TW201230203A - Deposition apparatus, apparatus for successive deposition, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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201230203 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於沉積裝置和用於連續沉積之裝置。本 發明係相關於用於製造半導體裝置之方法。 需注意的是，此說明書等等中的半導體裝置意指能夠 藉由利用半導體特性來運作之所有裝置，電光裝置、半導 體電路、和電子裝置都是半導體裝置。 【先前技術】 近年來，使用形成在具有絕緣表面的基板之上的半導 體薄膜（具有厚度約幾十奈米至幾百奈米）來製造薄膜電晶 體（亦稱作TFT)之技術已引起注意。薄膜電晶體被應用到 範圍廣泛的電子裝置，諸如1C或電光裝置等，尤其是正 在推動將被使用作爲影像顯示裝置中的切換元件之薄膜電 晶體的快速發展。 具有被用於各種應用之各種金屬氧化物，及一些金屬 氧化物具有半導體特性。具有半導體特性之此種金屬氧化 物的例子包括氧化鎢、氧化錫、氧化銦、氧化鋅、銦鎵鋅 爲基氧化物等等。已知有使用具有半導體特性之此種金屬 氧化物來形成通道形成區的薄膜電晶體（專利文件1及2) 〇 同時，具有以液晶顯示裝置爲代表之主動矩陣式半導 體裝置朝向較大螢幕之傾向，如、60英吋對角線螢幕，另 外，主動矩陣式半導體裝置的發展甚至以120英吋或更多 -5- 201230203 之對角線的螢幕尺寸爲目標。此外，螢幕的解析度傾向朝 向較高清晰度，如、高清晰度（HD)影像品質（1 3 66 X 768)或完 全高清晰度（FHD)影像品質（ 1 920 X 1 080)’及亦推動具有 解析度3840 X 2048或4096 X 2180之所謂的4k數位電影 顯示裝置之快速發展》 半導體裝置的此種尺寸增加使得用於製造液晶面板之 玻璃基板的尺寸增加，例如，從被稱作第一代之尺寸300 mm X 400 mm到被稱作第三代之尺寸550 mm X 650 mm， 第四代之730 mm x 920 mm，第五代之1 000 mm x 1200 mm;第六代之1450 mm X 1850 mm，第七代之1870 mm X 2200 mm，第八代之 2000 mm X 2400 mm，第九代之 2400 mm X 2800 mm，或第十代之2880 mm X 3080 mm»在未來 ’玻璃基板的尺寸被預期將進一步增加到第十一代或第十 二代的尺寸。 [參考] [參考文件] [參考文件1]日本已出版專利申請案號碼2007- 1 23 86 1 [參考文件2]日本已出版專利申請案號碼2007-9605 5 【發明內容】 當在裝置的製造中將形成電子施體之氫或水包括在氧 化物半導體時，會改變氧化物半導體的導電性。此種現象 變成包括氧化物半導體之電晶體的電特性之變化因素。另 外’藉由以可見光或紫外光的照射可改變包括氧化物半導 -6- 201230203 體之半導體裝置的電特性。 另外，連同上述基板的尺寸增加，沉積裝置的尺寸也 一起增加。然而，具有大地板面積（所謂的底面積）之沉積 裝置產生清潔室設計的高成本及清潔室佈局限制之問題。 鑑於上述技術背景而進行本發明。本發明的一實施例 之目的在於設置沉積裝置，其實現具有穩定電特性和高可 靠性之半導體裝置。另一目的在於設置沉積裝置，其能夠 藉由使用諸如母玻璃等大尺寸基板來大量生產高度可靠的 半導體裝置。另一目的在於提供藉由使用沉積裝置來製造 具有穩定電特性和高度可靠性之半導體裝置的方法。 本發明的一實施例爲沉積裝置，其包括用於基板的轉 移機構；形成包括氧化物之第一膜的第一沉積室；以及執 行第一熱處理之第一加熱室。第一沉積室和第一加熱室係 沿著由轉移機構所轉移的基板之路徑予以連續設置。基板 被支托，以便由基板的沉積表面與垂直方向所形成之角度 係在大於或等於1°及小於或等於30°的範圍中。在未暴露 至空氣之下，在第一膜形成於基板之上之後執行第一熱處 理。 本發明的一實施例爲第一膜包括氧化物半導體之沉積 裝置。 本發明的一實施例爲沉積方法，包括以下步驟：在第 一沉積室中，將包括氧化物之第一膜形成於基板之上；而 後在未暴露空氣之下’在第一加熱室中執行第一·熱處理。 基板在被支托的同時被處理，以便由基板的沉積表面與垂 201230203 直方向所形成之角度係在大於或等於1。及小於或等於30。 的範圍中。 本發明的一實施例爲第一膜包括氧化物半導體之沉積 方法。 本發明的一實施例之沉積裝置包括沉積氧化物半導體 之第一沉積室；以及連接至此之第一加熱室。 第^沉積室中所沉積之氧化物半導體包括至少銦（In) 或鋅（Zn)較佳。尤其是，包括In及Zn較佳。作爲用以減 少使用氧化物半導體之電晶體的電特性變化之穩定劑，額 外包括鎵（Ga)較佳。包括錫（Sn)作爲穩定劑較佳。包括給 (Hf)作爲穩定劑較佳。包括鋁（A1)作爲穩定劑較佳。 作爲另一穩定劑’可包括一或多種鑭系元素，諸如鑭 (La)、铈（Ce)、鐯（Pr)、鈸（Nd)、釤（Sm)、銪（Eu)、釓（Gd) 、铽（Tb)、鏑（Dy)、鈥（Ho)、餌（Er)、錶（Tm)、鏡（Yb)、 或镏（Lu)等。 作爲氧化物半導體，例如，可使用氧化銦、氧化錫、 氧化鋅、兩成分金屬氧化物，諸如In-Zn爲基氧化物、Sn-Zn 爲基氧化物、Al-Zn爲基氧化物、Zn-Mg爲基氧化物、Sn-Mg 爲基氧化物、In-Mg爲基氧化物、或In-Ga爲基氧化物等 :三成分金屬氧化物，諸如In-Ga-Zn爲基氧化物（亦稱作 IGZO)、In-Al-Zn爲基氧化物、In-Sn-Zn爲基氧化物、Sn-Ga-Zn爲基氧化物、Al-Ga-Zn爲基氧化物、Sn-Al-Zn爲基氧 化物、In-Hf-Zn爲基氧化物、In-La-Zn爲基氧化物、In-Ce-Zn爲基氧化物、In-Pr-Zn爲基氧化物、In-Nd-Zn爲基 -8- 201230203 氧化物、In-Sm-Zn爲基氧化物、In-Eu-Zn爲基氧化物、 In-Gd-Zn爲基氧化物、In-Tb-Zn爲基氧化物、In-Dy-Zn 爲基氧化物、In-Ho-Zn爲基氧化物、In-Er-Zn爲基氧化物 、In-Tm-Zn爲基氧化物、In-Yb-Zn爲基氧化物、In-Lu-Zn 爲基氧化物等；或四成分金屬氧化物，諸如In-Sn-Ga-Zn 爲基氧化物、In-Hf-Ga-Zn爲基氧化物、In-Al-Ga-Zn爲基 氧化物、In-Sn-A丨-Zn爲基氧化物' In-Sn-Hf-Zn爲基氧化 物、或In-Hf-AI-Zn爲基氧化物等》 此處需注意的是，例如，“In-Ga-Zn爲基氧化物”意指 包括In、Ga、及Zn作爲主成分之氧化物，及並未限制in 、Ga、及Zn的組成比。In-Ga-Zn爲基氧化物可包括除了 In、Ga、及Zn以外的金屬元素。 另一選擇是，可使用以化學式InMOdZnCOJmX))所 表示之材料作爲氧化物半導體。需注意的是，Μ表示選自 Ga、Fe、Μη、及Co之一或多個金屬元素。另一選擇是， 作爲氧化物半導體，可使用以化學式In3SnO5(ZnO)„(«>0) 所表示之材料。 例如，可使用具有原子比In : Ga : Zn=l : 1 : 1 (=1/3 :1/3 : 1/3)或 In : Ga : Zn = 2 : 2 : 1( = 2/5 : 2/5 : 1/5)之 In-Ga-Zn爲基氧化物、或組成比在上述組成的附近之氧化 物的任一者。另一選擇是，可使用具有原子比In: Sn: Zn=l : 1 : 1(=1/3 : 1/3 : 1/3)或 In : Sn : Zn = 2 : 1 : 3(=1/3 : 1/6 : 1/2)或 In : Sn : Zn=2 : 1 : 5(=1/4 : 1/8 : 5/8)之In-S η-Zn爲基氧化物、或組成比在上述組成的附近 201230203 之氧化物的任一者。 需注意的是，例如，“原子比之包括In、Ga、及Zn的 氧化物之組成比In : Ga : Zn = a : b: c(a + b + c=l)係在原子 比之包括In、Ga、及Zn的氧化物之組成比In: Ga: Zn = A: B: C(A + B + C=1)附近”意指a、b、及c滿足下面關 係：（a-A)2 + (b-B)2 + (c-C)25r2’ 及例如 r 可以是 0.05。其 同樣適用於其他氧化物。 在第一加熱室中，可以溫度高於或等於200°C及低於 或等於750 °C來加熱基板。 在未暴露至空氣之下，將第一沉積室所沉積之氧化物 半導體轉移至第一加熱室，及連續執行熱處理，藉以能夠 移除氧化物半導體膜中之諸如氫、水、及氫氧根等雜質， 及可獲得雜質被極度減少之氧化物半導體膜。此處，在氮 、氧、以氬爲代表之稀有氣體、或這些的任一者之混合氣 體中，以溫度高於或等於2 5 0°C及低於或等於7 50°C、高 於或等於400°C及低於或等於75 0°C較佳來執行熱處理》 在上述沉積裝置中，在未暴露至空氣之下，來執行沉 積處理、熱處理、及轉移；如此，能夠總是在清潔大氣中 執行處理和轉移。因此，可極度減少膜及膜的介面之雜質 濃度，及可形成高度可靠的氧化物半導體層。 藉由將以具有此種結構的沉積裝置所形成之氧化物半 導體層用於電晶體的通道形成區，例如可實現具有穩定電 特性和高可靠性之半導體裝置。 在第一沉積室和第一加熱室中，欲待處理之基板被支 -10- 201230203 托，以便藉由其沉積表面與垂直方向所形成之角度係在大 於或等於1°及小於或等於30°、大於或等於5°及小於或等 於1 5 °較佳的範圍中。利用能夠在基板站立之下來執行處 理之此種結構，可抑制裝置的地板面積（所謂的底面積）增 加；因此，幫助清潔室的設計及可抑制成本。而且，利用 基板稍微與垂直方向傾斜的同時被支托之結構，甚至在減 壓下仍可支撐基板。雖然可給定使用夾箝作爲用於支撐基 板之方法而不傾斜基板，但是此方法具有在與夾箝部重疊 之基板表面上未執行沉積以及從夾箝部產生灰塵之問題。 而且，利用在上述角度使基板站立之下來執行處理之 沉積裝置可具有較小的地板面積（所謂的底面積），及甚至 藉由使用諸如第五至第十二代的母玻璃等大尺寸基板時仍 能夠大量生產高度可靠的半導體裝置。 在基板被支托成其沉積表面與垂直方向所形成之角度 係在大於或等於1°及小於或等於30°、大於或等於5°及小 於或等於15°較佳的範圍中的同時可執行處理之連接沉積 室和加熱室的複數個上述結構係沿著基板的路徑來設置， 藉以能夠獲得將具有較闻可靠性之半導體層形成在大尺寸 的基板之上的沉積裝置。 