2和柵電極層401。布線層436a和布線層436b設置成分別與源電極層405a和漏電極層405b相接觸。
[0127]在這個實施例中，如上所述，氧化物半導體層403用作半導體層。作為用于氧化物半導體層403的氧化物半導體，能夠使用諸如In-Sn-Ga-Zn-Ο基氧化物半導體之類的四金屬元素的氧化物；諸如In-Ga-Ζη-Ο基氧化物半導體、In-Sn-Zn-Ο基氧化物半導體、In-Al-Zn-Ο基氧化物半導體、Sn-Ga-Zn-0基氧化物半導體、Al-Ga-Zn-0基氧化物半導體層或Sn-Al-Zn-Ο基氧化物半導體之類的三金屬元素的氧化物；諸如Ιη-Ζη-0基氧化物半導體、Sn-Zn-Ο基氧化物半導體、Al-Ζη-Ο基氧化物半導體、Zn-Mg-0基氧化物半導體、Sn_Mg_0基氧化物半導體或In-Mg-Ο基氧化物半導體之類的兩金屬元素的氧化物；Ιη-0基氧化物半導體、Sn-Ο基氧化物半導體或者Ζη-0基氧化物半導體。此外，Si02可添加到氧化物半導體。在這里，例如，In-Ga-Ζη-Ο基氧化物半導體是至少包括In、Ga和Zn的氧化物，而對其組成比沒有特殊限制。此外，In-Ga-Zn-Ο基氧化物半導體可包含除了 In、Ga和Zn之外的元素。
[0128]對于氧化物半導體層403，能夠使用由化學式InMOjZnOhOii > 0)所表示的氧化物半導體。在這里，Μ表示從Ga、Al、Mn或Co中選取的一種或多種金屬元素。例如，Μ能夠是 Ga、Ga 和 Al、Ga 和 Μη、Ga 和 Co 等。
[0129]包括氧化物半導體層403的晶體管410、晶體管420、晶體管430和晶體管440的斷態電流能夠顯著降低。因此，在脈沖信號輸出電路和移位寄存器中使用這類晶體管時，能夠易于保持各結點的電位，使得脈沖信號輸出電路和移位寄存器的故障的可能性能夠顯著降低。
[0130]對于能夠用作具有絕緣表面的襯底400的襯底沒有特殊限制。例如，能夠使用用于液晶顯示裝置等的玻璃襯底、石英襯底等。備選地，例如，可使用在硅晶圓之上形成絕緣層的襯底。
[0131]在底柵晶體管410、420和430的每個中，用作基底的絕緣膜可設置在襯底與柵電極層之間。絕緣層具有防止雜質元素從襯底擴散的功能，并且能夠形成為具有包括從氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜中選取的一個或多個膜的單層結構或分層結構。
[0132]柵電極層401能夠使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧之類的金屬材料或者包括這些材料的任一種作為主要成分的合金材料來形成。柵電極層401可具有單層結構或分層結構。
[0133]柵絕緣層402能夠使用從氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜、氮氧化鋁膜、氧化鉿膜等中選取的一個或多個膜通過等離子體增強CVD方法、濺射方法等形成。例如，總厚度大約為300nm的柵絕緣層能夠按照如下方式來形成:使得厚度為50至200nm的氮化硅膜(SiNy(y > 0))通過等離子體增強CVD來形成為第一柵絕緣層，并且厚度為5至300nm的氧化硅膜(S1x(x > 0))通過濺射方法堆疊在第一柵絕緣層之上作為第二柵絕緣層。
[0134]源電極層405a和漏電極層405b能夠使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧之類的金屬材料或者包括這些材料的任一種作為主要成分的合金材料來形成。例如，源電極層405a和漏電極層405b能夠具有包括鋁、銅等的金屬層以及包括鈦、鉬、鎢等的耐火金屬層的分層結構。借助于添加了用于防止小丘和觸須的生成的元素(例如硅、釹或鈧)的鋁材料，可提尚耐熱性。
[0135]備選地，導電金屬氧化物膜可作為用作源電極層405a和漏電極層405b (包括使用與源電極層405a和漏電極層405b相同的層所形成的布線層)的導電膜來使用。氧化銦(Ιη203)、氧化錫(Sn02)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦和氧化錫的合金(In203_Sn02，在一些情況下縮寫成ΙΤ0)、氧化銦和氧化鋅的合金(Ιη203-Ζη0)、包括氧化硅的這些金屬氧化物材料的任一種等能夠用作導電材料氧化物。
