JP2023078135A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特
に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は、半導体装置の一態様である。また、演算
装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池
等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。
非特許文献1、非特許文献2)。非特許文献1では、In1-xGa1+xO3(ZnO
)m(xは-1≦x≦1を満たす数、mは自然数)で表されるホモロガス相が存在するこ
とが述べられている。また、ホモロガス相の固溶域(solid solution r
ange)について述べられている。例えば、In2O3、Ga2O3、及びZnOの粉
末を混合し、1350℃で焼成した場合に、m=1の場合のホモロガス相の固溶域は、x
が-0.33から0.08の記載があり、m=2の場合のホモロガス相の固溶域は、xが
-0.68から0.32の記載がある。
表される化合物が知られている。また非特許文献1ではInxZnyGazOwの例が示
されており、x,y及びzがZnGa2O4近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y
,z)=(0,1,2)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、ある
いは混在しやすいことが記載されている。
スタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)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材料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。
てトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。
ンジスタなどの半導体素子を高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。
。または、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することを課題の一とす
る。または、微細化に適した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、回路
面積を縮小した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導
体装置を提供することを課題の一とする。
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
て、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの少なくとも一つ
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番
に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標ないし第6の座標を含み
、第7の座標および第8の座標を含まず、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用
いて、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相
対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した
場合において、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の
電子回折パターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パター
ンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1
の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数
の観測点を有し、第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸
化物半導体膜である。
物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相対的に移動
させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合におい
て、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パ
ターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する
割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1の電子回折
パターンを有する割合は50%以上であり、第1の電子回折パターンは、対称性を有さな
い観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、第2の電子回折パター
ンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸化物半導体膜である。
:zの原子数比で表される酸化物半導体膜であって、座標x:y:z=1:0:0と、座
標x:y:z=0:1:0と、座標x:y:z=0:0:1と、を頂点とした平衡状態図
において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:
4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51
:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座
標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の
座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内に
あり、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置とプローブ径の半値幅
が1nmである電子線の位置とを相対的に移動させることにより、異なる箇所で50個以
上の電子回折パターンを観測し、50個以上の電子回折パターンは、少なくとも非対称に
配置された複数のスポットを有する電子回折パターンと、円を描くように配置された複数
のスポットを有する電子回折パターンと、六角形の頂点に配置されたスポットを有する電
子回折パターンと、のいずれかであり、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第7
の座標および第8の座標を含まないことを特徴とする酸化物半導体膜である。
、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標を、順番に
線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第
7の座標および第8の座標を含まないことが好ましい。
膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶部
の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下である酸化物半導体膜である。
膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくと
も一つから選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウ
ム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の
3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)
と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)
と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=4
6:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x
:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標
を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標
を含み、第7の座標および第8の座標を含まず、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比
を有する単結晶の密度の90%以上である酸化物半導体膜である。
膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくと
も一つから選ばれた元素であり、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を
有し、複数の結晶部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の1nm以上3n
m以下の結晶を有し、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の9
0%以上である酸化物半導体膜である。
体膜であって、酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さ
ず、複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であり、酸化物半導体
膜の密度は、5.7g/cm3以上6.49g/cm3以下である酸化物半導体膜である
。また上記構成において、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度
の90%以上であることが好ましい。
体膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶
部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の平均A[nm]は、1nm以上3
nm以下であり、電子ビームエネルギーが1×107[e-/nm2]以上4×108[
e-/nm2]未満に照射された後の、結晶部の長手方向の径の平均B[nm]は、A×
0.7より大きく、A×1.3より小さい酸化物半導体膜である。
タリング法に用いられるターゲットはインジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、ターゲ
ットが有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比は、インジウム:元素M:亜鉛=
a:b:cを満たし、a、b、及びcは、インジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂
点とした平衡状態図において、第1の座標(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標
(a:b:c=2:4:3)と、第3の座標(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の
座標(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標(a:b:c=8:0:1)と、第
6の座標(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範
囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含むことが好ましい。
また上記構成において、第1の導電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶
縁膜と、酸化物半導体膜の上面に接する一対の電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第1
の絶縁膜の上面に接する領域を有することが好ましい。また上記構成において、第1の導
電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面に
接する第2の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面及び第2の絶縁膜の上面及び側面に接する
一対の電極とを有し、酸化物半導体膜は、第1の絶縁膜の上面に接する領域を有すること
が好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜の上面と接する第2の酸化物膜を有
することが好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜が有する酸化物の電子親和
力は、第2の酸化物膜が有する酸化物の電子親和力よりも大きいことが好ましい。また上
記構成において、第2の酸化物膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、元素M
は、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた
元素であり、第2の酸化物膜が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、イン
ジウム:元素M:亜鉛=x2:y2:z2で表され、(x2:y2:z2)は、インジウ
ム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(8:1
4:7)と、第2の座標(2:4:3)と、第3の座標(2:5:7)と、第4の座標(
51:149:300)と、第5の座標(1:4:10)と、第6の座標(1:1:4)
と、第7の座標(2:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範囲内の
原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第7の座標を含むことが好ましい。
置である。
と、FPCと、を有するモジュールである。
、上記に記載のモジュールと、マイクロフォン、スピーカー、または、操作キーと、を有
する電子機器である。
信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
な記憶素子を有する半導体装置を提供することができる。また、微細化に適した半導体装
置を提供することができる。また、回路面積を縮小した半導体装置を提供することができ
る。また、新規な構成の半導体装置を提供することができる。なお、これらの効果の記載
は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これら
の効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項な
どの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、
これら以外の効果を抽出することが可能である。
されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。
同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様
の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されな
い。
ために付すものであり、数的に限定するものではない。
で配置されている状態をいう。従って、-5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「
略平行」とは、二つの直線が-30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう
。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状
態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
す。
御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは
、IGFET(Insulated Gate Field Effect Trans
istor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor
)を含む。
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC-OS(C Axis Aligned Cry
stalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体
膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
がある。よって、産業上の観点では、より低い温度で形成できる非単結晶酸化物半導体膜
を用いることにより、半導体装置をより安価に作製できるため好ましいといえる。
キャリア移動度を高めることができる。粒界の少ない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、例えば電界効果移動度の高いトランジスタを実現することがで
きる場合がある。後に詳細を述べるが、粒界の少ない非単結晶酸化物半導体膜として、例
えばnc-OS膜やCAAC-OS膜が挙げられる。
晶がCAAC-OS膜やnc-OS膜に混在することにより、明確な境界部(または粒界
)を形成する場合がある。境界部では例えばキャリアの散乱が増大し、キャリアの移動度
が低下する場合がある。また、境界部は不純物の移動経路になりやすく、また不純物を捕
獲しやすいと考えられるため、酸化物半導体膜の不純物濃度が高まる懸念がある。また、
酸化物半導体膜上に導電膜を形成する場合に、導電膜の有する元素、例えば金属等がスピ
ネルと他の領域の境界部に拡散してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜には、ス
ピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことがより好ましい。
がインジウムを含むと、例えばキャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物
半導体は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、
イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ
素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モ
リブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどが
ある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元
素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネ
ルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体の
エネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体は、亜鉛
を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。ここ
で、インジウム、元素M及び亜鉛を含む酸化物をIn-M-Zn酸化物と表す。
本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜の原子数の比をIn:
M:Zn=x:y:zと表す。x、y及びzの好ましい範囲について、図1及び図2を用
いて説明する。
化物膜における、元素X、Y及びZの原子数の比をx:y:zとした時の、x、y及びz
の範囲について示す図である。なお、酸素の原子数比については図3には記載していない
。また図3を平衡状態図と呼ぶ場合がある。図3(A)及び図3(B)には、X、Y及び
Zを頂点とする正三角形と、座標の例として座標R(4:2:1)を示す。ここで各頂点
はそれぞれ元素X、Y及びZを表す。原子数の比におけるそれぞれの項の値は、座標が各
頂点に近いほど高く、遠いほど低い。また、図3(A)に示すように原子数の比における
それぞれの項の値は、座標から、その三角形の頂点の対辺までの垂線の長さであらわされ
る。例えば、元素Xであれば、座標から頂点Xの対辺、すなわち辺YZまでの垂線21の
長さで表される。よって、図3に示す座標Rは、元素X、元素Y及び元素Zの原子数比が
垂線21、垂線22及び垂線23の長さの比、すなわちx:y:z=4:2:1であるこ
とを表す。また、頂点Xと座標Rを通る直線が辺YZと交わる点をγとする。この時、線
分Yγの長さと線分γZの長さの比をYγ:γZとすると、Yγ:γZ=(元素Zの原子
数):(元素Yの原子数)となる。
直線を引く。この時3つの直線と3辺との交点を用いて、x、y、及びzは図3(B)に
示す通り表すことができる。
て、その範囲を破線で示している。
O)m(mは自然数)で表されるホモロガス相(ホモロガスシリーズ)が存在することが
知られている。ここで例として元素MがGaである場合を考える。図6に太い直線で示し
た領域は、例えば、In2O3、Ga2O3、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で
焼成した場合に、単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。固溶域は、
mの値を大きくする、すなわち亜鉛の比率を高めるのに伴い、広くなることが知られてい
る。
ばIn2O3、Ga2O3、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、
スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。図6に示すように
ZnGa2O4の近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,2,1)に
近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが非
特許文献1に記載されている。
を高めることが好ましい。In-M-Zn酸化物膜では主として金属原子のs軌道がキャ
リア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道
が重なるため、インジウムの含有率が多いとキャリア移動度はより高くなる。このような
膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製することにより、例えば高い電界効果移動
度を有するトランジスタを実現することができる。例えば、x/y>0.5が好ましく、
x/y≧0.75がより好ましく、x/y≧1がさらに好ましい。また、(x+y)≧z
が好ましい。
2(A)に示す領域12の原子数の比を有することがより好ましい。ここで領域11は、
第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3
)と、第3の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:
149:300)と、第5の座標N(x:y:z=46:288:833)と、第6の座
標O(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標P(x:y:z=0:0:1)と、第
8の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ
領域内である。なお、領域11には8つの点を結んだ線分を含む。また領域11からは座
標P及び座標Qを除き、その他の座標は領域11に含む。また領域12は、第1の座標K
(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の
座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標S(x:y:z=1:0:1)と、第
5の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ
領域内である。なお、領域12には、5つの点を結んだ線分を含む。また領域12からは
座標Qを除き、その他の座標は領域12に含む。
次に、酸化物半導体膜の構造について説明する。
。
oscope)によって、CAAC-OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像
(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる
。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレイン
バウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC-OS膜は、
結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は
、CAAC-OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映し
た形状であり、CAAC-OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。
すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認
できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
観測される。例えば、CAAC-OS膜の被形成面または上面に対し、例えば1nm以上
30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、ス
ポットが観測される(図7(B)参照。)。
部は配向性を有していることがわかる。
体内に収まる大きさである。従って、CAAC-OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10
nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。た
だし、CAAC-OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領
域を形成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm2以
上、5μm2以上または1000μm2以上となる結晶領域が観察される場合がある。
装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC-OS
膜のout-of-plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピーク
が現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属され
ることから、CAAC-OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
略垂直な方向を向いていることが確認できる。
ane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化
物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)と
