JP5864163B2 - 半導体装置の設計方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、基板に酸化珪素膜と有機膜を積層して設け、当該有機膜に重水を塗布した後、有機膜に接して導電膜を成膜し、次いで、酸化珪素膜中の重水素の存在量を測定することにより、重水と反応して重水素イオン又は重水素分子を発生し難い不活性な導電材料を選定する。次いで、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された第1の電極と、第1の電極に重畳する第2の電極の間に発光物質を含む有機層を備える半導体装置の第2の電極に、上述の方法で選定した導電材料からなる導電膜を適用する半導体装置の設計方法について、図1を参照して説明する。
酸化珪素膜416を基板405上に成膜する。基板405は水蒸気および水素ガスに対するガスバリア性を備えればよく、後の工程で加熱処理を行う場合は、少なくともその温度に耐えうる耐熱性を有している必要がある。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、石英基板、サファイア基板、セラミック基板等を用いることができる。また、ステンレスを含む金属基板又は半導体基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。プラスチックなどの可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐えうるのであれば用いることが可能である。なお、基板405の表面を、CMP法などの研磨により平坦化しておいてもよい。また、基板405上に半導体素子、又は半導体回路が形成されていてもよく、当該半導体素子、又は半導体回路上に酸化珪素膜を成膜してもよい。
次いで、有機膜417を酸化珪素膜416上に形成する(図1(A)参照)。有機膜417としては、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、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。シロキサン系樹脂は、置換基としては有機基(例えばアルキル基やアリール基)やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。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、有機膜417を形成してもよい。
次いで、重水を有機膜417上に塗布する。一定の時間(例えば10分)室温下で保持した後、重水を取り除く。重水を取り除く方法としては、例えば乾燥空気を吹き付けてもよい。なお、塗布した重水の一部は有機膜417の表面に吸着する。図1(B)には有機膜417の表面に重水の分子が吸着した様子を模式的に示している。
次いで、導電膜402を重水が吸着した有機膜417の表面に成膜する(図1(C)参照)。なお図1(C)には、活性な金属を含む導電膜402が、有機膜417の表面に吸着した重水を還元し、発生した重水素イオン又は重水素分子が酸化珪素膜416内に拡散する様子を模式的に示している。
次いで、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により重水素原子を検出して、酸化珪素膜416に含まれる濃度を測定する。なお、SIMS測定の方向としては特に限定されず、導電膜402から基板405に向かう方向に測定しても良く、基板405の導電膜402を形成していない側から、二次イオン質量分析をする方法(Substrate Side Depth Profile Secondary Ion Mass Spectrometry:SSDP−SIMS)であってもよい。
次いで、上述の二次イオン質量分析の結果、酸化珪素膜416の膜厚方向の中央に含まれる重水素原子が1×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度となる導電材料を選定する。または、導電膜402を成膜した試料の酸化珪素膜416に含まれる重水素原子の濃度が、導電膜402を成膜しない比較試料の酸化珪素膜416に含まれる重水素原子と実質的に等しくなる導電材料を選定すればよい。
次いで、基板1405の絶縁表面上に、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタ1410を備え、当該トランジスタ1410のソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された第1の電極1401上に、発光物質を含む有機層1403を形成し、発光物質を含む有機層1403に接して第2の電極1402を成膜する。ここで第2の電極としては、上述の重水と反応して水素イオン又は水素分子を発生し難い不活性な導電材料を適用する(図1(E)参照)。
本実施の形態では、酸化物半導体を用いた逆スタガ型のトランジスタの構成、その作製方法、並びに半導体装置の設計方法の一例について、図2及び図3を用いて説明する。具体的には、基板の絶縁表面にチャネル形成領域に設計用酸化物半導体を用いたエンハンスメント型の設計用トランジスタを形成し、当該トランジスタを覆う設計用酸化物絶縁層を形成し、設計用酸化物絶縁層を覆う設計用有機膜を形成し、設計用有機膜上に当該トランジスタのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された設計用第1の電極を形成し、設計用第1の電極に重水を塗布し、設計用第1の電極に接して導電膜を成膜し、設計用酸化物半導体中の重水素原子の濃度を測定し、重水素原子が5×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度となる導電材料を選定する。次いで、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された第1の電極と、第1の電極に重畳する第2の電極の間に発光物質を含む有機層を備える半導体装置の第2の電極に、上述の方法で選定した導電材料からなる導電膜を適用する半導体装置の設計方法について説明する。
