JP2015084416A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化物半導体層と、酸化物半導体層と接し、In−M酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)で構成される金属酸化物層と、金属酸化物層に接し、銅、アルミニウム、金又は銀を含む導電層と、を有し、金属酸化物層に含まれるInとMの原子数比をIn:M=x:yとしたとき、y/(x+y)は、0.75以上1未満である半導体装置を提供する。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置及びその作製方法について。図1乃至図6を参照して説明する。
図1(A)及び図1(B)に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ200の平面図及び断面図を示す。図1に示すトランジスタ200は、チャネルエッチ型のトランジスタである。図1(A)は、トランジスタ200の平面図であり、図1(B)は、図1(A)の一点鎖線A1−A2間及びB1−B2間の断面図である。なお、図1(A)では明瞭化のため、基板100、トランジスタ200の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁層)等を省略して図示している。
基板100の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板100として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、SOI基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板100として用いてもよい。なお、基板100として、ガラス基板を用いる場合、第6世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
ゲート電極層102は、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極層102は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
ゲート絶縁層104は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物などを用いればよく、積層または単層で設ける。
酸化物半導体層106は、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−M−Zn酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHf)がある。
酸化物絶縁層112は、酸素を透過する酸化物絶縁膜である。なお、酸化物絶縁層112は、後に形成する酸化物絶縁層114を形成する際の、金属酸化物層108及び酸化物半導体層106へのダメージ緩和膜としても機能する。
酸化物絶縁層114上に、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁層116を設けることで、酸化物半導体層106からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体層106への水素、水等の侵入を防ぐことができる。窒化物絶縁層としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁層の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁層を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁層としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
図2(A)及び図2(B)に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ210の平面図及び断面図を示す。図2(A)は、トランジスタ210の平面図であり、図2(B)は、図2(A)の一点鎖線A3−A4間及びB3−B4間の断面図である。なお、図2(A)では明瞭化のため、基板100、トランジスタ210の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁層)等を省略して図示している。
図3(A)及び図3(B)に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ220の平面図及び断面図を示す。トランジスタ220は、図2のトランジスタ210の変形例である。図3(A)は、トランジスタ220の平面図であり、図3(B)は、図3(A)の一点鎖線A5−A6間及びB5−B6間の断面図である。なお、図3(A)では明瞭化のため、基板100、トランジスタ220の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁層)等を省略して図示している。
図4(A)及び図4(B)に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ230の平面図及び断面図を示す。トランジスタ230は、図2のトランジスタ210、図3のトランジスタ220の変形例である。図4(A)は、トランジスタ230の平面図であり、図4(B)は、図4(A)の一点鎖線A7−A8間及びB7−B8間の断面図である。なお、図4(A)では明瞭化のため、基板100、トランジスタ230の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁層)等を省略して図示している。
以下に、本実施の形態のトランジスタの作製方法を図5及び図6を用いて説明する。以下では、代表的にトランジスタ210の作製方法を例に説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタに含まれる酸化物半導体層の構成について詳述する。
<成膜モデル>