して試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に
帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC-OS膜の場合は、2θを5
6°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面の高分解能TEM観察で確認さ
れた層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC-OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC-OS膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC-OS膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
。例えば、CAAC-OS膜の結晶部が、CAAC-OS膜の上面近傍からの結晶成長に
よって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶
部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC-OS膜は、不純物
が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成され
ることもある。
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC-OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC-OS膜は、2θが31°近傍
にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。CAAC-OS膜は、欠陥準
位密度の低い酸化物半導体膜である。具体的には、8×1011/cm3未満、好ましく
は1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×
10-9/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。
性の変動が小さい。
多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、高分解能TEM像で、2nm以上3
00nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であるこ
とが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像で、結晶粒界を確認できる
場合がある。
位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いて
構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のou
t-of-plane法による解析では、2θが31°近傍のピーク、2θが36°近傍
のピーク、またはそのほかのピークが現れる場合がある。
る。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有す
る。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、
多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界
がキャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用
いたトランジスタは、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合が
ある。
領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体
膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大
きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の
微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、n
c-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor
)膜と呼ぶ。また、nc-OS膜は、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に
確認できない場合がある。
上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc-OS膜は、異な
る結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。
従って、nc-OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない
場合がある。例えば、nc-OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD
装置を用いて構造解析を行うと、out-of-plane法による解析では、結晶面を
示す31°近傍のピークが検出されない(図8参照)。また、nc-OS膜に対し、結晶
部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野
電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一
方、nc-OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線
を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc-OS膜に対
しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測さ
れる場合がある。また、nc-OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領
域内に複数のスポットが観測される場合がある。例えば、図9(A)に示すように、厚さ
が50nm程度のnc-OSに対して、プローブ径を30nm、20nm、10nmまた
は1nmとしたナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い
領域が観測される。また、プローブ径を小さくしていくと、リング状の領域が複数のスポ
ットから形成されていることがわかる。
、プローブ径1nmの電子線を用いて、透過電子回折パターンを取得する。その結果、図
9(B)に示す結晶性を示すスポットを有する透過電子回折パターンが得られた。
測される場合がある。
のため、nc-OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。
nc-OS膜は、CAAC-OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。従って、nc-O
S膜は、CAAC-OS膜と比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度
が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、nc-OS膜を用
いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。
膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができる場合がある。よって、n
c-OS膜は、CAAC-OS膜よりも形成が容易となる場合がある。そのため、nc-
OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場
合がある。
する場合には、例えば過剰酸素を有する膜から放出される酸素がnc-OS膜全体に拡散
しやすい。よって、nc-OS膜では、酸素欠損を低減しやすい場合がある。
は実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体
膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当
該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノ
ーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度
真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体
膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる
。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する
時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高
く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定とな
る場合がある。
化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
。
plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターン
が観測される。
また、非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜である。
ア発生源が多い酸化物半導体膜である。
なる場合がある。そのため、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリー
オンの電気特性になりやすい。従って、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジ
スタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が
高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、非晶質酸化物半導体膜を用
いたトランジスタは、CAAC-OS膜やnc-OS膜を用いたトランジスタと比べて、
電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。
)酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単
結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少
ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キ
ャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低い
と密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、CAAC-OS膜よりも密度が高い。また
、CAAC-OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半
導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非
晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。
造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸
化物半導体(amorphous-like Oxide Semiconductor
:a-like OS)膜と呼ぶ。
れる場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのでき
る領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a-like OS膜は
、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見
られる場合がある。一方、良質なnc-OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な
電子照射による結晶化はほとんど見られない。
TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnO4の結晶は層状構造を有し
、In-O層の間に、Ga-Zn-O層を2層有する。InGaZnO4の結晶の単位格
子は、In-O層を3層有し、またGa-Zn-O層を6層有する、計9層がc軸方向に
層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面
の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29n
mと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間
隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がIn
GaZnO4の結晶のa-b面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域にお
ける最大長を、a-like OS膜およびnc-OS膜の結晶部の大きさとする。なお
、結晶部の大きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。
て密度の低い構造である。具体的には、a-like OSの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の78.6%以上92.3%未満となる。
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もる
ことができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせ
る割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない
種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
結晶酸化物半導体膜、CAAC-OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい
。
次に、ナノビーム電子回折について説明する。
析が可能となる場合がある。
2の下の試料室614と、試料室614の下の光学系616と、光学系616の下の観察
室620と、観察室620に設置されたカメラ618と、観察室620の下のフィルム室
622と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ618は、観察室620内部に
向けて設置される。なお、フィルム室622を有さなくても構わない。
過電子回折測定装置内部では、電子銃室610に設置された電子銃から放出された電子が
、光学系612を介して試料室614に配置された物質628に照射される。物質628
を通過した電子は、光学系616を介して観察室620内部に設置された蛍光板632に
入射する。蛍光板632では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過
電子回折パターンを測定することができる。
ンを撮影することが可能である。カメラ618のレンズの中央、および蛍光板632の中
央を通る直線と、蛍光板632の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下
、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カ
メラ618で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ
該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能で
ある。なお、カメラ618をフィルム室622に設置しても構わない場合がある。例えば
、カメラ618をフィルム室622に、電子624の入射方向と対向するように設置して
もよい。この場合、蛍光板632の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影す
ることができる。
ホルダは、物質628を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例え
ば、物質628をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの
移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上
100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で
移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質628の構造によって最適な範囲
を設定すればよい。
る方法について説明する。
を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することが
できる。このとき、物質628がCAAC-OS膜であれば、図7(B)に示したような
回折パターンが観測される。または、物質628がnc-OS膜であれば、図7(A)に
示したような回折パターン、例えば円を描くように配置された複数の輝点を有する回折パ
ターン(輝点を伴ったリング状の回折パターン)が観測される。また、図7(A)に示す
回折パターンは、対称に配置されていない(対称性を有さない)輝点を有する。
に位置するスポットが確認される。CAAC-OS膜では、照射位置をスキャンすること
により、この六角形の向きが一様ではなく、少しずつ回転している様子がみられる。また
、回転の角度はある幅を有する。
c軸を中心として少しずつ回転する様子が見られる。これは、例えばa軸とb軸が形成す
る面が回転しているともいえる。
下、CAAC構造を有する領域という)と、nc-OS膜と同様の回折パターンが観測さ
れる領域(以下、nc構造を有する領域という)とを有する場合がある。ここで、一定の
範囲におけるCAAC-OS膜の回折パターンが観測される領域の割合をCAAC比率(
CAAC化率ともいう。)で表すことができる。同様に、nc-OS膜と同様の回折パタ
ーンが観測される領域の割合をnc比率(nc化率ともいう。)で表すことができる。
点を選び、透過電子回折パターンを取得し、全測定点の数に対し、CAAC-OS膜の回
折パターンが観測される測定点の数の割合を算出する。ここで、測定点数は、50点以上
が好ましく、100点以上がより好ましい。
の時間毎に回折パターンを取得すればよい。照射位置をスキャンすることによりCAAC
構造を有する領域と、その他の領域の境界などが確認できるため、好ましい。なお、nc
化率についても、同様に、無作為に測定点を選び、透過電子回折パターンを取得し、算出
することができる。
となる場合がある。
以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上
100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、9
9%以上100%以下であることがより好ましい。nc比率とCAAC比率の和を高める
ことにより、例えば明確な粒界の少ない酸化物半導体膜を実現することができる。明確な
粒界を少なくすることにより、例えば酸化物半導体膜のキャリア移動度を高めることがで
きる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
ある。例えば、基板への加熱を用いずに形成できる場合がある。よって、nc-OS膜を
用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある
。
、酸素欠損をより低減しやすい場合がある。よって、欠陥密度の低い酸化物半導体膜を実
現できる場合がある。よって、nc-OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置の
特性を向上させることができる場合がある。また、信頼性を高めることができる場合があ
る。
る。このような層状に重なった原子配列は、例えばTEM等を用いて観察することができ
る。
Aberration Corrector)機能を用いた透過電子顕微鏡法(TEM:
Transmission Electron Microscopy)によって得られ
る像(TEM像ともいう。)を観察する。なお、TEM観察による明視野像および回折パ
ターンの複合解析像を高分解能TEM像と呼ぶ。そして、球面収差補正機能を用いた高分
解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。なお、Cs補正高分解能TEM
像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM-ARM20
0Fなどによって行うことができる。
に解析することで、結晶の大きさ及び配向性について調査する。以下では、nc-OSの
結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。結晶の大きさ及び配向性は、断面TEM像において
例えば20nm角以上の範囲についてペレットを抽出し、その大きさ及び向きを調査する
。
、図17(B)は、nc-OSのCs補正高分解能断面TEM像である。なお、左右の図
は同じ場所を観察したもので、右図にはペレットを示す補助線を引いている。
る。また、図18(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。
図18(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布に
する(図22(A)参照。)。ここで、図18(A)に示す矢印は、試料面に垂直な向き
を示す。また、図18(B)に示す白線の向きはペレットの向きを示し、白線の長さはペ
レットの大きさを示す。
る。また、図19(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。
図19(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布に
する(図22(B)参照。)。
また、図20(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図2
0(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする
(図22(C)参照。)。
また、図21(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図2
1(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする
(図22(D)参照。)。
の絶対値を示す。
上3nm以下の大きさのペレットを有することが好ましい。また、nc-OSにおいて、
ペレットの向きは、RFスパッタリング法がDCスパッタリング法よりも試料面に垂直な
方向に配向していることがわかる。ここで、nc-OSのペレットの向きが試料面に対し
て0°以上30°未満である割合は、例えば0%以上70%以下が好ましく、30°以上
60°未満である割合は、例えば10%以上60%以下が好ましく、60°以上90°未
満である割合は、例えば0%以上60%以下が好ましい。nc-OSは、CAAC-OS
に比べてペレットの向きがランダムであることがわかる。
することができる。
以下では、nc-OSの成膜モデルについて説明する。
式図である。
およびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネット
によって、ターゲット5130上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成
膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
なお、劈開面の詳細については後述する。
ターゲット-基板間距離(T-S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ま
しくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、
酸素、アルゴン、または酸素を50体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.
01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。こ
こで、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマ
が確認される。なお、ターゲット5130上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成
される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101が生
じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O+)やアルゴンの陽イオン(Ar
+)などである。
5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であ
るペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、叩き出される。なお、ペレッ
ト5100aおよびペレット5100bは、イオン5101の衝突の衝撃によって、構造
に歪みが生じる場合がある。
状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面
を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよ
びペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット
と呼ぶ。ペレットの平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が2
個以上6個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、正三角形が2個合わさった四
角形となる場合もある。
することが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあ
るサイコロ状であるよりも好ましい。
する場合がある。ペレットは、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能
性がある。
と基板5120上まで舞い上がっていく。ペレットは電荷を帯びているため、ほかのペレ
ットが既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面で
は、基板5120の上面に平行な向きの磁場が生じている。また、基板5120およびタ
ーゲット5130間には、電位差が与えられているため、基板5120からターゲット5
130に向けて電流が流れている。したがって、ペレットは、基板5120の上面におい
て、磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。なお、ペレットに与
える力を大きくするためには、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行
な向きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好ましくは30G以上、より
好ましくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基板5120の上面において
