專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。另外，在本說(shuō)明書(shū)中，半導(dǎo)體裝置是指能夠通過(guò)利用半導(dǎo)體特性起作用的所有類型的裝置，如電光學(xué)裝置、半導(dǎo)體電路及電子設(shè)備都是半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，已對(duì)半導(dǎo)體裝置進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將半導(dǎo)體裝置用作LS1、CPU、存儲(chǔ)器。CPU是包括從半導(dǎo)體圓片分開(kāi)的半導(dǎo)體集成電路(至少包括晶體管及存儲(chǔ)器)且形成有作為連接端子的電極的半導(dǎo)體元件的集合體。LS1、CPU、存儲(chǔ)器等的半導(dǎo)體電路(IC芯片)安裝在電路襯底例如印刷線路板上，并用作各種電子設(shè)備的部件之一。通過(guò)將氧化物半導(dǎo)體膜用于溝道形成區(qū)來(lái)制造晶體管等的技術(shù)引人注目。例如，可以舉出作為氧化物半導(dǎo)體膜使用氧化鋅(ZnO)的晶體管或者使用InGaO3 (ZnO)m的晶體管。專利文獻(xiàn)I及專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了在具有透光性的襯底上形成上述使用氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管并將該晶體管應(yīng)用于圖像顯示裝置的開(kāi)關(guān)元件等的技術(shù)。[專利文獻(xiàn)I]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2007-123861號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2007-96055號(hào)公報(bào)。在氧化物半導(dǎo)體中形成溝道形成區(qū)的晶體管可以實(shí)現(xiàn)比使用非晶硅的晶體管更高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。非晶硅的晶體管的場(chǎng)效應(yīng)遷移率通常為0. 5cm2/Vs左右，與此相比使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的場(chǎng)效應(yīng)遷移率為IOcmVVs至20cm2/Vs或更大的值。另外，氧化物半導(dǎo)體通過(guò)濺射法等可以形成活性層，不像使用多晶硅的晶體管那樣，能夠不利用激光裝置而簡(jiǎn)單地制造。現(xiàn)在對(duì)使用上述氧化物半導(dǎo)體在玻璃襯底或塑料襯底上形成晶體管并將該晶體管應(yīng)用于液晶顯示裝置、有機(jī)EL顯示裝置、電子紙等進(jìn)行討論。另一方面，現(xiàn)在正普及具有大面積的顯示區(qū)域的顯示裝置。在家庭用電視中，顯示畫(huà)面的對(duì)角為40英寸至50英寸的電視也已開(kāi)始廣泛使用，將來(lái)普及更加快。因?yàn)槿缟纤f(shuō)明的那樣，使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管得到非晶硅的晶體管的10倍以上的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，所以在具有大面積的顯示區(qū)域的顯示裝置中作為像素的開(kāi)關(guān)元件也得到充分的性能。另外，用于顯示裝置的晶體管被求得具有更耐壓性。本發(fā)明的目的之一在于將使用氧化物半導(dǎo)體的電特性良好且可靠性高的晶體管用作開(kāi)關(guān)元件，并且提供可靠性高的顯示裝置及其制造方法。另外，本發(fā)明的目的之一在于提供如下結(jié)構(gòu)及其制造方法，即在使用氧化物半導(dǎo)體的底柵型的晶體管中，對(duì)柵電極層施加較高的柵電壓的情況下，緩和在漏電極層的端部近旁(及源電極的端部近旁)會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中且抑制開(kāi)關(guān)特性的劣化，而提高可靠性。設(shè)為將氧化物半導(dǎo)體用于溝道形成區(qū)，且在溝道形成區(qū)上重疊地設(shè)置絕緣層(也稱為溝道停止層)的結(jié)構(gòu)的底柵型的晶體管。本發(fā)明的一個(gè)方式之一是探討重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀，具體而言研究端部的截面形狀(錐形角度0或厚度等)，緩和在漏電極層的端部近旁(及源電極層的端部近旁)會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中，而抑制開(kāi)關(guān)特性的劣化。具體而言，將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀設(shè)定為梯形或三角形，SP截面形狀的下端部的錐形的角度e為60°以下，優(yōu)選為45°以下，更優(yōu)選為30°以下。通過(guò)采用上述角度范圍，在對(duì)柵電極層施加較高的柵電壓的情況下，能夠緩和在漏電極層的端部近旁(及源電極層的端部近旁)會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中。另外，將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的厚度設(shè)定為0. 3 以下，優(yōu)選為5nm以上且0.1 y m以下。通過(guò)采用上述厚度范圍，能夠使電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值小，或者由于電場(chǎng)集中分散而電場(chǎng)集中的部分成為多個(gè)，結(jié)果能夠緩和在漏電極層的端部近旁會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中。