也就是說，本發明的一實施例爲用於連續沉積之裝置 ，其包括用於基板的轉移機構；第一沉積室，其中形成包 括絕緣膜之第一膜；第一加熱室，其中執行第一熱處理； 第二沉積室’其中形成包括氧化物之第二膜；第二加熱室 ’其中執行第二熱處理。第一沉積室、第一加熱室、第二 -11 - 201230203 沉積室、及第二加熱室係沿著由轉移機構所轉移的基板之 路徑予以連續設置。基板被支托，以便由基板的沉積表面 與垂直方向所形成之角度係在大於或等於ι°及小於或等於 30°的範圍中。在未暴露至空氣之下，在形成第一膜之後 執行第一熱處理，而後在形成第二膜之後執行第二熱處理 〇 本發明的一實施例爲用於連續沉積之裝置，其包括用 於基板的轉移機構；第一沉積室，其中形成含包括至少第 一金屬元素和·第二金屬元素之氧化物的第一膜：第一加熱 室，其中執行第一熱處理；第二沉積室，其中形成含氧化 物之第二膜；以及第二加熱室，其中執行第二熱處理。第 —沉積室、第—加熱室、第二沉積室、及第二加熱室係沿 著由轉移機構所轉移的基板之路徑予以連續設置。基板被 支托，以便由基板的沉積表面與垂直方向所形成之角度係 在大於或等於1°及小於或等於30°的範圍中。在未暴露至 空氣之下，在形成第一膜之後執行該第一熱處理，而後在 形成第二膜之後執行第二熱處理。 本發明的一實施例爲用於連續沉積之裝置，其中第二 膜包括氧化物半導體。 本發明的一實施例爲用於連續沉積之裝置，其中第一 金屬元素爲鋅° 本發明的一實施例爲用於連續沉積之裝置，其中第二 金屬元素爲鎵° 本發明的一實施例爲沉積方法，其包括以下步驟：在 -12- 201230203 第一沉積室中，將包括絕緣膜之第一膜形成於基板之上； 在第一加熱室中執行第一熱處理；在第二沉積室中形成包 括氧化物之第二膜；以及在第二加熱室中執行第二熱處理 。基板在被支托的同時被處理，以便由基板的沉積表面與 垂直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或等於 30°的範圍中。 本發明的一實施例爲沉積方法，其包括以下步驟：在 第一沉積室中，將含包括至少第一金屬元素和第二金屬元 素之氧化物的第一膜形成於基板之上；在第一加熱室中執 行第一熱處理；在第二沉積室中形成包括氧化物之第二膜 :以及在第二加熱室中執行第二熱處理。基板在被支托的 同時被處理’以便由基板的沉積表面與垂直方向所形成之 角度係在大於或等於Γ及小於或等於30°的範圍中。 本發明的一實施例爲沉積方法，其中第二膜包括氧化 物半導體。 本發明的一實施例爲沉積方法，其中第一金屬元素爲 鋅。 本發明的一實施例爲沉積方法，其中第二金屬元素爲 鎵。 上述第一沉積室具有濺鍍裝置，利用此濺鍍裝置可形 成包括至少第一金屬元素和第二金屬元素之絕緣膜或氧化 物膜。在第一沉積室形成氧化物膜之溫度可高於或等於 2〇〇°C及低於或等於400°C。 在形成絕緣膜之例子中，例如，可形成被使用作爲電 -13- 201230203 晶體的閘極絕緣膜或基底膜之膜。 在上述中，第一金屬元素可以是鋅。第二金屬元素可 以是鎵。 在第一加熱室中’在第一沉積室形成氧化物膜之基板 上可執行熱處理。當以溫度高於或等於400 °C及低於或等 於750 °C來執行熱處理時’可獲得第一結晶氧化物半導體 層。依據第一熱處理的溫度’第一熱處理自膜表面產生結 晶，及晶體從膜表面朝膜的內部生長；如此，獲得c軸對 準晶體。藉由第一熱處理’大量的鋅和氧聚集到膜表面， 及包括鋅和氧且具有六角形上平面（圖7A圖示其槪要平面 圖）之石墨烯型的二維晶體之一或多層係形成在最外表面 中；最外表面中的層生長在厚度方向上以形成層的堆疊。 在圖7A中’白圈表示鋅原子，及黑圈表示氧原子。藉由 增加熱處理的溫度’晶體生長從表面進行到內部，及進一 步從內部到底部。另外，圖7B槪要圖示二維晶體的六層 之堆曼作爲已生長一維晶體的豐層之例子。 在第二沉積室中’包括氧化物膜之第二膜係可在加熱 基板的同時藉由濺鍍法來形成。 在上述中，第二膜可以是氧化物半導體膜。氧化物半 導體包括至少銦（In)或鋅（Zn)較佳。尤其是，包括In及Zn 較佳。作爲用以減少使用氧化物半導體之電晶體的電特性 變化之穩定劑’額外包括鎵（Ga)較佳。包括錫（Sn)作爲穩 定劑較佳。包括給（Hf)作爲穩定劑較佳。包括鋁（A1)作爲 穩定劑較佳。 -14 - 201230203 作爲另一穩定劑’可包括一或多種鑭系元素，諸如鑭 (La)、鈽（Ce)、鐯（pr)、鈸（Nd)、釤（Sm)、銪（Eu)、釓（Gd) 、铽（Tb)、鏑（Dy)、鈥（Ho)、餌（Er)、錶（Tm)、鏡（Yb)、 或餾（Lu)等。 作爲氧化物半導體，例如，可使用氧化銦、氧化錫、 氧化鋅、兩成分金屬氧化物，諸如In-Zn爲基氧化物、Sn-Zn 爲基氧化物、Al-Zn爲基氧化物、Zn-Mg爲基氧化物' Sn-Mg 爲基氧化物、In-Mg爲基氧化物、或In-Ga爲基氧化物等 :三成分金屬氧化物，諸如In-Ga-Zn爲基氧化物（亦稱作 IGZO)、In-Al-Zn爲基氧化物、In-Sn-Zn爲基氧化物、Sn-Ga-Zn爲基氧化物、Al-Ga-Zn爲基氧化物、Sn-Al-Zn爲基氧 化物、In-Hf-Zn爲基氧化物、In-La-Zn爲基氧化物、In-Ce-Zn爲基氧化物、In-Pr-Zn爲基氧化物、In-Nd-Zn爲基 氧化物、In-Sm-Zn爲基氧化物、In-Eu-Zn爲基氧化物、 In-Gd-Zn爲基氧化物、In-Tb-Zn爲基氧化物、In-Dy-Zn 爲基氧化物、In-Ho-Zn爲基氧化物、In-Er-Zn爲基氧化物 、In-Tm-Zn爲基氧化物、In-Yb-Zn爲基氧化物、In-Lu-Zn 爲基氧化物等；或四成分金屬氧化物，諸如In-Sn-Ga-Zn 爲基氧化物、In-Hf-Ga-Zn爲基氧化物、In-Al-Ga-Zn爲基 氧化物、In-Sn-Al-Zn爲基氧化物、In-Sn-Hf-Zn爲基氧化 物、或In-Hf-Al-Zn爲基氧化物等。 此處需注意的是，例如，“In-Ga-Zn爲基氧化物”意指 包括In、Ga、及Zn作爲主成分之氧化物，及並未限制in 、Ga、及Zn的組成比。In-Ga-Zn爲基氧化物可包括除了 -15- 201230203

In、Ga、及Zn以外的金屬元素。 另一選擇是，可使用以化學式InMO3(ZnO)„(m>0)所 表示之材料作爲氧化物半導體。需注意的是，Μ表示選自 Ga、Fe、Μη、及Co之一或多個金屬元素。另一選擇是，作 爲氧化物半導體，可使用以化學式In3SnO5(ZnO)„(«>0)所表 示之材料。 例如，可使用具有原子比In : Ga : Zn=l : 1 : 1(=1/3 :1/3 : 1/3)或 In : Ga : Zn=2 : 2 : 1(=2/5 : 2/5 : 1/5)之 In-Ga-Zn爲基氧化物、或組成比在上述組成的附近之氧化 物的任一者。另一選擇是，可使用具有原子比In: Sn: Zn=l ： 1 ： 1(=1/3 : 1/3 : 1/3)或 In : Sn : Zn=2 : 1 : 3(=1/3 :1/6 : 1/2)或 In : Sn : Zn=2 : 1 : 5(=1/4 : 1/8 : 5/8)之

In-Sη-Zn爲基氧化物、或組成比在上述組成的附近之氧化 物的任一者。 需注意的是，例如，“原子比之包括In、Ga、及Zn的 氧化物之組成比In: Ga: Zn = a: b: c(a + b + c= l)係在原子 比之包括In、Ga、及Zn的氧化物之組成比In : Ga : Zn = A ： B ： C(A + B + C=1)附近”意指a、b、及c滿足下面關 係：（a-A)2 + (b-B)2 + (c-C)2£/*2，及例如厂可以是 0.05。其 同樣適用於其他氧化物。 在膜形成時之基板溫度被設定成高於或等於200 °C及 低於或等於400 °C之下，藉由以濺鍍法形成第二膜在第一 結晶氧化物半導體層之上’先質可被配置在形成在第一結 晶氧化物半導體層的表面之上並且與第一結晶氧化物半導 -16- 201230203 體層的表面接觸之氧化物半導體膜中，及可獲得所謂的整 齊性。 在第二加熱室中，可以溫度高於或等於400 °C及低於 或等於750 °C來加熱基板。在氮大氣、氧大氣、或氮和氧 之混合大氣中，在第二氧化物半導體膜係形成在第一結晶 氧化物半導體層之上的基板上執行溫度高於或等於400t 及低於或等於7 50°C之熱處理，以便第二氧化物半導體層 的密度增加，及其內的缺陷數目減少。藉由第二熱處理， 藉由使用第一結晶氧化物半導體層作爲核心在厚度方向上 進行晶體生長，也就是說，晶體生長從底部向上進行；如 此，形成第二結晶氧化物半導體層。 以此方式獲得第一結晶氧化物半導體層和第二結晶氧 化物半導體層之堆疊及被用於電晶體，例如藉以電晶體可 具有穩定電特性和高可靠性。另外，藉由將第一熱處理和 第二熱處理的溫度設定成45〇°C或更低，藉由使用諸如第 五至第十二代之母玻璃等大尺寸的基板，能夠執行大量生 產高度可靠的半導體裝置。 以根據本發明的一實施例之沉積裝置所形成的第一結 晶氧化物半導體層之特徵爲具有c軸對準。以根據本發明 的一實施例之沉積裝置所形成的第二結晶氧化物半導體層 之特徵亦爲具有c軸對準。第一結晶氧化物半導體層和第 二結晶氧化物半導體層包含包括具有c軸對準之晶體（C軸 對準晶體）之氧化物，其未具有單晶結構也未具有非晶結 構。第一結晶氧化物半導體層和第二結晶氧化物半導體層 -17- 201230203 局部包括晶粒邊界。 在包括第一結晶氧化物半導體層和第二結晶氧化物半 導體層之堆疊的電晶體之例子中，甚至當以光照射電晶體 或經過偏壓-溫度（BT)應力測試時，仍能夠抑制電晶體的 臨界電壓之變化量；如此，此種電晶體具有穩定的電特性 〇 在上述沉積裝置中，第一沉積室、第二沉積室、第一 加熱室、及第二加熱室以誘捕式真空泵來排空較佳。例如 ，使用低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵較佳。上述誘捕式真 空泵作用，以減少包括在氧化物半導體膜中之氫、水、氫 氧根、或氫化物的量。因爲具有氫、水、氫氧根、或氫化 物變成抑制氧化物半導體膜之結晶的因素之一的可能，所 以在充分減少氫、水、氫氧根、或氫化物之大氣中執行製 造處理時的沉積、基板轉移等等較佳。 