以下では、CAAC−OSおよびnc−OSの成膜モデルの一例について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1と異なる構成を有するトランジスタを備える半導体装置について図7を参照して説明する。本実施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態1と比較して、酸化物半導体層を複数備えた多層膜を有する点が異なる。ここでは、実施の形態1の図2で示した半導体装置を用いて、トランジスタの詳細を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置として表示パネルの構成例について説明する。
以下では、上述したトランジスタなどの半導体装置を含む表示パネルについて説明する。
表示パネルの一態様として、液晶パネルの画素の回路構成の一例を図18(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
表示パネルの他の一態様として、有機ELパネルの画素の回路構成の一例を図18(C)に示す。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、説明する。また、本発明の一態様の半導体装置が適用された電子機器の構成例について説明する。
試料A1の作製方法について説明する。
比較例である試料A2は、試料A1における金属酸化物層108を設けない構造とし、その他の構成及びその作製条件は試料A1と同様に作製した。
比較例である試料A3は、試料A1における金属酸化物層108の代わりに、酸化物半導体層を設ける構造であり、その他の構造及びその作製条件は試料A1と同様に作製した。具体的には、以下の条件を用いて酸化物半導体層となる酸化物半導体膜を成膜した試料を、試料A3として作製した。
比較例である試料A4は、試料A1における金属酸化物層108の代わりに、酸化物半導体層を設ける構造であり、その他の構造及びその作製条件は試料A1と同様に作製した。具体的には、以下の条件を用いて酸化物半導体層となる酸化物半導体膜を成膜した試料を、試料A4として作製した。
比較例である試料A5は、試料A1における金属酸化物層108の代わりに、インジウムとガリウムの原子数比の異なる金属酸化物層を設ける構造であり、その他の構造及びその作製条件は試料A1と同様に作製した。具体的には、以下の条件を用いて金属酸化物層となる金属酸化物膜を成膜した試料を試料A5として作製した。
次に、試料A1乃至試料A5に含まれるトランジスタのVg−Id特性を測定した。ここでは、基板温度を25℃とし、ソース−ドレイン電極層間の電位差(以下、ドレイン電圧、Vdともいう。)を1V、10Vとし、ソース−ゲート電極層間の電位差(以下、ゲート電圧、Vgともいう。)を−20Vから20Vまで変化させたときのソース−ドレイン電極層間に流れる電流(以下、ドレイン電流、Idともいう。)の変化特性、すなわちVg−Id特性を測定した。また、各試料において、トランジスタのチャネル長Lは6μm、チャネル幅Wは50μmであった。また、各試料において、4個のトランジスタを有する。
次に、試料A1及び試料A5における酸化物半導体層及び金属酸化物層、試料A2における酸化物半導体層、試料A3及び試料A4における積層された酸化物半導体層、それぞれの伝電帯下端Ecと価電子帯上端Evとのエネルギー差、即ちエネルギーギャップEgを分光エリプソメータを用いて測定した。また、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)を行って、真空準位Evacと価電子帯上端Evとのエネルギー差、即ちイオン化ポテンシャルIpを測定した。次に、イオン化ポテンシャルIpとエネルギーギャップEgとの差を算出することで、真空準位Evacと伝電帯下端Ecとのエネルギー差、即ち電子親和力χを算出することで、各試料におけるバンドダイヤグラムを得た。
次に、試料A1、試料A3乃至試料A5において、一対の電極層110a、110bと接する金属酸化物層または酸化物半導体層におけるCuの拡散の様子について、銅(Cu)の濃度を測定することにより分析した。
試料A6は、ガラス基板上に、金属酸化物膜として膜厚100nmのIn−Ga酸化物膜(IGO(7:93))を成膜した。
試料A7は、試料A6における金属酸化物膜の代わりに、酸化物半導体膜(IGZO(1:3:6))を設ける構造とし、その他の構造及びその作製条件は試料A6と同様に作製した。なお、酸化物半導体膜(IGZO(1:3:6))は、試料A3に示す酸化物半導体膜(IGZO(1:3:6))と同様の条件を用いて成膜した。
試料A8は、試料A6における金属酸化物膜の代わりに、酸化物半導体膜(IGZO(1:6:4))を設ける構造とし、その他の構造及びその作製条件は試料A6と同様に作製した。なお、酸化物半導体膜(IGZO(1:6:4))は、試料A4に示す酸化物半導体膜(IGZO(1:6:4))と同様の条件を用いて成膜した。
試料A9は、試料A6における金属酸化物膜の代わりに、インジウムとガリウムの原子数比の異なる金属酸化物膜(IGO(2:1))を設ける構造とし、その他の構造及びその形成条件は試料A6と同様に作製した。なお、金属酸化物膜(IGO(2:1))は、試料A5に示す金属酸化物膜(IGO(2:1))と同様の条件を用いて成膜した。
本実施例では、石英基板上に、金属酸化物膜として膜厚100nmのIn−Ga酸化物膜をスパッタリング法により成膜して、試料を作製した。
ここでは、基板温度の条件を300℃とし、各酸化物ターゲットを用いて金属酸化物膜を成膜して、各試料を作製した。次に、各試料の金属酸化物膜の結晶構造をXRDにより測定した。XRDの測定結果を図16に示す。
次に、酸化物ターゲットに含まれる金属の原子数比と、パーティクルの発生数の関係について測定した結果を説明する。
12 光学系
14 試料室
16 光学系
18 カメラ
20 観察室
22 フィルム室
24 電子
28 物質
32 蛍光板
100 基板
101a 第1の導電層
101b 第1の導電層
102 ゲート電極層
103a 第2の導電層
103b 第2の導電層
104 ゲート絶縁層
104a 窒化物絶縁層
104b 酸化物絶縁層
