JP6039634B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
関する。更にはこれらを有する半導体装置に関する。
が要求されている。このような要求を満たすために、炭化シリコン(SiC)を用いたダ
イオードが検討されている。すなわち、半導体材料としての炭化シリコンは、禁制帯幅が
3eV以上であり高温での電気伝導度の制御性に優れ、シリコンより絶縁破壊しにくいた
め、逆方向飽和電流が低く耐圧が高いダイオードへの適用が検討されている。例えば、逆
方向のもれ電流を低減した、炭化シリコンを用いたショットキーバリアダイオードが知ら
れている(特許文献1参照)。
のプロセス温度が高いといった問題を有している。例えば、炭化シリコンに不純物領域を
形成するにはイオン注入法が用いられるが、ドーパントの活性化やイオン注入により誘起
された結晶欠陥の回復には1500℃以上の熱処理が必要となる。
ることができないという問題がある。さらに、炭化シリコンは化学的にも極めて安定であ
るため、通常のウエットエッチングが困難であるという問題を抱えている。
ることが期待されているが、実際にこれを製造するには、非常に多くの問題が内在してお
り、実現は困難を極めている。
イオードまたは整流器を提供することを目的とする。また、逆方向飽和電流の低いダイオ
ードを低いプロセス温度(例えば、800℃以下)で製造し、該ダイオードにより構成さ
れるパワーダイオードまたは整流器を提供することを目的とする。
さい電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタによって構成される、微細化が可
能なダイオードを用いて構成されるパワーダイオードおよび整流器を提供する。該ダイオ
ードは、基板上に設けられた第1の電極と、第1の電極上に接して設けられ、高純度化さ
れた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に接して設けられた第2の電極と、第1の電極
、酸化物半導体膜、及び第2の電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接して設けら
れ、第1の電極、酸化物半導体膜、及び前記第2の電極を介して対向し、または前記第2
の電極を囲う第3の電極と、を有し、第3の電極は、前記第1の電極または前記第2の電
極と接続され、前記第1の電極と第2の電極の間に電流が流れることを特徴とする。
明に限定されず、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。なお、以下に説明する本発明の
構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には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。
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。
めに付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を
「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。た
だし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差
のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多
い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし
、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
本実施の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器の構造の一例
について、図1を用いて説明する。
A−1)に示すパワーダイオードは、複数のダイオードが順方向に直列に接続されたもの
である。
示す整流器は、2つのダイオードにより構成された半波整流器である。第1のダイオード
のアノードは低電位側の基準電位(好ましくは接地電位)に接続され、第1のダイオード
のカソードは入力部と第2のダイオードのアノードに接続され、第2のダイオードのカソ
ードは出力部に接続されている。
示す整流器は、4つのダイオードにより構成された全波整流器である。第1のダイオード
のアノードは低電位側の基準電位(好ましくは接地電位)に接続され、第1のダイオード
のカソードは「入力部」に接続されている。第2のダイオードのアノードは「入力部」に
接続され、第2のダイオードのカソードは高電位側の基準電位(好ましくは電源電位)に
接続されている。第3のダイオードのアノードは低電位側の基準電位(好ましくは接地電
位)に接続され、第3のダイオードのカソードは「出力部」に接続されている。第4のダ
イオードのアノードは「出力部」に接続され、第4のダイオードのカソードは高電位側の
基準電位(好ましくは電源電位)に接続されている。
スまたはドレインをゲートにダイオード接続させることで得ることができる。このような
ダイオードの一例を図2に示す。図1(A−1)は、トランジスタを用いて図1(A−2
)に示すように構成することができる。図1(B−1)は、トランジスタを用いて図1(
B−2)に示すように構成することができる。図1(C−1)は、トランジスタを用いて
図1(C−2)に示すように構成することができる。
接続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体膜10
7を介して第1の電極105に接続されている。第1の電極105は配線131に接続さ
れている。
)は図2(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
05、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極1
05、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111
が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113及び第3の電極115
が設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3の電極113及び第3の電極115上に
は層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設けられている。ゲート絶縁膜111及び絶
縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部において第1の電極105と接続す
る配線131(図2(A)参照)、第2の電極109および第3の電極113及び第3の
電極115と接続する配線125が形成される。第1の電極105は、薄膜トランジスタ
のソース電極またはドレイン電極の一方として機能する。第2の電極109は、薄膜トラ
ンジスタのソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。第3の電極113及び
第3の電極115は、薄膜トランジスタのゲート電極として機能する。
機能する第3の電極113と、第3の電極115とは分離しており、且つ第1の電極10
5、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を介して対向していることを特徴とす
る。
端子を有する素子であり、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル形成領域を有してお
り、ドレイン領域とチャネル形成領域とソース領域とを介して電流を流すことができる。
ここで、ソースとドレインとは、薄膜トランジスタの構造や動作条件などによって変わる
ため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソ
ース及びドレインとして機能する領域を、ソースもしくはドレインとよばない場合がある
。その場合、一例としては、それぞれを第1の端子、第2の端子と表記する場合がある。
あるいは、それぞれを第1の電極、第2の電極と表記する場合がある。あるいは、第1の
領域、第2の領域と表記する場合がある。
必要となる。基板101としては、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を用いることができる。
