半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

半导体装置具备包含半导体层(7)、栅极电极(3)、栅极绝缘层(5)、源极电极(8)以及漏极电极(9)的薄膜晶体管(101)，半导体层(7)具有层叠结构，该层叠结构包含：第1氧化物半导体层(71)，其包含In和Zn，第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层(72)，其包含In和Zn，第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；以及中间氧化物半导体层(70)，其配置在第1氧化物半导体层与第2氧化物半导体层之间，第1氧化物半导体层和第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层，中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层，第1氧化物半导体层(71)配置在比第2氧化物半导体层(72)靠栅极绝缘层(5)侧。

Semiconductor Device and Its Manufacturing Method

Semiconductor devices have thin film transistors (101) with semiconductor layers (7), gate electrodes (3), gate insulating layers (5), source electrodes (8) and drain electrodes (9). Semiconductor layers (7) have a cascade structure. The cascade structure consists of a first oxide semiconductor layer (71), which contains in and zinc. The atomic number ratio of in to all metal elements in the first oxide semiconductor layer is greater than that in the first. The atomic number ratio of zinc to all metal elements in oxide semiconductor layer; the atomic number ratio of zinc to all metal elements in oxide semiconductor layer (72); the atomic number ratio of zinc to all metal elements in oxide semiconductor layer (72); and the atomic number ratio of zinc to all metal elements in oxide semiconductor layer (72); and the atomic number ratio of in to all metal elements in oxide semiconductor layer (70); and the coordination of intermediate oxide semiconductor layer (70). Located between the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer are crystalline oxide semiconductor layers, the intermediate oxide semiconductor layer is amorphous oxide semiconductor layer, and the first oxide semiconductor layer (71) is arranged on the side of gate insulation layer (5) than the second oxide semiconductor layer (72).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体装置及其制造方法
本专利技术涉及使用氧化物半导体形成的半导体装置。
技术介绍
液晶显示装置等使用的有源矩阵基板按每个像素具备薄膜晶体管(ThinFilmTransistor：以下称为“TFT”)等开关元件。作为这样的开关元件，以往广泛使用将非晶硅膜作为活性层的TFT(以下，称为“非晶硅TFT”)、将多晶硅膜作为活性层的TFT(以下，称为“多晶硅TFT”)。近年来，有时使用氧化物半导体来代替非晶硅或多晶硅作为TFT的活性层的材料。将这种TFT称为“氧化物半导体TFT”。氧化物半导体具有比非晶硅高的迁移率。因此，氧化物半导体TFT能按比非晶硅TFT高的速度进行动作。已知使用将氧化物半导体层作为活性层的TFT(以下，称为“氧化物半导体TFT”。)。氧化物半导体具有比非晶硅高的迁移率。因此，氧化物半导体TFT能按比非晶硅TFT高的速度进行动作。另一方面，已知将栅极驱动器、源极驱动器等驱动电路单片(一体)地设置于基板上的技术。最近，已利用使用氧化物半导体TFT制作这些驱动电路(单片驱动器)的技术。已提出在氧化物半导体TFT中将组成不同的2个氧化物半导体层层叠而成的层叠半导体层用作活性层。将这种TFT结构称为“2层沟道结构”，将具有2层沟道结构的TFT称为“2层沟道结构TFT”。例如专利文献1公开了使用包含组成不同的2个非晶体In-Ga-Zn-O系半导体的层叠半导体层作为氧化物半导体TFT的活性层。另一方面，例如使用非晶体或结晶质的In-Ga-Zn-O系半导体作为氧化物半导体。结晶质In-Ga-Zn-O系半导体能具有比非晶体In-Ga-Zn-O系半导体高的迁移率。结晶质In-Ga-Zn-O系半导体例如公开于专利文献2等。现有技术文献专利文献专利文献1：特开2013-041945号公报专利文献2：特开2014-007399号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题本申请的专利技术人对具有高迁移率的氧化物半导体TFT的结构反复进行了各种研究。在该过程中，对使用结晶质氧化物半导体的2层沟道结构TFT的特性进行研究发现，在TFT间，可能产生阈值等的特性波动。另外发现，有时在一部分TFT中，阈值电压向负的方向移位，即使不施加栅极电压也成为流过漏极电流的常导通型(耗尽化)。因此，得到具有期望的特性且可靠性优异的2层沟道结构TFT是困难的。在后面描述本申请的专利技术人的详细的研究结果。本专利技术的一实施方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供具备具有稳定的特性的可靠性高的氧化物半导体TFT的半导体装置。用于解决问题的方案本专利技术的一实施方式的半导体装置具备基板和支撑于上述基板的薄膜晶体管，上述薄膜晶体管包含：半导体层；栅极电极；栅极绝缘层，其形成在上述栅极电极与上述半导体层之间；以及源极电极和漏极电极，其与上述半导体层接触，上述半导体层具有层叠结构，上述层叠结构包含：第1氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；以及中间氧化物半导体层，其配置在上述第1氧化物半导体层与上述第2氧化物半导体层之间，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层，上述中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层，上述第1氧化物半导体层配置在比上述第2氧化物半导体层靠上述栅极绝缘层侧。