在所有第一沉積室、第二沉積室、第一加熱室、及第 二加熱室中，欲待處理的基板被支托，以便尤其沉積表面 與垂直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或等於 3 0°、大於或等於5°及小於或等於15°較佳的範圍中。利用 可在基板站立之下執行處理的此種結構，可抑制裝置的地 板面積（所謂的底面積）增加：因此，幫助清潔室的設計及 可抑制成本。而且，利用基板稍微與垂直方向傾斜的同時 被支托之結構，甚至在減壓下仍可支撐基板。雖然可給定 使用夾箝作爲用於支撐基板之方法而不傾斜基板，但是此 方法具有在與夾箝部重疊之基板表面上未執行沉積以及從 -18- 201230203 夾箝部產生灰塵之問題。 在上述沉積裝置中，可於不暴露於大氣中執行沉積處 理、熱處理、及轉移；因此，處理及轉移可總是在清潔氣 氛中被執行。如此，可極度減少膜及膜的介面之雜質濃度 ’及可形成高度可靠的氧化物半導體層。 根據本發明的一實施例，可設置實現具有穩定電特性 和高可靠性之半導體裝置的沉積裝置。可設置藉由使用諸 如母玻璃等大尺寸基板能夠大量生產高度可靠的半導體裝 置之沉積裝置。可提供用以製造具有穩定電特性和高可靠 性之半導體裝置的方法。 【實施方式】 將參考圖式詳細說明貫施例。需注意的是，本發明並 不侷限於下面說明，及精於本技藝之人士應容易明白，在 不違背本發明的精神和範疇之下，能夠以各種方式改變模 式和細節。因此，本發明不被闡釋作侷限於下面實施例之 說明。需注意的是，在下面所說明之本發明的結構中，在 不同圖式中以相同參考號碼表示相同部位或具有類似功能 的部位’及不重複此種部位的說明。 需注意的是’在此說明書所說明之各個圖式中，在某 些例子中，爲了清楚會放大尺寸、層厚度、或各個組件的 區域。因此’本發明的實施例並不侷限於此種比例。 (沉積裝置的例子） -19- 201230203 將參考圖1A及1B、圖2A至2C、和圖3A及3B$ 明氧化物半導體層等等係形成在基板之上的沉積裝置之例 子。 圖1 A爲此實施例所說明之沉積裝置1 0的結構之方塊 圖。 在沉積裝置10中，載入室101、第一沉積室111、第 二沉積室112、第一加熱室121、第三沉積室113、第二加 熱室122、第四沉積室114、第三加熱室123、及卸除室 102以此順序連接。下面需注意的是，除了載入室101和 卸除室1 02之外，當沒有必要將它們彼此區分時，各個沉 積室和各個加熱室可被統稱作處理室。 運送到載入室101內之基板100係藉由移動單元依序 從第一沉積室111至第三加熱室123轉移到各個沉積室和 各個加熱室，而後，轉移到卸除室1 02。不一定在各個處 理室中執行處理，及若省略步驟的話，可在未處理之下適 當將基板轉移到下一處理室。 載入室101具有從外面接收基板100到沉積裝置10 內之功能。基板100被水平運送到載入室101內，而後藉 由設置在載入室101中之機構使基板相對於水平面垂直站 立。在圖1A中，由實線所示之基板100表示緊接在基板 被運送到載入室內之後水平置放基板的狀態，而虛線表示 基板實質上垂直站立之狀態。需注意的是，在諸如機器人 等用以接收基板100之單元具有用以使基板站立的機構之 例子中，載入室101不需要具有用以使基板100站立的機 -20- 201230203 構。 與載入室101相反，卸除室102具有用以使站立的基 板100水平平放之機構。在處理之後，藉由移動單元將基 板1 00運送到卸除室。站立的基板1 00水平平放在卸除室 102中，而後從裝置運送出。在圖1A中，站立的基板100 和水平置放的基板1 00二者係由虛線圖示。需注意的是， 在諸如機器人等用以從裝置運送出基板100之單元具有用 以使基板平放的功能之例子中，卸除室102不需要具有用 以使基板平放的功能。 在經由各個處理室中的處理從載入室101運送到卸除 室102的同時，基板100被支托，以便由基板100的沉積 表面與垂直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或 等於30°、大於或等於5°及小於或等於15°較佳的範圍中 。以此方式將基板1 00稍微與垂直方向傾斜，藉以可減少 裝置的地板面積之所謂的底面積。當基板尺寸增加至例如 第十一代或第十二代的尺寸時，此種結構變成更有成本效 益及便於清潔室的設計等等。而且，基板100稍微與垂直 方向傾斜較佳，因爲能夠減少附著於基板1 00的灰塵或粒 子。 載入室101及卸除室102各個具有排空單元，用以將 室排空至真空；以及氣體引進單元，其被用於當真空狀態 被改變成大氣壓力時。當由氣體引進單元引進氣體時，可 適當使用空氣或諸如氮等鈍氣或稀有氣體。 載入室101可具有用於預熱基板之加熱單元。藉由與 -21 - 201230203 排空步驟平行地預熱基板，可排除吸收到基板之諸如氣體 (包括水、氫氧根等等）等雜質，如此較佳。作爲排空單元 ，例如，可使用諸如低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵等誘捕 式真空栗，或設置有冷凝阱之渦輪式分子栗。 透過閘閥連接載入室101、卸除室102、及處理室。 因此，當在處理之後將基板轉移到下一處理室時，閘閥被 打開，以便基板運送至此。需注意的是，除非在處理室之 間需要，否則不一定要設置此閘閥。各個處理室具有排空 單元、壓力調整單元、氣體引進單元等等；如此，甚至當 在其內未執行處理時，處理室仍可總是乾淨和在減壓下。 藉由使用閘閥隔離處理室，如此可防止被另一處理室污染 此外，沉積裝置的室不一定配置成一線；例如，如圖 1 B所示，可利用轉移室1 3 1係設置在鄰近處理室之間及 室被配置成兩行之沉積裝置11。轉移室131包括轉盤133 ，以便運送到轉移室之基板可進行180度轉動及可轉動基 板的路徑。圖1 B圖解轉移室1 3 1係設置在第三沉積室 1 13與第二加熱室122之間的結構；然而，轉移室131並 不侷限於設置在此位置，及可根據各個處理室的尺寸等等 而設置在適當位置。 接著’將說明第一沉積室111、第二沉積室112、第 三沉積室1 1 3、及第四沉積室1 1 4所共有的結構。然後， 同樣地’將說明第一加熱室121、第二加熱室122、及第 三加熱室1 2 3所共有的部位。最後，將說明各個處理室的 -22- 201230203 特徵。 在第一沉積室中，設置濺鑛裝置或CVD裝置。在第 二沉積室、第三沉積室、及第四沉積室的每一個中，設置 濺鍍裝置。 作爲用於上述沉積室之濺鍍裝置，例如，可使用用於 微波濺鍍法、RF電漿濺鎪法、AC濺鍍法、DC濺鏟法等 等之濺鎪裝置。 此處，將參考圖2A至2C說明使用DC濺鍍法之沉積 室的例子。圖2A爲垂直於基板移動之方向的所取之使用 DC濺鍍法的沉積室150之槪要剖面圖。圖2B爲平行及水 平於基板移動之方向的橫剖面之槪要橫剖面圖。 首先，藉由基板支撐部141固定基板100，以便由沉 積表面與垂直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於 或等於30°、大於或等於5°及小於或等於15°較佳的範圍中 。基板支撐部141係固定至移動單元143。移動單元143 具有固定基板支撐部141以便防止基板在處理期間移動之 功能。而且，移動單元1 43可沿著圖2B之虛線（在由箭頭 所指示之方向上）來移動基板1〇〇，及具有運送基板100進 出載入室101、卸除室102、及各個處理室之功能。 在沉積室1 5 0中，靶材1 5 1和防附著板1 5 3與基板 1 00平行配置。藉由平行配置靶材1 5 1和基板1 00，可減 少由於靶材與基板之間的距離變化所導致之濺鍍膜厚度變 化、與濺鑛膜之步階覆蓋範圍的變化等等。 另外，沉積室150可具有位在基板支撐部141後方之 -23- 201230203 基板加熱單元155。利用基板加熱單元155，在加熱基板 的同時可執行沉積處理。作爲基板加熱單元1 5 5，例如， 可使用電阻加熱器、燈加熱器等等。需注意的是，當不需 要時可省略基板加熱單元155。 沉積室150具有壓力調整單元157，及沉積室150中 之壓力可減少至想要的壓力。作爲用於壓力調整單元之排 空裝置，例如，可使用諸如低溫栗、離子泵、或鈦昇華泵 等誘捕式真空泵，或設置有冷凝阱之渦輪式分子泵。 另外，沉積室150具有用以引進沉積氣體等等之氣體 引進單元159。例如，以引進包括稀有氣體作爲主要成分 且添加氧之氣體、及藉由反應式濺鍍法來執行沉積的此種 方式形成氧化膜。作爲由氣體引進單元159所引進的氣體 ，可使用減少諸如氫、水、及氫化物等雜質之高純度氣體 。例如’可引進氧、氮、稀有氣體（典型上爲氬）、或這些 的任一者之混合氣體。 在具有壓力調整單元157和氣體引進單元159之沉積 室150中，移除氫分子、諸如水（H20)等包括氫之化合物（ 及包括碳原子之化合物較佳）等等。因此，可減少沉積室 所形成之膜中的雜質濃度。 沉積室1 5 0和調整室係由閘閥1 6 1所分開。使用閘閥 161隔離室，以便能夠容易排除室中的雜質，及可維持乾 淨的沉積大氣。而且，在使室變乾淨之後，打開閘閥且自 室將基板運送出，藉以可抑制調整處理室的污染。需注意 的是，當不需要時可省略閘閥161。 -24- 201230203 需注意的是，沉積室1 5 0可具有在基板1 00沿著圖式 中的虛線（在圖2C所示之箭頭的方向上）滑動同時執行沉 積之結構。利用此種結構，可減少靶材的尺寸；因此，此 種結構適於使用大尺寸基板但是靶材的尺寸不如基板的尺 寸一般大之情況。 在第一加熱室121、第二加熱室122、及第三加熱室 123中，可在基板100上執行熱處理。 可設置使用電阻加熱器、燈、加熱氣體等等之裝置作 爲加熱裝置。 圖3Α及3Β圖解應用使用棒狀加熱器之加熱裝置的加 熱室之例子。圖3Α爲加熱室170的槪要橫剖面圖，其圖 解成垂直於基板移動之方向的橫剖面。圖3Β爲與基板移 動的方向成水平之橫剖面的槪要橫剖面圖。 如同在沉積室150中一般，由基板支撐部141所支撐 的基板1〇〇係可藉由移動單元143運送進出加熱室170。 在加熱室1 70中，棒狀加熱器1 7 1係與基板1 00平行 配置。圖3Α槪要圖解棒狀加熱器171的橫剖面之形狀。 可使用電阻加熱器或燈加熱器作爲棒狀加熱器1 7 1。電阻 加熱器包括使用引進加熱者。另外，使用其光具有紅外線 區的中間波長之燈較佳。藉由將棒狀加熱器171與基板 1 〇〇平行配置，可使其間距離均等，及可均勻執行加熱。 此外，可個別控制棒狀加熱器1 7 1的溫度較佳。例如，當 下部的加熱器被設定成比上部的加熱器還高之溫度時，可 以均勻溫度加熱基板。