JP2011124562A - Nonlinear element, display device with the nonlinear element, and electronic apparatus with the display device - Google Patents

Nonlinear element, display device with the nonlinear element, and electronic apparatus with the display device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonlinear element, such as diodes, using an oxide semiconductor and having good rectification characteristics. <P>SOLUTION: A transistor having an oxide semiconductor of ≤5×10<SP>19</SP>/cm<SP>3</SP>in hydrogen concentration is configured to satisfy ϕms>χ≥ϕmd, where ϕms represents a work function of a source electrode in contact with the oxide semiconductor, ϕmd represents a work function of a drain electrode in contact with the oxide semiconductor and χ represents electron affinity of the oxide semiconductor, and is characterized in that the gate and drain of the transistor are electrically connected to each other. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた非線形素子(例えば、ダイオード)とこれを有する表示装置などの半導体装置に関する。更には、これらを有する電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a nonlinear element (e.g., a diode) using an oxide semiconductor and a semiconductor device such as a display device including the nonlinear element. Furthermore, it is related with the electronic device which has these.

半導体デバイスの中でダイオードには耐圧が高いこと、逆方向飽和電流が少ないことなどが要求されている。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、シリコンより約1桁高い絶縁破壊電界を有するため、逆方向飽和電流が少な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)。 Among semiconductor devices, diodes are required to have a high breakdown voltage and a low reverse saturation current. In order to satisfy such a demand, a diode using silicon carbide (SiC) has been studied. In other words, silicon carbide as a semiconductor material has a forbidden band width of 3 eV or more, excellent controllability of electrical conductivity at high temperatures, and has a dielectric breakdown electric field that is about an order of magnitude higher than that of silicon. Application to high-diode is being studied. For example, a Schottky barrier diode using silicon carbide that has a reduced leakage current in the reverse direction is known (see Patent Document 1).

しかし、炭化シリコンは良質な結晶を得ることが困難であり、デバイスを作製するとき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℃以上の加熱処理が必要となる。 However, silicon carbide has a problem that it is difficult to obtain a high-quality crystal, and the process temperature when manufacturing a device is high. For example, an ion implantation method is used to form an impurity region in silicon carbide, but heat treatment at 1500 ° C. or higher is required to activate a dopant and recover crystal defects induced by ion implantation.

また、炭素が成分として含まれていることにより、熱酸化により良質な絶縁層を作製す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。 Further, since carbon is contained as a component, there is a problem that a high-quality insulating layer cannot be produced by thermal oxidation. Furthermore, since silicon carbide is extremely stable chemically, it has a problem that normal wet etching is difficult.

特開2000−133819号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-133819

このように、炭化シリコンを用いるダイオードは、高耐圧、少ない逆方向飽和電流を実現す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。 As described above, a diode using silicon carbide is expected to achieve a high withstand voltage and a small reverse saturation current. However, in order to actually manufacture this diode, a great number of problems are inherent. Realization is extremely difficult.

そこで本発明の一態様は、高耐圧で整流特性の良いダイオードなどの非線形素子を提供することを目的とする。また、逆方向飽和電流の少ないダイオードなどの非線形素子を低いプロセス温度(例えば、800℃以下)で製造することを目的とする。 In view of the above, an object of one embodiment of the present invention is to provide a non-linear element such as a diode having high breakdown voltage and good rectification characteristics. Another object of the present invention is to manufacture a non-linear element such as a diode having a low reverse saturation current at a low process temperature (for example, 800 ° C. or lower).

本発明の一態様は、基板上に形成される第1の電極と、第1の電極上に接して形成される二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm以下である酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極と、第1の電極、酸化物半導体層、及び第2の電極を覆うゲート絶縁層と、ゲート絶縁層に接して形成され、第1の電極、酸化物半導体層、及び第2の電極を介して対向する複数の第3の電極を有し、複数の第3の電極は、第2の電極と接続されており、第1の電極の仕事関数φms、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmdが、φms≦χ≧φmdとなるように構成するものである。 According to one embodiment of the present invention, a hydrogen concentration detected by a first ion formed over a substrate and secondary ion mass spectrometry formed in contact with the first electrode is 5 × 10 19 / cm 3. An oxide semiconductor layer, a second electrode formed on and in contact with the oxide semiconductor layer, a gate insulating layer covering the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode, and gate insulation A first electrode, an oxide semiconductor layer, and a plurality of third electrodes opposed to each other via the second electrode, and the plurality of third electrodes includes the second electrode and the second electrode The work function φms of the first electrode, the electron affinity χ of the oxide semiconductor layer, and the work function φmd of the second electrode are configured to satisfy φms ≦ χ ≧ φmd.

また、本発明の一態様は、基板上に形成される第1の電極と、第1の電極上に接して形成される二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm以下である酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極と、第1の電極、酸化物半導体層、及び第2の電極を覆うゲート絶縁層と、ゲート絶縁層に接して形成され、第1の電極、酸化物半導体層、及び第2の電極を介して対向する複数の第3の電極を有し、複数の第3の電極は、第2の電極と接続されており、第1の電極の仕事関数φms、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmdが、φms>χ≧φmdとなるように構成するものである。 In addition, according to one embodiment of the present invention, the first electrode formed over the substrate and the hydrogen concentration detected by secondary ion mass spectrometry formed in contact with the first electrode are 5 × 10 19 / an oxide semiconductor layer having a thickness of cm 3 or less; a second electrode formed over and in contact with the oxide semiconductor layer; a gate insulating layer covering the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode; A plurality of third electrodes which are formed in contact with the gate insulating layer and are opposed to each other with the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode interposed therebetween; The work function φms of the first electrode, the electron affinity χ of the oxide semiconductor layer, and the work function φmd of the second electrode are connected to the electrode so that φms> χ ≧ φmd. is there.

具体的には、酸化物半導体層に含まれる水素の濃度が5×1019/cm以下、好ましくは5×1018/cm以下、より好ましくは5×1017/cm以下、または1×1016/cm未満となるように、酸化物半導体層に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア濃度を1×1012/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満とした酸化物半導体層を用いる。 Specifically, the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer is 5 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 / cm 3 or less, or 1 Hydrogen or OH groups contained in the oxide semiconductor layer are removed so that the density is less than × 10 16 / cm 3 , and the carrier concentration is less than 1 × 10 12 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3. An oxide semiconductor layer is used.

また、当該酸化物半導体のエネルギーギャップを、2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上として、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャリア濃度を1×1012/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満となるようにする。 In addition, the energy gap of the oxide semiconductor is set to 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more, impurities such as hydrogen forming a donor are reduced as much as possible, and the carrier concentration is set to 1 × 10 12 / cm. It should be less than 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 .

また、酸化物半導体の電子親和力χが4.3eVである場合、酸化物半導体の電子親和力χよりも仕事関数が大きい電極材料として、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、金(Au)、プラチナ(Pt)、銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ベリリウム(Be)、酸化インジウム錫(ITO)などを用いることができる。 When the electron affinity χ of the oxide semiconductor is 4.3 eV, as an electrode material having a work function larger than that of the oxide semiconductor, tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr), iron (Fe), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), cobalt (Co), nickel (Ni), beryllium (Be), indium tin oxide (ITO), or the like can be used.

また、酸化物半導体の電子親和力χが4.3eVである場合、酸化物半導体の電子親和力χ以下の仕事関数を有する電極材料として、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、タンタル(Ta)、窒化タンタル、窒化チタンなどを用いることができる。 Further, when the electron affinity χ of the oxide semiconductor is 4.3 eV, as an electrode material having a work function equal to or lower than the electron affinity χ of the oxide semiconductor, titanium (Ti), yttrium (Y), aluminum (Al), zirconium (Zr), magnesium (Mg), silver (Ag), manganese (Mn), tantalum (Ta), tantalum nitride, titanium nitride, or the like can be used.

なお、本明細書において、不純物濃度は二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry。以下、SIMSともいう。)によるものである。ただし、他の計測法が挙げられている場合など、特に記載がある場合にはこの限りではない。 Note that in this specification, the impurity concentration is determined by secondary ion mass spectrometry (hereinafter also referred to as SIMS). However, this is not the case when there is a particular description such as when other measurement methods are mentioned.

本発明の一態様は、低いプロセス温度で作製可能な、オン電流が大きく、オフ電流が小さい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などの非線形素子を提供する。 One embodiment of the present invention provides a nonlinear element such as a diode that can be miniaturized and includes a transistor with high on-state current and low off-state current, which can be manufactured at a low process temperature.

微細化が可能で整流特性に優れたダイオードを得ることができる。アバランシェ降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が大きい)ダイオードを作製することができる。 A diode that can be miniaturized and has excellent rectification characteristics can be obtained. A diode in which an avalanche breakdown phenomenon does not easily occur (that is, a high breakdown voltage) can be manufactured.