發(fā)明內(nèi)容
在本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的本發(fā)明的一個(gè)方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括在絕緣表面上的柵電極層；在柵電極層上的柵極絕緣膜；在柵極絕緣膜上的包括溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體膜；與氧化物半導(dǎo)體膜上接觸的絕緣層；在絕緣層上具有端部的源電極層；以及在絕緣層上具有端部的漏電極層，其中，源電極層的端部及漏電極層的端部隔著絕緣層重疊于溝道形成區(qū)，并且絕緣層的端部為錐形形狀，該絕緣層的厚度為0. 3 y m以下，優(yōu)選為5nm以上且0.1 um以下。在本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的本發(fā)明的另一個(gè)方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括在絕緣表面上的柵電極層；在柵電極層上的柵極絕緣膜；在柵極絕緣膜上的包括溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體膜；與氧化物半導(dǎo)體膜上接觸的絕緣層；在絕緣層上具有端部的源電極層；以及在絕緣層上具有端部的漏電極層，其中，源電極層的端部及漏電極層的端部隔著絕緣層重疊于溝道形成區(qū)，并且由絕緣層的端部的側(cè)面和絕緣表面構(gòu)成的角度為60°以下，優(yōu)選為45°以下，更優(yōu)選為30°以下，該絕緣層的厚度為0.3 iim以下，優(yōu)選為5nm以上且0.1um以下。另外，在上述結(jié)構(gòu)中，漏電極層的端部重疊于絕緣層的上表面。漏電極層也用作遮斷來(lái)自外部的光對(duì)于氧化物半導(dǎo)體膜的照射的遮光膜。在將漏極電極層用作遮光膜的情況下，以源電極層的端部和漏電極層的端部之間的間隔距離在不短路的范圍內(nèi)的方式?jīng)Q定源電極層的端部的位置即可。另外，在絕緣層的端部的側(cè)面和絕緣表面形成的角度較小的情況下，絕緣層的側(cè)面的寬度(也稱為錐形部分的寬度)為較寬，因此減少漏極電極層和柵電極層重疊的部分的寄生電容是優(yōu)選的。在此情況下，漏電極層的端部重疊于絕緣層的端部的側(cè)面。在絕緣層的端部上錐形角e是絕緣層的截面形狀中的下端部的側(cè)面和襯底主平面形成的角度。另外，在設(shè)置有絕緣層的區(qū)域的氧化物半導(dǎo)體膜的表面為平面，并且與襯底主平面大致平行的情況下，錐形角e是指截面形狀中的下端部的側(cè)面和氧化物半導(dǎo)體膜平面形成的角度。此外，重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的端部的截面形狀不局限于梯形或三角形。也可以采用重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的側(cè)面的至少一部分具有曲面的形狀。例如，在絕緣層的端部的截面形狀中，絕緣層的下端部也可以具有根據(jù)位于絕緣層的外側(cè)的曲率圓的中心決定的一個(gè)曲面。此外，絕緣層的端部的截面形狀也可以具有從絕緣層上表面向襯底擴(kuò)大的截面形狀。通過(guò)干蝕刻或濕蝕刻形成具有如上所述的多種截面形狀的絕緣層。作為用于干蝕刻的蝕刻裝置，可以使用如下裝置使用反應(yīng)性離子蝕刻法(RIE法)的蝕刻裝置、使用ECR(Electron Cyclotron Resonance :電子回方定共振)或 ICP (Inductively Coupled Plasma 感應(yīng)耦合等離子體)等高密度等離子體源的干蝕刻裝置。此外，作為與ICP蝕刻裝置相比可以在寬廣的區(qū)域上獲得均勻的放電的干蝕刻裝置，存在ECCP (Enhanced CapacitivelyCoupled Plasma，即增強(qiáng)型電容耦合等離子體)模式的蝕刻裝置，其中上部電極接地，并且下部電極連接到13. 56MHz的高頻電源，并且進(jìn)一步連接到3. 2MHz的低頻電源。即使在例如使用尺寸超過(guò)3m的第十代襯底的襯底時(shí)仍可以采用該ECCP模式的蝕刻裝置。此外，當(dāng)重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀采用梯形或三角形時(shí)，邊使抗蝕劑掩模縮小邊進(jìn)行絕緣層的蝕刻，來(lái)形成截面形狀為梯形或三角形狀的絕緣層。注意，在本說(shuō)明書(shū)中，截面形狀是指沿垂直于襯底的主平面的面切斷的截面形狀。通過(guò)將絕緣層的截面形狀設(shè)為最適形狀，能夠緩和漏電極層的端部近旁及源電極層的端部近旁會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中，而抑制開(kāi)關(guān)特性的劣化，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高可靠性的結(jié)構(gòu)。


圖1A和IB是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的截面結(jié)構(gòu)及其計(jì)算結(jié)果；
圖2A和2B是不出維形角和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系的圖表；
圖3A是示出溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系的圖表、圖3B是示出膜厚度和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系的圖表； 圖4A至4E是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的截面圖的一例；
圖5A和5B是不出本發(fā)明的一個(gè)方式的截面圖及俯視圖的一例；
圖6A至6D是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的工序截面圖的一例；