需注意的是，此實施例使用棒狀加 -25- 201230203 熱器；然而，加熱器並不侷限於具有此結構’及可使用平 面（板狀）加熱器。另外’可在移動此種加熱器的同時執行 熱處理。另一選擇是，可使用使用雷射之加熱方法。 在加熱室170中，保護板173係設置在棒狀加熱器 1 7 1與基板1 00之間。例如，設置保護板173 ’以便保護 棒狀加熱器1 7 1和基板1 〇〇，及可使用石英等等來形成。 除非需要否則不一定要設置保護板173。需注意的是，在 此結構中，棒狀加熱器171與基板100之間未設置快門板 ，如此可均勻加熱基板的整個表面。 另外，加熱室170具有壓力調整單元157和氣體引進 單元159，如同在沉積室150 —般。因此，在熱處理期間 以及甚至當其內未執行處移除理時，加熱室170可總是乾 淨和在減壓下。在加熱室170中，氫分子、諸如水（H20) 等包括氫之化合物（及包括碳原子之化合物較佳）等等，藉 以可減少加熱室所處理之膜中的雜質濃度、膜的介面中之 雜質濃度、或包括在膜的表面中或吸附至膜的表面之雜質 濃度。 利用壓力調整單元157和氣體引進單元159，可執行 鈍氣大氣或包括氧的大氣中之熱處理。需注意的是，作爲 鈍氣大氣，使用包括氮或稀有氣體（諸如氨、氖、或氬等） 作爲主要成分且未包括水、氫等等之大氣較佳。例如，引 進加熱室170內之氮或稀有氣體（諸如氦、氖、或氬等）的 純度爲6Ν(99·9999%)或更高、7N(99.99999%)或更高較佳（ 即、雜質濃度爲1 ppm或更低、O.lppm或更低較佳）。 -26- 201230203 接著，將說明各個處理室所特有之特徵及結構。 在第一沉積室1 1 1中，氧化物絕緣膜係形成在基 上。沉積裝置可以是濺鍍裝置或CVD裝置。可在第 積室111形成之膜可以是充作電晶體的基底層或閘極 層等等之膜；例如，可給定氧化矽、氮氧化矽、氧氮 、氧化鋁、氧化鎵、氮氧化鋁、氧氮化鋁、氧化給之 等、這些的任一者之混合膜等等。 在濺鍍裝置的例子中，例如，根據膜的種類來使 當的靶材。在CVD裝置的例子中，適當選擇沉積氣體 在第二沉積室112中，可藉由濺鍍法來形成氧化 。作爲此處所形成之氧化物膜，例如，可給定鋅和鎵 化物之膜。作爲沉積方法，可使用微波電漿濺鍍法 電漿濺鑛法、AC濺鍍法、或DC濺鑛法。 在第二沉積室112中，在由基板加熱單元155加 板至溫度600 °C或更低的同時可執行沉積。 在第一加熱室中，可以溫度高於或等於200 °C及 或等於700 t來加熱基板。而且，利用壓力調整單元 和氣體引進單元159，可在例如壓力被設定成10 Pa 正常大氣壓力之氧大氣、氮大氣、或氧和氮的混合大 執行熱處理。 在第三沉積室中，氧化物半導體膜係形成在基板 之上。氧化物半導體的例子爲包括至少Ζη之氧化物 體，及可沉積上面所給定之諸如In-Ga-Ζη-Ο爲基氧 半導體等氧化物半導體。 板之 ——沉 絕緣 化矽 膜等 用適 〇 物膜 的氧 、RF 熱基 低於 157 至1 氣中 100 半導 物 -27- 201230203 在由基板加熱單元155以高於或等於20(TC及低於或 等於600°C的沉積溫度來加熱基板的同時可執行沉積。 在第二加熱室122中，可以溫度高於或等於20(TC及 低於或等於700°C來加熱基板100。而且，利用壓力調整 單元157和氣體引進單元159，可在高於或等於10 Pa& 低於或等於1正常大氣壓力之壓力下，在包括氧或氮且諸 如氫、水、及氫氧根等雜質被極度減少的大氣中，執行熱 處理。 在第四沉積室中，氧化物半導體膜係形成在基板丨00之上 ’如同在第三沉積室一般。例如，可將靶材用於In-Ga-Ζη-Ο爲 基氧化物半導體來形成In-Ga-Zn-Ο爲基氧化物半導體。 此外’可在以溫度高於或等於200°C及低於或等於600°C 加熱基板的同時執行沉積。 最後，在第三加熱室中，可以溫度高於或等於400 t 及低於或等於750°C在基板100上執行熱處理。 而且，利用壓力調整單兀157和氣體引進單元159， 可在氮大氣 '氧大氣、或氮和氧的混合大氣中執行熱處理 〇 此實施例所說明之沉積裝置具有從載入室經由各個處 理室到卸除室全面防止暴露至空氣，而且可總是在乾淨及 降壓環境下轉移基板之結構。因此，可抑制雜質進入利用 此沉積裝置所形成之膜的介面內，以便能夠形成其介面狀 態非常令人滿意之膜。 藉由下面所示之方法等等，以此實施例所說明之沉積 -28- 201230203 裝置ι〇所形成的氧化物半導體層被用於諸如電晶體等半 導體裝置，藉以可實現具有穩定電特性和高可靠性之半導 體裝置。而且，利用此實施例所說明之沉積裝置10 ’藉由 使用減少雜質濃度之一系列裝置，甚至在諸如母玻璃等大 尺寸基板上，在未暴露至空氣之下，可連續執行氧化物半 導體層的形成步驟。 此實施例可與此說明書所說明之其他實施例的任一者 適當組合實施。 (氧化物半導體層的形成方法之例子） 在此實施例中，將參考圖4A至4F和圖5C至5C說 明藉由使用上述沉積裝置在絕緣層之上形成氧化物半導體 層的方法之例子。方法可以應用到薄膜電晶體。 首先，圖1A及圖1B所示之基板1〇〇被運送到載入室 1 0 1 內。 作爲基板100，可使用由熔合法或飄浮法等等所形成 之非鹼性玻璃基板。作爲基板100，可使用第五至第十二 代的任一者、第八至第十二代較佳之大尺寸母玻璃。 在基板100被運送到載入室101之後，載入室101被 排氣成真空。此處’當在其內執行預熱的同時排空載入室 時’可去除吸附到基板100的氣體（包括諸如氫分子、水 、及氫氧根等雜質）。 接著’在第一沉積室111中，藉由濺鍍法或CVD法 形成氧化物絕緣層2 01。使用氧化矽、氮氧化矽、氧氮化 -29- 201230203 矽、氧化鋁、氧化鎵、氮氧化鋁、氧氮化鋁、及氧化鉛之 任一者’或這些的任一者之混合材料來形成氧化物絕緣層 201。氧化物絕緣層201的厚度大於或等於1〇 nm及小於 或等於200 nm。 在此實施例中’ 1 00 nm厚的氧化矽膜係藉由濺鍍法所 形成及被使用作爲氧化物絕緣層2 0 1。 然後，將基板轉移到第二沉積室112，及形成氧化物 膜203。氧化物膜203係藉由微波電漿濺鍍法、RF電漿濺 鍍法、AC濺鍍法、或DC濺鍍法所形成。所利用之方法係 可考量靶材的導電性、靶材的尺寸、基板的面積等等來決 定。 關於靶材，在氧化物膜203爲鎵和鋅之氧化物的例子 中，可使用鎵和鋅的比例被調整，以便鎵的比例， Ga/(Ga + Zn)大於或等於0.2及小於0.8、大於或等於0.3及 小於0.7較佳之氧化物。需注意的是，通常已知依據沉積 表面的大氣和溫度，靶材的組成不同於所獲得的膜之組成 :例如，甚至當使用導電靶材時，仍減少所獲得的膜之鋅 的組成，以便在某些例子中所獲得的膜具有絕緣特性或半 導體性。 在此實施例中，使用鋅和鎵的氧化物；溫度高於或等 於200°C中之鋅的蒸汽壓力高於鎵的蒸汽壓力。因此，當 以200 °C或更高加熱基板1〇〇時，氧化物膜203的鋅之濃 度低於靶材的鋅之濃度。因此，考量此事實’需要將靶材 的鋅之濃度設定在較高濃度。當增加鋅的濃度時’通常提 -30- 201230203 高氧的導電性；因此，使用D C濺鍍法較佳。 以下面方式可獲得用於濺鍍之靶材：在混合和預烘烤 氧化鎵的粉末和氧化鋅的粉末之後，執行塑模；然後，執 行烘烤。另一選擇是，可充分混合和塑模晶粒尺寸爲1 〇〇 nm或更低之氧化鎵的粉末和晶粒尺寸爲1 00 nm或更低之 氧化鋅的粉末。 氧化物膜2 03係藉由氫、水等等不容易進入氧化物膜 2〇3之方法來形成較佳。沉積大氣可以是稀有氣體（典型上 爲氬）大氣、氧大氣、稀有氣體和氧之混合大氣等等。充 分移除諸如氫、水、氫氧根、及氫化物等雜質之高純度氣 體的大氣較佳，以防止氫、水、氫氧根、氫化物等等進入 氧化物膜2 0 3。 當膜形成時之基板溫度被設定成高於或等於100°C及 低於或等於600°C、高於或等於200°C及低於或等於400°C 較佳時亦可防止雜質的進入。此外，可使用諸如低溫泵、 離子泵、或鈦昇華泵等誘捕式真空泵或設置有冷凝阱之渦 輪式分子泵作爲排空單元。藉由使用上述排空單元之排空 ’可移除氫分子、諸如水等包括氫原子之化合物（及包括 碳原子之化合物較佳）等等。因此，可減少沉積室所形成 之氧化物膜203中的雜質濃度。 圖4A爲此階段之槪要橫剖面圖。 接著’將基板運送到第一加熱室1 2 1，及執行第一熱 處理。 在第一加熱室121中，例如，在壓力爲1〇 pa至1正 -31 - 201230203 常大氣壓力和大氣爲氧大氣'氮大氣、及氧和氮的混合大 氣之任一者的條件下，以400°C至700t執行熱處理達10 分鐘至24小時。然後，如圖4B所示，改變氧化物膜203 的品質，以便在表面的附近形成具有高濃度的鋅之氧化物 半導體層203 a，及其他部位變成具有低濃度的辞之氧化物 絕緣層2 0 3 b。 需注意的是，隨著加熱時間越長，加熱溫度越高，及 加熱時之壓力越低，鋅容易被蒸發及氧化物半導體層203 a 傾向是薄的。 氧化物半導體層203a的厚度爲3 nm至15 nm較佳。 氧化物半導體層203a的厚度係可藉由如上述之加熱時間 、加熱溫度、及加熱時的壓力，或者藉由氧化物膜203的 組成和厚度來控制。氧化物膜203的組成係可藉由膜形成 時之基板溫度與靶材的組成來控制；因此，可適當設定這 些 〇 所獲得的氧化物半導體層203 a具有導電性：在晶體 結構之X射線繞射分析中’ a平面或b平面的繞射強度對 c平面的繞射強度之比例大於或等於〇及小於或等於〇 . 3 ，如此，氧化物半導體層203 a具有c軸對準。在此實施 例中，氧化物半導體層203a爲鋅爲主要金屬成分之氧化 物。 另一方面，氧化物絕緣層 203b中之鎵的比例 Ga/(Ga + Zn)可以是0.7或更多、0.8或更多較佳。需注意 的是，在接近表面之部位（例如在與氧化物半導體層203 a -32- 201230203 相接觸之部位）的氧化物絕緣層203 b中之鎵的比例具有最 低値，及比例朝基板增加。相反地，接近表面的部位中之 鋅的比例具有最高値，及比例朝基板減少。 需注意的是，在此熱處理中，在氧化物半導體層2 03 a 的表面附近亦離析諸如鋰、鈉、鉀等鹼性金屬並且蒸發； 因此，充分減少氧化物半導體層2 03a中之濃度和氧化物 絕緣層203b中之濃度。這些鹼性金屬對電晶體而言是不 受歡迎的金屬；如此，這些鹼性金屬包括在用於形成電晶 體之材料中盡可能越少越好較佳。因爲這些鹼性金屬比鋅 更容易被蒸發；因此，在移除這些鹼性金屬時熱處理步驟 是有效的。 