本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する図である。FIG. 10 illustrates a diode which is one embodiment of the present invention. エネルギー障壁を説明するバンド図である。It is a band figure explaining an energy barrier. 本発明の一態様であるダイオードのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the diode which is 1 aspect of this invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードを説明する上面図及び断面図である。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードの作製方法を説明する断面図である。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様であるダイオードの作製方法を説明する断面図である。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a diode which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である表示装置を説明する図である。FIG. 10 illustrates a display device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である保護回路を説明する図である。FIG. 10 illustrates a protection circuit which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である保護回路を説明する図である。FIG. 10 illustrates a protection circuit which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である電子機器を説明する図である。FIG. 11 illustrates an electronic device which is one embodiment of the present invention.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。トランジスタは、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタなど様々な形態が考案されている。電界効果トランジスタは、FET(Field Effect Transistor)、IGFET(Insulated Gate FET)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)などとも呼ばれ、特にゲート絶縁層に酸化絶縁層を用いた電界効果トランジスタはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)と呼ばれる。また、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法などの薄膜形成技術を用いて、ガラス、石英、プラスチックなどの基板上に、薄膜状に形成されたトランジスタは、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)と呼ばれている。 A transistor is a kind of semiconductor element, and can realize amplification of current and voltage, switching operation for controlling conduction or non-conduction, and the like. Various forms of transistors such as bipolar transistors and field effect transistors have been devised. Field effect transistors are also called FETs (Field Effect Transistors), IGFETs (Insulated Gate FETs), MISFETs (Metal Insulator Semiconductor FETs), and the like. In particular, a field effect transistor using an oxide insulating layer as a gate insulating layer is a MOSFET (Metal Oxide). This is referred to as a Semiconductor FET). A transistor formed in a thin film shape on a substrate such as glass, quartz, or plastic using a thin film forming technique such as a vacuum evaporation method, a sputtering method, or a CVD method is called a thin film transistor (TFT). It is.

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、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。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the present invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、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。 Note that in each drawing described in this specification, the size, the layer thickness, or the region of each component is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

また、本明細書にて用いる第1、第2、第3などの用語は、構成要素の混同を避けるた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。 Further, the terms such as first, second, and third used in this specification are given for avoiding confusion between components, and are not limited numerically. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”.

また、電圧とは2点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場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。 Further, the voltage refers to a potential difference between two points, and the potential refers to electrostatic energy (electric potential energy) possessed by a unit charge in an electrostatic field at a certain point. However, generally, a potential difference between a potential at a certain point and a reference potential (for example, ground potential) is simply referred to as a potential or a voltage, and the potential and the voltage are often used as synonyms. Therefore, in this specification, unless otherwise specified, the potential may be read as a voltage, or the voltage may be read as a potential.

(実施の形態1)
本実施の形態では、非線形素子の一形態として、酸化物半導体を有するトランジスタを用いたダイオードについて、トランジスタがn型である場合について図1乃至図3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、トランジスタのソース電極またはドレイン電極にゲート電極が接続されたものである。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a diode including a transistor including an oxide semiconductor as one embodiment of a nonlinear element will be described with reference to FIGS. 1 to 3 in the case where the transistor is n-type. In the diode described in this embodiment, a gate electrode is connected to a source electrode or a drain electrode of a transistor.

一般に、ダイオードとは、アノードおよびカソードの2つの端子を有し、アノードの電位が、カソードの電位よりも高い場合に電流が流れる状態、すなわち導通状態となり、アノードの電位が、カソードの電位よりも低い場合にほとんど電流が流れない状態、すなわち非導通状態(絶縁状態)となる性質を有している。 In general, a diode has two terminals, an anode and a cathode. When the potential of the anode is higher than the potential of the cathode, a current flows, that is, a conductive state, and the potential of the anode is higher than the potential of the cathode. When it is low, it has a property that almost no current flows, that is, a non-conductive state (insulated state).

ダイオードのこの性質は整流特性といわれ、ダイオードが導通状態となる方向を順方向、非導通状態となる方向を逆方向という。順方向の時の電圧を順方向電圧、または順方向バイアスといい、順方向の時の電流を順方向電流という。また、逆方向の時の電圧を逆方向電圧といい、逆方向の時の電流を逆方向電流という。 This property of the diode is called a rectification characteristic, and the direction in which the diode is in a conductive state is referred to as the forward direction, and the direction in which the diode is in a non-conductive state is referred to as the reverse direction. The voltage in the forward direction is called a forward voltage or forward bias, and the current in the forward direction is called a forward current. Further, the voltage in the reverse direction is referred to as a reverse voltage, and the current in the reverse direction is referred to as a reverse current.

図1に示すダイオードでは、配線125が第3の電極113および第3の電極115と接続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体層107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。 In the diode illustrated in FIG. 1, the wiring 125 is connected to the third electrode 113 and the third electrode 115, and further to the second electrode 109, and the second electrode 109 is connected to the oxide semiconductor layer 107. It is connected to the first electrode 105. The first electrode 105 is connected to the wiring 131.

図1(A)はダイオード接続されたトランジスタ133の上面図であり、図1(B)は図1(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。 1A is a top view of the diode-connected transistor 133, and FIG. 1B corresponds to a cross-sectional view taken along dashed-dotted line AB in FIG. 1A.

図1(B)に示すように、基板101上に形成された絶縁層103上に、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁層111が設けられている。ゲート絶縁層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。ゲート絶縁層111及び第3の電極113及び第3の電極115上には層間絶縁層として機能する絶縁層117が設けられている。絶縁層117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1(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、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、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、トランジスタのゲート電極として機能する。 As illustrated in FIG. 1B, the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 are stacked over the insulating layer 103 formed over the substrate 101. A gate insulating layer 111 is provided so as to cover the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109. A third electrode 113 and a third electrode 115 are provided over the gate insulating layer 111. An insulating layer 117 functioning as an interlayer insulating layer is provided over the gate insulating layer 111, the third electrode 113, and the third electrode 115. An opening is formed in the insulating layer 117, and the wiring 131 (see FIG. 1A) connected to the first electrode 105 in the opening, the second electrode 109, the third electrode 113, and the third A wiring 125 connected to the electrode 115 is formed. The first electrode 105 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor. The second electrode 109 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor. The third electrode 113 and the third electrode 115 function as gate electrodes of the transistor.

本実施の形態のトランジスタは、縦型トランジスタであり、ゲート電極として機能する第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105、酸化物半導体層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。 The transistor in this embodiment is a vertical transistor, and the third electrode 113 functioning as a gate electrode and the third electrode 115 are separated from each other, and the first electrode 105 and the oxide semiconductor layer 107 are separated. And the second electrode 109 are opposed to each other.

なお、トランジスタは、ゲート(ゲート電極)と、ドレイン(ドレイン電極またはドレイン領域)と、ソース(ソース電極またはソース領域)とを含む少なくとも三つの端子を有する素子であり、ドレインとソースの間にチャネル形成領域を有しており、ドレインとチャネル形成領域とソース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、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。 Note that a transistor is an element having at least three terminals including a gate (gate electrode), a drain (drain electrode or drain region), and a source (source electrode or source region), and a channel between the drain and the source. A formation region is provided, and current can flow through the drain, the channel formation region, and the source. Here, since the source and the drain vary depending on the structure and operating conditions of the transistor, it is difficult to limit which is the source or the drain. Thus, a region functioning as a source and a drain may not be called a source or a drain. In that case, as an example, there are cases where they are respectively referred to as a first terminal and a second terminal. Alternatively, they may be referred to as a first electrode and a second electrode, respectively. Alternatively, they may be referred to as a first area and a second area.

基板101は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。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。 The substrate 101 needs to have at least heat resistance enough to withstand subsequent heat treatment. As the substrate 101, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass can be used.

また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が730℃以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、酸化ホウ素(B)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、BよりBaOを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。 As the glass substrate, a glass substrate having a strain point of 730 ° C. or higher is preferably used when the temperature of the subsequent heat treatment is high. For the glass substrate, for example, a glass material such as aluminosilicate glass, aluminoborosilicate glass, or barium borosilicate glass is used. Note that a more practical heat-resistant glass can be obtained by containing more barium oxide (BaO) than boron oxide (B 2 O 3 ). For this reason, it is preferable to use a glass substrate containing more BaO than B 2 O 3 .

なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの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。 Note that a substrate made of an insulator such as a ceramic substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate may be used instead of the glass substrate. In addition, crystallized glass or the like can be used.

絶縁層103は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなど酸化物絶縁層、または窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、または窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁層で形成する。また、絶縁層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層のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁層のいずれか一つ以上との積層構造とすることができる。 The insulating layer 103 is formed using an oxide insulating layer such as silicon oxide or silicon oxynitride, or a nitride insulating layer such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide. The insulating layer 103 may have a stacked structure, for example, a stacked structure including one or more of the nitride insulating layers described above from the substrate 101 side and one or more of the oxide insulating layers described above. Can do.

