JP6246518B2 - トランジスタ - Google Patents
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Landscapes
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Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成例について図面を参照して説明する。ここでは半導体装置の一例として、トランジスタについて説明する。
図1は、本発明の一態様のトランジスタの構成例における代表的な構成要素の位置関係を説明するためのチャネル長方向の断面概略図である。
以下では、各ゲート電極の配置の違いがトランジスタの電気特性に与える影響について検証した結果を示す。
まず、計算に用いたトランジスタのモデルを図2(A)乃至(C)にそれぞれ示す。なお、計算にはデバイスシミュレーションソフト Sentaurus(synopsys社製)を用いた。
図2(A)に示したモデルにおいて、まずは第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とのオーバーラップ長Lov(すなわち、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅)を変えて、トランジスタ特性を算出した。ここで、第2のゲート電極(GE2)の位置をソース電極(Source)とドレイン電極(Drain)の中間の位置に固定した条件を用いた。すなわち、上面側からみたときの第2のゲート電極(GE2)とソース電極(Source)とのオフセット長Loff1と、第2のゲート電極(GE2)とドレイン電極(Drain)とのオフセット長Loff2とが一致する条件を用いた。また、オーバーラップ長Lovを、チャネル長Lを基準にL/20からLまでの範囲で、L/20ずつ変化させて計算を行った。さらに、第2のゲート電極(GE2)をソース電極及びドレイン電極と重畳させて設けたモデル(図2(B))、及び第2のゲート電極(GE2)を配置しないモデル(図2(C))についても計算を行った。
続いて、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅(Lov)を固定し、その位置をソース電極(Source)側からドレイン電極(Drain)側にかけて変化させていったときの、トランジスタの電気特性への影響を調査した。具体的には、第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)のオーバーラップ長LovをL/20に固定し、ソース電極(Source)と第2のゲート電極(GE2)とのオフセット長Loff1を0からL×19/20まで、L/20ずつ変化させて計算を行った。ここで、Loff1が0の条件は、上面側からみて第2のゲート電極(GE2)のソース側の端部とソース電極(Source)のドレイン側の端部とが一致する場合を意味する。同様に、Loff1がL×19/20の条件は、上面側から見て第2のゲート電極(GE2)のドレイン側の端部とドレイン電極(Drain)のソース側の端部とが一致する場合を意味する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置のより具体的な構成例と、その作製方法例について図面を参照して説明する。ここでは半導体装置の一例として、トランジスタについて説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略する場合がある。
図9(A)に、本構成例で示すトランジスタ100の上面概略図を示す。また図9(B)、(C)にはそれぞれ、図9(A)中の切断線A−B、C−Dにおける断面概略図を示す。なお、図9(A)では明瞭化のため一部の構成要素を明示していない。
以下では、トランジスタ100の各構成要素について説明する。
半導体層102に酸化物半導体を用いる場合、インジウム、亜鉛のうち少なくとも一つを含む酸化物半導体を用いることが好ましい。代表的には、In−Ga−Zn系金属酸化物などが挙げられる。シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい酸化物半導体を用いるとオフ状態におけるリーク電流を抑制できるため好ましい。
基板101の材質などに大きな制限はないが、少なくとも工程にかかる熱に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板などを、基板101として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板または多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。
第1のゲート電極105a、第2のゲート電極105bは、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、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105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、もしくはこれらの窒化膜を用いてもよい。
絶縁層104及び絶縁層106は、ゲート絶縁層として機能する。
第1の電極103a及び第2の電極103bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、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からなる単体金属、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。
絶縁層106及び絶縁層108は、半導体層102に酸素を供給する機能を有するほか、基板101に含有される不純物が拡散することを防ぐ機能を有していてもよい。
以下では、上記トランジスタ100とは構成の一部の異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。また、構成要素の位置や形状が異なる場合であっても、その機能が同等である場合には、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
図10(A)に以下で例示するトランジスタの断面概略図を示す。なお、上面概略図については図9(A)を援用できる。図10(A)に示すトランジスタは、上記トランジスタ100と比較して絶縁層104の形状が異なる点で相違している。具体的には、絶縁層104の一部が絶縁層106と接し、且つ、第1の電極103a及び第2の電極103bの上面を覆って設けられている。
本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と重なる絶縁層との間に、酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一の金属元素を構成要素として含む酸化物層を有することが好ましい。これにより、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と重なる絶縁層との界面にトラップ準位が形成されることを抑制することができる。