經由此種處理，例如，氧化物半導體層203 a和氧化 物絕緣層203b的每一個中之鈉的濃度可以是5 X 1016 citT3 或更低、1 X 1〇16 cnT3或更低較佳、1 X 1015 cnT3或更低 更好。同樣地，氧化物半導體層2 03a和氧化物絕緣層 203b的每一個中之鋰的濃度可以是5 X 1015 cnT3或更低 、1 X 1015 cnT3或更低較佳；氧化物半導體層203a和氧化 物絕緣層203b的每一個中之鉀的濃度可以是5 X 1〇15 cm·3 或更低、1 X 1〇15 cm'3或更低較佳》 然後，將基板轉移到第三沉積室，及形成氧化物半導 體膜204。在此實施例中，利用銦-鎵-鋅爲基氧化物作爲 氧化物半導體。換言之，氧化物半導體膜204係藉由使用 銦-鎵-鋅爲基氧化物作爲靶材之濺鍍法所形成。 氧化物靶材的塡充率高於或等於9 0%及低於或等於 -33- 201230203 100%、高於或等於95%及低於或等於99%較佳。藉由使用 具有高塡充率之氧化物靶材’所獲得的氧化物半導體膜可 具有高密度。關於耙材的組成比，例如，使用具有原子比 I π · G a · Ζ π= 1 · 1: 1、4:2:3、3: 1:2、1: 1:2、2: 1 : 3、或3 : 1 : 4之In-Ga-Zn-Ο靶材。需注意的是，靶 材的材料和組成比並不侷限於此。例如，可使用具有組成 比In : Ga : Zn=l : 1 : 0.5[莫耳比]之氧化物靶材。 如下面說明一般’關於所獲得的氧化物半導體膜之組 成，金屬組成中的佳之比例（莫耳比）爲0.2或更多較佳。 例如，在In : Ga : Zn=l : 1 : 2之例子中，鎵的比例爲 0.25 :在In : Ga : Zn=l : 1 : 1之例子中，鎵的比例爲 0.33 ;及在In : Ga : Zn=l : 1 : 〇.5之例子中，鎵的比例爲 0_4。 氧化物半導體膜2 04係藉由氫、水等等不容易進入氧 化物半導體膜204之方法來形成較佳。沉積大氣可以是稀 有氣體（典型上爲氬）大氣、氧大氣、或稀有氣體和氧之混 合大氣。充分移除諸如氫、水、氫氧根、及氫化物等雜質 之商純度氣體的大氣較佳，以防止氫、水、氣氧根、氫化 物等等進入氧化物半導體膜204。 氧化物半導體膜204的厚度大於或等於3 nm及小於 或等於30 nm較佳。這是因爲當氧化物半導體膜太厚時（ 如、厚度爲5 0 nm或更多）電晶體會正常開。 形成氧化物半導體膜204時之基板溫度高於或等於 l〇(TC及低於或等於600°C、高於或等於200t及低於或等 -34- 201230203 於400°C較佳、高於或等於250°C及低於或等於300°C更好 。較佳的是，膜形成時之基板溫度高較佳，因爲可抑制上 述雜質的進入。 此外，可使用諸如低溫栗、離子泵、或鈦昇華泵等誘 捕式真空泵，或設置有冷凝阱之渦輪式分子泵作爲排空單 元。在利用此種排空單元排空之沉積室中，移除氫分子、 諸如水（H20)等包括氫原子之化合物（及包括碳原子之化合 物較佳）等等，藉以可減少沉積室所形成之氧化物半導體 膜204中的雜質濃度。 在氧化物半導體被用於電晶體之例子中，諸如鋰、鈉 、鉀等鹼性金屬或鹼性土金屬並非受歡迎的金屬；因此， 鹼性金屬或鹼性土金屬包括在用於形成電晶體之材料中越 少越好較佳。 在鹼性金屬中，尤其是，鈉擴散在與氧化物半導體相 接觸之氧化物絕緣體中成爲鈉離子。鈉切斷金屬元素與氧 之間的鍵結’或進入氧化物半導體中的鍵。結果，電晶體 特性退化（如、電晶體變成正常開（臨界電壓位移到負側）或 遷移率減少）。此外，此亦導致特性變化。 在氧化物半導體中的氫濃度極低之例子中此種問題尤 其明顯。因此，在氧化物半導體中的氫濃度爲5 X 1019 cm-3 或更低，尤其是5 X 1018 cm_3或更低之例子中，鹼性金屬 的濃度強烈需要被充分降低。 例如，氧化物半導體膜204中之鈉的濃度可以是5 X 1016 cm·3或更低、1 X 1〇16 cm·3或更低較佳、i x 10i5 或更低 -35- 201230203 更好。同樣地，氧化物半導體膜204中之鋰的濃度可以是 5 X 1015 cm — 3或更低、1 X 1〇15 cnT3或更低較佳；氧化物 半導體膜204中之鉀的濃度可以是5 X 1015 cnT3或更低、 1 X 1015 cuT3或更低較佳。 圖4C爲此階段之槪要橫剖面圖。. 接著，將基板1 00轉移到第二加熱室1 22，及執行第 二熱處理。 藉由在氧化物半導體膜2 04上執行第二熱處理，藉由 使用氧化物半導體層2 0 3 a中之晶體作爲核心，晶體生長 發生在氧化物半導體膜204中，以便氧化物半導體層203a 和氧化物半導體膜204被組合，及如圖4D所示一般形成 c軸對準結晶氧化物半導體層204a。 同時，移除氧化物半導體膜204中之過量的氫（包括 水及氫氧根），及改良氧化物半導體膜204的結構，以便 可減少能帶隙中的缺陷位準。 另外，亦可藉由第二熱處理移除氧化物絕緣層201及 氧化物絕緣層203b中之過量的氫（包括水及氫氧根）。第二 熱處理的溫度高於或等於25(TC及低於或等於650 °C、高 於或等於3 00°C及低於或等於5 00°C較佳。 需注意的是，圖4D之虛線表示氧化物半導體膜204 與氧化物半導體層2 03a之間的介面；然而，因爲由於第 二熱處理將氧化物半導體層203a和氧化物半導體膜204 組合成爲氧化物半導體層204a，所以介面不清楚。 接著，將基板運送到第四沉積室114內，及藉由類似 -36- 201230203 於第三沉積室113中所使用之方法的方法，將氧化物半導 體膜205形成在氧化物半導體層2 04 a之上。 將上述靶材用於氧化物半導體可沉積氧化物半導體。 在此實施例中，使用用於In-Ga-Zn-0爲基氧化物半導體 之靶材（In : Ga : Zn=l : 1 : 1[莫耳比])，基板溫度被設定 成高於或等於10(TC及低於或等於600°C、高於或等於200 °C及低於或等於400°C較佳 '高於或等於250°C及低於或 等於300°更好，及氧化物半導體膜205被形成厚度10 nm 或更多（見圖4E)。 然後，將基板100轉移到第三加熱室123，及執行第 三熱處理。 在氮大氣或乾燥空氣中，以溫度高於或等於400°C及 低於或等於75 0°執行第三熱處理達長於或等於1分鐘及短 於或等於2 4小時。 藉由第三熱處理，藉由使用氧化物半導體層204a中 之晶體作爲核心，晶體生長發生在氧化物半導體膜205中 。結果’氧化物半導體膜20 5和氧化物半導體層204a被 組合’成爲氧化物半導體層2 0 5 a。圖4 F爲此狀態之槪要 橫剖面圖。此處’氧化物半導體層2 0 5 a中之虛線表示氧 化物半導體膜205與氧化物半導體層204a之間的介面； 然而，介面事實上不清楚。 需注意的是’此實施例使用鎵爲主要金屬元素之氧化 物絕緣層2 0 3 b。當此種材料與尤其金屬元素中的鎵之比例 爲0.2或更多之氧化物半導體相接觸時，可充分抑制在氧 -37- 201230203 化物絕緣層203b與氧化物半導體膜之間的介 電荷。藉由將此種膜用於半導體裝置，可設置 半導體裝置。 最後，基板1 〇〇被運送到卸除室1 02，及三 經由上述一連串步驟，可將具有C軸對準 的雜質濃度之氧化物半導體層205a形成在基彳 。將以沉積裝置所形成之具有c軸對準及極度 濃度之半導體層用於諸如電晶體等半導體裝置 現具有穩定電特性和高可靠性之半導體裝置。 此處，在此實施例中，將包括在上述沉積 有沉積室和加熱室用於形成氧化物半導體層； 用之沉積室和加熱室之組合時，可執行複數個 可形成各種氧化物半導體層。下面將說明用以 包括在沉積裝置中之沉積室和加熱室來形成氧 層的方法作爲修改例子。 (修改例子1) 將說明用以在基板100之上形成圖5A所 絕緣層211、氧化物絕緣層213b、及具有c軸 氧化物半導體層215a的方法。 以類似於上述例子之方式的方式執行上至 —加熱室121中執行第一熱處理之步驟的步驟 在第一沉積室1 1 1中形成氧化物絕緣層2 1 1， 室112中將氧化物膜形成在氧化物絕緣層之上 面中捕獲之 高度可靠的 S成處理。 及極’度減少 反100之上 減少的雜質 ，藉以可實 裝置中之所 當改變所使 製造步驟及 選擇性使用 化物半導體 示的氧化物 對準晶性之 及包括在第 «換言之， 在第二沉積 ，及在第一 -38- 201230203 加熱室121中執行第一熱處理。藉由第一熱處理，氧化物 膜的下層變成氧化物絕緣層213b，及其上層變成具有c軸 對準晶性之氧化物半導體層。 接著，在第三沉積室113中，在加熱基板100的同時 形成氧化物半導體膜。例如，在使用氧化物半導體用的靶 材（In-Ga-Zn-Ο 爲基氧化物半導體（In2〇3 : Ga203 : ZnO=l :1: 1[莫耳比])用的靶材）、基板與靶材之間的距離爲 170 mm、基板溫度爲250°C、壓力爲0.4 Pa、及直流（DC) 功率爲0.5 kW之條件下，在氧大氣、氬大氣、或包括氬 和氧之大氣中，將氧化物半導體膜形成至厚度30 nm。 接著，在第二加熱室122中執行第二熱處理。第二熱 處理的溫度爲200 °C或更高、高於或等於400°C及低於或 等於700 °C較佳。藉由第二熱處理，藉由使用具有c軸對 準晶性之氧化物半導體層作爲核心，晶體生長發生在上述 氧化物半導體膜，以便形成具有c軸對準晶性及未包括介 面之氧化物半導體層215a。 之後，僅轉移基板1 〇〇經過第四沉積室1 1 4和第三加 熱室123而未在其內處理，及將基板100運送到拆卸室 102° 經由上述步驟，可形成具有c軸對準和極度減少雜質 濃度之氧化物半導體層。 (修改例子2) 將說明用以在基板1 〇〇之上形成圖5B所示的氧化物 -39- 201230203 絕緣層221及具有c軸對準之氧化物半導體層225a的方 法。 首先，將基板從載入室1 0 1轉移到第一沉積室1 1 1， 及形成氧化物絕緣層22 1。之後，僅將基板轉移經過第二 沉積室112而未在其內處理。然後，將基板運送到第一加 熱室121及執行第一熱處理。藉由第一熱處理，可移除氧 化物絕緣層221中之諸如氫、水、及氫氧根等雜質。需注 意的是，稍後所執行之第二熱處理亦能夠充作第一熱處理 ，而不必執行第一熱處理。 然後，在第三沉積室113中，以基板溫度高於或等於 2〇〇°C及低於或等於40(TC形成具有厚度大於或等於1 nm 及小於或等於10 nm之第一氧化物半導體膜。例如，在使 用氧化物半導體用的靶材（Ιη-Ga-Zn-O爲基氧化物半導體 (ln203 : Ga203 : ZnO=l : 1:2[莫耳比])用的靶材）、基板 與靶材之間的距離爲170 mm、基板溫度爲250°C、壓力爲 0.4 Pa、及直流（DC)功率爲0.5 kW之條件下，在氧大氣、 氬大氣、或包括氬和氧之大氣中，將第一氧化物半導體膜 形成至厚度5 nm。 