǎo)體;隔著柵極絕緣膜與氧化物半導(dǎo)體重疊的柵電極;與柵電極的側(cè)表面接觸的第二絕緣膜；以及與柵電極的頂表面接觸的第三絕緣膜。柵電極包括Cu-X合金膜(X為Mn、N1、Cr、卩6、(:0、]?0、了3、11、2廣]\%、03或這些元素中兩個(gè)以上的混合物)。
[0029]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜。
[0030]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜及Cu-Mn合金膜上的Cu膜。
[0031]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括第一Cu-Mn合金膜、第一Cu-Mn合金膜上的Cu膜以及Cu膜上的第二Cu-Mn合金膜。
[0032]在上述實(shí)施方式中，第一絕緣膜可以具有阻擋氫、氧等的功能。
[0033]在上述實(shí)施方式中，第二絕緣膜可以具有阻擋氫、氧等的功能。
[0034]在上述實(shí)施方式中，第三絕緣膜可以具有阻擋Cu等的功能。
[0035]在上述實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體可以具有疊層結(jié)構(gòu)。
[0036]本發(fā)明的一個(gè)方式為一種半導(dǎo)體裝置，包括:第一絕緣膜;第一絕緣膜上的第二絕緣膜;第二絕緣膜上的氧化物半導(dǎo)體;隔著柵極絕緣膜與氧化物半導(dǎo)體重疊的柵電極;與柵電極的側(cè)表面接觸的第三絕緣膜；以及與柵電極的頂表面接觸的第四絕緣膜。柵電極包括Cu-X合金膜(X為胞、祖、0小6、(:0、]\10、了3、11、2&]\%、03或這些元素中兩個(gè)以上的混合物)。
[0037]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜。
[0038]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括Cu-Mn合金膜及Cu-Mn合金膜上的Cu膜。
[0039]在上述實(shí)施方式中，柵電極可以包括第一Cu-Mn合金膜、第一Cu-Mn合金膜上的Cu膜以及Cu膜上的第二Cu-Mn合金膜。
[0040]在上述實(shí)施方式中，第一絕緣膜可以具有阻擋氫、氧等的功能。
[0041 ]在上述實(shí)施方式中，第二絕緣膜可以是包含過(guò)剩氧的絕緣膜。
[0042]在上述實(shí)施方式中，第三絕緣膜可以具有阻擋氫、氧等的功能。
[0043]在上述實(shí)施方式中，第四絕緣膜可以具有阻擋Cu等的功能。
[0044]在上述實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體可以具有疊層結(jié)構(gòu)。
[0045]通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜作為布線或電極等的新穎半導(dǎo)體裝置。通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜作為布線或電極等的新穎半導(dǎo)體裝置的制造方法。通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種使用包含Cu的導(dǎo)電膜且具有良好的形狀的新穎半導(dǎo)體裝置。通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種高可靠性的半導(dǎo)體裝置。通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種具有穩(wěn)定的電特性的半導(dǎo)體裝置。通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)方式，可以提供一種新穎半導(dǎo)體裝置及新穎半導(dǎo)體裝置的制造方法。
[0046]注意，這些效果的描述，不排除其他效果的存在。在本發(fā)明的一個(gè)方式中，沒有必要具有所有效果。另外，可以從說(shuō)明書、附圖、權(quán)利要求書等描述顯見，并從所述描述中得出上述效果以外的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0047]在附圖中:
[0048]圖1A為半導(dǎo)體裝置的俯視圖，以及圖1B和圖1C為其截面圖；
[0049]圖2A為半導(dǎo)體裝置的俯視圖，以及圖2B和圖2C為其截面圖；
[0050]圖3A為半導(dǎo)體裝置的俯視圖，以及圖3B和圖3C為其截面圖；
[0051]圖4示出疊層膜的能帶；
[0052]圖5A至圖5C為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0053]圖6A和圖6B為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0054]圖7A和圖7B為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0055]圖8A和圖SB為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0056]圖9A和圖9B為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0057]圖1OA和圖1OB為說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖；
[0058]圖1IA和圖1IB為半導(dǎo)體裝置的截面圖；
[0059]圖12A和圖12B為半導(dǎo)體裝置的截面圖；
[0060]圖13A和圖13D為半導(dǎo)體裝置的截面圖，以及圖13B和圖13C為半導(dǎo)體裝置的電路圖；
[0061 ]圖14A和圖14B為各說(shuō)明存儲(chǔ)裝置的例子的電路圖；
[0062]圖15A為俯視圖及圖15B和圖15C為電路圖，各說(shuō)明顯示裝置的例子；
[0063]圖16A至圖16F為各說(shuō)明的電子設(shè)備的例子的外觀圖；
[0064]圖17A至圖17F各示出RFIC的使用例子；
[0065]圖18A至圖18C為CAAC-OS截面的Cs校正高分辨率TEM圖像，以及圖18D為CAAC-OS的截面示意圖；
[0066]圖19A至圖19D為CAAC-OS層的平面的Cs校正高分辨率TEM圖像；
[0067]圖20A至圖20C示出通過(guò)XRD的CAAC-OS膜和單晶氧化物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)分析；
[0068]圖21A和圖21B示出CAAC-OS的電子衍射的圖；
[0069]圖22示出因?yàn)殡娮诱丈涞木w部分的In-Ga-Zn氧化物的變化；
[0070]圖23A和圖23B為半導(dǎo)體裝置的截面圖；以及
[0071]圖24A和圖24B為半導(dǎo)體裝置的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0072]下面，參照附圖對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。但是，實(shí)施方式可以以多個(gè)不同方式來(lái)實(shí)施，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易地理解一個(gè)事實(shí)，就是其方式和詳細(xì)內(nèi)容可以被變換為各種各樣的形式而不脫離本發(fā)明的宗旨及其范圍。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為僅限定在以下所示的實(shí)施方式所記載的內(nèi)容中。
[0073]在各附圖中，為了明確起見，在有些情況下夸大表示其大小、層厚度或區(qū)域。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式并不限定于這種尺寸。注意，各附圖是示出理想的例子的示意圖，并且，本發(fā)明的實(shí)施方式不局限于附圖所示的形狀或數(shù)值。并且，在如下實(shí)施方式及實(shí)施例中，在不同的附圖之間共同使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略其重復(fù)說(shuō)明。
[0074]注意，在本說(shuō)明書中，序數(shù)詞如“第一”、“第二”及“第三”是為了避免結(jié)構(gòu)要素的混淆而使用的，而該序數(shù)詞不會(huì)在數(shù)字上限制構(gòu)成要素。
[0075]注意，在本說(shuō)明書中，為了便于參照【附圖說(shuō)明】構(gòu)成要素之間的位置關(guān)系，而使用“上”、“之上”、“下”及“之下”等說(shuō)明配置的詞句。另外，根據(jù)描述各構(gòu)成要素的方向適當(dāng)?shù)馗淖儤?gòu)成要素之間的位置關(guān)系。因此，對(duì)本說(shuō)明書所使用的詞句沒有特別的限制，而可以根據(jù)情況適當(dāng)?shù)厥褂闷渌~句來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
[0076]在本說(shuō)明書等中，晶體管是指至少包括柵極、漏極以及源極這三個(gè)端子的元件。此夕卜，晶體管在漏極(漏極端子、漏區(qū)或漏電極)與源極(源極端子、源區(qū)或源電極)之間具有溝道區(qū)，并且電流能夠流過(guò)漏極、溝道區(qū)以及源極。注意，在本說(shuō)明書等中，溝道區(qū)是指電流主要流過(guò)的區(qū)域。
[0077]另外，例如當(dāng)使用極性不同的晶體管的情況或電路工作中的電流方向變化時(shí)，源極及漏極的功能有時(shí)互相調(diào)換。因此，在本說(shuō)明書中，“源極”和“漏極”可以互相調(diào)換。
[0078]在本說(shuō)明書等中，“電性連接”包括構(gòu)成要素通過(guò)“具有某種電作用的對(duì)象”連接的情況。“具有某種電作用的對(duì)象”只要可以進(jìn)行連接對(duì)象間的電信號(hào)的授受，就對(duì)其沒有特別的限制。例如，“具有某種電作用的對(duì)象”不僅包括電極和布線，而且還包括晶體管等的開關(guān)元件、電阻器、電感器、電容器、其他具有各種功能的元件等。
[0079]注意，即使記載為“半導(dǎo)體”，例如，當(dāng)導(dǎo)電性充分低時(shí)，“半導(dǎo)體”也有時(shí)具有作為“絕緣體”的特性。有時(shí)“半導(dǎo)體”與“絕緣體”之間的界限模糊，不能嚴(yán)格地區(qū)別“半導(dǎo)體”與“絕緣體”。因此，有時(shí)可以將在本說(shuō)明書中記載的“半導(dǎo)體”換稱為“絕緣體”。同樣地，有時(shí)可以將在本說(shuō)明書中記載的“絕緣體”換稱為“半導(dǎo)體”。
[0080]注意，即使記載為“半導(dǎo)體”，例如，當(dāng)導(dǎo)電性充分高時(shí)，“半導(dǎo)體”也有時(shí)具有作為“導(dǎo)電體”的特性。有時(shí)“半導(dǎo)體”與“導(dǎo)電體”之間的界限模糊，不能嚴(yán)格地區(qū)別“半導(dǎo)體”與“導(dǎo)電體”。因此，有時(shí)可以將在本說(shuō)明書中記載的“半導(dǎo)體”換稱為“導(dǎo)電體”。同樣地，有時(shí)可以將在本說(shuō)明書中記載的“導(dǎo)電體”換稱為“半導(dǎo)體”。
[0081]此外，半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)例如是指半導(dǎo)體層的主要成分以外的元素。例如，濃度小于0.1atomic %的元素是雜質(zhì)。當(dāng)包含雜質(zhì)時(shí)，例如，載流子陷講有可能形成在半導(dǎo)體層中，載流子迀移率有可能降低，或者結(jié)晶性有可能降低。在半導(dǎo)體層是氧化物半導(dǎo)體層的情況下，改變半導(dǎo)體層特性的雜質(zhì)的例子包括第I族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主要成分以外的過(guò)渡金屬;尤其是，例如有氫(包含于水)、鋰、鈉、硅、硼、磷、碳、氮。在半導(dǎo)體層是氧化物半導(dǎo)體層的情況下，例如，氧缺陷有可能因雜質(zhì)的混入而形成。此外，當(dāng)半導(dǎo)體層是硅層時(shí)，改變半導(dǎo)體層的特性的雜質(zhì)的例子包括氧、除了氫以外的第I族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素。
[0082]在本說(shuō)明書中，過(guò)剩氧例如是指超過(guò)化學(xué)計(jì)量組成的量的氧?；蛘?，過(guò)剩氧例如是指通過(guò)加熱釋放的氧。過(guò)剩氧例如能夠在膜或?qū)拥膬?nèi)部移動(dòng)。過(guò)剩氧的移動(dòng)包括在膜或?qū)拥脑又g移動(dòng)的情況以及以與構(gòu)成膜或?qū)拥难踔脫Q的方式像臺(tái)球一樣移動(dòng)的情況。此夕卜，包含過(guò)剩氧的絕緣膜例如相當(dāng)于通過(guò)熱處理釋放氧的絕緣膜。
[0083]實(shí)施方式I
[0084]在本施方式中，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說(shuō)明。
[0085]〈半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)實(shí)施例〉
[0086]圖1A為本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置100的俯視圖。圖1B示出晶體管101在溝道長(zhǎng)度方向上的沿著圖1A的虛線A1-A2的截面圖。圖1C示出晶體管101在溝道寬度方向上的沿著圖1A的虛線A3-A4的截面圖。注意，在圖1A中，為了避免復(fù)雜，沒有示出半導(dǎo)體裝置100的一些構(gòu)成要素。
[0087]注意，溝道長(zhǎng)度指的是，例如，在半導(dǎo)體(或當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)在半導(dǎo)體中電流流動(dòng)的部分)和柵電極彼此重疊的區(qū)域中，或者在晶體管的俯視圖中形成有溝道的區(qū)域中，源極(源區(qū)或源電極)和漏極(漏區(qū)或漏電極)之間的距離。在一個(gè)晶體管中，所有區(qū)域的溝道長(zhǎng)度未必相同。換句話說(shuō)，在一些情況下晶體管的溝道長(zhǎng)度不固定在一個(gè)值。因此，在本說(shuō)明書中，在形成有溝道的區(qū)域中，溝道長(zhǎng)度為任一個(gè)值、最大值、最小值或平均值。
[0088]溝道寬度指的是，例如，在半導(dǎo)體(或當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)在半導(dǎo)體中電流流動(dòng)的部分)和柵電極彼此重疊的區(qū)域中，或者在晶體管的俯視圖中形成有溝道的區(qū)域中，源極和漏極彼此面對(duì)的部分的長(zhǎng)度。在一個(gè)晶體管中，所有區(qū)域的溝道寬度未必相同。換句話說(shuō)，在一些情況下晶體管的溝道寬度不固定在一個(gè)值。因此，在本說(shuō)明中，在形成有溝道的區(qū)域中，溝道寬度為任一個(gè)值、最大值、最小值或平均值。
[0089]注意，根據(jù)晶體管的結(jié)構(gòu)，在一些情況下，實(shí)際上形成有溝道的區(qū)域中的溝道寬度(以下，稱為有效溝道寬度)與俯視晶體管時(shí)的溝道寬度(以下，稱為表觀溝道寬度)不同。例如，在具有三維(three-dimens1nal)結(jié)構(gòu)的晶體管中，有效溝道寬度大于俯視晶體管時(shí)的表觀溝道寬度，并且其影響在一些情況下不能被忽略。例如，在一個(gè)具有三維結(jié)構(gòu)的微型晶體管中，形成于半導(dǎo)體的側(cè)表面的溝道區(qū)的比例有時(shí)比形成于半導(dǎo)體的頂表面的溝道區(qū)的比例高。在這種情況下，當(dāng)實(shí)際上形成有溝道時(shí)，所得到的有效溝道寬度大于俯視晶體管時(shí)所示的表觀溝道寬度。
[0090]在具有三維結(jié)構(gòu)的晶體管中，有效溝道寬度有時(shí)難以測(cè)量。例如，為了從設(shè)計(jì)值估計(jì)有效溝道寬度，必須假定半導(dǎo)體的形狀如已知的假設(shè)條件一樣。因此，在無(wú)法準(zhǔn)確知道半導(dǎo)體的形狀的情況下，不容易精確地測(cè)量有效溝道寬度。
[0091 ]因此，在本說(shuō)明書中，在俯視晶體管時(shí)，有時(shí)表觀溝道寬度，即在半導(dǎo)體和柵電極彼此重疊的區(qū)域中源極和漏極彼此面對(duì)的部分的長(zhǎng)度，指的是圍繞溝道寬度(surroundedchannel width, SCff)。此外，在本說(shuō)明書中，在“溝道寬度”被簡(jiǎn)單地使用的情況下，也可表示圍繞溝道寬度或表觀溝道寬度?？商娲兀诒菊f(shuō)明書中，在“溝道寬度”被簡(jiǎn)單地使用的情況下，有時(shí)也可表示為有效溝道寬度。注意，溝道長(zhǎng)度、溝道寬度、有效溝道寬度、表觀溝道寬度、圍繞溝道寬度等可以通過(guò)獲得和分析的截面TEM圖像等來(lái)確定。
[0092]注意，在電場(chǎng)迀移率情況下，晶體管的每個(gè)溝道寬度的電流值等是由計(jì)算獲得的，圍繞溝道寬度可以用來(lái)計(jì)算。在這種情況下，其值不同于其中一些情況下有效溝道寬度被用以計(jì)算所獲得的值。
[0093]具有晶體管101的半導(dǎo)體裝置100包括:襯底110上的絕緣膜120;絕緣膜120上的絕緣膜121;在絕緣膜121上依次形成有氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體132的疊層;與疊層電連接的源電極140和漏電極150;覆蓋疊層的一部分、源電極140和漏電極150的氧化物半導(dǎo)體133;覆蓋氧化物半導(dǎo)體133的柵極絕緣膜160;與疊層的一部分、源電極140的一部分、漏電極150的一部分、氧化物半導(dǎo)體133的一部分及柵極絕緣膜160的一部分重疊的柵電極170;與柵電極170的側(cè)表面接觸且覆蓋柵極絕緣膜160的一部分的絕緣膜180;絕緣膜180上的絕緣膜181;以及與柵電極170的頂表面接觸的絕緣膜182。柵電極170包括由導(dǎo)電膜171及導(dǎo)電膜172形成的結(jié)構(gòu)，其中依次形成有導(dǎo)電膜171及導(dǎo)電膜172。氧化物半導(dǎo)體131、氧化物半導(dǎo)體132和氧化物半導(dǎo)體133被總稱為氧化物半導(dǎo)體130。
[0094]在晶體管101中，導(dǎo)電膜172至少包括Cu?？商娲兀瑢?dǎo)電膜也可以使用低電阻材料，如Cu、Al、Au或Ag、包含這些材料的合金、作為主要成分包含這些材料的化合物。
[0095]在晶體管101中，導(dǎo)電膜171至少包括Cu-X合金膜(X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)或多個(gè)的混合物)(以下，簡(jiǎn)稱為Cu-X合金膜)。例如，導(dǎo)電膜171可以具有Cu-X合金膜的單層結(jié)構(gòu)或包括Cu-X合金膜及含有如氮化鈦、氮化鎢或氮化鉭等化合物的薄膜的疊層結(jié)構(gòu)。
[0096]優(yōu)選的是，導(dǎo)電膜171所包括的Cu-X合金膜與柵極絕緣膜160和絕緣膜180接觸。在柵極絕緣膜160和絕緣膜180為含有氧的薄膜的情況下，在Cu-X合金膜與這些絕緣膜接觸時(shí)，Cu-X合金膜中的X(X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)或多個(gè)的混合物)可能在這些絕緣膜的界面形成X的氧化膜?？商娲?，如Cu-Ca-O的氧化物的膜可以直接地形成在導(dǎo)電膜171和絕緣膜180之間以及在導(dǎo)電膜171和柵極絕緣膜160之間，代替X的氧化膜。以上述方式形成的氧化物薄膜可以防止Cu-X合金膜中的Cu或在導(dǎo)電膜172中含有的Cu經(jīng)過(guò)這些絕緣膜到達(dá)氧化物半導(dǎo)體130。
