JP2017216476A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のよう
な電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリ
コン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されて
いる。
鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照
)。
も高いオン特性(オン電流など)を有する。酸化物半導体を用いたトランジスタを、高機
能デバイスに応用するために、さらなる特性の向上が求められており、酸化物半導体の結
晶化の技術が進められている(特許文献2)。特許文献2では、酸化物半導体を熱処理す
ることによって、結晶化する技術が開示されている。
が多い。しかしながら、酸化物半導体膜のスパッタリングの際に、イオン化された希ガス
元素やターゲット表面からはじき飛ばされた粒子が、ゲート絶縁膜などの酸化物半導体膜
の被形成面となる膜の粒子をはじき飛ばしてしまうことがある。このようにして被形成面
となる膜からはじき飛ばされた粒子は、酸化物半導体膜に不純物元素として取り込まれて
しまい、特に酸化物半導体膜の被形成面近傍には不純物元素が高い濃度で取り込まれるお
それがある。また、不純物元素が、酸化物半導体膜の被形成面近傍に残存すると、トラン
ジスタの特性に影響を与える要因になる。
よって酸化物半導体膜の結晶化が阻害されてしまう。そのため、酸化物半導体膜の被形成
面近傍において非晶質領域が残存してしまう。
、寄生容量を低減し、低消費電力でトランジスタを動作させるためには、酸化物半導体膜
を薄くすることが望ましく、その場合、チャネル形成領域は酸化物半導体膜の被形成面近
傍に形成されるため、酸化物半導体膜の被形成面近傍まで結晶化されることが望ましい。
ることを目的の一とする。また、酸化物半導体膜の結晶性を向上させることを目的の一と
する。また、該酸化物半導体膜を用いることにより、安定した電気特性を有する半導体装
置を提供することを目的の一とする。
むゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接し、少なくともゲート電極と重畳する領域に設けら
れた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレイン電
極と、を有し、酸化物半導体膜は、ゲート絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシ
リコンが1.0原子%以下の濃度で分布する第1の領域を有し、少なくとも第1の領域内
に、結晶部を含む半導体装置である。
物を含むゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接し、少なくともゲート電極と重畳する領域に
設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接して設けられたチャネル保護膜と、チ
ャネル保護膜上に設けられ、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレイ
ン電極と、を有し、酸化物半導体膜は、ゲート絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向け
てシリコンが1.0原子%以下の濃度で分布する第1の領域を有し、少なくとも第1の領
域内に、結晶部を含む半導体装置である。
囲に存在し、第1の領域以外に含まれるシリコンの濃度は、第1の領域に含まれるシリコ
ンの濃度より小さいことが好ましい。
ましい。
物を含むゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接し、少なくともゲート電極と重畳する領域に
設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレ
イン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極およびドレイン電極を覆い、シリコンを含む酸
化物を含む保護絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、ゲート絶縁膜との界面から酸化物
半導体膜に向けてシリコンが1.0原子%以下の濃度で分布する第1の領域を有し、酸化
物半導体膜は、保護絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシリコンが1.0原子%
以下の濃度で分布する第2の領域を有し、少なくとも第1の領域内および第2の領域内に
、結晶部を含む半導体装置である。
に存在し、第2の領域は、保護絶縁膜との界面からの厚さが5nm以下の範囲に存在し、
第1の領域及び第2の領域以外に含まれるシリコンの濃度は、第1の領域及び第2の領域
に含まれるシリコンの濃度より小さいことが好ましい。
結晶部を含むことが好ましい。
に対して垂直な方向に揃うことが好ましい。
あることが好ましい。
が1.0×1020atoms/cm3以下となることが好ましい。
を低減することができる。また、酸化物半導体膜の結晶性を向上させることができる。そ
して、該酸化物半導体膜を用いることにより、安定した電気特性を有する半導体装置を提
供することができる。
但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱すること
なくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従
って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必
ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極
」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外し
ない。
定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、
その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配
線」が一体となって形成されている場合なども含む。
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
などのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有す
る素子などが含まれる。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図5を用
いて説明する。
図1(A)および図1(B)に、半導体装置の例として、ボトムゲート構造の一つである
チャネルエッチ型のトランジスタの平面図および断面図を示す。図1(A)は平面図であ
り、図1(B)は、図1(A)におけるA−B断面に係る断面図である。なお、図1(A
)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ110の構成要素の一部(例えば、
保護絶縁膜109など)を省略している。
上に、ゲート電極101、ゲート電極101を覆うゲート絶縁膜102、ゲート絶縁膜1
02と接し、少なくともゲート電極101と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜1
03、酸化物半導体膜103と電気的に接続するソース電極105aおよびドレイン電極
105b、酸化物半導体膜103、ソース電極105aおよびドレイン電極105bを覆
う保護絶縁膜109を含む。
nm以上30nm以下とする。また、酸化物半導体膜103は、単結晶、または微結晶な
どの結晶性を有する構造とすることが好ましい。
igned Crystalline Oxide Semiconductor)膜で
あることが好ましい。
は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当
該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、
透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Micro
scope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質領域と結晶部との境
界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダ
リーともいう)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移
動の低下が抑制される。
垂直な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列
を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に
配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸及びb軸の向きが異なっていても
よい。本明細書等において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含
まれることとする。
C−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、表面
の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。
垂直な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面
形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、C
AAC−OS膜が形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、
成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成さ
れる。
電気特性の変動を低減することが可能である。また、しきい値の変動及びバラツキを抑制
できる。よって。当該トランジスタは信頼性が高い。
らに、結晶性を有する酸化物半導体膜表面の平坦性を高めることによって、該酸化物半導
体を用いたトランジスタは、アモルファス状態の酸化物半導体を用いたトランジスタ以上
の電界効果移動度を得ることができる。酸化物半導体膜表面の平坦性を高めるためには、
平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra
)が0.15nm以下、好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。
れている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基
準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される
。
y1))、(x1,y2,f(x1,y2))、(x2,y1,f(x2,y1))、(
x2,y2,f(x2,y2))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面
に投影した長方形の面積をS0、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZ0とする。R
aは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて
測定可能である。
パーを有していることが好ましい。酸化物半導体膜103の端部が垂直であると酸化物半
導体膜103から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、酸化物半導体膜103の端
部にテーパーを有することで酸素欠損の発生を抑制し、トランジスタ110のリーク電流
の発生を低減することができる。
るいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特に、InとZnを含むことが好ましい。ま
た、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビラ
イザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、
ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、
ランタノイド(例えば、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニウム(Gd))
から選ばれた一種又は複数種が含まれていることが好ましい。
物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系
酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の
酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系
酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸
化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化
物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−Zn系酸化物、
In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、I
n−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In
−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−
Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Y
b−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−
Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化
物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−
Al−Zn系酸化物を用いることができる。
という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の
金属元素が入っていてもよい。
で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた
一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザーとしての元素を示す
。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)
で表記される材料を用いてもよい。
:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn:Ga:Zn系酸化物やその組成の近傍の酸
化物を用いるとよい。
ましい。ゲート絶縁膜102を単層構造とする場合には、例えば、酸化シリコンのような
シリコンを含む酸化物を含む絶縁膜を用いればよい。
る場合、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化
アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタンまたは窒化酸化シリコンなどの上に酸化
シリコンを積層すればよい。また、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート(HfSix
Oy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiOxNy
(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))
などのhigh−k材料の上に酸化シリコンを積層すればよい。また、high−k材料
を用いることでゲートリーク電流を低減することができる。
ることにより酸素の一部を脱離させることができるので、酸化物半導体膜103に酸素を
供給し、酸化物半導体膜103中の酸素欠損を補填することができる。特に、ゲート絶縁
膜102中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ま
しく、例えば、ゲート絶縁膜102として、SiO2+α(ただし、α>0)で表される
酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜をゲート絶縁膜10
2として用いることで、酸化物半導体膜103に酸素を供給することができ、当該酸化物
半導体膜103を用いたトランジスタ110のトランジスタ特性を良好にすることができ
る。
02中のシリコンが不純物として酸化物半導体膜103に取り込まれるおそれがある。酸
化物半導体膜103にシリコンなどが不純物として取り込まれることにより、トランジス
タの特性に影響を与える要因になる。また、酸化物半導体膜103の被形成面近傍に不純
物元素が取り込まれると、不純物元素によって酸化物半導体膜の結晶化が阻害されてしま
う。そのため、酸化物半導体膜の被形成面近傍において非晶質領域が残存してしまう。ま
た、酸化物半導体膜103をCAAC−OS膜とする場合には、被形成面近傍において、
結晶部を形成することが困難となる。
形成面近傍においてはシリコンなどの不純物が取り込まれやすい。酸化物半導体膜103
の被形成面近傍にトランジスタ110のチャネル形成領域が形成されるため、被形成面近
傍にシリコンなどの不純物が取り込まれると、トランジスタ110の特性を変動させてし
まうおそれがある。
添加されると、どのような構造変化が起こるかについて、古典分子動力学計算により調査
した結果について、図21乃至図25を用いて説明する。なお、上記計算を行うため、古
典分子動力学計算ソフトウェアとして、富士通株式会社製SCIGRESS MEを用い
た。古典分子動力学法では、原子間相互作用を特徴づける経験的ポテンシャルを定義する
ことで、各原子に働く力を評価する。ニュートンの運動方程式を数値的に解くことにより
、各原子の運動(時間発展)を決定論的に追跡できる。
r−Hugginsポテンシャルを用いた。
と、1680原子のInGaZnO4のIn、Ga、Znのそれぞれ20原子ずつをシリ
コン(Si)原子で置換した構造(図21(B)参照)を作製した。図21(B)に示す
シリコン(Si)置換モデルにおいて、シリコン(Si)は、3.57atom%(2.
