半导体装置的制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术的一个目的在于通过缩减曝光掩模数简化光刻工序，以低成本且高生产率地制造具有氧化物半导体的半导体装置。在具有沟道蚀刻结构的反交错型薄膜晶体管的半导体装置的制造方法中，使用由透过的光成为多个强度的曝光掩模的多级灰度掩模形成的掩模层进行氧化物半导体膜以及导电膜的蚀刻工序。在蚀刻工序中，第一蚀刻工序采用使用蚀刻液的湿蚀刻，而第二蚀刻工序采用使用蚀刻气体的干蚀刻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用氧化物半导体的半导体装置及其制造方法。
技术介绍
以液晶显示装置为代表的形成在玻璃衬底等的平板上的薄膜晶体管使用非晶硅、 多晶硅制造。使用非晶硅的薄膜晶体管具有如下特性虽然其场效应迁移率低，但是可以对 应于玻璃衬底的大面积化。另一方面，使用结晶硅的薄膜晶体管具有如下特性虽然其场效 应迁移率高，但是需要进行激光退火等的晶化工序，因此其不一定适合于玻璃衬底的大面 积化。 另一方面，使用氧化物半导体制造薄膜晶体管，并将其应用于电子装置和光装置 的技术受到注目。例如，专利文献1及专利文献2公开作为氧化物半导体膜使用氧化锌、 In-Ga-Zn-0类氧化物半导体来制造薄膜晶体管，并将其用于图像显示装置的开关元件等的 技术。[专利文献1]日本专利申请公开2007-123861号公报 [专利文献2]日本专利申请公开2007-96055号公报 在氧化物半导体中设置有沟道形成区的薄膜晶体管可以实现比使用非晶硅的薄 膜晶体管更高的场效应迁移率。作为氧化物半导体膜，可以利用溅射法等在300°C以下的温 度下形成，使用氧化物半导体的薄膜晶体管比使用多晶硅的薄膜晶体管的制造工序简单。 使用上述氧化物半导体在玻璃衬底、塑料衬底等上形成薄膜晶体管，并可以期待 将其应用于液晶显示器、电致发光显示器或电子纸等。 另外，当制造薄膜晶体管时，采用使用多个曝光掩模(也称作光掩模)，并且通过 光刻工序形成叠层结构的方法。但是，光刻工序是包括多个工序的工序，其是对制造成本、 成品率及生产率等形成较大影响的主要原因之一。其中，设计或制造成本高的曝光掩模数 的縮减是重要课题。专利
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的之一在于通过縮减曝光掩模数而将光刻工序简化来 以低成本且高生产率地制造半导体装置。 在反交错型薄膜晶体管的中，使用掩模层进行蚀刻工序，该掩模层由用作透过的光变成多个强度的曝光掩模的多级灰度掩模形成。 使用多级灰度掩模形成的掩模层成为具有多个膜厚的形状，并且通过进行蚀刻可以进一步改变其形状，所以可以用于加工为不同的图案的多个蚀刻工序。因此，使用一个多级灰度掩模可以形成对应于至少两种以上的不同的图案的掩模层。由此，可以縮减曝光掩模数且可以縮减对应的光刻工序，所以可以实现制造工序的简化。 在反交错型薄膜晶体管的制造工序中，进行将半导体膜以及导电膜加工为岛状的 蚀刻工序(第一蚀刻工序)，以及将导电膜和半导体膜蚀刻加工成源电极层、漏电极层以及具有凹部的半导体层的蚀刻工序(第二蚀刻工序)。该第一蚀刻工序利用使用蚀刻液的湿 蚀刻而进行，第二蚀刻工序利用使用蚀刻气体的干蚀刻而进行。 作为蚀刻液，可以使用磷酸和醋酸以及硝酸的混合溶液、或过氧化氢氨水。 作为蚀刻气体，优选采用含有氯的气体(氯类气体，例如Cl2、BCl3、SiCl4等)。还可以采用对上述气体中加入了氧或稀有气体(例如Ar等)的蚀刻气体。 作为本说明书中所使用的氧化物半导体，形成由InM03(Zn0)m(m>0)表示的薄膜，来制造将该薄膜作为半导体层的薄膜晶体管。另外，作为M，其表示选自镓(Ga)、铁(Fe)、镍(Ni)、锰(Mn)及钴(Co)中的一种金属元素或多种金属元素。