半导体装置及其制造方法与流程

1.本发明的一个实施方式涉及包含氧化物半导体的半导体装置。另外，本发明的一个实施方式涉及包含氧化物半导体的半导体装置的制造方法。


背景技术：

2.近年来，代替非晶硅、低温多晶硅或单晶硅，在半导体层中使用氧化物半导体的晶体管(半导体装置)的开发正在推进(例如，专利文献1)。使用有氧化物半导体的半导体装置与半导体层中使用非晶硅的半导体装置同样地，能够以简单的结构且低温工艺来制作。另外，已知使用有氧化物半导体的半导体装置具有比半导体层中使用非晶硅的半导体装置高的迁移率。另外，已知半导体层中使用氧化物半导体的半导体装置的截止电流非常低。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2016-197708。


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.在包含氧化物半导体的半导体装置中，侵入氧化物半导体的氢或水成为使氧化物半导体的性质变动的主要原因。因此，为了提高半导体装置的可靠性，需要提高覆盖氧化物半导体层的绝缘层的覆盖范围。另外，为了廉价地制造包含氧化物半导体的半导体装置，期望沿用包含非晶硅的半导体装置的生产线。即，在包含氧化物半导体的半导体装置中，也需要使用大面积基板对金属膜进行湿蚀刻。
8.本发明的一个实施方式的目的之一在于提供可靠性优异的半导体装置。另外，本发明的一个实施方式的目的之一在于提供一种能够廉价地制造的半导体装置的制造方法。
9.用于解决问题的技术手段
10.本发明的一个实施方式的半导体装置包含：基板；基板上的氧化物半导体层；氧化物半导体层上的栅极绝缘层；栅极绝缘层上的金属氧化物层；和金属氧化物层上的栅极电极，金属氧化物层的第1侧面在俯视时从栅极电极的第2侧面突出。
11.本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法中，在基板上形成氧化物半导体层，在氧化物半导体层上形成栅极绝缘膜，在栅极绝缘膜上形成金属氧化物膜，在金属氧化物膜上形成金属膜，在金属膜上形成抗蚀剂，通过将抗蚀剂作为掩模对金属膜和金属氧化物膜连续地进行湿蚀刻，来形成栅极电极和金属氧化物层。
附图说明
12.图1是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的结构的示意性的截面图。
13.图2是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的结构的示意性的放大截面图。
14.图3a是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
15.图3b是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
16.图3c是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
17.图3d是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
18.图3e是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
19.图3f是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
20.图3g是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
21.图4是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的结构的示意性的截面图。
22.图5a是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
23.图5b是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的示意性的截面图。
24.附图标记说明
25.10、10a：半导体装置，100：基板，110：遮光层，120：第1绝缘层，130：氧化物半导体层，131：沟道区域，132、132a：高浓度杂质区域，140、140a：栅极绝缘层，150：金属氧化物层，160：栅极电极，170：第2绝缘层，180：源极电极，190：漏极电极，240：绝缘膜，250：金属氧化物膜，260：金属膜，310：抗蚀剂层。
具体实施方式