34重量%)である。また、図21(A)に示す単結晶モデルの密度は、6.36g/c
m3であり、図21(B)に示すシリコン(Si)置換モデルの密度は、6.08g/c
m3である。
融点(古典分子動力学計算による見積もりでは、約2000℃)より低い1727℃にお
いて、圧力一定(1atm)で、150psec間(時間刻み幅0.2fsec×75万
ステップ)の古典分子動力学計算により、構造緩和を行った。また、これら2つの構造に
対して、動径分布関数g(r)を求めた。なお、動径分布関数g(r)とは、ある原子か
ら距離r離れた位置において、他の原子が存在する確率密度を表す関数である。原子同士
の相関がなくなっていくと、g(r)は1に近づく。
られた最終構造をそれぞれ図22(A)及び図22(B)に示す。また、それぞれの構造
における動径分布関数g(r)を、図23に示す。
、図22(B)に示すシリコン(Si)置換モデルは不安定で、時間経過とともに結晶構
造が崩れていき、アモルファス構造へと変化することが確認できる。また、図23におい
て、各構造モデルの動径分布関数g(r)を比較すると、単結晶モデルでは、長距離でも
ピークがあり、長距離秩序があることがわかる。一方、シリコン(Si)置換モデルでは
、0.6nm近傍でピークが消え、長距離秩序がないことがわかる。
InGaZnO4のアモルファス化が起こりやすくなることが示唆された。また、InG
aZnO4にシリコン(Si)が含まれた状態で高温加熱を行っても、InGaZnO4
は結晶化しないことが確認された。
こるかについて、古典分子動力学計算により調査した結果について、図21(A)、図2
4、及び図25を用いて説明する。なお、上記計算を行うため、古典分子動力学計算ソフ
トウェアとして、富士通株式会社製SCIGRESS MEを用いた。
r−Hugginsポテンシャルを用いた。また、炭素原子(C)との原子間相互作用に
はLennard−Jonesポテンシャルを用いた。
と、1680原子のInGaZnO4のIn、Ga、Znのそれぞれ20原子ずつを炭素
原子(C)で置換し、酸素(O)の80原子を炭素原子(C)で置換した構造(図24(
A)参照)を作製した。図24(A)に示す炭素(C)置換モデルにおいて、炭素原子(
C)は、8.33atom%である。また、図21(A)に示す単結晶モデルの密度は、
6.36g/cm3であり、図24(A)に示す炭素(C)置換モデルの密度は、5.8
9g/cm3である。
融点(古典分子動力学計算による見積もりでは約2000℃)より低い1727℃におい
て、圧力一定(1atm)で、140psec間(時間刻み幅0.2fsec×75万ス
テップ)の古典分子動力学計算により、構造緩和を行った。また、これら2つの構造に対
して、動径分布関数g(r)を求めた。なお、動径分布関数g(r)とは、ある原子から
距離r離れた位置において、他の原子が存在する確率密度を表す関数である。原子同士の
相関がなくなっていくと、g(r)は1に近づく。
られた最終構造をそれぞれ、図22(A)及び図24(B)に示す。また、それぞれの構
造における動径分布関数g(r)を図25に示す。
、図24(B)に示す炭素(C)置換モデルは不安定で、時間経過とともに結晶構造が崩
れていき、アモルファス構造へと変化することが確認できる。また、図25において、各
構造モデルの動径分布関数g(r)を比較すると、単結晶モデルでは、長距離でもピーク
があり、長距離秩序があることがわかる。一方、炭素(C)置換モデルでは、0.6nm
近傍でピークが消え、長距離秩序がないことがわかる。
GaZnO4のアモルファス化が起こりやすくなることが示唆された。また、InGaZ
nO4に炭素(C)が含まれた状態で高温加熱を行っても、InGaZnO4は結晶化し
ないことが確認された。
の結晶性が低下する要因となる。そこで、本実施の形態に示す半導体装置においては、酸
化物半導体膜の被形成面近傍にシリコンなどの不純物が取り込まれることを抑制する。そ
の結果、酸化物半導体膜103において、ゲート絶縁膜102との界面から酸化物半導体
膜103に向けてシリコンが1.0原子%以下の濃度で分布する領域が形成される。該領
域を、領域103aと示す。また、領域103aに含まれるシリコンの濃度は、0.1原
子%以下であるとより好ましい。また、領域103aは、ゲート絶縁膜102との界面か
らの厚さが5nm以下の範囲に存在する。
域103bに含まれるシリコンの濃度は、領域103aに含まれるシリコンの濃度より小
さくなる。
同様に酸化物半導体膜103に不純物として取り込まれるおそれがある。そこで、領域1
03aに含まれる炭素濃度は1.0×1020atoms/cm3以下、より好ましくは
1.0×1019atoms/cm3以下とする。
の濃度を低減することにより、トランジスタ110の特性の変動を抑制することができる
。また、酸化物半導体膜103の被形成面近傍まで結晶化させることができる。また、酸
化物半導体膜103をCAAC−OS膜とする場合には、被形成面近傍まで結晶部を形成
することができる。このような酸化物半導体膜を用いてトランジスタを作製することによ
り、安定した電気特性を有する半導体装置とすることができる。
いて、図4(A)乃至図4(E)を用いて説明する。
ソース電極105aやドレイン電極105bと配線とを電気的に接続させるために、ゲー
ト絶縁膜102、保護絶縁膜109、などには開口が形成されていても良い。また、酸化
物半導体膜103の上方のゲート電極101と重畳する領域に、さらに、第2のゲート電
極を有していても良い。
10とは異なる構成のトランジスタ120を示す。図2(A)は平面図であり、図2(B
)は、図2(A)におけるC−D断面に係る断面図である。なお、図2(A)では、煩雑
になることを避けるため、トランジスタ120の構成要素の一部(例えば、保護絶縁膜1
09など)を省略している。
上に、ゲート電極101、ゲート電極101を覆うゲート絶縁膜102、ゲート絶縁膜1
02と接し、少なくともゲート電極101と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜1
03、酸化物半導体膜103と電気的に接続するソース電極105aおよびドレイン電極
105b、酸化物半導体膜103、ソース電極105aおよびドレイン電極105bを覆
う保護絶縁膜109を含む。ここで、トランジスタ120のトランジスタ110との相違
点は、保護絶縁膜109として上記ゲート絶縁膜102と同様にシリコンを含む酸化物を
含む絶縁膜を用いている点と、酸化物半導体膜103と保護絶縁膜109が接する界面近
傍に領域103cを有する点である。
。領域103aは、酸化物半導体膜103において、ゲート絶縁膜102との界面から酸
化物半導体膜103に向けてシリコンが1.0原子%以下の濃度で分布する領域である。
領域103aは、ゲート絶縁膜102との界面からの厚さが5nm以下の範囲に存在する
ことが好ましい。また、領域103cは、酸化物半導体膜103において、保護絶縁膜1
09との界面から酸化物半導体膜103に向けてシリコンが1.0原子%以下の濃度で分
布する領域である。領域103cは、保護絶縁膜109との界面からの厚さが5nm以下
の範囲に存在することが好ましい。また、酸化物半導体膜103の領域103aおよび領
域103c以外の領域を領域103bとする。
度より小さくなる。また、領域103aに含まれるシリコンの濃度は、0.1原子%以下
であるとより好ましい。
原子%以下とし、領域103cに含まれるシリコンの濃度も1.0原子%以下、好ましく
は0.1原子%以下とする。また、このとき、領域103bに含まれるシリコンの濃度は
、領域103a及び領域103cに含まれるシリコンの濃度より小さくなる。
シリコンなどの不純物の濃度を低減させることにより、トランジスタ120の電気特性の
変動を抑制することができる。
る。詳細は、図1(A)および図1(B)に関する記載を参酌することができる。
が、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。図3(A)および図
3(B)に、図1および図2に示すトランジスタとは異なるチャネルストップ型のトラン
ジスタ130の構成例を示す。図3(A)は平面図であり、図3(B)は、図3(A)に
おけるE−F断面に係る断面図である。なお、図3(A)では、煩雑になることを避ける
ため、トランジスタ130の構成要素の一部(例えば、保護絶縁膜109など)を省略し
ている。また、図3(A)では、理解が容易になるようにチャネル保護膜108の形状を
立体的に示している。
上に、ゲート電極101、ゲート電極101を覆うゲート絶縁膜102、ゲート絶縁膜1
02と接し、少なくともゲート電極101と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜1
03、酸化物半導体膜103上に接して設けられたチャネル保護膜108、チャネル保護
膜108上に設けられて酸化物半導体膜103と電気的に接続するソース電極105aお
よびドレイン電極105b、そして、酸化物半導体膜103、ソース電極105aおよび
ドレイン電極105bを覆う保護絶縁膜109を含む。また、酸化物半導体膜103は、
トランジスタ110と同様に領域103aおよび領域103bを有する。つまり、トラン
ジスタ130のトランジスタ110との相違点はチャネル保護膜108を有する点である
。
、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜
、酸化ガリウム膜、酸化ハフニウム膜などの絶縁膜を用いることができる。また、チャネ
ル保護膜108の膜厚としては5nm以上300nm以下とすることが好ましい。
、ソース電極105aおよびドレイン電極105bのエッチングによる酸化物半導体膜1
03のバックチャネル側へのダメージ(例えば、エッチング時のプラズマまたはエッチン
グ剤によるダメージ)を防ぐことができる。これにより、トランジスタ130の電気特性
を安定したものにすることができる。
テーパーを有していることが好ましい。チャネル保護膜108をこのような形状とするこ
とにより、チャネル保護膜108の下端部近傍における電界集中を緩和することができる
。
る。詳細は、図1(A)および図1(B)に関する記載を参酌することができる。
以下、図4または図5を用いて、図1乃至図3に示すトランジスタの作製工程の例につい
て説明する。
図4(A)乃至図4(E)を用いて、図1に示すトランジスタ110の作製工程の一例に
ついて説明する。
ことができる基板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
性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケ
イ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの基板を
用いることができる。また、絶縁表面を有していれば、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などの化合物半導体基板、S
OI基板などを適用することも可能である。
基板上に酸化物半導体膜103を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基
板に酸化物半導体膜103を含むトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置
してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物
半導体膜103を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
基板100からの水素、水分などの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコ
ン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又
は複数の膜による積層構造により形成することができる。
るための導電膜を形成する。ゲート電極に用いる導電膜としては、例えば、モリブデン、
チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属
材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。また、ゲート電極に用い
る導電膜としては、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物と
しては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、イ