第1の電極105及び第2の電極109は、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、イットリウム(Y)、銀(Ag)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(Mn)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ベリリウム(Be)、トリウム(Th)から選択されたいずれか一または複数の材料を用いることができる。また、第1の電極105及び第2の電極109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(Si)を含むアルミニウムの単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造、タングステン層上にチタン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造などが挙げられる。 The first electrode 105 and the second electrode 109 are formed of aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), copper (Cu), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten ( W), yttrium (Y), silver (Ag), or an alloy containing the above elements as a component, an alloy combining the above elements, or the like. One or more materials selected from manganese (Mn), magnesium (Mg), zirconium (Zr), beryllium (Be), and thorium (Th) can be used. The first electrode 105 and the second electrode 109 can have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single layer structure of aluminum containing silicon (Si), a two-layer structure in which a titanium layer is stacked on an aluminum layer, a two-layer structure in which a titanium layer is stacked on a tungsten layer, a titanium layer, and an overlay on the titanium layer And a three-layer structure in which an aluminum layer is stacked and a titanium layer is further formed thereon.

また、アルミニウム(Al)に、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、ネオジム(Nd)、スカンジウム(Sc)などアルミニウム層に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているアルミニウム材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。 In addition, hillocks and whiskers formed in an aluminum layer such as titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr), neodymium (Nd), and scandium (Sc) are formed on aluminum (Al). It is possible to improve heat resistance by using an aluminum material to which an element for preventing the generation of oxygen is added.

第1の電極105及び第2の電極109は、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ合金(In―SnO、ITOと略記する)、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In―ZnO)または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 The first electrode 105 and the second electrode 109 may be formed using a conductive metal oxide. Examples of the conductive metal oxide include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium oxide tin oxide alloy (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), An indium oxide-zinc oxide alloy (In 2 O 3 —ZnO) or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used.

酸化物半導体層107としては、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系膜や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系膜、In−Sn−Zn−O系膜、In−Al−Zn−O系膜、Sn−Ga−Zn−O系膜、Al−Ga−Zn−O系膜、Sn−Al−Zn−O系膜や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系膜、Sn−Zn−O系膜、Al−Zn−O系膜、Zn−Mg−O系膜、Sn−Mg−O系膜、In−Mg−O系膜、In−Ga−O系膜や、In−O系膜、Sn−O系膜、Zn−O系膜などの酸化物半導体層を用いることができる。また、上記酸化物半導体層にSiOを含んでもよい。 As the oxide semiconductor layer 107, an In—Sn—Ga—Zn—O-based film that is a quaternary metal oxide, an In—Ga—Zn—O-based film that is a ternary metal oxide, In—Sn, or the like. -Zn-O-based film, In-Al-Zn-O-based film, Sn-Ga-Zn-O-based film, Al-Ga-Zn-O-based film, Sn-Al-Zn-O-based film, and binary In—Zn—O-based film, Sn—Zn—O-based film, Al—Zn—O-based film, Zn—Mg—O-based film, Sn—Mg—O-based film, In—Mg— An oxide semiconductor layer such as an O-based film, an In-Ga-O-based film, an In-O-based film, a Sn-O-based film, or a Zn-O-based film can be used. Further, the oxide semiconductor layer may include SiO 2 .

また、酸化物半導体層107は、InMO(ZnO)(m>0)で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al、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及びAl、Ga及びMn、またはGa及びCoなどがある。InMO(ZnO)(m>0)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系膜ともよぶこととする。 For the oxide semiconductor layer 107, a thin film represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0) can be used. Here, M represents one or more metal elements selected from Ga, Al, Mn, and Co. For example, M includes Ga, Ga and Al, Ga and Mn, or Ga and Co. Among oxide semiconductor layers having a structure represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0), an oxide semiconductor having a structure containing Ga as M is referred to as an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor. The thin film is also referred to as an In—Ga—Zn—O-based film.

本実施の形態で用いる酸化物半導体層107は、酸化物半導体層に含まれる水素の濃度が5×1019/cm以下、好ましくは5×1018/cm以下、より好ましくは5×1017/cm以下か、または1×1016/cm未満であり、酸化物半導体層に含まれる水素が低減されている。即ち、酸化物半導体層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、酸化物半導体層107のキャリア濃度は1×1012/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満である。即ち、酸化物半導体層のキャリア濃度は、限りなくゼロに近い。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、酸化物半導体層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、キャリア濃度は、ホール効果測定により測定することができる。 In the oxide semiconductor layer 107 used in this embodiment, the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer is 5 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10. It is 17 / cm 3 or less or less than 1 × 10 16 / cm 3 , and hydrogen contained in the oxide semiconductor layer is reduced. That is, the oxide semiconductor layer is highly purified so that impurities other than the main component of the oxide semiconductor layer are not included as much as possible. The carrier concentration of the oxide semiconductor layer 107 is less than 1 × 10 12 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 . That is, the carrier concentration of the oxide semiconductor layer is as close to zero as possible. The energy gap is 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more. Note that the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer may be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The carrier concentration can be measured by Hall effect measurement.

酸化物半導体層107の厚さは、30nm以上3000nm以下とするとよい。酸化物半導体層107の厚さを薄くすることで、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、酸化物半導体層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。 The thickness of the oxide semiconductor layer 107 is preferably greater than or equal to 30 nm and less than or equal to 3000 nm. By reducing the thickness of the oxide semiconductor layer 107, the channel length of the transistor can be reduced, so that a transistor with high on-state current and high field-effect mobility can be manufactured. On the other hand, by increasing the thickness of the oxide semiconductor layer 107, which is typically greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 3000 nm, a high-power semiconductor device can be manufactured.

ゲート絶縁層111は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、または酸化アルミニウムを単層でまたは積層して形成することができる。ゲート絶縁層111は、酸化物半導体層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により形成する。酸化シリコンを用いることで、酸化物半導体層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。ゲート絶縁層111の厚さは、50nm以上500nm以下とするとよい。ゲート絶縁層111の厚さを薄くすることで、電界効果移動度の高い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、ゲート絶縁層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。 The gate insulating layer 111 can be formed using a single layer or a stack of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or aluminum oxide. The portion of the gate insulating layer 111 that is in contact with the oxide semiconductor layer 107 preferably contains oxygen, and is particularly preferably formed using silicon oxide. By using silicon oxide, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor layer 107, whereby characteristics can be improved. The thickness of the gate insulating layer 111 is preferably greater than or equal to 50 nm and less than or equal to 500 nm. By reducing the thickness of the gate insulating layer 111, a transistor with high field-effect mobility can be manufactured, and a driver circuit can be manufactured over the same substrate. On the other hand, by increasing the thickness of the gate insulating layer 111, gate leakage current can be reduced.

また、ゲート絶縁層111として、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたHfSixOy(x>0、y>0)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>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電流を低減できる。さらには、high−k材料と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、または酸化アルミニウムのいずれか一以上との積層構造とすることができる。 As the gate insulating layer 111, hafnium silicate (HfSixOy (x> 0, y> 0)), nitrogen-added HfSixOy (x> 0, y> 0), nitrogen-added hafnium aluminate (HfAlxOy ( x> 0, y> 0)), and using a high-k material such as hafnium oxide or yttrium oxide can reduce the gate leakage current. Furthermore, a stacked structure of a high-k material and any one or more of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, and aluminum oxide can be employed.

ゲート電極として機能する第3の電極113及び第3の電極115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、ベリリウムから選択されたのいずれか一または複数の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の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上にアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層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いずれか一、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。 The third electrode 113 and the third electrode 115 functioning as gate electrodes are elements selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, or alloys containing the above elements as components. An alloy film combined with elements can be used. One or more materials selected from manganese, magnesium, zirconium, and beryllium may be used. The third electrode 113 and the third electrode 115 may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single layer structure of aluminum containing silicon, a two-layer structure in which a titanium layer is laminated on an aluminum layer, a titanium layer, and a three layer in which an aluminum layer is laminated on the titanium layer and a titanium layer is further formed thereon There are structures. Alternatively, aluminum may be an alloy film or a nitride film in which any one or a combination of elements selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium is used.

本実施の形態に係る酸化物半導体層は、n型不純物である水素を酸化物半導体層から除去し、酸化物半導体層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。 The oxide semiconductor layer according to this embodiment is purified by removing hydrogen, which is an n-type impurity, from the oxide semiconductor layer so that impurities other than the main components of the oxide semiconductor layer are included as much as possible. Intrinsic (i-type) or intrinsic type. That is, it is characterized by not being made i-type by adding impurities, but by removing impurities such as hydrogen, water, hydroxyl group or hydride as much as possible to obtain highly purified i-type (intrinsic semiconductor) or close to it. Yes. By doing so, the Fermi level (Ef) can be brought to the same level as the intrinsic Fermi level (Ei).

上記したように、不純物を極力除去することにより、例えば、トランジスタのチャネル幅Wが1×10μmでチャネル長が3μmの素子であっても、オフ電流が10−13A以下ときわめて低く、さらに、サブスレッショルドスイング値(S値)を0.1V/dec.(ゲート絶縁層厚100nm)以下とすることができる。 As described above, by removing impurities as much as possible, for example, even when the channel width W of the transistor is 1 × 10 4 μm and the channel length is 3 μm, the off current is as low as 10 −13 A or less, Further, the subthreshold swing value (S value) is set to 0.1 V / dec. (Gate insulating layer thickness 100 nm) or less.