上のものを用いるとよい。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、
アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられてい
る。なお、一般に、酸化ホウ素と比較して酸化バリウム(BaO)を多く含ませることで
、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaOを多く含むガラス
基板を用いることが好ましい。
絶縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。
コン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウムなどの
窒化物絶縁膜で形成する。また、絶縁膜103は積層構造でもよく、例えば、基板101
側から上記した窒化物絶縁膜のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁膜のいずれか一
つ以上との積層構造とすることができる。
タン、モリブデン、タングステン、イットリウムから選ばれた元素、または上述した元素
を成分とする合金、上述した元素を組み合わせた合金などで形成する。また、マンガン、
マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数から選択さ
れた材料を用いることができる。また、第1の電極105は、単層構造、または二層以上
の積層構造とすることができる。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、タングステン膜上にチタン膜を積層する
二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねて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などが挙げられる。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元素を
単数、または複数組み合わせた膜、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
ない)で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Fe、Ni、Mn
およびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Gaと
Ni、またはGaとFeなどが挙げられる。また、上記の酸化物半導体膜において、Mと
して含まれる金属元素の他に、不純物元素としてその他の遷移金属元素、または該遷移金
属の酸化物が含まれていてもよい。InMO3(ZnO)m(m>0、且つ、mは整数で
ない。)で表記される構造の酸化物半導体層のうち、MとしてGaを含む構造の酸化物半
導体をIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体とよび、その薄膜をIn−Ga−Zn−O系
膜とも呼ぶこととする。
n−O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系
、Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、
In−O系、Sn−O系、Zn−O系の酸化物半導体膜を用いてもよい。また、上記酸化
物半導体膜にSiを含んでもよい。
1019atoms/cm3以下、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、よ
り好ましくは5×1017atoms/cm3以下であり、酸化物半導体膜に含まれる水
素が除去されている。即ち、酸化物半導体膜の主成分以外の不純物が極力含まれないよう
に高純度化されている。また、酸化物半導体膜107のキャリア濃度が5×1014at
oms/cm3以下、好ましくは1×1014atoms/cm3以下、好ましくは5×
1012atoms/cm3以下、好ましくは1×1012atoms/cm3以下であ
る。即ち、酸化物半導体膜のキャリア濃度は、ゼロに近い。また、エネルギーギャップは
2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である。なお、酸化
物半導体膜中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary
Ion Mass Spectroscopy)で行えばよい。また、キャリア密度は
、ホール効果測定により測定することができる。
半導体膜107の厚さを薄くすることで、薄膜トランジスタのチャネル長を小さくするこ
とが可能であり、オン電流及び電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することが
できる。一方、酸化物半導体膜107の厚さを厚くすることで、代表的には100nm以
上3000nm以下とすることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
酸化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜を単層でまたは積層して形成することができ
る。ゲート絶縁膜111は、酸化物半導体膜107と接する部分が酸素を含むことが好ま
しく、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、
酸化物半導体膜107に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。ゲ
ート絶縁膜111の厚さは、50nm以上500nm以下とするとよい。ゲート絶縁膜1
11の厚さを薄くすることで、電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することが
でき、駆動回路を同一基板に作製することができる。一方、ゲート絶縁膜111の厚さを
厚くすることで、ゲートリーク電流を低減することができる。
、Nが添加されたHfSiOx(x>0)、ハフニウムアルミネート(HfAlOx(x
>0))、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いることでゲ
ートリークを低減できる。さらには、high−k材料と、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、または酸化アルミニウム膜のいずれか
一以上との積層構造とすることができる。
クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上
述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成す
ることができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか
一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、第3の電極113及び第3の電
極115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、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
構造などがある。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元素の膜、または複数組み合わせた合金
膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
去し、酸化物半導体膜の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することに
より真性(i型)とし、または真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加
してi型化するのでなく、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を極力除去する
ことにより、高純度化されたi型(真性半導体)またはそれに近づけることを特徴として
いる。そうすることにより、フェルミ準位(Ef)は真性フェルミ準位(Ei)と同じレ
ベルにまですることができる。
ネル幅Wが1×104μmでチャネル長が3μmの素子であっても、オフ電流が10−1
3A以下ときわめて低く、サブスレッショルドスイング値(S値)は0.1V/dec.