ンジウムスズ酸化物(In2O3−SnO2、ITOと略記する場合がある)、インジウ
ム亜鉛酸化物(In2O3−ZnO)、または、これらの金属酸化物材料にシリコン若し
くは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。ゲート電極は、上記の材料を
用いて単層で又は積層して形成することができる。形成方法も特に限定されず、蒸着法、
CVD法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる
。
ッチングを行って、ゲート電極101を形成した後、レジストマスクを除去する。また、
ゲート電極101を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい
。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造
コストを低減できる。なお、ゲート電極101のエッチングは、ドライエッチングでもウ
ェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
ここで、ゲート絶縁膜102の膜厚は、例えば1nm以上500nm以下とすることがで
きる。また、ゲート絶縁膜102の作製方法に特に限定はないが、例えば、スパッタリン
グ法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いてゲート絶縁膜
102を作製することができる。
ましい。ゲート絶縁膜102を単層構造とする場合には、例えば、酸化シリコンのような
シリコンを含む酸化物を含む絶縁膜を用いればよい。
る場合、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化
アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタンまたは窒化酸化シリコンなどの上に酸化
シリコンを積層すればよい。また、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート(HfSix
Oy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiOxNy
(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))
などのhigh−k材料の上に酸化シリコンを積層すればよい。また、high−k材料
を用いることでゲートリーク電流を低減することができる。
該酸化物絶縁膜の酸素の一部を脱離させることができるので、酸化物半導体膜103に酸
素を供給し、酸化物半導体膜103中の酸素欠損を補填することができる。特に、ゲート
絶縁膜102中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが
好ましく、例えば、ゲート絶縁膜102として、SiO2+α(ただし、α>0)で表さ
れる酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜をゲート絶縁膜
102として用いることで、酸化物半導体膜103に酸素を供給することができ、当該酸
化物半導体膜103を用いたトランジスタ110のトランジスタ特性を良好にすることが
できる。
もよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、ドライエッチング処理、プラズマ処
理、研磨処理(例えば、化学的機械研磨法)などを用いることができる。
タリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF
電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。
なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリ
ングを行うと、酸化物半導体膜103の成膜表面に付着している粉状物質(パーティクル
、ごみともいう)を除去することができる。
く、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限
定されず、酸化物半導体膜103の被形成面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜103の成膜工程の前処理とし
て、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜102が成膜された基板100を予
備加熱し、基板100及びゲート絶縁膜102に吸着した水素、水分などの不純物を脱離
し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ま
しい。
0nm以上30nm以下の酸化物半導体膜103を成膜する(図4(B)参照)。酸化物
半導体膜103は、単結晶または微結晶などの結晶性を有する構造とすることが好ましい
。また、酸化物半導体膜103は、CAAC−OS膜とすることが好ましい。なお、ゲー
ト絶縁膜102および酸化物半導体膜103は、大気に触れさせることなく連続して成膜
するのが好ましい。
用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜103は、希ガス(代表
的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてス
パッタ法により形成することができる。
のターゲットとしては、例えば、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1の酸化物ター
ゲットや、原子数比がIn:Ga:Zn=3:1:2の酸化物ターゲットや、原子数比が
In:Ga:Zn=2:1:3の酸化物ターゲットを用いることができる。ただし、酸化
物半導体膜103をスパッタリング法で作製するためのターゲットは、これらのターゲッ
トの材料及び組成に限定されるものではない。
9.9%以下である。相対密度の高い酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸
化物半導体膜103は緻密な膜とすることができる。
は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
形成するための熱処理方法としては、三つ挙げられる。一つめは、成膜温度を200℃以
上450℃以下として酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導体膜の被形成面ま
たは表面に対してc軸が垂直な方向に揃った結晶部を形成する方法である。二つめは、酸
化物半導体膜を薄い膜厚で成膜した後、200℃以上700℃以下の熱処理を行うことで
、酸化物半導体膜の被形成面または表面に対してc軸が垂直な方向に揃った結晶部を形成
する方法である。三つめは、一層目の酸化物半導体膜を薄く成膜した後、200℃以上7
00℃以下の熱処理を行い、さらに二層目の酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物
半導体膜の被形成面または表面に対してc軸が垂直な方向に揃った結晶部を形成する方法
である。
含まれる水素や水などの不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによ
る損傷が軽減されるため好ましい。
体膜(単結晶または微結晶)を成膜する場合には、成膜温度は特に限定されない。
化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当
該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含
まれる結晶領域がa−b面から劈開し、a−b面に平行な面を有する平板状またはペレッ
ト状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタ
リング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、CAAC−OS膜を成膜
することができる。
る。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましく
は200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平
板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体
積%とする。
トについて以下に示す。
nOZ粉末を所定のmol数で混合し、加圧処理後、1000℃以上1500℃以下の温
度で加熱処理をすることで得られる。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで
、InOX粉末、GaOY粉末およびZnOZ粉末のmol数比は、例えば、2:2:1
、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2とする。なお、粉
末の種類、およびその混合するmol数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによ
って適宜変更すればよい。
し、上記ターゲットを用いて基板100上に酸化物半導体膜103を成膜する。成膜室内
の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオン
ポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段は、タ
ーボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排
気した成膜室は、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体膜103に含まれる水素、水分などの不純物の濃度を低減できる。
103を構成する粒子などがゲート絶縁膜102に対して衝突すると、ゲート絶縁膜10
2を構成する元素が酸化物半導体膜103中に混入してしまう(ミキシング、ミキシング
効果とも言われる。)。当該混入現象は、ゲート絶縁膜102との界面近傍の酸化物半導
体膜103中、具体的には、上述の領域103aにおいて、特に顕著に生じる。本実施の
形態等に記載するトランジスタでは、ゲート絶縁膜102近傍の酸化物半導体膜103中
にチャネル領域が形成されるため、ゲート絶縁膜102を構成する元素が当該領域に不純
物として混入することにより、トランジスタのオン特性(例えば、オン電流など)を低下
させる要因となり得る。
02と酸化物半導体膜103との界面近傍においてミキシングが起こる可能性について、
古典分子動力学計算により調査した結果について説明する。なお、上記計算を行うため古
典分子動力学計算ソフトウェアとして、富士通株式会社製SCIGRESS MEを用い
た。
て、図6に示すモデルを作製した。計算に係る単位胞(計算単位胞)のサイズは、x軸方
向に3nm、y軸方向に3nm、z軸方向に7.5nmとした。ここで、x軸及びy軸は
、a−SiO2膜に平行な方向であり、z軸は、a−SiO2膜の膜厚方向である。なお
、計算に当たって、x軸方向及びy軸方向に周期境界条件を適用することで、x軸方向及
びy軸方向に十分広い膜を想定することとした。
亜鉛原子、酸素原子を、1:1:1:4の割合(合計840原子)で、上方(図6中、原
子発生)から下方に向かって入射させ、温度を300℃、時間を2nsec(時間刻み幅
を0.2fs、ステップ数を1000万回)として古典分子動力学計算を行った。
シリコン原子の配置を示し、図7(B)に、1nsec後の酸素原子、シリコン原子、ガ
リウム原子、及び亜鉛原子の配置を示し、図7(C)に、2nsec後の酸素原子、シリ
コン原子、ガリウム原子、及び亜鉛原子の配置を示す。また、図8(A)は、2nsec
後の酸素原子、シリコン原子、ガリウム原子、及び亜鉛原子の配置を示し、図8(B)に
、2nsec後のシリコン原子のみの配置を示し、図8(C)に、2nsec後のインジ
ウム原子、ガリウム原子、及び亜鉛原子の配置を示す。
ム原子、及び亜鉛原子の配置とを比較することによって、シリコン原子の層に、インジウ
ム原子、ガリウム原子、及び亜鉛原子が浸入していることが確認された。
子、および酸素原子を、a−SiO2膜に入射させることより、a−SiO2膜とIGZ
O膜との間に、シリコン原子、インジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子、および酸素原