[0136]分別與源電極層405a和漏電極層405b相接觸的布線層436a和布線層436b能夠使用與源電極層405a和漏電極層405b的材料類似的材料來形成。
[0137]對于絕緣層407、427和437的每個，通常能夠使用諸如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜或氧氮化鋁膜之類的無機絕緣膜。
[0138]對于保護絕緣層409，能夠使用諸如氮化硅膜、氮化鋁膜、氮氧化硅膜或氮氧化鋁膜之類的無機絕緣膜。
[0139]另外，可在保護絕緣層409之上形成用于降低因晶體管引起的表面不勻性的平面化絕緣膜。對于平面化絕緣膜，能夠使用諸如聚酰亞胺、丙烯酸或苯并環丁烯之類的有機材料。除了這種有機材料之外，還能夠使用低介電常數材料(低k材料)等。注意，可通過堆疊包括這些材料的多個絕緣膜來形成平面化絕緣膜。
[0140]如上所述，這個實施例中所述的結構、方法等能夠與其它實施例中所述的結構、方法等的任一個適當組合。
[0141](實施例4)
在這個實施例中，將參照圖12A至圖12E來詳細描述包括氧化物半導體層的晶體管的示例及其制造方法的示例。
[0142]圖12A至圖12E是示出晶體管的制造過程的截面圖。這里所示的晶體管510是與圖11A中所示的晶體管410類似的反交錯晶體管。
[0143]用于這個實施例的半導體層的氧化物半導體是i型(本征)氧化物半導體或者基本上i型(本征)氧化物半導體。按照如下方式來獲得i型(本征)氧化物半導體或者基本上i型(本征)氧化物半導體:使得從氧化物半導體中去除作為η型雜質的氫，并且氧化物半導體純化成使得盡可能少地包含不是氧化物半導體的主要成分的雜質。
[0144]注意，純化氧化物半導體包括極少載流子，并且載流子濃度低于1 X 1014/cm3，優選地低于lX1012/cm3，更優選地低于lX10n/cm3。這樣少的載流子使截止狀態中的電流(斷態電流)能夠足夠小。
[0145]具體來說，在包括上述氧化物半導體層的晶體管中，室溫(25°C )下的每μπι溝道寬度的斷態電流密度在晶體管的溝道長度L為10 μπι并且源-漏電壓為3V的條件下能夠為 ΙΟΟζΑ/ μ m(l X 10 19Α/ μ m)或更低、或者進一步為 ΙΟζΑ/ μ m(l X 10 20Α/ μ m)或更低。
[0146]包括純化氧化物半導體層的晶體管510幾乎沒有通態電流的溫度相關性，并且還具有極小斷態電流。
[0147]將參照圖12A至圖12E來描述用于在襯底505之上制造晶體管510的過程。
[0148]首先，在具有絕緣表面的襯底505之上形成導電膜，并且然后通過第一光刻過程來形成柵電極層511。注意，可通過噴墨方法來形成光刻過程中使用的抗蝕劑掩模。通過噴墨方法來形成抗蝕劑掩模不需要光掩模；因此，制造成本能夠降低。
[0149]作為具有絕緣表面的襯底505，能夠使用與以上實施例中所述的襯底400類似的襯底。在這個實施例中，玻璃襯底用作襯底505。
[0150]用作基底的絕緣層可設置在襯底505與柵電極層511之間。絕緣層具有防止雜質元素從襯底505擴散的功能，并且能夠由從氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧氮化硅膜等中選取的一個或多個膜來形成。
[0151]柵電極層511能夠使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧之類的金屬材料或者包括這些金屬材料的任一種作為主要成分的合金材料來形成。柵電極層511能夠具有單層結構或堆疊結構。
[0152]隨后，在柵電極層511之上形成柵絕緣層507。能夠通過等離子體增強CVD方法、濺射方法等，形成柵絕緣層507。柵絕緣層507能夠由從氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜、氮氧化鋁膜、氧化鉿膜等中選取的一個或多個膜來形成。