[0097]例如，Cu-Mn合金膜用于導(dǎo)電膜171。通過(guò)將Cu-Mn合金膜用于導(dǎo)電膜171，可以提高柵極絕緣膜160和絕緣膜180的粘合性。
[0098]例如，Cu膜用于導(dǎo)電膜172。通過(guò)將具有低電阻的Cu膜用于導(dǎo)電膜172，可以制造布線延遲得到降低的半導(dǎo)體裝置。
[0099]絕緣膜182優(yōu)選具有阻擋銅等的功能。與柵電極170的頂表面接觸的絕緣膜182可以防止Cu從柵電極170的頂表面的擴(kuò)散。例如，氮化物絕緣膜可以被用作絕緣膜182。氮化物絕緣膜使用氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁、氮氧化鋁等形成。另外，也可以提供氧化物絕緣膜，代替氮化物絕緣膜。當(dāng)氧化物絕緣膜具有阻擋功能時(shí)，可以提供氧化鋁膜、氧氮化鋁膜、氧化鎵膜、氧氮化鎵膜、氧化釔膜、氧氮化釔膜、氧化鉿膜、氧氮化鉿膜。
[0100]通過(guò)如上所述形成用作柵電極170的導(dǎo)電膜171和172及絕緣膜182，可以抑制Cu進(jìn)入至氧化物半導(dǎo)體130中，并可以提供布線延遲得到降低的具有高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
[0101]絕緣膜120具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。具體地說(shuō)，絕緣膜120具有防止氫、水和雜質(zhì)從襯底110擴(kuò)散的功能以及防止氧從氧化物半導(dǎo)體130擴(kuò)散的功能。此外，在如下所述其他器件形成于襯底110上的情況下，優(yōu)選對(duì)絕緣膜120進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)等而使其表面平坦化。此外，在其他器件為使用硅作為有源層的晶體管的情況下，絕緣膜120優(yōu)選具有防止硅從襯底110擴(kuò)散到氧化物半導(dǎo)體130中的功能。
[0102]作為絕緣膜120，氧化物絕緣膜包括氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧氮化硅、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿、氧化鉭等;氮化物絕緣膜包括氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁、氮氧化鋁等;或任何這些混合材料的膜可以使用。
[0103]絕緣膜180具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。通過(guò)設(shè)置絕緣膜180，可以防止從氧化物半導(dǎo)體130的向外擴(kuò)散的氧及來(lái)自外部的氫、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)。
[0104]作為絕緣膜180，氧化物絕緣膜包括氧化鋁、氧化鎂、氧化娃、氧氮化娃、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿、氧化鉭等;氮化物絕緣膜包括氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁、氮氧化鋁等;或任何這些混合材料的膜可以被使用。
[0105]注意，氧化鋁薄膜優(yōu)選被用作絕緣膜120及絕緣膜180，因?yàn)樵撃ぞ哂蟹乐箽?、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物穿過(guò)膜的功能，即，針對(duì)這些元素或化合物的阻擋功能是優(yōu)越的。因此，氧化鋁薄膜可以適合地用作防止如下情況:將引起晶體管的電特性的偏移的氫或水等雜質(zhì)進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130;氧化物半導(dǎo)體130的主要成分的氧在晶體管的制造工序中及工序后從氧化物半導(dǎo)體釋放；以及來(lái)自基底絕緣膜121的氧的非必要的釋放。此夕卜，包含在氧化鋁薄膜中的氧可以擴(kuò)散至氧化物半導(dǎo)體內(nèi)。
[0106]因此，通過(guò)如上所述形成絕緣膜120和絕緣膜180，可以氫、水等向氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)的進(jìn)入及來(lái)自氧化物半導(dǎo)體130的氧的擴(kuò)散得到抑制，由此晶體管特性變穩(wěn)定，從而可以提供具有高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
[0107]注意，在溝道寬度方向上的截面圖的圖1C中，柵電極170的電場(chǎng)也對(duì)氧化物半導(dǎo)體132的橫向側(cè)施加。例如，在晶體管的溝道寬度小于或等于lOOnm，優(yōu)選小于或等于60nm，更優(yōu)選小于或等于40nm的情況下，施加到氧化物半導(dǎo)體132的橫向側(cè)的電場(chǎng)的貢獻(xiàn)是大的。因此，泄漏電流、場(chǎng)效應(yīng)迀移率等在晶體管導(dǎo)通時(shí)增加，泄漏電流等在晶體管截止時(shí)減少。此夕卜，隧道效應(yīng)可以被抑制。因此，即使晶體管具有短溝道長(zhǎng)度，可以獲得常截止型(norma I ly_of f)電特性。因此，晶體管具有優(yōu)良的電特性。
[0108]下面，詳細(xì)地說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的其他構(gòu)成要素。
[0109]〈襯底〉
[0110]襯底110不限制于簡(jiǎn)單支持襯底，也可以為形成有諸如晶體管等其他器件的襯底。在此情況下，晶體管的柵電極170、源電極140和漏電極150中的一個(gè)可以與上述器件電連接。
[0111]〈基底絕緣膜〉
[0112]絕緣膜121具有將氧供應(yīng)至氧化物半導(dǎo)體130的功能。由于這個(gè)原因，絕緣膜121優(yōu)選為含有氧的絕緣膜，更優(yōu)選為含有超過(guò)化學(xué)計(jì)量組成的氧的絕緣膜。例如，當(dāng)利用TDS分析時(shí)，絕緣膜121是換算為氧原子的氧的釋放量大于或等于1.0X1018atoms/cm3，優(yōu)選大于或等于3.0 X 1020atoms/cm3的氧化物絕緣膜。另外，在TDS分析中膜表面的溫度優(yōu)選地大于或等于100°C和低于或等于700°C，或者大于或等于100°C和低于或等于500°C。此外，絕緣膜121也可以具有如上述的絕緣膜120防止雜質(zhì)從襯底110擴(kuò)散的功能。
[0113]作為絕緣膜121，可以以單層使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜、氧化鋁膜、氧化鉿膜、氧化釔膜、氧化鋯膜、氧化鎵膜、氧化鉭膜、氧化鎂膜、氧化鑭膜、氧化鈰膜或氧化釹膜等的絕緣膜，或者以疊層使用任何這些絕緣膜的絕緣膜。優(yōu)選使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅薄膜或氮化硅薄膜等的單層絕緣膜或任何這些絕緣膜的疊層絕緣膜。
[0114]〈氧化物半導(dǎo)體〉
[0115]氧化物半導(dǎo)體130的典型例子為In-Ga氧化物、In-Zn氧化物和In-M-Zn氧化物(Μ表示1^、6&、￥、2匕1^、06、制、311或!^)。特別是，優(yōu)選使用111-]\1-211氧化物(]\1表示11、63、￥、2『、La、Ce、Nd、Sn或Hf)作為氧化物半導(dǎo)體130。
[0116]注意，氧化物半導(dǎo)體130不局限于含有In的氧化物。氧化物半導(dǎo)體130例如可以為Zn-Sn氧化物或Ga-Sn氧化物。
[0117]在氧化物半導(dǎo)體130為通過(guò)濺鍍法形成的In-M-Zn氧化物膜(Μ表示T1、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、Sn或Hf)的情況下，優(yōu)選的是，用來(lái)形成In-M-Zn氧化物的派鍍革E材的金屬元素的原子數(shù)比滿足In > M且Zn > M。作為上述派鍍革E材的金屬元素的原子數(shù)比，優(yōu)選為In:M: Zn =1:1:1、In:M:Zn =1:1:1.2及In:M:Zn = 3:1:2。注意，氧化物半導(dǎo)體130中的金屬元素的原子數(shù)比在±40%的范圍內(nèi)從上述濺鍍靶材的金屬元素原子數(shù)比變化作為誤差。
[0118]接著，將參考圖4的能帶結(jié)構(gòu)說(shuō)明形成有氧化物半導(dǎo)體131至氧化物半導(dǎo)體133的疊層的氧化物半導(dǎo)體130的功能和效果。圖4示出沿著圖1C的點(diǎn)劃線C1-C2的部分的能帶結(jié)構(gòu)圖。此外，圖4示出晶體管101的溝道形成區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0119]在圖4中，Ecl21、Ecl31、Ecl32、Ecl33和Ecl60分別示出絕緣膜121、氧化物半導(dǎo)體131、氧化物半導(dǎo)體132、氧化物半導(dǎo)體133和柵極絕緣膜160的導(dǎo)帶底的能量。
[0120]此處，真空能級(jí)(vacuumlevel)與導(dǎo)帶底的能量差(該差異也被稱為“電子親和能(electron affinity)”)相當(dāng)于從真空能級(jí)和價(jià)帶頂?shù)哪芰坎?該異差也被稱為游離能(1nizat1n potential))減去能隙獲得的值。另外，可以利用光譜橢偏儀(HORIBA JOBINYVON公司制造的UT-300)測(cè)定能隙。另外，真空能級(jí)與價(jià)電子帶頂?shù)哪芰坎羁梢岳米贤饩€光電子能譜(UPS:Ultrav1let Photoelectron Spectroscopy)裝置(PHI公司制造的VersaProbe)測(cè)定。
[0?21 ] 使用In:Ga: Zn = 1: 3: 2(原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.5eV的能隙及大約4.5eV的電子親和能。使用In: GaiZn= 1:3:4(原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.4e V的能隙及大約4.5eV的電子親和能。使用I η: Ga: Zn = 1:3:6(原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.3eV的能隙及4.5eV的電子親和能。使用In: Ga: Zn = 1:6:2 (原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.9eV的能隙及大約4.3eV的電子親和能。使用In: Ga: Zn = 1:6: 8 (原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.5eV的能隙及大約4.4eV的電子親和能。使用In:Ga:Zn=l:6:10(原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約3.5eV的能隙及大約4.5eV的電子親和能。使用In: Ga: Zn=1:1:1 (原子數(shù)比)的派鍍革E材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約
3.2eV的能隙及大約4.7eV的電子親和能。使用In: Ga: Zn = 3:1: 2(原子數(shù)比)的濺鍍靶材形成的In-Ga-Zn氧化物具有大約2.8eV的能隙及大約5.0eV的電子親和能。
[0122]由于絕緣膜121和柵極絕緣膜160為絕緣體，所以Ecl21和Ecl60比Ecl31、Ecl32及Ecl33更接近真空能級(jí)(具有較小的電子親和能)。
[0123]另外，Ecl31比Ecl32更接近于真空能級(jí)。具體而言，Ecl31優(yōu)選比Ecl32更接近于真空能級(jí)0.05eV以上、0.07eV以上、0.16￥以上或0.156￥以上且26￥以下、16￥以下、0.56￥以下或0.4eV以下。
[0124]此外，Ecl33比Ecl32更接近于真空能級(jí)。具體而言，Ecl33優(yōu)選比Ecl32更接近于真空能級(jí)0.05eV以上、0.07eV以上、0.16￥以上或0.156￥以上且26￥以下、16￥以下、0.56￥以下或0.4eV以下。
[0125]在氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體132之間的界面附近及氧化物半導(dǎo)體132和氧化物半導(dǎo)體133之間的界面附近，形成有混合區(qū)；因此，導(dǎo)帶底的能量連續(xù)地變化。換句話說(shuō)，在這些界面沒有陷阱能級(jí)或幾乎沒有存在陷阱能級(jí)。
[0126]因此，電子主要通過(guò)具有上述能帶結(jié)構(gòu)的疊層結(jié)構(gòu)中的氧化物半導(dǎo)體132移動(dòng)。因此，即使當(dāng)界面能級(jí)存在于氧化物半導(dǎo)體131和絕緣膜121之間的界面或氧化物半導(dǎo)體133和柵極絕緣膜160之間的界面，界面能級(jí)幾乎不影響電子的移動(dòng)。此外，由于沒有界面能級(jí)或界面能級(jí)幾乎沒有存在于氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體132之間及氧化物半導(dǎo)體133和氧化物半導(dǎo)體132之間的界面，在區(qū)域中的電子移動(dòng)不被中斷。因此，在具有上述氧化物半導(dǎo)體的疊層結(jié)構(gòu)的晶體管101中可以獲得高場(chǎng)效應(yīng)迀移率。
[0127]注意，雖然由于雜質(zhì)或缺陷的陷阱能級(jí)Et300可能形成在如圖4所示的氧化物半導(dǎo)體131和絕緣膜121之間界面附近和氧化物半導(dǎo)體133和柵極絕緣膜160之間的界面附近，但是可以因氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體133的存在而使氧化物半導(dǎo)體132從陷阱能級(jí)分離。
[0128]在本實(shí)施方式所示的晶體管101中，在溝道寬度方向，氧化物半導(dǎo)體132的頂表面和側(cè)表面與氧化物半導(dǎo)體133接觸，氧化物半導(dǎo)體132的底表面與氧化物半導(dǎo)體131接觸(參照?qǐng)D1C)。在這種方式中，氧化物半導(dǎo)體132由氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體133包圍，由此可以進(jìn)一步減少陷講能級(jí)的影響。
[0129]然而，當(dāng)Ecl31和Ecl32之間的能量差或Ecl33和Ecl32之間的能量差小時(shí)，氧化物半導(dǎo)體132中的電子通過(guò)能量差到達(dá)陷阱能級(jí)。由于電子被陷阱能級(jí)捕捉，固定負(fù)電荷在與絕緣膜的界面處產(chǎn)生，導(dǎo)致了晶體管的閾值電壓向正方向偏移。
[0130]因此，將每個(gè)Ec 131和Ec 132之間的能量差及Ec 133和Ec 132之間的能量差優(yōu)選設(shè)定為大于或等于0.leV，更優(yōu)選大于或等于0.15eV，在這種情況下，可以減少晶體管的閾值電壓的變化，并且晶體管可以具有良好的電特性。
[0131]氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體133都優(yōu)選具有比氧化物半導(dǎo)體132寬的帶隙。
[0132]例如，作為氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133可以使用如下材料:包含Al、T1、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、Ce或Hf且該元素的原子數(shù)比高于氧化物半導(dǎo)體132的材料。具體而言，上述元素的原子數(shù)比為氧化物半導(dǎo)體132的1.5倍以上，優(yōu)選為2倍以上，更優(yōu)選為3倍以上。上述元素與氧堅(jiān)固地鍵合，所以具有抑制在氧化物半導(dǎo)體中產(chǎn)生氧缺陷的功能。由此可說(shuō)，與氧化物半導(dǎo)體132相比，在氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133中難以產(chǎn)生氧缺陷。
[0133]另外，在氧化物半導(dǎo)體131、氧化物半導(dǎo)體132及氧化物半導(dǎo)體133為至少包含銦、鋅及1(1為々1、1';[、63、66、￥、21'、311、1^工6或!^等金屬)的111-]\1-211氧化物，且氧化物半導(dǎo)體131的原子數(shù)比為1]1:1:211 = 11:71:21，氧化物半導(dǎo)體132的原子數(shù)比為111:1:211 = 12:72:22，氧化物半導(dǎo)體133的原子數(shù)比為In:M: Zn = x3:y3: Z3的情況下，yi/χι及y3/X3優(yōu)選大于y〗/X2。yi/χι及y3/x3為y2/x2的1.5倍以上，優(yōu)選為2倍以上，更優(yōu)選為3倍以上。此時(shí)，在氧化物半導(dǎo)體132中，在y2*X2以上的情況下，能夠使晶體管具有穩(wěn)定的電特性。但是，在y2Sx2的3倍以上的情況下，晶體管的場(chǎng)效應(yīng)迀移率降低，因此y2優(yōu)選小于K的3倍。
[0134]當(dāng)不考慮Zn及O時(shí)，氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133中的In與M的原子百分比優(yōu)選為如下:In的比率低于50atomic%，]\1的比率為50atomic%以上，更優(yōu)選為如下:In的比率低于25atomic%，M的比率為75atomic%以上。另外，當(dāng)不考慮Zn及O時(shí)，氧化物半導(dǎo)體132中的In與M的原子百分比優(yōu)選為如下:In的比率為25atomic%以上，M的比率低于75atomic%，更優(yōu)選為如下:In的比率為34atomic%以上，M的比率低于66atomic%。
[0135]氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133的厚度為3nm以上且10nm以下，優(yōu)選為3nm以上且50nm以下。另外，氧化物半導(dǎo)體132的厚度為3]11]1以上且200111]1以下，優(yōu)選為3nm以上且10nm以下，更優(yōu)選為3nm以上且50nm以下。另外，氧化物半導(dǎo)體132優(yōu)選比氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133厚。
[0136]另外，為了對(duì)將氧化物半導(dǎo)體用作溝道的晶體管賦予穩(wěn)定的電特性，通過(guò)降低氧化物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度，來(lái)使氧化物半導(dǎo)體成為本征或?qū)嵸|(zhì)上本征是有效的。在此，“實(shí)質(zhì)上本征”是指氧化物半導(dǎo)體的載流子密度低于I X 1017/cm3，優(yōu)選低于I X 11Vcm3或更優(yōu)選低于 lX1013/cm3。
[0137]在氧化物半導(dǎo)體中，氫、氮、碳、硅以及主要成分以外的金屬元素是雜質(zhì)。例如，氫和氮引起施主能級(jí)的形成，而增高載流子密度。硅引起氧化物半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)能級(jí)的形成。該雜質(zhì)能級(jí)成為陷阱，有可能使晶體管的電特性劣化。因此，優(yōu)選降低氧化物半導(dǎo)體131、氧化物半導(dǎo)體132及氧化物半導(dǎo)體133中及氧化物半導(dǎo)體之間的界面的雜質(zhì)濃度。