(ゲート絶縁膜厚100nm)となる。
は水素化物などが極力含まれないように高純度化することにより、薄膜トランジスタの動
作を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。
チャネルのほかにソース及びドレインを横方向に設ける必要があり、基板における薄膜ト
ランジスタの占有面積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型
薄膜トランジスタにおいては、ソース、チャネル、及びドレインを積層するため、基板表
面における占有面積を低減することができる。この結果、薄膜トランジスタの微細化が可
能である。
、酸化物半導体膜107の厚さを薄くすることでチャネル長の小さい薄膜トランジスタと
することが可能である。チャネル長を小さくすることで、ソース、チャネル、及びドレイ
ンの直列抵抗を低減できるため、薄膜トランジスタのオン電流および電界効果移動度を上
昇させることができる。また、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を有す
る薄膜トランジスタは、オフ電流が極めて低く、オフ時には電流がほとんど流れない絶縁
状態となる。このため、酸化物半導体膜の厚さを薄くし、縦型薄膜トランジスタのチャネ
ル長を小さくしても、非導通状態のオフ電流がほとんど無い薄膜トランジスタとすること
ができる。
細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど
電流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
オードでは、酸化物半導体膜107中を第2の電極109から第1の電極105に電流が
流れるが、図3に示すように、酸化物半導体膜107中を第1の電極105から第2の電
極109に電流が流れる構成としてもよい。
接続され、更には第1の電極105と接続されている。第1の電極105は酸化物半導体
膜107を介して第2の電極109と接続されている。第2の電極109は、配線131
に接続されている。
ているため、配線125と、これらの電極との間に生じる寄生容量を抑えつつ動作させる
ことができる。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、降伏現象が起きにくい
(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
ードを得ることができる。
できる。
本実施の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器に適用可能な
ダイオードの一例であって、実施の形態1とは異なる構造のものについて、図4を用いて
説明する。本実施の形態にて説明するダイオードは、電界効果型トラジスタ、例えば薄膜
トランジスタのソースまたはドレインにゲートが接続されたものである。
接続され、配線132が第1の電極106および第3の電極115と接続されている。第
1の電極105および第1の電極106は酸化物半導体膜107を介して第2の電極10
9と接続されている。第2の電極109は、配線129に接続されている。
図4(B)は図4(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
05、第1の電極106、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。
また、第1の電極105、第1の電極106、酸化物半導体膜107、及び第2の電極1
09を覆うように、ゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、
第3の電極113及び第3の電極115が設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3
の電極113及び第3の電極115上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設け
られている。絶縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部において第1の電極
105及び第3の電極113と接続する配線131、第1の電極106及び第3の電極1
15と接続する配線132(図4(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129
が形成される。
として機能する。第1の電極106は、薄膜トランジスタ143のソース電極またはドレ
イン電極の一方として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ141、143
のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜トラ
ンジスタ141のゲート電極として機能する。第3の電極115は、薄膜トランジスタ1
43のゲート電極として機能する。
特徴とする(図4(A)および(B)を参照)。
143とが、第2の電極109及び配線129で並列に接続していることを特徴とする。
この場合、第1の電極105は、薄膜トランジスタ141のソース電極及びドレイン電極
の一方(例えばソース)として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ141
のソース電極及びドレイン電極の他方(例えばドレイン)として機能する。第3の電極1
13は、薄膜トランジスタ141のゲート電極として機能する。また、第2の電極109
は、薄膜トランジスタ143のソース電極及びドレイン電極の一方(例えばドレイン)と
して機能する。第1の電極106は、薄膜トランジスタ143のソース電極及びドレイン
電極の他方(例えばソース)として機能する。第3の電極115は、薄膜トランジスタ1
43のゲート電極として機能する。また、第1の電極105及び第1の電極106を接続
する導電層が設けられてもよい。
に接続されていてもよい。この場合、配線129を設けなくともよい。このとき、配線1
32から信号が出力される構成とすればよい。
が低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いている。このため、薄膜トランジスタの
動作を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。この結
果、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時には
ほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
オードでは、酸化物半導体膜107中を第1の電極105及び第1の電極106から第2
の電極109に電流が流れるが、図5に示すように、酸化物半導体膜107中を第2の電
極109から第1の電極105及び第1の電極106に電流が流れる構成としてもよい。
接続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体膜10
7を介して第1の電極105及び第1の電極106に接続されている。第1の電極105
は配線131に接続され、第1の電極106は配線132に接続されている。
ランジスタ143と重畳して設けられているが、これに限定されず、図3と同様に、配線
125が薄膜トランジスタ141および薄膜トランジスタ143と重畳しないように設け
てもよく、配線125が薄膜トランジスタ141および薄膜トランジスタ143と重畳し
ない場合には、配線125と、これらの電極との間に生じる寄生容量を抑えつつ動作させ
ることができる。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、降伏現象が起きにくい
(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
ードを得ることができる。
できる。
本実施の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器に適用可能な
ダイオードの一例であって、実施の形態1及び実施の形態2とは異なる構造のものについ
て、図6を用いて説明する。本実施の形態にて説明するダイオードは、電界効果型トラン
ジスタ、例えば薄膜トランジスタのソースまたはドレインにゲートが接続されたものであ
る。
接続されている。第1の電極105は酸化物半導体膜107を介して第2の電極109と
接続されている。第2の電極109は、配線129に接続されている。
)は図6(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
05、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極1
05、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111
が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113が設けられている。ゲ
ート絶縁膜111及び第3の電極113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が
設けられている。絶縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部において第1の
電極105及び第3の電極113と接続する配線131(図6(A)参照)、第2の電極
109及び第3の電極113と接続する配線129が形成される。
として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ145のソース電極またはドレ
イン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜トランジスタ145のゲート
電極として機能する。
徴とする。ゲート電極として機能する第3の電極113を環状とすることで、薄膜トラン
ジスタのチャネル幅を大きくすることができる。このため、薄膜トランジスタのオン電流
を高めることができる。
れ高純度化された酸化物半導体膜を用いている。このため、薄膜トランジスタの動作を良