[0153]此外，為了在柵絕緣層507和氧化物半導體膜530中盡可能少地包括氫、羥基和水分，優選的是，在濺射設備的預熱室中預熱其上形成了柵電極層511的襯底505或者其上形成了柵電極層511和柵絕緣層507的襯底505，作為氧化物半導體膜530的形成的預處理，使得消除襯底505上吸附的諸如氫和水分之類的雜質。作為排空單元，優選地為預熱室設置低溫栗。可對其上形成了一直到并且包括源電極層515a和漏電極層515b的層的襯底505來執行這個預熱步驟。注意，能夠省略這個預熱處理。
[0154]隨后，在柵絕緣層507之上，形成厚度大于或等于2nm且小于或等于200nm、優選地大于或等于5nm且小于或等于30nm的氧化物半導體膜530 (參見圖12A)。
[0155]對于氧化物半導體膜530，能夠使用以上實施例中描述的四成分金屬氧化物、三成分金屬氧化物、兩成分金屬氧化物、In-Ο基氧化物半導體、Sn-Ο基氧化物半導體、Ζη_0基氧化物半導體等的任一個。
[0156]作為用于通過濺射方法來形成氧化物半導體膜530的靶，特別優選的是使用組成比為In: Ga: Zn = 1: X: y(x為0或更大，以及y大于或等于0.5且小于或等于5)的革巴。例如，能夠使用組成比為ln203: Ga203: ZnO = 1: 1: 2[摩爾比]的靶。備選地，能夠使用組成比為ln203: Ga203: ZnO = 1: 1: 1[摩爾比]的靶、組成比為In203: Ga203: ZnO=1: 1: 4[摩爾比]的靶或者組成比為ln203: ZnO = 1: 0: 2[摩爾比]的靶。
[0157]在這個實施例中，使用In-Ga-Zn-Ο基金屬氧化物靶通過濺射方法來形成具有非晶結構的氧化物半導體層。
[0158]金屬氧化物靶中的金屬氧化物的相對密度大于或等于80%，優選地大于或等于95%，以及更優選地大于或等于99.9%。具有高相對密度的金屬氧化物靶的使用使得有可能形成具有致密結構的氧化物半導體層。
[0159]其中形成氧化物半導體膜530的氣氛優選地為稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或者包含稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣氛。具體來說，優選的是使用例如去除了諸如氫、水、羥基或氫化物之類的雜質以使得雜質濃度為lppm或更低(優選地，雜質濃度為lOppb或更低)的高純度氣體氣氛。
[0160]在氧化物半導體膜530的形成中，例如，加工對象保持在控制為降低壓力的處理室中，并且可加熱加工對象以使得加工對象的溫度高于或等于100°C且低于550°C，優選地高于或等于200°C且低于或等于400°C。備選地，氧化物半導體膜530的形成中的加工對象的溫度可以是室溫(25°C ±10°C)。然后，在去除處理室中的水分的同時引入去除了氫、水等的濺射氣體，并且使用上述靶，由此形成氧化物半導體膜530。在加熱加工對象的同時形成氧化物半導體膜530，使得氧化物半導體層中包含的雜質能夠降低。此外，因濺射引起的損壞能夠降低。為了去除處理室中的水分，優選地使用捕集真空栗(entrapment vacuumpump) ο例如，能夠使用低溫栗、離子栗、鈦升華栗等。備選地，可使用提供有冷阱的渦輪分子栗。通過采用低溫栗等的排空，能夠從處理室中去除氫、水等，由此能夠降低氧化物半導體膜530中的雜質濃度。
[0161]能夠在例如下列條件下形成氧化物半導體膜530:加工對象與靶之間的距離為170mm，壓力為0.4Pa，直流(DC)功率為0.5kW，以及氣氛是氧氣氛(氧的比例為100% )、氬氣氛(氬的比例為100% )或者包括氧和氬的混合氣氛。優選地使用脈沖直流(DC)電源，因為能夠降低膜形成中生成的粉狀物質(又稱作微粒或灰塵)，并且膜厚度能夠是均勻的。氧化物半導體膜530的厚度大于或等于lnm且小于或等于50nm，優選地大于或等于lnm且小于或等于30nm，更優選地大于或等于lnm且小于或等于10nm。通過具有這種厚度的氧化物半導體膜530，能夠抑制因小型化引起的短溝道效應。注意，適當厚度根據要使用的氧化物半導體材料、半導體裝置的預計用途等而有所不同；因此，可按照材料、預計用途等確定厚度。