図10(C)に以下で例示するトランジスタの断面概略図を示す。なお上面概略図については図9(A)を援用できる。図10(C)に示すトランジスタは、主に第2の酸化物層122の形状が異なる点で、上記変形例2で示したトランジスタと相違している。
以下では、図9に示したトランジスタ100の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。図11は、トランジスタ100の作製工程にかかる各段階における断面概略図である。
まず、基板101上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する、その後、レジストマスクを除去することにより、第2のゲート電極105bを形成することができる。
続いて、絶縁層106を形成する。絶縁層106は、スパッタリング法、CVD法、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。
続いて、絶縁層106上に半導体膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて半導体膜上にレジストマスクを形成し、半導体膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層102を形成することができる(図11(B))。
続いて、絶縁層106及び半導体層102上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、第1の電極103a及び第2の電極103bを形成することができる(図11(C))。
続いて、半導体層102、第1の電極103a、第2の電極103b、絶縁層106上に絶縁膜を成膜する。さらに、該絶縁膜上に導電膜を成膜する。
続いて、第1の電極103a、第2の電極103b、第1のゲート電極105a、絶縁層104、絶縁層106上に絶縁層107を形成する(図11(E))。
絶縁層107の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁層106及び絶縁層108や、絶縁層107から半導体層102に対して酸素を供給し、半導体層102中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁層107よりも内側に絶縁層106及び絶縁層108ならびに半導体層102から放出される酸素が効果的に閉じ込められ、当該酸素の外部への放出が抑制される。そのため絶縁層106や絶縁層108から放出され、半導体層102に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体層102中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
本実施の形態では、実施の形態2で例示したトランジスタとは構成の一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。また、構成要素の位置や形状が異なる場合であっても、その機能が同等である場合には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
図12(A)は、本構成例で示すトランジスタ200の上面概略図である。また図12(B)は、図12(A)中の切断線E−Fにおける断面概略図である。
図13(A)は、本構成例で示すトランジスタ210の上面概略図である。また図13(B)は、図13(A)中の切断線G−Hにおける断面概略図である。
図14(A)は、本構成例で示すトランジスタ220の上面概略図である。また図14(B)は、図14(A)中の切断線I−Jにおける断面概略図である。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の半導体層に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備するインバータ及びコンバータ等の電力変換回路の構成例について説明する。
図15(A)に示すDCDCコンバータ501は、一例としてチョッパー回路を用いた、降圧型のDCDCコンバータである。DCDCコンバータ501は、容量素子502、トランジスタ503、制御回路504、ダイオード505、コイル506及び容量素子507を有する。
図16に示すインバータ601は、一例としてフルブリッジ型のインバータである。インバータ601は、トランジスタ602、トランジスタ603、トランジスタ604、トランジスタ605、及び制御回路606を有する。
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備する電源回路の構成例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを含むバッファ回路の構成について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体を備えるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を、図面を用いて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
図21(A)は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図21(B)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図21(C)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
また、画素の回路構成の一例を図21(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
画素の回路構成の他の一例を図21(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
本発明の一態様に係る半導体装置(電力変換回路、電源回路、バッファ回路などを含む)は、機器への電力の供給を制御するのに適しており、特に大きな電力が必要な機器に好適に用いることができる。例えば、モーターなどの電力によりその駆動が制御される駆動部を備える機器や、電力により加熱または冷却を制御する機器などに好適に用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置が適用された電子機器の構成例について説明する。
101 基板
102 半導体層
103a 電極
103b 電極
104 絶縁層
105 ゲート電極
105a ゲート電極
105b ゲート電極
106 絶縁層
107 絶縁層
108 絶縁層
109 絶縁層
111a 配線
111b 配線
111c 配線
121 酸化物層
122 酸化物層
200 トランジスタ
210 トランジスタ
220 トランジスタ
400 電源回路
401 パワースイッチ
402 パワースイッチ
403 電圧調整部
404 蓄電装置
405 補助電源
406 電圧発生回路
407 トランジスタ
408 トランジスタ
409 トランジスタ
410 トランジスタ
411 無線信号入力回路
413 制御回路
414 容量素子
415 容量素子
416 電源
417 負荷