106 酸化物半導体層
106a 酸化物半導体膜
108 金属酸化物層
108a 金属酸化物膜
109a 第1の導電層
109b 第1の導電層
110a 電極層
110b 電極層
110c 電極層
111a 第2の導電層
111b 第2の導電層
112 酸化物絶縁層
114 酸化物絶縁層
116 窒化物絶縁層
117a 開口部
117b 開口部
118 電極層
119a 電極層
119b 電極層
119c 電極層
200 トランジスタ
202a ゲート電極層
202b 電極層
206 酸化物半導体層
210 トランジスタ
220 トランジスタ
230 トランジスタ
300 トランジスタ
306a 酸化物半導体層
306b 酸化物半導体層
316a 酸化物半導体層
316b 酸化物半導体層
310 トランジスタ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 ドレイン電極層
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
1001 本体
1002 筐体
1003a 表示部
1003b 表示部
1004 キーボードボタン
1021 本体
1022 固定部
1023 表示部
1024 操作ボタン
1025 外部メモリスロット
1030 筐体
1031 筐体
1032 表示パネル
1033 スピーカー
1034 マイクロフォン
1035 操作キー
1036 ポインティングデバイス
1037 カメラ
1038 外部接続端子
1040 太陽電池
1041 外部メモリスロット
1050 テレビジョン装置
1051 筐体
1052 記憶媒体再生録画部
1053 表示部
1054 外部接続端子
1055 スタンド
1056 外部メモリ
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5102 酸化亜鉛層
5103 粒子
5105a ペレット
5105a1 領域
5105a2 ペレット
5105b ペレット
5105c ペレット
5105d ペレット
5105d1 領域
5105e ペレット
5120 基板
5130 ターゲット
5161 領域
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライトユニット
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
Claims (6)
- 酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と接し、In−M酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)で構成される金属酸化物層と、
前記金属酸化物層に接し、銅、アルミニウム、金又は銀を含む導電層と、を有し、
前記金属酸化物層に含まれるInとMの原子数比をIn:M=x:yとしたとき、y/(x+y)は、0.75以上1未満であることを特徴とする半導体装置。 - ゲート電極層と、
前記ゲート電極層と接するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と対向する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と接し、In−M酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)で構成される金属酸化物層と
前記金属酸化物層に接し、銅、アルミニウム、金又は銀を含む一対の電極層と、を有し、
前記金属酸化物層に含まれるInとMの原子数比をIn:M=x:yとしたとき、y/(x+y)は、0.75以上1未満であることを特徴とする半導体装置。 - 第1のゲート電極層と、
前記第1のゲート電極層と接する第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層を介して前記第1のゲート電極層と対向する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と接し、In−M酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)で構成される金属酸化物層と
前記金属酸化物層に接し、銅、アルミニウム、金又は銀を含む一対の電極層と、
前記一対の電極層上に接する第2のゲート絶縁層と、
前記第2のゲート絶縁層を介して、前記酸化物半導体層と対向する第2のゲート電極層と、を有し、
前記金属酸化物層に含まれるInとMの原子数比をIn:M=x:yとしたとき、y/(x+y)は、0.75以上1未満であり、
前記第1のゲート電極層及び前記第2のゲート電極層は、前記第1のゲート絶縁層及び前記第2のゲート絶縁層に設けられた開口部において電気的に接続することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、前記酸化物半導体層は、前記一対の電極層とそれぞれ接する第1の側面及び第2の側面と、
前記第1のゲート電極層又は前記第2のゲート電極層と対向する第3の側面及び第4の側面と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記元素Mとして、ガリウムを含有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層と、前記第1の酸化物半導体層と前記金属酸化物層の間に位置する第2の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、
前記第2の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第1の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、且つ前記金属酸化物層の電子親和力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
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