このように、酸化物半導体層の主成分以外の不純物、代表的には水素、水、水酸基また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、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。 As described above, the operation of the transistor is improved by increasing the purity so that impurities other than the main component of the oxide semiconductor layer, typically hydrogen, water, hydroxyl, or hydride, are not included as much as possible. can do. In particular, off-state current can be reduced.

ところで、チャネルが基板と概略平行に形成される横型トランジスタにおいては、チャネルのほかにソース及びドレインを設ける必要があり、基板におけるトランジスタの専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、トランジスタの微細化が可能である。なお、微細化などの制約がなければ、本実施の形態を横型トランジスタに適用することも可能である。 By the way, in a lateral transistor in which a channel is formed substantially parallel to a substrate, it is necessary to provide a source and a drain in addition to the channel, and the area occupied by the transistor on the substrate becomes large, which prevents miniaturization. However, in the vertical transistor, since the source, the channel, and the drain are stacked, the occupied area on the substrate surface can be reduced. As a result, the transistor can be miniaturized. Note that this embodiment can be applied to a horizontal transistor if there is no restriction such as miniaturization.

また、縦型トランジスタのチャネル長は、酸化物半導体層の厚さで制御できるため、酸化物半導体層107の厚さを薄くすることでチャネル長の小さい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、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を有するトランジスタは、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、酸化物半導体層の厚さを薄くし、縦型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トランジスタとすることができる。 In addition, since the channel length of the vertical transistor can be controlled by the thickness of the oxide semiconductor layer, the transistor with a small channel length can be obtained by reducing the thickness of the oxide semiconductor layer 107. By reducing the channel length, the series resistance of the source, the channel, and the drain can be reduced, so that the on-state current and field-effect mobility of the transistor can be increased. In addition, a transistor including a highly purified oxide semiconductor with a reduced hydrogen concentration has an extremely low off-state current and an insulating state in which almost no current flows when the transistor is off. Therefore, even when the thickness of the oxide semiconductor layer is reduced and the channel length of the vertical transistor is reduced, a transistor with almost no off-state current in a non-conductive state can be obtained.

このように、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を用いることで、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トランジスタを作製することができる。本実施の形態では、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を有するトランジスタを用いてダイオードを形成する。 In this manner, by using a highly purified oxide semiconductor with a reduced hydrogen concentration, it is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off. A transistor can be manufactured. In this embodiment, a diode is formed using a transistor including a highly purified oxide semiconductor with reduced hydrogen concentration.

なお、本実施の形態のダイオードは、図1に示すものに限定されない。図1に示すダイオードでは、酸化物半導体層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2に示すように、酸化物半導体層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。 Note that the diode of this embodiment is not limited to that shown in FIG. In the diode illustrated in FIG. 1, current flows from the second electrode 109 to the first electrode 105 in the oxide semiconductor layer 107, but as illustrated in FIG. 2, the first electrode 105 flows in the oxide semiconductor layer 107. A current may flow from the first electrode 109 to the second electrode 109.

図2に示すダイオードでは、配線125が第3の電極113および第3の電極115と接続され、更には第1の電極105と接続されている。第1の電極105は酸化物半導体層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。 In the diode illustrated in FIG. 2, the wiring 125 is connected to the third electrode 113 and the third electrode 115, and further connected to the first electrode 105. The first electrode 105 is connected to the second electrode 109 through the oxide semiconductor layer 107. The second electrode 109 is connected to the wiring 129.

なお、図2に示すダイオードでは、配線125が他の電極などとの重なりを避けて設けられているため、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。 In the diode shown in FIG. 2, since the wiring 125 is provided so as not to overlap with other electrodes and the like, it can be operated while suppressing parasitic capacitance generated between the wiring 125 and these electrodes. .

このような水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を有するトランジスタのソースまたはドレインをゲートと電気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従って、アバランシェ降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が大きい)ダイオードを作製することができる。 By electrically connecting the source or drain of the transistor including the highly purified oxide semiconductor with reduced hydrogen concentration to the gate, a diode with extremely low reverse current can be obtained. Therefore, a diode in which an avalanche breakdown phenomenon hardly occurs (that is, a high breakdown voltage) can be manufactured.

また、第1の電極105の酸化物半導体層107と接する導電性材料の仕事関数をφmdとし、第2の電極109の酸化物半導体層107と接する導電性材料の仕事関数をφmsとし、酸化物半導体層107の電子親和力をχとし、これらを式1を充足するように構成することで、第1の電極105及び第2の電極109と、酸化物半導体層107との接合界面におけるエネルギー障壁を低減し、特に順方向電流特性に優れたダイオードとすることができる。
φms≦χ≧φmd・・・式1
The work function of the conductive material in contact with the oxide semiconductor layer 107 of the first electrode 105 is φmd, the work function of the conductive material in contact with the oxide semiconductor layer 107 of the second electrode 109 is φms, and the oxide By setting the electron affinity of the semiconductor layer 107 to χ and satisfying Equation 1, the energy barrier at the junction interface between the first electrode 105 and the second electrode 109 and the oxide semiconductor layer 107 can be obtained. The diode can be reduced and particularly excellent in forward current characteristics.
φms ≦ χ ≧ φmd Formula 1

図3に、図1及び図2で説明した、酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタを用いたダイオードを回路記号で示す。図3(A)は、図1で説明した酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタを用いたダイオードの回路記号であり、第2の電極109が配線125を介して、第3の電極113および第3の電極115に接続されている状態を示している。第2の電極109に第1の電極105よりも高い電圧(正の電圧)が印加されると、ゲート電極として機能する第3の電極113および第3の電極115にも正の電圧が印加されるため、トランジスタ133がオン状態となり、第1の電極105と第2の電極109の間に電流が流れる。 FIG. 3 shows a circuit symbol of a diode using the n-type transistor including an oxide semiconductor (OS) described with reference to FIGS. FIG. 3A is a circuit symbol of a diode using the n-type transistor including the oxide semiconductor (OS) described in FIG. 1, and the second electrode 109 is connected to the third electrode 113 through the wiring 125. And the state connected to the 3rd electrode 115 is shown. When a voltage (positive voltage) higher than that of the first electrode 105 is applied to the second electrode 109, a positive voltage is also applied to the third electrode 113 and the third electrode 115 that function as gate electrodes. Therefore, the transistor 133 is turned on, and a current flows between the first electrode 105 and the second electrode 109.

一方、第2の電極109に第1の電極105よりも低い電圧(負の電圧)が印加されると、トランジスタ133がオフ状態となるため、第1の電極105と第2の電極109の間に電流がほとんど流れない。このようにして、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を有するトランジスタ133を、第2の電極109をアノード、第1の電極105をカソードとするダイオードとして機能させることができる。 On the other hand, when a voltage (negative voltage) lower than that of the first electrode 105 is applied to the second electrode 109, the transistor 133 is turned off, so that the first electrode 105 and the second electrode 109 are not connected. Almost no current flows. In this manner, the transistor 133 including a highly purified oxide semiconductor with reduced hydrogen concentration can function as a diode in which the second electrode 109 is an anode and the first electrode 105 is a cathode.

図3(B)は、図2で説明した酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタを用いたダイオードの回路記号であり、第1の電極105が配線125を介して、第3の電極113および第3の電極115に接続されている状態を示している。第1の電極105に第2の電極109よりも高い電圧(正の電圧)が印加されると、ゲート電極として機能する第3の電極113および第3の電極115にも正の電圧が印加されるため、トランジスタ133がオン状態となり、第1の電極105と第2の電極109の間に電流が流れる。 FIG. 3B is a circuit symbol of a diode using the n-type transistor including the oxide semiconductor (OS) described in FIG. 2, and the first electrode 105 is connected to the third electrode 113 through the wiring 125. And the state connected to the 3rd electrode 115 is shown. When a voltage (positive voltage) higher than that of the second electrode 109 is applied to the first electrode 105, a positive voltage is also applied to the third electrode 113 and the third electrode 115 that function as gate electrodes. Therefore, the transistor 133 is turned on, and a current flows between the first electrode 105 and the second electrode 109.

一方、第1の電極105に第2の電極109よりも低い電圧(負の電圧)が印加されると、トランジスタ133がオフ状態となるため、第1の電極105と第2の電極109の間に電流がほとんど流れない。このようにして、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を有するトランジスタ133を、第1の電極105をアノード、第2の電極109をカソードとするダイオードとして機能させることができる。 On the other hand, when a voltage (negative voltage) lower than that of the second electrode 109 is applied to the first electrode 105, the transistor 133 is turned off, so that the first electrode 105 and the second electrode 109 are not connected to each other. Almost no current flows. In this manner, the transistor 133 including a highly purified oxide semiconductor with a reduced hydrogen concentration can function as a diode having the first electrode 105 as an anode and the second electrode 109 as a cathode.