、基板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の上面に垂直な向きの磁場の
1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以
上となる領域を設けるとよい。
したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合におい
ても、nc-OSの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板5120の上面(被形
成面)の構造が非晶質構造であっても、nc-OSを成膜することは可能である。
レット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、
基板5120上に向けるスパッタ粒子の面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にで
きない場合がある。
などの抵抗がより小さい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面
を滑空するように移動する。ペレットの移動は、ペレットの平板面を基板5120に向け
た状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット5100の側面まで到達する
と、側面同士が結合し、CAAC-OS膜を得る。
の抵抗がより大きい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面を滑
空するように移動することが難しく、不規則に降り積もっていくことでnc-OSを得る
ことができる。
20の加熱を行わなくても成膜が可能である。
℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱してもよい。雰囲気の加熱には
、例えばハロゲンランプ等のランプ5140を用いればよい。雰囲気の加熱により、例え
ばチャンバー内を飛翔するペレットが加熱され、欠陥が減少する可能性がある。また、ペ
レットサイズが増加する可能性がある。また、雰囲気の加熱により、例えばチャンバー内
の水分が蒸発しやすくなり、真空度をより高めることができる。
以下では、nc-OSの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明す
る。
nO4の結晶の構造を示す。なお、図10(A)は、c軸を上向きとし、b軸に平行な方
向からInGaZnO4の結晶を観察した場合の構造を示す。また、図10(B)は、c
軸に平行な方向からInGaZnO4の結晶を観察した場合の構造を示す。
により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プ
ログラム(CASTEP)を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬
ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、GGA PBEを用いる。また、カットオフ
エネルギーは400eVとする。
出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子
配置の構造最適化を行った後に導出する。
面、第4の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算
を行う。ここで、第1の面は、Ga-Zn-O層とIn-O層との間の結晶面であり、(
001)面(またはab面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第2の面は
、Ga-Zn-O層とGa-Zn-O層との間の結晶面であり、(001)面(またはa
b面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第3の面は、(110)面に平行
な結晶面である(図10(B)参照。)。第4の面は、(100)面(またはbc面)に
平行な結晶面である(図10(B)参照。)。
造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すこと
で、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエ
ネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原
子-電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
ーは0.68J/m2、第3の面の劈開エネルギーは2.18J/m2、第4の面の劈開
エネルギーは2.12J/m2であることがわかった(下表参照。)。
おける劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ga-Zn-O層とGa-Zn-O層との
間が最も劈開しやすい面(劈開面)であることがわかる。したがって、本明細書において
、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第2の面のことを示す。
10(A)に示すInGaZnO4の結晶は、二つの第2の面と等価な面で分離すること
ができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネル
ギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット(我々はこれをペレットと呼ぶ。)が最
小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、InGaZnO4のペレットは
、Ga-Zn-O層、In-O層およびGa-Zn-O層の3層となる。
(またはab面)に平行な結晶面)よりも、第3の面(110)面に平行な結晶面)、第
4の面((100)面(またはbc面)に平行な結晶面)の劈開エネルギーが低いことか
ら、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
次に、In-M-Zn酸化物膜の密度を評価した。ターゲットとしてIn:Ga:Zn
=1:1:1の多結晶のIn-Ga-Zn酸化物を用い、DCスパッタリング法でnc-
OSを成膜した。圧力は0.4Paとし、成膜温度は室温、電源電力は100W、成膜ガ
スとしてアルゴン及び酸素を用い、それぞれの流量はアルゴンを98sccm、酸素を2
sccmとした。得られたIn-Ga-Zn酸化物の密度は、6.1g/cm3であった
。ここで、非特許文献2より、単結晶のInGaZnO4の密度は6.357g/cm3
である。また、JCPDSカード、No.00-038-1097に記載されている通り
、単結晶のIn2Ga2ZnO7の密度は6.494g/cm3であることが知られてい
る。よって、得られたnc-OS膜は、高い密度を有する優れた膜であることがわかる。
同じ原子数比を有する単結晶の密度の85%以上が好ましく、90%以上がより好ましく
、95%以上がさらに好ましい。
例えば5.7g/cm3以上6.49g/cm3以下が好ましく、5.75g/cm3以
上6.49g/cm3以下が好ましく、5.8g/cm3以上6.33g/cm3以下が
より好ましく、5.85g/cm3以上6.33g/cm3以下がさらに好ましい。
ることを指す。
酸化物膜の密度から見積もってもよい。ここで原子数比がIn:M:Zn=1:1:1で
ある単結晶の密度をD1、原子数比がIn:M:Zn=2:2:1である単結晶の密度を
D2とする。インジウム、元素M及び亜鉛の原子数比が1:1:0.8であるIn-M-
Zn酸化物膜の密度は、D1とD2の間の値を取ることが予測される。よって単結晶の密
度として、例えばD1とD2の平均値を算出して参照してもよいし、D1、D2いずれか
の値、例えば原子数比のより近い値を参照してもよい。D1とD2を用いて平均値を算出
する際には、例えば0.6×D1+0.4×D2とすればよい。原子数比がIn:M:Z
n=A:B:Cである単結晶の密度をDα、原子数比がIn:M:Zn=D:E:Fであ
る単結晶の密度をDβとする。原子数比がIn:M:Zn=X:Y:Zである単結晶の密
度は、例えば以下のように算出すればよい。
及びβを求める。次に、求めたα及びβを用い、単結晶の密度を{α/(α+β)}Dα
+{β/(α+β)}Dβとして算出すればよい。
学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、原子層成膜(ALD)法
あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む)、真空蒸着法またはパルスレー
ザー堆積(PLD)法などが挙げられる。
法に用いるターゲットとして、In-M-Zn酸化物を用いることができる。
結晶のIn-M-Zn酸化物を有するターゲットを用いた場合には、ターゲットが劈開性
を有し、nc-OS膜を形成しやすい可能性があり、より好ましい。
用いてIn-M-Zn酸化物を作製できる場合があるが、多結晶のIn-M-Zn酸化物
を有するターゲットを用いることが好ましい。
加熱を行わなくても形成できる場合があり、好ましい。また、例えばチャンバー内の雰囲
気を好ましくは室温以上500℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱
してもよい。
ここで本発明の一態様である酸化物半導体膜として、例えばIn-M-Zn酸化物膜を
用いることが好ましい。In-M-Zn酸化物が有するIn,M及びZnの原子数比をI
n:M:Zn=x:y:zとする。
の比率を高めることが好ましい。
導体膜として、例えばnc-OS膜やCAAC-OS膜が挙げられる。また、酸化物半導
体膜は、nc-OS膜とCAAC-OS膜の両方を有してもよい。
nc-OS膜の回折パターンが観測される領域(nc構造)を有することが好ましい。ま
た、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc-OS膜の回折パターンが観測される
領域と、CAAC-OS膜の回折パターンが観測される領域(CAAC構造)と、を有し
てもよい。
。例えば、nc比率は30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより
好ましい。また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc比率とCAAC比率の和
が80%以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、9
5%以上100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ま
しく、99%以上100%以下であることがより好ましい。
それぞれのnc比率及びCAAC比率が異なってもよい。また、積層された複数の膜のう
ち、少なくとも一層の膜は、高いnc比率を有することが好ましい。例えば、nc比率は
30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、積層
された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は、nc比率とCAAC比率の和が80%以
上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上1
00%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99
%以上100%以下であることがより好ましい。
℃で焼成した場合には、亜鉛の比率を大きくすることにより固溶域が広くなることが非特
許文献1に記載されている。ここで、In-Ga-Zn酸化物の原子数比を固溶域をとり
得る範囲とすることにより、本発明の一態様の酸化物半導体膜のCAAC比率がより高ま
る場合がある。よって、亜鉛の比率を小さくすることにより、本発明の一態様の酸化物半
導体膜のnc比率をより高くできる場合がある。酸化物半導体膜の有するインジウム、元
素M及び亜鉛の原子数比をインジウム:元素M:亜鉛=x:y:zとする。例えば、zに
対するx+yの割合、すなわち(x+y)/zを大きくすることにより、nc比率をより
高めることができる場合がある。具体的には、例えば(x+y)>zが好ましく、(x+
y)≧1.5zが好ましく、(x+y)≧2zが好ましい。
明確な粒界、または境界部を形成する場合がある。よって、スピネル構造の結晶がより形
成されやすい原子数比から遠ざけることが好ましい。
,元素M及び亜鉛の原子数比x、y及びzは図4(A)に示す領域13内の原子数の比を
有することが好ましく、図4(B)に示す領域14の原子数の比を有することがより好ま
しい。ここで領域13は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R
(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の座
標S(x:y:z=1:0:1)と、第5の座標T(x:y:z=8:0:1)と、第6
の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域
内である。なお、領域13は、6つの点を結ぶ線分を含む。また領域13には全ての座標
を含む。また、領域14は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標
R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の
座標W(x:y:z=7:1:8)と、第5の座標X(x:y:z=7:1:1)と、第
6の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領
域内である。なお、領域14は6つの点を結ぶ線分を含む。また領域14には全ての座標
を含む。
ターゲットの原子数比からずれる場合がある。特に亜鉛は、得られる膜の亜鉛の比率がタ
ーゲットの亜鉛の比率よりも小さくなる場合がある。具体的には、得られる膜の亜鉛の比
率は、例えばターゲットの亜鉛の比率の40atomic%以上90atomic%程度
以下となる場合がある。
ットの原子数比と得られる膜の原子数比との関係を調べた。
こで酸素流量比とは、酸素流量÷(酸素流量+アルゴン流量)×100[%]で表される
量である。また、圧力は0.4Paから0.7Paの範囲とし、基板温度を200℃乃至
300℃、電源電力を0.5kW(DC)とした。
との関係を示す。図中の数字は、ターゲットのIn:Ga:Znの原子数比を表す。ここ
で亜鉛の残留率について説明する。得られた膜の原子数比における、亜鉛の項の値を、膜
のインジウム、ガリウム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Film)とする。ま
た、ターゲットの原子数比における、亜鉛の項の値を、ターゲットのインジウム、ガリウ
ム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Target)とする。ここで、亜鉛の残留
率を、A=Zn(Film)÷Zn(Target)×100[%]で表される値と定義
する。
子数比をa:b:cと表す。
3(B)は横軸にターゲットのインジウムの原子数比に対するガリウムの比の値(b/a
)を、図23(C)は横軸にターゲットのインジウムに対する亜鉛の比の値(c/a)を
それぞれ示している。またそれぞれの縦軸は亜鉛の残留率Aを示す。
0%以上90%以下であることがわかる。また、インジウムおよびガリウムは、亜鉛と比
較してターゲットの原子数比からは大きく変化しないといえる。また、ターゲットのガリ
ウムに対する亜鉛の比の値(c/b)が例えば1の場合には亜鉛の残留率Aは約66%、
2の場合には約74%、3の場合は約83%である。
鉛の残留率との間には良好な相関があることがわかる。すなわち、ガリウムに対して亜鉛
が少ない方が、残留率はより低くなっている。
を得るためには、例えば目的の膜の亜鉛の比の値に対し、ターゲットの亜鉛の比の値を好
ましくは1.7倍以上、より好ましくは1.5倍以上とすればよい。よってターゲットの
インジウム、ガリウム及び亜鉛は図5に示す領域15の原子数比を有することが好ましい
。ここで領域15は、第1の座標K(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標R(a
:b:c=2:4:3)と、第3の座標Y(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の座
標Z(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標T(a:b:c=8:0:1)と、
第6の座標U(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結ん
だ領域内である。なお、領域15は、6つの点を結んだ線分を含む。領域15には全ての
座標を含む。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例
について説明する。
酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例について、図12を用いて説明する。
)に示す一点鎖線X-X’における断面を、図12(C)は一点鎖線Y-Y’における断
面を示す。図12に示すトランジスタ100は、基板50と、基板50の上面に接する絶
縁膜51と、絶縁膜51の上面に接する絶縁膜114と、絶縁膜114の上面に接する半
導体層101と、導電層104a及び導電層104bと、半導体層101上にゲート絶縁
膜102と、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101と重なるゲート電極103と、
を有する。またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112及び絶縁膜113が設けられ
ている。また、トランジスタ100は、導電層105を有してもよい。また、基板50と
絶縁膜114の間に、絶縁膜を設けなくてもよい。
れることがより好ましい。第2の層は第1の上に接して設けられ、第3の層は第2層上に
接して設けられる。ここで、本発明の一態様のトランジスタにおいて、第1の層および第
3の層は、第2の層と比べて電流が流れにくい領域を有する。よって、第1の層および第
3の層を絶縁体層と呼ぶ場合がある。よって、図12に示す例のように、半導体層101
は絶縁体層101a、半導体層101b、および絶縁体層101cの積層構造で形成され
ることが好ましい。また、絶縁体層101a及び絶縁体層101cのうちいずれかを有さ
ない構造としてもよい。図12に示す例において、半導体層101bは、絶縁体層101
aの上面に接する。また、導電層104a及び導電層104bは、半導体層101bの上
面と接し、半導体層101bと重なる領域で離間する。また、絶縁体層101cは、半導
体層101bの上面に接する。また、ゲート絶縁膜102は、絶縁体層101cの上面と
接する。また、ゲート電極103は、ゲート絶縁膜102及び絶縁体層101cを介して
半導体層101bと重なる。
絶縁膜112及び絶縁膜113については、後述する実施の形態で詳細を述べる。
する。また、導電層105に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トラ
ンジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。トランジ
スタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることで、ゲート電圧が0Vであってもトラ
ンジスタが非導通状態(オフ状態)となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。な
お、導電層105に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電
層105に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電層105に接続し
てもよい。また、導電層105は、ゲート電極103と接続してもよい。
hing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。
酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの
酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸
素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜114から脱離した酸素
は酸化物半導体である半導体層101に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減する
ことが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高める
ことができる。
ス分光法分析(TDS分析)にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×101
8atoms/cm3以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm3以上である
酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上7
00℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
ることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、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を用いる事ができ
る。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素
の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多い材料を示す。
素を過剰に含有する領域を形成してもよい。例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少な
くとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に
含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法
、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
もバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジス
タのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。また、半導体層101が酸化物半
導体を含んで構成されることにより、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジ
スタを実現できる。
体を用いることができる。
、1×1017/cm3未満、1×1015/cm3未満、または1×1013/cm3
未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特
性を付与することができる。
101cの積層膜を用いる場合について、詳しく説明する。半導体層101bは、絶縁体
層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いることが好まし
い。例えば、半導体層101bとして、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電
子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下
、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子
親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
大きい酸化物を用いることにより、ゲート電極に電界を印加すると、絶縁体層101a、
半導体層101b、絶縁体層101cのうち、電子親和力の大きい半導体層101bにチ
ャネルが形成される。ここで、半導体層101bにチャネルが形成されることにより、例
えばチャネル形成領域がゲート絶縁膜102との界面から離れるために、ゲート絶縁膜と
の界面での散乱の影響を小さくすることができる。よって、トランジスタの電界効果移動
度を高くすることができる。ここで、半導体層101bと絶縁体層101cは後述する通
り、構成する元素が共通しているため、界面散乱がほとんど生じない。
は窒化シリコン膜等を用いる場合、ゲート絶縁膜に含まれるシリコンが、酸化物半導体膜
に混入することがある。酸化物半導体膜にシリコンが含まれると、酸化物半導体膜の結晶
性の低下、キャリア移動度の低下などが起こる場合がある。従って、チャネルが形成され
る半導体層101bの不純物濃度、例えばシリコン濃度を低減するために、半導体層10
1bとゲート絶縁膜との間に絶縁体層101cを設けることが好ましい。同様の理由によ
り、絶縁膜114からの不純物拡散の影響を低減するために、半導体層101bと絶縁膜
114の間に絶縁体層101aを設けることが好ましい。
膜を用いればよい。例えば実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体膜を用いる
ことが好ましい。
101bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは
2.7eV以上3.7eV以下、さらに好ましくは2.8eV以上3.3eV以下とする
。
01a及び絶縁体層101cは、半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、
または二種以上から構成される酸化物である。半導体層101bを構成する酸素以外の元
素一種以上、または二種以上から絶縁体層101a及び絶縁体層101cが構成されるた
め、絶縁体層101aと半導体層101bとの界面、及び半導体層101bと絶縁体層1
01cとの界面において、界面準位が形成されにくい。
velと表記。)、各層の伝導帯下端のエネルギー(Ecと表記。)及び価電子帯上端の
エネルギー(Evと表記。)を示す。
層101bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体層101bと絶縁体層101
cとの間には、半導体層101bと絶縁体層101cとの混合領域を有する場合がある。
混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、絶縁体層101a、半導体層101b
及び絶縁体層101cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に
変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。
01b中を主として移動する。上述したように、絶縁体層101a及び半導体層101b
の界面における界面準位密度、半導体層101bと絶縁体層101cとの界面における界
面準位密度が低くすることによって、半導体層101b中で電子の移動が阻害されること
が少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
いて示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、絶縁体層101aよりも絶縁体
層101cのEcが高いエネルギーを有してもよい。
04bと接する。また、図12(C)に示すように、ゲート電極103の電界によって、
半導体層101bを電気的に取り囲むことができる(導電体の電界によって、半導体を電