圖7A和7B是STEM照片及其示意 圖8A和8B是不出本發(fā)明的一個(gè)方式的截面圖及俯視圖的一例；
圖9A至9D是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的工序截面圖的一例；
圖10A是示出在80°C下的+BT測(cè)試前后的電特性的圖表；圖10B是示出在-BT測(cè)試前后的電特性的圖表；
圖1lA是示出在25°C下的+BT測(cè)試前后的電特性的圖表；圖1lB是示出在-BT測(cè)試前后的電特性的圖表；
圖12A是示出在+BT測(cè)試前后的晶體管的Vg-1d特性的圖表；圖12B是示出在-BT測(cè)試前后的晶體管的Vg-1d特性的圖表；
圖13A是示出照射光并在80°C下的-BT測(cè)試前后的電特性的圖表；圖13B是示出照射光并在25°C下的-BT測(cè)試前后的電特性的圖表；
圖14A至14C是說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的一個(gè)方式的平面 圖15A和15B是說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的一個(gè)方式的平面圖及截面 圖16A和16B是不出半導(dǎo)體裝置的一個(gè)方式的截面圖；圖17A和17B是示出半導(dǎo)體裝置的一個(gè)方式的電路圖及截面 圖18A至18C是示出電子設(shè)備的 圖19A至19C是示出電子設(shè)備的 圖20A和20B是示出比較例子的計(jì)算結(jié)果。標(biāo)號(hào)說(shuō)明
101柵電極層；102柵極絕緣膜；103氧化物半導(dǎo)體膜；104絕緣層；105源電極層；106漏電極層；107保護(hù)絕緣膜。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。但是，本發(fā)明不局限于以下說(shuō)明，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形式。此外，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。實(shí)施方式I
在重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀為梯形的晶體管中，進(jìn)行當(dāng)施加?xùn)艠O偏壓時(shí)的漏極近旁的電位分布的計(jì)算。這里，在計(jì)算中使用Synopsys公司制造的器件模擬軟件(Sentaurus Device)。將如圖1A所示的晶體管用于計(jì)算模型，即在設(shè)置于柵電極層101上的厚度為IOOnm的柵極絕緣膜102上按順序?qū)盈B厚度為20nm的氧化物半導(dǎo)體膜103、厚度為IOOnm的絕緣層104 (溝道停止層)，并且具有設(shè)置在絕緣層104上的源電極層及漏電極層106、覆蓋源電極層及漏電極層106的保護(hù)絕緣膜107的底柵型結(jié)構(gòu)(溝道停止型)的晶體管。將絕緣層104的下端部的錐形角設(shè)定為30°。圖1A是示出對(duì)柵電極層101施加-30V，且將漏電極層106設(shè)定為OV的情況下的等電位線的圖。另外，圖1B是如下圖表，即縱軸表示氧化物半導(dǎo)體膜103的背溝道上，即與絕緣層104接觸的氧化物半導(dǎo)體膜103的界面中的電場(chǎng)強(qiáng)度，橫軸表示溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度。另外，溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度X以溝道形成區(qū)的中心為原點(diǎn)，并且截面形狀為梯形的絕緣層104的下邊為3iim。另外，為了進(jìn)行比較，進(jìn)行如下情況下的計(jì)算，即在絕緣層的截面形狀不是錐形形狀，具體而言該形狀為矩形(側(cè)面和襯底的主平面形成的角度為90°的形狀)。圖20A是示出對(duì)柵電極層101施加-30V，且將漏電極層106設(shè)定為OV的情況下的等電位線的圖。另夕卜，圖20B是如下圖表，即縱軸表示與絕緣層104接觸的氧化物半導(dǎo)體膜103的界面中的電場(chǎng)強(qiáng)度，橫軸表示溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度。這里可知在氧化物半導(dǎo)體膜中的與絕緣層的下端部接觸的截面近旁，即X =1. m的部分電場(chǎng)集中。與比較例子進(jìn)行比較，圖1B所示的電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值小。因此，與絕緣層的截面形狀采用矩形時(shí)相比，通過(guò)絕緣層的截面形狀采用錐形形狀，能夠緩和電場(chǎng)集中。此外，在對(duì)柵電極層101施加-30V，對(duì)漏電極層106施加20V，并且將源電極層設(shè)定為OV的情況下進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算，而能夠獲得同樣的結(jié)果。另外，圖2A是示出將錐形角0設(shè)定為10°、30°、50°、70°，且對(duì)與絕緣層接觸的氧化物半導(dǎo)體膜的界面中的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果的圖表，在此分別計(jì)算X =1. 5 y m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度以及X=1. Oym的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，在圖2A中，白色方形點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為20V時(shí)的X =1. 0 y m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，白色圓點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為20V時(shí)的X=1. 