[0138]為了使氧化物半導(dǎo)體成為本征或?qū)嵸|(zhì)上本征，例如，在二次離子質(zhì)譜分析(SIMS)中，在氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)深度或氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)區(qū)域的硅濃度優(yōu)選低于IX1019atoms/cm3，更優(yōu)選低于5 X 1018atoms/cm3，進(jìn)一步優(yōu)選低于I X 1018atoms/cm3。此外，在氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)深度或氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)區(qū)域的氫濃度優(yōu)選為2 X 102()atOmS/Cm3以下，更優(yōu)選為5 X 1019atoms/cm3以下，進(jìn)一步優(yōu)選為I X 1019atoms/cm3以下，更進(jìn)一步優(yōu)選為5X1018atomS/Cm3以下。此外，在氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)深度或氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)區(qū)域的氮濃度優(yōu)選低于5 X 1019atoms/cm3，更優(yōu)選為5 X 1018atoms/cm3以下，進(jìn)一步優(yōu)選為I X1018atoms/cm3 以下，更進(jìn)一步優(yōu)選為5 X 1017atoms/cm3 以下。
[0139]在本實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體中的Cu的濃度優(yōu)選為IX 1018atoms/cm3以下。
[0140]當(dāng)氧化物半導(dǎo)體包含結(jié)晶時(shí)，如果以高濃度包含硅或碳，氧化物半導(dǎo)體的結(jié)晶性則有可能降低。為了防止氧化物半導(dǎo)體的結(jié)晶性的降低，例如，在氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)深度或氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)區(qū)域中的硅濃度優(yōu)選低于I X 10193〖0!118/(31113，更優(yōu)選低于5乂1018atoms/cm3，進(jìn)一步優(yōu)選低于I X 1018atoms/cm3。此外，例如，在氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)深度或氧化物半導(dǎo)體的某個(gè)區(qū)域中的碳濃度優(yōu)選低于1\1019&〖01^/(^3，更優(yōu)選低于5\1018atoms/cm3，進(jìn)一步優(yōu)選低于I X 1018atoms/cm3。
[0141]將上述被高度純化的氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)的晶體管具有極低的截止態(tài)電流(off-state current)。在源極與漏極之間的電壓被設(shè)定為0.1V、5V或1V左右的情況下，例如，可以使在晶體管的溝道寬度上被歸一化的截止態(tài)電流降低到幾yA(Yoctoamperes)AimlljLzA(Zeptoamperes)Aim0
[0142]在作為一個(gè)例子本實(shí)施方式所說(shuō)明的晶體管101中，在溝道寬度方向上柵電極170以電圍繞氧化物半導(dǎo)體130的方式形成，因此，柵電場(chǎng)除了垂直方向之外還施加于半導(dǎo)體130的側(cè)表面方向(參照?qǐng)D1C)。換句話說(shuō)，柵電場(chǎng)施加于整個(gè)氧化物半導(dǎo)體，因此電流流動(dòng)在用作溝道的整個(gè)氧化物半導(dǎo)體132中，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)通態(tài)電流。
[0143]〈導(dǎo)電膜〉
[0144]源電極140和漏電極150可以使用從鋁、鈦、鉻、鈷、鎳、銅、釔、鋯、鉬、銀、鉭和鎢中選擇的單一物質(zhì)的導(dǎo)電膜的單層或疊層;含有一個(gè)或多個(gè)上述物質(zhì)種類的氮化物;含有一個(gè)或多個(gè)上述物質(zhì)種類的氧化物；或含有一個(gè)或多個(gè)上述物質(zhì)種類的合金。注意，源電極140和漏電極150可以具有相同的組成物或不同的組成物。
[0145]此外，鋅、鉻、錳、鋯、硅、釩、鈦、鋁、錳、鈣等可以添加到源電極140和漏電極150作為添加物。
[0146]此外，各源電極140和漏電極150可以至少包括Cu-X合金膜;例如，優(yōu)選使用單層結(jié)構(gòu)的Cu-X合金膜或疊層結(jié)構(gòu)的Cu-X合金膜以及包含如銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)或銀(Ag)等低電阻材料、這些材料的合金、或者含有這些材料作為主要成分的化合物的導(dǎo)電膜。
[0147]源電極140和漏電極150所包括的Cu-X合金膜優(yōu)選與氧化物半導(dǎo)體130接觸。當(dāng)Cu-X合金膜與氧化物半導(dǎo)體130接觸時(shí)，在Cu-X合金膜中的X(X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或者兩個(gè)或多個(gè)這些元素的混合物)可以在與氧化物半導(dǎo)體的界面形成X的氧化物膜。該X的氧化物膜可以抑制Cu-X合金膜中的Cu進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130。
[0148]柵電極170、源電極140和漏電極150也可以被用作引線布線等。因此，通過(guò)柵電極170、源電極140和漏電極150都包含銅，可以實(shí)現(xiàn)布線延遲得到降低的半導(dǎo)體裝置。
[0149]〈柵極絕緣膜〉
[0150]柵極絕緣膜160可以使用含有氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿和氧化鉭中的一個(gè)或多個(gè)的絕緣膜形成。柵極絕緣膜160可以為任何上述材料的疊層。柵極絕緣膜160可以含有鑭(La)、氮或鋯(Zr)作為雜質(zhì)。
[0151]在將氧化鉭用于柵極絕緣膜160的情況下，通過(guò)添加氧化釔、氧化鎢、氧化鋁、氧化硅或氧化鈮等氧化物作為雜質(zhì)，可以提高介電常數(shù)和絕緣特性等電特性，所以是優(yōu)選的。
[0152]另外，說(shuō)明柵極絕緣膜160的疊層結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。柵極絕緣膜160例如包含氧、氮、娃或給。具體地，柵極絕緣膜160優(yōu)選包括氧化給及氧化娃或氧化給及氧氮化娃。
[0153 ]氧化給具有比氧化娃和氮氧化娃高的介電常數(shù)。因此，通過(guò)使用氧化給，可以使物理厚度比等效氧化物厚度大；因此，即使在等效氧化物厚度小于或等于1nm或小于或等于5nm的情況下，可以使因隧道電流而導(dǎo)致的泄漏電流低。也就是說(shuō)，可以提供具有低截止態(tài)電流的晶體管。此外，結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化鉿具有比非晶結(jié)構(gòu)的氧化鉿高的介電常數(shù)。因此，為了提供低截止態(tài)電流的晶體管，優(yōu)選使用結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化鉿。作為結(jié)晶結(jié)構(gòu)的例子，舉出單斜晶結(jié)構(gòu)、正方晶結(jié)構(gòu)或立方體晶結(jié)構(gòu)。注意，本發(fā)明的一個(gè)方式不限制于上述例子。
[0154]另外，在包括結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化鉿被形成于其上的面中有時(shí)具有起因于缺陷的界面能級(jí)。該界面能級(jí)有時(shí)用作陷阱中心。由此，當(dāng)氧化鉿鄰近地設(shè)置在晶體管的溝道區(qū)時(shí)，有時(shí)該界面能級(jí)引起晶體管的電特性的劣化。于是，為了減少界面能級(jí)的影響，有時(shí)優(yōu)選在晶體管的溝道區(qū)與氧化鉿之間設(shè)置其他層而使它們互相離開。該層具有緩沖功能。具有緩沖功能的層可以為包含于柵極絕緣膜160的層或者包含于氧化物半導(dǎo)體133的層。就是說(shuō)，作為具有緩沖功能的層，可以使用氧化硅、氧氮化硅、氧化物半導(dǎo)體等。另外，作為具有緩沖功能的層，例如使用其能隙比成為溝道區(qū)的半導(dǎo)體大的半導(dǎo)體或絕緣體。另外，作為具有緩沖功能的層，例如使用其電子親和勢(shì)比成為溝道區(qū)的半導(dǎo)體小的半導(dǎo)體或絕緣體。另外，作為具有緩沖功能的層，例如使用其電離能比成為溝道區(qū)的半導(dǎo)體大的半導(dǎo)體或絕緣體。
[0155]另一方面，通過(guò)使包括上述結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化鉿的被形成面的界面能級(jí)(陷阱中心)俘獲電荷，有時(shí)可以控制晶體管的閾值電壓。為了穩(wěn)定地存在該電荷，例如在溝道區(qū)與氧化鉿之間可以設(shè)置其能隙比氧化鉿大的絕緣體?；蛘撸梢栽O(shè)置其電子親和勢(shì)比氧化鉿小的半導(dǎo)體或絕緣體。此外，可以設(shè)置其電離能比氧化鉿大的半導(dǎo)體或絕緣體。通過(guò)使用這種絕緣體，可以不容易釋放被界面能級(jí)俘獲的電荷，從而可以長(zhǎng)時(shí)間保持電荷。
[0156]絕緣體的例子包括氧化硅和氧氮化硅。為了使在柵極絕緣膜160中的界面能級(jí)捕捉電荷，電子可以從氧化物半導(dǎo)體130移動(dòng)至柵電極170。作為具體例子，柵電極170的電位在高溫度(例如，溫度高于或等于125°C和低于或等于450°C，典型地高于或等于150°C和低于或等于300 °C )的情況下，保持高于源電極140的電位或漏電極150的電位一秒或更長(zhǎng)的時(shí)間，典型地為一分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間。
[0157]在使柵極絕緣膜160等中的界面能級(jí)捕捉預(yù)定的量的電子的晶體管中，閾值電壓向正方向偏移。通過(guò)調(diào)整柵電極170的電壓或其電壓施加時(shí)間，可以控制被捕捉的電子的量(閾值電壓變化的量)。注意，電荷被捕捉的位置不局限于在柵極絕緣膜160內(nèi)，只要電荷可以在其中被捕捉?？梢詫⒕哂邢嗨平Y(jié)構(gòu)的疊層薄膜用于絕緣膜121或/和絕緣膜180。
[0158]〈層間絕緣膜〉
[0159]優(yōu)選形成絕緣膜181。絕緣膜181可以使用含有氧化鎂、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿和氧化鉭中的一個(gè)或多個(gè)的絕緣膜?？商娲?，絕緣膜181可以是任何上述材料的疊層。
[0160]〈制造方法〉
[0161]接著，將參照?qǐng)D5A至圖5C、圖6A和圖6B、圖7A和圖7B、圖8A和圖8B、圖9A和圖9B以及圖1OA和圖1OB說(shuō)明包括本實(shí)施方式所示的晶體管1I的半導(dǎo)體裝置100的制造方法。在圖5A至圖5C、圖6A和圖6B、圖7A和圖7B、圖8A和圖8B、圖9A和圖9B以及圖1OA和圖1OB中，其左側(cè)示出溝道長(zhǎng)度方向上的晶體管的截面A1-A2，其右側(cè)示出溝道長(zhǎng)度方向上的晶體管的截面A3-A4o
[0162]首先，絕緣膜形成于襯底110上，該絕緣膜的表面通過(guò)CMP方法平坦化，由此形成絕緣膜120 (參照?qǐng)D5A)。絕緣膜120可以通過(guò)濺鍍法、PECVD方法、熱CVD方法、真空蒸鍍方法、PLD法等形成。
[0163]接著，形成絕緣膜121a。絕緣膜121 a可以通過(guò)濺鍍法、PECVD方法、熱CVD方法、真空蒸鍍方法、PLD法等來(lái)形成。
[0164]另外，也可以將氧添加至絕緣膜121a，以形成包括過(guò)剩氧的絕緣膜。例如，在如下條件下添加氧即可:利用離子注入法；加速電壓為2kV以上且10kV以下；并且濃度為5 X10141ns/cm2以上且5 X 10161ns/cm2以下。通過(guò)添加氧，可以使絕緣膜121進(jìn)一步容易將氧提供至氧化物半導(dǎo)體130。
[0165]接著，依次形成氧化物半導(dǎo)體131a及氧化物半導(dǎo)體132a(參照?qǐng)D5B)。氧化物半導(dǎo)體131a及氧化物半導(dǎo)體132a可以通過(guò)濺鍍法、CVD方法、MBE法、ALD方法或PLD方法來(lái)形成。
[0166]接著，在氧化物半導(dǎo)體132a上形成用作硬掩模層145的層及用作抗蝕劑掩模層155的層形成。通過(guò)對(duì)用作抗蝕劑掩模層155的層進(jìn)行電子束光刻，形成抗蝕劑掩模層155。
[0167]另外，用作硬掩模層145的層為能夠?qū)ρ趸锇雽?dǎo)體層131a及氧化物半導(dǎo)體層132a進(jìn)行選擇性蝕刻的層。用作硬掩模層145的層可以以單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)使用例如單一物質(zhì)、氮化物或含有鎢、鉬、鈦和鉭中的一個(gè)或多個(gè)的合金形成?？商娲?，使用至少含有In和Zn的氧化物或氧氮化物。例如，可以使用In-Ga-Zn-O-N類材料。
[0168]用作硬掩模層145的層可以以單層或疊層含有由選自鋁、鈦、鉻、鈷、鎳、銅、釔、鋯、鉬、銀、鉭和鎢的單一物質(zhì);含有一種或多種上述物質(zhì)種類的氮化物;含有一種或多種上述物質(zhì)種類的氧化物;或含有一種或多種上述物質(zhì)的合金的導(dǎo)電膜形成。可替代地，用作硬掩模層145的層可以包括Cu-X合金膜。例如，用作硬掩模層145的層可具有單層結(jié)構(gòu)的Cu-X合金膜或疊層層結(jié)構(gòu)的Cu-X合金膜以及包含如銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)或銀(Ag)等低電阻材料、任何這些材料的合金或含有任何這些材料作為主要成分的化合物的導(dǎo)電膜。
[0169]用作抗蝕劑掩模層155的層可以使用感光性或電子感光性有機(jī)層或者無(wú)機(jī)層形成。作為抗蝕劑掩模層155的層，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂敷方法等形成。
[0170]有機(jī)涂敷膜可以設(shè)置在用作抗蝕劑掩模層155的層和用作硬掩模層145的層之間。通過(guò)提供有機(jī)涂敷膜，可以使用作硬掩模層145的層和有機(jī)涂敷膜之間的粘合性以及有機(jī)涂敷膜和用作抗蝕劑掩模層155的層之間的粘合性良好，由此可以提高生產(chǎn)性及可靠性。
[0171]作為有機(jī)涂敷膜，可以使用SWK_T7(東京應(yīng)化工業(yè)株式會(huì)社制造)等底部反射防止(bottom ant1-reflective coating，BARC)膜、安智增粘劑(AZ ELECTRONIC MATERIALS制造)等增粘劑等。
[0172]這里，在能夠照射電子束的電子束寫入裝置中，例如，加速電壓優(yōu)選為5kV以上且50kV以下。電流密度優(yōu)選為5 X 10—12A以上且I X 10—11A以下。最小電子束徑優(yōu)選為2nm以下。最小可能圖案線寬度優(yōu)選為8nm以下。
[0173]在上述條件下，例如，可以將抗蝕劑掩模層155的寬度設(shè)定為Inm以上且30nm以下，優(yōu)選為20nm以下，更優(yōu)選為8nm以下。
[0174]作為電子束的曝光，優(yōu)選的是，抗蝕劑掩模層155越薄越好，因此抗蝕劑掩模層155具有微細(xì)的線寬度。為了使抗蝕劑掩模層155薄，優(yōu)選抗蝕劑掩模層155被形成于其上的面越平越好。在本實(shí)施方式的制造半導(dǎo)體裝置的方法中，通過(guò)對(duì)絕緣膜120等進(jìn)行拋光處理(例如，CMP處理)、蝕刻(干蝕刻或濕蝕刻)處理、等離子體處理等平坦化處理，可以降低起因于絕緣膜120的凹凸，因此可以使抗蝕劑掩模變薄。由此，容易進(jìn)行電子束的曝光。
[0175]用作抗蝕劑掩模層155的層可以被使用光掩模的光照射，代替使用電子束和離子束。作為該光，可以使用KrF受激準(zhǔn)分子激光、ArF受激準(zhǔn)分子激光、極紫外(EUV)光等?？商娲兀梢圆捎靡后w浸漬(I iquid immers1n)技術(shù)，其中在襯底和投射透鏡之間的部分填充液體(例如，水)的情況下進(jìn)行曝光。
[0176]在使用光掩模的情況下，抗蝕劑掩模層155使用如下方法形成:使襯底110浸漬在顯影劑中并去除或殘留用作抗蝕劑掩模層155的層的被曝光的區(qū)。
[0177]接著，使用抗蝕劑掩模層155對(duì)用作硬掩模層145的層進(jìn)行蝕刻，因此形成硬掩模層145(參照?qǐng)D5C)。
[0178]此后，抗蝕劑掩模層155被去除(參照?qǐng)D6A)?？刮g劑掩模層155可以通過(guò)等離子體處理、化學(xué)液處理等來(lái)進(jìn)行去除。優(yōu)選的是，通過(guò)等離子體灰化去除抗蝕劑掩模層155。
[0179]接著，通過(guò)使用硬掩模層145對(duì)氧化物半導(dǎo)體131a和氧化物半導(dǎo)體132a進(jìn)行蝕刻，由此形成島狀氧化物半導(dǎo)體131b和132b(參照?qǐng)D6B)。此時(shí)，對(duì)絕緣膜121a的一部分進(jìn)行半蝕刻來(lái)成為絕緣膜121。
[0180]作為對(duì)氧化物半導(dǎo)體131a的一部分和氧化物半導(dǎo)體132a的一部分進(jìn)行蝕刻的方法，優(yōu)選采用干蝕刻處理。干蝕刻處理在含有甲烷和稀有氣體的大氣中進(jìn)行。
[0181]接著，用作抗蝕劑掩模層的層形成在硬掩模層145的一部分上，硬掩模層145被部分地去除，由此形成源電極140及漏電極150(參照?qǐng)D7A)。此時(shí)，在溝道寬度方向上的截面中，氧化物半導(dǎo)體131b和132b上的硬掩模層145被去除，由此形成氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體132。
[0182]當(dāng)對(duì)硬掩模層145的一部分進(jìn)行蝕刻時(shí)，優(yōu)選采用干蝕刻。例如，在硬掩模層145為媽層的情況下，在含有四氟化碳(carbontetraf Iuoride)和氧的氣氛可以進(jìn)行干蝕刻處理。
[0183]即使在本實(shí)施方式中，對(duì)使用硬掩模層145形成源電極140和漏電極150的情況進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明的一個(gè)方式不限于上述情況。例如，可以在去除硬掩模層之后形成另一個(gè)導(dǎo)電層，使用導(dǎo)電層來(lái)形成源電極和漏電極。此外，在源電極140和漏電極150具有疊層結(jié)構(gòu)的情況下，硬掩模層145可以被用作疊層的一部分。
[0184]接著，依次形成氧化物半導(dǎo)體133、柵極絕緣膜160和犧牲層173a(參照?qǐng)D7B)。氧化物半導(dǎo)體133可以通過(guò)濺鍍法、CVD方法、MBE法、ALD法或PLD法形成。柵極絕緣膜160可以使用作為柵極絕緣膜160的例子舉出的任何絕緣膜形成。柵極絕緣膜160可以通過(guò)濺鍍法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法形成。
[0185]犧牲層173a可以為任何種類的膜，諸如絕緣膜、半導(dǎo)體薄膜或?qū)щ娔?，只要可以?duì)后面形成的絕緣膜180和絕緣膜181進(jìn)行選擇性蝕刻就好。在本實(shí)施方式中，用作犧牲層173a的層例如使用例如單一物質(zhì)、氮化物或含有鎢、鉬、鈦和鉭中的一個(gè)或多個(gè)的合金形成?？商娲?，可以使用至少含有In和Zn的氧化物或氧氮化物。例如，可以使用In-Ga-Zn-O-N類材料。