子とが混合した層が形成されることが示された。
ないためには、酸化物半導体膜103を構成する粒子がゲート絶縁膜102に衝突する勢
いを弱くすることが有効であり、例えば、酸化物半導体膜103の成膜電力を低くする、
成膜圧力を高くする方法がある。または、ターゲットと被成膜基板間の距離(以下、T−
S間距離とも記載する。)を広げてもよい。
傍の酸化物半導体膜103中において発生しうる。よって、酸化物半導体膜103を構成
する粒子がゲート絶縁膜102に衝突する勢いを弱くしてスパッタリングを行って、ミキ
シング効果を低減して当該界面近傍の酸化物半導体膜を成膜してしまえば、その後は衝突
する勢いを強くしてもよい。例えば、酸化物半導体膜103の成膜電力を低くして当該界
面近傍の酸化物半導体膜を成膜し、それから成膜電力を高くして酸化物半導体膜を成膜し
てもよい。また、酸化物半導体膜103の成膜圧力を高くして当該界面近傍の酸化物半導
体膜を成膜し、それから成膜圧力を低くして酸化物半導体膜を成膜してもよい。また、酸
化物半導体膜103のT−S間距離を広くして当該界面近傍の酸化物半導体膜を成膜し、
それからT−S間距離を狭くして酸化物半導体膜を成膜してもよい。
500W以下、更に好ましくは200W以下とすることが望ましい。なお、成膜電力を下
げるほど酸化物半導体膜103の成膜レートが低下してしまう。また、成膜電力が非常に
低いと、スパッタリング装置内でプラズマが発生しにくくなり、正常に成膜処理が行えな
くなる可能性が高まる。このため、成膜電力は、使用するスパッタ装置で印加することの
できる最大電力の5%以上とすることが望ましい。成膜電力をどの程度まで下げるかにつ
いては、スパッタリング装置の性能や酸化物半導体膜103の膜厚などを鑑み、成膜を正
常に行うことができ、かつ、成膜時間がトランジスタ110の作製工程(タクトタイム)
に対して重大な影響を及ぼさない範囲で、実施者が適宜最適な電力値を選択すればよい。
より好ましくは2.0Pa以上、更に好ましくは5.0Pa以上とすることが望ましい。
なお、成膜圧力を高くするほど、成膜される膜の膜質が悪化する(例えば、膜質が疎にな
る。)傾向がある。このため、成膜圧力は100Pa以下とすることが望ましい。成膜圧
力をどの程度まで高めるかについては、酸化物半導体膜103に必要とされる特性(例え
ば、電界効果移動度など)を鑑み、実施者が適宜最適な圧力値を選択すればよい。
より好ましくは100mm以上、更に好ましくは300mm以上とすることが望ましい。
なお、T−S間距離を広くするほど酸化物半導体膜103の成膜レートが低下してしまう
。このため、T−S間距離は500mm以下とすることが望ましい。T−S間距離をどの
程度まで広げるかについては、成膜時間がトランジスタ110の作製工程(タクトタイム
)に対して重大な影響を及ぼさない範囲で、実施者が適宜最適なT−S間距離を選択すれ
ばよい。
するためには、成膜電力、成膜圧力またはT−S間距離のいずれか一つの条件を上述の範
囲として酸化物半導体膜103を成膜してもよいし、複数の条件を上述の範囲として酸化
物半導体膜103を成膜してもよい。
トロン方式スパッタ装置(単に、マグネトロンスパッタ装置とも言われる。)を用いた場
合、ゲート絶縁膜102には、酸化物半導体膜103を構成する粒子以外にもプラズマや
二次電子なども衝突するため、ゲート絶縁膜102を構成する元素が酸化物半導体膜10
3中に非常に混入しやすい状態にあると言える。このため、酸化物半導体膜103を成膜
するスパッタリング装置としては、対向ターゲット式スパッタ装置(ミラートロンスパッ
タ装置とも言われる。)を用いてもよい。当該装置は、2枚のターゲットが対向する状態
に設置され、被成膜基板は2枚のターゲットに挟まれた空間以外の場所に、ターゲットに
対して概垂直な状態に設置されている。そして、対向する2枚のターゲット間に高密度の
プラズマを生成し、当該プラズマによりターゲット(酸化物半導体膜103の成膜に用い
るターゲット。)表面がスパッタリングされることで、被成膜基板に酸化物半導体膜10
3が成膜される。このため、被成膜基板はプラズマや二次電子に直接晒されることがない
(または非常に少ない)。
の代わりにヘリウムを用いてもよい。アルゴンより原子量の小さいヘリウムを用いること
により、酸化物半導体膜103を構成する粒子がゲート絶縁膜102に衝突する勢いを弱
くすることができる。さらに、酸化物半導体膜103のゲート絶縁膜102との界面近傍
の成膜をヘリウム雰囲気で行った後、成膜室内をアルゴン雰囲気に切り替えることにより
、酸化物半導体膜103の成膜スピードを向上させることができる。
on)法、蒸着法、塗布法などのゲート絶縁膜102への衝撃が弱い方法で成膜してもよ
い。
いを弱くして酸化物半導体膜103を成膜することで、上述のように酸化物半導体膜10
3において、ゲート絶縁膜102との界面から酸化物半導体膜103に向けてシリコンが
1.0原子%以下の濃度で分布する領域103aと、領域103aより含有されるシリコ
ン濃度が小さい領域103bが形成される。ここで、領域103bとは、酸化物半導体膜
103の領域103a以外の領域のことである。また、領域103aに含まれるシリコン
の濃度は、0.1原子%以下であるとより好ましい。
まれる炭素などの不純物が酸化物半導体膜103に混入することも低減されるので、上述
のように領域103aに含まれる炭素濃度は1.0×1020atoms/cm3以下、
より好ましくは1.0×1019atoms/cm3以下となる。
方法)場合、領域103aに取り込まれるシリコンなどの不純物の量を低減することによ
り、CAAC−OS膜の被形成面近傍においても、酸化物半導体膜の被形成面または表面
に対してc軸が垂直な方向に揃った結晶部を形成することができる。
して酸化物半導体膜103を成膜することにより、ゲート絶縁膜102中に酸化物半導体
膜103を構成する元素が混入することも抑制できる。これにより、ゲート絶縁膜102
中に酸化物半導体膜103を構成する金属元素などの導電性の高い元素が混入することを
抑制できるので、ゲート絶縁膜102の抵抗率の低減を防ぐことができる。
もよい。当該熱処理の温度は、200℃以上700℃以下、または基板の歪み点未満とす
る。当該熱処理を行うことで、過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去することが可能で
ある。
、当該熱処理を行うことにより、酸化物半導体膜の被形成面または表面に対してc軸が垂
直な方向に揃った結晶部を形成することができる。また、酸化物半導体膜103の領域1
03aにおいて、シリコンなどの不純物の濃度が低減されているため、酸化物半導体膜1
03の被形成面近傍まで該結晶部を形成させることができる。
下、450℃、1時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜103は大気
に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、GRTA(Gas Rap
id Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid The
rmal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal
)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ
、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ラン
プなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。
GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴン
などの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が
用いられる。
加熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すGRTA処理を行ってもよい
。GRTA処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温
度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガスを、酸素
を含むガスに切り替えても良い。
)を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ま
しい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの
純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上(
すなわち、不純物濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。
酸化二窒素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリ
ングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(
露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の
空気)を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれな
いことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純
度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物
濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又
は一酸化二窒素ガスの作用により、上記熱処理によって同時に減少してしまった酸化物半
導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜を高純度
化及びi型(真性)化することができる。
体膜を成膜すればよい。これにより、酸化物半導体膜の被形成面または表面に対してc軸
が垂直な方向に揃った結晶部を種として、その上に成膜された酸化物半導体膜も、該結晶
部を有する酸化物半導体膜とすることができる。
形成する場合、当該熱処理を行うことにより、酸化物半導体膜を結晶化させることができ
る。また、酸化物半導体膜103の領域103aにおいて、シリコンなどの不純物の濃度
が低減されているため、酸化物半導体膜の被形成面まで結晶化させることができる。
したが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。酸化物半導体膜を島状に
加工した後に、当該熱処理を行ってもよい。
03に加工するのが好ましい(図4(C)参照)。また、島状の酸化物半導体膜103を
形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクを
インクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
。なお、酸化物半導体膜103のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチン
グでもよく、両方を用いてもよい。
ーパーを有していることが好ましい。酸化物半導体膜103の端部が垂直であると酸化物
半導体膜103から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、酸化物半導体膜103の
端部にテーパーを有することで酸素欠損の発生を抑制し、トランジスタ110のリーク電
流の発生を低減することができる。
される配線を含む)に用いる導電膜を成膜する。ソース電極及びドレイン電極に用いる導
電膜としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タ
ングステンから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物
膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。
また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン、モリブ
デン、タングステンなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒
化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電