5 的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。此外，黑色方形點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X =1. 0 ii m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，黑色圓點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X =1. 5 iim的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，圖2B是示出采用厚度為20nm的絕緣層(溝道停止層)，將錐形角0設(shè)定為10°、30°、50°、70°，且對(duì)與絕緣層接觸的氧化物半導(dǎo)體膜的界面中的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果的圖表，在此分別計(jì)算X =1. 5 y m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度以及X =1. 0 y m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，在圖2B中，白色方形點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為20V時(shí)的X =1. Oiim的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，白色圓點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為20V時(shí)的X =1. 5 y m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。此外，黑色方形點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X=1. Oym的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，黑色圓點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X =1. 5 ii m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，將絕緣層的截面形狀設(shè)定為矩形且將其厚度設(shè)定為5nm，對(duì)柵電極層101施加-30V，并且將漏電極層106設(shè)定為0V，來(lái)算出等電位線，而檢測(cè)在與絕緣層接觸的氧化物半導(dǎo)體膜的界面中的電場(chǎng)強(qiáng)度以及電場(chǎng)集中的位置。圖3A是縱軸表示該電場(chǎng)強(qiáng)度，橫軸表示溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度的圖表。注意，在絕緣層的厚度與比較例不同而其他條件都相同的情況下進(jìn)行計(jì)算。與比較例相比，通過(guò)將絕緣層的厚度減薄到5nm，在多個(gè)部分中檢測(cè)出電場(chǎng)集中的峰值，而且該峰值比比較例的峰值小。因此可知無(wú)論絕緣層的截面形狀，通過(guò)厚度的減薄也能夠緩和電場(chǎng)集中。不用說(shuō)，加上厚度的減薄，通過(guò)截面形狀采用錐形形狀，進(jìn)一步緩和電場(chǎng)集中。 另外，圖3B是示出將絕緣層的截面形狀設(shè)定為矩形且將其厚度設(shè)定為5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、100nm、200nm,并且對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果的圖表，在此分別計(jì)算X=1. 5 ii m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度以及X =1. 0 ii m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。圖3A是縱軸表不該電場(chǎng)強(qiáng)度，橫軸表示溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度的圖表。另外，在圖3B中，黑色方形點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X =1. 0 ii m的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，黑色圓點(diǎn)表示當(dāng)將漏電極層設(shè)定為OV時(shí)的X=1. 5 的部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，以對(duì)數(shù)刻度表示圖3B的截面結(jié)構(gòu)中的每個(gè)部位的厚度。另外，關(guān)于每個(gè)厚度作出縱軸表示電場(chǎng)強(qiáng)度且橫軸表示溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度的圖表，而觀察到在多個(gè)部分中發(fā)生電場(chǎng)集中的峰值的絕緣層的厚度范圍是5nm以上且50nm以下。通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果，可知通過(guò)將絕緣層的截面形狀設(shè)定為錐形形狀，將絕緣層的厚度設(shè)定為5nm以上且IOOnm以下,優(yōu)選設(shè)定為5nm以上且50nm以下，而能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)集中的緩和。另外，通過(guò)采用錐形形狀，且將錐形角設(shè)定為60°以下，即使絕緣層的厚度為300nm,也能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)集中的緩和，因此可說(shuō)通過(guò)將絕緣層的端部的錐形角設(shè)定為60°以下且將絕緣層的厚度設(shè)定為300nm以下，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)集中的緩和。實(shí)施方式2