[0186]另外，在形成氧化物半導(dǎo)體133之后，優(yōu)選進(jìn)行第一熱處理。第一熱處理以大于或等于250°C和小于或等于650°C，優(yōu)選大于或等于300°C和小于或等于500°C進(jìn)行。第一熱處理在惰性氣體氣氛或者含有1ppm以上、I %以上或10%以上的氧化氣體氣氛下進(jìn)行。第一熱處理可以在減壓下進(jìn)行?？商娲兀谝粺崽幚碓诓捎枚栊詺怏w氣氛進(jìn)行熱處理之后，為了填補(bǔ)脫離了的氧在包含1ppm以上、1%以上或10%以上的氧化氣體氣氛下進(jìn)行，即可。第一熱處理可以提高氧化物半導(dǎo)體131、132和133的結(jié)晶性，且也可以去除來(lái)自氧化物半導(dǎo)體131、132和133的氫、水等的雜質(zhì)。
[0187]接著，通過(guò)光刻方法等，使?fàn)奚鼘?73a加工為犧牲層173b(參照?qǐng)D8A)。
[0188]接著，在柵極絕緣膜160和犧牲層173b上形成絕緣膜180a和絕緣膜181a(參照?qǐng)D8B) ο絕緣膜180a和絕緣膜181 a可以使用作為絕緣膜180和絕緣膜181的例子所說(shuō)明的任何絕緣膜來(lái)形成。絕緣膜180a和絕緣膜181 a可以通過(guò)濺鍍法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法形成。
[0189]此時(shí)，優(yōu)選進(jìn)行第二熱處理。第二熱處理可以在選自第一熱處理所示的條件中進(jìn)行，或者可以以比第一熱處理更低的溫度進(jìn)行。第二熱處理也可以兼作第一熱處理。
[0190]接著，去除絕緣膜180a的一部分、絕緣膜181a的一部分和犧牲層173b的一部分，使得絕緣膜180a和181a及犧牲層172b的頂表面在相同高度(level)，因此形成具有露出了的頂表面的犧牲層173(參照?qǐng)D9A)。通過(guò)部分地去除絕緣膜180a和181a及犧牲層173b，使它們?cè)谙嗤叨鹊捻敱砻婵梢苑珠_地執(zhí)行?？商娲?，可以同時(shí)進(jìn)行絕緣膜180a和181a的部分的去除，并且可以分開進(jìn)行犧牲層173b的部分的去除。進(jìn)一步可替代地，可以同時(shí)進(jìn)行絕緣膜180a、絕緣膜181 a及犧牲層173b的部分的去除。
[0191]作為通過(guò)去除絕緣膜180a和181a及犧牲層173b的各自一部分而使它們的頂表面在相同高度的方法，可以使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)處理?？商娲?，通過(guò)形成平坦化薄膜而使頂表面為同高度，然后在控制蝕刻速率的情況下從頂部進(jìn)行蝕刻。
[0192]接著，在絕緣膜180b和絕緣膜181b沒有被蝕刻的條件下進(jìn)行犧牲層173的蝕刻，因此選擇性地去除犧牲層173(參照?qǐng)D9B)。通過(guò)去除犧牲層173，柵極絕緣膜160的一部分露出。
[0193]此時(shí)，可以在氧化物半導(dǎo)體130未由源電極140及漏電極150覆蓋的區(qū)域中進(jìn)行氧離子注入處理。通過(guò)氧的添加而減少氧缺陷，由此可以使對(duì)應(yīng)于形成有溝道的區(qū)域的氧化物半導(dǎo)體130區(qū)域的電阻選擇性地增加。通過(guò)上述方法獲得的氧化物半導(dǎo)體130的高電阻溝道區(qū)具有低雜質(zhì)濃度及少氧缺陷。也就是說(shuō)，這成為極大地減少了載流子產(chǎn)生源的溝道形成區(qū)。因此，包括這樣的氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有非常低的截止態(tài)電流及穩(wěn)定的電特性。
[0194]此外，在被覆蓋源電極140和漏電極150的氧化物半導(dǎo)體130的區(qū)域中，電阻不增加且保持低電阻。因此，包括這樣的氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有相當(dāng)?shù)偷募纳娮?parasitic resistance)及優(yōu)異的導(dǎo)通態(tài)特性。
[0195]接著，依次形成導(dǎo)電膜171a和導(dǎo)電膜172a(參照?qǐng)D10A)。導(dǎo)電膜171a和導(dǎo)電膜172a可以通過(guò)濺鍍法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法使用導(dǎo)電膜171和導(dǎo)電膜172的例子所說(shuō)明的導(dǎo)電膜來(lái)形成。
[0196]接著，通過(guò)去除導(dǎo)電膜171a的一部分和導(dǎo)電膜172a的一部分，導(dǎo)電膜171a和172a的頂表面位于相同高度。然后，還去除絕緣膜180b的一部分、絕緣膜181b的一部分、導(dǎo)電膜171a的一部分及導(dǎo)電膜172a的一部分，由此絕緣膜180b和181b及導(dǎo)電膜171a和172a的頂表面在相同高度，由此形成由導(dǎo)電膜171和導(dǎo)電膜172構(gòu)成的柵電極170及其頂表面位于與柵電極170相同高度的絕緣膜180和絕緣膜181(參照?qǐng)D10B)。另外，通過(guò)還部分地去除絕緣膜180b和181b及導(dǎo)電膜171a和172a，可以降低襯底110及其他層所導(dǎo)致的凹凸的影響，從而可以提尚晶體管的可靠性。
[0197]可替代地，當(dāng)去除導(dǎo)電膜171a的一部分和導(dǎo)電膜172a的一部分，使得它們的頂表面在相同高度時(shí)，絕緣膜180b的一部分和絕緣膜181b的一部分也被去除，使得絕緣膜180b和181b的頂表面在與導(dǎo)電膜171a和172a的頂表面相同的高度。
[0198]作為去除導(dǎo)電膜171a的一部分和導(dǎo)電膜172a的一部分及絕緣膜180b的一部分和絕緣膜181b的一部分使得它們的頂表面在相同高度的方法，可以利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)處理。可替代地，可以執(zhí)行一次CMP而使頂表面為同高度，然后在控制蝕刻速率的情況下從頂部進(jìn)行蝕刻。
[0199]接著，在由導(dǎo)電膜171、導(dǎo)電膜171構(gòu)成的柵電極170、絕緣膜180及絕緣膜181上絕緣膜18 2形成(參照?qǐng)D1B及圖1C)。絕緣膜182可以通過(guò)濺鍍法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法來(lái)形成。
[0200]經(jīng)過(guò)上述步驟，可以制造圖1A至圖1C所示的晶體管。
[0201]本實(shí)施方式所說(shuō)明的導(dǎo)電膜、氧化物半導(dǎo)體膜、無(wú)機(jī)絕緣膜等各種膜可以通過(guò)濺鍍法或等離子體CVD法形成;但是，這些膜也可以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積(CVD)法等其他方法形成。作為熱CVD法的例子，也可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法或原子層沉積(ALD)法。
[0202]因?yàn)闊酑VD法不使用等離子體來(lái)形成膜，所以熱CVD法具有不產(chǎn)生起因于等離子體破壞的缺陷的優(yōu)點(diǎn)。
[0203]可以以如下方法進(jìn)行利用熱CVD法的沉積:將源氣體及氧化劑同時(shí)供應(yīng)到處理室內(nèi)，將處理室內(nèi)的壓力設(shè)定為大氣壓或減小的壓力，使其在襯底附近或在襯底上彼此發(fā)生反應(yīng)。
[0204]可以以如下方法進(jìn)行利用ALD法的沉積:將處理室內(nèi)的壓力設(shè)定為大氣壓或減小的壓力，將用于反應(yīng)的源氣體依次引入處理室，然后重復(fù)該氣體引入的順序。例如，通過(guò)切換各開關(guān)閥(也稱為高速閥)來(lái)將兩種以上的源氣體依次供應(yīng)到處理室內(nèi)。例如，引入第一源氣體，在引入第一氣體的同時(shí)或之后引入惰性氣體(例如，氬或氮)等，使得這些源氣體并不混合，然后引入第二源氣體。注意，當(dāng)同時(shí)引入第一源氣體及惰性氣體時(shí)，惰性氣體用作載流子氣體，并且也可以在引入第二源氣體的同時(shí)引入惰性氣體。另外，也可以利用真空抽氣將第一源氣體排出來(lái)代替引入惰性氣體，然后可以引入第二源氣體。第一源氣體附著到襯底的表面上以形成第一層;之后引入第二源氣體以與該第一層起反應(yīng);其結(jié)果，第二層被層疊在第一層上，由此形成薄膜。重復(fù)該氣體引入的順序多次，直到獲得所希望的厚度為止，由此可以形成臺(tái)階覆蓋性良好的薄膜?？梢愿鶕?jù)該氣體引入的順序的重復(fù)次數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)薄膜的厚度；因此，ALD法可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)厚度，由此適用于制造微型FET。
[0205]利用MOCVD法或ALD法等熱CVD法，可以形成以上所示的實(shí)施方式所說(shuō)明的導(dǎo)電膜、氧化物半導(dǎo)體膜、無(wú)機(jī)絕緣膜等的各種膜。例如，在形成In-Ga-Zn-O膜的情況下，可以使用三甲基銦、三甲基鎵及二甲基鋅。三甲基銦的化學(xué)式為In(CH3)3t5三甲基鎵的化學(xué)式為Ga(CH3)3。二甲基鋅的化學(xué)式為Zn(CH3)2t3對(duì)上述組合沒有特別的限制，也可以使用三乙基鎵(化學(xué)式:Ga(C2H5)3)代替三甲基鎵，并使用二乙基鋅(化學(xué)式:Zn(C2H5)2)代替二甲基鋅。
[0206]例如，在利用ALD法的沉積裝置形成氧化鉿膜的情況下，使用兩種氣體，即，用作氧化劑的臭氧(O3)以及通過(guò)使包含溶劑和鉿前體化合物的液體(鉿醇鹽溶液，典型例子為四二甲基酰胺鉿(TDMAH))氣化而得到的源氣體。四二甲基酰胺鉿的化學(xué)式為Hf [N( CH3) 2 ]4。其它材料液體的例子包括四(乙基甲基酰胺)鉿。
[0207]例如，在通過(guò)使用利用ALD法的沉積裝置形成氧化鋁膜的情況下，使用兩種氣體，例如，用作氧化劑的H2O及通過(guò)使包含溶劑和鋁前體化合物的液體(例如，三甲基鋁(TMA))氣化而得到的源氣體。三甲基鋁的化學(xué)式為Al (CH3)3。其它材料液體的例子包括三(二甲基酰胺)鋁、三異丁基鋁、鋁三(2，2，6，6_四甲基-3，5-庚二酮)。
[0208]例如，在使用采用ALD的沉積裝置形成氧化硅膜的情況下，六氯乙硅烷被吸附到將形成膜的表面上，吸附物所包含的氯被去除，供應(yīng)氧化性氣體(例如，O2或一氧化二氮)的自由基以與吸附物起反應(yīng)。
[0209]在使用采用ALD的沉積裝置形成鎢膜的情況下，例如，依次引入WF6氣體和腿6氣體多次以形成初始鎢膜，然后同時(shí)引入WF6氣體和H2氣體，使得形成了鎢膜。注意，也可以使用SiH4氣體代替B2H6氣體。
[0210]例如，在使用采用ALD的沉積裝置形成氧化物半導(dǎo)體膜如In-Ga-Zn-O膜的情況下，依次引入In(CH3)3氣體和O3氣體多次以形成InO層，同時(shí)引入Ga(CH3)3氣體和O3氣體以形成GaO層，之后同時(shí)引入Zn(CH3)2氣體和O3氣體以形成ZnO層。注意，這些層的順序不局限于上述例子。混合化合物層如In-Ga-O層、In-Zn-O層或Ga-Zn-O層也可以是通過(guò)混合這些氣體中的任何來(lái)形成的。注意，雖然也可以使用利用Ar等惰性氣體進(jìn)行鼓泡而得到的H2O氣體代替O3氣體，但是優(yōu)選使用不包含H的O3氣體。另外，也可以使用In(C2H5)3氣體來(lái)代替In(CH3)3氣體。此夕卜，也可以使用Ga(C2H5)3氣體來(lái)代替Ga(CH3)3氣體。此夕卜，還可以使用In(C2H5)3氣體來(lái)代替In(CH3)3氣體。另外，也可以使用Zn(CH3)2氣體。
[0211]注意，雖然在圖1A至圖1C中柵電極170具有與源電極140或漏電極150重疊的區(qū)域，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式不限制于這種結(jié)構(gòu)。可以采用柵電極170沒有與源電極140及漏電極150重疊的結(jié)構(gòu)。圖24A和圖24B示出將這種結(jié)構(gòu)適用于圖1A至圖1C的情況。注意，這種結(jié)構(gòu)不局限于圖24A和圖24B而可以與上述同樣地適用于其他附圖。
[0212]通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，在形成柵電極170之后，在將柵電極170、源電極140和漏電極150用作掩模的情況下，可以將雜質(zhì)添加至氧化物半導(dǎo)體130，來(lái)形成雜質(zhì)區(qū)域。其結(jié)果，可以增加晶體管的導(dǎo)通態(tài)電流的量。作為添加到氧化物半導(dǎo)體130中的雜質(zhì)的例子，可以舉出氫、氦、氖、氬、氪、氙、硼、氮、磷和砷。然而，本發(fā)明一個(gè)方式不局限于此。
[0213]在本實(shí)施方式中說(shuō)明溝道等形成在氧化物半導(dǎo)體中的例子，但是本發(fā)明一個(gè)方式不局限于此。例如，根據(jù)情況或條件，可以將含有硅、鍺、硅化鍺、砷化鎵等的材料用于溝道、溝道附近、源區(qū)、漏區(qū)等。
[0214]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0215]實(shí)施方式2
[0216]在本實(shí)施方式中，將參考圖2A至圖2C對(duì)半導(dǎo)體裝置200包括本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管102進(jìn)行說(shuō)明。
[0217]圖2A為包括本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管102的半導(dǎo)體裝置200的俯視圖。除了氧化物半導(dǎo)體133的形狀不同以外，晶體管102具有與實(shí)施方式I所述的晶體管101相同的結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，由柵極絕緣膜160覆蓋氧化物半導(dǎo)體133的側(cè)表面的晶體管102。
[0218]圖2B示出在溝道長(zhǎng)度方向上沿著圖2A的虛線A1-A2的截面圖。圖2C示出在溝道長(zhǎng)度方向上沿著圖2A的虛線A3-A4的截面圖。注意，在圖2A中，為了避免復(fù)雜，沒有示出半導(dǎo)體裝置200的一些構(gòu)成要素。
[0219]與晶體管1I同樣，優(yōu)選將Cu-X合金膜用作晶體管102的導(dǎo)電膜171。
[0220]與晶體管101同樣，晶體管102的導(dǎo)電膜172優(yōu)選至少包含銅。
[0221]與晶體管101同樣，晶體管102的絕緣膜120具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。具體地說(shuō)，絕緣膜120具有防止氫、水和雜質(zhì)從襯底110擴(kuò)散的功能以及防止氧從氧化物半導(dǎo)體130擴(kuò)散的功能。
[0222]與晶體管101同樣，晶體管102的絕緣膜180具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。通過(guò)設(shè)置絕緣膜180，可以防止從氧化物半導(dǎo)體130的向外擴(kuò)散的氧及來(lái)自外部的氫、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)。
[0223]在圖2B和圖2C的截面圖中，由柵極絕緣膜160和絕緣膜121圍繞包括氧化物半導(dǎo)體133的氧化物半導(dǎo)體130。此外，由絕緣膜180和絕緣膜120圍繞柵極絕緣膜160、絕緣膜121和包括氧化物半導(dǎo)體130的氧化物半導(dǎo)體133。
[0224]因此，在本實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體130由具有阻擋功能的絕緣膜180和絕緣膜120圍繞，因此可以進(jìn)一步有效地防止從氧化物半導(dǎo)體130向外擴(kuò)散的氧及來(lái)自外部的氫、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)。因此，可以制造可靠性得到提高的半導(dǎo)體裝置。
[0225]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0226]實(shí)施方式3
[0227]在本施方式中，將參考圖3A至圖3C對(duì)包括本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管103的半導(dǎo)體裝置300進(jìn)行說(shuō)明。
[0228]圖3A為包括本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管103的半導(dǎo)體裝置300的俯視圖。除了將犧牲層173b用作掩模而進(jìn)行圖案化來(lái)形成柵極絕緣膜160和氧化物半導(dǎo)體133之外，晶體管103具有與實(shí)施方式I所示的晶體管1I相同的結(jié)構(gòu)。
[0229]圖3B示出在溝道長(zhǎng)度方向上沿著圖3A的虛線A1-A2的截面圖。圖3C示出在溝道長(zhǎng)度方向上沿著圖3A的虛線A3-A4的截面圖。注意，在圖3A中，為了避免復(fù)雜，沒有示出半導(dǎo)體裝置300的一些構(gòu)成要素。
[0230 ]與晶體管1I同樣，優(yōu)選將Cu-X合金膜用作晶體管103的導(dǎo)電膜171。
[0231]與晶體管101同樣，晶體管103的導(dǎo)電膜172優(yōu)選至少包含銅。
[0232]與晶體管101同樣，晶體管103的絕緣膜120具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。具體地說(shuō)，絕緣膜120具有防止氫、水和雜質(zhì)從襯底110擴(kuò)散的功能以及防止氧從氧化物半導(dǎo)體130擴(kuò)散的功能。
[0233]與晶體管101同樣，晶體管103的絕緣膜180具有阻擋氫、氧、含有氫的化合物或含有氧的化合物的功能。通過(guò)設(shè)置絕緣膜180，可以防止從氧化物半導(dǎo)體130的向外擴(kuò)散的氧及來(lái)自外部的氫、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)。
[0234]在圖3B和圖3C的截面圖中，由絕緣膜180和絕緣膜120圍繞柵極絕緣膜160和包括氧化物半導(dǎo)體133的氧化物半導(dǎo)體130。
[0235]因此，在本實(shí)施方式中，氧化物半導(dǎo)體130及柵極絕緣膜160由具有阻擋功能的絕緣膜180和絕緣膜120圍繞，因此可以進(jìn)一步有效地防止從氧化物半導(dǎo)體130向外擴(kuò)散的氧及來(lái)自外部的氫、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體130內(nèi)。因此，可以制造可靠性得到提高的半導(dǎo)體裝置。此外，由于柵極絕緣膜160和氧化物半導(dǎo)體133可以將柵電極用作掩模而使圖案化，所以可以使制造工序簡(jiǎn)化。
[0236]實(shí)施方式4
[0237]在本實(shí)施方式中，將參考圖1lA和圖1lB對(duì)本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管401和晶體管402進(jìn)行說(shuō)明。
[0238]圖11A所示的晶體管401除了布線190電性連接于柵電極170、布線191電性連接于源電極140且布線192電性連接于漏電極150之外，具有與實(shí)施方式I所述的晶體管101相同的結(jié)構(gòu)。
[0239]圖1lB所示的晶體管402為布線191和布線192分別沒有穿過(guò)但是接觸于源電極140和漏電極150的晶體管。