極及びドレイン電極に用いる導電膜は、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の
金属酸化物としては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(
ZnO)、インジウムスズ酸化物(In2O3−SnO2、ITOと略記する)、インジ
ウム亜鉛酸化物(In2O3−ZnO)を用いることができる。ソース電極及びドレイン
電極に用いる導電膜は、上記の材料を用いて単層で又は積層して成膜することができる。
形成方法も特に限定されず、蒸着法、CVD法、スパッタリング法、スピンコート法など
の各種成膜方法を用いることができる
を行ってソース電極105a、ドレイン電極105bを形成した後、レジストマスクを除
去する(図4(D)参照)。当該フォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時
の露光には、紫外線やKrFレーザ光やArFレーザ光を用いることが好ましい。ここで
、酸化物半導体膜103上で隣り合うソース電極105aの下端部とドレイン電極105
bの下端部との間隔幅によって、後に形成されるトランジスタのチャネル長Lが決定され
る。よって、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合には、例えば、数nm〜数1
0nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultraviolet)を用い
てフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線によ
る露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャ
ネル長Lを微細化することが可能であり、回路の動作速度を高速化できる。
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみを
エッチングし、酸化物半導体膜103を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜103は一部のみがエッチングされ、例
えば、酸化物半導体膜103の膜厚の5%乃至50%がエッチングされ、溝部(凹部)を
有する酸化物半導体膜103となることもある。
03の一部と接する保護絶縁膜109を形成する(図4(E)参照)。保護絶縁膜109
としては、無機絶縁膜を用いることが好ましく、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、
酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ハフニウム膜など
の酸化物絶縁膜を単層、或いは積層して用いればよい。また、上述の酸化物絶縁膜上に、
窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜な
どの窒化物絶縁膜の単層、或いは積層をさらに形成してもよい。例えば、スパッタリング
法を用いて、ソース電極105a及びドレイン電極105b側から順に酸化シリコン膜及
び酸化アルミニウム膜の積層を形成する。
、酸化物半導体膜103を成膜する場合と同様に、保護絶縁膜109を構成する粒子が酸
化物半導体膜103に衝突する勢いを弱くすることが有効である。これにより、酸化物半
導体膜103と保護絶縁膜109が接する界面近傍に領域103cが形成される。これに
より、図2(A)および図2(B)に示すトランジスタ120が形成される。ここで、領
域103cは、酸化物半導体膜103において、保護絶縁膜109との界面から酸化物半
導体膜103に向けてシリコンが1.0原子%以下の濃度で分布する領域である。領域1
03cは、保護絶縁膜109との界面からの厚さが5nm以下の範囲に存在することが好
ましい。
できる。また、シリコンなどの不純物を酸化物半導体膜103に混入させないためには、
酸化物半導体膜103と保護絶縁膜109の界面近傍においてミキシングを抑制させれば
よいため、スパッタリングの時に保護絶縁膜109を構成するシリコンが酸化物半導体膜
103に衝突する勢いを弱くすればよい。例えば、保護絶縁膜109の成膜電力を低くす
る、保護絶縁膜109の成膜圧力を高くする、またはT−S間距離を長くする等の方法が
ある。
シリコンなどの不純物の濃度を低減させることができる。
ができる。
当該熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、または基板の歪み点未満とする。
pm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど
)の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に
水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、ま
たは希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999
%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが
好ましい。
る酸素が同時に減少してしまう可能性がある。しかし、当該熱処理において、シリコンを
含む酸化物を含む絶縁膜を用いて形成されるゲート絶縁膜102より、酸素を酸化物半導
体膜103へ供給することができるので、酸化物半導体膜103の酸素欠損を補完するこ
とができる。
極力含まれないように高純度化することができる。高純度化された酸化物半導体膜103
中にはドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近い)、キャリア濃度は1×1
014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3未満、さらに好ましくは1×10
11/cm3未満である。このようにして、i型(真性)化された酸化物半導体膜103
を形成することができる。
は、酸化物半導体膜103の領域103aに取り込まれるシリコンなどの不純物の濃度が
低減されている。これにより、トランジスタ110を、安定した電気特性を有するものと
することができる。
クリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹
脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘
電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リ
ンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複
数積層させてもよい。
次に、図5(A)乃至図5(E)を用いて、図3に示すトランジスタ130の作製工程の
一例について説明する。
ート電極101、ゲート絶縁膜102および、領域103aおよび領域103bを有する
酸化物半導体膜103を形成する(図5(A)参照)。基板100、ゲート電極101、
ゲート絶縁膜102および酸化物半導体膜103の詳細については、図4(A)乃至図4
(C)に関する記載を参酌することができる。
する(図5(B)参照)。絶縁膜107としては、酸素を含む無機絶縁膜を用いることが
好ましく、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒
化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ハフニウム膜などの絶縁膜を用いることができ
る。また、絶縁膜107の作製方法に特に限定はないが、例えば、スパッタリング法、M
BE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて成膜することができる
。
ングを行ってチャネル保護膜108を形成した後、レジストマスクを除去する(図5(C
)参照)。また、チャネル保護膜108を形成するためのレジストマスクをインクジェッ
ト法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを
使用しないため、製造コストを低減できる。ここでのチャネル保護膜108のエッチング
は、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
のテーパーを有していることが好ましい。チャネル保護膜108をこのような形状とする
ことにより、チャネル保護膜108の下端部近傍における電界集中を緩和することができ
る。
、ソース電極105aおよびドレイン電極105bのエッチングによる酸化物半導体膜1
03のバックチャネル側へのダメージ(例えば、エッチング時のプラズマまたはエッチン
グ剤によるダメージ)を防ぐことができる。これにより、安定した電気特性を有する、酸
化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。
電極(これと同じ層で形成される配線を含む)に用いる導電膜を成膜し、フォトリソグラ
フィ工程により当該導電膜を選択的にエッチングしてソース電極105aおよびドレイン
電極105bを形成する(図5(D)参照)。当該工程は図4(D)に示す工程と同様の
方法を用いて行うことができるので、ソース電極105aおよびドレイン電極105bの
詳細については、図4(D)に関する記載を参酌することができる。
覆って保護絶縁膜109を形成する(図5(E)参照)。当該工程は図4(E)に示す工
程と同様の方法を用いて行うことができるので、保護絶縁膜109の詳細については、図
4(E)に関する記載を参酌することができる。
傍に含まれる不純物の濃度を低減することができる。また、酸化物半導体膜103の被形
成面近傍まで結晶化させることができるため、酸化物半導体膜103の結晶性を向上させ
ることができる。また、酸化物半導体膜103をCAAC−OS膜とする場合には、被形
成面近傍まで結晶部を形成することができる。なお、結晶部は、酸化物半導体膜103と
ゲート絶縁膜102との界面、または酸化物半導体膜103と保護絶縁膜109との界面
に対してc軸が垂直な方向に揃っている。このような酸化物半導体膜を用いることにより
、安定した電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
宜組み合わせて用いることができる。
実施の形態1で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置と
もいう)を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体
を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
て、シール材4005が設けられ、第2の基板4006によって封止されている。図9(
A)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域と
は異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成され
た走査線駆動回路4004、信号線駆動回路4003が実装されている。また、別途形成
された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004または画素部4002に与え
られる各種信号及び電位は、FPC(Flexible printed circui
t)4018a、4018bから供給されている。
と、走査線駆動回路4004とを囲むようにして、シール材4005が設けられている。
また画素部4002と、走査線駆動回路4004の上に第2の基板4006が設けられて
いる。よって画素部4002と、走査線駆動回路4004とは、第1の基板4001とシ
ール材4005と第2の基板4006とによって、表示素子と共に封止されている。図9
(B)及び図9(C)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって囲
まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半
導体膜で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。図9(B)及び図9(C
)においては、別途形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004また