之後，在第二加熱室122中執行第二熱處理，以便第 一氧化物半導體膜變成具有c軸對準之結晶氧化物半導體 膜。在氮的大氣或乾燥空氣中，以溫度高於或等於400 °C 及低於或等於750 °C來執行第二熱處理較佳。在未執行第 一熱處理之例子中，可藉由第二熱處理移除氧化物絕緣層 中之包括氫的雜質。 -40- 201230203 接著’在第四沉積室114中形成具有厚度大於10 nm 之第二氧化物半導體膜。例如，在使用氧化物半導體用的 靶材（In-Ga-Zn-Ο爲基氧化物半導體（In2〇3 : Ga203 : ZnO = l : 1 : 2[莫耳比])用的靶材）、基板與靶材之間的距 離爲170 mm、基板溫度爲400°C、壓力爲0.4 Pa、及直流 (DC)功率爲0.5 kW之條件下，在氧大氣、氬大氣、或包 括氬和氧之大氣中，將第二氧化物半導體膜形成至厚度25 nm ° 藉由以設定成高於或等於200°C及低於或等於400°C 之溫度來形成第二氧化物半導體膜，可將先質配置在形成 於第一氧化物半導體膜的表面之上且與第一氧化物半導體 膜的表面相接觸之氧化物半導體膜中，及可獲得所謂的整 齊性。 然後，在第三加熱室123中執行第三熱處理。在氮的 大氣或乾燥空氣中，以溫度高於或等於400 °C及低於或等 於75 0°C來執行第三熱處理達長於或等於1分鐘及短於或 等於24小時，以便能夠形成具有c軸對準之結晶氧化物 半導體層225a » 經由上述步驟，可形成具有c軸對準及極度減少雜質 濃度之氧化物半導體層。 (修改例子3) 將說明用以在基板1 00之上形成圖5C所示的氧化物 絕緣層231和氧化物半導體層234之方法。 -41 - 201230203 首先，將基板100從載入室101轉移到第一沉積室 1 1 1，及形成氧化物絕緣層2 3 1。作爲氧化物絕緣層2 3 1， 例如，藉由濺鍍法形成1 00 nm厚的氧化矽膜。 然後，僅轉移基板100經過第二沉積室112而未在其 內處理，及在第一熱處理室121中執行第一熱處理。藉由 第一熱處理，可移除氧化物絕緣層231中之諸如氫、水、 及氫氧根等雜質。需注意的是，稍後所執行之第二熱處理 亦能夠充作第一熱處理，而不必執行第一熱處理。 接著，將基板轉移到第三沉積室1 1 3，及形成氧化 物半導體層234。例如，在使用氧化物半導體用的靶材 (In-Ga-Zn-Ο 爲基氧化物半導體（ln203: Ga203: ZnO = l: 1 :2[莫耳比])用的靶材）、基板與靶材之間的距離爲170 mm'基板溫度爲400 °C、壓力爲0.4 Pa、及直流（DC)功率 爲0.5 kW之條件下，在氧大氣、氬大氣、或包括氬和氧 之大氣中，將氧化物半導體層234形成至厚度30 nm。 然後，將基板轉移到第二加熱室122，及執行第二熱 處理。藉由第二熱處理，可移除氧化物半導體層234中之 諸如氫、水、及氫氧根等雜質，及可獲得極度減少雜質之 氧化物半導體層2 34。在氮、氧、以氬爲代表之稀有氣體 、或這些的任一者之混合氣體的大氣中，以溫度高於或等 於250 °C及低於或等於750 °C、高於或等於400 °C及低於或 等於75 0°C較佳來執行第二熱處理。 之後，僅轉移基板1 〇〇經過第四沉積室1 1 4和第三加 熱室123而未在其內處理，及基板被運送到卸除室1〇2。 -42- 201230203 經由上述步驟，獲得形成在氧化物絕緣層 且具有減少的雜質濃度之氧化物半導體層234 在不需要氧化物絕緣層23 1之例子中，可 積室1'ίί中之沉積處理和第一加熱室121中之 經由上述步驟，可形成具有極度減少的雜 化物半導體層。藉由經由此種步驟形成氧化物 可進一步簡化處理，如此較佳。 需注意的是，使用玻璃基板作爲此實施例 氧化物半導體層之方法的說明之基板100。當 到底閘極電晶體的製造處理時，例如，可使用 電極層之基板作爲基板；如此，可使用製造處 的基板。 此外，此實施例所說明之沉積裝置具有從 各個處理室到卸除室全面防止暴露至空氣，而 乾淨及降壓環境下轉移基板之結構。因此，可 入利用此沉積裝置所形成之膜的介面內，以便 介面狀態非常令人滿意之膜。藉由將此種膜用 置，例如，可抑制介面中之捕獲位準的產生， 裝置可具有高可靠性。 如上述，利用本發明的一實施例之沉積裝 用減少雜質濃度之一系列裝置，甚至在諸如母 寸基板上，仍可在未暴露至空氣之下連續執行 體層的形成步驟。以沉積裝置所形成之氧化物 具有極度減少的雜質濃度之半導體層。此種半 23 1之上並 〇 省略第一沉 熱處理。 質濃度之氧 半導體層， 中用以形成 將方法應用 設置有閘極 理之階段中 載入室經由 且可總是在 抑制雜質進 能夠形成其 於半導體裝 如此半導體 置，藉由使 玻璃等大尺 氧化物半導 半導體層爲 導體層被用 -43- 201230203 於諸如電晶體等半導體裝置，藉以可實現具有穩定電特性 和高可靠性之半導體裝置。 此實施例可與此說明書所說明之其他實施例的任一者 適當組合實施。 (電晶體之製造方法的例子） 在此實施例中，將參考圖6A至6E說明藉由使用上述 沉積裝置製造底閘極電晶體之方法的例子。 圖6E爲底閘極電晶體3 00之橫剖面圖。底閘極電晶 體3 00在具有絕緣表面的基板100之上包括基底絕緣層 3 07、閘極電極層3 09、閘極絕緣層301、包括通道形成區 之氧化物半導體層 305b、源極電極層311a、汲極電極層 311b、及氧化物絕緣層313a。源極電極層311a和汲極電 極層311b係設置在氧化物半導體層305b之上。充作通道 形成區之區域爲氧化物半導體層305b之區域的一部分， 其與閘極電極層3 09重疊，具有閘極絕緣層301位在其間 〇 設置保護絕緣層313b以覆蓋氧化物絕緣層313a。 下面將參考圖6A至6E說明用以在基板100之上製造 底閘極電晶體3 00的處理。 首先，基底絕緣層307係形成在基板100之上。 藉由使用氧化矽膜、氧化鎵膜、氧化鋁膜、氮化矽膜 、氮氧化矽膜、氮氧化鋁膜、及氧氮化矽膜的其中之一， 或包括這些膜的任一者之疊層，藉由PCVD法或濺鎪法將 • 44- 201230203 基底絕緣層307形成至具有厚度大於或等於50 nm及小於 或等於6 00 nm。基底絕緣層307包括超過膜的（塊狀中）之 化學計量組成比的氧量之氧量較佳。例如，在使用氧化矽 膜之例子中，組成式爲Si〇2 + a(a>0)。 在此實施例中，藉由濺鍍法將50 nm厚的氧化矽膜形 成作基底絕緣層307。 在使用包括諸如鹼性金屬等雜質的玻璃基板之例子中 ，可藉由PCVD法或濺鍍法形成氮化矽膜、氮化鋁膜等等 作爲基底絕緣層307與基板100之間的氮化物絕緣層，以 便防止鹼性金屬進入。因爲諸如Li或Na等鹼性金屬爲雜 質，所以減少此種鹼性金屬的含量較佳。 接著，導電膜係形成在基底絕緣層3 07之上，而後經 過光致微影步驟，以便形成閘極電極層3 09。 使用諸如鉬、鈦、鉬、鎢、鋁、銅、銨、及銃等金屬 材料的任一者，或包括這些材料的任一者作爲主要成分之 合金材料，可藉由濺鍍法等等將用於閘極電極層309之導 電膜形成具有單層結構或疊層結構。 在此實施例中，藉由濺鍍法形成具有厚度150 nm之 鎢膜作爲用於閘極電極層的導電膜。 然後，在其上形成閘極電極層309之基板100被運送 到載入室101。在載入室中，可在基板100上執行預熱。 當執行預設的同時執行排空處理時，可排除吸收至基板之 包括氫的雜質，包括碳等雜質更好。 接著，基板100被運送到第一沉積室111，及形成閘 -45- 201230203 極絕緣層3 0 1。 閘極絕緣層3 0 1爲氧化物絕緣層，其係藉由使用氧化 矽、氮氧化矽、氧氮化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮氧化鋁、 氧氮化鋁、及氧化給的任一者，或這些的任一者之混合材 料，以電漿CVD法、濺鍍法等等所形成以具有單層結構 或疊層結構。閘極絕緣層301的厚度大於或等於10 nm及 小於或等於200 nm。 在此實施例中，藉由濺鍍法形成100 nm厚的氧化矽 膜作爲閘極絕緣層3 0 1。 圖6A爲此階段的槪要橫剖面圖。 接著，僅將基板1 〇〇轉移經過第二沉積室1 1 2而未在 其內處理，及將基板1 00轉移到第一加熱室1 2 1以經過第 —熱處理。 藉由第一熱處理，可有效移除包括在閘極絕緣層301 中之氫和包括諸如水等氫及氫氧根等雜質，如此可抑制上 述雜質擴散到梢後所形成之氧化物半導體層內；因此，執 行第一熱處理較佳。需注意的是，稍後所執行的第二熱處 理亦能夠充作第一熱處理。 接著，將基板運送到第三沉積室1 1 3內，及形成具有 厚度大於或等於1 nm及小於或等於10 nm之第一氧化物 半導體膜。 在此實施例中，在使用氧化物半導體用的靶材（In-Ga-Zn-0 爲基氧化物半導體（ln203 : Ga203 : ZnO=l : 1 : 2[莫耳比]) 用的靶材）、基板與靶材之間的距離爲1 70 mm、基板溫度 -46- 201230203 爲250 °C、壓力爲〇·4 Pa、及直流（DC)功率爲0.5 kW之條 件下，在氧大氣、氬大氣、或包括氬和氧之大氣中，將第 一氧化物半導體膜形成至厚度5 nm。 接著，將基板轉移到第二加熱室1 22，及執行第二熱 處理。在氮的大氣或乾燥空氣中，以溫度高於或等於400 °C及低於或等於750 °C來執行第二熱處理。此外，第二熱 處理的加熱時間長於或等於1分鐘及短於或等於24小時 。藉由第二熱處理，將第一氧化物半導體膜結晶，以便形 成具有c軸對準之結晶氧化物半導體層3 04 a(見圖6B)。 然後，基板被運送到第四沉積室114內，及形成具有 厚度大於1〇 nm之第二氧化物半導體膜。 在此實施例中，在使用氧化物半導體用的靶材（In-Ga-Zn-0 爲基氧化物半導體（ln203: Ga203: ZnO=l : 1 : 2[莫耳比]) 用的靶材）、基板與靶材之間的距離爲1 7 〇 mm、基板溫度 爲400 °C、壓力爲〇.4 Pa、及直流（DC)功率爲0.5 kW之條 件下，在氧大氣、氬大氣、或包括氬和氧之大氣中，將第 二氧化物半導體膜形成至厚度25 nm。 接著，基板被運送到第三加熱室123，及執行第三熱 處理。在氮的大氣或乾燥空氣中，以溫度高於或等於400 °C及低於或等於7 5 0 °C來執行第三熱處理較佳。此外，第 三熱處理的加熱時間長於或等於1分鐘及短於或等於24 小時。