26.以下，参照附图等对本发明的各实施方式进行说明。不过，本发明能够在不脱离其主旨的范围内以各种各样的方式实施，不应限定于以下例示的实施方式的记载内容地解释。另外，关于附图，为了使说明更明确，与实际的方式相比，有时示意性地表示各部分的宽度、厚度、形状等，但这些示意图是一例，并不限定本发明的解释。进而，在本说明书和各图中，有时对与关于已出现的图说明过的要素相同或类似的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
27.在本发明中，在对某一个膜进行加工而形成多个膜的情况下，这些多个膜有时具有不同的功能或作用。然而，这些多个膜源自在相同工序中形成为相同层的膜，具有相同的层结构或者相同的材料。因此，这些多个膜被定义为存在于同一层中。
28.其中，在本说明书中，说明附图时的“上”、“下”等表述表示着眼的结构体与其他结构体的相对位置关系。在本说明书中，在侧视时，将从基板朝向电极的方向定义为“上”，将其相反的方向定义为“下”。在本说明书和技术方案内，在表达在一个结构体上配置其他结构体的情形时，仅记作“在
……
上”的情况下，只要没有特别禁止，就包括以与一个结构体相接的方式、在正上方配置其他结构体的情况，和在一个结构体的上方、再隔着另外的结构体的配置其他结构体的情况这两种情况。
29.＜第1实施方式＞
30.[1.半导体装置10的结构]
[0031]
参照图1和图2，对本发明的一个实施方式的半导体装置10的结构进行说明。
[0032]
图1是表示本发明的一个实施方式的半导体装置10的结构的示意性的截面图。如图1所示，半导体装置10包括基板100、遮光层110、第1绝缘层120、氧化物半导体层130、栅极绝缘层140、金属氧化物层150、栅极电极160、第2绝缘层170、源极电极180和漏极电极190。
[0033]
遮光层110设置在基板100上。第1绝缘层120覆盖遮光层110的侧面和上表面，设置在基板100和遮光层110上。氧化物半导体层130设置在第1绝缘层120上。另外，氧化物半导
体层130包含与栅极绝缘层140重叠的沟道区域131和不与栅极绝缘层140重叠的高浓度杂质区域132。栅极绝缘层140设置在氧化物半导体层130上。金属氧化物层150设置在栅极绝缘层140上。栅极电极160设置在金属氧化物层150上。第2绝缘层170覆盖栅极绝缘层140的侧面、金属氧化物层150的侧面以及栅极电极160的侧面和上表面，设置在第1绝缘层120、氧化物半导体层130、栅极绝缘层140、金属氧化物层150、和栅极电极160上。另外，在第2绝缘层170设置有使氧化物半导体层130(更具体而言，高浓度杂质区域132)的上表面的一部分露出的开口。源极电极180和漏极电极190设置在第2绝缘层170的开口之中和第2绝缘层170上。源极电极180和漏极电极190经由第2绝缘层170的开口而与氧化物半导体层130的高浓度杂质区域132接触。因此，源极电极180和漏极电极190与氧化物半导体层130电连接。
[0034]
半导体装置10在栅极绝缘层140的下方具有氧化物半导体层130，在栅极绝缘层140的上方具有栅极电极160。即，半导体装置10是所谓的顶栅型晶体管。
[0035]
作为基板100，例如能够使用玻璃基板、石英基板或蓝宝石基板等具有透光性的刚性基板。另外，作为基板100，也能够使用硅基板等不具有透光性的刚性基板。另外，作为基板100，能够使用聚酰亚胺树脂基板、丙烯酸树脂基板、硅氧烷树脂基板、或者氟树脂基板等具有透光性的挠性基板。为了提高基板100的耐热性，也可以向上述的树脂基板导入杂质。另外，也能够将在上述刚性基板或挠性基板上形成有氧化硅膜或氮化硅膜的基板用作基板100。
[0036]
遮光层110能够反射或吸收外部光。遮光层110以比氧化物半导体层130的沟道区域131大的面积设置，所以能够遮挡入射到沟道区域131的外部光。作为遮光层110，例如能够使用铝(al)、铜(cu)、钛(ti)、钼(mo)或钨(w)、或者它们的合金或化合物等。另外，作为遮光层110，在不需要导电性的情况下，也可以不一定包含金属。例如，作为遮光层110，也能够使用由黑色树脂构成的黑矩阵。另外，遮光层110不仅能够是单层结构，也能够是层叠结构。例如，遮光层110也可以是红色滤色片、绿色滤色片和蓝色滤色片的层叠结构。
[0037]
第1绝缘层120能够防止杂质向氧化物半导体层130的扩散。即，第1绝缘层120能够作为所谓的底涂层发挥功能。作为第1绝缘层120，例如能够使用氧化硅或氮化硅等。此外，第1绝缘层120不仅能够具有单层结构，而且能够具有层叠结构。另外，也能够应用不设置第1绝缘层120的结构。
[0038]