は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC4018から供給されている
。
1の基板4001に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆
動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の
一部のみを別途形成して実装しても良い。
ip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape A
utomated Bonding)方法などを用いることができる。図9(A)は、C
OG方法により信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004を実装する例であり、
図9(B)は、COG方法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図9(C
)は、TAB方法により信号線駆動回路4003を実装する例である。
を含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
源(照明装置含む)を指す。
モジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が設けられたモジュール、また
は表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示
装置に含むものとする。
ており、実施の形態1に例示したトランジスタを適用することができる。
発光表示素子ともいう)、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって
輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electro
Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作
用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
、図9(B)のM−Nにおける断面図に相当する。
6を有しており、接続端子電極4015及び端子電極4016はFPC4018が有する
端子と異方性導電膜4019を介して、電気的に接続されている。
016は、トランジスタ4010、トランジスタ4011のソース電極及びドレイン電極
と同じ導電膜で形成されている。
、トランジスタを複数有しており、図10乃至図12では、画素部4002に含まれるト
ランジスタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれるトランジスタ4011とを例
示している。
で示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ4010、トランジスタ4
011は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図10乃至
図12で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することが
できる。
ゲート電極を設ける構造である。第2のゲート電極に印加される電圧を制御することによ
り、トランジスタ4011のしきい値電圧を制御することができる。
ネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
示素子である液晶素子4013は、第1の電極層4030、第2の電極層4031、及び
液晶層4008を含む。なお、液晶層4008を挟持するように配向膜として機能する絶
縁膜4032、絶縁膜4033が設けられている。第2の電極層4031は第2の基板4
006側に設けられ、第1の電極層4030と第2の電極層4031とは液晶層4008
を介して積層する構成となっている。
、液晶層4008の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられている。なお、球状
のスペーサを用いていても良い。
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。
ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が1msec以下と短
く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また、配向
膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起
こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減
することができる。よって、液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
1Ω・cm以上であり、さらに好ましくは1×1012Ω・cm以上である。なお、本明
細書における固有抵抗率の値は、20℃で測定した値とする。
ク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化
物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して
1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分であ
る。
における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号
の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よ
って、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果
を奏する。
較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置
の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。ま
た、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製するこ
とができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
lane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Swit
ching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned
Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated B
irefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqui
d Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liq
uid Crystal)モードなどを用いることができる。
透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液
晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対
して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられ
るが、例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignme
nt)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)
モード、ASVモード(Advanced Super−View)などを用いることが
できる。また、画素(ピクセル)をいくつかの領域(サブピクセル)に分け、それぞれ別
の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計と
いわれる方法を用いることができる。
防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基
板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用
いてもよい。
(フィールドシーケンシャル駆動方式)を行うことも可能である。フィールドシーケンシ
ャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うこ
とができる。
ことができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RGB(Rは
赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、RGBW(Wは白を表す)
、又はRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、
色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明の一態
様はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用す
ることもできる。
子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料
が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機E
L素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア(電子および正孔)が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成
し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよう
な発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
類される。分散型無機EL素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機EL素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機EL素子を用いて説明す
る。
て、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す
上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面
から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用する
ことができる。
4513は、画素部4002に設けられたトランジスタ4010と電気的に接続している
。なお発光素子4513の構成は、第1の電極層4030、電界発光層4511、第2の
電極層4031の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子4513から
取り出す光の方向などに合わせて、発光素子4513の構成は適宜変えることができる。
材料を用い、第1の電極層4030上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
されていてもどちらでも良い。
4031及び隔壁4510上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン
膜、窒化酸化シリコン膜、DLC膜等を形成することができる。また、第1の基板400
1、第2の基板4006、及びシール材4005によって封止された空間には充填材45
14が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガ
スの少ない保護フィルム(貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等)やカバー材
でパッケージング(封入)することが好ましい。
は熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル樹脂、ポ
リイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)またはE
VA(エチレンビニルアセテート)を用いることができる。例えば充填材として窒素を用
いればよい。