在本實(shí)施方式中，下面對(duì)絕緣層的截面形狀的一例進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)施方式I的計(jì)算中所使用的模型示出漏電極層106近旁的截面圖，然而圖4A示出包含源電極層105的晶體管整體的截面結(jié)構(gòu)圖。在圖4A中，設(shè)有絕緣層104的區(qū)域的氧化物半導(dǎo)體膜103的表面為平面，且看作與襯底主平面大致平行。在此情況下，如圖所示那樣，錐形角0是指絕緣層104的下端部的側(cè)面和氧化物半導(dǎo)體膜平面形成的角度。圖4A所示的絕緣層104為通過(guò)溝道形成區(qū)的中心的線為中心的線對(duì)稱形狀，因此在截面形狀中的兩個(gè)下端部的錐形角9為大致相同。另夕卜，將溝道形成區(qū)的中心作為橫軸的原點(diǎn)，而決定溝道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度。注意，在圖4A所示的晶體管的截面結(jié)構(gòu)中，雖然設(shè)定每個(gè)部位的尺寸(厚度、長(zhǎng)度、寬度等)，但是不局限于此。另外，雖然圖4A示出絕緣層的截面形狀為梯形的例子，但是也可以采用如圖4B所示那樣的截面形狀為三角形的絕緣層114。在絕緣層114的截面形狀中，接觸于三角形的底邊的內(nèi)角為錐形角9。在圖4B中，在絕緣層114的側(cè)面上重疊漏電極層的端部。當(dāng)然，源電極層的端部也重疊于絕緣層114的側(cè)面上。另外，也可以采用如圖4C所示那樣的截面形狀為多角形的絕緣層124。如圖4C所示那樣，將截面形狀為多角形的絕緣層124除了絕緣層124的下端部的側(cè)面和氧化物半導(dǎo)體膜平面形成的角度9 I之外，還具有以虛線表示的平面(平行于襯底主平面的面)和絕緣層104的上端部的側(cè)面形成的角度0 2。在此情況下，采用至少角度0 1為小于90°，優(yōu)選為60°以下，更優(yōu)選為30°以下的截面形狀的絕緣層124。另外，也可以采用如圖4D所示那樣的截面形狀為從絕緣層的上表面向絕緣層的下表面擴(kuò)大的形狀的絕緣層134。絕緣層134的側(cè)面具有曲面，絕緣層的下端部具有根據(jù)位于絕緣層的外側(cè)的曲率圓的中心而決定的一個(gè)曲面。另外，圖示包含以絕緣層的下端為起點(diǎn)的側(cè)面的切線133的面和氧化物半導(dǎo)體膜的平面形成的角度(錐形角e )。另外，也可以采用如圖4E所示那樣的、側(cè)面具有曲面的截面形狀的絕緣層144。絕緣層144的側(cè)面具有曲面，絕緣層的下端部具有根據(jù)位于絕緣層的內(nèi)側(cè)的曲率圓的中心而決定的一個(gè)曲面。另外，圖示包含以絕緣層的下端為起點(diǎn)的側(cè)面的切線143的面和氧化物半導(dǎo)體膜的平面形成的角度(錐`形角9)。為了實(shí)現(xiàn)這種截面形狀的絕緣層144，也可以層疊蝕刻率不同的多個(gè)絕緣層。除了上述的截面形狀之外還有各種各樣的截面形狀，但是圖4A至4E所示的形狀的絕緣層用于晶體管是優(yōu)選的。通過(guò)將圖4A至4E所示的形狀的絕緣層接觸于氧化物半導(dǎo)體膜而設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)集中的緩和。另外，本實(shí)施方式可與實(shí)施方式I自由組合。例如，采用圖4B所示的截面形狀，且將絕緣層114的端部的錐形角0設(shè)定為60°以下，以及將絕緣層114的厚度設(shè)定為300nm以下，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)集中的緩和。實(shí)施方式3
在本實(shí)施方式中，參照?qǐng)D5A至圖6D對(duì)半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個(gè)方式進(jìn)行說(shuō)明。在本實(shí)施方式中，作為半導(dǎo)體裝置的一例示出具有氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管。晶體管既可以采用形成有一個(gè)溝道形成區(qū)的單柵結(jié)構(gòu)，又可以采用形成有兩個(gè)溝道形成區(qū)的雙柵結(jié)構(gòu)，還可以采用形成有三個(gè)溝道形成區(qū)的三柵結(jié)構(gòu)。此外，還可以采用在溝道形成區(qū)的上下隔著柵極絕緣膜設(shè)置有兩個(gè)柵電極層的雙柵結(jié)構(gòu)。圖5A和5B所示的晶體管440是稱為溝道保護(hù)型(也稱為溝道停止型)的底柵結(jié)構(gòu)的晶體管之一，并且，將該晶體管440也是稱為反交錯(cuò)型晶體管的晶體管的一例。圖5A是平面圖，圖5A中的單點(diǎn)虛線Xl-Yl切斷的截面相當(dāng)于圖5B。如溝道長(zhǎng)度方向的截面圖的圖5B所示那樣，包括晶體管440的半導(dǎo)體裝置在設(shè)有絕緣膜436的具有絕緣表面的襯底400上具有柵電極層401、柵極絕緣膜402、氧化物半導(dǎo)體膜403、絕緣層413、源電極層405a以及漏電極層405b。與氧化物半導(dǎo)體膜403接觸的絕緣層413設(shè)置在與柵電極層401重疊的氧化物半導(dǎo)體膜403的溝道形成區(qū)上，并且它用作溝道保護(hù)膜。通過(guò)改進(jìn)重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層413的截面形狀，具體而言端部的截面形狀(錐形角e及厚度等)，能夠緩和在漏電極層405b的端部近旁會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中，而抑制晶體管440的開(kāi)關(guān)特性的劣化。