好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。この結果、高精
細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど
電流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
オードでは、酸化物半導体膜107中を第1の電極105から第2の電極109に電流が
流れるが、図7に示すように、酸化物半導体膜107中を第2の電極109から第1の電
極105に電流が流れる構成としてもよい。
接続されている。第2の電極109は酸化物半導体膜107を介して第1の電極105と
接続されている。第1の電極105は配線131と接続されている。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、降伏現象が起きにくい
(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
ードを得ることができる。
できる。
本実施の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器に適用可能な
、図2に示すダイオード接続された電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタの
作製工程について、図8を用いて説明する。
1の電極105を形成する。第1の電極105は、薄膜トランジスタのソース電極または
ドレイン電極の一方として機能する。
、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜103を形成することが好ましい。これ
は、絶縁膜103に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためで
ある。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸
着型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、例えば、クラ
イオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。ま
た、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
クライオポンプを用いて排気した処理室では、水素、水、水酸基または水素化物などが排
気されるため、当該処理室で絶縁膜103を形成すると、絶縁膜103に含まれる不純物
の濃度を低減できる。
素化物などの不純物が濃度1ppm以下(好ましくは濃度10ppb以下まで除去された
、高純度ガスであることが好ましい。なお、スパッタガスとは、スパッタリングを行う処
理室内に導入するガスをいう。
流電源を用いるDCスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCス
パッタリング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を形成する場合に用いられ、
DCスパッタリング法は主に金属膜を形成する場合に用いられる。
タ装置は、同一チャンバーで異なる材料の膜を積層形成することも、同一チャンバーで複
数種類の材料を同時に放電させて形成することもできる。
ッタ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECR
スパッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法や、成膜中に基
板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いることもできる。
グ方法を適宜用いることができる。
どが除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンターゲットを用いて、
基板101に絶縁膜103として、酸化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜103を形
成する際は、基板101は加熱されていてもよい。
間との距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源1.5kW、酸素
及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気下で
RFスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。膜厚は、例えば100nmとす
るとよい。なお、石英(好ましくは合成石英)に代えてシリコンターゲットを用いること
ができる。なお、スパッタガスとして、酸素、または酸素及びアルゴンの混合ガスを用い
て行う。
に水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガス及び
シリコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成する。この場合においても、酸化シリ
コン膜と同様に、処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ
窒化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、当該工程において、基板101は加熱
されていてもよい。
膜と酸化シリコン膜を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて形成する
ことができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコン
ターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成し、次に酸素を含むスパッタガスに切り替えて
同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜及び酸化シ
リコン膜を大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン膜表面に
水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が吸着することを防止することができる。
空蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成
し、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。また
は、フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第1の電極105を
形成することで、工程数を削減することができる。なお、第1の電極105の端部をテー
パ形状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第1の
電極105の端部と絶縁膜103のなす角の角度を30°以上60°以下(好ましくは4
0°以上50°以下)とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させる
ことができる。
厚50nmのチタン膜を形成し、厚さ100nmのアルミニウム膜を形成し、厚さ50n
mのチタン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスク
を用いてエッチングして、島状の第1の電極105を形成する。
の電極109を形成する。酸化物半導体膜107は薄膜トランジスタのチャネル形成領域
として機能し、第2の電極109は薄膜トランジスタのソース電極またはドレイン電極の
他方として機能する。
る。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
スパッタリング装置の予備加熱室で第1の電極105が形成された基板101を予備加熱
し、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気す
ることが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。な
お、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成するゲ
ート絶縁膜111の形成前の基板101に行ってもよいし、後に形成する第3の電極11
3及び第3の電極115形成前の基板101に行ってもよい。
てプラズマを発生させる逆スパッタを行い、第1の電極105の表面に付着しているゴミ
や酸化膜を除去することで、第1の電極105及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を
低減することができるため好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに
、アルゴン雰囲気下で基板側に高周波電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを
形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなど
を用いてもよい。
ング法により酸化物半導体膜を形成する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(代表的には
アルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲
気下においてスパッタリング法により形成することができる。また、スパッタリング法を
用いる場合、SiO2を2重量%以上10重量%以下含むターゲットを用いて形成しても
よい。
などの不純物が濃度1ppm以下(好ましくは濃度10ppb以下)まで除去された、高
純度ガスであることが好ましい。
成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲッ
トの他の例としては、In、Ga、及びZnを含む金属酸化物ターゲット(組成比として
、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]、In:Ga:Zn=1