[0240]與在實(shí)施方式I中的柵電極170所包括的導(dǎo)電膜171同樣，Cu-X合金膜優(yōu)選被用作分別包括在布線190、布線191和布線192中的導(dǎo)電膜193、導(dǎo)電膜195及導(dǎo)電膜197。此外，如包括在柵電極170中的導(dǎo)電膜172所示，可以使用低電阻材料諸如銅、鋁、金或銀、包含這些材料的合金或者含有這些材料作為主要成分的化合物的導(dǎo)電膜，作為導(dǎo)電膜194、導(dǎo)電膜196和導(dǎo)電膜198。在各為Cu-X合金膜的導(dǎo)電膜195和導(dǎo)電膜197與氧化物半導(dǎo)體130接觸的情況下，當(dāng)進(jìn)行熱處理時(shí)，在Cu-X合金膜中的X(X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或兩個(gè)或多個(gè)這些元素的混合物)可以在與氧化物半導(dǎo)體130的界面形成X的氧化物膜。通過(guò)形成氧化物膜，可以抑制Cu-X合金膜中的Cu或者作為主要成分包括包含Cu的化合物導(dǎo)電膜中的Cu進(jìn)入上述半導(dǎo)體130。由于Cu進(jìn)入半導(dǎo)體130而可能會(huì)產(chǎn)生晶體管的電特性的惡化，所以防止銅進(jìn)入上述半導(dǎo)體130是重要的。
[0241]此外，布線190、191和192也被用以引線布線等。因此，當(dāng)布線190、191和192包括Cu-X合金膜及包括如銅、鋁、金或銀等低電阻材料時(shí)，可以制造能夠以高速工作的布線延遲得到降低的半導(dǎo)體裝置。
[0242]接著，下面將說(shuō)明布線190、191和192的形成方法的例子。首先，絕緣膜183和絕緣膜184形成于絕緣膜182上。然后，通過(guò)使用硬掩模層等，進(jìn)行使柵電極170和半導(dǎo)體132或半導(dǎo)體131露出的處理。然后，形成成為布線190、布線191和布線192的導(dǎo)電膜而對(duì)導(dǎo)電膜進(jìn)行加工，因此形成布線190、布線191和布線192(參照?qǐng)D11A)。
[0243]在對(duì)源電極140和漏電極150進(jìn)行了露出處理而如圖1lA所示地未露出氧化物半導(dǎo)體132或氧化物半導(dǎo)體131的情況下，布線191和布線192分別與源電極140和漏電極150的露出面接觸。在此情況下，布線191和布線192不與氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體132直接接觸，但是分別通過(guò)源電極140和漏電極150電性連接至氧化物半導(dǎo)體131和氧化物半導(dǎo)體131 (參照?qǐng)D11B)。因此，可以進(jìn)一步有效防止將Cu-X合金膜中的Cu或者包括含有Cu作為主要成分的化合物的導(dǎo)電膜中的Cu進(jìn)入到氧化物半導(dǎo)體130。
[0244]作為在絕緣膜上形成絕緣膜和布線的詳細(xì)方法，參考其他絕緣膜、其他導(dǎo)電膜等的形成方法的說(shuō)明。
[0245]布線190、191和192也被用以引線布線等。因此，當(dāng)布線190、191和192包括Cu-X合金膜及包括如銅、鋁、金或銀等低電阻材料時(shí)，可以制造能夠以高速工作的布線延遲得到降低的半導(dǎo)體裝置。
[0246]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0247]實(shí)施方式5
[0248]在本實(shí)施方式中，將參考圖12A和圖12B對(duì)本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管501和晶體管502進(jìn)行說(shuō)明。
[0249]圖12A所示的晶體管501除了沒有設(shè)置源電極140和漏電極150以外，都具有與實(shí)施方式4所示的晶體管401相同的結(jié)構(gòu)。對(duì)圖12B所示的晶體管502設(shè)置有背柵電極111。
[0250]與在實(shí)施方式I中的柵電極170所包括的導(dǎo)電膜171同樣，Cu-X合金膜優(yōu)選被用作包括在布線190、布線191和布線192中的導(dǎo)電膜193、導(dǎo)電膜195及導(dǎo)電膜197。此外，如包括在柵電極170中的導(dǎo)電膜172所示，可以使用低電阻材料諸如銅、鋁、金或銀、包含這些材料的合金或者含有這些材料作為主要成分的化合物的導(dǎo)電膜，作為導(dǎo)電膜194、導(dǎo)電膜196和導(dǎo)電膜198。在各為Cu-X合金膜的導(dǎo)電膜195和導(dǎo)電膜197與氧化物半導(dǎo)體130接觸的情況下，當(dāng)進(jìn)行熱處理時(shí)，在Cu-X合金膜中的X(X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或兩個(gè)或多個(gè)這些元素的混合物)可以在與氧化物半導(dǎo)體130的界面形成X的氧化物膜。通過(guò)形成氧化物膜，可以抑制Cu-X合金膜中的Cu或者作為主要成分包括包含Cu的化合物導(dǎo)電膜中的Cu進(jìn)入上述半導(dǎo)體130。由于Cu進(jìn)入半導(dǎo)體130中而可能會(huì)產(chǎn)生晶體管的電特性的惡化，所以防止銅進(jìn)入上述半導(dǎo)體130是重要的。
[0251]布線190、191和192也被用以引線布線等。因此，當(dāng)布線190、191和192包括Cu-X合金膜及包括如銅、鋁、金或銀等低電阻材料時(shí)，可以制造能夠以高速工作的布線延遲得到降低的半導(dǎo)體裝置。
[0252]作為布線190、191和192的形成方法，參考實(shí)施方式4的說(shuō)明。
[0253]作為背柵電極111，可以參照實(shí)施方式I使用柵電極170的材料和形成方法。
[0254]通過(guò)在晶體管502中設(shè)置背柵電極111，可以進(jìn)一步增加導(dǎo)通態(tài)電流且控制閾值電壓。為了增加導(dǎo)通態(tài)電流，例如，在柵電極170和背柵電極111具有相同的電位的情況下使晶體管驅(qū)動(dòng)。此外，為了控制閾值電壓，對(duì)背柵電極111供應(yīng)與柵電極170的電位不同的固定電位。
[0255]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0256]實(shí)施方式6
[0257]在本施方式中，將參考圖13A至圖13D對(duì)包括本發(fā)明的一個(gè)方式晶體管的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說(shuō)明。
[0258][截面結(jié)構(gòu)]
[0259]圖13A為本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。圖13A所示的半導(dǎo)體裝置包括晶體管2200及晶體管2100，該晶體管2200包含在其下部第一半導(dǎo)體材料，該晶體管2100包含在其上部第二半導(dǎo)體材料。在圖13A中，在實(shí)施方式I所說(shuō)明的晶體管101所示的例子被用作含有第二半導(dǎo)體材料的晶體管2100。在晶體管的溝道長(zhǎng)度方向上的截面圖是虛線的左側(cè)，晶體管的溝道寬度方向上的截面圖是虛線的右側(cè)。
[0260]在此，第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料優(yōu)選為具有不同能隙的材料。例如，第一半導(dǎo)體材料可以為氧化物半導(dǎo)體以外的半導(dǎo)體材料(作為半導(dǎo)體材料的例子，舉出硅(包括應(yīng)變硅)、鍺、硅化鍺、碳化硅、砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦、氮化鎵及有機(jī)半導(dǎo)體)，第二半導(dǎo)體材料可以為氧化物半導(dǎo)體。通過(guò)采用使用單晶硅等氧化物半導(dǎo)體以外的材料的晶體管，可以容易高速工作。另一方面，包括氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有低截止態(tài)電流。
[0261]晶體管2200可以是η溝道型晶體管或P溝道型晶體管，根據(jù)電路可以使用適當(dāng)?shù)木w管。此外，除了采用使用氧化物半導(dǎo)體的本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管以外，半導(dǎo)體裝置的材料或結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體裝置的具體結(jié)構(gòu)不一定限制于在此所示的結(jié)構(gòu)。
[0262]圖13Α示出晶體管2100隔著絕緣膜2201和絕緣膜2207設(shè)置在晶體管2200上的結(jié)構(gòu)。多個(gè)布線2202設(shè)置于晶體管2200和晶體管2100之間。此外，設(shè)置在絕緣膜上及下的布線和電極通過(guò)埋入絕緣膜的多個(gè)栓塞2203彼此電性連接。另外，可以將覆蓋晶體管2100的絕緣膜2204、絕緣膜2204上的布線2205及對(duì)導(dǎo)電膜進(jìn)行加工而形成的布線2206用于連接至晶體管2100的源電極和漏電極的布線。
[0263]通過(guò)層疊兩種晶體管，可以減少電路所占的區(qū)域，因此以高密度集成多個(gè)電路。
[0264]在此，在將硅類半導(dǎo)體材料用于設(shè)置在下部的晶體管2200的情況下，設(shè)置于晶體管2200的半導(dǎo)體膜附近的絕緣膜中的氫端接硅的懸鍵；因此，可以改善晶體管2200的可靠性。另一方面，在將氧化物半導(dǎo)體用于設(shè)置在上部的晶體管2100的情況下，設(shè)置于晶體管2100內(nèi)的半導(dǎo)體膜附近的絕緣膜中的氫變成氧化物半導(dǎo)體中的載流子的因子；因此，晶體管2100的可靠性可以得到降低。因此，在將使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管2100設(shè)置在使用硅類半導(dǎo)體材料的晶體管2200上的情況下，特別有效的是具有防止氫擴(kuò)散功能的絕緣膜2207(其對(duì)應(yīng)于晶體管101中的絕緣膜120)被設(shè)置在晶體管2100和晶體管2200之間。由于絕緣膜2207使氫保留在下部，所以改善晶體管2200的可靠性。此外，因?yàn)榻^緣膜2207抑制氫從下部到上部的擴(kuò)散，所以晶體管2100的可靠性也可以得到改善。
[0265]絕緣膜2207例如可以使用氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鎵、氧氮化鎵、氧化乾、氧氮化?乙、氧化給、氧氮化給或氧化乾穩(wěn)定氧化錯(cuò)(YSZ)形成。
[0266]此外，具有防止氫擴(kuò)散功能的阻擋膜2208(其相應(yīng)于晶體管101中的絕緣膜180)優(yōu)選形成在晶體管2100上，以覆蓋包括氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管2100。作為阻擋膜2208，可以使用與絕緣膜2207相同的材料，其中特別優(yōu)選使用氧化鋁膜。氧化鋁薄膜具有防止氧及氫、水等雜質(zhì)滲透的高屏蔽(阻擋)功能。因此，通過(guò)使用氧化鋁膜作為覆蓋晶體管2100的阻擋膜2208，可以防止來(lái)自晶體管2100所包括的氧化物半導(dǎo)體的氧的釋放，并且可以防止水和氫進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體。
[0267]注意，晶體管2200可以是任何類型的晶體管而不限制于平面型晶體管。例如，晶體管2200可以是鰭式晶體管、三柵晶體管等。圖13D示出此種情況下的截面圖的例子。絕緣膜2212設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2211上。半導(dǎo)體襯底2211包括具有薄尖端的突出部分(也被稱為鰭)。另外，絕緣膜可以設(shè)置在突出部分上。當(dāng)形成突出部分時(shí)，絕緣膜被用作為防止半導(dǎo)體襯底2211被蝕刻的掩模。突出部分不一定具有薄尖端;也可以為長(zhǎng)方體狀突出部分或具有厚尖端的突出部分。柵極絕緣膜2214設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2211的突出部分上，柵電極2213設(shè)置在柵極絕緣膜2214上。源極和漏極區(qū)2215形成在半導(dǎo)體襯底2211中。注意，在此示出半導(dǎo)體襯底2211包括突出部分的例子;然而，本發(fā)明的一個(gè)方式不局限于此。例如，通過(guò)對(duì)SOI襯底進(jìn)行加工，可以形成具有突出部分的半導(dǎo)體區(qū)域。
[0268]圖13A和圖13D所示的絕緣膜2204、絕緣膜2201或沒有符號(hào)的區(qū)域都由絕緣體構(gòu)成。在這些區(qū)域中，可以使用含有選自氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿、氧化鉭等中的一個(gè)或多個(gè)的材料。
[0269]圖23A示出圖13A的半導(dǎo)體裝置的其他例子，其中每個(gè)栓塞2203被氧化物膜2221圍繞。氧化物膜2221形成在栓塞2203的側(cè)表面上。
[0270]氧化物膜2221 通過(guò)對(duì)由包括 Cu-X(X 為 Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca 或兩個(gè)或多個(gè)這些元素的混合物)合金的導(dǎo)電體形成的栓塞2203進(jìn)行加熱來(lái)形成。在各栓塞2203和氧化物接觸的情況下，Cu-X中的X產(chǎn)生偏析且與氧反應(yīng)，因此X的氧化物膜2221形成于氧化物和每個(gè)栓塞2203之間的界面。例如，當(dāng)栓塞2203包括Cu-Mn合金時(shí)，氧化物膜2221包含氧化錳。氧化物膜2221具有抑制包含在栓塞2203的Cu擴(kuò)散到栓塞2203的外部。
[0271]圖23B示出圖 23A 中的布線 2202 由包括 Cu-X(X 為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或兩個(gè)或多個(gè)這些元素的混合物)合金的導(dǎo)電體來(lái)形成。如同栓塞2203，通過(guò)對(duì)布線2202進(jìn)行加熱，使氧化物膜2221形成在氧化物和布線2202之間的界面。例如，當(dāng)布線2202包括Cu-Mn合金時(shí)，氧化物膜2221包括氧化錳。氧化物膜2221具有抑制包含在布線2202的Cu擴(kuò)散到布線2202的外部。
[0272]當(dāng)栓塞2203或布線2202具有上述結(jié)構(gòu)時(shí)，可以降低帶給晶體管2200或晶體管2100的不利影響的Cu擴(kuò)散，并可以提供具有高導(dǎo)電性的半導(dǎo)體裝置。
[0273][電路結(jié)構(gòu)的例子]
[0274]在上述結(jié)構(gòu)中，晶體管2100和晶體管2200的電極可以以各種方式連接；因此，可以形成各種電路。下面示出通過(guò)使用本發(fā)明一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置可以達(dá)成的電路結(jié)構(gòu)的例子。
[0275][CMOS電路]
[0276]在圖13B中的電路圖示出所謂的CMOS電路結(jié)構(gòu)，其中，P型溝道晶體管2200和η型溝道晶體管2100串聯(lián)連接，并且它們的柵極彼此連接。
[0277][模擬開關(guān)]
[0278]在圖13C中的電路圖示出如下結(jié)構(gòu):晶體管2100的源極和晶體管2200的源極彼此連接，并且晶體管2100的漏極和晶體管2200的漏極彼此連接。通過(guò)使用這樣的結(jié)構(gòu)，晶體管可以被用作所謂的模擬開關(guān)。
[0279][存儲(chǔ)裝置的例子]
[0280]圖14A和圖14B示出半導(dǎo)體裝置(存儲(chǔ)裝置)的例子，其包括本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的晶體管，其中即使在沒有電力供應(yīng)的情況下也能夠保持存儲(chǔ)內(nèi)容，并且，對(duì)寫入次數(shù)也沒有限制。
[0281]在圖14A所示的半導(dǎo)體裝置包括使用第一半導(dǎo)體材料的晶體管3200、使用第二半導(dǎo)體材料的晶體管3300和電容器3400。作為晶體管3300，可以使用上述實(shí)施方式所說(shuō)明的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的晶體管。
[0282]晶體管3300為溝道形成于包括氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層中的晶體管。由于晶體管3300的截止態(tài)電流小，所以通過(guò)使用這種晶體管可以長(zhǎng)時(shí)間保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。換言之，因?yàn)榭梢孕纬刹恍枰⑿鹿ぷ骰蛩⑿鹿ぷ鞯念l度極低的半導(dǎo)體裝置，所以可以充分降低功耗。
[0283]在圖14A中，第一布線3001電性連接至晶體管3200的源電極。第二布線3002電性連接至晶體管3 200的漏電極。第三布線300 3電性連接至晶體管3300的源電極和漏電極中的一個(gè)。第四布線3004電性連接至晶體管3300的柵電極。晶體管3200的柵電極電性連接至晶體管3300的源電極和漏電極中的另一個(gè)及電容器3400的一個(gè)電極。第五布線3005電性連接至電容器3400的另一個(gè)電極。
[0284]在圖14A中的半導(dǎo)體裝置中，晶體管3200的柵電極的電位可以被保持，由此可以如下所示那樣進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入、保持以及讀出。
[0285]對(duì)數(shù)據(jù)的寫入及保持進(jìn)行說(shuō)明。首先，第四布線3004的電位設(shè)定為晶體管3300導(dǎo)通時(shí)的電位，因此晶體管3300導(dǎo)通。因此，第三布線3003的電位供應(yīng)至晶體管3200的柵電極及電容器3400。就是說(shuō)，預(yù)定的電荷被供應(yīng)至晶體管3200的柵極(寫入)。在此，施加賦予兩種不同電位電平的電荷(以下，稱為低電平電荷、高電平電荷)中的任一種。然后，通過(guò)將第四布線3004的電位設(shè)定為使晶體管3300截止的電位，來(lái)使晶體管3300截止。因此，保持施加到晶體管3200的柵電極的電荷(保持)。
[0286]因?yàn)榫w管3300的截止態(tài)電流極小，所以晶體管3200柵極的電荷被長(zhǎng)時(shí)間地保持。
?0287] 接著，對(duì)數(shù)據(jù)的讀出進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)預(yù)定的電位(恒定電位)施加至第一布線3001時(shí)，對(duì)第五布線3005施加適當(dāng)?shù)碾娢?讀出電位)，由此第二布線3002的電位的變化取決于保持在晶體管3200的柵極的電荷量。這是因?yàn)槿缦戮壒?一般而言，當(dāng)晶體管3200為η型溝道晶體管時(shí)，在對(duì)晶體管3200的柵電極供應(yīng)高電平電荷的情況下，表觀閾值電壓(apparentthreshold voltage)Vth—H是低于在對(duì)晶體管3200的柵電極施加低電平電荷時(shí)的表觀閾值電壓Vth—L。在此，表觀閾值電壓指的是為了使晶體管3200成為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的第五布線3005的電位。因此，通過(guò)將第五布線3005的電位設(shè)定為Vth—H和Vth—L之間的Vo，由此可以辨別施加至晶體管3200的柵電極的電荷。例如，在寫入時(shí)被供應(yīng)高電平電荷的情況下，當(dāng)?shù)谖宀季€3005的電位為VQ(>Vth—H)時(shí)，晶體管3200導(dǎo)通。在寫入時(shí)被供應(yīng)低電平電荷的情況下，即使第五布線3005的電位為VQ(〈Vth—L)時(shí)，晶體管3200保持截止?fàn)顟B(tài)。因此，通過(guò)辨別第二布線3002的電位，可以讀出儲(chǔ)存于柵電極層的數(shù)據(jù)。