[0162]注意，在通過濺射方法形成氧化物半導體膜530之前，附于將要形成氧化物半導體膜530的表面(例如柵絕緣層507的表面)的物質優選地通過其中引入氬氣體并且生成等離子體的反向濺射被去除。在這里，反向濺射是一種方法，其中離子與加工表面碰撞，使得表面經過修改，同離子與濺射靶碰撞的標準濺射相反。作為用于使離子與加工表面碰撞的方法的示例，存在一種方法，其中高頻電壓在氬氣氛中施加到加工表面，使得在加工對象附近生成等離子體。注意，氮、氦、氧等的氣氛可用來代替氬氣氛。
[0163]接下來，通過第二光刻過程將氧化物半導體膜530加工為島狀氧化物半導體層。注意，光刻過程中使用的抗蝕劑掩模可通過噴墨方法來形成。通過噴墨方法來形成抗蝕劑掩模不需要光掩模；因此，制造成本能夠降低。
[0164]在柵絕緣層507中形成接觸孔的情況下，形成接觸孔的步驟能夠與加工氧化物半導體膜530同時執行。
[0165]作為氧化物半導體膜530的蝕刻，可采用濕式蝕刻或十式蝕刻或者它們兩者。作為用于氧化物半導體膜530的濕式蝕刻的蝕刻劑，能夠使用通過混合磷酸、醋酸和硝酸等所獲得的溶液。還可使用諸如(由日本關東化學公司生產的ΠΤ0-07Ν之類的蝕刻劑。
[0166]然后，對氧化物半導體層執行熱處理(第一熱處理)，使得形成氧化物半導體層531(參見圖12B)。通過第一熱處理，去除氧化物半導體層中的過剩氫(包括水和羥基)，并且改進氧化物半導體層的結構，使得能夠降低能隙中的缺陷等級(defect level)。第一熱處理的溫度例如高于或等于300°C且低于550°C，或者高于或等于400°C且低于或等于500。。。
[0167]能夠按照如下方式來執行熱處理:例如，將加工對象引入其中使用電阻加熱元件等的電爐，并且在氮氣氛中以450°C加熱一小時。在熱處理期間，氧化物半導體層沒有暴露于空氣，以使防止水和氫的污染。
[0168]熱處理設備并不局限于電爐；熱處理設備能夠是使用來自諸如加熱氣體等的介質的熱傳導或熱輻射來加熱加工對象的設備。例如，能夠使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)設備或LRTA(燈快速熱退火)設備之類的RTA(快速熱退火)設備。LRTA設備是使用從諸如鹵素燈、金屬齒化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓水銀燈之類的燈所發射的光(電磁波)的輻射來加熱加工對象的設備。GRTA設備是使用高溫氣體進行熱處理的設備。作為氣體，使用不會通過熱處理而與加工對象發生反應的諸如氮之類的惰性氣體或者諸如氬之類的稀有氣體。
[0169]例如，作為第一熱處理，可按照如下方式來執行GRTA處理。將加工對象放進已經加熱的惰性氣體氣氛中，加熱數分鐘，并且然后從惰性氣體氣氛中取出。GRTA處理實現短時間的高溫熱處理。此外，在GRTA處理中，甚至能夠采用超過加工對象的溫度上限的溫度條件。注意，在該過程期間，惰性氣體可改變成包括氧的氣體。這是因為因缺氧引起的能隙中的缺陷等級能夠通過在包括氧的氣氛中執行第一熱處理來降低。
[0170]注意，作為惰性氣體氣氛，優選地使用包括氮或稀有氣體(例如氦、氖或氬)作為其主要成分但沒有包含水、氫等的氣氛。例如，引入熱處理設備中的氮或者諸如氦、氖或氬之類的稀有氣體的純度設置為6Ν(99.9999% )或更大、優選地為7Ν(99.99999% )或更大(即，雜質濃度為lppm或更小，優選地為0.lppm或更小)。
[0171]在任何情況下，通過第一熱處理來降低雜質，使得獲得i型(本征)或基本上i型氧化物半導體層。相應地，能夠實現具有優良特性的晶體管。
[0172]上述熱處理(第一熱處理)具有去除氫、水等的效果，并且因而能夠稱作脫水處理、脫氫處理等。能夠在形成氧化物半導體膜530之后并且在將氧化物半導體膜530加工成島狀氧化物半導體層之前執行脫水處理或脫氫處理。這種脫水處理或脫氫處理可執行一次或多次。
[0173]第一熱處理能夠在代替上述定時的下列定時的任一個來執行:在形成源電極層和漏電極層之后，在源電極層和漏電極層之上形成絕緣層之后，等等。
[0174]接下來，在柵絕緣層507和氧化物半導體層531之上形成將要作為源電極層和漏電極層(包括從與源電極層和漏電極層相同的層所形成的布線)的導電膜。能夠使用以上實施例中所述材料的任一種來形成用于形成源電極層和漏電極層的導電膜。
[0175]在第三光刻過程中在導電膜之上形成抗蝕劑掩模，并且通過有選擇地蝕刻來形成源電極層515a和漏電極層515b，然后去除抗蝕劑掩模(參見圖12C)。