具體而言，將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層413的截面形狀設(shè)定為梯形或三角形，截面形狀的下端部的錐形角9為60°以下，優(yōu)選為45°以下，更優(yōu)選為30°以下。通過(guò)采用上述角度范圍，在對(duì)柵電極層401施加較高的柵電壓的情況下，能夠緩和在漏電極層405b的端部近旁會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中。在本實(shí)施方式中，在截面形狀中絕緣層413的比中央范圍D靠近外側(cè)的端部為錐形形狀，且將該部分稱為錐形部分。在截面形狀中，絕緣層413的錐形部分在于兩端，將其一方的寬度稱為錐形部分的寬度，并且錐形部分的寬度相當(dāng)于從溝道長(zhǎng)度L減去中央的范圍D的大約一半。另外，將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層413的厚度設(shè)定為0. 3 y m以下，優(yōu)選為5nm以上且0.1 y m以下。通過(guò)采用上述厚度范圍，能夠使電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值小，或者由于電場(chǎng)集中分散而電場(chǎng)集中的部分成為多個(gè)，結(jié)果能夠緩和在漏電極層405b的端部近旁會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中。用于氧化物半導(dǎo)體膜403的氧化物半導(dǎo)體優(yōu)選至少包含銦(In)或鋅(Zn)。特別優(yōu)選包含In及Zn。另外，優(yōu)選的是，作為用來(lái)減少使用該氧化物的晶體管的電特性不均勻的穩(wěn)定劑，除了包含上述以外，還包含鎵(Ga)。另外，作為穩(wěn)定劑，優(yōu)選包含錫(Sn)。另外，作為穩(wěn)定劑， 優(yōu)選包含鉿(Hf)。另外，作為穩(wěn)定劑，優(yōu)選包含鋁(Al)。另外，作為其他穩(wěn)定劑，也可以包含鑭系元素的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)以及镥(Lu)中的任何一種或多種。例如，作為氧化物半導(dǎo)體可以使用氧化銦；氧化錫；氧化鋅；二元金屬氧化物如In-Zn類氧化物、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物；三元金屬氧化物如In-Ga-Zn類氧化物(也稱為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物；以及四元金屬氧化物如In-Sn-Ga-Zn類氧化物、In-Hf-Ga-Zn 類氧化物、In-Al-Ga-Zn 類氧化物、In-Sn-Al-Zn 類氧化物、In-Sn-Hf-Zn類氧化物、In-Hf-Al-Zn類氧化物。另外，例如，In-Ga-Zn類氧化物是指包含In、Ga和Zn的氧化物，而對(duì)In、Ga、Zn的比率沒(méi)有限制。另外，也可以包含In、Ga、Zn以外的金屬元素。In-Ga-Zn類氧化物具有無(wú)電場(chǎng)時(shí)的電阻足夠高而可以使截止電流足夠低且遷移率高的特征，因此作為用于半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體材料十分合適。例如，可以使用其原子數(shù)比為In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)或In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)的In-Ga-Zn類氧化物或其組成附近的氧化物。或者，可以使用其原子數(shù)比為 In:Sn:Zn=1:1:1 (=1/3:1/3:1/3)、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))的In-Sn-Zn氧化物或其組成附近的氧化物。例如，In-Sn-Zn氧化物比較容易得到高遷移率。但是，即使使用In-Ga-Zn氧化物，也可以通過(guò)降低塊體內(nèi)缺陷密度而提高遷移率。另外，通過(guò)減少成為電子給體(施主)的水分或氫等雜質(zhì)且減少氧缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)的高純度化的氧化物半導(dǎo)體(purified Oxide Semiconductor)是i型(本征半導(dǎo)體)或無(wú)限趨近于i型。因此，使用上述氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有截止電流顯著低的特性。另外，氧化物半導(dǎo)體的帶隙是2eV以上，優(yōu)選是2. 5eV以上，更優(yōu)選是3eV以上。通過(guò)使用水分或氫等的雜質(zhì)濃度充分地降低且氧缺陷降低而被高純度化的氧化物半導(dǎo)體膜，可以降低晶體管的截止電流。具體而言，根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)可以證明將被高純度化的氧化物半導(dǎo)體膜用作半導(dǎo)體膜的晶體管的截止電流低。例如，即使用具有I X IOVm溝道寬度和IOym溝道長(zhǎng)度的元件，在從IV至IOV的源電極和漏電極之間的電壓(漏極電壓)范圍內(nèi)，截止態(tài)電流可以小于或等于半導(dǎo)體參數(shù)分析儀的測(cè)量極限，即小于或等于IX 10_13A。在此情況下，可知相當(dāng)于截止電流除以晶體管的溝道寬度的數(shù)值的截止電流密度為lOOzA/ym以下。此外，通過(guò)使用使電容元件和晶體管連接，并由該晶體管控制流入到電容元件的電荷或從電容元件流出的電荷的電路，來(lái)進(jìn)行截止電流密度的測(cè)量。在該測(cè)量時(shí)，將被高純度化的氧化物半導(dǎo)體膜用于上述晶體管的溝道形成區(qū)，且根據(jù)電 容元件的每個(gè)單位時(shí)間的電荷量推移測(cè)量該晶體管的截止電流密度。