氧化物半导体层130能够形成沟道。作为氧化物半导体层130，例如能够使用氧化铟镓锌(igzo)、氧化铟锡锌(itzo)、氧化铟铝锌(iazo)或氧化锌(zno)等氧化物半导体。另外，氧化物半导体层130优选使用含有铟的氧化物半导体。
[0039]
作为栅极绝缘层140，例如能够使用氧化硅、氮化硅、氧化铝、或者氮化铝等。
[0040]
金属氧化物层150能够经由栅极绝缘层140向氧化物半导体层130供给氧，或者防止经由栅极绝缘层140从氧化物半导体层130抽出氧。作为金属氧化物层150，例如能够使用上述的氧化物半导体或氧化铟锡(ito)、氧化铟锌(izo)、氧化铝锌(azo)或氧化镓锌(gzo)等氧化物导电体。以下，为了方便，有时将构成金属氧化物层的氧化物半导体和氧化物导电体作为金属氧化物进行说明。
[0041]
作为栅极电极160，例如能够使用铜(cu)、铝(al)、钛(ti)、铬(cr)、钴(co)、镍(ni)、钼(mo)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)或铋(bi)、或者它们的合金或化合物。栅极电极160不仅能够是单层结构，也能够是层叠结构。栅极电极160优选包含铝，例如优选具有钼/铝/钼
的层叠结构。即，优选与金属氧化物层150接触地设置钼膜，在钼膜上设置铝膜。
[0042]
第2绝缘层170能够降低来自外部的影响(例如水分)。第2绝缘层170能够作为所谓的保护层发挥功能。作为第2绝缘层170，例如能够使用氧化硅或氮化硅等。另外，第2绝缘层170不仅能够是单层结构，也能够是层叠结构。
[0043]
作为源极电极180和漏极电极190中的每一个，例如，能够使用铜(cu)、铝(al)、钛(ti)、铬(cr)、钴(co)、镍(ni)、钼(mo)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)、铋(bi)或者它们的合金或化合物。源极电极180和漏极电极190中的每一个不仅能够具有单层结构，而且能够具有层叠结构。源极电极180和漏极电极190中的每一个可以具有与栅极电极160相同的结构。
[0044]
图2是表示本发明的一个实施方式的半导体装置10的结构的示意性的放大截面图。具体而言，图2是图1所示的区域a的放大图。
[0045]
金属氧化物层150的侧面在俯视时从栅极电极160的侧面突出。另外，金属氧化物层150的侧面的锥角α(金属氧化物层150的下表面与侧面所成的角)比栅极电极160的侧面的锥角β(栅极电极160的下表面与侧面所成的角)小。即，金属氧化物层150的侧面具有比栅极电极160的侧面平缓的倾斜度。因此，覆盖金属氧化物层150的侧面和栅极电极160的侧面的第2绝缘层170的覆盖性能提高。其结果是，通过第2绝缘层170侵入氧化物半导体层130的水分被抑制，所以能够提高半导体装置10的可靠性。
[0046]
锥角α例如为30
°
以上且70
°
以上。如果锥角α过小，则栅极绝缘层140变大，所以半导体装置10的微细化变得困难。另外，如果锥角α过大，则第2绝缘层170的覆盖性能降低。因此，锥角α优选为上述范围。锥角α也依赖于金属氧化物层150的膜厚。例如，当金属氧化物层150的膜厚变大时，锥角α也变大。因此，为了将锥角α控制在上述范围内，金属氧化物层150的膜厚优选为10nm以上且100nm以下，进一步优选为20nm以上且50nm以下。
[0047]
[2.半导体装置10的制造方法]
[0048]
参照图3a～图3g，对本发明的一个实施方式的半导体装置10的制造方法进行说明。
[0049]
图3a～图3g分别是表示本发明的一个实施方式的半导体装置10的制造方法的示意性的截面图。
[0050]
图3a表示了直至形成遮光层110的工序为止的工序。在基板100上，例如通过溅射法形成金属膜等。另外，使用光刻法将金属膜加工成规定的图案，形成遮光层110。
[0051]
图3b表示了直至形成氧化物半导体层130的工序为止的工序。在基板100和遮光层110上，通过cvd法形成氧化硅膜或氮化硅膜等，形成第1绝缘层120。另外，通过溅射法在第1绝缘层120上形成氧化物半导体膜。氧化物半导体膜的膜厚例如为20nm以上且100nm以下。另外，使用光刻法将氧化物半导体膜加工成规定的图案，形成氧化物半导体层130。此外，为了提高半导体装置10的电特性，对氧化物半导体层130进行热处理是有效的。因此，也可以在氧化物半导体膜的成膜后或氧化物半导体层130的形成后进行热处理。热处理能够在大气、干燥空气气氛或氮气气氛下进行。另外，热处理的温度为200℃以上且600℃以下，优选为350℃以上且450℃以下。