気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s-c
hannel)構造とよぶ。)。ゲート電極103が半導体層101bの上面及び側面に
面して設けられることで、半導体層101bの上面近傍だけでなく全体(バルク)にチャ
ネルが形成される場合がある。s-channel構造では、トランジスタのソース-ド
レイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる
。
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ま
しくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領
域を有する。特にチャネル幅が小さいほど半導体層101bの内部にまでチャネルが形成
される領域が広がるため、微細化するほどオン電流に対する寄与が高まる。
ことができる。
る。そのため、例えば絶縁体層101cはインジウムガリウム酸化物を含んでもよい。ガ
リウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以
上、さらに好ましくは90%以上とする。
cに酸化ガリウムを含むと、より低いオフ電流を実現できる場合がある。
いることが好ましい。ここで、絶縁体層101aや絶縁体層101cのnc比率や、CA
AC比率を高めることにより、例えば、欠陥をより少なくすることができる。また、例え
ばスピネル型の結晶を有する領域を少なくすることができる。また、例えばキャリアの散
乱を小さくすることができる。また、例えば不純物に対するブロック能の高い膜とするこ
とができる。また、半導体層101bへの不純物の混入を抑制することができ、半導体層
101bの不純物濃度を低減することができる。
30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上が好ましく、90%以上が好
ましく、95%以上が好ましい。
酸化物である場合を考える。絶縁体層101aが有するIn、元素M及びZnの原子数比
をxa、ya及びzaとする。同様に、半導体層101bが有するIn、元素M及びZn
の原子数比をxb、yb及びzbとする。同様に、絶縁体層101cが有するIn、元素
M及びZnの原子数比をxc、yc及びzcとする。以下にそれぞれの好ましい値につい
て説明する。
及び領域14のいずれかの範囲をとることが好ましい。
少ないことが好ましい。よって、xa:ya:za及びxc:yc:zcは、例えば図1
の領域11の範囲内であり、かつ半導体層101bよりも電子親和力が小さくなる値を取
ることが好ましい。
大きくするには、例えば半導体層101bのインジウムの含有率を絶縁体層101a及び
絶縁体層101cよりも高めることが好ましい。
b+yb+zb)>xc/(xc+yc+zc)を満たすことが好ましい。
a+ya)<0.33であり、さらに好ましくはxa/(xa+ya)<0.25である
。また、好ましくはxb/(xb+yb)≧0.25であり、さらに好ましくはxb/(
xb+yb)≧0.34である。また、好ましくはxc/(xc+yc)<0.5であり
、より好ましくはxc/(xc+yc)<0.33あり、さらに好ましくはxc/(xc
+yc)<0.25である。
子数の比を有することが好ましい。ここで領域16は、第1の座標K(x:y:z=8:
14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標L(x:y:z
=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標
B(x:y:z=1:4:10)と、第6の座標C(x:y:z=1:1:4)と、第7
の座標A(x:y:z=2:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域
である。なお、領域16には全ての座標を含む。
にチャネルが形成される。したがって、半導体層101bが厚いほどチャネル領域は大き
くなる。即ち、半導体層101bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることが
できる。例えば、20nm以上、好ましくは40nm以上、さらに好ましくは60nm以
上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい
。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、300nm以下、好
ましくは200nm以下、さらに好ましくは150nm以下の厚さの領域を有する半導体
層101bとすればよい。
ほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm
以下の領域を有する絶縁体層101cとすればよい。一方、絶縁体層101cは、チャネ
ルの形成される半導体層101bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、
シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体層10
1cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは
1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101cとすれ
ばよい。また、絶縁体層101cは、ゲート絶縁膜102などから放出される酸素の外方
拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
ことが好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは4
0nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101aとすれ
ばよい。絶縁体層101aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体層101
aとの界面からチャネルの形成される半導体層101bまでの距離を離すことができる。
ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ま
しくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する絶縁体層1
01aとすればよい。
れる場合がある。ドナー準位の形成により、トランジスタのしきい値がマイナス方向にシ
フトする場合がある。よって酸化物半導体膜の形成後に脱水化処理(脱水素化処理)を行
い、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好まし
い。
てしまうことがある。よって、脱水化処理後、酸素を供給し、酸化物半導体膜の酸素欠損
を補填することが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給すること
を、加酸素化処理と記す場合がある。または酸化物半導体膜に含まれる酸素の割合を化学
量論的組成よりも高くすることを過酸素化処理と記す場合がある。
素欠損を補填することによって、i型(真性)、またはi型に限りなく近い、実質的にi
型(真性)である酸化物半導体膜を実現することができる。なお、実質的に真性とは、酸
化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密
度が1×1017/cm3以下、1×1016/cm3以下、1×1015/cm3以下
、1×1014/cm3以下、1×1013/cm3以下であることをいう。
フ電流を実現することができる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオフ電
流を、室温(25℃程度)にて1×10-18A以下、好ましくは1×10-21A以下
、さらに好ましくは1×10-24A以下、または85℃にて1×10-15A以下、好
ましくは1×10-18A以下、さらに好ましくは1×10-21A以下とすることがで
きる。ここで、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を指す。ま
た、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がし
きい値よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値よりも1V以上
、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。
ン電極として機能する。
、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの
金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、
シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層
構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅-マグネシウム-アル
ミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タ
ングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン
膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチ
タン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と
、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層
し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。
なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
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、窒化
シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムア
ルミネート(HfAlxOyNz)、酸化イットリウムなどのhigh-k材料を用いて
もよい。
ン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジル
コニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物
絶縁膜、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な
どの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。
素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。
せしめて、しきい値電圧をプラス方向へシフトさせることもできる。例えば、酸化シリコ
ンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁膜の一部に酸化ハフニウム、酸化アル
ミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度(半導体
装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、125℃以上450℃以下
、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレ
イン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、半導体
層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲
される。
ン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した
金属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を用いてもよい。また、リン等の不純物元
素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサ
イドを用いてもよい。また、ゲート電極103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の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
酸化物、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、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添
加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また
、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
導体膜、In-Sn系酸窒化物半導体膜、In-Ga系酸窒化物半導体膜、In-Zn系
酸窒化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(I
nN、ZnN等)等を設けてもよい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.5eV以
上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導
体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせることができ、所謂ノ
ーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In-Ga-Zn系酸窒化
物半導体膜を用いる場合、少なくとも半導体層101より高い窒素濃度、具体的には7原
子%以上のIn-Ga-Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領
域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)
とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトラ
ンジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域に
おける、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトラン
ジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
ネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示され
るチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば
、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面
図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくな
る場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面
に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割
合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅
よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見
積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形
状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である
。
る領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチ
ャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel
Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合
には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明
細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。
なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込み
チャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって
、値を決定することができる。
める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチ
ャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの、図12とは異なる構造
の一例について、図13を用いて説明を行う。図13(A)は、本発明の一態様の半導体
装置であるトランジスタ100の上面図であり、図13(B)は、図13(A)に示す一
点鎖線X1-X2間における切断面の断面図に相当し、図13(C)は、図13(A)に
示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の断面図に相当する。
、基板50及びゲート電極203a上のゲート絶縁膜202と、ゲート絶縁膜202上の
半導体層201と、半導体層201に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と
して機能する導電層204a、導電層204bと、を有する。また、トランジスタ100
上、より詳しくは、導電層204a、導電層204b及び半導体層201上に絶縁膜21
4、絶縁膜216及び絶縁膜218が順に積層して設けられる。
電極103の記載を参照すればよい。
ト絶縁膜102の記載を参照すればよい。また、ゲート絶縁膜202として2層以上の積
層膜を用いてもよい。例えば図13に示すように、ゲート絶縁膜202aとゲート絶縁膜
202bの2層構造としてもよい。その場合は、例えば下層、ここではゲート絶縁膜20
2aに酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する膜を用いてもよい。ブ
ロッキング膜としての機能を有する膜としては、例えば後述するバリア膜111等を参照
すればよい。
ればよい。また、半導体層201として、半導体層101の記載を参照してもよい。また
、半導体層201は2層以上の積層膜を用いてもよい。
しての機能を有する。絶縁膜214は、絶縁膜216を形成する際の半導体層201への
ダメージ緩和膜としても機能する。
よりも過剰に酸素を含有する領域(酸素過剰領域)を有することがより好ましい。
、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度が
3×1017spins/cm3以下であることが好ましい。絶縁膜214に含まれる欠
陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜214における酸素の透過量が
減少してしまう。
4の外部に移動せず、絶縁膜214にとどまる酸素もある。また、絶縁膜214に酸素が
入ると共に、絶縁膜214に含まれる酸素が絶縁膜214の外部へ移動することで、絶縁
膜214において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜214として酸素を透過するこ
とができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜214上に設けられる、絶縁膜216から
脱離する酸素を、絶縁膜214を介して半導体層201に移動させることができる。
と伝導帯の下端のエネルギー(Ec_os)の間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶
縁膜を用いて形成することができる。Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密
度が低い酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または
窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
て、窒素酸化物の放出量よりアンモニア分子の放出量が多い膜であり、代表的にはアンモ
ニア分子の放出量が1×1018個/cm3以上5×1019個/cm3以下である。な
お、アンモニア分子の放出量は、膜の表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは5
0℃以上550℃以下の加熱処理による放出量とする。
はNO2またはNOは、絶縁膜214などに準位を形成する。当該準位は、半導体層20
1のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜214及び半導
体層201の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜214側において電子をトラップする
場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜214及び半導体層201界面近
傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜216に含まれるアンモニアと反応
するため、絶縁膜214に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜214及
び半導体層201の界面において、電子がトラップされにくい。
(以下、バックチャネル領域という。)において半導体層201と接することで、半導体
層201のバックチャネル領域を保護する機能を有する。
物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能で
あり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
IMSで測定される窒素濃度が6×1020atoms/cm3以下である。
り、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度
が1.5×1018spins/cm3未満、さらには1×1018spins/cm3
以下であることが好ましい。なお、絶縁膜216は、絶縁膜214と比較して半導体層2
01から離れているため、絶縁膜214より、欠陥密度が多くともよい。
示したトランジスタ100は、チャネルエッチ型のトランジスタであったが、図14及び
図15に示すトランジスタ100は、チャネル保護型のトランジスタである。
り、図14(B)は、図14(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断面の断面図
に相当し、図14(C)は、図14(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の
断面図に相当する。図14に示すトランジスタ100は、基板50上に設けられるゲート
電極203aと、基板50及びゲート電極203a上に形成されるゲート絶縁膜202と
、ゲート絶縁膜202を介して、ゲート電極203aと重なる半導体層201と、ゲート
絶縁膜202及び半導体層201上の絶縁膜214と、絶縁膜214上の絶縁膜216と
、絶縁膜214及び絶縁膜216の開口部141aおよび141bにおいて半導体層20
1に接する一対の導電層204a及び導電層204bとを有する。また、トランジスタ1
00上、より詳しくは導電層204a、導電層204b、及び絶縁膜216上に、絶縁膜
218を設けてもよい。
り、図15(B)は、図15(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断面の断面図
に相当し、図15(C)は、図15(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の
断面図に相当する。図15に示すトランジスタ100は、図14に示すトランジスタ10
0と絶縁膜214、216の形状が相違する。具体的には、図15に示すトランジスタ1
00の絶縁膜214、216は、半導体層101のチャネル領域上に島状に設けられる。
その他の構成は、図14に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。
電層204bを形成する際に半導体層201が絶縁膜214及び絶縁膜216に覆われて
いるため、一対の導電層204a及び導電層204bを形成するエッチングによって、半
導体層201はダメージを受けない。さらに、絶縁膜214及び絶縁膜216を、窒素を
有し、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜とすることで、電気特性の変動が抑制され、信頼
性が向上されたトランジスタを作製することができる。
してもよい。図16(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の
上面図であり、図16(B)は、図16(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断
面の断面図に相当し、図16(C)は、図16(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間におけ
る切断面の断面図に相当する。図16には、電極203bが、絶縁膜214及び絶縁膜2
16に設けられた開口部142c及び開口部142dを介してゲート電極203aと接続
する構成を示すが、電極203bとゲート電極203aを接続しない構成としてもよい。
電極203bとゲート電極203aを接続しない場合には、それぞれの電極に異なる電位
を与えることができる。
とが対向することで、さらには、チャネル幅方向において、ゲート電極203a及び電極
203bが、ゲート絶縁膜202及び絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218を介
して半導体層201を囲むことで、半導体層201においてキャリアの流れる領域が、ゲ
ート絶縁膜202及び絶縁膜214と半導体層201との界面のみでなく、半導体層20
1の内部においてもキャリアが流れるため、トランジスタ100におけるキャリアの移動
量が増加する。この結果、トランジスタ100のオン電流が大きくなると共に、電界効果
移動度が高くなる。また、電極203bの電界が半導体層201の側面、または側面及び
その近傍を含む端部に影響するため、半導体層201の側面または端部における寄生チャ
ネルの発生を抑制することができる。
を積層する構成を示す。ここで例えば半導体層201bは、半導体層201aよりも伝導
帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、半導体層201bの伝導帯の下端
のエネルギーと、半導体層201aの伝導帯の下端のエネルギーとの差が、0.05eV
以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、
1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即ち、半導体層201bの
電子親和力と、半導体層201aの電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07e
V以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.