本実施の形態を用いることで、整流特性に優れ、アバランシェ降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が大きい)ダイオードを作製することができる。特に順バイアス時の特性に優れたダイオードを得ることができる。 By using this embodiment mode, a diode that has excellent rectification characteristics and is unlikely to cause an avalanche breakdown phenomenon (that is, has a high breakdown voltage) can be manufactured. In particular, it is possible to obtain a diode having excellent characteristics during forward bias.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で説明したダイオードの整流特性をより高める構成について図1乃至図5を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a structure in which the rectification characteristics of the diode described in Embodiment 1 are further increased will be described with reference to FIGS.

実施の形態1では、順方向の特性に優れたダイオードの構成について説明したが、本実施の形態では、逆方向の特性に優れたダイオードの構成について説明する。本実施の形態を用いることにより、より逆方向電流が少ないダイオードとすることができる。 In the first embodiment, the configuration of a diode having excellent forward characteristics has been described. In the present embodiment, the configuration of a diode having excellent reverse characteristics will be described. By using this embodiment, a diode with a smaller reverse current can be obtained.

具体的には、トランジスタ133の第1の電極105に使用する導電性材料の仕事関数と、酸化物半導体層107の電子親和力と、第2の電極109に使用する導電性材料の仕事関数の関係を工夫することで、トランジスタ133を、逆方向電流がさらに少ないダイオードとして機能させることができる。 Specifically, the relationship between the work function of the conductive material used for the first electrode 105 of the transistor 133, the electron affinity of the oxide semiconductor layer 107, and the work function of the conductive material used for the second electrode 109. By devising the above, the transistor 133 can function as a diode with a smaller reverse current.

ここで、図4を用いて、仕事関数φMを有する金属と、電子親和力χを有する酸化物半導体の接合におけるエネルギー障壁について説明しておく。 Here, an energy barrier at the junction of a metal having a work function φM and an oxide semiconductor having an electron affinity χ will be described with reference to FIG.

図4(A)は、φMがχよりも大きい場合の熱平衡状態におけるバンド構造であり、接合界面800において、金属801と酸化物半導体802が接合している様子を示している。酸化物半導体802は真性半導体を示しており、酸化物半導体802のフェルミレベル823は、伝導帯822と価電子帯824のほぼ中央に位置している。金属801の仕事関数φMは、真空準位820と、金属801のフェルミレベル821のエネルギー差であり、図中では仕事関数803として示している。酸化物半導体802の電子親和力χは、真空準位820と、酸化物半導体802の伝導帯822のエネルギー差であり、図中では電子親和力804として示している。 FIG. 4A shows a band structure in a thermal equilibrium state when φM is larger than χ, and shows a state where the metal 801 and the oxide semiconductor 802 are bonded at the bonding interface 800. The oxide semiconductor 802 represents an intrinsic semiconductor, and the Fermi level 823 of the oxide semiconductor 802 is located approximately at the center of the conduction band 822 and the valence band 824. The work function φM of the metal 801 is an energy difference between the vacuum level 820 and the Fermi level 821 of the metal 801, and is shown as a work function 803 in the drawing. The electron affinity χ of the oxide semiconductor 802 is an energy difference between the vacuum level 820 and the conduction band 822 of the oxide semiconductor 802, and is shown as an electron affinity 804 in the drawing.

接合界面800において、金属801のフェルミレベル821と酸化物半導体802のフェルミレベル823は一致する。また、伝導帯822及び価電子帯824は、φMとχのエネルギー差に応じて、接合界面800近傍で曲がった形状となる。 At the junction interface 800, the Fermi level 821 of the metal 801 and the Fermi level 823 of the oxide semiconductor 802 coincide with each other. In addition, the conduction band 822 and the valence band 824 are bent in the vicinity of the junction interface 800 in accordance with the energy difference between φM and χ.

エネルギー障壁805は、仕事関数803(φM)と電子親和力804(χ)のエネルギー差(φM−χ)であり、図4(A)では、仕事関数803(φM)が酸化物半導体802の電子親和力804(χ)より大きいため、エネルギー障壁805は正の値となる。このため、金属801に存在する電子は、エネルギー障壁805に阻まれ、酸化物半導体802の伝導帯822にほとんど移動することができない。すなわち、電流が流れにくくなる。 The energy barrier 805 is an energy difference (φM−χ) between the work function 803 (φM) and the electron affinity 804 (χ). In FIG. 4A, the work function 803 (φM) is the electron affinity of the oxide semiconductor 802. Since it is larger than 804 (χ), the energy barrier 805 has a positive value. Therefore, electrons existing in the metal 801 are blocked by the energy barrier 805 and hardly move to the conduction band 822 of the oxide semiconductor 802. That is, it becomes difficult for current to flow.

図4(B)は、φMがχよりも小さい場合の熱平衡状態におけるバンド構造を示している。図4(B)では、仕事関数803(φM)が酸化物半導体802の電子親和力804(χ)より小さいため、エネルギー障壁805は負の値となる。このため、金属801に存在する電子は、酸化物半導体802の伝導帯822に容易に移動することができる。すなわち、電流が流れ易くなる。 FIG. 4B shows a band structure in a thermal equilibrium state when φM is smaller than χ. In FIG. 4B, since the work function 803 (φM) is smaller than the electron affinity 804 (χ) of the oxide semiconductor 802, the energy barrier 805 has a negative value. Therefore, electrons present in the metal 801 can easily move to the conduction band 822 of the oxide semiconductor 802. That is, the current easily flows.

なお、仕事関数803(φM)と電子親和力804(χ)が等しい場合は、エネルギー障壁805が存在しないため、金属801に存在する電子は、酸化物半導体802の伝導帯822に容易に移動することができる。すなわち、エネルギー障壁805が負の値の場合と同様に、電流が流れ易くなる。 Note that in the case where the work function 803 (φM) and the electron affinity 804 (χ) are equal, the energy barrier 805 does not exist; thus, electrons existing in the metal 801 can easily move to the conduction band 822 of the oxide semiconductor 802. Can do. That is, the current easily flows as in the case where the energy barrier 805 has a negative value.

続いて、図4(A)で説明したエネルギー障壁を、トランジスタ133に適用することにより、逆方向電流を効果的に低減し、整流特性に優れたダイオードを実現するトランジスタの構成について図1及び図2を用いて説明する。 Next, by applying the energy barrier described in FIG. 4A to the transistor 133, a structure of a transistor that effectively reduces a reverse current and realizes a diode with excellent rectification characteristics is illustrated in FIGS. 2 will be described.

図1で説明したトランジスタ133は、第2の電極109が、第3の電極113及び第3の電極115に接続している。このため、トランジスタ133は、第2の電極109をアノード、第1の電極105をカソードとするダイオードとして機能する。 In the transistor 133 described with reference to FIG. 1, the second electrode 109 is connected to the third electrode 113 and the third electrode 115. Therefore, the transistor 133 functions as a diode having the second electrode 109 as an anode and the first electrode 105 as a cathode.

また、図2で説明したトランジスタ133は、第1の電極105が、第3の電極113及び第3の電極115に接続している。このため、トランジスタ133は、第1の電極105をアノード、第2の電極109をカソードとするダイオードとして機能する。 In the transistor 133 described in FIG. 2, the first electrode 105 is connected to the third electrode 113 and the third electrode 115. Therefore, the transistor 133 functions as a diode having the first electrode 105 as an anode and the second electrode 109 as a cathode.

第1の電極105または第2の電極109のうち、アノードとなる電極の酸化物半導体層107と接する導電性材料の仕事関数をφmdとし、第1の電極105または第2の電極109のうち、カソードとなる電極の酸化物半導体層107と接する導電性材料の仕事関数をφmsとし、酸化物半導体層107の電子親和力をχとし、これらを式2を充足するように構成する。
φms>χ≧φmd・・・式2
Of the first electrode 105 or the second electrode 109, the work function of the conductive material in contact with the oxide semiconductor layer 107 of the electrode serving as the anode is φ md, and among the first electrode 105 or the second electrode 109, The work function of the conductive material in contact with the oxide semiconductor layer 107 of the electrode serving as the cathode is φms, the electron affinity of the oxide semiconductor layer 107 is χ, and these are configured to satisfy Equation 2.
φms> χ ≧ φmd Expression 2

例えば、酸化物半導体の電子親和力χが4.3eVである場合、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい仕事関数の導電性材料の例として、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、金(Au)、プラチナ(Pt)、銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ベリリウム(Be)、酸化インジウム錫(ITO)などを用いることができる。 For example, when the electron affinity χ of the oxide semiconductor is 4.3 eV, examples of the conductive material having a work function larger than the electron affinity of the oxide semiconductor include tungsten (W), molybdenum (Mo), and chromium (Cr). Iron (Fe), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), cobalt (Co), nickel (Ni), beryllium (Be), indium tin oxide (ITO), or the like can be used.