図2(A)乃至(E)に酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの断面構造の一例を示す。図2(A)乃至(E)に示すトランジスタは、ボトムゲート構造の逆スタガ型トランジスタである。なお、本実施の形態で説明する半導体装置の設計方法において、当該トランジスタは設計用トランジスタとして用いることができる。また、当該トランジスタはそのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された第1の電極と、第1の電極に重畳する第2の電極の間に発光物質を含む有機層を備える半導体装置にも用いることもできる。なお、本明細書では便宜上設計用トランジスタ、設計用酸化物半導体、設計用酸化物絶縁層、設計用有機膜、乃至設計用第1の電極を用いるが、設計用であるか否かはその構成の特性を何ら規定するものではない。
まず、絶縁表面を有する基板505上に導電膜を形成した後、第1のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層511を形成する。なお、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。
また、ゲート電極層511の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、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て、単層で又は積層して形成することができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
次いで、ゲート電極層511上にゲート絶縁層507を形成する。ゲート絶縁層507は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。またゲート絶縁層507は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化タンタル膜、または酸化ガリウム膜などから選ばれた一または複数の膜により単層、または積層して形成することができる。
次いで、ゲート絶縁層507上に、膜厚2nm以上200nm以下、好ましくは5nm以上30nm以下の酸化物半導体膜530を形成する(図2(A)参照。)。
次いで、ゲート絶縁層507、及び酸化物半導体層531上に、ソース電極層及びドレイン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W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合金、または金属窒化物膜(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、Al、Cuなどの金属膜は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、W、Cr、Ta、Nd、Sc、Y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。
次いで、N2O、N2、またはArなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保護絶縁膜となる絶縁層516を形成する。
絶縁層516(保護絶縁層506を積層した場合は保護絶縁層506)上に平坦化のための第2の絶縁層517を設けることができる。第2の絶縁層517としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、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ることで、第2の絶縁層517を形成してもよい。第2の絶縁層517の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、SOG法、スピンコート、ディップ、スプレー法、液滴吐出法(インクジェット法)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
次いで、ソース電極層515a又はドレイン電極層515bに達する開口部518を絶縁層516(保護絶縁層506を形成した場合は保護絶縁層506)、及び第2の絶縁層517に形成する。絶縁層516上に導電膜を形成し、パターニングして第1の電極601を形成する。第1の電極は開口部518を介してソース電極層515a又はドレイン電極層515bと接続する(図3(A)参照)。第1の電極601としては、ゲート電極層511に用いることができる導電膜、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いることができる導電膜、並びに可視光を透過する導電膜等を用いることができる。可視光を透過する導電膜としては、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、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、グラフェンなどの導電性材料をその例に挙げることができる。
上述の方法により作製した、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタを設計用トランジスタ510として用いる。本実施の形態では、設計用トランジスタ510のソース電極層又はドレイン電極層に電気的に接続された第1の電極を、設計用第1の電極601とする。
次いで、重水が吸着した設計用第1の電極601の表面に導電膜502を成膜する。なお図3(B)には、活性な金属を含む導電膜502が、設計用第1の電極601の表面に吸着した重水を還元し、生じた重水素イオン又は重水素分子が設計用トランジスタ510内を拡散し、酸化物半導体層531内に到達する様子を模式的に示している。
次いで、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により重水素原子を検出して、酸化物半導体層531の膜厚方向の中央に含まれる濃度を測定する。なお、SIMS測定の方向としては特に限定されず、導電膜502から基板505に向かう方向に測定しても良く、基板505の導電膜502を形成していない側から、二次イオン質量分析する方法(Substrate Side Depth Profile Secondary Ion Mass Spectrometry:SSDP−SIMS)であってもよい。
次いで、上述の二次イオン質量分析の結果、酸化物半導体層531に含まれる重水素原子が5×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度となる導電材料を選定する。または、導電膜502を成膜した試料の酸化物半導体層531に含まれる重水素原子の濃度が、導電膜502を成膜しない比較試料の酸化物半導体層531に含まれる重水素原子と、実質的に等しくなる導電材料を選定すればよい。