[0288]在將存儲(chǔ)單元配置為陣列狀而使用的情況下，需要僅讀出所希望的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。在上述不讀出數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)第五布線3005供應(yīng)不管是柵電極如何都使晶體管3200成為“截止?fàn)顟B(tài)”的電位，即小于Vth—η的電位。另外，也可以對(duì)第五布線3005供應(yīng)不管是柵電極如何都使晶體管3200成為“導(dǎo)通狀態(tài)”的電位，即大于Vth—L的電位。
[0289]圖14B所示的半導(dǎo)體裝置與圖14A所示的半導(dǎo)體裝置之間的不同之處在于:沒有設(shè)置晶體管3200。此外，在此情況下，可以通過(guò)與圖14A所示的半導(dǎo)體裝置相同的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出和保持工作。
[0290]接著，對(duì)數(shù)據(jù)的讀出工作進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)晶體管3300導(dǎo)通時(shí)，處于浮動(dòng)狀態(tài)的第三布線3003和電容器3400彼此電性連接，且在第三布線3003和電容器3400之間再次分配電荷。其結(jié)果是，第三布線3003的電位產(chǎn)生變化。第三布線3003的電位的變化量取決于電容器3400的第一端子的電位(或積累在電容器3400中的電荷)。
[0291]例如，再次分配電荷之后的第三布線3003的電位為(CBXVBQ+CXV)/(CB+C)，其中V為電容器3400的第一端子的電位，C為電容器3400的電容，Cb為第三布線3003的電容成分，以及Vbo為再次分配電荷之前的第三布線3003的電位。因此，可以知道:在假設(shè)存儲(chǔ)單元處于兩種狀態(tài)，其中電容器3400的第一端子的電位為VdPVo(V1)Vo)，保持電位￥!( = (CB X VBQ+CXV1) / (CB+C))的情況下的第三布線3003的電位高于保持電位Vo ( = ( Cb X VBQ+C X Vo) / (CB+C))的情況下的第三布線3003的電位。
[0292]接著，通過(guò)對(duì)第三布線3003的電位和預(yù)定的電位進(jìn)行比較，可以讀出數(shù)據(jù)。
[0293]在此情況下，可以將包含第一半導(dǎo)體材料的晶體管用于用來(lái)驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)單元的驅(qū)動(dòng)電路，并可以將包括第二半導(dǎo)體材料的晶體管疊層在驅(qū)動(dòng)電路上作為晶體管3300。
[0294]當(dāng)將具有使用氧化物半導(dǎo)體形成的溝道形成區(qū)及具有極小的截止態(tài)電流的晶體管適用于本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置時(shí)，半導(dǎo)體裝置可以極長(zhǎng)期地保持存儲(chǔ)內(nèi)容。換句話說(shuō)，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行刷新工作，或者，可以將刷新工作的頻度降低到極低，所以可以充分降低功耗。此外，即使在沒有電力供給的情況下(注意，優(yōu)選固定電位)，也可以長(zhǎng)期保持儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。
[0295]另外，在本實(shí)施方式所說(shuō)明的半導(dǎo)體裝置中，數(shù)據(jù)的寫入不需要高電壓，并且也沒有元件劣化的問(wèn)題。例如，不像現(xiàn)有的非易失性存儲(chǔ)器那樣，不需要對(duì)浮動(dòng)?xùn)艠O注入電子且從浮動(dòng)?xùn)艠O提取電子，因此不會(huì)發(fā)生如柵極絕緣膜的劣化等的問(wèn)題。換句話說(shuō)，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置中，現(xiàn)有的非易失性存儲(chǔ)器的問(wèn)題的對(duì)重寫的次數(shù)沒有限制，并且大幅度地提高它們可靠性。再者，根據(jù)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)及截止?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)被寫入，由此可以容易實(shí)現(xiàn)高速工作。
[0296]注意，在本說(shuō)明書等中，有時(shí)即使不指定與有源元件(例如，晶體管、二極管)、無(wú)源元件(例如，電容器、電阻器)等的所有端子連接的位置，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也能夠構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。就是說(shuō)，即使未指定連接位置，發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式也可以是明確的。此外，在本說(shuō)明書等中記載有連接位置的情況下，有時(shí)可判斷為不指定連接位置的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式記載于本說(shuō)明書等中。尤其是，在有可能與端子連接的位置的數(shù)量是復(fù)數(shù)的情況下，不一定必須要指定與該端子連接的位置。因此，有時(shí)通過(guò)僅指定與有源元件(例如，晶體管、二極管)、無(wú)源元件(例如，電容器、電阻器)等的一部分端子連接的位置就能夠構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)方式。
[0297]注意，在本說(shuō)明書等中，當(dāng)至少指定電路的連接位置時(shí)，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以指定發(fā)明。或者，當(dāng)至少特定電路功能時(shí)，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以指定發(fā)明。也就是說(shuō)，當(dāng)電路功能被指定時(shí)，發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可以是明確的。此外，可判斷為在本說(shuō)明書等中記載有其功能被指定的發(fā)明的一個(gè)方式。因此，當(dāng)指定電路的連接位置時(shí)，即使不指定其功能，該電路也被公開作為發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，從而可以構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式?；蛘?，當(dāng)指定電路的功能時(shí)，即使不指定其連接位置，該電路也被公開作為發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，從而可以構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。
[0298]注意，在本說(shuō)明書等中，可以在一個(gè)實(shí)施方式中所述的附圖或文章中提取附圖或文章中的一部分而構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。因此，在其中相關(guān)于某個(gè)部分的附圖或文章被描述的情況下，從附圖或文章中提取其一部分的內(nèi)容也是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式而公開的，所以可以構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。因此，例如，在包括一個(gè)或多個(gè)有元件(晶體管、二極管等)、布線、無(wú)源元件(電容元件、電阻器等)、導(dǎo)電層、絕緣層、半導(dǎo)體層、有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、構(gòu)件、裝置、工作方法、制造方法等的附圖或文章中，提取其一部分而構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)方式。例如，可以從具有N個(gè)(N是整數(shù))電路元件(晶體管、電容器等)構(gòu)成的電路圖中提取M個(gè)(M是整數(shù)，M〈N)電路元件(晶體管、電容器等)來(lái)構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)方式。作為其他例子，可以從具有N個(gè)(N是整數(shù))層構(gòu)成的截面圖中提取M個(gè)(M是整數(shù)，M〈N)層來(lái)構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。再者，作為其他例子，可以從具有N個(gè)(N是整數(shù))要素構(gòu)成的流程圖中取出M個(gè)(M是整數(shù)，M〈N)要素來(lái)構(gòu)成發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。
[0299 ]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0300]實(shí)施方式7
[0301]在本施方式中，對(duì)使用本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管的顯示裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
[0302][結(jié)構(gòu)實(shí)例]
[0303]圖15A為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的顯示裝置的俯視圖。圖15B為電路圖，其中示出在將液晶元件用于本發(fā)明的實(shí)施方式的顯示裝置的像素時(shí)可以使用的像素電路。圖15C為電路圖，其中示出在將有機(jī)EL元件用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的顯示裝置的像素時(shí)可以使用的像素電路。
[0304]像素部中的晶體管可以根據(jù)上述實(shí)施方式中的任一個(gè)形成。晶體管可以容易形成作為η溝道型晶體管，并且使用η溝道型晶體管形成的驅(qū)動(dòng)電路的部分可以在與像素部的晶體管相同襯底上作為晶體管的像素部形成。如上所述，通過(guò)將上述實(shí)施方式所述的任何晶體管用于像素部或驅(qū)動(dòng)電路，可以提供一種高可靠性的顯示裝置。
[0305]圖15Α示出有源矩陣型顯示裝置的俯視圖。像素部701、第一掃描線驅(qū)動(dòng)電路702、第二掃描線驅(qū)動(dòng)電路703和信號(hào)線驅(qū)動(dòng)電路704形成在顯示裝置的襯底700上。在像素部701中，配置有從信號(hào)線驅(qū)動(dòng)電路704延伸的多個(gè)信號(hào)線及從第一掃描線驅(qū)動(dòng)電路702和第二掃描線驅(qū)動(dòng)電路703延伸的多個(gè)掃描線。此外，在掃描線與信號(hào)線的交叉區(qū)域中以矩陣狀設(shè)置有分別具有顯示元件的像素。顯示裝置的襯底700通過(guò)FPC(Flexible Printed Circuit:柔性印刷電路)等連接部連接到時(shí)序控制電路(也稱為控制器、控制1C)。
[0306]在圖15A中，第一掃描線驅(qū)動(dòng)電路702、第二掃描線驅(qū)動(dòng)電路703和信號(hào)線驅(qū)動(dòng)電路704形成在形成有像素部701的襯底700上。因此，可以減少如驅(qū)動(dòng)電路等設(shè)置在外部的構(gòu)件，因此可以實(shí)現(xiàn)成本的降低。此外，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置在襯底700的外部，就可以增加需要被延伸的布線及布線連接的數(shù)量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置在襯底700上時(shí)，可以減少布線連接的數(shù)量。其結(jié)果是，可以實(shí)現(xiàn)可靠性或成品率的提高。
[0307][液晶顯示裝置]
[0308]圖15B示出像素的電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。在此，作為一個(gè)例子，對(duì)適合于VA液晶顯示裝置的像素電路進(jìn)行說(shuō)明。
[0309]上述像素電路可用于一個(gè)像素包括多個(gè)像素電極層的結(jié)構(gòu)。像素電極層連接至不同的晶體管，該晶體管可以由不同的柵極信號(hào)驅(qū)動(dòng)。由此，在多疇像素中，可以獨(dú)立地控制施加到各像素電極層的信號(hào)。
[0310]晶體管716的柵極布線712和晶體管717的柵極布線713為分離的，使得可以將不同的柵極信號(hào)可以供應(yīng)至柵極布線712及柵極布線713。與此相反，晶體管716和晶體管717共同使用數(shù)據(jù)線714。作為晶體管716和晶體管717，可以適當(dāng)?shù)厥褂萌魏紊鲜鰧?shí)施方式所述的晶體管。因此，可以提供一種高可靠性的液晶顯示裝置。
[0311]另外，說(shuō)明電性連接至晶體管716的第一像素電極層和電性連接至晶體管717的第二像素電極層的形狀。第一像素電極層和第二像素電極層被狹縫彼此分離。第一像素電極層具有V形狀及第二像素電極層以圍繞第一像素電極層的方式配置。
[0312]晶體管716的柵電極連接至柵極布線712，晶體管717的柵電極連接至柵極布線713。當(dāng)將不同的柵極信號(hào)供應(yīng)至柵極布線712和柵極布線713時(shí)，晶體管716和晶體管717的工作時(shí)間可為不相同的。其結(jié)果是，可以控制液晶取向。
[0313]此外，可以使用電容布線710、用作電介質(zhì)的柵極絕緣膜以及電性連接至第一像素電極層或第二像素電極層的電容電極形成存儲(chǔ)電容器。
[0314]該多疇像素包括第一液晶元件718和第二液晶元件719。第一液晶元件718包括第一像素電極層、對(duì)置電極層及它們之間的液晶層。第二液晶元件719包括第二像素電極層、對(duì)置電極層及它們之間的液晶層。
[0315]注意，本發(fā)明的像素電路不局限于圖15B所示的。例如，可以對(duì)圖15B所示的像素電路追加開關(guān)、電阻器、電容器、晶體管、傳感器、邏輯電路等。
[0316][有機(jī)EL顯示裝置]
[0317]圖15C示出像素的電路結(jié)構(gòu)的其他例子。在此，示出使用有機(jī)EL元件的顯示裝置的像素結(jié)構(gòu)。
[0318]在有機(jī)EL元件中，通過(guò)對(duì)發(fā)光元件施加電壓，電子和空穴從有機(jī)EL元件的一對(duì)電極分別注入包含發(fā)光有機(jī)化合物的層中，從而電流流過(guò)。電子和空穴重新結(jié)合，因此，發(fā)光有機(jī)化合物被激發(fā)。發(fā)光有機(jī)化合物從激發(fā)態(tài)返回基底態(tài)，由此發(fā)射光。由于上述機(jī)理，該發(fā)光元件被稱為電流激勵(lì)型發(fā)光元件。
[0319 ]圖15C示出可以適用于像素電路的例子。在此，一個(gè)像素包括兩個(gè)η溝道型晶體管。另外，可以將本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的金屬氧化物膜用于η溝道型晶體管的溝道形成區(qū)。此夕卜，像素電路可以采用數(shù)字時(shí)間灰度級(jí)驅(qū)動(dòng)。
[0320]將對(duì)可適合的像素電路結(jié)構(gòu)及采用數(shù)字時(shí)間灰度級(jí)驅(qū)動(dòng)的像素的工作進(jìn)行說(shuō)明。
[0321]像素720包括開關(guān)晶體管721、驅(qū)動(dòng)晶體管722、發(fā)光元件724和電容器723。開關(guān)晶體管721的柵電極層連接至掃描線726，開關(guān)晶體管721的第一電極(源電極層和漏電極層中的一個(gè))連接至信號(hào)線725，開關(guān)晶體管721的第二電極(源電極層和漏電極層中的另一個(gè))連接至驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵電極層。驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵電極層通過(guò)電容器723連接至電源供應(yīng)線727，驅(qū)動(dòng)晶體管722的第一電極連接至電源供應(yīng)線727，驅(qū)動(dòng)晶體管722的第二電極連接至發(fā)光元件724的第一電極(像素電極)。發(fā)光元件724的第二電極對(duì)應(yīng)于公共電極728。公共電極728電性連接至形成在與公共電極728相同襯底上的公共電位線。
[0322]作為開關(guān)晶體管721和驅(qū)動(dòng)晶體管722，可以適當(dāng)?shù)厥褂萌魏纹渌鼘?shí)施方式所示的晶體管。如上所述，可以提供一種高可靠性的有機(jī)EL顯示裝置。
[0323]發(fā)光元件724的第二電極(公共電極728)的電位設(shè)定為低電源供應(yīng)電位。注意，低電源供應(yīng)電位比供應(yīng)至電源供應(yīng)線727的高電源供應(yīng)電位低。例如，低電源供應(yīng)電位可以為GND、0V等。高電源供應(yīng)電位和低電源供應(yīng)電位可以被設(shè)定為大于或等于發(fā)光元件724的正向閾值電壓，將電位之間的差異供應(yīng)至發(fā)光元件724而使電流流過(guò)發(fā)光元件724，以獲得發(fā)光。發(fā)光元件724的正向電壓指的是獲得所希望的亮度時(shí)的電壓，至少包括正向閾值電壓。
[0324]另外，也可以使用驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵極電容代替電容器723，因此可以省略電容器723。驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵極電容可以形成在溝道形成區(qū)和柵電極層之間。
[0325]接著，對(duì)輸入至驅(qū)動(dòng)晶體管722的信號(hào)進(jìn)行說(shuō)明。在采用電壓輸入電壓驅(qū)動(dòng)方法的情況下，用以充分地開啟或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)晶體管722的視頻信號(hào)被輸入至驅(qū)動(dòng)晶體管722。為了使驅(qū)動(dòng)晶體管722在線性區(qū)域中工作，將高于電源供應(yīng)線727的電壓供應(yīng)至驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵電極層。注意，將電源供應(yīng)線電壓和驅(qū)動(dòng)晶體管722的閾值電壓Vth的總和電壓以上的電壓供應(yīng)至信號(hào)線725。