501 DCDCコンバータ
502 容量素子
503 トランジスタ
504 制御回路
505 ダイオード
506 コイル
507 容量素子
508 負荷
511 DCDCコンバータ
512 容量素子
513 トランジスタ
514 制御回路
515 変圧器
516 ダイオード
517 容量素子
518 負荷
601 インバータ
602 トランジスタ
603 トランジスタ
604 トランジスタ
605 トランジスタ
606 制御回路
701 バッファ回路
702 駆動回路
711 トランジスタ
712 トランジスタ
713 インバータ
715 電源
716 電源
721 パワースイッチ
722 IGBT
900 基板
901 画素部
902 走査線駆動回路
903 走査線駆動回路
904 信号線駆動回路
910 容量配線
912 ゲート配線
913 ゲート配線
914 ドレイン電極層
916 トランジスタ
917 トランジスタ
918 液晶素子
919 液晶素子
920 画素
921 スイッチング用トランジスタ
922 駆動用トランジスタ
923 容量素子
924 発光素子
925 信号線
926 走査線
927 電源線
928 共通電極
1001 本体
1002 筐体
1003a 表示部
1003b 表示部
1004 キーボードボタン
1021 本体
1022 固定部
1023 表示部
1024 操作ボタン
1025 外部メモリスロット
1030 筐体
1031 筐体
1032 表示パネル
1033 スピーカー
1034 マイクロフォン
1035 操作キー
1036 ポインティングデバイス
1037 カメラ用レンズ
1038 外部接続端子
1040 太陽電池セル
1041 外部メモリスロット
1050 テレビジョン装置
1051 筐体
1052 記憶媒体再生録画部
1053 表示部
1054 外部接続端子
1055 スタンド
1056 外部メモリ
1400 電子レンジ
1401 筐体
1402 処理室
1403 表示部
1404 入力装置
1405 照射部
1410 洗濯機
1411 筐体
1412 開閉部
1413 入力装置
1414 給水口
1451 筐体
1452 冷蔵室用扉
1453 冷凍室用扉
1460 室内機
1461 筐体
1462 送風口
1464 室外機
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
Claims (5)
- 酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を挟んで上下に位置する第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート電極との間の第1のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート電極との間の第2のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、を有するトランジスタであって、
前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と重なる第1の領域と、前記ドレイン電極と重なる第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極とは重ならない第3の領域とを有し、
前記第3の領域は、前記第2のゲート電極と重なる第4の領域と、前記第1の領域と前記第4の領域との間の第5の領域と、前記第2の領域と前記第4の領域との間の第6の領域と、を有し、
前記第3の領域は全て、前記第1のゲート電極と重なり、
前記第1のゲート電極のチャネル長方向の長さは、前記第2のゲート電極のチャネル長方向の長さよりも長く、
前記第1のゲート電極は、前記第2のゲート絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第1のゲート絶縁層を介して、前記第2のゲート電極の上方に位置し、
前記第1のゲート電極は、前記トランジスタのスイッチング動作を制御する機能を有し、
前記第2のゲート電極は、前記トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有することを特徴とするトランジスタ。 - 酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を挟んで上下に位置する第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート電極との間の第1のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート電極との間の第2のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、を有するトランジスタであって、
前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と重なる第1の領域と、前記ドレイン電極と重なる第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極とは重ならない第3の領域とを有し、
前記第3の領域は、前記第2のゲート電極と重なる第4の領域と、前記第1の領域と前記第4の領域との間の第5の領域と、前記第2の領域と前記第4の領域との間の第6の領域と、を有し、
前記第3の領域は全て、前記第1のゲート電極と重なり、
前記第1のゲート電極のチャネル長方向の長さは、前記第2のゲート電極のチャネル長方向の長さよりも長く、
前記第1のゲート電極は、前記第2のゲート絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第1のゲート絶縁層を介して、前記第2のゲート電極の上方に位置し、
前記第1のゲート絶縁層の材料は、前記第2のゲート絶縁層の材料と同じであり、
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚よりも小さいことを特徴とするトランジスタ。 - 請求項1または請求項2において、
前記第6の領域のチャネル長方向の長さは、前記第5の領域のチャネル長方向の長さよりも長いことを特徴とするトランジスタ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の一方は、前記酸化物半導体層と重なる開口を有する環状の上面形状を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の他方は、前記開口の内側に設けられることを特徴とするトランジスタ。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート絶縁層との間の第1の酸化物層と、
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート絶縁層との間の第2の酸化物層と、有し、
前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、前記酸化物半導体層が有する金属元素と同じ金属元素を一種以上有することを特徴とするトランジスタ。
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