其結(jié)果是，可知當(dāng)晶體管的源電極和漏電極之間的電壓為3V時(shí)，可以獲得更低的截止電流密度，即幾十yA/ym。由此，以被高純度化的氧化物半導(dǎo)體膜用于溝道形成區(qū)的晶體管的截止電流比使用具有結(jié)晶性的硅的晶體管的截止電流顯著低。此外，在沒(méi)有特別的說(shuō)明的情況下，在n溝道型晶體管中，本說(shuō)明書(shū)所述的截止電流是指如下電流，即在使漏電極的電位高于源電極及柵電極的電位的狀態(tài)下，當(dāng)以源電極的電位為基準(zhǔn)時(shí)的柵電極的電位為0以下時(shí)，流過(guò)源電極和漏電極之間的電流。或者，在P溝道型晶體管中，本說(shuō)明書(shū)所述的截止電流是指如下電流，即在使漏電極的電位低于源電極及柵電極的電位的狀態(tài)下，當(dāng)以源電極的電位為基準(zhǔn)時(shí)的柵電極的電位為0以上時(shí)，流過(guò)源電極和漏電極之間的電流。此外，例如，氧化物半導(dǎo)體膜可以通過(guò)使用包含In (銦)、Ga (鎵)和Zn(鋅)的靶材的濺射法形成。在通過(guò)濺射法形成In-Ga-Zn類氧化物半導(dǎo)體膜的情況下，優(yōu)選使用原子數(shù)比為 In:Ga:Zn=1:1:1、4:2:3、3:1:2、1:1:2、2:1:3 或 3:1:4 的 In-Ga-Zn 類氧化物的革巴材。通過(guò)使用具有上述原子數(shù)比的In-Ga-Zn類氧化物的靶材形成氧化物半導(dǎo)體膜，容易形成多晶或CAAC(C Axis Aligned Crystal)。另外，包含In、Ga及Zn的靶材的填充率為90%以上且100%以下，優(yōu)選為95%以上且低于100%。通過(guò)采用填充率高的靶材，可以形成致密的氧化物半導(dǎo)體膜。另外，當(dāng)作為氧化物半導(dǎo)體使用In-Zn類氧化物材料時(shí)，將所使用的靶材中的金屬元素的原子數(shù)比設(shè)定為In:Zn=50:1至1:2 (換算為摩爾數(shù)比則為In203:Zn0=25:1至1:4)，優(yōu)選為In:Zn=20:l至1:1 (換算為摩爾數(shù)比則為In2O3 = ZnO=IO:1至1:2)，更優(yōu)選為ImZn=L 5:1 M 15:1 (換算為摩爾數(shù)比則為In203:Zn0=3:4至15:2)。例如，作為用來(lái)形成作為In-Zn類氧化物的氧化物半導(dǎo)體膜的靶材，當(dāng)原子數(shù)比為In:Zn:0=X:Y:Z時(shí)，滿足Z>1. 5X+Y。通過(guò)將Zn的比率設(shè)定為上述范圍內(nèi)的值，可以實(shí)現(xiàn)遷移率的提高。氧化物半導(dǎo)體膜403有可能處于單晶、多晶(也稱為多晶體)或非晶等狀態(tài)。優(yōu)選氧化物半導(dǎo)體膜是C軸取向結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體(C Axis AlignedCrystalline Oxide Semiconductor :CAAC_0S)膜。CAAC-OS膜不是完全的單晶，也不是完全的非晶。CAAC-OS膜是在非晶相中具有結(jié)晶部的結(jié)晶-非晶混合相結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體膜。另外，在很多情況下該結(jié)晶部為能夠容納于一個(gè)邊長(zhǎng)小于IOOnm的立方體的尺寸。另外，在使用透射電子顯微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)觀察時(shí)的圖像中，包括在 CAAC-0S 膜中的非晶部與結(jié)晶部的邊界不明確。另外，利用TEM在CAAC-OS膜中觀察不到晶界(grainboundary)。因此，在CAAC-OS膜中，起因于晶界的電子遷移率的降低得到抑制。包括在CAAC-OS膜中的結(jié)晶部的c軸在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法線向量或平行于表面的法線向量方向上一致，在從垂直于ab面的方向看時(shí)具有三角形或六角形的原子排列，且在從垂直于c軸的方向看時(shí)，金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀。另外，在不同結(jié)晶部之間a軸及b軸的方向可以不同。在本說(shuō)明書(shū)中，當(dāng)只記載“垂直”時(shí)，還包括85°以上且95°以下的范圍。另外，當(dāng)只記載“平行”時(shí)，還包括-5°以上且5°以下的范圍。另外，在CAAC-OS膜中，結(jié)晶部的分布也可以不均勻。例如，在CAA C-OS膜的形成過(guò)程中，在從氧化物半導(dǎo)體膜的表面一側(cè)進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，與被形成面近旁相比，有時(shí)在表面近旁結(jié)晶部所占的比例高。另外，通過(guò)對(duì)CAAC-OS膜添加雜質(zhì)，有時(shí)在該雜質(zhì)添加區(qū)中結(jié)晶部被非晶化。因?yàn)榘ㄔ贑AAC-OS膜中的結(jié)晶部的c軸在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法線向量或平行于表面的法線向量的方向上一致，所以根據(jù)CAAC-OS膜的形狀(被形成面的截面形狀或表面的截面形狀)有時(shí)朝向彼此不同的方向。另外，結(jié)晶部的c軸方向是平行于形成CAAC-OS膜時(shí)的被形成面的法線向量或平行于表面的法線向量的方向。結(jié)晶部通過(guò)進(jìn)行成膜或進(jìn)行成膜后的加熱處理等的晶化處理來(lái)形成。使用CAAC-OS膜的晶體管可以降低因照射可見(jiàn)光或紫外光而產(chǎn)生的電特性變動(dòng)。因此，這種晶體管的可靠性高。另外，構(gòu)成氧化物半導(dǎo)體膜的氧的一部分也可以用氮取代。此外，如CAAC-OS那樣具有結(jié)晶部的氧化物半導(dǎo)體中可以進(jìn)一步降低塊體內(nèi)缺陷，通過(guò)提高表面的平坦性，可以得到處于非晶狀態(tài)的氧化物半導(dǎo)體的遷移率以上的遷移率。為了提高表面的平坦性，優(yōu)選在平坦的表面上形成氧化物半導(dǎo)體。具體而言，在平均面粗糙度(Ra)為Inm以下，優(yōu)選為0. 3nm以下，更優(yōu)選為0.1nm以下的表面上形成氧化物半導(dǎo)體。注意，Ra是將JIS B0601:2001 (IS04287:1997)中定義的算術(shù)平均粗糙度擴(kuò)大為三維以使其能夠應(yīng)用于曲面的度量，可以將它表示為“將從基準(zhǔn)面到指定面的偏差的絕對(duì)值平均而得的值”，以如下公式(I)定義。