位相差板(λ/4板、λ/2板)、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
る。電子ペーパーは、電気泳動表示装置(電気泳動ディスプレイ)とも呼ばれており、紙
と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能と
いう利点を有している。
、マイナスの電荷を有する第2の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数
分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプ
セル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するも
のである。なお、第1の粒子または第2の粒子は染料を含み、電界がない場合において移
動しないものである。また、第1の粒子の色と第2の粒子の色は異なるもの(無色を含む
)とする。
ゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
の電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また
、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いればよい。
できる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用
いる電極層である第1の電極層及び第2の電極層の間に配置し、第1の電極層及び第2の
電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法で
ある。
12の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
れた第2の電極層4031との間には黒色領域4615a及び白色領域4615bを有し
、周りに液体で満たされているキャビティ4612を含む球形粒子4613が設けられて
おり、球形粒子4613の周囲は樹脂等の充填材4614で充填されている。第2の電極
層4031が共通電極(対向電極)に相当する。第2の電極層4031は、共通電位線と
電気的に接続される。
ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラス
チック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fibergl
ass−Reinforced Plastics)板、PVF(ポリビニルフルオライ
ド)フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる
。また、アルミニウムホイルをPVFフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシ
ートを用いることもできる。
、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ
樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。ま
た、上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、P
SG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、こ
れらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
ピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法等)、印
刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷等)、ロールコーティング、カーテンコーティン
グ、ナイフコーティング等を用いることができる。
素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対し
て透光性とする。
、共通電極層、対向電極層などともいう)においては、取り出す光の方向、電極層が設け
られる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物(以下、ITOと示す。
)、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有
する導電性材料を用いることができる。
(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(N
b)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタ
ン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属、
又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる
。
マーともいう)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子として
は、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンま
たはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若
しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの2種以上からなる共重合体またはその誘導
体などがあげられる。
を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
体装置を提供することができる。なお、実施の形態1で例示したトランジスタは上述の表
示機能を有する半導体装置のみでなく、電源回路に搭載されるパワーデバイス、LSI等
の半導体集積回路、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置など
様々な機能を有する半導体装置に適用することが可能である。
宜組み合わせて用いることができる。
本明細書等に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともい
う)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の例につい
て説明する。
2、表示部3003、キーボード3004などによって構成されている。実施の形態1ま
たは2で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコ
ンピュータとすることができる。
外部インターフェイス3025と、操作ボタン3024等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス3022がある。実施の形態1または2で示した半導体装置を
適用することにより、信頼性の高い携帯情報端末(PDA)とすることができる。
01および筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701および筐体270
3は、軸部2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉動作を行う
ことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
込まれている。表示部2705および表示部2707は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部(図13(C)では表示部2705)に文章を表示し、左側の
表示部(図13(C)では表示部2707)に画像を表示することができる。実施の形態
1または2で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い電子書籍2700と
することができる。
筐体2701において、電源2721、操作キー2723、スピーカー2725などを備
えている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部など
を備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持た
せた構成としてもよい。
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
フォン2802と、タッチパネルを備えた表示部2803と、スピーカー2804と、カ
メラ用レンズ2805と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。実施の形態1
または2で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いスマートフォンとする
ことができる。
と同一面上にカメラ用レンズ2805を備えているため、テレビ電話が可能である。スピ
ーカー2804及びマイクロフォン2802は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再
生などが可能である。
続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また
、外部メモリスロット(図示せず)に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動
に対応できる。
よい。
接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056な
どによって構成されている。実施の形態1または2で示した半導体装置を適用することに
より、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
筐体9601に表示部9603が組み込まれている。表示部9603により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、スタンド9605により筐体9601を支持し
た構成を示している。実施の形態1または2で示した半導体装置を適用することにより、
信頼性の高いテレビジョン装置9600とすることができる。
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向
(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
宜組み合わせて用いることができる。
行った結果について説明する。
=2:1:3)を用い、サンプルBとしてIn−Ga−Zn系酸化物ターゲット(原子数
比がIn:Ga:Zn=3:1:2)、サンプルCとして、In−Sn−Zn系酸化物(
原子数比がIn:Sn:Zn=2:1:3)を用いた。また、標準サンプルDとして、シ
リコンが添加されたIn−Ga−Zn系酸化物ターゲット(原子数比がIn:Ga:Zn
=1:1:1)を用いた。
うことにより、各サンプルに含まれるシリコンの濃度を調べた。
。
、サンプルBのシリコンの濃度は、3×1017atoms/cm3、サンプルCのシリ
コンの濃度は、2×1017atoms/cm3、標準サンプルDのシリコンの濃度は、
2×1018atoms/cm3であることがわかった。なお、サンプルA乃至サンプル
CのSIMS測定結果は、標準サンプルDにより定量した結果である。
酸化物半導体膜を成膜した際に、ターゲット中に含まれるシリコン以外のシリコン(例え
ば、ミキシングにより混入した絶縁膜中のシリコン)が酸化物半導体膜中に含まれるか否
かを判断する材料として用いることができる。
る酸化物ターゲット)を用いて成膜した酸化物半導体膜において、膜中のシリコン濃度が
4×1018atoms/cm3より高い場合、ターゲット以外の部分からシリコンが混
入されていると判断できる。
体膜を成膜する際に生じるミキシングが原因であると記載したが、酸化物半導体膜を成膜
後に基板を加熱処理することで、絶縁膜構成元素が酸化物半導体中に拡散している可能性
も考えられる。そこで、本実施例では、酸化物半導体膜中への絶縁膜構成元素の混入が熱
拡散に起因するかを調査した実験についての説明を行う。
備した後、熱処理を行わないサンプル(以下、サンプルEと呼称する。)、450℃の熱
処理を行ったサンプル(以下、サンプルFと呼称する。)、650℃の熱処理を行ったサ
ンプル(以下、サンプルGと呼称する。)を作製した。そして、各サンプルについて、飛
行時間型二次イオン質量分析法(ToF−SIMS:Time−of−Flight S