また、酸化物半導体の電子親和力χが4.3eVである場合、仕事関数が酸化物半導体の電子親和力以下である導電性材料の例として、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、タンタル(Ta)、窒化タンタル、窒化チタンなどを用いることができる。 In addition, when the electron affinity χ of the oxide semiconductor is 4.3 eV, examples of the conductive material having a work function equal to or lower than the electron affinity of the oxide semiconductor include titanium (Ti), yttrium (Y), and aluminum (Al). Zirconium (Zr), magnesium (Mg), silver (Ag), manganese (Mn), tantalum (Ta), tantalum nitride, titanium nitride, or the like can be used.

実施の形態1で示したように、第1の電極105または第2の電極109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。この場合、酸化物半導体に接する層を、式2を満たす関係とすればよい。例えば、カソードとして機能する第1の電極105を、モリブデンとアルミニウムとチタンの三層構造とする場合は、酸化物半導体に接する層にタングステンを使用し、アルミニウムをモリブデンとチタンで挟む構造とする。アルミニウムは、モリブデン及びチタンよりも抵抗率が小さいため、配線抵抗を低減させる効果が実現できる。また、アルミニウムをモリブデンとチタンで挟む構造とすることで、アルミニウムのマイグレーションを防ぐ事ができる。 As described in Embodiment 1, the first electrode 105 or the second electrode 109 can have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. In this case, the layer in contact with the oxide semiconductor may have a relationship satisfying Expression 2. For example, in the case where the first electrode 105 functioning as the cathode has a three-layer structure of molybdenum, aluminum, and titanium, tungsten is used for a layer in contact with the oxide semiconductor, and aluminum is sandwiched between molybdenum and titanium. Since aluminum has a lower resistivity than molybdenum and titanium, the effect of reducing the wiring resistance can be realized. In addition, aluminum migration can be prevented by sandwiching aluminum between molybdenum and titanium.

図5に、図1で説明したダイオードを、式1を満たすように構成した場合と、式2を満たすように構成した場合の逆方向電流のデバイスシミュレーション結果を示す。デバイスシミュレーションは、Silvaco社製ソフトウエア「Atlas」を用いて行った。前提条件として、アノードとカソード間の距離(酸化物半導体層の厚さ)を500nm、アノード及びカソードと酸化物半導体層の接触面積を1μm(1μm×1μm)、酸化物半導体層の電子親和力(χ)を4.3eV、アノードとなる導電層の仕事関数(φmd)を4.3eVとした。また、カソードとなる導電層の仕事関数(φms)は、式1を満たす構成の場合は4.3eVとし、式2を満たす構成の場合は4.7eVとした。また、ダイオードとして用いるトランジスタのゲート絶縁層を、厚さ100nm、比誘電率4.0としてシミュレーションを行った。 FIG. 5 shows the device simulation results of the reverse current when the diode described in FIG. 1 is configured to satisfy Equation 1 and when it is configured to satisfy Equation 2. FIG. The device simulation was performed using software “Atlas” manufactured by Silvaco. As a precondition, the distance between the anode and the cathode (the thickness of the oxide semiconductor layer) is 500 nm, the contact area between the anode and the cathode and the oxide semiconductor layer is 1 μm 2 (1 μm × 1 μm), and the electron affinity of the oxide semiconductor layer ( χ) was set to 4.3 eV, and the work function (φmd) of the conductive layer serving as the anode was set to 4.3 eV. In addition, the work function (φms) of the conductive layer serving as the cathode was 4.3 eV in the case of the configuration satisfying Equation 1, and 4.7 eV in the case of the configuration satisfying Equation 2. In addition, simulation was performed with a gate insulating layer of a transistor used as a diode having a thickness of 100 nm and a relative dielectric constant of 4.0.

図5の横軸は逆バイアス時のアノード−カソード間(ドレイン−ソース間)電圧(Vds)を示している。縦軸はアノード−カソード間(ドレイン−ソース間)の電流(Ids)を示している。また、曲線851は式1を満たす構成としたダイオードの逆方向電流電圧特性を示しており、曲線852は式2を満たす構成としたダイオードの逆方向電流電圧特性を示している。図5から、式1及び式2を満たす構成としたダイオードのどちらも逆方向電流が少ないことが確認できるが、式2を満たす構成としたダイオードの方がより逆方向電流が少なくなっていることが確認できる。 The horizontal axis of FIG. 5 represents the anode-cathode (drain-source) voltage (Vds) during reverse bias. The vertical axis represents the current (Ids) between the anode and cathode (between drain and source). A curve 851 indicates the reverse current-voltage characteristic of the diode configured to satisfy Expression 1, and a curve 852 indicates the reverse current-voltage characteristic of the diode configured to satisfy Expression 2. From FIG. 5, it can be confirmed that both the diodes configured to satisfy Equation 1 and Equation 2 have less reverse current, but the diode configured to satisfy Equation 2 has a smaller reverse current. Can be confirmed.

このように、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、酸化物半導体の電子親和力と電極材料の仕事関数の関係を、式2を満たす構成とすることで、より整流特性に優れ、アバランシェ降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が大きい)ダイオードを作製することができる。特に逆方向電流(漏れ電流)の少ないダイオードを得ることができる。 In this manner, by using a transistor including an oxide semiconductor, the relationship between the electron affinity of the oxide semiconductor and the work function of the electrode material satisfies Equation 2, so that the rectification characteristics are further improved and the avalanche breakdown phenomenon is reduced. A diode that does not easily occur (that is, has a high breakdown voltage) can be manufactured. In particular, a diode with a low reverse current (leakage current) can be obtained.

(実施の形態3)
本実施の形態では、非線形素子の一態様である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、トランジスタのソース電極またはドレイン電極にゲート電極が電気的に接続されたものである。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a diode that is one embodiment of a nonlinear element and a structure different from those in Embodiments 1 and 2 will be described with reference to FIGS. In the diode described in this embodiment, a gate electrode is electrically connected to a source electrode or a drain electrode of a transistor.

図6に示すダイオードでは、配線131が第1の電極105および第3の電極113と接続され、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は酸化物半導体層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。 In the diode illustrated in FIG. 6, the wiring 131 is connected to the first electrode 105 and the third electrode 113, and the wiring 132 is connected to the first electrode 106 and the third electrode 115. The first electrode 105 and the first electrode 106 are connected to the second electrode 109 through the oxide semiconductor layer 107. The second electrode 109 is connected to the wiring 129.

図6(A)はダイオード接続されたトランジスタ141、トランジスタ143の上面図であり、図6(B)は図6(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。 6A is a top view of the diode-connected transistors 141 and 143, and FIG. 6B corresponds to a cross-sectional view taken along dashed-dotted line AB in FIG. 6A.

図6(B)に示すように、基板101上に形成された絶縁層103上に、第1の電極105、第1の電極106、酸化物半導体層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、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁層111が設けられている。ゲート絶縁層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。ゲート絶縁層111及び第3の電極113及び第3の電極115上には層間絶縁層として機能する絶縁層117が設けられている。絶縁層117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115と接続する配線132(図6(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129が形成される。 As illustrated in FIG. 6B, the first electrode 105, the first electrode 106, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 are stacked over the insulating layer 103 formed over the substrate 101. The A gate insulating layer 111 is provided so as to cover the first electrode 105, the first electrode 106, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109. A third electrode 113 and a third electrode 115 are provided over the gate insulating layer 111. An insulating layer 117 functioning as an interlayer insulating layer is provided over the gate insulating layer 111, the third electrode 113, and the third electrode 115. An opening is formed in the insulating layer 117, and a wiring 131 connected to the first electrode 105 and the third electrode 113 and a wiring 132 connected to the first electrode 106 and the third electrode 115 in the opening. A wiring 129 connected to the second electrode 109 is formed (see FIG. 6A).

第1の電極105は、トランジスタ141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1の電極106は、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、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、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、トランジスタ143のゲート電極として機能する。 The first electrode 105 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 141. The first electrode 106 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 143. The second electrode 109 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistors 141 and 143. The third electrode 113 functions as the gate electrode of the transistor 141. The third electrode 115 functions as a gate electrode of the transistor 143.

本実施の形態では、第1の電極105と、第1の電極106とが分離されていることを特徴とする。更には、トランジスタ141と、トランジスタ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。 In this embodiment mode, the first electrode 105 and the first electrode 106 are separated from each other. Further, the transistor 141 and the transistor 143 are connected in parallel by the second electrode 109 and the wiring 129.

または、トランジスタ141と第2のトランジスタ143を直列に接続してもよい。この場合、第1の電極105は、トランジスタ141のソース電極または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、トランジスタ141のソース電極または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113は、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、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(例えばソース)として機能する。第1の電極106は、トランジスタ143のソース電極または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115は、トランジスタ143のゲート電極として機能する。 Alternatively, the transistor 141 and the second transistor 143 may be connected in series. In this case, the first electrode 105 functions as one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 141 (for example, a source). The second electrode 109 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 141 (for example, the drain). The third electrode 113 functions as the gate electrode of the transistor 141. The second electrode 109 functions as one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 143 (for example, a source). The first electrode 106 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 143 (for example, the drain). The third electrode 115 functions as a gate electrode of the transistor 143.