:1:0.5[mol数比])を用いることができる。また、In、Ga、及びZnを含
む金属酸化物ターゲットとして、In:Ga:Zn=1:1:1[mol数比]、または
In:Ga:Zn=1:1:2[mol数比]の組成比を有するターゲットを用いること
もできる。金属酸化物ターゲットにおいて充填率は90%以上100%以下、好ましくは
95%以上99.9%以下である。このように、充填率の高い金属酸化物ターゲットを用
いて形成した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
去しつつ、水素、水、水酸基または水素化物などが除去されたスパッタリングガスを導入
し、金属酸化物をターゲットとして基板101上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内
に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着型の真空ポン
プを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメー
ションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコール
ドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例
えば、水素、水、水酸基または水素化物など(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)
が排気されるため、酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、基板を
加熱しながら酸化物半導体膜を形成してもよい。
ーゲットの間との距離を110mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸
素及びアルゴン(酸素流量15sccm:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件が
適用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パ
ーティクル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物
半導体膜は好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導
体膜材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
縁膜103に示したスパッタリング法及びスパッタリング装置を適宜用いることができる
。
ができる。ここでは、第2の電極109となる導電膜として、厚さ50nmのチタン膜、
厚さ100nmのアルミニウム膜、及び厚さ50nmのチタン膜を順に積層する。
トマスクを用いて第2の電極109となる導電膜及び酸化物半導体膜107となる酸化物
半導体膜をエッチングして、島状の第2の電極109及び酸化物半導体膜107を形成す
る。なお、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクの代わりに、インクジ
ェット法を用いてレジストマスクを作製することで、工程数を削減することができる。当
該エッチングにより、第2の電極109及び酸化物半導体膜107の端部と、第1の電極
105のなす角の角度を30°以上60°以下(好ましくは40°以上50°以下)とす
ることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることができるため好ましい
。
ットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体膜107及び
第2の電極109を形成するために、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エ
ッチング時間、温度など)を適宜調節する。
ッチングレートが異なる場合は、第1の電極105のエッチングレートが低く、第2の電
極109となる導電膜及び酸化物半導体膜のエッチングレートの高い条件を選択する。ま
たは、酸化物半導体膜のエッチングレートが低く、第2の電極109となる導電膜のエッ
チングレートの高い条件を選択して、第2の電極109となる導電膜をエッチングした後
、第1の電極105のエッチングレートが低く、酸化物半導体膜のエッチングレートの高
い条件を選択する。
混ぜた溶液、アンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=
5:2:2)などを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いて
もよい。
って除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料
を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体膜に含まれるインジウム
などの材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することがで
きる。
むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化シリコン
(SiCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。
SF6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(
HBr)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希
ガスを添加したガス、などを用いることができる。
hing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘
導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングで
きるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加
される電力量、基板側の電極温度など)を適宜調節する。
水の混合液)を用いて、第2の電極109となる導電膜をエッチングした後、燐酸と酢酸
と硝酸を混ぜた溶液で酸化物半導体膜をエッチングして、島状の酸化物半導体膜107を
形成する。
以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処
理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素、希ガスなどの
不活性ガス雰囲気下において450℃において1時間の加熱処理を行った後、大気に触れ
させずに、酸化物半導体膜への水素、水、水酸基または水素化物などの再侵入を防ぐこと
で、水素濃度が低減され高純度化され、i型化または実質的にi型化された酸化物半導体
膜を得ることができる。即ち、この第1の加熱処理によって酸化物半導体膜107の脱水
化及び脱水素化の少なくとも一方を行うことができる。
ガスに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加
熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、
6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不
純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
膜が結晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以
上、または80%以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、第1の加熱処
理の条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物
半導体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体膜の中に微結晶部(粒径1nm
以上20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体膜とな
る場合もある。
物半導体膜に行ってもよい。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を取
り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
導体膜を形成した後、酸化物半導体膜上に第2の電極となる導電膜を積層した後、第1の
電極、酸化物半導体膜及び第2の電極上にゲート絶縁膜を形成した後、またはゲート電極
を形成した後のいずれで行ってもよい。
極109上にゲート絶縁膜111を形成する。
濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏
感であるため、ゲート絶縁膜111との界面は重要である。そのため高純度化された酸化
物半導体膜に接するゲート絶縁膜111は、高品質化が要求される。
圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。水素濃度が低減され高純度化された
酸化物半導体膜と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面
特性を良好なものとすることができるからである。
グ法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁膜
の形成後の加熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体膜との界面特性が改質さ
れる絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であるこ
とは勿論のこと、酸化物半導体膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるも
のであれば良い。
BT試験)においては、不純物が酸化物半導体膜に添加されていると、不純物と酸化物半