本実施の形態の第1のステップを実施して、基板1505の絶縁表面上にチャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタ1510を形成し、次いで第2のステップを実施してトランジスタ1510のソース電極層又はドレイン電極層の一方に接続する第1の電極1601を形成する。その後、第1の電極1601上に、発光物質を含む有機層1603を形成し、当該有機層1603に接して第2の電極1602を成膜する。ここで第2の電極としては、第6のステップで選定された不活性な導電材料を適用する(図3(D)参照)。
本実施の形態では、重水と反応して重水素イオン又は重水素分子を発生し難い不活性な導電材料を、その仕事関数の大小に関わらず第2の電極に適用できる発光素子の構成について説明する。具体的には、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたエンハンスメント型のトランジスタのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続可能な、第1の電極と第2の電極の間に発光物質を含む有機層を備えた発光素子の構成、およびその作製方法の一例について、図4を用いて説明する。
陽極1101は、仕事関数の大きい(具体的には4.0eV以上が好ましい)金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることが好ましい。具体的には、例えば、酸化インジウム−酸化スズ(ITO:Indium Tin Oxide)、珪素若しくは酸化珪素を含有した酸化インジウム−酸化スズ、酸化インジウム−酸化亜鉛(Indium Zinc Oxide)、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム等が挙げられる。
陰極1102に接して第1の電荷発生領域1106を、発光物質を含む有機層1103との間に設ける場合、陰極1102は仕事関数の大小に関わらず様々な導電性材料を用いることができる。
発光物質を含む有機層1103は、少なくとも発光層を含んで形成されていればよく、発光層以外の層が形成された積層構造であっても良い。発光層以外には、例えば正孔注入性の高い物質、正孔輸送性の高い物質または電子輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、バイポーラ性(電子及び正孔の輸送性の高い)の物質等を含む層が挙げられる。具体的には、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔阻止層(ホールブロッキング層)、電子輸送層、電子注入層等が挙げられ、これらを陽極側から適宜積層して用いることができる。
第1の電荷発生領域1106、及び第2の電荷発生領域は、正孔輸送性の高い物質とアクセプター性物質を含む領域である。なお、電荷発生領域は、同一膜中に正孔輸送性の高い物質とアクセプター性物質を含有する場合だけでなく、正孔輸送性の高い物質を含む層とアクセプター性物質を含む層とが積層されていても良い。但し、陰極側に設ける積層構造の第1の電荷発生領域の場合には、正孔輸送性の高い物質を含む層が陰極1102と接する構造となり、陽極側に設ける積層構造の第2の電荷発生領域の場合には、アクセプター性物質を含む層が陽極1101と接する構造となる。
電子リレー層1105は、第1の電荷発生領域1106においてアクセプター性物質がひき抜いた電子を速やかに受け取ることができる層である。従って、電子リレー層1105には、電子輸送性の高い物質を含む層であり、またそのLUMO準位は、第1の電荷発生領域1106におけるアクセプターのアクセプター準位と、発光物質を含む有機層1103のLUMO準位との間の準位を占めるように形成する。具体的には、およそ−5.0eV以上−3.0eV以下のLUMO準位とするのが好ましい。電子リレー層1105に用いる物質としては、例えば、ペリレン誘導体や、含窒素縮合芳香族化合物が挙げられる。なお、含窒素縮合芳香族化合物は、安定な化合物であるため電子リレー層1105に用いる物質として好ましい。さらに、含窒素縮合芳香族化合物のうち、シアノ基やフルオロ基などの電子吸引基を有する化合物を用いることにより、電子リレー層1105における電子の受け取りがさらに容易になるため、好ましい。
電子注入バッファー1104は、第1の電荷発生領域1106から発光物質を含む有機層1103への電子の注入を容易にする層である。電子注入バッファー1104を第1の電荷発生領域1106と発光物質を含む有機層1103の間に設けることにより、両者の注入障壁を緩和することができる。
本実施の形態では、重水と反応して重水素イオン又は重水素分子を発生し難い不活性な導電材料を第2の電極に適用した発光素子を備える発光表示装置の構成を説明する。具体的には、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたエンハンスメント型の逆スタガ型のトランジスタのソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続された第1の電極と、重水と反応して重水素イオン又は重水素分子を発生し難い不活性な導電材料が適用された第2の電極の間に発光物質を含む層を備えたエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を備える発光表示装置を示す。なお、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EL素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。
図5は、本実施の形態で例示する発光表示装置が備える画素の構成を示す等価回路図である。なお、当該画素はデジタル時間階調駆動、又はアナログ階調駆動のいずれの駆動方法も適用できる。
発光素子の構成について、図6に示す画素の断面構造を用いて説明する。
次に、半導体装置の一例としてエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を備える発光表示パネル(発光パネルともいう)の外観及び断面について、図7を用いて説明する。図7(A)は、第1の基板上に形成された薄膜トランジスタ及び発光素子を、シール材を用いて貼り合わせた第1の基板と第2の基板の間に封止した発光表示パネルの平面図である。また、図7(B)は図7(A)のH−Iにおける断面図に相当する。