即ち、トランジスタ141と第2のトランジスタ143が第2の電極109で直列に接続する。この場合、配線129を設けなくともよい。 That is, the transistor 141 and the second transistor 143 are connected in series by the second electrode 109. In this case, the wiring 129 is not necessarily provided.

本実施の形態のトランジスタ141、トランジスタ143は、実施の形態1及び実施の形態2と同様に、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層を用いている。このため、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トランジスタを作製することができる。 As in the first and second embodiments, the transistor 141 and the transistor 143 in this embodiment use oxide semiconductor layers with reduced hydrogen concentration and high purity. Therefore, the operation of the transistor can be improved. In particular, off-state current can be reduced. As a result, a transistor which is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off can be manufactured.

なお、本実施の形態のダイオードは、図6に示すものに限定されない。図6に示すダイオードでは、酸化物半導体層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、酸化物半導体層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。 Note that the diode of this embodiment is not limited to that shown in FIG. In the diode illustrated in FIG. 6, current flows from the first electrode 105 to the second electrode 109 in the oxide semiconductor layer 107, but as illustrated in FIG. 7, the second electrode 109 flows in the oxide semiconductor layer 107. A current may flow from the first electrode 105 to the first electrode 105.

図7に示すダイオードでは、配線125が第3の電極113および第3の電極115と接続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体層107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および配線132に接続されている。 In the diode illustrated in FIG. 7, the wiring 125 is connected to the third electrode 113 and the third electrode 115 and further to the second electrode 109, and the second electrode 109 is connected to the oxide semiconductor layer 107. It is connected to the first electrode 105. The first electrode 105 is connected to the wiring 131 and the wiring 132.

なお、図7に示すダイオードでは、配線125がトランジスタ141およびトランジスタ143と重畳して設けられているが、これに限定されず、図2と同様に、配線125がトランジスタ141およびトランジスタ143と重畳しないように設けてもよく、配線125がトランジスタ141およびトランジスタ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。 Note that in the diode illustrated in FIG. 7, the wiring 125 is provided so as to overlap with the transistors 141 and 143. However, the present invention is not limited to this, and the wiring 125 does not overlap with the transistors 141 and 143 as in FIG. In the case where the wiring 125 does not overlap with the transistor 141 and the transistor 143, operation can be performed while suppressing parasitic capacitance generated between the wiring 125 and these electrodes.

このようにトランジスタのソース電極またはドレイン電極をゲート電極と電気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少な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。 In this way, by electrically connecting the source electrode or the drain electrode of the transistor to the gate electrode, a diode with extremely low reverse current can be obtained. Accordingly, it is possible to manufacture a diode in which a breakdown phenomenon hardly occurs (that is, a high breakdown voltage).

(実施の形態4)
本実施の形態では、非線形素子の一態様である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8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、トランジスタのソース電極またはドレイン電極にゲートが接続されたものである。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a diode that is one embodiment of a nonlinear element and a structure different from those in Embodiments 1 and 2 will be described with reference to FIGS. In the diode described in this embodiment, a gate is connected to a source electrode or a drain electrode of a transistor.

図8に示すダイオードでは、配線131が第1の電極105および第3の電極113と接続されている。第1の電極105は酸化物半導体層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。 In the diode illustrated in FIG. 8, the wiring 131 is connected to the first electrode 105 and the third electrode 113. The first electrode 105 is connected to the second electrode 109 through the oxide semiconductor layer 107. The second electrode 109 is connected to the wiring 129.

図8(A)はダイオード接続されたトランジスタ145の上面図であり、図8(B)は図8(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。 8A is a top view of the diode-connected transistor 145, and FIG. 8B corresponds to a cross-sectional view taken along dashed-dotted line AB in FIG. 8A.

図8(B)に示すように、基板101上に形成された絶縁層103上に、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁層111が設けられている。ゲート絶縁層111上には、第3の電極113が設けられている。ゲート絶縁層111及び第3の電極113上には層間絶縁層として機能する絶縁層117が設けられている。
絶縁層117に、開口部が形成されており、開口部において第3の電極113と配線131が接続されている。また、絶縁層117及びゲート絶縁層111に開口部が形成されており、開口部において第1の電極105と配線131が接続されており、また、異なる開口部において、第2の電極109と配線129が接続されている。(図8(A)参照)。
As illustrated in FIG. 8B, the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 are stacked over the insulating layer 103 formed over the substrate 101. A gate insulating layer 111 is provided so as to cover the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109. A third electrode 113 is provided over the gate insulating layer 111. An insulating layer 117 serving as an interlayer insulating layer is provided over the gate insulating layer 111 and the third electrode 113.
An opening is formed in the insulating layer 117, and the third electrode 113 and the wiring 131 are connected to the opening. In addition, an opening is formed in the insulating layer 117 and the gate insulating layer 111, and the first electrode 105 and the wiring 131 are connected to each other in the opening, and the second electrode 109 and the wiring are connected in different openings. 129 is connected. (See FIG. 8A).

第1の電極105は、トランジスタ145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、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、トランジスタ145のゲート電極として機能する。 The first electrode 105 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 145. The second electrode 109 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 145. The third electrode 113 functions as a gate electrode of the transistor 145.

本実施の形態では、ゲート電極として機能する第3の電極113が環状であることを特徴とする。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、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、トランジスタのオン電流を高めることができる。 In this embodiment mode, the third electrode 113 functioning as a gate electrode is annular. By forming the third electrode 113 functioning as a gate electrode into a ring shape, the channel width of the transistor can be increased. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased.

本実施の形態のトランジスタ141、トランジスタ143は、実施の形態1と同様に、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を用いている。このため、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トランジスタを作製することができる。 As in the first embodiment, the transistor 141 and the transistor 143 in this embodiment use oxide semiconductors with reduced hydrogen concentration and high purity. Therefore, the operation of the transistor can be improved. In particular, off-state current can be reduced. As a result, a transistor which is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off can be manufactured.

なお、本実施の形態のダイオードは、図8に示すものに限定されない。図8に示すダイオードでは、酸化物半導体層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9に示すように、酸化物半導体層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。 Note that the diode of this embodiment is not limited to that shown in FIG. In the diode illustrated in FIG. 8, current flows from the first electrode 105 to the second electrode 109 in the oxide semiconductor layer 107, but as illustrated in FIG. 9, the second electrode 109 flows in the oxide semiconductor layer 107. A current may flow from the first electrode 105 to the first electrode 105.

図9に示すダイオードでは、配線129が第2の電極109および第3の電極113と接続されている。第2の電極109は酸化物半導体層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。 In the diode illustrated in FIG. 9, the wiring 129 is connected to the second electrode 109 and the third electrode 113. The second electrode 109 is connected to the first electrode 105 through the oxide semiconductor layer 107. The first electrode 105 is connected to the wiring 131.

このようなトランジスタのソース電極またはドレイン電極をゲート電極と電気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少な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。 By electrically connecting the source electrode or the drain electrode of such a transistor to the gate electrode, a diode with very little reverse current can be obtained. Accordingly, it is possible to manufacture a diode in which a breakdown phenomenon hardly occurs (that is, a high breakdown voltage).

(実施の形態5)
本実施の形態では、図1に示すダイオード接続されたトランジスタの作製工程について、図10を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a manufacturing process of the diode-connected transistor illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図10(A)に示すように、基板101上に絶縁層103を形成し、絶縁層103上に第1の電極105を形成する。第1の電極105は、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。 As shown in FIG. 10A, the insulating layer 103 is formed over the substrate 101, and the first electrode 105 is formed over the insulating layer 103. The first electrode 105 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor.

絶縁層103は、スパッタリング法、CVD法、塗布法などで形成することができる。 The insulating layer 103 can be formed by a sputtering method, a CVD method, a coating method, or the like.

なお、スパッタリング法で絶縁層103を形成する場合、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層103を形成することが好ましい。これは、絶縁層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、当該処理室で絶縁層103を形成すると、絶縁層103に含まれる不純物の濃度を低減できる。 Note that in the case where the insulating layer 103 is formed by a sputtering method, it is preferable to form the insulating layer 103 while removing hydrogen, water, hydroxyl groups, hydride, or the like remaining in the treatment chamber. This is to prevent the insulating layer 103 from containing hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like. In order to remove hydrogen, water, hydroxyl groups, hydride, or the like remaining in the treatment chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. As the adsorption-type vacuum pump, for example, a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump is preferably used. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. In the treatment chamber exhausted using a cryopump, hydrogen, water, hydroxyl, hydride, or the like is exhausted; therefore, when the insulating layer 103 is formed in the treatment chamber, the concentration of impurities contained in the insulating layer 103 can be reduced.

また、絶縁層103を形成する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 The sputtering gas used when forming the insulating layer 103 is preferably a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, hydroxyl groups, or hydrides are removed to a concentration of about ppm and a concentration of about ppb.