econdary Ion Mass Spectrometer)を用いて、酸化物半
導体膜中のゲート絶縁膜との界面近傍におけるシリコン濃度を測定した。
機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)装
置を用いて表面の平坦性を高め、IGZO膜204を成膜し、最後に熱処理を行ったもの
である。
の成膜条件は、基板温度:100℃、ガス流量:Ar/O2=25sccm/25scc
m、成膜電力:1.5kW(RF電源)、成膜圧力:0.4Pa、膜厚:300nmとし
た。なお、スパッタリングターゲットとしては、酸化シリコンターゲットを用いた。なお
、酸化シリコン膜202を形成する前に、希弗酸にてシリコン基板200表面に形成され
た酸化膜を除去した。
件は、基板温度:200℃、ガス流量:Ar/O2=30sccm/15sccm、成膜
電力:0.5kW(DC電源)、成膜圧力:0.4Pa、膜厚:15nmとした。なお、
スパッタリングターゲットとしては、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化
物ターゲットを用いた。
は、サンプルFについては、加熱温度:450℃、加熱時間:1時間とし、サンプルGに
ついては、加熱温度:650℃、加熱時間:1時間とした。なお、加熱雰囲気は、両サン
プルとも窒素および酸素の混合雰囲気とした。また、サンプルEは、加熱処理を行ってい
ない。
F−SIMS測定を行い、酸化シリコン膜との界面近傍におけるIGZO膜中のシリコン
濃度を測定した。結果を図16に示す。
リコン濃度は、実施例1にて記載したIn−Ga−Zn系酸化物ターゲット(原子数比が
In:Ga:Zn=3:1:2)中に含まれるシリコン濃度である3×1017atom
s/cm3よりも高くなっていることが確認できる。したがって、酸化シリコン膜界面近
傍の酸化物半導体膜中にて測定されたシリコンは、In−Ga−Zn系酸化物ターゲット
起因のシリコンではないと言える。
行ったサンプル(サンプルFおよびサンプルG)において、酸化シリコン膜界面近傍にお
ける、IGZO膜中のシリコン濃度の傾き(シリコン濃度勾配とも言える。)に、特異な
差は確認されない。したがって、酸化物半導体膜中への絶縁膜構成元素の混入は、熱拡散
に起因するものではなくミキシングに起因するものであると言える。
、酸化物半導体膜の成膜電力を弱くすることで抑制できるかを調査した実験についての説
明を行う。
条件(1kW、5kW、9kWおよび1kW+5kW)で成膜した後に、各基板に対して
熱処理を行い4種類のサンプルを作製した。そして、各サンプルについて、酸化物半導体
膜中のゲート絶縁膜との界面近傍におけるシリコン濃度を、ToF−SIMS法を用いて
測定した。
に、IGZO膜304を成膜し、最後に熱処理を行ったものである。
リコン膜302の成膜条件は、基板温度:325℃、ガス流量:SiH4/N2O/Ar
=250sccm/2500sccm/2500sccm、成膜電力:5kW×4台(マ
イクロ波電源)、成膜圧力:30Pa、膜厚:100nmとした。なお、酸化窒化シリコ
ン膜302を形成する前に、ガラス基板300表面を洗浄してパーティクル等を除去した
。
件は、基板温度:170℃、ガス流量:Ar/O2=100sccm/100sccm、
成膜圧力:0.6Pa、膜厚:35nmとし、1kW、5kW、9kWおよび1kW+5
kWの4条件の電力で成膜を行った(共に、AC電源使用)。なお、スパッタリングター
ゲットとしては、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]の酸化物ターゲットを用い
た。
その後の30nmの成膜を5kWの電力で成膜したことを表す。また、以下では、酸化物
半導体膜を9kWで成膜したサンプルをサンプルH、5kWで成膜したサンプルをサンプ
ルI、1kWで成膜したサンプルをサンプルJ、1kW+5kWで成膜したサンプルをサ
ンプルKと呼称する。
は、まず、加熱温度:450℃、加熱雰囲気:N2の条件で1時間の加熱を行った後、加
熱温度:650℃、加熱雰囲気:N2+O2の条件で、1時間の加熱を行った。
F−SIMS測定を行い、酸化窒化シリコン膜との界面近傍におけるIGZO膜中のシリ
コン濃度を測定した。結果を図18に示す。なお、図18(B)は図18(A)の一部分
を拡大した図である。
リコン濃度は、実施例1にて記載したIn−Ga−Zn系酸化物ターゲット(原子数比が
In:Ga:Zn=1:1:1)中に含まれるシリコン濃度である2×1018atom
s/cm3よりも高くなっていることが確認できる。したがって、酸化窒化シリコン膜界
面近傍の酸化物半導体膜中にて測定されたシリコンは、In−Ga−Zn系酸化物ターゲ
ット起因のシリコンではないと言える。
、成膜電力を弱くするに従い低下する傾向が確認された。したがって、酸化物半導体膜の
成膜電力を弱くすることにより、ミキシングによって生じる酸化物半導体膜中への絶縁膜
構成元素の混入を抑制できることが確認された。
階は弱い電力で酸化物半導体膜を成膜し、その後、成膜電力を高めて酸化物半導体膜を成
膜しても、ミキシングによって生じる酸化物半導体膜中への絶縁膜構成元素の混入を抑制
できることが確認された。
半導体膜中における結晶状態について調査した結果についての説明を行う。
準備し、各々の基板を三分割した。その後、三分割した基板に対して異なる条件で熱処理
を行うことで、合計6枚の異なる条件のサンプルを作製した。そして各サンプルについて
、酸化物半導体膜の結晶状態を、X線回折法(XRD:X−ray Diffracti
on)を用いて測定した。
In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])ターゲットを用いてIGZO膜402を成
膜した後に、熱処理を行ったものである。
件は、基板温度:200℃、成膜電力:100W、成膜圧力:0.4Pa、ガス流量:O
2=10sccm、膜厚:100nmとした。なお、スパッタリングターゲットとしては
、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]に2wt%のSiO2を添加したターゲッ
ト、およびIn:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]に5wt%のSiO2を添加した
ターゲットを用いた。なお、IGZO膜402を形成する前に、ガラス基板400表面を
洗浄してパーティクル等を除去した。
成膜後に三分割した基板の一枚は、650℃のN2雰囲気で1時間の熱処理を行った後、
650℃のO2雰囲気で1時間の熱処理を行った。また、三分割した基板の一枚は、45
0℃のN2雰囲気で1時間の加熱を行った後、450℃のO2雰囲気で1時間の加熱を行
った。また、三分割した基板の一枚は、熱処理を行っていない。
ンプルQの6種類のサンプルを準備した。
晶状態を測定した。結果を図20(A)および図20(B)に示す。図20(A)は、サ
ンプルL乃至サンプルNのXRD測定結果であり、図20(B)は、サンプルO乃至サン
プルQのXRD測定結果である。
たサンプルLにおいて、2θ=31°近傍に結晶に起因するピークが見られた。これに対
し図20(B)では、全てのサンプルで結晶に起因するピークが見られなかった。したが
って、IGZO膜は、不純物として過剰なシリコンが含まれることにより、熱処理による
結晶化が阻害されることが確認された。
程度のシリコンが含有されているかを調査するため、X線光電子分光法(XPS:X−r
ay photoelectron spectroscopy)を用いて、IGZO膜
中に含まれる元素の組成を測定した。
GZO膜502を成膜した構造である。
件は、基板温度:200℃、成膜電力:100W、成膜圧力:0.4Pa、ガス流量:O
2=10sccm、膜厚:15nmとした。なお、スパッタリングターゲットとしては、
In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]に2wt%のSiO2を添加したターゲット
を用いた。なお、IGZO膜502を形成する前に、希弗酸にてシリコン基板500表面
に形成された酸化膜を除去した。
O膜は、膜中に1.1atom%のシリコンが含有されていることが確認された。
リコンなどの不純物が混入すると、酸化物半導体膜のチャネル形成領域の結晶化が阻害さ
れるおそれがあることがわかった。よって、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜との界面近傍
において、上記のようにシリコンの濃度を低減させることが重要であることが実施例によ
って示された。
101 ゲート電極
102 ゲート絶縁膜
103 酸化物半導体膜
103a 領域
103b 領域
103c 領域
105a ソース電極
105b ドレイン電極
107 絶縁膜
108 チャネル保護膜
109 保護絶縁膜
110 トランジスタ
120 トランジスタ
130 トランジスタ
200 シリコン基板
202 酸化シリコン膜
204 IGZO膜
300 ガラス基板
302 酸化窒化シリコン膜
304 IGZO膜
400 ガラス基板
402 IGZO膜
500 シリコン基板
502 IGZO膜
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2707 表示部
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカー
2800 筐体
2801 ボタン
2802 マイクロフォン
2803 表示部
2804 スピーカー
2805 カメラ用レンズ
2806 外部接続端子
3001 本体
3002 筐体
3003 表示部
3004 キーボード
3021 本体
3022 スタイラス
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部インターフェイス
3051 本体
3053 接眼部
3054 操作スイッチ
3056 バッテリー
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4015 接続端子電極
4016 端子電極
4019 異方性導電膜
4021 絶縁層
4030 電極層
4031 電極層
4032 絶縁膜
4033 絶縁膜
4034 絶縁膜
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
4612 キャビティ
4613 球形粒子
4614 充填材
4615a 黒色領域
4615b 白色領域
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
Claims (4)
- ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の絶縁膜と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を有し、
前記結晶性を有する領域のシリコン濃度は、1.0原子%以下であることを特徴とする半導体装置。 - ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の絶縁膜と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を有し、
前記結晶性を有する領域のシリコン濃度は、1.0原子%以下であり、且つ前記チャネルの炭素濃度は、1.0×1020atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。 - ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の絶縁膜と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜側に、結晶性を有する領域を有し、
前記結晶性を有する領域のシリコン濃度は、1.0原子%以下であることを特徴とする半導体装置。 - ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の絶縁膜と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜側に、結晶性を有する領域を有し、
前記結晶性を有する領域のシリコン濃度は、1.0原子%以下であり、且つ前記チャネルの炭素濃度は、1.0×1020atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。
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