5eV以下、または0.4eV以下である。
えば半導体層101bの有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲に
ついて参照してもよい。また、半導体層201bとして、実施の形態3で示す絶縁体層1
01cを参照してもよい。例えば、絶縁体層101cの有するインジウム、元素M及び亜
鉛の原子数比の好ましい範囲について参照してもよい。
トランジスタ100の変形例を図30乃至図33に示す。例えばトランジスタ100は
、図30に示す構造でもよい。図30は、導電層104a及び導電層104bの形状が図
12と異なる。なお、図30(B)は、図30(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図3
0(A)と垂直な面の断面を示す。
cが導電層104a及び導電層104bの上面に接するのに対し、図31では、導電層1
04a及び導電層104bの下面に接する。なお、図31(B)は、図31(A)に示す
一点鎖線A-Bを通り、図31(A)と垂直な面の断面を示す。このような構成とするこ
とで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cを構成するそれぞれの
膜の成膜時において、大気に触れさせることなく連続的に成膜することができるため、各
々の界面欠陥を低減することができる。
32(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図32(A)と垂直な面の断面を示す。図32
は、導電層104a及び導電層104bを有さない点が、図12と異なる。ここで図32
(C)に示すように、トランジスタ100は低抵抗層171a及び低抵抗層171bを有
してもよい。低抵抗層171a及び低抵抗層171bはソース領域またはドレイン領域と
して機能することが好ましい。また、低抵抗層171a及び低抵抗層171bは不純物が
添加されていてもよい。不純物を添加することにより半導体層101の抵抗を下げること
ができる。添加する不純物としては、例えばアルゴン、ホウ素、炭素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム
、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、イットリウム、
ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム
、ハフニウム、タンタル、タングステンから選択された一種以上を添加することが好まし
い。低抵抗層171a及び低抵抗層171bは例えば、半導体層101中に、上述の不純
物元素を5×1019atoms/cm3以上、好ましくは1×1020atoms/c
m3以上、さらに好ましくは2×1020atoms/cm3以上、より好ましくは5×
1020atoms/cm3以上含む領域である。図32(D)は、図32(C)の領域
324の拡大図である。
合がある。不要な水素を低抵抗層にトラップすることによりチャネル領域の水素濃度を低
くし、トランジスタ100の特性として、良好な特性を得ることができる。
cとゲート絶縁膜102の形状が図32と異なる。なお、図33(B)は、図33(A)
に示す一点鎖線A-Bを通り、図33(A)と垂直な面の断面を示す。
a及び絶縁体層101cを設ける構成を説明したが、絶縁体層101aまたは絶縁体層1
01cの一方、またはその両方を設けない構成としてもよい。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の
一例について、図34乃至図36を用いて以下説明を行う。
基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられたソースドライ
バ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、画素部702、ソースドライバ回路
部704、及びゲートドライバ回路部706を囲むように配置されるシール材712と、
第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有する。なお、第
1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されている。すなわ
ち、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706は、
第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されている。なお、
図34には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間には表示素子が設け
られる。
領域とは異なる領域に、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回
路部706、及びゲートドライバ回路部706と電気的に接続されるFPC端子部708
(FPC:Flexible printed circuit)が設けられる。また、
FPC端子部708には、FPC716が接続され、FPC716によって画素部702
、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706に各種信号等が供給さ
れる。また、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706
、及びFPC端子部708には、信号線710が各々接続されている。FPC716によ
り供給される各種信号等は、信号線710を介して、画素部702、ソースドライバ回路
部704、及びゲートドライバ回路部706に与えられる。
装置700としては、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を
画素部702と同じ第1の基板701に形成している例を示しているが、この構成に限定
されない。例えば、ゲートドライバ回路部706のみを第1の基板701に形成しても良
い、またはソースドライバ回路部704のみを第1の基板701に形成しても良い。この
場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板(例えば、単結
晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を、第1の基板701に実装す
る構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるも
のではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法など
を用いることができる。
ドライバ回路部706は、配線部、または複数のトランジスタを有しており、本発明の一
態様の半導体装置を適用することができる。
素子、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機
EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LED
など)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、電子イン
ク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(P
DP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、
デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター
)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション
)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクト
ロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表
示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用に
より、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい
。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素
子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又
はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface-conduction E
lectron-emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示
装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディス
プレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)
などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパ
ーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場
合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすれば
よい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するよう
にすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けるこ
とも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
等を用いることができる。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、R
GB(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、Rの画素とGの
画素とBの画素とW(白)の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配
列のように、RGBのうちの2色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる2色
を選択して構成してもよい。またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上
追加してもよい。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、開示する発明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。
W)を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層(カラーフィルタともいう
。)を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド(R)、グリーン(G)、ブルー(B)
、イエロー(Y)などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、
着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を
有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領
域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置
することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を2割
から3割程度低減できる場合がある。ただし、有機EL素子や無機EL素子などの自発光
素子を用いてフルカラー表示する場合、R、G、B、Y、ホワイト(W)を、それぞれの
発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用
いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
、図35及び図36を用いて説明する。なお、図35は、図34に示す一点鎖線Q-Rに
おける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図36は、図
34に示す一点鎖線Q-Rにおける断面図であり、表示素子としてEL素子を用いた構成
である。
て以下説明する。
図35及び図36に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と
、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配
線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び
容量素子790(容量素子790aまたは容量素子790b)を有する。また、ソースド
ライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。
して機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線710は、トランジスタ75
0、752のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲー
ト電極として機能する導電膜としてもよい。信号線710として、例えば、銅元素を含む
材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能とな
る。
できる。ここではトランジスタ750及びトランジスタ752に図13に示すトランジス
タ100の構造を用いる例を示すが、先に示す他のトランジスタを用いてもよい。
タ100の構造を用いてもよい。この場合には、電極203bは、例えば導電層772や
、導電層784の形成と同じ工程を用いて形成することができる。図16に示すトランジ
スタ100の構造を用いることにより、例えばトランジスタ750及びトランジスタ75
2のオン電流を高めることができ、回路動作速度を高めることができる。また、トランジ
スタ750やトランジスタ752のチャネル幅を縮小できる場合があり、回路の集積化が
可能となる。
半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値(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。
め、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表
示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するド
ライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路とし
て、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置
の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトラン
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。
6を有する。なお、接続電極760は、トランジスタ750、752のソース電極及びド
レイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極760は、F
PC716が有する端子と異方性導電層780を介して、電気的に接続される。
とができる。また、第1の基板701及び第2の基板705として、可撓性を有する基板
を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられ
る。
きる。表示装置が可撓性を有することにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可
能となり、多種多様の用途が実現する。
膜化及び軽量化が可能となる。また、例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板
を用いた表示装置は割れにくく、例えば落下時の衝撃に対する耐久性を向上することがで
きる。
カラーフィルタとして機能する着色膜736と、遮光膜738及び着色膜736に接する
絶縁膜734が設けられる。
造体778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、
第1の基板701と第2の基板705の間の距離(セルギャップ)を制御するために設け
られる。なお、構造体778として、球状のスペーサを用いていても良い。また、図35
においては、構造体778を第2の基板705側に設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、図36に示すように第1の基板701側に構造体778を設け
る構成、または第1の基板701及び第2の基板705双方に構造体778を設ける構成
としてもよい。
絶縁膜764、766、768が設けられている。
、216、218と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。
図35に示す表示装置700は、容量素子790aを有する。容量素子790aは、一
対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790aの一方の電極
としては、トランジスタ750の半導体層として機能する酸化物半導体膜と同一の工程を
経て形成された導電性の高い酸化物半導体膜を用い、容量素子790aの他方の電極とし
ては、トランジスタ750と電気的に接続される導電層772を用いる。また、一対の電
極間に挟持される誘電体としては、絶縁膜768を用いる。
体膜について、以下説明を行う。
酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り
伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり、
導電体化する。導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体ということができる。一般に
、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。
一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがっ
て、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透
光性を有する。
酸化物導電体で形成される膜(以下、酸化物導電体膜(OC)という。)それぞれにおけ
る、抵抗率の温度依存性について説明する。
ける抵抗率の温度依存性より小さい。代表的には、80K以上290K以下における酸化
物半導体膜(OC)の抵抗率の変化率は、±20%未満である。または、150K以上2
50K以下における抵抗率の変化率は、±10%未満である。即ち、酸化物導電体は、縮
退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。
このため、酸化物導電体膜を、容量素子790aの一方の電極に用いることが可能である
。ここで酸化物導電体膜は、例えばIn-M-Zn酸化物上に窒化シリコンを形成するこ
とにより、形成することができる。
導電層772、導電層774、及び液晶層776を有する。導電層774は、第2の基板
705側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図35に示す表示装置700は、
導電層772と導電層774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わ
ることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
て機能する導電膜に接続される。導電層772は、絶縁膜768上に形成され画素電極、
すなわち表示素子の一方の電極として機能する。
ム酸化物、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、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを
添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いることができる。
に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図35において図示しないが、偏
光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい
。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。
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。
い。ブルー相は液晶相の一つであり、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。
)モード、IPS(In-Plane-Switching)モード、FFS(Frin
ge Field Switching)モード、ASM(Axially Symme
tric aligned Micro-cell)モード、OCB(Optical
Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroe
lectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerr
oelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる
。
た透過型の液晶表示装置としてもよい。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 Alignment
)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モー
ド、ASVモードなどを用いることができる。
図36に示す表示装置700は、容量素子790bを有する。容量素子790bは、一
対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790bの一方の電極
としては、トランジスタ750のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成され
た導電膜を用い、容量素子790bの他方の電極としては、トランジスタ750のソース
電極またはドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持され
る誘電体としては、トランジスタ750のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。
、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材料
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
、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、図35に示すように、平坦化絶縁膜77
0を設けない構成としてもよい。
導電層784、EL層786、及び導電層788を有する。図36に示す表示装置700
は、発光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示すること
ができる。
て機能する導電膜に接続される。導電層784は、平坦化絶縁膜770上に形成され画素
電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電層784としては、可視光に
おいて透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることがで
きる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛
(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において
反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよ
い。
縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電層784の一部を覆う。なお、発光素子
782はトップエミッション構造である。したがって、導電層788は透光性を有し、E
L層786が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション
構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電層784側に光を射出す
るボトムエミッション構造や、導電層784及び導電層788の双方に光を射出するデュ
アルエミッション構造にも適用することができる。
る位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設け
られている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。ま
た、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図36
に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色
膜736を設けない構成としてもよい。
ができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図26を
用いて説明を行う。
いう)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(
以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路50
6という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成とし
てもよい。
ことが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部504
の一部、または全部が、画素部502と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回
路部504の一部、または全部は、COGやTAB(Tape Automated B
onding)によって、実装することができる。
た複数の表示素子を駆動するための回路(以下、画素回路501という)を有し、駆動回
路部504は、画素を選択する信号(走査信号)を出力する回路(以下、ゲートドライバ
504aという)、画素の表示素子を駆動するための信号(データ信号)を供給するため
の回路(以下、ソースドライバ504b)などの駆動回路を有する。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力す
る。例えば、ゲートドライバ504aは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力さ
れ、パルス信号を出力する。ゲートドライバ504aは、走査信号が与えられる配線(以
下、走査線GL_1乃至GL_Xという)の電位を制御する機能を有する。なお、ゲート
ドライバ504aを複数設け、複数のゲートドライバ504aにより、走査線GL_1乃
至GL_Xを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ504aは、初期化信号
を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ50
4aは、別の信号を供給することも可能である。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元とな
る信号(画像信号)が入力される。ソースドライバ504bは、画像信号を元に画素回路
501に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ504bは
、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信
号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、データ信号が与え
られる配線(以下、データ線DL_1乃至DL_Yという)の電位を制御する機能を有す
る。または、ソースドライバ504bは、初期化信号を供給することができる機能を有す
る。ただし、これに限定されず、ソースドライバ504bは、別の信号を供給することも
可能である。
ソースドライバ504bは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、
画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを
用いてソースドライバ504bを構成してもよい。
介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線DLの一つを介し
てデータ信号が入力される。また。複数の画素回路501のそれぞれは、ゲートドライバ
504aによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、m行n列
目の画素回路501は、走査線GL_m(mはX以下の自然数)を介してゲートドライバ
504aからパルス信号が入力され、走査線GL_mの電位に応じてデータ線DL_n(
nはY以下の自然数)を介してソースドライバ504bからデータ信号が入力される。
01の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドラ
イバ504bと画素回路501の間の配線であるデータ線DLに接続される。または、保
護回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することが
できる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配
線に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び
制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
6を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:
静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。
ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに
保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続
した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成
とすることもできる。
よって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例
えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成
された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実
装する構成としても良い。
とすることができる。
量素子560と、を有する。トランジスタ550に先の実施の形態に示すトランジスタを
適用することができる。
される。液晶素子570は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複
数の画素回路501のそれぞれが有する液晶素子570の一対の電極の一方に共通の電位
(コモン電位)を与えてもよい。また、各行の画素回路501の液晶素子570の一対の
電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
ード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned M
icro-cell)モード、OCB(Optically Compensated
Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqu
id Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Li
quid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Ve
rtical Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、又はTBA
(Transverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。
また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ECB(Electric
ally Controlled Birefringence)モード、PDLC(P
olymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNLC
(Polymer Network Liquid Crystal)モード、ゲストホ
ストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様
々なものを用いることができる。
ン電極の一方は、データ線DL_nに電気的に接続され、他方は液晶素子570の一対の
電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ550のゲート電極は、走査線G
L_mに電気的に接続される。トランジスタ550は、オン状態またはオフ状態になるこ
とにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
)に電気的に接続され、他方は、液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続され
る。なお、電位供給線VLの電位の値は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される
。容量素子560は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ
550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
とすることができる。
子562と、発光素子572と、を有する。トランジスタ552及びトランジスタ554
のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる
。
配線(以下、信号線DL_nという)に電気的に接続される。さらに、トランジスタ55
2のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線(以下、走査線GL_mという)に電気
的に接続される。
タの書き込みを制御する機能を有する。
_aという)に電気的に接続され、他方は、トランジスタ552のソース電極及びドレイ
ン電極の他方に電気的に接続される。
気的に接続される。さらに、トランジスタ554のゲート電極は、トランジスタ552の
ソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
され、他方は、トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続
される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子572としては、これに限定されず
、無機材料からなる無機EL素子を用いても良い。
えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。
ートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552を
オン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ554の
ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子572は、流れる電
流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
ができる。
以下では、本発明の一態様の酸化物半導体を用いた半導体装置の例を説明する。
図37(A)は本発明の一態様の半導体装置の回路図の一例である。図37(A)に示
す半導体装置は、トランジスタ100と、トランジスタ130と、容量素子150と、配
線WBLと、配線RBLと、配線WLと、配線CLと、配線BGと、配線SLと、を有す
る。
他方が配線SLと電気的に接続し、ゲートがトランジスタ100のソースまたはドレイン
の一方及び容量素子150の一方の電極と電気的に接続する。トランジスタ100は、ソ
ースまたはドレインの他方が配線WBLと電気的に接続し、第1のゲートが配線WLと電
気的に接続する。容量素子150は、他方の電極が配線CLと電気的に接続する。また配
線BGはトランジスタ100の第2のゲートと電気的に接続する。なお、トランジスタ1
30のゲートと、トランジスタ100のソースまたはドレインの一方と、容量素子150
の一方の電極の間のノードをノードFNと呼ぶ。
配線WBLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ100が非
導通状態(オフ状態)のときに、ノードFNの電位を保持する機能を有する。すなわち、
図37(A)に示す半導体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。図37
(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ
)を構成することができる。
escence)素子などの表示素子を有する場合、図37(A)の半導体装置は表示装
置の画素として機能させることもできる。
る電位によって制御することができる。また配線WLまたは配線BGに与える電位によっ
てトランジスタ100のしきい値を制御することができる。トランジスタ100としてオ
フ電流の小さいトランジスタを用いることにより、非導通状態におけるノードFNの電位
を長期間に渡って保持することができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を
低減することができ、消費電力の小さい半導体装置を実現することができる。トランジス
タ100として、例えば酸化物半導体膜を用いたトランジスタを用いることにより、オフ
電流の小さいトランジスタを実現することができる。
れる。このとき、ノードFNの電位によって、トランジスタ100の見かけ上のしきい値
電圧が変動する。見かけ上のしきい値電圧の変動により、トランジスタ130の導通状態
、非導通状態が変化することを利用し、ノードFNに保持された電位の情報をデータとし
て読み出すことができる。
保持するためには、容量1fFあたり、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電
流の値が4.3yA(ヨクトアンペア:1yAは10-24A)未満であることが好まし
い。このとき、許容されるノードFNの電位の変動が0.5V以内であることが好ましい
。または、95℃において、上記オフ電流が1.5yA未満であることが好ましい。
る。つまり、保持時間を長くすることができる。
能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
00がオン状態となる電位にして、トランジスタ100をオン状態とする。これにより、
配線WBLの電位が、トランジスタ130のゲート電極、及び容量素子150に与えられ
る。すなわち、トランジスタ130のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込
み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Hig
hレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、配線WLの電位を、
トランジスタ100がオフ状態となる電位にして、トランジスタ100をオフ状態とする
ことにより、トランジスタ130のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
の電荷は長時間にわたって保持される。
態で、配線CLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ130のゲート
電極に保持された電荷量に応じて、配線SLは異なる電位をとる。一般に、トランジスタ
130をnチャネル型とすると、トランジスタ130のゲート電極にHighレベル電荷
が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ130のゲート電
極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなる
ためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ130を「オン状態」と
するために必要な配線CLの電位をいうものとする。したがって、配線CLの電位をVt
h_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、トランジスタ130のゲート電極
に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与え
られていた場合には、配線CLの電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ1
30は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、配線CLの電
位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ130は「オフ状態」のままである
。このため、配線SLの電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことがで
きる。なお、配線本数を減らすために、例えば図37(A)に示すWBLとRBLを導通
させてもよい。
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ130が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_H
より小さい電位を配線CLに与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトラ
ンジスタ130が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を
配線CLに与えればよい。
(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作
が可能である。
遊状態である配線BLと容量素子150とが導通し、配線BLと容量素子150の間で電
荷が再分配される。その結果、配線BLの電位が変化する。配線BLの電位の変化量は、
容量素子150の一方の電極の電位(あるいは容量素子150に蓄積された電荷)によっ
て、異なる値をとる。
Lが有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線BLの電位をVB0とすると、
電荷が再分配された後の配線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)と
なる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子150の一方の電極の電位がV1
とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の配線BL
の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場
合の配線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなるこ
とがわかる。
。
ることもできる。
。なお、図38では配線本数を減らすためにWBLとRBLを導通させる例を示す。なお
、図38(B)は、図38(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図38(A)と垂直な面
の断面を示す。また、図38(C)は、図38(A)に示す一点鎖線C-Dを通り、図3
8(A)と垂直な面の断面を示す。
ジスタ100とトランジスタ130を積層することにより、例えば、回路面積を縮小する
ことができる。トランジスタ100として、例えば実施の形態3に示したトランジスタを
用いることができる。図38では、図12に示したトランジスタ100を用いる例を示す
。
00は第2の半導体材料を含んで構成される。第1の半導体材料、または第2の半導体材
料として用いることのできる半導体としては、例えばシリコンやゲルマニウムやガリウム
やヒ素などの半導体材料、シリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素やアルミニウムなど
を有する化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料などが挙げられる
。
材料とすることがより好ましい。ここでは、第1の半導体材料として単結晶シリコンを、
第2の半導体材料として酸化物半導体を用いた場合について説明する。
トランジスタ130は、半導体基板131に設けられ、半導体基板131の一部からな
る半導体層132、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135、及びソース領域またはドレ
イン領域として機能する低抵抗層133a及び低抵抗層133bを有する。
駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
レイン領域となる低抵抗層133a及び低抵抗層133b等において、シリコン系半導体
などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、G
e(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、
GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格
子に歪みを有するシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等
を用いることで、トランジスタ130をHEMT(High Electron Mob
ility Transistor)としてもよい。
域である領域176aと領域176bを有してもよい。
加え、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与
する元素を含む。
型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、また
は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
ンジスタ190を用いてもよい。図29(B)は、図29(A)に示す一点鎖線E-Fを
通り、図29(A)と垂直な面の断面を示す。トランジスタ190はチャネルが形成され
る半導体層132(半導体基板の一部)が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲー
ト絶縁膜134及びゲート電極135が設けられている。またトランジスタの間には素子
分離層181が設けられている。このようなトランジスタ190は半導体基板の凸部を利
用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸
部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい。また、ここでは半
導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI(Silicon o
n Insulator)基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。
積層して設けられている。
bに添加された導電性を付与する元素の活性化の際の保護膜として機能する。絶縁膜13
6は不要であれば設けなくてもよい。
材料を含むことが好ましい。加熱処理を行うことで絶縁膜137中の水素により半導体層
132中のダングリングボンドが終端され、トランジスタ130の信頼性を向上させるこ
とができる。
坦化する平坦化層として機能する。絶縁膜138の上面をCMP法等により平坦化しても
よい。
33b等と電気的に接続するプラグ140、トランジスタ130のゲート電極135と電
気的に接続するプラグ139等が埋め込まれていてもよい。
る。バリア膜111は、これよりも下層から水及び水素が上層に拡散することを抑制する
機能を有する層である。また、バリア膜111は酸素透過性が低いことが好ましい。ここ
で、水及び水素が拡散しにくい、とは、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリ
コン等と比較して、水及び水素の透過性が低いことを示す。また、酸素透過性が低いとは
、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、酸素の透過性が低
いことを示す。
ム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸スト
ロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるh
igh-k材料を含む絶縁膜を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶
縁膜に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シ
リコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ガ
リウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁膜を窒化処理して酸化窒化膜としてもよい
。上記の絶縁膜に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いて
もよい。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対するバリア性に優れているため、より好
ましい。
て絶縁膜114を加熱した時に放出される酸素がバリア膜111よりも下層に拡散するこ
とを抑制することができる。その結果、絶縁膜114から放出され、トランジスタ100
の半導体層に供給されうる酸素の量を増大させることができる。
させておくことが好ましい。加熱処理条件は例えば不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気
下で170℃以上とすればよい。
理は、シリコンの不対結合手(ダングリングボンドともいう)を水素によって終端化する
処理(水素化処理とも呼ぶ)を兼ねることができる。
けられ、容量素子150を形成している。導電層151は、トランジスタ100の導電層
104aと電気的に接続する。
114が設けられている。絶縁膜114については、例えば図12の絶縁膜114の説明
を参照する。
絶縁膜114の上部には、トランジスタ100が設けられている。図38に示す一例で
は、トランジスタ100として図12に示したトランジスタを用いる。
05を有する。導電層105は、容量素子150の一部を形成する導電層152a及び導
電層152bと同時に形成してもよい。これらの導電層を同時に形成することにより、例
えば工程を簡略化することができる。
設けられている。
しい。特に酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。
112を2層の積層構造とし、上層には水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ま
しい。また、下層に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、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウムなどを用いればよい。下層に設ける絶縁膜は、絶縁膜114と同様の、加熱によ
り酸素が脱離する絶縁膜としてゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも
酸素を供給する構成としてもよい。
上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁膜114等から脱離
した酸素を絶縁膜112よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層101に供
給しうる酸素の量を増大させることができる。
ことを抑制できる。よって電気特性の変動が抑制された、信頼性の高いトランジスタを実
現することができる。
窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化
アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
して機能する。また絶縁膜113は、絶縁膜116を成膜する際の保護膜としての機能を
有してもよい。絶縁膜113は不要であれば設けなくてもよい。絶縁膜116として例え
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、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよ
く、積層または単層で設ける。
るプラグ321、プラグ322、プラグ123が埋め込まれている。
いる。
を含む絶縁膜137を設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、水素を含
む絶縁膜136中に残存した水や水素が上方に拡散することを効果的に抑制することがで
きる。
電層152b、導電層251等の導電層、及び、プラグ123、プラグ139、プラグ1
40、プラグ164、プラグ165等のプラグには、材料として金属材料、合金材料、ま
たは金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両
立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタング
ステンを用いることが好ましい。また、窒化チタンやチタンなどの材料を、他の材料と積
層して用いてもよい。
次に、図38の半導体装置の作製方法の一例について、図39乃至図42を用いて説明
する。
基板(p型の半導体基板、またはn型の半導体基板を含む)、炭化シリコンや窒化ガリウ
ムからなる化合物半導体基板などを用いることができる。また、半導体基板131として
、SOI基板を用いてもよい。以下では、半導体基板131として単結晶シリコンを用い
た場合について説明する。
OS(Local Oxidation of Silicon)法またはSTI(Sh
allow Trench Isolation)法、メサ分離法等を用いて形成すれば
よい。
31の一部にnウェルまたはpウェルを形成してもよい。例えば、n型の半導体基板13
1にp型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してpウェルを形成し、同一
基板上にn型のトランジスタとp型のトランジスタを形成してもよい。
半導体基板131の表面を酸化し酸化シリコン膜を形成する。または、熱酸化法により酸
化シリコンを形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化す
ることにより、酸化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜の積層構造を形成してもよい。ま
たは、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、高誘電率物質(high-k材料ともいう)で
あるタンタル酸化物、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムシリケート、酸化ジルコニウム、
酸化アルミニウム、酸化チタンなどの金属酸化物、または酸化ランタンなどの希土類酸化
物等を用いてもよい。
sition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法
、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Mo
lecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer
Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposit
ion)法等で成膜することにより形成してもよい。
グステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの
金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等
の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の
金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブ
デン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密
着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。