藉由第三熱處理，藉由使用氧化物半導體層3 04 a 中的晶體作爲核心來結晶第二氧化物半導體膜，以便形成 第二氧化物半導體膜與氧化物半導體層3 04a組合之氧化 -47- 201230203 物半導體層3 05 a(見圖6C)。 需注意的是，虛線表示氧化物半導體層3 04a與第二 氧化物半導體膜之間的介面；然而，因爲藉由第三熱處理 將這些組合成氧化物半導體層305a，所以介面不清楚。 當以高於750 °C的溫度執行第二熱處理和第三熱處理 時，由於玻璃基板的收縮，容易在氧化物半導體層中產生 龜裂（延伸在厚度方向上之龜裂）。如此，在形成第一氧化 物半導體膜之後所執行的熱處理之溫度（例如、第二熱處 理和第三熱處理的溫度、藉由濺鍍之沉積時的基板溫度等 等）被設定成750 °C或更低、450 °C或更低較佳，藉以可在 大尺寸玻璃基板之上製造高度可靠的電晶體。 然後，基板 1 〇〇被運送到卸除室1 02，及從卸除室 102將基板運送出裝置。 接著，處理氧化物半導體層3 05a，以便形成具有島型 之氧化物半導體層3 05b。 可在將具有想要形狀的遮罩形成在氧化物半導體層之 上後’藉由蝕刻處理氧化物半導體層。遮罩係可藉由諸如 光致微影等方法來形成。另一選擇是，可藉由諸如噴墨法 等方法來形成遮罩。· 關於氧化物半導體層的蝕刻，可利用濕蝕刻或乾蝕刻 。無須說，可組合利用它們二者。 圖6D爲此點的槪要橫剖面圖。 接著’用以形成源極電極層和汲極電極層（包括形成 在與源極電極層和汲極電極層相同層中之佈線）的導電膜 -48- •201230203 係形成在氧化物半導體層3〇5b之上且被處理，以 源極電極層3Ua和汲極電極層311b。 使用諸如鉬、鈦、鉅、鎢、鋁、銅、銨、及銃 材料的任一者’或包括這些材料的任一者作爲主要 合金材料’用於源極電極層311a和汲極電極層31 電膜係可藉由濺鑛法等等來形成，以具有單層結構 結構。 接著，形成氧化物絕緣層3 1 3 a和保護絕緣層 以覆蓋氧化物半導體層3 05b、源極電極層311a、 電極層3 1 1 b(見圖6E)。氧化物絕緣層313a係使用 絕緣材料來形成較佳，及在膜形成之後，執行第三 較佳。藉由第三熱處理，從氧化物絕緣層313a供 氧化物半導體層3〇5b。在鈍氣大氣、氧大氣、或氧 混合大氣中’以溫度高於或等於2 0 0 °C及低於或等 °C、高於或等於25(TC及低於或等於320。(：較佳來 三熱處理。此外，第三熱處理的加熱時間長於或等〗 鐘及短於或等於2 4小時。 爲了防止鹼性金屬進入，藉由濺鍍法形成氮化 爲保護絕緣層313b。因爲諸如Li或Na等鹼性金 質’所以減少此種鹼性金屬的含量較佳。氧化物半 中之鹼性金屬的濃度爲2 X 1016 cm·3或更低、1 X 1〇15 更低較佳。雖然在此實施例說明氧化物絕緣層3 1 3 護絕緣層3 1 3 b的兩層結構作爲例子，但是可使用 構。 便形成 等金屬 成分之 lb之導 或疊層 313b， 及汲極 氧化物 熱處理 應氧到 和氮的 於 400 執行第 冷1分 矽膜作 屬爲雜 導體層 cm·3 或 a和保 單層結 -49- 201230203 經由上述步驟，形成底閘極電晶體3 00。 在圖6E所示之底閘極電晶體3 00中，氧化 層305b被至少局部結晶及具有c軸對準。如此 高度可靠的底閘極電晶體300。 在此實施例中，以本發明的一實施例之沉積 成的氧化物半導體層被用於底閘極電晶體；然而 的結構並不侷限於此，及精於本技藝之人士容易 另一底閘極結構或頂閘極結構之電晶體的氧化物 之應用。 如上述，利用本發明的一實施例之沉積裝置 用減少雜質濃度之一系列裝置，甚至在諸如母玻 寸基板上，在未暴露至空氣之下，可連續執行氧 體層的形成步驟。以沉積裝置所形成之氧化物半 具有極度減少的雜質濃度之半導體層。使用此種 所製造之電晶體具有穩定電特性和高可靠性。 此實施例可與此說明書所說明之其他實施例 適當組合實施。 (具有對準之氧化物半導體膜） 如上述，藉由使用此實施例所說明之沉積裝 方法，可獲得具有對準之氧化物半導體膜。當使 化物半導體膜製造電晶體時，電晶體可具有高可 面將說明包括結晶氧化物半導體膜之電晶體的高 一原因。 物半導體 ，可達成 裝置所形 ，電晶體 想到具有 半導體層 ，藉由使 璃等大尺 化物半導 導體層爲 半導體層 的任一者 置和沉積 用此種氧 靠性。下 可靠性之 -50- 201230203 結晶氧化物半導體在金屬與氧之間的鍵結具有比非晶 氧化物半導體更高的整齊性（-Μ-0-Μ-，其中0表示氧原子 及Μ表示金屬原子）。換言之，在氧化物半導體具有非晶 結構之例子中，配位數會依據金屬原子而改變。相反地， 在結晶氧化物半導體之例子中，配位數大體上是均一的。 因此，可減少微小氧空位，及可減少由於在稍後說明之“ 空間”中之氫原子（包括氫離子）或鹼性金屬原子的附著或分 離所導致之不穩定性和電荷轉移。 另一方面，在非晶結構的例子中，因爲配位數依據金 屬原子而改變，所以金屬原子或氧原子的濃度用顯微鏡顯 示是不均勻的及會具有沒有原子存在的部位（“空間”）。在 此種“空間”中，例如，捕獲氫原子（包括氫離子）或鹼性金 屬原子，及在某些例子中結合到氧。另外，那些原子可能 移動經過此種“空間”》 原子的此種移動會導致氧化物半導體的特性變化，如 此此種原子的存在導致明顯可靠性的問題。尤其是，原子 的此種移動係由於施加高電場或光能所產生；因此，當在 此種條件下使用氧化物半導體時，其特性不穩定。也就是 說，非晶氧化物半導體的可靠性不如結晶氧化物半導體的 可靠性。 下面’將使用在電晶體（樣本1及樣本2)上事實上獲 得的結果來說明可靠性的差異。 作爲用以檢驗可靠性之方法，測量電晶體的Id-Vg曲 線，其係藉由當電晶體的閘極電極與源極電極之間的電壓 -51 - 201230203 (Vg)隨著以光照射的電晶體而改變時，測量電晶體的汲極 電極與源極電極之間的電流（Id)所獲得。在包括氧化物半 導體膜之電晶體中，當執行-BT測試時，即、當與以光照 射的電晶體一起施加負閘極應力時，產生改變電晶體的臨 界電壓之降解。此降解亦被稱作負偏壓溫度應力的光分解 〇 圖8圖式樣本1及2之負偏壓溫度應力光分解。 在圖8中，樣本2之Vth的變化量小於樣本1之Vth 的變化量。 圖9A爲依據在以光（波長：400 nm，照射強度：3.5 m W / c m2)照射樣本1達6 0 0秒之前和之後，測量樣本 1(L/W = 3 μηι/5 0μηι)的電晶體之光響應特性的結果所製作之 光響應特性圖（光電流的時間相依性圖）。需注意的是，源 極-汲極電壓（Vd)爲0.1 V。 圖9B爲依據在以光（波長：400 nm，照射強度：3.5 mW/cm2)照射樣本2達600秒之前和之後，測量樣本 2(L/W = 3 μιη/5 0μηι)的電晶體之光響應特性的結果所製作之 光響應特性圖（光電流的時間相依性圖）。 另外’在與樣本2相同的製造條件之下所形成及具有 較大的W寬度（L/W = 30 μπι/ΙΟΟΟΟμπι)之電晶體上，及在與 樣本2相同的製造條件之下所形成，具有較大的W寬度 ’及被供應有較高的Vd(Vd=15 V)的電晶體上執行測量， 及在測量結果上執行調合。兩種鬆弛時間（τ 1及τ2)圖示於 表格1。 -52- 201230203 [表1] Imax[A] τι [sec] T2[sec] 樣本 l:L/W=3/50,Vd=0.1V 4.60E-11 2.6 90 樣本 2:L/W=3/50，Vd=0.1V 9.20E-12 0.4 43 Ι7\ν=30/100000μιη， Vd=0.1V 6.20E-11 0.3 39 L/W=30/10000(^m， Vd=15V 9.20E-10 0.4 75 需注意的是，兩種鬆弛時間（τ 1及τ2)依據捕獲密度。 用以計算τΐ及τ2之方法被稱作光響應缺陷評估法。 從表格1發現在樣本2的製造條件下（負偏壓溫度應 力光分解小）所形成之電晶體的每一個具有比樣本1更高 的光響應特性。因此，可發現隨著負偏壓溫度應力光分解 越小，光響應特性越高之關係。 將說明其中一原因。若存在有深的施體位準及被施體 位準捕獲電洞’則在負偏壓溫度應力光分解中，電洞會被 施加到閘極之負偏壓變成固定電荷，及在光響應中電流値 的鬆弛時間會增加。包括結晶氧化物半導體膜之電晶體爲 什麼具有小的負偏壓應力光分解及高的光響應特性被歸因 於捕獲電洞的上述施體位準之低密度。圖10爲假設的施 體位準之槪要圖。 爲了檢驗施體位準的深度和密度之變化，執行使用低 溫PL的測量。圖11圖示在氧化物半導體膜的形成時之基 -53- 201230203 板溫度爲400 °C之例子中及在氧化物半導體膜的形成時之 基板溫度爲200°C之例子中的測量結果。 根據圖11，當氧化物半導體膜的形成時之基板溫度爲 400 °C時，約1.8 eV附近的峰値強度大幅小於在基板溫度 爲2 00 °C時之約1 .8 eV附近的峰値強度。測量結果指出在 施體位準的深度不改變的同時施體位準明顯減少。 在基板溫度的可變條件下所形成之氧化物半導體膜彼 此比較，及被各個評估作爲單一膜。 樣本A具有50 nm厚的氧化物半導體膜形成在石英 基板（厚度：0.5 mm)之上的結構。需注意的是，在下面 條件下形成氧化物半導體膜：使用氧化物半導體用的靶 材（In-Ga-Zn-Ο 爲基氧化物半導體（ln203 : Ga203 : ZnO = l :1 : 2[莫耳比])用的靶材）；基板與靶材之間的距離爲 170 mm;基板溫度爲200°C ;壓力爲0.4 Pa;直流（DC)功 率爲 0.5 kW;及大氣爲氣（30 seem)和氧（15 seem)的混合 大氣。 在室溫（300 K)測量電子旋轉諧振（ESR)。藉由將吸收 微波（頻率：9.5 GHz)之磁場（H0)的値用於等式g = hv/pH〇， 獲得g因數的參數。需注意的是，h及β分別表示Planck常 數和Bohr磁子，及二者皆爲常數。 圖12A爲樣本A的g因數圖。 以在與樣本A相同的條件下執行沉稹，而後在氮大氣 中以45 (TC執行加熱達1小時之此種方式來形成樣本B。 圖12B爲樣本B的g因數圖。 -54- 201230203 以在與樣本A相同的條件下執行沉積，而後在氮和氧 的混合大氣中以450°C執行加熱達1小時之此種方式來形 成樣本C。圖12C爲樣本C的g因數圖。 在樣本B的g因數圖中，可觀察到g= 1.93之訊號， 及旋轉密度爲1.8 X 1018 [spins/cm3]。另一方面，在樣本 C的ESR測量之結果中無法觀察到g= 1 .93的訊號，如此 g= 1.93的訊號被歸因於氧化物半導體膜中之金屬的懸鍵。 