例如，作为M，除了为Ga的情况外，还有Ga和Ni或Ga和Fe等，包含Ga以外的上述元素的情况。另外，在上述氧化物半导体中，除了包含作为M的金属元素之外，作为杂质元素有时包含Fe、Ni以及其他过渡金属或该过渡金属的氧化物。在本说明书中也将该薄膜称为In-Ga-Zn-O类非单晶膜。 作为In-Ga-Zn-O类非单晶膜的结晶结构，由于在利用溅射法进行成膜后，以20(TC至500°C，典型的是30(TC至400。C进行10分至100分的加热处理，在XRD (X线分析)的分析中观察为非晶结构。另外，当薄膜晶体管的电特性在栅极电压为士20V时，可以制造导通截止比为109以上，迁移率为10以上的In-Ga-Zn-O类非单晶膜。 作为本说明书所公开的专利技术的结构的一个方式的，包括如下步骤在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极层；在栅电极层上层叠栅极绝缘层、氧化物半导体膜以及导电膜；在栅极绝缘层、氧化物半导体膜以及导电膜上形成第一掩模层；使用第一掩模层在第一蚀刻工序中对氧化物半导体膜以及导电膜进行蚀刻，以形成氧化物半导体层以及导电层；对第一掩模层进行灰化形成第二掩模层；以及，使用第二掩模层在第二蚀刻工序中对氧化物半导体层以及导电层进行蚀刻，以形成具有凹部的氧化物半导体层、源电极层以及漏电极层，其中，第一掩模层使用透过的光成为多个强度的曝光掩模形成，并且，在第一蚀刻工序中使用利用蚀刻液的湿蚀刻，在第二蚀刻工序中使用利用蚀刻气体的干蚀刻，并且，在具有凹部的氧化物半导体层中，包含其厚度薄于与源电极层或漏电极层重叠的区域的厚度的区域。 作为本说明书所公开的专利技术的结构的另一方式的，包括如下步骤在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极层；在栅电极层上层叠栅极绝缘层、第一氧 化物半导体膜、第二氧化物半导体膜以及导电膜；在栅极绝缘层、第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜以及导电膜上形成第一掩模层；使用第一掩模层在第一蚀刻工序中对第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜以及导电膜进行蚀刻，以形成第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及导电层；对第一掩模层进行灰化形成第二掩模层；以及，使用第二掩模层在第二蚀刻工序中对第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层以及导电层进行蚀刻，以形成具有凹部的氧化物半导体层、源区、漏区、源电极层以及漏电极层，其中，第一掩模层使用透过的光成为多个强度的曝光掩模形成，并且，在第一蚀刻工序中使用利用蚀刻液的湿蚀刻，在第二蚀刻工序中使用利用蚀刻气体的干蚀刻，并且，在具有凹部的氧化物半导体层中，包含其厚度薄于与源区或漏区重叠的区域的厚度的区域。 本说明书所公开的解决上述课题中的至少一个。 另外，优选用作薄膜晶体管的源区和漏区的第二氧化物半导体膜比用作沟道形成区的第一氧化物半导体膜的厚度薄，并且，具有更高的导电率(电导率)。 第二氧化物半导体膜显示n型导电型，用作源区及漏区。 另外，第一氧化物半导体膜具有非晶结构，第二氧化物半导体膜有时在非晶结构 中包含晶粒(纳米晶体)。该第二氧化物半导体膜中的晶粒(纳米晶体)的直径为lnm至 10nm，典型的为2nm至4nm左右。 可以使用In-Ga-Zn-O类非单晶膜作为用作源区及漏区(n+层)的第二氧化物半 导体膜。 还可以形成覆盖薄膜晶体管，并且与包括沟道形成区的氧化物半导体层接触的绝 缘膜。 另外，因为薄膜晶体管容易由于静电等发生损坏，所以作为栅极线或源极线，优选 在同一衬底上设置驱动电路保护用的保护电路。