[0326]在進(jìn)行模擬灰度級(jí)驅(qū)動(dòng)的情況下，將發(fā)光元件724的正向電壓和驅(qū)動(dòng)晶體管722的閾值電壓Vth的總和電壓以上的電壓供應(yīng)至驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵電極層。以使驅(qū)動(dòng)晶體管722工作在飽和區(qū)中的方式輸入視頻信號(hào)，因此將電流供應(yīng)至發(fā)光元件724。為了使驅(qū)動(dòng)晶體管722工作在飽和區(qū)中，將電源供應(yīng)線727的電位設(shè)定高于驅(qū)動(dòng)晶體管722的柵電位。當(dāng)使用模擬視頻信號(hào)時(shí)，可以依據(jù)視頻信號(hào)將電流流過(guò)發(fā)光元件724，而進(jìn)行模擬灰度級(jí)驅(qū)動(dòng)。
[0327]注意，本發(fā)明的像素電路的結(jié)構(gòu)不局限于圖15C所示的結(jié)構(gòu)。例如，可以對(duì)圖15C所示的像素電路追加開關(guān)、電阻器，電容器、傳感器、晶體管或邏輯電路等。
[0328]在將上面任何實(shí)施方式所示的晶體管用于圖15A至圖15C所示的電路的情況下，源電極(第一電極)電性連接至低電位一側(cè)，漏電極(第二電極)電性連接至高電位一側(cè)。此外，可以通過(guò)控制電路等控制第一柵電極的電位，并且將比源電極低的電位等如上所示的電位通過(guò)未圖示的布線輸入至第二柵電極。
[0329]例如，在本說(shuō)明書等中，顯示裝置、包括顯示元件的顯示裝置、發(fā)光元件以及包括發(fā)光元件的發(fā)光裝置可以采用各種方式或各種元件。顯示元件、顯示裝置、發(fā)光元件或發(fā)光裝置包括以下所示的至少一個(gè):例如，EL(電致發(fā)光)元件(例如，包括有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的EL元件、有機(jī)EL元件或無(wú)機(jī)EL元件)、LED(例如，白色LED、紅色LED、綠色LED或藍(lán)色LED)、晶體管(根據(jù)電流而發(fā)光的晶體管)、電子發(fā)射元件、液晶元件、電子墨水、電泳元件、光柵光閥(GLV)、等離子體顯示器(PDP)、微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)、數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)、數(shù)字微快門(DMS)、MIRAS0L(注冊(cè)商標(biāo))、IMOD(干涉測(cè)量調(diào)節(jié))元件、電潤(rùn)濕(electrowetting)元件、壓電陶瓷顯示器、使用碳納米管的顯示元件等。除此以外，還可以包括其對(duì)比度、亮度、反射率、透射率等因電作用或磁作用而變化的顯示媒體。具有EL元件的顯示裝置的例子包括EL顯示器。作為包括電子發(fā)射器的顯示裝置的例子，有場(chǎng)致發(fā)射顯示器(field emiss1ndi splay，F(xiàn)ED)和 SED 型平板顯不器(SED: surf ace-con duct 1n electron-emitterdisplay)。作為包括液晶元件的顯示裝置的例子，有液晶顯示器(透射型液晶顯示器、半透射型液晶顯示器、反射型液晶顯示器、直觀型液晶顯示器、投射型液晶顯示器)等。作為使用電子墨水或電泳元件的顯示裝置的例子，有電子紙。
[0330]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0331]實(shí)施方式8
[0332]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置可以用于顯示設(shè)備、個(gè)人計(jì)算機(jī)或具備記錄媒體的圖像再現(xiàn)裝置(典型的是，能夠再現(xiàn)記錄媒體如數(shù)字通用磁盤(DVD:DigitalVersatile Disc)等并具有可以顯示其圖像的顯示器的裝置)中。另外，作為可以使用根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的電子器件，可以舉出移動(dòng)電話、包括便攜式游戲機(jī)的游戲機(jī)、便攜式信息終端、電子書閱讀器、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等影像拍攝裝置、護(hù)目鏡型顯示器(頭部安裝顯示器)、導(dǎo)航系統(tǒng)、音頻再現(xiàn)裝置(汽車音響系統(tǒng)、數(shù)字音頻播放器等)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、多功能打印機(jī)、自動(dòng)柜員機(jī)(ATM)以及自動(dòng)售貨機(jī)等。在圖16A至圖16F中示出這些電子器件的具體例子。
[0333]圖16A示出一種便攜式游戲機(jī)，該便攜式游戲機(jī)包括殼體(hoUsing)901、殼體902、顯示部903、顯示部904、麥克風(fēng)905、揚(yáng)聲器906、操作鍵907以及觸屏筆908等。注意，雖然圖16A所示的便攜式游戲機(jī)包括兩個(gè)顯示部903和顯示部904，但是便攜式游戲機(jī)所具有的顯示部的數(shù)量不限于兩個(gè)。
[0334]圖16B示出便攜式信息終端，該便攜式信息終端包括第一殼體911、第二殼體912、第一顯示部913、第二顯示部914、連接部915以及操作鍵916等。第一顯示部913設(shè)置在第一殼體911中，第二顯示部914設(shè)置在第二殼體912中。第一殼體911和第二殼體912由連接部915連接，由連接部915可以改變第一殼體911和第二殼體912之間的角度。第一顯示部913的映像也可以根據(jù)連接部915所形成的第一殼體911和第二殼體912之間的角度切換。此外，也可以將附加有作為位置輸入裝置的功能的顯示裝置用于第一顯示部913和第二顯示部914中的至少一個(gè)。作為位置輸入裝置的功能可以通過(guò)在顯示裝置中設(shè)置觸摸屏而附加。或者，還可以通過(guò)將被稱為光傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在顯示裝置的像素部中附加作為位置輸入裝置的功能。
[0335]圖16C示出筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)，其包括殼體921、顯示部922、鍵盤923、指向裝置924等。
[0336]圖16D示出電冷藏冷凍箱，其包括殼體931、冷藏室門932、冷凍室門933等。
[0337]圖16E示出攝像機(jī)(videocamera)，該攝像機(jī)包括第一殼體941、第二殼體942、顯示部943、操作鍵944、透鏡945以及連接部946等。操作鍵944及透鏡945設(shè)置在第一殼體941中，顯示部943設(shè)置在第二殼體942中。第一殼體941和第二殼體942由連接部946連接，由連接部946可以改變第一殼體941和第二殼體942之間的角度。顯示部943的映像也可以根據(jù)連接部946所形成的第一殼體941和第二殼體942之間的角度切換。
[0338]圖16F示出汽車，其包括車體951、車輪952、儀表盤953及燈954等。
[0339 ]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式或?qū)嵤├m當(dāng)?shù)亟M合。
[0340]實(shí)施方式9
[0341 ]在本實(shí)施方式中，將參考圖17A至圖17F對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的RFIC應(yīng)用例子進(jìn)行說(shuō)明。RFIC的用途廣泛，例如可以設(shè)置于物品諸如鈔票、硬幣、有價(jià)證券類、不記名債券類、證件類(駕駛證、居民卡等，參照?qǐng)D17A)、記錄媒體(DVD、錄像帶和存儲(chǔ)條等，參照?qǐng)D17B)、車輛類(自行車等，參照?qǐng)D17D)、包裝用容器類(包裝紙、瓶子等，參照?qǐng)D17C)、個(gè)人物品(包、眼鏡等)、食物類、植物類、動(dòng)物類、人體、衣物類、生活用品類、藥品或藥劑等醫(yī)療品、電子設(shè)備(液晶顯示裝置、EL顯示裝置、電視裝置或移動(dòng)電話)等或者各物品的裝運(yùn)標(biāo)簽(參照?qǐng)D17E及圖17F)等。
[0342]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的RFIC4000以附著到物品表面上或者嵌入物品的方式固定。例如，RFIC4000嵌入在書本的紙張里，或者嵌入在包裝的有機(jī)樹脂中以在每個(gè)物品中固定。因?yàn)楸景l(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的RFIC4000實(shí)現(xiàn)了小型、薄型以及輕量，所以即使在固定到物品中也不會(huì)影響到該物品的設(shè)計(jì)性。此外，通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方式的RFIC4000設(shè)置于鈔票、硬幣、有價(jià)證券類、不記名債券類或證件類等，可以賦予識(shí)別功能。通過(guò)利用該識(shí)別功能可以防止偽造。另外，可以通過(guò)在包裝用容器類、記錄媒體、個(gè)人物品、食物類、衣服、生活用品類或電子設(shè)備等中設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方式的RFIC，可以提高檢品系統(tǒng)等系統(tǒng)的效率。另外，通過(guò)在車輛類中安裝根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方式的RFIC，可以防止盜竊等而提高安全性。
[0343]如上所述，通過(guò)將本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的RFIC用于本實(shí)施方式所示的各用途，可以降低包括數(shù)據(jù)的寫入或讀出等的工作的功耗，因此能夠使最大通信距離長(zhǎng)之外，即使在關(guān)閉電力供應(yīng)的狀態(tài)下，也可以在極長(zhǎng)的期間保持?jǐn)?shù)據(jù)，所以上述RFIC適用于寫入或讀出的頻率低的用途。
[0344]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0345]實(shí)施方式10
[0346]在本實(shí)施方式中，說(shuō)明可用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的晶體管的氧化物半導(dǎo)體膜。
[0347]在本說(shuō)明書中，“平行”意味著在兩條直線之間形成的角度大于或等于-10°且小于或等于10°，因此還包括該角度大于或等于-5°且小于或等于5°的情況。“垂直”意味著在兩條直線之間的角度大于或等于80°且小于或等于100°，因此還包括該角度大于或等于85°且小于或等于95°的情況。
[0348]在本說(shuō)明書中，二方晶系及菱方晶系包括在六方晶系內(nèi)。
[0349]氧化物半導(dǎo)體被分為單晶氧化物半導(dǎo)體和非單晶氧化物半導(dǎo)體。作為非單晶氧化物半導(dǎo)體的例子包括c軸取向結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體(CAAC-OS:C-Axis Aligned CrystallineOxide Semiconductor)、多晶氧化物半導(dǎo)體、微晶氧化物半導(dǎo)體以及非晶氧化物半導(dǎo)體等。
[0350]從其他觀點(diǎn)看來(lái)，氧化物半導(dǎo)體被分為非晶氧化物半導(dǎo)體和結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體。作為結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體的例子，包括單晶氧化物半導(dǎo)體、CAAC-0S、多晶氧化物半導(dǎo)體以及微晶氧化物半導(dǎo)體等。
[0351]首先，將對(duì)CAAC-OS進(jìn)行說(shuō)明。注意，也可以將CAAC-OS稱為包含c軸取向納米晶(CANC:C-Axis Aligned nanocrystals)的氧化物半導(dǎo)體。
[0352]CAAC-OS是具有多個(gè)c軸取向的結(jié)晶部(也稱為顆粒)的氧化物半導(dǎo)體之一。
[0353]在利用透射電子顯微鏡(TEM:Transmiss1nElectron Microscope)得到的CAAC-OS的亮視場(chǎng)圖像與衍射圖案的復(fù)合分析圖像(也稱為高分辨率TEM圖像)中，可以觀察到多個(gè)顆粒。然而，在高分辨率TEM圖像中，觀察不到顆粒間的明確的邊界，S卩，晶界(grainboundary)。因此，在CAAC-OS中，很少發(fā)生起因于晶界的電子迀移率的降低。
[0354]下面，將對(duì)利用TEM觀察的CAAC-OS進(jìn)行說(shuō)明。圖18A示出從大致平行于樣品表面的方向觀察到的CAAC-OS層的截面的高分辨率TEM圖像的一個(gè)例子。利用球面像差校正(Spherical Aberrat1n Corrector)功能得到高分辨率TEM圖像。將利用球面像差校正功能所得到的高分辨率TEM圖像特別稱為Cs校正高分辨率TEM圖像。例如可以使用日本電子株式會(huì)社制造的原子分辨率分析型電子顯微鏡JEM-ARM200F等得到Cs校正高分辨率TEM圖像。
[0355]圖18B是圖18A中的區(qū)域(I)的放大Cs校正高分辨率TEM圖像。圖18B示出在顆粒中金屬原子排列為層狀。各金屬原子層具有反映了形成CAAC-OS的面(在下文中，也將該面稱為形成面)或CAAC-OS的頂面的凸凹的結(jié)構(gòu)并以平行于CAAC-OS的形成面或頂面的方式排列。
[0356]如圖18B所示，CAAC-OS具有特有的原子排列。圖18C中的輔助線示出特有的原子排列。由圖18B和圖18C可知，一個(gè)顆粒的尺寸大約為I nm至3nm，由顆粒的傾斜產(chǎn)生的空隙的尺寸大約為0.8nm。因此，也可以將顆粒稱為納米晶(nc:nanocrystal)。
[0357]在此，根據(jù)Cs校正高分辨率TEM圖像，以磚塊或塊體層疊的結(jié)構(gòu)說(shuō)明襯底5120上的CAAC-OS的顆粒5100的示意性配置(參照?qǐng)D18D)。在圖18C中觀察到的顆粒傾斜的部分相當(dāng)于圖18D所示的區(qū)域5161。
[0358]圖19A示出從大致垂直于樣品表面的方向觀察到的CAAC-OS的平面的Cs校正高分辨率TEM圖像。圖19B、圖19C和圖19D是圖19A中的區(qū)域(1)、區(qū)域(2)和區(qū)域(3)的放大Cs校正高分辨率TEM圖像。由圖19B、圖19C和圖19D可知在顆粒中金屬原子排列為三角形、四角形或六角形。但是，不同的顆粒之間金屬原子的排列沒有規(guī)律性。
[0359]接著，將說(shuō)明利用X射線衍射(XRD:X-Ray Diffract1n)分析CAAC-0S。例如，當(dāng)利用離面(out-of-P I ane)法分析包含InGaZnO4結(jié)晶的CAAC-OS的結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖20A所示在衍射角(2Θ)為31°附近出現(xiàn)峰值。由于該峰值來(lái)源于InGaZnO4結(jié)晶的(009)面，由此可知CAAC-OS中的結(jié)晶具有c軸取向性，并且c軸大致垂直于CAAC-OS的形成面或頂面的方向。
[0360]注意，在利用離面(out-of-plane)法的CAAC-0S的結(jié)構(gòu)分析中，除了2Θ為31°附近的峰值以外，在2Θ為36°附近時(shí)也可能出現(xiàn)峰值。2Θ為36°附近的峰值表明CAAC-OS中的一部分包含不具有c軸取向性的結(jié)晶。優(yōu)選的是，在利用離面(out-of-plane)法分析的CAAC-OS中，在2Θ為31°附近時(shí)出現(xiàn)峰值而在2Θ為36°附近時(shí)不出現(xiàn)峰值。
[0361]另一方面，在利用使X射線在大致垂直于c軸的方向上入射到樣品的面內(nèi)(in-plane) 法的 CAAC-OS 的結(jié)構(gòu)分析中 ，在 2Θ 為 56° 附近時(shí)出現(xiàn)峰值。該峰值來(lái)源于 InGaZnO4 結(jié)晶的(110)面。在CAAC-OS中，當(dāng)在將2 Θ固定為56°附近并以樣品表面的法線向量為軸(Φ軸)旋轉(zhuǎn)樣品的條件下進(jìn)行分析(Φ掃描)時(shí)，如圖20B所示，沒有明確地觀察到峰值。相比之下，在InGaZnO4的單晶氧化物半導(dǎo)體中，在將2Θ固定為56°附近來(lái)進(jìn)行Φ掃描時(shí)，如圖20C所示，觀察到起因于與(110)面相等的結(jié)晶面的六個(gè)峰值。因此，由使用XRD的結(jié)構(gòu)分析可知CAAC-OS中的a軸與b軸的方向不同。
[0362]接著，將說(shuō)明利用電子衍射分析CAAC-OS。例如，當(dāng)使束徑為300nm的電子束在平行于樣品表面的方向上入射到包含InGaZnO4結(jié)晶的CAAC-OS時(shí)，可能會(huì)獲得圖2IA所示的衍射圖案(也稱為選區(qū)透射電子衍射圖案)。在該衍射圖案中，包含起因于InGaZnO4結(jié)晶的(009)面的斑點(diǎn)。因此，由電子衍射也可知CAAC-OS所包含的顆粒具有c軸取向性并且c軸大致垂直于CAAC-OS的形成面或頂面的方向。另一方面，圖21B示出對(duì)相同的樣品在垂直于樣品面的方向上入射束徑為300nm的電子束得到的衍射圖案。如圖21B所示，觀察到環(huán)狀的衍射圖案。因此，由電子衍射也可知CAAC-OS所包含的顆粒的a軸和b軸不具有規(guī)則的取向性?？梢哉J(rèn)為圖21B中的第一環(huán)起因于InGaZnO4結(jié)晶的(010)面和(100)面等。另外，可以認(rèn)為圖21B中的第二環(huán)起因于(110)面等。
[0363]另外，CAAC-OS是缺陷態(tài)密度低的氧化物半導(dǎo)體。作為氧化物半導(dǎo)體中的缺陷，例如有起因于雜質(zhì)的缺陷和氧缺陷等。因此，可以將CAAC-OS看作雜質(zhì)濃度低的氧化物半導(dǎo)體或者氧缺陷少的氧化物半導(dǎo)體。
[0364]包含于氧化物半導(dǎo)體的雜質(zhì)可能成為載流子陷阱或載流子發(fā)生源。另外，氧化物半導(dǎo)體中的氧缺陷可能成為載流子陷阱或者當(dāng)氫被俘獲時(shí)成為載流子發(fā)生源。
[0365]此外，雜質(zhì)是指氧化物半導(dǎo)體的主要成分以外的元素，諸如氫、碳、硅或過(guò)渡金屬元素。例如，與氧化物半導(dǎo)體中的金屬元素相比，與氧的鍵合力更強(qiáng)的元素(具體地，硅等)從氧化物半導(dǎo)體中抽出氧，由此導(dǎo)致氧化物半導(dǎo)體的原子排列被打亂而使結(jié)晶性下降。另夕卜，由于鐵或鎳等重金屬、氬、二氧化碳等的原子半徑(或分子半徑)大，導(dǎo)致氧化物半導(dǎo)體的原子排列被打亂而使結(jié)晶性下降。
[0366]缺陷態(tài)密度低(氧缺陷少)的氧化物半導(dǎo)體可以具有低載流子密度。將這樣的氧化物半導(dǎo)體稱為高純度本征或?qū)嵸|(zhì)上高純度本征的氧化物半導(dǎo)體。CAAC-OS的雜質(zhì)濃度和缺陷態(tài)密度低。也就是說(shuō)，CAAC-OS容易成為高純度本征或?qū)嵸|(zhì)上高純度本征的氧化物半導(dǎo)體。因此，使用CAAC-OS的晶體管很少具有負(fù)閾值電壓的電特性(很少成為常導(dǎo)通)。高純度本征或?qū)嵸|(zhì)上高純度本征的氧化物半導(dǎo)體的載流子陷阱少。被俘獲的電荷可能像固定電荷。因此，具有雜質(zhì)濃度高且缺陷態(tài)密度高的氧化物半導(dǎo)體的晶體管可能具有不穩(wěn)定的電特性。但是，使用CAAC-OS的晶體管電特性變動(dòng)小且可靠性高。
[0367]由于CAAC-OS的缺陷態(tài)密度低，所以因光照射等而生成的載流子很少被缺陷態(tài)俘獲。因此，在使用CAAC-OS的晶體管中，起因于可見光或紫外光的照射的電特性的變動(dòng)小。