此外，樣本D、E、F、及G各個具有100 nm厚的氧 化物半導體膜形成在石英基板（厚度：0.5 mm)之上的結構 。需注意的是，在下面條件下形成氧化物半導體膜：使用 氧化物半導體用的靶材（Ιη-Ga-Zn-O爲基氧化物半導體 (ln 203 : Ga203 : ZnO=l : 1 : 2[莫耳比])用的靶材）；基板 與靶材之間的距離爲1 70 mm ;壓力爲0.4 Pa ;直流（DC) 功率爲0·5 kW;及大氣爲急（30 seem)和氧（15 seem)的混 合大氣。以不同的基板溫度形成樣本D、E、F、及G:樣 本D爲室溫，樣本E爲200 〇C，樣本F爲300°C，樣本G 爲 400°C。 用於樣本D、E、F、及G的g因數之圖以此順序圖示 於圖1 3。 在沉積時之基板溫度爲400°C之樣本G中，可觀察到 g=1.93的訊號，及旋轉密度爲1.3 X 1018 [spins/cm3]。旋 轉密度與樣本B所獲得之g= 1.93的訊號之旋轉密度爲相 同位準。 從這些結果，確認當沉積時之基板溫度增加時，g因 -55- 201230203 數的各向異性增加，其可被歸因於晶性的提高。結果意指 出產生訊號g=1.93之懸鍵依據膜厚度而定及存在於IGZO 的塊狀中。 圖14爲樣本B的ESR測量圖，及圖示磁場垂直施加 於基板表面的例子與磁場平行施加於基板表面的例子之間 的g因數之差（各向異性）。 圖1 5爲以與樣本G相同條件下執行沉積，而後在氮 大氣中以450°C執行加熱達1小時之此種方式來形成樣本 Η的ESR測量圖，及圖示磁場垂直施加於基板表面的例子 與磁場平行施加於基板表面的例子之間的g因數之差（各 向異性）。 由於圖1 4與圖1 5之間的比較結果，發現在基板溫度 爲200 °C中由於各向異性所導致之g因數的變化Ag爲 0.00 1或更低，反之在基板溫度爲400°C中變化Ag增加制 約0.003。通常已知各向異性隨著晶性變高而增加（軌道的 方向更加對準）。如此，引出結論如下：在基板溫度400°C 所形成之膜中，藉由在氮大氣中以4 5 0 °C加熱達1小時所 產生之金屬的懸鍵方向比以基板溫度20(TC所形成之膜中 者更加對準；即、前者具有比後者更高的晶性。 另外，在氧化物半導體膜的厚度之可變條件下執行 ESR測量。圖16及圖17圖示訊號g=1.93之強度變化》 從圖16及圖17的結果，確認訊號g= 1.93的強度隨著氧 化物半導體膜的厚度增加而增加。此指出產生訊號g= 1 .93 的懸鍵未存在於石英基板與氧化物半導體膜之間的介面或 -56- 201230203 氧化物半導體膜的表面中，但是在氧化物半導體膜的塊狀 中。 從這些結果發現，金屬的懸鍵具有各向異性，及各向 異性隨著沉積溫度越高而增加，因爲在較高的沉積溫度中 獲得較高的晶性。此外，發現金屬的懸鍵未存在於介面或 表面中而在塊狀中。 此申請案係依據日本專利局於20 1 0、9、1 3所發表之 日本專利申請案序號2010-204909，藉以倂入其全文做爲 參考。 【圖式簡單說明】 在附圖中： 圖1A及1B各個爲根據本發明的一實施例之用於半導 體裝置的沉積裝置之方塊圖； 圖2A至2C爲根據本發明的一實施例之用於半導體裝 置的沉積裝置； 圖3A及3B爲根據本發明的一實施例之用於半導體裝 置的沉積裝置； 圖4A至4F爲根據本發明的一實施例之形成半導體層 的方法； 圖5A至5C各個爲根據本發明的—實施例之半導體層 » 圖6A至6E爲根據本發明的一實施例之半導體裝置的 製造方法； -57- 201230203 圖7A及7B各個爲根據本發明的一實施例之二維晶體 的槪要圖； 圖8爲負偏壓溫度應力光分解之測量結果圖； 圖9A及9B爲光響應特性的測量結果圖； 圖1 〇爲施體位準之槪要圖； 圖1 1爲低溫PL測量之結果圖； 圖12A至12C各個爲g因數圖， 圖1 3爲g因數圖， 圖1 4爲E S R測量的結果圖； 圖1 5爲E S R測量的結果圖； 圖1 6爲E S R測量的結果圖；以及 圖1 7爲E S R測量的結果圖。 【主要元件符號說明】 1 〇 :沉積裝置 1 1 :沉積裝置 1〇〇 :基板 101 :載入室 1 0 2 :卸除室 1 1 1 :第一沉積室 1 1 2 :第二沉積室 1 1 3 :第三沉積室 1 1 4 :第四沉積室 1 2 1 :第一加熱室 -58- 201230203 122 :第二加熱室 123 ··第三加熱室 1 3 ]:轉移室 1 3 3 :轉盤 1 4 1 :基板支擦部 143 :移動單元 1 5 0 :沉積室 1 5 1 :靶材 1 5 3 :防附著板 1 5 5 :基板加熱單元 157 :壓力調整單元 159 :氣體引進單元 1 6 1 :閘閥 1 7 〇 :加熱室 1 7 1 :棒狀加熱器 1 7 3 :保護板 2 0 1 :氧化物絕緣層 203 :氧化物膜 203a :氧化物半導體層 2 0 3 b :氧化物絕緣層 204 :氧化物半導體膜 204a :氧化物半導體層 205 :氧化物半導體膜 20 5 a :氧化物半導體層 201230203 2 1 1 :氧化物絕緣層 2 1 3 b :氧化物絕緣層 215a:氧化物半導體層 2 2 1 :氧化物絕緣層 225 a :氧化物半導體層 2 3 1 :氧化物絕緣層 234:氧化物半導體層 3 00 :底閘極電晶體 3 0 1 :閘極絕緣層 3 04a :結晶氧化物半導體層 3 05 a :氧化物半導體層 3 05b :氧化物半導體層 3 0 7 :基底絕緣層 3 0 9 :閘極電極層 3 1 1 a :源極電極層 3 1 1 b :汲極電極層 3 1 3 a :氧化物絕緣層 3 13b :保護絕緣層 -60-

Claims (1)

1. 201230203 七、申請專利範圍： 1. 一種沉積裝置，包含： 用於基板的轉移機構； 第一沉積室，其中形成含氧化物之第一膜：以及 第一加熱室，其中執行第一熱處理， 其中，該第一沉積室和該第一加熱室係沿著由該轉移 機構所轉移的該基板之路徑予以連續設置， 其中，該基板被支托，以便由該基板的沉積表面與垂 直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或等於30。 的範圍中，並且 其中，在未暴露至空氣之下，在該第一膜形成於該基 板之上之後執行該第一熱處理。 2. 根據申請專利範圍第1項之沉積裝置， 其中，該第一膜包含氧化物半導體。 3 . —種沉積方法，包含以下步驟： 在第一沉積室中，將含氧化物之第一膜形成於基板之 上；而後 在未暴露空氣之下，在第一加熱室中執行第一熱處理 其中，該基板在被支托的同時被處理，以便由該基板 的沉積表面與垂直方向所形成之角度係在大於或等於Γ及 小於或等於30°的範圍中。 4.根據申請專利範圍第3項之沉積方法， 其中，該第一膜包含氧化物半導體。 -61 - 201230203 5 ·—種用於連續沉積之裝置，包含： 用於基板的轉移機構； 第一沉積室’其中形成含絕緣膜之第一膜； 第一加熱室，其中執行第一熱處理； 第二沉積室，其中形成含氧化物之第二膜；以及 第二加熱室，其中執行第二熱處理， 其中，該第一沉積室、該第一加熱室' 該第二沉積室 、及該第二加熱室係沿著由該轉移機構所轉移的該基板之 路徑予以連續設置， 其中，該基板被支托，以便由該基板的沉積表面與垂 直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或等於30° 的範圍中，並且 其中，在未暴露至空氣之下，在形成該第一膜之後執 行該第一熱處理，而後在形成該第二膜之後執行該第二熱 處理。 6·根據申請專利範圍第5項之用於連續沉積的裝置， 其中，該第二膜包含氧化物半導體。 7·—種用於連續沉積之裝置，包含： 用於基板的轉移機構； 第~沉積室，其中形成含包括至少第一金屬元素和第 二金屬元素之氧化物的第一膜； 第一加熱室，其中執行第一熱處理； 第二沉積室，其中形成含氧化物之第二膜；以及 第二加熱室，其中執行第二熱處理， -62- 201230203 其中，該第一沉積室、該第一加熱室、該第二沉積室 、及該第二加熱室係沿著由該轉移機構所轉移的該基板之 路徑予以連續設置， 其中，該基板被支托，以便由該基板的沉積表面與垂 直方向所形成之角度係在大於或等於1°及小於或等於30° 的範圍中，並且 其中，在未暴露至空氣之下，在形成該第一膜之後執 行該第一熱處理，而後在形成該第二膜之後執行該第二熱 處理。 8. 根據申請專利範圍第7項之用於連續沉積的裝置， 其中，該第二膜包含氧化物半導體。 9. 根據申請專利範圍第7項之用於連續沉積的裝置， 其中，第一金屬元素爲鋅。 10. 根據申請專利範圍第7項之用於連續沉積的裝置 > 其中，第二金屬元素爲鎵。 11. 一種沉積方法，包含以下步驟： 在第一沉積室中，將含絕緣膜之第一膜形成於基板之 上； 在第一加熱室中執行第一熱處理； 在第二沉積室中形成含氧化物之第二膜；以及 在第二加熱室中執行第二熱處理， 其中，該基板在被支托的同時被處理，以便由該基板 的沉積表面與垂直方向所形成之角度係在大於或等於Γ及 -63- 201230203 小於或等於30°的範圍中。 1 2.根據申請專利範圍第i i項之沉積方法， 其中，該第二膜包含氧化物半導體。 13· —種沉積方法，包含以下步驟： 在第一沉積室中，將含包括至少第一金屬元素和第二 金屬元素之氧化物的第一膜形成於基板之上； 在第一加熱室中執行第一熱處理； 在第二沉積室中形成含氧化物之第二膜；以及 在第二加熱室中執行第二熱處理， 其中’該基板在被支托的同時被處理，以便由該基板 的沉積表面與垂直方向所形成之角度係在大於或等於1。及 小於或等於30°的範圍中。 1 4.根據申請專利範圍第1 3項之沉積方法， 其中，該第二膜包含氧化物半導體。 15. 根據申請專利範圍第13項之沉積方法， 其中，第一金屬元素爲鋅。 16. 根據申請專利範圍第13項之沉積方法， 其中，第二金屬元素爲鎵。 17·—種沉積裝置，包含： 用於基板的轉移機構： 第一沉積室，其中形成第一膜；以及 第一加熱室，其中執行第一熱處理， 其中，該第一沉積室和該第一加熱室係沿著由該轉移 機構所轉移的該基板之路徑予以連續設置， -64- 201230203 其中’該基板被支托，以便由該基板的沉積表面與垂 直方向所形成之角度係在大於或等於Γ及小於或等於30。 的範圍中，並且 其中’在未暴露至空氣之下，執行該第一熱處理及該 第一膜係形成於該基板之上。 1 8 ·根據申請專利範圍第1 7項之沉積裝置， 其中，該第一膜包含氧化物半導體。 -65-