作为保护电路，优选由使用氧化物半导体 的非线性元件构成。 另外，为了方便起见附加第一、第二等序数词，但其并不表示工序顺序或层叠顺 序。另外，在本说明书中不表示用来特定专利技术的事项的固有名词。 另外，作为具有驱动电路的显示装置，除了液晶显示装置之外，还可以举出使用发光元件的发光显示装置或者使用电泳显示装置的也被称为电子纸的显示装置。 在使用有发光元件的发光显示装置中，在像素部中具有多个薄膜晶体管，在像素部中还有具有将某个薄膜晶体管的栅电极与其它的晶体管的源极布线或漏极布线连接的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极层；在所述栅电极层上层叠栅极绝缘层、氧化物半导体膜以及导电膜；在所述栅极绝缘层、所述氧化物半导体膜以及所述导电膜上形成第一掩模层；使用所述第一掩模层在第一蚀刻工序中对所述氧化物半导体膜以及所述导电膜进行蚀刻，以形成氧化物半导体层以及导电层；对所述第一掩模层进行灰化形成第二掩模层；以及使用所述第二掩模层在第二蚀刻工序中对所述氧化物半导体层以及所述导电层进行蚀刻，以形成具有凹部的氧化物半导体层、源电极层以及漏电极层，其中，所述第一掩模层使用曝光掩模形成，并且，在所述第一蚀刻工序中使用利用蚀刻液的湿蚀刻，并且，在所述第二蚀刻工序中使用利用蚀刻气体的干蚀刻，并且，在所述具有凹部的氧化物半导体层中，包含其厚度薄于与所述源电极层或所述漏电极层重叠的区域的厚度的区域。

【技术特征摘要】
JP 2008-10-24 2008-274634一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极层；在所述栅电极层上层叠栅极绝缘层、氧化物半导体膜以及导电膜；在所述栅极绝缘层、所述氧化物半导体膜以及所述导电膜上形成第一掩模层；使用所述第一掩模层在第一蚀刻工序中对所述氧化物半导体膜以及所述导电膜进行蚀刻，以形成氧化物半导体层以及导电层；对所述第一掩模层进行灰化形成第二掩模层；以及使用所述第二掩模层在第二蚀刻工序中对所述氧化物半导体层以及所述导电层进行蚀刻，以形成具有凹部的氧化物半导体层、源电极层以及漏电极层，其中，所述第一掩模层使用曝光掩模形成，并且，在所述第一蚀刻工序中使用利用蚀刻液的湿蚀刻，并且，在所述第二蚀刻工序中使用利用蚀刻气体的干蚀刻，并且，在所述具有凹部的氧化物半导体层中，包含其厚度薄于与所述源电极层或所述漏电极层重叠的区域的厚度的区域。2. 根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述氧化物半导体膜含有铟、 镓及锌。3. 根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述蚀刻气体含有氯。4. 根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述蚀刻气体含有氧。5. 根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中在所述第一蚀刻工序中使用磷 酸和醋酸以及硝酸的混合溶液作为所述蚀刻液。6. 根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中所述曝光掩模使用半色调掩模 或灰色调掩模。7. —种半导体装置的制造方法，包括如下步骤 在具有绝缘表面的衬底上形成栅电极层；在所述栅电极层上层叠栅极绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：須沢英臣，笹川慎也，村冈大河，伊藤俊一，细羽幸，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]