VD法等を含む)などにより成膜することができる。またプラズマによるダメージを減ら
すには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、ゲート電極
135を形成することができる。
を用いることができる。例えば、フォトリソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対
してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、フォトリソグラフィ法等でダミー
パターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターン
を除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチン
グしてもよい。また被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、
異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなる
ハードマスクを用いてもよい。
6nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる
。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。
また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外
光(EUV:Extreme Ultra-violet)やX線を用いてもよい。また
、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または
電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビーム
などのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばス
ピンコート法などにより、その下層の段差を被覆して表面を平坦化するように形成するこ
とができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減で
きる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対
する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有
機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti-Reflection
Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去
するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
説明した加工方法を参照すればよい。また、本明細書では、被加工膜のエッチングを行っ
た後のレジスト除去の記載を省略する場合がある。
もよい。サイドウォールは、ゲート電極135の厚さよりも厚い絶縁膜を成膜した後に、
異方性エッチングを施し、ゲート電極135の側面部分のみ当該絶縁膜を残存させること
により形成できる。
が、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜134となる絶縁膜も同時にエッチングして
もよい。この場合はゲート電極135及びサイドウォールの下部にゲート絶縁膜134が
形成される。
ない領域にリンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を
付与する元素を添加する。この段階における断面概略図が図39(A)に相当する。
ための加熱処理を行う。加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、また
は減圧雰囲気下にて、例えば400℃以上基板の歪み点未満で行うことができる。
リコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミ
ニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜136はスパッタリング法
、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法
またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ま
しくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ま
しい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはA
LD法が好ましい。
と同様の方法で、第3のトランジスタ160を形成してもよい。
化シリコン(SiNOH)を用いてもよい。また、絶縁膜138は、絶縁膜136に用い
ることのできる材料のほか、TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Sili
cate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差
被覆性の良い酸化シリコンを用いることが好ましい。
MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用い
て形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法に
よって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによる
ダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
て平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもCMP法等で平坦化しなくともよい。
平坦化膜の形成には、例えば常圧CVD法や、塗布法などを用いることができる。常圧C
VD法を用いて形成できる膜としては例えば、BPSG(Boron Phosphor
us Silicate Glass)等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成でき
る膜としては例えば、HSQ(水素シルセスキオキサン)等が挙げられる。その後、半導
体層132中のダングリングボンドを絶縁膜137から脱離する水素によって終端するた
めの加熱処理を行ってもよい。
層133b及びゲート電極135等に達する開口を形成する(図39(B)参照)。その
後、開口を埋めるように導電膜を形成する(図39(C)参照)。その後、絶縁膜138
の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、プラグ139やプラ
グ140等を形成する(図39(D)参照)。導電膜の形成は、例えばスパッタリング法
、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法
またはPLD法などを用いて形成することができる。
と同様の材料及び方法により形成することができる。絶縁膜215を形成した後、加熱処
理を行ってもよい。
1の加熱処理で説明した条件などを用いることができる。
、絶縁膜215の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電
層251、導電層143及び導電層151等を形成する(図39(E)参照)。開口部に
導電膜を形成する場合には、例えば、窒化チタンやチタンなどの材料を、開口部に形成し
た後、他の導電材料を積層してもよい。例えば、窒化チタンやチタンを積層膜の下層に用
いることにより、開口部への密着性を向上させることができる。
111は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD
法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。
特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性
を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱
CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
その後、エッチング等により導電層105、導電層152a及び導電層152bを形成す
る(図40(B)参照)。
(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPL
D法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラ
ズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また
プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好
ましい。
4の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜114に酸素を導入して酸素を過剰に含
有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
ンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法
としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プ
ラズマ処理などを用いることができる。
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
た平坦化処理を行ってもよい。
膜する(図40(C)参照)。当該半導体膜は、大気に触れさせることなく連続して成膜
することが好ましい。絶縁体層101aとなる半導体、及び半導体層101bとなる半導
体は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成
膜すればよい。
n-Ga-Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチ
ルインジウム、トリメチルガリウム及びジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原
料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウム
などを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用い
てもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
。例えば、成膜後の絶縁体層101aに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素
イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入
方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法
、プラズマ処理などを用いることができる。
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性
ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。ま
た、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うた
めに酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、半導体膜を成
膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の絶縁体層101a及び101b
を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114や酸化物膜から半導体膜に
酸素が供給され、半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。
の積層構造を形成する(図40(D)参照)。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁
膜114の一部がエッチングされ、絶縁体層101a及び半導体層101bに覆われてい
ない領域における絶縁膜114が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングに
より絶縁膜114が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。
しまう場合があるため、エッチングの耐性が高い材料、例えば無機膜または金属膜からな
るいわゆるハードマスクを用いてもよい。ここでハードマスク281として、導電膜を用
いる例を示す。図41(A)は、ハードマスク281を用いて半導体膜を加工し、絶縁体
層101a及び半導体層101bを形成する例をしめす。ここで、ハードマスク281に
導電層104a及び導電層104bとして用いることができる材料を用いれば、ハードマ
スク281を加工し、導電層104a及び導電層104bを形成することができる。この
ような方法を用いることにより、例えば図30に示すトランジスタ100を作製すること
ができる。
に達する開口部を設ける(図41(B)参照)。その後、絶縁膜114に設けた開口部を
埋め込むように、導電層104a、導電層104b等となる導電膜を成膜する。導電層1
04a、導電層104b等となる導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(
熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD
法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズ
マCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプ
ラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ま
しい。
要な部分をエッチングにより除去し、導電層104a及び導電層104b等を形成する(
図41(C)参照)。ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層101bや絶縁膜1
14の上部の一部がエッチングされ、導電層104a及び導電層104bと重ならない部
分が薄膜化することがある。したがって、半導体層101bとなる半導体膜等の厚さを、
エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。
を用いて、エッチングにより加工する(図42(A)参照)。次にゲート電極103とな
る導電膜を成膜し、レジストマスクを用いて該導電膜を加工し、ゲート電極103を形成
する(図42(B)参照)。
よい。
えば、成膜後の絶縁体層101cに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオ
ンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法
としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プ
ラズマ処理などを用いることができる。
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPL
D法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラ
ズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また
プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好
ましい。
ら半導体層101に対して酸素を供給し、半導体層101中の酸素欠損を低減することが
できる。
法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはP
LD法などを用いて形成することができる。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD
法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラ
ズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好まし
い。
導電層104a等に達する開口部を設ける。次いで、開口部を埋め込むように導電膜を形
成した後、レジストマスクを用いて不要部分を除去し、プラグ321及びプラグ322を
形成する。
法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはP
LD法などを用いて形成することができる。また絶縁膜116として有機樹脂などの有機
絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また
、絶縁膜116を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。また
、絶縁膜116として、絶縁膜138に示す材料や、形成方法を用いてもよい。
3等を形成する。
マスクを用いて導電膜の不要な部分をエッチングにより除去し、配線124等を形成する
ことができる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面
を参照して説明する。
実施の形態1を適用する半導体装置において示した構成において、トランジスタや配線
、電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下で
は、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する
。
図37(C)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型の
トランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCM
OS回路の構成を示している。なお図中、第2の半導体材料が適用されたトランジスタに
は「OS」の記号を付して示している。ここで、本実施の形態で示すCMOS回路は、N
AND回路、NOR回路、エンコーダ、デコーダ、MUX(multiplamplif
ier)、DEMUX(demultiplexer)などの論理回路の基本素子として
利用されうる。
また図37(D)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそ
れぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、
いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュールについて、図
27を用いて説明を行う。
の間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続され
た表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリ8011を有する。
8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基
板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル8
006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
ト8007上に光源8008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例
えば、バックライト8007の端部に光源8008を配置し、さらに光拡散板を用いる構
成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射
型パネル等の場合においては、バックライト8007を設けない構成としてもよい。
作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレ
ーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であって
も良いし、別途設けたバッテリ8011による電源であってもよい。バッテリ8011は
、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
加して設けてもよい。
ことにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可能となり、多種多様の用途が実現
する。
ができる。
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したトランジスタ、または記憶装置を含むR
Fタグについて、図28を用いて説明する。
憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このよ
うな特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う
個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには
極めて高い信頼性が要求される。
ブロック図である。
もいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ
804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路
807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している
。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑
制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これ
により、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和すること
を防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることが
できる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信
を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信す
る電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方
式に用いることも可能である。
ンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路
805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整
流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平
滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側ま
たは出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅
が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しない
ように制御するための回路である。
の回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していても
よい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路8
09のリセット信号を生成するための回路である。
するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに
応じて変調をおこなうための回路である。
、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域など
を有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を
行うための回路である。
。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため
、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、デー
タの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに
、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制するこ
とができる。
ため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデ
ータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷すること
で、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にの
み固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になること
がなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
み合わせて実施することができる。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を
備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Dis
c等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いるこ
とができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器
として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、
デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレ
イ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプ
レイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払
い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図57に示す
。
部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス90
8等を有する。なお、図57(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表
示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。
913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部91
3は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられて
いる。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されてお
り、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能であ
る。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体
912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913及
び第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装
置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパ
ネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォ
トセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加すること
ができる。
キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
33等を有する。
、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944及びレンズ
945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられて
いる。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されてお
り、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能であ