公式I
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括 絕緣表面上的柵電極層； 所述柵電極層上的柵極絕緣膜； 在所述柵極絕緣膜上包含溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體膜； 接觸于所述氧化物半導(dǎo)體膜上的絕緣層； 在所述絕緣層上具有端部的源電極層；以及 在所述絕緣層上具有端部的漏電極層， 其中所述源電極層的端部及所述漏電極層的端部隔著所述絕緣層重疊于所述溝道形成區(qū)， 所述絕緣層的端部的側(cè)面和所述絕緣表面形成的角度為60°以下， 并且所述絕緣層的厚度為O. 3 μ m以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的厚度為5nm以上且O.Ιμπι以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述漏電極層的端部重疊于所述絕緣層的上表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述漏電極層的端部重疊于所述絕緣層的端部的側(cè)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀為梯形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀為三角形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀的至少一部分具有曲面的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化物半導(dǎo)體膜包括選自銦、鎵及鋅中的至少一種。
9.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的顯示模塊，包括FPC及框體中的至少一個(gè)。
10.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備，包括顯示部、電池及操作鍵中的至少一個(gè)。
11.一種半導(dǎo)體裝置，包括 絕緣表面上的柵電極層； 所述柵電極層上的柵極絕緣膜； 在所述柵極絕緣膜上包含溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體膜； 接觸于所述氧化物半導(dǎo)體膜上的絕緣層； 在所述絕緣層上具有端部的源電極層；以及 在所述絕緣層上具有端部的漏電極層， 其中所述源電極層的端部及所述漏電極層的端部隔著所述絕緣層重疊于所述溝道形成區(qū)， 所述絕緣層的端部的側(cè)面和所述絕緣表面形成的角度為30°以下， 并且所述絕緣層的厚度為O. 3 μ m以下。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的厚度為5nm以上且O.Ιμπι以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述漏電極層的端部重疊于所述絕緣層的上表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述漏電極層的端部重疊于所述絕緣層的端部的側(cè)面。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀為梯形。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀為三角形。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層的截面形狀的至少一部分具有曲面的形狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化物半導(dǎo)體膜包括選自銦、鎵及鋅中的至少一種。
19.一種包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的顯示模塊，包括FPC及框體中的至少一個(gè)。
20.一種包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備，包括顯示部、電池及操作鍵中的至少一個(gè)。
全文摘要
在使用氧化物半導(dǎo)體的底柵型的晶體管中，提供如下結(jié)構(gòu)，即對(duì)柵電極層施加較高的柵電壓的情況下，緩和在漏電極層的端部近旁(及源電極層的端部近旁)會(huì)發(fā)生的電場(chǎng)集中且抑制開(kāi)關(guān)特性的劣化，而提高可靠性。將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀設(shè)定為錐形形狀，且重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的厚度為0.3μm以下，優(yōu)選為5nm以上且0.1μm以下。將重疊于溝道形成區(qū)上的絕緣層的截面形狀的下端部的錐形角θ設(shè)定為60°以下，優(yōu)選設(shè)定為45°以下，更優(yōu)選設(shè)定為30°以下。
文檔編號(hào)H01L29/786GK103035736SQ20121036846
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者山崎舜平, 早川昌彥, 筱原聰始 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所