導体膜の主成分との結合が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され
、生成された未結合手がしきい値電圧(Vth)のドリフトを誘発することとなる。
にゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることにより、BT試験に対しても安定な薄膜ト
ランジスタを得ることを可能としている。
濃度を低減することができる。スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する場合に
は、ターゲットとしてシリコンまたは石英を用い、スパッタガスとして酸素または、酸素
及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
09側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層した構造とすることもできる。例えば
、第1のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン膜(SiOx
(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜としてスパッタリン
グ法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を
積層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態では、圧力0.4
Pa、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量
25sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化シ
リコン膜を形成する。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行ってもよい。なお、当
該第2の加熱処理は、のちに形成される第3の電極113及び第3の電極115、絶縁膜
117、または配線125、131のいずれかを形成した後に行ってもよい。当該加熱処
理により、酸化物半導体膜中に含まれる水素若しくは水分をゲート絶縁膜に拡散させるこ
とができる。
電極115を形成する。
及び第3の電極115となる導電膜をスパッタリング法、CVD法、または真空蒸着法で
形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レ
ジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。
フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、第3の
電極113及び第3の電極115を形成する。
トランジスタ133を形成することができる。
電極115上に絶縁膜117を形成した後、コンタクトホール119、コンタクトホール
121、及びコンタクトホール123を形成する。
酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒
化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または
、酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
法で絶縁膜117を形成する場合、基板101を100℃〜400℃の温度に加熱し、水
素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入し
シリコンターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理室内に
残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成することが好ま
しい。
上30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、ノーマリーオフと
なる薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。
フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってゲ
ート絶縁膜111及び絶縁膜117の一部を除去して形成することができる。
コンタクトホール123上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程により形成し
たレジストマスクを用いてエッチングして、配線125及び配線131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、製造コストを削減できる。
坦化のための平坦化絶縁膜を設けてもよい。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド
、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシなどの、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)などがある。
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、平坦化絶縁膜を形成し
てもよい。
Si結合を含む樹脂に相当する。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よい。また、有機基はフルオロ基を有して
いてもよい。
OG法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スク
リーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコータ
ー、ナイフコーターなどを用いることができる。
。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の
加熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を
形成することができる。その結果、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製すること
ができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化さ
れた酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電
流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製するこ
とができる。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、本実施の形態によって
、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
流を流すことができるパワーダイオードを得ることができる。または、上記のダイオード
を用いることで、従来よりも耐圧の高い整流器を得ることができる。
存在しうる、水素、水分、水酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの不純物を排
除するため、酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜にハロゲン元素(例えば、フッ素
または塩素)を含ませ、または酸化物半導体膜を露出させた状態でハロゲン元素を含むガ
ス雰囲気中でのプラズマ処理によって酸化物半導体膜にハロゲン元素を含ませてもよい。
絶縁膜にハロゲン元素を含ませる場合には、該絶縁膜中におけるハロゲン元素濃度は、5
×1018atoms/cm3〜1×1020atoms/cm3程度とすればよい。
の界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁
膜である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素系絶縁膜で覆う
ことが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリ
コン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水分、水酸基または水
素化物などの不純物が酸化物絶縁膜に侵入することを防止することができる。
能である。
本実施の形態の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器に適用
可能なダイオードの作製方法であって、実施の形態4とは異なる形態の酸化物半導体膜を
有するダイオード接続された電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタとその作
製方法について、図8及び図9を用いて説明する。
1の電極105を形成する。次に、図8(B)に示すように、第1の電極105上に酸化
物半導体膜107及び第2の電極109を形成する。
態における第1の加熱処理とは異なるものであり、当該加熱処理によって、図9(A)に
示すように、表面に結晶粒が形成される酸化物半導体膜151を形成することができる。
本実施の形態では、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方に
よって被処理物を加熱する装置を用いて第1の加熱処理を行う。ここで、加熱処理の温度
は500℃以上700℃以下、好ましくは650℃以上700℃以下とすることが好適で
ある。なお、加熱処理温度の上限に関し、発明の本質的な部分からの要求はないが、加熱
処理温度の上限は基板101の耐熱温度の範囲内とする必要がある。また、加熱処理の時
間は、1分以上10分以下とすることが好適である。RTA処理を適用することで、短時
間に加熱処理を行うことができるため、基板101に対する熱の影響を小さくすることが
できる。つまり、加熱処理を長時間行う場合と比較して、加熱処理温度の上限を引き上げ
ることが可能である。また、酸化物半導体膜の表面近傍に、所定の構造の結晶粒を選択的
に形成することが可能である。
Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Therm
al Anneal)装置などのRTA(Rapid Thermal Anneal)
装置などがある。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンア
ークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのラン
プから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置
は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、
または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
スなどの不活性ガス雰囲気に基板を移動し、数分間加熱した後、高温に加熱した不活性ガ
ス中から基板を出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処
理が可能となる。
ガスに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加
熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、
6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不
純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
ングで行ってもよいが、脱水化または脱水素化を促進させるためには、酸化物半導体膜1
07の表面に他の構成要素を設ける前に行うのが好適である。また、上記の加熱処理は、
一回に限らず、複数回行っても良い。
体膜151の表面に形成される結晶粒157とを有する。また、結晶粒157は、表面か
らの距離(深さ)が20nm以下の領域(表面近傍)に形成される。ただし、酸化物半導
体膜151の厚さが大きくなる場合にはこの限りではない。例えば、酸化物半導体膜15
1の厚さが200nm以上となる場合には、「表面の近傍(表面近傍)」とは、表面から
の距離(深さ)が酸化物半導体膜の厚さの10%以下である領域をいう。
「主たる」とは、例えば、50%以上を占める状態をいい、この場合には、非晶質酸化物
半導体膜が体積%(または重量%)で50%以上を占める状態をいうものとする。つまり
、非晶質酸化物半導体膜以外にも、酸化物半導体膜の結晶などを含むことがあるが、その
含有率は体積%(または重量%)で50%未満であることが望ましいがこれらの範囲に限
定される必要はない。
は、上記の非晶質領域155の組成は、Znの含有量(原子%)が、InまたはGaの含
有量(原子%)未満となるようにするのが好適である。このような組成とすることにより
、所定の組成の結晶粒157を形成することが容易になるためである。
極を形成して薄膜トランジスタを作製する。
となる領域に結晶粒を有することで、ソース、チャネル、及びドレイン間の抵抗が低減す
ると共に、キャリア移動度が上昇する。このため、当該酸化物半導体膜151を有する薄
膜トランジスタの電界効果移動度が上昇し、良好な電気特性を実現できる。
導体膜151の表面近傍に有することで、非晶質領域155に不純物(例えば水素、水、
水酸基または水素化物など)が取り込まれることを低減することが可能である。このため
、酸化物半導体膜151の信頼性を向上させることができる。
。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の
加熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を
形成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製すること
ができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化さ
れた酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電
流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製するこ
とができる。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、本実施の形態によって
、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
流を流すことができるパワーダイオードを得ることができる。または、上記のダイオード
を用いることで、従来よりも耐圧の高い整流器を得ることができる。
能である。
本実施の形態では、本発明の一態様であるパワーダイオードおよび整流器に適用可能な
図2に示すダイオード接続された電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタの作
製工程であって、実施の形態4及び実施の形態5とは異なるものについて、図8を用いて
説明する。
形成する。
の電極109を形成する。
てプラズマを発生させる逆スパッタを行い、第1の電極105の表面に付着しているゴミ
や酸化膜を除去することで、第1の電極105及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を
低減することができるため好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなど
を用いてもよい。
る。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
用いたスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、減圧状態の処理室内に基板
を保持し、基板を室温または400℃未満の温度に加熱する。そして、処理室内に残留す
る水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ、水素、水、水酸基または水素化物
などが除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板101及び
第1の電極105上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内に残留する水素、水、水酸基
または水素化物などを除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素、水、水酸基また
は水素化物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)などが排気されるため、当該処理
室で形成した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポン
プにより処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しながらスパッ
タ形成を行うことで、基板温度が室温から400℃未満でも水素原子、水などの不純物を
低減した酸化物半導体膜を形成することができる。
流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下での成膜条件が適用
される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーテ
ィクル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導
体膜は、好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体
膜材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
縁膜103に示したスパッタリング法を適宜用いることができる。
成する。
7となる酸化物半導体膜をエッチングして、島状の第2の電極109及び酸化物半導体膜
107を形成する。所望の形状の酸化物半導体膜107及び第2の電極109を形成する
ために、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッチング時間、温度など)を
適宜調節する。
導体膜107、第2の電極109上にゲート絶縁膜111を形成する。ゲート絶縁膜11
1は、酸化物半導体膜107との界面特性が良好なものとすることが好ましく、μ波(2
.45GHz)を用いた高密度プラズマCVD法でゲート絶縁膜111を形成することで
、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。また、ゲート絶縁膜
として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマCVD法な
ど他の形成方法を適用することができる。
膜107の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
たプラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水素、水、水酸基
または水素化物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
体膜の一部に接するゲート絶縁膜111を形成することが好ましい。
ないようにするために、前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で第1の電極1
05から第2の電極109まで形成された基板101を予備加熱し、基板101に吸着し
た水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気することが好ましい。また
は、ゲート絶縁膜111を形成した後、基板101を、スパッタリング装置の予備加熱室
で予備加熱して、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を
脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、100℃以上400℃
以下好ましくは150℃以上300℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段は
クライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
09側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した構造とすることもできる。例え
ば、第1のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚5nm以上300nm以下の
酸化シリコン膜(SiOx(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート
絶縁膜として膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))
を積層して、ゲート絶縁膜とする。
ト電極として機能する第3の電極113及び第3の電極115を形成する。
133を形成することができる。
基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素濃度を低減すること
ができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
の電極113及び第3の電極115上に絶縁膜117を形成した後、コンタクトホール1
19、コンタクトホール121、及びコンタクトホール123を形成する。
形成する。
℃以下、1時間以上30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、
ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置の信頼性
を向上できる。
坦化のための平坦化絶縁膜を設けてもよい。
酸基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、
高純度化することができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。ま
た、ガラス転移温度以下の加熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャッ
プの広い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜ト
ランジスタを作製することができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素
濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速
度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜
トランジスタを作製することができる。
方向電流が非常に小さいダイオードを得ることができる。従って、本実施の形態によって
、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
能である。
流を流すことができるパワーダイオードを得ることができる。または、上記のダイオード
を用いることで、従来よりも耐圧の高い整流器を得ることができる。
上記実施の形態で説明した整流器は、例えば無線通信可能な半導体装置の整流回路とし
て適用することができる。ここで、無線通信可能な半導体装置は、例えばRFチップ、R
Fタグなどと呼ばれるものである。
2と、復調回路203と、クロック発生回路204と、電源回路205と、制御回路20
6と、記憶回路207と、符号化回路208と、変調回路209と、を有する。
号に変換する。アンテナ回路202には、実施の形態1で説明し、図1に示したパワーダ
イオードまたは整流器が設けられている。
信号を制御回路206に送信する。なお、復調回路203は特に必要のない場合には設け
なくともよい。
の動作に必要なクロック信号を供給する。回路構成の例としては、発振回路で構成しても
よいし、分周回路で構成してもよい。
圧を生成し、動作に必要な電源電圧を各回路に供給する。
路207の制御を行い、外部に送信するデータについて変調回路209への出力等を行う
。
記憶回路207は、記憶素子を含む回路と、制御回路206に従ってデータの書き込みや
データの読み出しを行う制御回路と、を有する。記憶回路207には、少なくとも、半導
体装置200自体の個体識別情報(ID)が記憶されている。個体識別情報(ID)は、
他の応答装置(利用者が所有している他の応答装置及び当該利用者以外の者が所有する応
答装置)と区別するために用いられる。また、記憶回路207としては、記憶内容が半導
体装置200に固有の情報(個体識別情報(ID)等)であれば電源が供給されずとも記
憶の保持が可能な不揮発性メモリを用い、半導体装置200が行う処理に際して一時的な
記憶を保持するのみであれば、揮発性メモリを用いればよい。
リーダ/ライタ210に送信するデータの全部又は一部を符号化された信号に変換する。
なお、符号化回路208は特に必要のない場合には設けなくともよい。
202に負荷変調を加える。
は、リーダ/ライタともいう。リーダ/ライタ210の一例について、図10を用いて説
明する。リーダ/ライタ210は、受信部211、送信部212、制御部213、インタ
ーフェイス部214、アンテナ回路(アンテナ回路215A及びアンテナ回路215B)
を有する。アンテナ回路(アンテナ回路215A及びアンテナ回路215B)はアンテナ
(アンテナ217A及びアンテナ217B)及び共振容量(共振容量218A及び共振容
量218B)を有する。アンテナ(アンテナ217A及びアンテナ217B)及び共振容
量(共振容量218A及び共振容量218B)はLC並列共振回路を構成する。
命令及びデータ処理結果に基づいて、受信部211及び送信部212を制御する。送信部
212は半導体装置200に送信するデータ処理命令を変調し、アンテナ回路215Aか
ら電磁波として出力する。受信部211は、アンテナ回路215Bにて受信された信号を
復調し、データ処理結果として制御部213に出力する。アンテナ回路215Bは、無線
信号の受信時に、半導体装置200により出力された信号によってアンテナ回路215B
に誘導される起電力を電気的信号として受信する。また、送信時には、アンテナ回路21
5Aに誘導電流を供給し、アンテナ回路215Aより半導体装置200に信号を送信する
。
る。
々な物品やシステムに用いることができる。物品としては、例えば、鍵(図11(A)を
参照)、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など、図
11(B)を参照)、書籍類、容器類(シャーレなど、図11(C)を参照)、装身具(
鞄や眼鏡など、図11(D)を参照)、包装用容器類(包装紙やボトルなど、図11(E
)および(F)を参照)、記録媒体(ディスクやビデオテープなど)、乗物類(自転車な
ど)、食品類、衣類、生活用品類、電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョ
ン装置、携帯端末など)などが挙げられる。半導体装置200は、上記のような様々な形
状の物品の表面に貼り付けたり、埋め込んだりして、固定される。また、ここでシステム
としては、物品管理システム、認証機能システム、流通システムなどが挙げられる。
103 絶縁膜
105 第1の電極
106 第1の電極
107 酸化物半導体膜
109 第2の電極
111 ゲート絶縁膜
113 第3の電極
115 第3の電極
117 絶縁膜
119 コンタクトホール
121 コンタクトホール
123 コンタクトホール
125 配線
129 配線
131 配線
132 配線
133 薄膜トランジスタ
141 薄膜トランジスタ
143 薄膜トランジスタ
145 薄膜トランジスタ
151 酸化物半導体膜
153 破線部
155 非晶質領域
157 結晶粒
200 半導体装置
202 アンテナ回路
203 復調回路
204 クロック発生回路
205 電源回路
206 制御回路
207 記憶回路
208 符号化回路
209 変調回路
210 リーダ/ライタ
211 受信部
212 送信部
213 制御部
214 インターフェイス部
215A アンテナ回路
215B アンテナ回路
216 上位装置
217A アンテナ
217B アンテナ
218A 共振容量
218B 共振容量
Claims (3)
- 基板上方の第1の電極と、
前記第1の電極に接して設けられた、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019atoms/cm3以下の領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接して設けられた第2の電極と、
前記第1の電極、前記酸化物半導体膜、及び前記第2の電極を覆う領域を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜に接して設けられた第3の電極及び第4の電極と、
前記第3の電極上方及び前記第4の電極上方の、第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上方の配線と、
を有する素子を複数有し、
前記第3の電極は、前記第1の絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜の側面と対向する領域を有し、
前記複数の素子が直列に接続されており、
前記第2の絶縁膜は、第1の開口部と、第2の開口部と、第3の開口部と、を有し、
前記配線は、前記第1の開口部を介して、前記第1の電極又は前記第2の電極と電気的に接続され、
前記配線は、前記第2の開口部を介して、前記第3の電極と電気的に接続され、
前記配線は、前記第3の開口部を介して、前記第4の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1の絶縁膜は、少なくとも前記酸化物半導体膜に接する部分が酸素を含む絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は2において、
前記酸化物半導体膜は、キャリア濃度が5×1014atoms/cm3以下の領域を有することを特徴とする半導体装置。
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