チャネル形成領域にIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体を用いたトランジスタ710が形成された基板705上に、酸化珪素膜716を形成した。本実施例ではスパッタリング法を用いて厚さを300nmの酸化珪素膜716を形成した。なお、トランジスタ710は実施の形態2で説明した方法を用いて形成した。
酸化珪素膜716上に有機膜717を形成した。本実施例では厚さ1.5μmのアクリル系の有機膜717を形成した。
基板705に設けた有機膜717の100mm×100mmの範囲に5mLの重水を塗布した。基板705は、重水を塗布してから10分間保持した後、乾燥空気を吹き付けて乾燥した(図8(A)参照)。
次いで、基板705を蒸着装置に搬入し、有機膜717に接して導電膜702を形成した。導電膜702が活性な導電材料、具体的には水等と反応して水素イオン又は水素分子を発生する材料であれば、有機膜717に吸着もしくは拡散した重水と反応し、重水素イオン又は重水素分子を発生することになる(図8(B)参照)。
次いで、第2の電極が成膜された2枚の基板705(試料1、及び試料2)を蒸着装置から取り出し、それぞれの導電膜702側から基板705に向けて二次イオン質量分析(SIMS)を行った(図8(C)参照)。二次イオン質量分析の結果を図9に示す。
上述の二次イオン質量分析の結果、試料1の酸化珪素膜716の膜厚方向の中央、すなわち界面から150nmの部分に含まれる重水素原子が1×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度となることから、試料1に用いた銀(Ag)は、有機膜717に吸着もしくは拡散した重水と反応し難い不活性な導電材料と判断できた。依って本実施例では発光表示装置の第2の電極として銀薄膜を選定した。なお、アルミニウム(Al)は比較表示装置の第2の電極の作製に選定した。
基板1705は、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタ1720と、当該トランジスタ1720のソース電極層、又はドレイン電極層に開口部1718を介して接続された第1の電極1701を備える。本実施例では、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物を用いて第1の電極1701を形成し、下面射出構造の発光素子とした。
第2の電極に銀(Ag)を用いた発光表示装置と、第2の電極にアルミニウム(Al)を用いた比較表示装置を80℃の環境下、20分保存した。20分の保存終了後、それぞれの表示装置に市松(チェッカーともいう)模様の表示をおこなう信号を入力して表示を試みた結果を図11に示す。第2の電極に銀(Ag)を用いた発光表示装置は正常に動作した(図11(A)参照)。しかし、第2の電極にアルミニウム(Al)を用いた比較表示装置は正常に動作しなかった(図11(B)参照)。
102 電極
103 有機層
402 導電膜
405 基板
410 トランジスタ
416 酸化珪素膜
417 有機膜
450 窒素雰囲気下
502 導電膜
505 基板
506 保護絶縁層
507 ゲート絶縁層
510 設計用トランジスタ
511 ゲート電極層
515a ソース電極層
515b ドレイン電極層
516 絶縁層
517 絶縁層
518 開口部
530 酸化物半導体膜
531 酸化物半導体層
601 電極
702 導電膜
705 基板
710 トランジスタ
716 酸化珪素膜
717 有機膜
1101 陽極
1102 陰極
1103 有機層
1104 電子注入バッファー
1105 電子リレー層
1106 電荷発生領域
1401 電極
1402 電極
1403 有機層
1405 基板
1410 トランジスタ
1505 基板
1510 トランジスタ
1601 電極
1602 電極
1603 有機層
1701 電極
1702 電極
1703 有機層
1705 基板
1711 正孔注入層
1712 正孔輸送層
1713a 発光層
1713b 発光層
1714 電子輸送層
1715 電子注入層
1718 開口部
1720 トランジスタ
4501 基板
4502 画素部
4503a、4503b 信号線駆動回路
4504a、4504b 走査線駆動回路
4505 シール材
4506 基板
4507 充填材
4509 トランジスタ
4510 トランジスタ
4511 発光素子
4512 有機層
4513 電極
4515 接続端子電極
4516 端子電極
4517 電極
4518a、4518b FPC
4519 異方性導電膜
4520 隔壁
4540 バックゲート電極
4544 絶縁層
6400 画素
6401 スイッチング用トランジスタ
6402 発光素子駆動用トランジスタ
6403 容量素子
6404 発光素子
6405 信号線
6406 走査線
6407 電源線
6408 共通電極
7000a 発光素子
7000b 発光素子
7000c 発光素子
7001a 電極
7001b 電極
7001c 電極
7002a 電極
7002b 電極
7002c 電極
7003a 有機層
7003b 有機層
7003c 有機層
7009a 隔壁
7009b 隔壁
7009c 隔壁
7021a 電極
7021b 電極
7021c 電極
7401a トランジスタ
7401b トランジスタ
7401c トランジスタ
Claims (1)
- 酸化物半導体を含むチャネル形成領域を有するエンハンスメント型のトランジスタと、
第1の電極及び第2の電極の間にEL層が設けられた発光素子と、を有し、
前記トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極を有し、
前記ソース電極または前記ドレイン電極と前記第1の電極が電気的に接続された半導体装置の設計方法であって、
設計用基板上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を覆って有機膜を形成し、
前記有機膜に重水を塗布し、
前記重水を取り除き、
前記有機膜に接して導電膜を形成し、
前記酸化珪素膜中の重水素原子の濃度を測定し、
前記測定の結果、前記重水素原子が1×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度となる前記導電膜に用いられた導電材料を前記第2の電極に適用することを特徴とする半導体装置の設計方法。
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