本专利技术的另一实施方式的半导体装置具备基板和支撑于上述基板的薄膜晶体管，上述薄膜晶体管包含：半导体层；栅极电极；栅极绝缘层，其形成在上述栅极电极与上述半导体层之间；以及源极电极和漏极电极，其与上述半导体层接触，上述半导体层具有层叠结构，上述层叠结构包含：第1氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；中间氧化物半导体层，其配置在上述第1氧化物半导体层与上述第2氧化物半导体层之间，包含In和Zn，上述中间氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比和上述中间氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大致相等，上述第1氧化物半导体层配置在比上述第2氧化物半导体层靠上述栅极绝缘层侧。在某实施方式中，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层。在某实施方式中，上述中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层。在某实施方式中，上述中间氧化物半导体层包含结晶尺寸比上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层小的微晶。在某实施方式中，上述中间氧化物半导体层包含In和Zn，上述中间氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比和上述中间氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大致相等。在某实施方式中，上述中间氧化物半导体层与上述第1氧化物半导体层及上述第2氧化物半导体层接触。在某实施方式中，上述中间氧化物半导体层包含In、Ga以及Zn。在某实施方式中，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层包含In、Ga、Zn。在某实施方式中，上述第1氧化物半导体层包含In、Sn以及Zn，上述第2氧化物半导体层包含In、Ga以及Zn。在某实施方式中，上述第1氧化物半导体层的厚度小于上述第2氧化物半导体层的厚度。在某实施方式中，上述第1氧化物半导体层的能隙G1、上述第2氧化物半导体层的能隙G2、上述中间氧化物半导体层的能隙Gm满足G2＞Gm＞G1。在某实施方式中，上述薄膜晶体管具有底栅结构，上述第1氧化物半导体层与上述栅极绝缘层的上表面接触。在某实施方式中，上述薄膜晶体管具有沟道蚀刻结构。本专利技术的一实施方式的半导体装置的制造方法包含：工序(A)，在基板上形成栅极电极和覆盖上述栅极电极的绝缘层；工序(B)，在上述栅极绝缘层上按顺序形成包含In和Zn的第1氧化物半导体膜、中间氧化物半导体膜以及包含In和Zn的第2氧化物半导体膜，从而形成氧化物半导体层叠膜，其中，上述第1氧化物半导体膜和上述第2氧化物半导体膜是结晶质氧化物半导体膜，上述中间氧化物半导体膜是非晶质氧化物半导体膜，上述第1氧化物半导体膜所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体膜所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比，上述第2氧化物半导体膜所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体膜所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；工序(C)，对上述氧化物半导体层叠膜以300℃以上且500℃以下的温度进行热处理，其中，上述非晶质氧化物半导体膜被维持非晶质状态；工序(D)，在上述工序(C)之后，进行上述氧化物半导体层叠膜的图案化，从而在上述栅极绝缘层上形成按顺序包含第1氧化物半导体层、中间氧化物半导体层以及第2氧化物半导体层的半导体层，其中，上述第1氧化物半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体装置，具备基板和支撑于上述基板的薄膜晶体管，其特征在于，上述薄膜晶体管包含：半导体层；栅极电极；栅极绝缘层，其形成在上述栅极电极与上述半导体层之间；以及源极电极和漏极电极，其与上述半导体层接触，上述半导体层具有层叠结构，上述层叠结构包含：第1氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；以及中间氧化物半导体层，其配置在上述第1氧化物半导体层与上述第2氧化物半导体层之间，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层，上述中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层，上述第1氧化物半导体层配置在比上述第2氧化物半导体层靠上述栅极绝缘层侧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.27 JP 2016-1880671.一种半导体装置，具备基板和支撑于上述基板的薄膜晶体管，其特征在于，上述薄膜晶体管包含：半导体层；栅极电极；栅极绝缘层，其形成在上述栅极电极与上述半导体层之间；以及源极电极和漏极电极，其与上述半导体层接触，上述半导体层具有层叠结构，上述层叠结构包含：第1氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；以及中间氧化物半导体层，其配置在上述第1氧化物半导体层与上述第2氧化物半导体层之间，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层，上述中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层，上述第1氧化物半导体层配置在比上述第2氧化物半导体层靠上述栅极绝缘层侧。2.一种半导体装置，具备基板和支撑于上述基板的薄膜晶体管，其特征在于，上述薄膜晶体管包含：半导体层；栅极电极；栅极绝缘层，其形成在上述栅极电极与上述半导体层之间；以及源极电极和漏极电极，其与上述半导体层接触，上述半导体层具有层叠结构，上述层叠结构包含：第1氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第1氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大于上述第1氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比；第2氧化物半导体层，其包含In和Zn，上述第2氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比大于上述第2氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比；中间氧化物半导体层，其配置在上述第1氧化物半导体层与上述第2氧化物半导体层之间，包含In和Zn，上述中间氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比和上述中间氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属元素的原子数比大致相等，上述第1氧化物半导体层配置在比上述第2氧化物半导体层靠上述栅极绝缘层侧。3.根据权利要求2所述的半导体装置，上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层是结晶质氧化物半导体层。4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，上述中间氧化物半导体层是非晶质氧化物半导体层。5.根据权利要求3所述的半导体装置，上述中间氧化物半导体层包含结晶尺寸比上述第1氧化物半导体层和上述第2氧化物半导体层小的微晶。6.根据权利要求1所述的半导体装置，上述中间氧化物半导体层包含In和Zn，上述中间氧化物半导体层所包含的Zn相对于全部金属元素的原子数比和上述中间氧化物半导体层所包含的In相对于全部金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木正彦，今井元，北川英树，菊池哲郎，西宫节治，上田辉幸，原健吾，大东彻，伊藤俊克，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP