半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种物体、方法或者制造方法。本发明设及一种工序（process)、机器 (machine)、产品（manufacture)或者组合物(^compositionofmatter)。尤其是，本发明的 一个实施方式设及一种半导体装置、显示装置、发光装置、存储装置、运算单元、成像装置、 上述装置的驱动方法或者上述装置的制造方法。
[0002] 在本说明书等中，半导体装置一般是指能够通过利用半导体特性工作的装置。晶 体管及半导体电路是半导体装置的实施方式。在有些情况下，存储装置、显示装置或电子设 备包括半导体装置。
【背景技术】
[0003] 通过使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜来形成晶体管（还被称为 薄膜晶体管（TFT))的技术已经受到注目了。该晶体管被广泛地用于如集成电路（IC)及图 像显示装置（显示装置）等电子设备。娃类半导体材料作为可应用于晶体管的半导体薄膜 的材料被广为人知。作为其他例子，氧化物半导体已经引人注目。
[0004] 例如，在专利文献1中，其活性层包括包含铜（In)、嫁（Ga)及锋狂n)的非晶氧化 物半导体的晶体管被公开。
[参考文献]
[专利文献] 阳0化][专利文献1]日本专利申请公开No. 2006-165528
【发明内容】
[0006] 集成电路的高密度化需要晶体管的微型化，并因为该微型化增加制造工序的难 度，所W需要具有简单结构的晶体管及晶体管的简单的制造方法。
[0007] 另外，已知晶体管的微型化可能会引起晶体管的电特性的劣化或偏差。换言么晶 体管的微型化可能会导致集成电路的成品率降低。
[0008] 由此，本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种具有即便在微型化的情况下 也能够通过简单的工序来制造的结构的半导体装置。另一个目的是提供一种具有能够抑制 因微型化导致的成品率下降的结构的半导体装置。本发明的一个实施方式的另一个目的是 提供一种能够抑制随着晶体管的微型化而逐渐显著的电特性下降的半导体装置。另一个目 的是提供一种具有高集成度的半导体装置。另一个目的是提供一种电特性的劣化得到减少 的半导体装置。另一个目的是提供一种电特性的偏差得到减少的半导体装置。另一个目的 是提供一种功耗低的半导体装置。另一个目的是提供一种可靠性高的半导体装置。另一个 目的是提供一种即便在停止电源供应时也能保持数据的半导体装置。另一个目的是提供一 种上述半导体装置的制造方法。
[0009] 注意，运些目的的描述不妨碍其他目的的存在。注意，在本发明的一个实施方式 中，并不需要实现所有上述目的。其他目的从说明书、附图、权利要求书等的描述中是显而 易见的，并可W从所述描述中导出。
[0010] 本发明的一个实施方式设及一种半导体装置，其中在氧化物半导体层的顶面上形 成有源电极层或漏电极层。
[0011] 注意，在本说明书中，"侧面接触"是指使一个元件的侧面与另一个元件的一部分 接触W获得运两者之间的电连接的状态。
[0012] 本发明的一个实施方式是一种半导体装置，包括：绝缘表面上的第一氧化物半导 体层；第一氧化物半导体层上的第二氧化物半导体层；在第二氧化物半导体层上且其侧面 配置在与第二氧化物半导体层的侧面相同的面上的源电极层及漏电极层；在第二氧化物半 导体层上且与源电极层及漏电极层的每一个部分接触的第=氧化物半导体层；第=氧化物 半导体层上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的栅电极层；W及绝缘表面、源电极层、漏电极层 及栅电极层上的绝缘层。在绝缘层中，形成有使第二氧化物半导体层的一部分及源电极层 的一部分露出的第一开口、使第二氧化物半导体层的一部分及漏电极层的一部分露出的第 二开口W及使栅电极层的一部分露出的第=开口。在第一开口中，第二氧化物半导体层及 源电极层电连接于第一布线。在第二开口中，第二氧化物半导体层及漏电极层电连接于第 二布线。在第=开口中，栅电极层电连接于第=布线。
[0013] 注意，在本说明书等中，"第一"及"第二"等序数词是为避免构成要素的混淆而使 用的，而不会在数字上限制该构成要素。
[0014] 另外，第一氧化物半导体层及第=氧化物半导体层的导带底的能量优选比第二氧 化物半导体层的导带底的能量更接近于真空能级0. 〇5eVW上且2eVW下。
[0015] 优选的是，第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层及第=氧化物半导体层各 包括In-M-化氧化物（M为Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf)，并且第一氧化物半导体层及 第=氧化物半导体层的每一个中的M对于In的原子个数比高于第二氧化物半导体层中的 M对于In的原子个数比。
[0016] 第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层及第=氧化物半导体层各优选包括C轴取向结晶。 阳017] 此外，源电极层及漏电极层各优选使用A1、化、化、Ta、Ti、Mo或W的单层、它们的 叠层或者作为主要成分包含它们的合金材料形成。
[0018] 本发明的另一个实施方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：在绝缘 表面上形成第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜的叠层膜；在叠层膜上形成第一导 电膜；在第一导电膜上形成第一抗蚀剂掩模；作为掩模使用第一抗蚀剂掩模选择性地对第 一导电膜进行蚀刻来形成第一导电层；作为掩模使用第一导电层选择性地对叠层膜进行蚀 亥IJ，并选择性地对第一导电层进行蚀刻W分割第一导电层，由此形成第一氧化物半导体层 和第二氧化物半导体层的叠层W及该叠层上的源电极层和漏电极层；在绝缘表面、叠层、源 电极层W及漏电极层上形成第=氧化物半导体膜；在第=氧化物半导体膜上形成氧化物绝 缘膜；在氧化物绝缘膜上形成第二导电膜；在第二导电膜上形成第二抗蚀剂掩模；作为掩 模使用第二抗蚀剂掩模选择性地对第二导电膜进行蚀刻来形成栅电极层；作为掩模使用栅 电极层选择性地对氧化物绝缘膜及第=氧化物半导体膜进行蚀刻来形成栅极绝缘膜及第 =氧化物半导体层；在绝缘表面、源电极层、漏电极层W及栅电极层上形成绝缘层；在绝缘 层中，形成使第二氧化物半导体层的一部分及源电极层的一部分露出的第一开口、使第二 氧化物半导体层的一部分及漏电极层的一部分露出的第二开口和使栅电极层的一部分露 出的第=开口；W及形成在第一开口中电连接于第二氧化物半导体层及源电极层的第一布 线、在第二开口中电连接于第二氧化物半导体层及漏电极层的第二布线和在第=开口中电 连接于栅电极层的第=布线。
[0019] 此外，第一氧化物半导体层及第=氧化物半导体层各优选使用该第一氧化物半导 体层及该第=氧化物半导体层的导带底的能量比第二氧化物半导体层的导带底的能量更 接近于真空能级0. 〇5eVW上且2eVW下的材料形成。
[0020] 第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层及第=氧化物半导体层各优选使用 In-M-化氧化物（M为Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf)形成，并且第一氧化物半导体层及 第=氧化物半导体层的每一个中的M对于In的原子个数比高于第二氧化物半导体层中的 M对于In的原子个数比。
[0021] 第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层及第=氧化物半导体层的每一个优选 使用包括C轴取向结晶的材料。
[0022] 在上述结构中，优选的是，源电极层及漏电极层各使用Al、化、化、Ta、Ti、Mo或W 的单层、它们的叠层或者作为主要成分使用它们的合金材料形成。
[0023] 根据本发明的一个实施方式，能够提供一种具有即便在被微型化的情况下也能够 W简单的工序制造的结构的半导体装置。或者，能够提供一种具有能够抑制因微型化导致 的成品率下降的结构的半导体装置。或者，能够提供一种能够抑制随着晶体管的微型化而 逐渐显著的电特性下降的半导体装置。或者，能够提供一种集成度高的半导体装置。或者， 能够提供一种电特性的劣化得到减少的半导体装置。或者，能够提供一种电特性的偏差得 到抑制的半导体装置。或者，能够提供一种功耗低的半导体装置。或者，能够提供一种可靠 性高的半导体装置。或者，能够提供一种即便在没有被供电时也能保持数据的半导体装置。 或者，能够提供一种上述半导体装置的制造方法。
[0024] 注意，运些效果的描述不妨碍其他效果的存在。在本发明的一个实施方式中，不需 要得到所有上述效果。其他效果可W从说明书、附图、权利要求书等的描述中是显而易见 的，并可W从所述描述中导出。
【附图说明】 阳〇2引在附图中： 图IA和IB是晶体管的俯视图及截面图； 图2A和2B是晶体管的截面图； 图3A至3C是晶体管的截面图； 图4A至4C是晶体管的截面图； 图5是晶体管的截面图； 图6A和6B是晶体管的截面图； 图7是晶体管的截面图； 图8A至8C是示出晶体管的制造方法的截面图； 图9A至9C是示出晶体管的制造方法的截面图； 图IOA和IOB是示出晶体管的制造方法的截面图； 图IlA和IlB是半导体装置的截面图及电路图； 图12是半导体装置的电路图； 图13A至13C示出可应用半导体装置的电子设备； 图14A和14B是晶体管的俯视图及截面图； 图15A和15B是晶体管的俯视图及截面图； 图16A至16D表示用于计算的模型及其计算结果；W及 图17A和17B表示晶体管的Id-Vg特性。
【具体实施方式】
[00%] 参照附图对实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于下面说明，并且本领域 的技术人员很容易地理解一个事实，就是其方式及详细内容可W在不脱离本发明的宗旨及 范围的情况下可W被变换为各种形式。因此，本发明不应该被限定于下面实施方式的的说 明。注意，在下面所说明的发明结构中，在不同的附图之间使用相同的附图标记来表示相同 的部分或具有同样功能的部分，而在有些情况下省略其说明。
[0027] 注意，在本说明书等中，当明确地记载X与Y连接时，在其中包括X与Y电连接的 情况、X与Y在功能上连接的情况W及X与Y直接连接的情况。运里，X和Y的每一个表示 物体（例如，装置、元件、电路、布线、电极、端子、导电膜、层等）。因此，还包括附图及文章所 示的连接关系W外的连接关系，而不局限于规定的连接关系，例如，附图及文章所示的连接 关系。
[0028] 在X与Y电连接的情况下，例如可W在X与Y之间连接一个或更多的能够电连接 X与Y的元件（例如，开关、晶体管、电容器、电感器、电阻器、二极管、显示元件、发光元件及 负载）。注意，开关被控制为开启或关闭。目P，开关具有通过被开启或关闭（成为开启状态 及关闭状态）决定是否使电流流过的功能。或者，开关具有选择并改变电流路径的功能。
[0029] 在X与Y在功能上连接的情况下，例如可W在X与Y之间连接一个或更多的能够 在功能上连接X与Y的电路（例如，逻辑电路如反相器、NAND电路或NOR电路；信号转换电 路如DA转换电路、AD转换电路或伽马校正电路；电位电平转换电路如电源电路（例如，升 压电路或降压电路）或改变信号的电位电平的电平转换电路；电压源；电流源；切换电路； 能够增大信号振幅或电流量等的放大电路、运算放大器、差动放大电路、源极跟随电路或缓 冲电路；信号产生电路；存储电路；W及控制电路）。注意，例如，即使在其他电路介于X与 Y之间时，在从X输出的信号被传送到Y的情况下，X与Y也在功能上连接。
[0030] 注意，当明确地记载X与Y连接时，在其中包括X与Y电连接的情况（即，W其间设 置有其他元件或其他电路的方式使X与Y连接的情况）、X与Y在功能上连接的情况（即， W其间设置有其他电路的方式使X与Y在功能上连接的情况）W及X与Y直接连接的情况 (即，W其间不设置其他元件或其他电路的方式使X与Y连接的情况）。目P，当明确地记载 "X与Y电连接"时，该描述与只明确地记载"X与Y连接"的情况相同。
[0031] 即便在电路图中独立的构成要素相互电连接时，在有些情况下一个构成要素还具 有多个构成要素的功能。例如，当布线的一部分还被用作电极时，一个导电膜兼作布线和电 极。由此，本本说明书中的"电连接"在其范畴内包括如一个导电膜具有多个构成要素的功 能的情况。
[0032] 注意，在本说明书等中，可W使用各种衬底形成晶体管。衬底的种类不局限于某 一个种类。该衬底的例子包括半导体衬底（例如，单晶衬底或娃衬底）、SOI衬底、玻璃衬 底、石英衬底、塑料衬底、金属衬底、不诱钢衬底、包含不诱钢锥的衬底、鹤衬底、包含鹤锥的 衬底、柔性衬底、贴合薄膜、包含纤维状材料的纸及基材薄膜。玻璃衬底的例子包括领棚娃 酸盐玻璃、侣棚娃酸盐玻璃及钢巧玻璃。作为柔性衬底，例如可W使用柔性合成树脂诸如W 聚对苯二甲酸乙二醇醋（PET)、聚糞二甲酸乙二醇醋（阳脚、聚酸讽（PE巧为代表的塑料或 丙締酸树脂。贴合薄膜的例子包括使用聚丙締、聚醋、聚氣化乙締、聚氯乙締等形成的贴合 薄膜。基材薄膜的例子包括使用聚醋、聚酷胺、聚酷亚胺、无机蒸锻薄膜、纸等形成的基材薄 膜。尤其是，当使用半导体衬底、单晶衬底或SOI衬底等制造晶体管时，可W制造特性、尺寸 或形状等的偏差小、电流供应能力高且尺寸小的晶体管。通过使用运种晶体管构成电路，可 W减少电路的功耗或电路可W被高度集成化。
[0033] 注意，可W使用一个衬底形成晶体管，然后将该晶体管转置到另一个衬底上。作为 该晶体管被转置的衬底的例子，除了上述可W在其上形成晶体管的衬底之外，还有纸衬底、 玻璃纸衬底、石材衬底、木材衬底、布衬底（包括天然纤维（例如，丝、棉或麻）、合成纤维 (例如，尼龙、聚氨醋或聚醋）或再生纤维（例如，醋醋纤维、铜氨纤维、人造纤维或再生聚 醋）等）、皮革衬底、橡胶衬底等。通过使用运种衬底，可W形成特性良好的晶体管、功耗低 的晶体管或耐久性高的装置，可W得到高耐热性，或者可W实现轻量化或薄型化。
[0034] 实施方式1 在本实施方式中，参照附图对本发明的一个实施方式的半导体装置进行说明。
[0035] 图IA和IB是本发明的一个实施方式的晶体管的俯视图及截面图。图IA是俯视 图。图IB示出沿着图IA中的点划线A1-A2的截面。图2A是沿着图IA中的点划线A3-A4 的截面图。图2B是沿着图IA中的点划线A5-A6的截面图。注意，在图IA的俯视图中，为 了使附图简化，没有示出一些构成要素。在有些情况下，将点划线A1-A2的方向称为沟道长 度方向，并将点划线A3-A4的方向称为沟道宽度方向。
[0036] 图IA和IB及图2A和2B所示的晶体管100包括：衬底110上的基底绝缘膜120 ; 位于该基底绝缘膜上且依次形成有第一氧化物半导体层131和第二氧化物半导体层132的 叠层；该第二氧化物半导体层上的源电极层140及漏电极层150 ;W与基底绝缘膜120及该 叠层接触的方式形成且与源电极层140及漏电极层150的每一个部分接触的第=氧化物半 导体层133 ;该第S氧化物半导体层上的栅极绝缘膜160 ;该栅极绝缘膜上的栅电极层170 ; W及基底绝缘膜120、源电极层140、漏电极层150及栅电极层170上的绝缘层180。
[0037] 注意，例如，晶体管的"源极"和"漏极"的功能在使用极性相反的晶体管时或在电 路工作中改变电流方向时，有时互相调换。因此，在本说明书中，可W将源极和漏极分别表 示为"漏极"和"源极"。
[0038] 可W在绝缘层180上形成由氧化物形成的绝缘层185。注意，该绝缘层185可W按 需求设置，还可W在其上设置其他绝缘层。将第一氧化物半导体层131、第二氧化物半导体 层132W及第=氧化物半导体层133总称为氧化物半导体层130。
[0039] 在绝缘层180中，形成有使第二氧化物半导体层132及源电极层140部分露出的 第一开口 147。并且，形成有使第二氧化物半导体层132及漏电极层150部分露出的第二开 口 157。再者，形成有使栅电极层170部分露出的第=开口 177。
[0040] 在第一开口 147中，第二氧化物半导体层132的侧面与源电极层140的侧面配置 在同一面上，并电连接于第一布线145。在第二开口 157中，第二氧化物半导体层132的侧 面与漏电极层150的侧面配置在同一面上，并电连接于第二布线155。在第=开口 177中， 栅电极层170W侧面接触的方式电连接于第=布线175。
[0041] 在现有的晶体管中，通过在形成于电极层上的绝缘层等中设置开口W使形成于该 开口中的布线的一部分与电极层的顶面的一部分接触，由此获得电连接。
[0042] 然而，随着晶体管的微型化进展，制造工序的难度提高，而导致设置于上述绝缘层 等中的开口的不良或开口深度的偏差等。因此，在元件之间容易产生电极层与布线之间的 接触电阻的偏差。换言之，制造微型化的晶体管的难度的提高是晶体管的电特性的偏差的 因素之一。
[0043] 另一方面，在本发明的一个实施方式中，在开口中被露出的电极层的一部分与形 成在该开口中的布线的一部分W侧面接触的方式相互电连接。由此，可W使电极层与布线 之间的接触面积的偏差不容易产生。换言之，可W抑制元件中的电极层与布线之间的接触 电阻的偏差，而可W减少由该偏差引起的晶体管的电特性的偏差。
[0044] 另外，在绝缘层中设置开口而使电极层等露出的情况下，与严格地控制蚀刻条件 使电极层等的顶面露出的工序相比，对电极层等进