[0368]接著，將說(shuō)明微晶氧化物半導(dǎo)體。
[0369]在微晶氧化物半導(dǎo)體的高分辨率TEM圖像中有能夠觀察到結(jié)晶部的區(qū)域和不能明確地觀察到結(jié)晶部的區(qū)域。在大多數(shù)情況下，微晶氧化物半導(dǎo)體所包含的結(jié)晶部的尺寸大于或等于Inm且小于或等于10nm或者大于或等于Inm且小于或等于10nm。將包含尺寸大于或等于Inm且小于或等于1nm或者大于或等于Inm且小于或等于3nm的微晶的納米晶的氧化物半導(dǎo)體特別稱為納米晶氧化物半導(dǎo)體(nc_OS:nanocrystalline OxideSemi conductor)。例如，在nc_0S的高分辨率TEM圖像中，有時(shí)無(wú)法明確地觀察到晶界。注意，納米晶的來(lái)源有可能與CAAC-OS中的顆粒相同。因此，在下文中也可以將nc-OS的結(jié)晶部稱為顆粒。
[0370]在nc-0S中，微小的區(qū)域(例如，尺寸大于或等于Inm且小于或等于1nm的區(qū)域，特別是，尺寸大于或等于Inm且小于或等于3nm的區(qū)域)的原子排列具有周期性。nc-OS中的不同的顆粒之間結(jié)晶取向沒有規(guī)律性。因此，觀察不到整個(gè)膜的取向性。因此，根據(jù)分析方法，有時(shí)無(wú)法區(qū)分nc-OS與非晶氧化物半導(dǎo)體。例如，當(dāng)利用使用其直徑比顆粒的尺寸大的X射線的XRD裝置通過(guò)離面(out-of-plane)法對(duì)nc-OS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，沒有出現(xiàn)表示結(jié)晶面的峰值。另外，在使用束徑(例如，大于或等于50nm)比顆粒的尺寸大的電子束對(duì)nc-OS進(jìn)行電子衍射(電子衍射也可以稱為選區(qū)電子衍射)時(shí)，觀察到類似光暈圖案的衍射圖案。另一方面，當(dāng)使用束徑接近或小于顆粒的尺寸的電子束時(shí)，在nc-OS的納米束電子衍射圖案中出現(xiàn)斑點(diǎn)。另外，在nc-OS的納米束電子衍射圖案中，有時(shí)出現(xiàn)具有高亮度的圓形(環(huán)狀)圖案的區(qū)域。另外，在nc-OS層的納米束電子衍射圖案中，有時(shí)在環(huán)狀區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)斑點(diǎn)。
[0371]由于上述顆粒(納米晶)之間的結(jié)晶取向沒有規(guī)律性，所以也可以將nc-OS稱為包含無(wú)規(guī)取向納米晶(RANC:Random Aligned nanocrystals)的氧化物半導(dǎo)體或包含無(wú)取向納米晶(NANC:Non-Aligned nanocrystals)的氧化物半導(dǎo)體。
[0372]因此，nc-OS是與非晶氧化物半導(dǎo)體相比規(guī)律性高的氧化物半導(dǎo)體。因此，nc-OS容易具有比非晶氧化物半導(dǎo)體低的缺陷態(tài)密度。但是，nc-OS中的不同的顆粒之間晶體取向沒有規(guī)律性。所以，nc-OS的缺陷態(tài)密度比CAAC-OS高。
[0373]接著，將說(shuō)明非晶氧化物半導(dǎo)體。
[0374]非晶氧化物半導(dǎo)體是具有混亂的原子排列且不具有結(jié)晶部的氧化物半導(dǎo)體。例如，像石英那樣，非晶氧化物半導(dǎo)體具有無(wú)定形狀態(tài)。
[0375]在非晶氧化物半導(dǎo)體的高分辨率TEM圖像中無(wú)法發(fā)現(xiàn)結(jié)晶部。
[0376]在使用XRD裝置通過(guò)離面(out-of-plane)法對(duì)非晶氧化物半導(dǎo)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，沒有出現(xiàn)表示結(jié)晶面的峰值。在對(duì)非晶氧化物半導(dǎo)體進(jìn)行電子衍射時(shí)，觀察到光暈圖案。另外，在對(duì)非晶氧化物半導(dǎo)體進(jìn)行納米束電子衍射時(shí)，觀察不到斑點(diǎn)而只出現(xiàn)光暈圖案。
[0377]關(guān)于非晶結(jié)構(gòu)有各種見解。例如，有時(shí)將原子排列完全不具有有序性的結(jié)構(gòu)稱為完全的非晶結(jié)構(gòu)(completeIy amorphous structure)。同時(shí)，也將到最接近原子間距或到第二接近原子間距具有有序性而不具有長(zhǎng)程有序性的結(jié)構(gòu)稱為非晶結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)最嚴(yán)格的定義，即使是原子排列略微具有有序性的氧化物半導(dǎo)體也不容許被稱為非晶氧化物半導(dǎo)體。至少不能將具有長(zhǎng)程有序性的氧化物半導(dǎo)體稱為非晶氧化物半導(dǎo)體。因此，由于具有結(jié)晶部，例如不能將CAAC-OS和nc-OS稱為非晶氧化物半導(dǎo)體或完全的非晶氧化物半導(dǎo)體。
[0378]注意，氧化物半導(dǎo)體可以具有介于nc-OS與非晶氧化物半導(dǎo)體之間的結(jié)構(gòu)。將具有這樣的結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體特別稱為類非晶(amorphous-like)氧化物半導(dǎo)體(a-1 ikeOS)。
[0379]在a-l ike OS的高分辨率TEM圖像中，可能觀察到空洞(void)。另外，在高分辨率TEM圖像中，存在能夠明確地觀察到結(jié)晶部的區(qū)域和不能觀察到結(jié)晶部的區(qū)域。
[0380]由于a-likeOS包含空洞，所以其具有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。為了證明與CAAC-0S及nc_0S相比a-like OS具有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，下面將示出電子照射所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化。
[0381 ] 作為進(jìn)行電子照射的樣品，準(zhǔn)備a-l ike OS(樣品A)、nc_0S(樣品B)和CAAC-OS (樣品C)。每個(gè)樣品都是In-Ga-Zn氧化物。
[0382]首先，取得各樣品的高分辨率截面TEM圖像。由高分辨率截面TEM圖像可知，每個(gè)樣品都具有結(jié)晶部。
[0383]注意，如下那樣決定將哪部分看作結(jié)晶部。例如，已知InGaZnO4結(jié)晶的單位晶格具有在c軸方向上層疊的包括三個(gè)In-O層和六個(gè)Ga-Zn-O層的9個(gè)層的結(jié)構(gòu)。這些彼此鄰近的層的間距與(009)面的晶格間距(也稱為d值)相等，由結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析求出該值為0.29nm。由此，可以將晶格條紋間的晶格間距大于或等于0.28nm且小于或等于0.30nm的部分看作InGaZnO4結(jié)晶部。每個(gè)晶格條紋對(duì)應(yīng)于InGaZnO4結(jié)晶的a_b面。
[0384]圖22示出各樣品的結(jié)晶部(22個(gè)部分至45個(gè)部分)的平均尺寸的變化。注意，結(jié)晶部尺寸相當(dāng)于晶格條紋的長(zhǎng)度。由圖22可知，a-likeOS中的結(jié)晶部的尺寸隨著累積電子劑量的增加而變大。具體而言，如圖22中的(I)所示，可知在TEM觀察的初期尺寸為1.2nm左右的結(jié)晶部(也稱為初始晶核)在累積電子劑量為4.2X108e—/nm2時(shí)生長(zhǎng)到2.6nm左右。相比之下，nc-OS和CAAC-OS的結(jié)晶部的尺寸從開始電子照射到累積電子劑量變?yōu)?.2X108eVnm2幾乎沒有變化。具體而言，如圖22中的(2)及(3)所示，無(wú)論累積電子劑量如何，nc-OS及CAAC-OS的平均結(jié)晶尺寸都分別為I.4nm左右及2.Inm左右。
[0385]如此，電子照射引起a-like OS中的結(jié)晶部的生長(zhǎng)。相反地，在nc_0S和CAAC-0S中，幾乎沒有電子照射所引起的結(jié)晶部的生長(zhǎng)。因此，與CAAC-OS及nc-OS相比a-like OS具有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
[0386]此外，由于a-like OS包含空洞，所以其密度比nc_0S及CAAC-0S低。具體地，a_likeOS的密度高于或等于具有相同組成的單晶氧化物半導(dǎo)體的密度的78.6%且低于其密度的92.3% ^c-OS的密度及CAAC-OS的密度高于或等于具有相同組成的單晶氧化物半導(dǎo)體的密度的92.3%且低于其密度的100 %。注意，很難形成密度低于單晶氧化物半導(dǎo)體的密度的78%的氧化物半導(dǎo)體。
[0387]例如，在具有In:Ga:Zn= l: 1:1的原子個(gè)數(shù)比的氧化物半導(dǎo)體中，具有菱形晶體結(jié)構(gòu)的單晶InGaZnO4的密度為6.357g/cm3。因此，在具有In:Ga:Zn = l:l:l的原子個(gè)數(shù)比的氧化物半導(dǎo)體中，a-like OS的密度大于或等于5.0g/cm3且低于5.9g/cm3。例如，在具有In:Ga:Zn= 1:1:1的原子個(gè)數(shù)比的氧化物半導(dǎo)體中，nc-0S的密度和CAAC-OS的密度都高于或等于5.9g/cm3 且低于 6.3g/cm3。
[0388]注意，有時(shí)不存在相同組成的單晶。此時(shí)，通過(guò)以任意比例組合組成不同的單晶氧化物半導(dǎo)體，可以估計(jì)出相當(dāng)于所希望的組成的單晶氧化物半導(dǎo)體的密度。根據(jù)組成不同的單晶氧化物半導(dǎo)體的組合比例利用加權(quán)平均可以計(jì)算出所希望的組成的單晶氧化物半導(dǎo)體的密度。注意，優(yōu)選盡可能利用較少種類的單晶氧化物半導(dǎo)體來(lái)計(jì)算密度。
[0389]如上所述，氧化物半導(dǎo)體具有各種結(jié)構(gòu)及各種特性。注意，氧化物半導(dǎo)體例如可以是包括非晶氧化物半導(dǎo)體、a-like OS、微晶氧化物半導(dǎo)體和CAAC-OS中的兩種或更多膜的疊層。
[0390]例如，CAAC-OS膜可以通過(guò)使用多晶氧化物半導(dǎo)體濺鍍靶材的濺鍍法來(lái)形成。
[0391]在氧化物半導(dǎo)體132使用In-M-Zn氧化物(M是Ga、Y、Zr、La、Ce或Nd)形成，并且被用來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體132的派鍍革E材中的111、]\1及211的原子數(shù)比為&1: b1: ci的情況下，ai/bi優(yōu)選大于或等于1/3且小于或等于6，更優(yōu)選大于或等于I且小于或等于6，并且，(^/匕優(yōu)選大于或等于1/3且小于或等于6，更優(yōu)選大于或等于I且小于或等于6。注意，當(dāng)d/h大于或等于I且小于或等于6時(shí)，作為氧化物半導(dǎo)體132容易形成CAAC-OS膜。靶材中的In、M及Zn的原子數(shù)比的典型例子為1:1:1、3:1:2及5:5:6。
[0392]在氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133分別使用In-M-Zn氧化物(M是Ga、Y、Zr、La、Ce或Nd)形成，并且被用來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133的濺鍍靶材中的111、]\1及211的原子數(shù)比為32: b2: C2的情況下，a2/b2優(yōu)選小于ai/bi，并且，C2/b2優(yōu)選大于或等于1/3且小于或等于6，更優(yōu)選大于或等于I且小于或等于6。注意，當(dāng)C2/b2大于或等于I且小于或等于6時(shí)，作為氧化物半導(dǎo)體131及氧化物半導(dǎo)體133容易形成CAAC-OS膜。靶材中的In、M及Zn的原子數(shù)比的典型例子為1:3:2、1:3:3、1:3:4及1:3:6。
[0393 ]本實(shí)施方式可以與任何本說(shuō)明書中的其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合。
[0394] 本申請(qǐng)基于2013年12月26日提交到日本專利局的日本專利申請(qǐng)N0.2013-269807，通過(guò)引用將其完整內(nèi)容并入在此。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括: 襯底； 所述襯底上的第一絕緣膜，該第一絕緣膜包括第一開口 ； 覆蓋所述第一絕緣膜的一部分的第二絕緣膜，該第二絕緣膜包括包含所述第一開口的第二開口； 所述第一開口中的第一導(dǎo)電膜；以及 所述第一導(dǎo)電膜上且在所述第一開口中的第二導(dǎo)電膜， 其中，所述第一絕緣膜夾在所述第二絕緣膜與所述第一導(dǎo)電膜的側(cè)表面之間， 所述第一導(dǎo)電膜夾在所述第二導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜的側(cè)表面之間， 并且，所述第一絕緣膜、所述第二絕緣膜、所述第一導(dǎo)電膜及所述第二導(dǎo)電膜均包括水平頂表面，所有所述水平頂表面位于相同的高度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，還包括所述襯底上的膜， 其中所述第一絕緣膜及所述第一導(dǎo)電膜均位于所述膜上且與所述膜接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一導(dǎo)電膜包括Cu-X合金，其中X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)以上的混合物， 并且所述第二導(dǎo)電膜包括Cu。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一導(dǎo)電膜與所述第二導(dǎo)電膜直接接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一絕緣膜包括氧， 所述第一導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜直接接觸， 并且X的氧化物形成在所述第一導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜之間的界面。6.—種半導(dǎo)體裝置，包括: 襯底； 所述襯底上的第一基底膜； 所述第一基底膜上的第二基底膜； 所述第二基底膜上的氧化物半導(dǎo)體； 所述氧化物半導(dǎo)體上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的第一絕緣膜，該第一絕緣膜包括第一開口 ； 覆蓋所述第一絕緣膜的一部分的第二絕緣膜，該第二絕緣膜包括包含所述第一開口的第二開口；以及柵電極，包括: 所述第一開口中的第一導(dǎo)電膜；以及 所述第一導(dǎo)電膜上且在所述第一開口中的第二導(dǎo)電膜， 其中，所述第一絕緣膜夾在所述第二絕緣膜與所述第一導(dǎo)電膜的側(cè)表面之間， 所述第一導(dǎo)電膜夾在所述第二導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜的側(cè)表面之間， 并且，所述第一絕緣膜、所述第二絕緣膜、所述第一導(dǎo)電膜及所述第二導(dǎo)電膜均包括水平頂表面，所有所述水平頂表面位于相同的高度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一絕緣膜及所述第一導(dǎo)電膜均位于所述柵極絕緣膜上且與所述柵極絕緣膜接觸。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一導(dǎo)電膜包括Cu-X合金，其中X為Mn、N1、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、T1、Zr、Mg、Ca或這些元素中兩個(gè)以上的混合物， 并且所述第二導(dǎo)電膜包括Cu。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一導(dǎo)電膜與所述第二導(dǎo)電膜直接接觸。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一絕緣膜包括氧， 所述第一導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜直接接觸， 并且X的氧化物形成在所述第一導(dǎo)電膜與所述第一絕緣膜之間的界面處。11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一絕緣膜與所述柵極絕緣膜的側(cè)表面直接接觸。12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中所述第一基底膜及所述第一絕緣膜均具有阻擋氫及氧的功能。13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中除了源極和漏極的電接觸之外，所述氧化物半導(dǎo)體被所述第二基底膜及所述柵極絕緣膜完全圍繞。14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置， 其中除了源極和漏極的電接觸之外，所述氧化物半導(dǎo)體被所述第二基底膜、所述柵極絕緣膜及所述第一絕緣膜完全圍繞。15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，還包括分別與所述氧化物半導(dǎo)體電接觸的源電極及漏電極， 其中所述源電極及所述柵電極夾在所述柵電極與所述氧化物半導(dǎo)體之間。16.—種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括如下步驟: 在襯底上形成犧牲層； 在所述犧牲層上形成第一絕緣膜； 在所述第一絕緣膜上形成第二絕緣膜； 去除所述第一絕緣膜的頂部、所述第二絕緣膜的頂部及所述犧牲層的頂部而使所述犧牲層的頂表面露出； 去除其頂表面露出了的所述犧牲層； 在所述第一絕緣膜及所述第二絕緣膜上形成第一導(dǎo)電膜； 在所述第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜；以及 去除所述第一導(dǎo)電膜的頂部及所述第二導(dǎo)電膜的頂部，使得所述第一導(dǎo)電膜的頂表面及所述第二導(dǎo)電膜的頂表面位于相同的高度，使得所述第二絕緣膜的頂表面被露出。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中對(duì)于去除所述第一絕緣膜的所述頂部、所述第二絕緣膜的所述頂部、所述第一導(dǎo)電膜的所述頂部及所述第二導(dǎo)電膜的所述頂部，利用化學(xué)機(jī)械拋光法。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，還包括如下步驟: 在所述襯底上形成第一基底膜； 在所述第一基底膜上形成第二基底膜； 在所述第二基底膜上形成氧化物半導(dǎo)體；以及 在所述氧化物半導(dǎo)體上形成柵極絕緣膜； 其中所述犧牲層形成在所述柵極絕緣膜上。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，還包括如下步驟: 將所述犧牲層用作掩模而對(duì)所述氧化物半導(dǎo)體及所述柵極絕緣膜進(jìn)行圖案化。
【文檔編號(hào)】H05B33/14GK105849875SQ201480070814
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月22日
【發(fā)明人】宮人秀和
【申請(qǐng)人】株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所