[0176]在第三光刻過程中形成抗蝕劑掩模時的曝光可使用紫外光、KrF激光或ArF激光來執行。注意，由源電極層與漏電極層之間的距離來確定晶體管的溝道長度(L)。因此，在用于形成溝道長度(L)小于25nm的晶體管的掩模的曝光中，優選的是使用其波長短至數納米至數十納米的超紫外光。在使用超紫外光的曝光中，分辨率高，并且焦深大。由于這些原因，后來完成的晶體管的溝道長度(L)能夠大于或等于10nm且小于或等于lOOOnm(lym)，并且電路能夠以高速度進行操作。此外，半導體裝置的功率消耗能夠通過小型化來降低。
[0177]為了降低光掩模的數量和光刻過程的數量，可使用采用多色調掩模所形成的抗蝕劑掩模來執行蝕刻步驟。由于采用多色調掩模所形成的抗蝕劑掩模包括多個厚度的區域并且能夠通過執行蝕刻進一步改變形狀，所以能夠在多個蝕刻步驟中使用抗蝕劑掩模以提供不同的圖案。因此，能夠采用一個多色調掩模來形成與至少兩種不同圖案對應的抗蝕劑掩模。因此，曝光掩模的數量能夠降低，并且對應光刻過程的數量也能夠降低，由此能夠實現過程的簡化。
[0178]注意，優選的是，優化蝕刻條件，以使得在蝕刻導電膜時沒有蝕刻和分割氧化物半導體層531。但是，難以獲得僅蝕刻導電膜但完全沒有蝕刻氧化物半導體層531的蝕刻條件。在一些情況下，在蝕刻導電膜時蝕刻氧化物半導體層531的一部分，由此形成具有凹槽部分(凹陷部分)的氧化物半導體層531。
[0179]濕式蝕刻或干式蝕刻可用于導電膜的蝕刻。注意，在元件的小型化方面，優選地使用干式蝕刻。蝕刻氣體和蝕刻劑能夠按照要蝕刻的材料來適當地選擇。在這個實施例中，鈦膜用作導電膜，以及In-Ga-Ζη-Ο基材料用于氧化物半導體層531 ;相應地，在采用濕式蝕刻的情況下，氮過氧化氫(氨、水和過氧化氫的混合溶液)用作蝕刻劑。
[0180]接下來，優選地執行使用諸如N20、隊或Ar之類的氣體的等離子體處理，使得可去除附于氧化物半導體層的外露部分的表面的水、氫等。在執行等離子體處理的情況下，形成用作保護絕緣膜的絕緣層516，而在等離子體處理之后沒有使氧化物半導體層暴露于空氣。
[0181]絕緣層516優選地通過沒有將諸如水或氫之類的雜質引入絕緣層516的方法(例如濺射方法)來形成為至少lnm的厚度。當在絕緣層516中包含氫時，引起氫進入氧化物半導體層或者通過氫抽取氧化物半導體層中的氧，由此使氧化物半導體層的背溝道具有較低電阻(以具有η型導電性)，使得可形成寄生溝道。作為絕緣層516，優選地使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜、氧氮化鋁膜等。
[0182]在這個實施例中，氧化硅膜通過濺射方法作為絕緣層516形成到200nm的厚度。沉積中的襯底溫度可高于或等于室溫(25°C)且低于或等于300°C，并且在這個實施例中為100°C。能夠通過濺射方法在稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或者包含稀有氣體和氧的混合氣氛中沉積氧化硅膜。作為靶，可使用氧化硅靶或硅靶。
[0183]為了在與沉積氧化物半導體膜530同時去除絕緣層516的沉積室中剩余的水分，優選地使用捕集真空栗(例如低溫栗)。在使用低溫栗排空的沉積室中沉積絕緣層516時，絕緣層516中的雜質濃度能夠降低。設置有冷阱的渦輪分子栗可用作用于去除用于形成絕緣層516的沉積室中剩余的水分的排空單元。
[0184]用于形成絕緣層16的濺射氣體優選地是去除了諸如氫或水之類的雜質的高純度氣體。
[0185]接下來，在惰性氣體氣氛或氧氣體氣氛中執行第二熱處理。在高于或等于200°C且低于或等于450°C、優選地高于或等于250°C且低于或等于350°C的溫度執行第二熱處理。例如，熱處理可在氮氣氛中以250°C執行1小時。第二熱處理能夠降低晶體管的電特性的變化。通過從絕緣層516向氧化物半導體層531提供氧，氧化物半導體層531中的氧空位降低，由此能夠形成i型(本征)或基本上i型氧化物半導體層。
[0186]在這個實施例中，在形成絕緣層516之后執行第二熱處理；但是，第二熱處理的定時并不局限于此。例如，第一熱處理和第二熱處理可接連執行，或者第一熱處理可兼任第二熱處理。