る。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体94
2との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
ライト954等を有する。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFタグの使用例について図56を用いなが
ら説明する。RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記
名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図56(A)参照)、包装用容器類(包装紙
やボトル等、図56(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図56(B)参
照)、乗り物類(自転車等、図56(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、
植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(
液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは
各物品に取り付ける荷札(図56(E)、図56(F)参照)等に設けて使用することが
できる。
物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであ
れば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタ
グ4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデ
ザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証
書類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000を設けることにより、認証機能を設ける
ことができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容
器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の
一態様に係るRFタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図
ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグを取り付け
ることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
ることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離
を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い
期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることが
できる。
み合わせて実施することができる。
、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複
数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることによ
り、さらに多くの図を構成させることが出来る。
くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限
値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めること
で、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規
定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内
に入らないことを規定することができる。
が記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないこ
とを発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していな
いことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとって
いるような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる
。または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規
定して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接
続されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。
または、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を
有していない、と発明を規定することが可能である。
と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除
く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機
絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば
、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。ま
たは、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが
可能である。
が設けられている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、4層以上の
積層膜である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜と
その膜との間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能であ
る。
いて、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって
、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取
り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成す
ることが可能であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であると言える。その
ため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子
、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作
方法、製造方法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分
を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(N
は整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個
(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の
一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構
成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構
成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成
されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一
態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、ま
たは、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは
、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」
、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可
能である。
いて、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すこと
は、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べ
る図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位
概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが
可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能
である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べてい
なくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を
構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様
として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、
その発明の一態様は明確であると言える。
シリコンウェハに熱酸化を施して酸化シリコン膜を100nm形成した。その後、酸化
物半導体膜として、スパッタリング法によりIn-Ga-Zn酸化物を100nm形成し
た。スパッタリング法の条件として、ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子
数比)の多結晶のIn-Ga-Zn酸化物を用い、電源は0.5kW(DC)とし、基板
とターゲット間の距離は60mmとした。また成膜ガスとしてアルゴン及び酸素を用い、
それぞれの流量はアルゴンを30sccm、酸素を15sccmとした。圧力は、0.4
Paとした。基板温度は、試料E1-1では170℃とし、試料F1-1では300℃と
した。
を1時間行った後、同じ処理室内にて、450℃において酸素雰囲気下において加熱処理
を1時間行った。
次にXRD装置を用いて評価を行った結果を説明する。XRD装置は、多機能薄膜材料
評価X線回折装置D8 DISCOVER Hybrid(Bruker AXS社製)
を用いて、各試料の評価を行った。図43はOut-Of-Plane法による解析結果
である。図43(A)に試料E1-1、(B)に試料F1-1の結果を示す。いずれの試
料でも2θ=31°近傍にピークがみられた。170℃で成膜した条件はピークがブロー
ドで、300℃で成膜した条件ではピークがより鋭くなる傾向がみられた。このピークは
、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、成膜温度をより高くす
ることによりc軸配向性を有する酸化物半導体膜の結晶が増加すると示唆される。
次に、膜密度を測定した。膜密度の評価には、XRR(X線反射率法:X-ray R
eflectometry)を用いた。得られた膜密度は、試料E1-1が6.18[g
/cm3]、試料F1-1が6.36[g/cm3]であった。いずれの条件においても
緻密で良好な膜が得られた。
次に、試料E1-1及び試料F1-1について、ナノビーム電子回折による解析を行っ
た。電子回折の取得には、日立ハイテクノロジーズ製「HF-2000」を用いた。加速
電圧は200kVとした。
キャンを行いながら透過電子回折パターンを取得した。電子線としてプローブ径が1nm
のナノビーム電子線を用いた。また各試料とも3箇所で同様の測定を行った。つまり各試
料において、scan1乃至scan3の合計3回のスキャンを行った。
得られた動画で観測された回折パターンを、0.5秒ごとに静止画に変換した。変換した
静止画を解析し、nc-OS膜のパターンと、CAAC-OS膜のパターンと、スピネル
型の結晶構造のパターンとの3つに分類した。試料E1-1および試料F1-1について
、Scan1乃至Scan3において各パターンに分類された画像数を表3に示す。また
、試料E1-1の電子回折パターンのscan1の結果を図44乃至図48に、試料F1
-1のscan1の結果を図49乃至図53に示す。また、図44乃至図48に示す電子
回折の結果のうち、CAAC-OS膜のパターンと判断されたものを破線で囲み、示した
。また、図49乃至図53に示す電子回折の結果のうち、nc-OS膜のパターンと判断
されたものを破線で囲み、示した。
ことにより、nc比率はより高まることがわかった。また、いずれの試料においても、n
c比率とCAAC比率の和は100%であった。
Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析の結果を
示す。
を成膜した。ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の多結晶のIn-
Ga-Zn酸化物を用いた。成膜条件は、電源電力が100Wとし、成膜ガスとしてアル
ゴン及び酸素を用い、アルゴンガスと酸素ガスの流量の総量に対し、酸素ガスの流量が2
%となるように流量を調整した。圧力は、0.4Paもしくは1.0Paとした。基板温
度は室温とした。成膜条件、及び膜密度を表4に示す。sampleB及びsample
Dは、スパッタリング法によりIn-Ga-Zn酸化物を成膜した後、450℃で熱処理
を行った。膜密度の評価は、XRRを用いた。表4に示すように、sampleCでは密
度は6[g/cm3]以上と高い値を示した。
8の脱ガスの放出量を図54(A)及び(B)に示す。分子量が18の脱ガスはH2O由
来と考えられる。sampleAでは放出量が大きく、熱処理を行ったsampleBで
は放出量が減少した。膜密度の高いsampleCでは熱処理を行わなくてもガス放出量
は小さく、膜中に含まれる水分量が小さいと考えられる。
結晶サイズ)の変化を評価した。結晶サイズは、TEMを用いて断面を観察し、算出した
。TEMを用いて電子線照射を行い、累積照射量と結晶サイズの関係を評価した結果を図
55に示す。sampleAでは電子線照射を行う毎に結晶が大きくなる傾向がみられた
。ここで、電子線照射を行う前の結晶サイズは、例えば図55に示す近似線において累積
照射量が0[e-/nm2]の値とすればよい。熱処理を行ったsampleBでは、結
晶の大きさの変化が小さくなった。また、膜密度の高いsampleC及びsample
Dでは、電子線の累積照射量が4.2×108[e-/nm2]までの範囲において結晶
の大きさに顕著な変化はみられなかった。
の作製方法を以下に示す。
n酸化物を成膜する。ターゲットは、多結晶のIn-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Z
n=1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを2sccmおよびアル
ゴンガスを98sccmとした。また、電力は100Wとした。また、成膜時の基板温度
は室温とした。ここで、試料1は成膜圧力を0.4Paとした。また、試料2は成膜圧力
を1.0Paとした。
-Zn酸化物を成膜する。ターゲットは、In-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Zn=
1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを10sccmおよびアルゴ
ンガスを20sccmとした。また、電力は200Wとした。また、成膜時の基板温度は
300℃とした。成膜圧力は0.4Paとした。
0℃、300℃、350℃、400℃、および450℃の5条件とした。その後、加熱処
理を行っていない条件も含め、試料1、試料2および試料3の膜密度を測定した。膜密度
の測定には、Bruker AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEによるXRR
を用いた。試料1の結果を図58(A)に、試料2の結果を図58(B)に、試料3の結
果を図58(C)に示す。横軸は加熱処理の温度である。試料1の膜密度は5.9g/c
m3から6.1g/cm3であった。試料2の膜密度は5.6g/cm3から5.8g/
cm3の範囲であった。試料3の膜密度は6.2g/cm3から6.4g/cm3の範囲
であった。
てエッチングした。そして、エッチング前後の厚さを測定することで、エッチングレート
を測定した。試料1の結果を図59(A)に、試料2の結果を図59(B)に、試料3の
結果を図59(C)に示す。試料1および試料2は加熱処理の温度が高いほど、エッチン
グレートが低くなることがわかった。試料3は加熱処理の温度による差が小さいことがわ
かった。また、加熱処理を行った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、
エッチングレートが低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱
処理を行っていない試料3のほうが、エッチングレートが低くなることがわかった。
放出量を測定した。TDS分析には、電子科学株式会社製昇温脱離分析装置TDS-12
00を用いた。試料1の結果を図60(A)に、試料2の結果を図60(B)に、試料3
の結果を図60(C)に示す。試料1、試料2および試料3は加熱処理の温度が高いほど
、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行
った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの
放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱処理を行
っていない試料3のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわか
った。
SIMSは、CAMECA社製IMS 7fRを用いた。試料1の結果を図61(A)お
よび図68(A)に、試料2の結果を図61(B)および図68(B)に示す。ここで、
図68(A)および図68(B)には、横軸に膜表面からの深さを、縦軸に水素濃度を示
す。また、図61(A)および図61(B)には、深さ10nmから60nmまでの水素
濃度の平均値を示す。また、図68(A)および図68(B)において、深さ80nm近
傍で急激に水素濃度が変化する領域より後では、In-Ga-Zn酸化物膜が残存せずに
石英基板を測定している可能性がある。また、10nm未満の領域では表面状態の影響を
受ける可能性がある。よって、In-Ga-Zn酸化物膜の水素濃度は、例えば深さ10
nmから60nmまでの平均値で表すことが好ましい。試料1および試料2は加熱処理の
温度が高いほど、水素濃度が低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料2よ
りも加熱処理を行っていない試料1のほうが、水素濃度が低くなることがわかった。
た。なお、結晶サイズは、20点から45点の平均値で示す。TEMは、日立透過電子顕
微鏡H-9000NARを用いた。試料1の結果を図62(A)に、試料2の結果を図6
2(B)、試料3の結果を図62(C)に示す。試料1は、加熱処理の温度によらず結晶
サイズが1.4nm程度であることがわかった。試料2は、加熱処理を行っていないとき
(図67参照。)は結晶サイズが1.2nm程度であったものが、250℃の加熱処理に
よって1.3nm程度まで成長し、さらに300℃の加熱処理によって1.6nm程度ま
で成長した。また、300℃から450℃の範囲では結晶サイズに変化は見られなかった
。また、試料3においても、結晶サイズは加熱処理の温度によらず1.5乃至1.6nm
であった。
した。試料1の結果を図63(A)に、試料2の結果を図63(B)、試料3の結果を図
63(C)に示す。試料1および試料3は、加熱処理の温度によらず、また電子線照射に
よっても結晶サイズの変化はほとんど見られなかった。試料2は、電子線照射によって結
晶サイズの増大が見られた。また、この傾向は加熱処理の温度が低いほど顕著であった。
試料1および試料3は試料2よりも高い安定性を有することがわかる。試料1、試料2お
よび試料3を上述した構造の分類に照らし合わせると、試料1はnc-OS膜となり、試
料2はa-like OS膜となり、試料3はCAAC-OSとなる。
ートが低く、水の脱ガスが少なく、かつ水素濃度が低い。また、その差は、成膜後の加熱
処理では埋めることはできない。即ち、トランジスタには、成膜時にnc-OS膜である
酸化物半導体膜を用いることが重要である。
stant photocurrent method)測定で行った。
OS膜と、ゲート電極とnc-OS膜との間のゲート絶縁体(酸化窒化シリコン)と、n
c-OS膜と接する一対の電極(タングステン、アルミニウムおよびチタンの順に形成さ
れた積層体)と、nc-OS膜上および一対の電極上の絶縁体(酸化窒化シリコンおよび
窒化シリコンの順に形成された積層体)と、を有する試料を準備した。なお、nc-OS
膜の成膜は、ACスパッタリング法により、厚さ35nmで行った。ターゲットは、In
-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比])を用いた。成膜
ガスは、酸素ガスを10体積%およびアルゴンガスを90体積%とした。また、電力は2
.5kWとした。また、成膜時の基板温度は室温とした。また、成膜圧力は0.6Paと
した。
た後、さらに酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間行った。
電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係
数を導出する。ここでは、吸収係数の導出を各波長にて行った。CPM測定では、局在準
位密度に応じたエネルギー(波長より換算)における吸収係数が増加する。この吸収係数
の増加分に定数を掛けることにより、試料の局在準位密度を導出することができる。
)を取り除くことにより、局在準位による吸収係数αを以下の式から算出することができ
る。
バックテイルによる吸収係数を表す。
低いほど、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテイル(裾)の傾きが急峻
である秩序性の高い半導体膜であるといえる。
収係数(実線)とを酸化物半導体膜のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において
、フィッティングした結果を示す。図64(A)は成膜後に300℃で加熱処理をした試
料の結果を、図64(B)は成膜後に400℃で加熱処理をした試料の結果を、図64(
C)は成膜後に450℃で加熱処理をした試料の結果をそれぞれ示す。CPMによって測
定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは、それぞれ72.65meV、69
.45meVおよび70.32meVであった。
差し引き、吸収係数の積分値を導出した。結果を図65に示す。局在準位による吸収係数
は、それぞれ6.27×10-1cm-1、4.19×10-1cm-1および2.29
×10-1cm-1であった。加熱処理の温度と吸収係数の関係を図66に示す。図66
より、加熱処理の温度が高いほど吸収係数が小さくなるため、局在準位密度も小さくなる
ことがわかる。
12 領域
13 領域
14 領域
15 領域
16 領域
21 垂線
22 垂線
23 垂線
50 基板
51 絶縁膜
100 トランジスタ
101 半導体層
101a 絶縁体層
101b 半導体層
101c 絶縁体層
102 ゲート絶縁膜
103 ゲート電極
104a 導電層
104b 導電層
105 導電層
111 バリア膜
112 絶縁膜
113 絶縁膜
114 絶縁膜
116 絶縁膜
123 プラグ
124 配線
130 トランジスタ
131 半導体基板
132 半導体層
133a 低抵抗層
133b 低抵抗層
134 ゲート絶縁膜
135 ゲート電極
136 絶縁膜
137 絶縁膜
138 絶縁膜
139 プラグ
140 プラグ
143 導電層
150 容量素子
151 導電層
152a 導電層
152b 導電層
160 トランジスタ
164 プラグ
165 プラグ
166 配線
171a 低抵抗層
171b 低抵抗層
176a 領域
176b 領域
181 素子分離層
190 トランジスタ
191 トランジスタ
201 半導体層
201a 半導体層
201b 半導体層
202 ゲート絶縁膜
202a ゲート絶縁膜
202b ゲート絶縁膜
203a ゲート電極
203b 電極
204a 導電層
204b 導電層
214 絶縁膜
215 絶縁膜
216 絶縁膜
218 絶縁膜
251 導電層
281 ハードマスク
321 プラグ
322 プラグ
324 領域
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
610 電子銃室
612 光学系
614 試料室
616 光学系
618 カメラ
620 観察室
622 フィルム室
624 電子
632 蛍光板
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
764 絶縁膜
766 絶縁膜
768 絶縁膜
770 平坦化絶縁膜
772 導電層
774 導電層
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電層
782 発光素子
784 導電層
786 EL層
788 導電層
790 容量素子
790a 容量素子
790b 容量素子
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
4000 RFタグ
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5120 基板
5130 ターゲット
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
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
Claims (6)
- 第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第3の絶縁層上および前記第3の導電層上の第4の絶縁層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と接触する第4の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在し、
前記第2の導電層は前記第1の導電層と重なり、
前記第4の絶縁層は、前記第3の導電層の上面および側面に接し、前記第3の絶縁層の上面および側面に接している、半導体装置。 - 第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と接触する第4の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在する、半導体装置。 - 第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と電気的に接続する第5の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在し、
前記第5の導電層は、前記第1の層と重なる領域と、前記第1の導電層と重なる領域と、前記第2の導電層と重なる領域と、前記第2の層と重なる領域と、前記第3の導電層と重なる領域と、を有する、半導体装置。 - 請求項2または請求項3において、
前記第3の絶縁層上および前記第3の導電層上の第4の絶縁層を有し、
前記第4の絶縁層は、前記第3の導電層の上面および側面に接し、前記第3の絶縁層の上面および側面に接している、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の導電層は、第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記第2の層は、複数の結晶を有し、
前記第2の層は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記第2の層が有するインジウムとガリウムおよび亜鉛との原子比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zはインジウム、ガリウム及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
プローブ径の半値幅が1nmである電子線を、前記第2の層の被形成面に対して照射して観察された電子回折パターンが、スポットが対称に配置されていないパターン、またはスポットが円を描くように配置されたパターンである、半導体装置。
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