[0052]
在图3c中，表示了直至形成金属膜260的工序为止的工序。在第1绝缘层120和氧化物半导体层130上，通过cvd法形成氧化硅膜或氮化硅膜等绝缘膜240。绝缘膜240的膜厚例如为50nm以上300nm以下。接着，通过溅射法在绝缘膜240上形成金属氧化物膜250。接着，通
过溅射法在金属氧化物膜250上形成金属膜260。金属膜260优选包含铝膜，进一步优选具有钼膜/铝膜/钼膜的层叠结构。在金属膜260具有钼膜/铝膜/钼膜的层叠结构的情况下，例如，钼膜的膜厚为20nm以上100nm以下，铝膜的膜厚为300nm以上700nm以下。
[0053]
图3d表示了直至形成具有规定图案的抗蚀剂层310的工序为止的工序。在金属膜260上形成抗蚀剂膜。另外，使用光掩模对抗蚀剂膜进行曝光，然后进行显影，由此形成具有规定图案的抗蚀剂层310。
[0054]
图3e中表示了直至形成金属氧化物层150的工序为止的工序。将抗蚀剂层310作为掩模，对金属膜260和金属氧化物膜250连续地进行湿蚀刻，形成栅极电极160和金属氧化物层150。在此，“连续地进行湿蚀刻”是指使用相同的蚀刻液对多个膜一并进行蚀刻。蚀刻液优选含有磷酸，进一步优选含有磷酸、硝酸和乙酸(以下，将本工序中使用的蚀刻液称为“以磷酸为主成分的蚀刻液”)。已知以磷酸为主成分的蚀刻液用于铝膜或钼膜等。与此相对，以磷酸为主成分的蚀刻液对单膜的金属氧化物膜的蚀刻速率高。因此，难以控制使用了以磷酸为主成分的蚀刻液的单膜的金属氧化物膜的蚀刻。但是，当使用以磷酸为主要成分的蚀刻液对在金属氧化物膜250上成膜有金属膜260的层叠结构体进行蚀刻时，金属氧化物膜250的蚀刻速率比金属膜260的蚀刻速率低。因此，金属膜260与金属氧化物膜250的蚀刻速率的不同，所以如图3e所示不会产生金属氧化物膜250的侧蚀(或者底切)，能够得到金属氧化物层150的侧面从栅极电极160的侧面突出的结构。另外，金属氧化物层150的侧面的锥角比栅极电极160的侧面的锥角小。
[0055]
在栅极电极160具有钼膜/铝膜/钼膜的层叠结构的情况下，优选金属氧化物层150的侧面的锥角α比栅极电极160的与金属氧化物层150接触的钼膜的侧面的锥角小。另外，优选金属氧化物层150的侧面的锥角α比铝膜的侧面的锥角小。
[0056]
图3f表示了直至形成栅极绝缘层140的工序为止的工序。将抗蚀剂层310、栅极电极160或金属氧化物层150作为掩模，进行干式蚀刻，形成栅极绝缘层140。
[0057]
图3g表示了直至形成第2绝缘层170的工序为止的工序。在剥离抗蚀剂层310之后，在第1绝缘层120、氧化物半导体层130、栅极绝缘层140、金属氧化物层150和栅极电极160上，通过cvd法形成氧化硅膜或者氮化硅膜等绝缘膜。此时，在氧化物半导体层130的与绝缘膜接触的区域，生成氧缺陷，或者通过添加杂质而形成高浓度杂质区域132。另外，在氧化物半导体层130的与栅极绝缘层140重叠的区域形成有沟道区域131。进而，使用光刻法，在绝缘膜的规定的位置，以使氧化物半导体层130(更具体而言，高浓度杂质区域132)的上表面露出的方式开口，形成第2绝缘层170。
[0058]
然后，形成金属膜，使用光刻将金属膜加工成规定的图案，形成源极电极180和漏极电极190(参照图1)。
[0059]
以上，本实施方式的半导体装置10通过在栅极绝缘层140与栅极电极160之间形成金属氧化物层150，能够使连接栅极绝缘层140上表面与栅极电极160的侧面之间的面的倾斜平缓。因此，能够提高覆盖氧化物半导体层130和栅极电极160的第2绝缘层170的覆盖范围。另外，金属氧化物层150能够通过与栅极电极160一起连续地进行湿蚀刻而形成。因此，半导体装置10能够使用湿蚀刻在大面积基板上形成各电极，所以能够廉价地制造。
[0060]
＜第2实施方式＞
[0061]
[1.半导体装置10a的结构]
[0062]
参照图4，对本发明的一个实施方式的半导体装置10a的结构进行说明。此外，在半导体装置10a的结构与在第1实施方式中说明的半导体装置10的结构相同的情况下，有时省略半导体装置10a的结构的说明。
[0063]
图4是表示本发明的一个实施方式的半导体装置10a的结构的示意性的截面图。如图4所示，半导体装置10a包括基板100、遮光层110、第1绝缘层120、氧化物半导体层130、栅极绝缘层140a、金属氧化物层150、栅极电极160、第2绝缘层170、源极电极180和漏极电极190。另外，氧化物半导体层130包含与栅极电极160重叠的沟道区域131和不与栅极电极160重叠的高浓度杂质区域132a。
[0064]
栅极绝缘层140a覆盖氧化物半导体层130，设置在第1绝缘层120和氧化物半导体层130上。即，氧化物半导体层130的侧面被栅极绝缘层140a覆盖。另外，在第1绝缘层120设置有使氧化物半导体层130(更具体而言，高浓度杂质区域132a)的上表面的一部分露出的开口。源极电极180和漏极电极190经由第2绝缘层170的开口和栅极绝缘层140a的开口而与氧化物半导体层130的高浓度杂质区域132a接触。
[0065]
在半导体装置10a中，金属氧化物层150的侧面在俯视时也从栅极电极160的侧面突出。另外，金属氧化物层150的侧面的锥角α比栅极电极160的侧面的锥角β小。即，金属氧化物层150的侧面具有比栅极电极160的侧面平缓的倾斜度。因此，覆盖栅极电极160的侧面的第2绝缘层170的覆盖性能提高。其结果是，通过第2绝缘层170侵入氧化物半导体层130的水分被抑制，所以能够提高半导体装置10a的可靠性。
[0066]
[2.半导体装置10a的制造方法]
[0067]
参照图5a和图5b，对本发明的一个实施方式的半导体装置10a的制造方法进行说明。此外，在半导体装置10a的制造方法与在第1实施方式中说明的半导体装置10的制造方法相同的情况下，有时省略半导体装置10a的制造方法的说明。
[0068]
在半导体装置10a的制造方法中，图3a～图3e的工序相同，所以在此省略说明，对之后的工序进行说明。
[0069]
图5a和图5b分别是表示本发明的一个实施方式的半导体装置10a的制造方法的示意性的截面图。
[0070]
图5a表示了形成高浓度杂质区域132a的工序。在剥离抗蚀剂层310后，将栅极电极160或金属氧化物层150作为掩模，隔着绝缘膜240向氧化物半导体层130离子注入杂质元素，在氧化物半导体层130的不与栅极电极160重叠的区域形成高浓度杂质区域132a。另外，在氧化物半导体层130的与栅极电极160重叠的区域形成沟道区域131。作为杂质元素，能够使用氢、氩、磷或硼等。但是，杂质元素向氧化物半导体层130的添加主要是为了生成氧缺陷来控制氧化物的导体的导电型，所以杂质元素的种类没有特别限定。另外，杂质元素的浓度(剂量)例如为1
×
10
14
atoms/cm2以上且5
×
10
15
atoms/cm2以下。在该情况下，在高浓度杂质区域132a中，以5
×
10
13
atoms/cm3以上且2.5
×
10
15
atoms/cm3以下程度的浓度含有杂质元素。氧化物半导体层130所包含的杂质元素的浓度例如能够通过二次离子质谱法(sims：secondary ion mass spectrometry)来测量。
[0071]
图5b表示了直到形成栅极绝缘层140a的工序为止的工序。在绝缘膜240上，通过cvd法形成氧化硅膜或氮化硅膜等绝缘膜。使用光刻法在绝缘膜和绝缘膜240的规定的位置以使氧化物半导体层130(更具体而言，高浓度杂质区域132a)的上表面露出的方式开口，形
成第2绝缘层170和栅极绝缘层140a。
[0072]
之后，形成金属膜，使用光刻将金属膜加工成规定的图案，形成源极电极180和漏极电极190(参照图4)。
[0073]
以上，本实施方式的半导体装置10a通过在栅极绝缘层140与栅极电极160之间形成金属氧化物层150，能够使连接栅极绝缘层140上表面与栅极电极160的侧面之间的面的倾斜度平缓。因此，能够提高覆盖栅极电极160的第2绝缘层170的覆盖范围。另外，金属氧化物层150能够通过与栅极电极160一起连续地进行湿蚀刻而形成。因此，半导体装置10能够使用湿蚀刻在大面积基板上形成各电极，所以能够廉价地制造。
[0074]
在第1实施方式和第2实施方式中说明的半导体装置能够应用于液晶显示装置或者oled(organic light emitting diode：有机发光二极管)显示装置等。另外，在第1实施方式和第2实施方式中说明的半导体装置能够使用大面积基板来制造，所以不仅能够应用于智能手机等中小型的显示装置，还能够应用于电视机等大型的显示装置。
[0075]
基于作为本发明的实施方式和实施例而说明的半导体装置，本领域技术人员适当地进行了构成要素的追加、删除、或者设计变更的情况、或者进行了工序的追加、省略、或者条件变更的情况，只要具备本发明的主旨，就包含在本发明的范围内。另外，上述的各实施方式能够在不产生技术矛盾的范围内相互组合。
[0076]
另外，即使是与由上述的各实施方式的方式带来的作用效果不同的其他的作用效果，根据本说明书的记载而明确的、或者本领域技术人员能够容易地预测的作用效果当然理解为由本发明带来的。