スパッタリング法にはスパッタ用電源に高周波電源を用いるRFスパッタリング法、直流電源を用いるDCスパッタリング法、また、パルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタリング法もある。RFスパッタリング法は主に絶縁層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。 The sputtering method includes an RF sputtering method using a high frequency power source as a sputtering power source, a DC sputtering method using a direct current power source, and a pulse DC sputtering method for applying a bias in a pulsed manner. The RF sputtering method is mainly used when an insulating layer is formed, and the DC sputtering method is mainly used when a metal film is formed.

また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッタ装置は、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。 There is also a multi-source sputtering apparatus in which a plurality of targets of different materials can be installed. The multi-source sputtering apparatus can be formed by stacking films of different materials in the same chamber, or by simultaneously discharging a plurality of types of materials in the same chamber.

また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法を用いるスパッタ装置や、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。 Further, there are a sputtering apparatus using a magnetron sputtering method having a magnet mechanism inside a chamber, and a sputtering apparatus using an ECR sputtering method using plasma generated using microwaves without using glow discharge.

また、スパッタリング法として、成膜中にターゲット物質とスパッタガス成分とを化学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。 In addition, as a sputtering method, a reactive sputtering method in which a target material and a sputtering gas component are chemically reacted during film formation to form a compound thin film thereof, or a bias sputtering method in which a voltage is applied to the substrate during film formation is used. You can also

本明細書のスパッタリングにおいては、上記したスパッタリング装置及びスパッタリング方法を適宜用いることができる。 In the sputtering of this specification, the above-described sputtering apparatus and sputtering method can be used as appropriate.

本実施の形態では、基板101を処理室へ搬送し、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に絶縁層103として、酸化シリコンを形成する。なお、絶縁層103を形成する際は、基板101は加熱されていてもよい。 In this embodiment mode, the substrate 101 is transferred to the treatment chamber, a sputtering gas containing high-purity oxygen from which hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like is removed is introduced, and an insulating layer is formed on the substrate 101 using a silicon target. As 103, silicon oxide is formed. Note that the substrate 101 may be heated when the insulating layer 103 is formed.

例えば、石英(好ましくは合成石英)を用い、基板温度100℃、基板とターゲットの間との距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源電力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。 For example, quartz (preferably synthetic quartz) is used, the substrate temperature is 100 ° C., the distance between the substrate and the target (distance between TS) is 60 mm, the pressure is 0.4 Pa, the high-frequency power supply power is 1.5 kW, oxygen and argon. Silicon oxide is formed by an RF sputtering method in an atmosphere (oxygen flow rate 25 sccm: argon flow rate 25 sccm = 1: 1). The film thickness is preferably 100 nm, for example. Note that a silicon target can be used instead of quartz (preferably synthetic quartz). Note that oxygen or a mixed gas of oxygen and argon is used as a sputtering gas.

また、絶縁層103を積層構造で形成する場合、例えば、酸化シリコンと基板との間に水素、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を形成する。この場合においても、酸化シリコンと同様に、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。 In the case where the insulating layer 103 is formed in a stacked structure, for example, nitridation is performed using a sputtering target containing high-purity nitrogen from which hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like is removed between a silicon oxide and a substrate and a silicon target. Silicon is formed. Also in this case, it is preferable to form silicon nitride while removing hydrogen, water, hydroxyl group, hydride, or the like remaining in the treatment chamber, as in the case of silicon oxide. Note that in this step, the substrate 101 may be heated.

絶縁層103として窒化シリコンと酸化シリコンとを積層する場合、窒化シリコンと酸化シリコン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を形成する。窒化シリコン及び酸化シリコン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。 In the case where silicon nitride and silicon oxide are stacked as the insulating layer 103, silicon nitride and silicon oxide can be formed in the same treatment chamber using a common silicon target. First, a sputtering gas containing nitrogen is introduced, silicon nitride is formed using a silicon target mounted in the processing chamber, and then silicon oxide is formed using the same silicon target by switching to a sputtering gas containing oxygen. . Since silicon nitride and silicon oxide can be continuously formed without being exposed to the air, it is possible to prevent impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride from adsorbing to the silicon nitride surface.

第1の電極105は、基板101上に導電層をスパッタリング法、CVD法、または真空蒸着法で形成し、当該導電層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層をエッチングして、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層の被覆性が向上するため好ましい。第1の電極105の端部と絶縁層103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層の被覆性を向上させることができる。 For the first electrode 105, a conductive layer is formed over the substrate 101 by a sputtering method, a CVD method, or a vacuum evaporation method, a resist mask is formed over the conductive layer by a photolithography process, and the first electrode 105 is conductive using the resist mask. The layer can be formed by etching. Alternatively, the number of steps can be reduced by forming the first electrode 105 by a printing method or an inkjet method without using a photolithography step. Note that a tapered end portion of the first electrode 105 is preferable because coverage with a gate insulating layer formed later is improved. By setting the angle formed between the end portion of the first electrode 105 and the insulating layer 103 to 30 ° to 60 ° (preferably 40 ° to 50 °), the coverage of a gate insulating layer to be formed later is increased. Can be improved.

本実施の形態では、第1の電極105となる導電層として、スパッタリング法により膜厚50nmのチタン層を形成し、厚さ100nmのアルミニウム層を形成し、厚さ50nmのチタン層を形成する。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、第1の電極105を形成する。なお、後に形成する酸化物半導体層と接する第1の電極105の材料は、実施の形態2で説明した電子親和力と仕事関数の関係を考慮して選定することもできる。 In this embodiment, as the conductive layer to be the first electrode 105, a titanium layer with a thickness of 50 nm is formed by a sputtering method, an aluminum layer with a thickness of 100 nm is formed, and a titanium layer with a thickness of 50 nm is formed. Next, etching is performed using a resist mask formed by a photolithography process, so that the first electrode 105 is formed. Note that the material of the first electrode 105 in contact with the oxide semiconductor layer to be formed later can be selected in consideration of the relationship between the electron affinity and the work function described in Embodiment 2.

次に、図10(B)に示すように、第1の電極105上に酸化物半導体層107及び第2の電極109を形成する。酸化物半導体層107は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。 Next, as illustrated in FIG. 10B, the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 are formed over the first electrode 105. The oxide semiconductor layer 107 functions as a channel formation region of the transistor, and the second electrode 109 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor.

ここで、酸化物半導体層107及び第2の電極109の作製方法について、説明する。 Here, a method for manufacturing the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 is described.

基板101及び第1の電極105上にスパッタリング法により酸化物半導体層を形成する。次に、酸化物半導体層上に導電層を形成する。 An oxide semiconductor layer is formed over the substrate 101 and the first electrode 105 by a sputtering method. Next, a conductive layer is formed over the oxide semiconductor layer.

酸化物半導体層107に水素がなるべく含まれ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層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113及び第3の電極115形成前の基板101に行ってもよい。 In order to prevent hydrogen from being contained in the oxide semiconductor layer 107 as much as possible, as a pretreatment, the substrate 101 over which the first electrode 105 is formed is preliminarily heated and adsorbed to the substrate 101 in a preheating chamber of a sputtering apparatus. It is preferable that impurities such as hydrogen, water, hydroxyl group or hydride are desorbed and exhausted. Note that a cryopump is preferable as an exhaustion unit provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted. This preheating may be performed on the substrate 101 before the formation of the gate insulating layer 111 to be formed later, or may be performed on the substrate 101 before the formation of the third electrode 113 and the third electrode 115 to be formed later. .

なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入し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層を除去することで、第1の電極105及び酸化物半導体層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。 Note that before the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed to remove dust or an oxide layer attached to the surface of the first electrode 105. Thus, resistance at the interface between the first electrode 105 and the oxide semiconductor layer can be reduced, which is preferable. Reverse sputtering is a method of modifying the surface by forming a plasma near the substrate by applying a voltage using a high frequency power source on the substrate side in an argon atmosphere without applying a voltage to the target side. Note that nitrogen, helium, or the like may be used instead of the argon atmosphere.

本実施の形態では、In−Ga−Zn−O系金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により酸化物半導体層を形成する。また、酸化物半導体層は、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、SiO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。 In this embodiment, the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method using an In—Ga—Zn—O-based metal oxide target. The oxide semiconductor layer can be formed by a sputtering method in a rare gas (typically argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas (typically argon) and oxygen atmosphere. In the case of using a sputtering method, a target containing 2 wt% or more and 10 wt% or less of SiO 2 may be used.

酸化物半導体層を形成する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が、濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 As a sputtering gas used for forming the oxide semiconductor layer, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed to a concentration of about ppm and a concentration of ppb is preferably used.

酸化物半導体層をスパッタリング法で作製するためのターゲットとして、酸化亜鉛を主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、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比]、In:Ga:ZnO=1:1:2[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:ZnO=2:2:1[mol数比]、またはIn:Ga:ZnO=1:1:4[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の充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。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は緻密な膜となる。 As a target for forming the oxide semiconductor layer by a sputtering method, a metal oxide target containing zinc oxide as a main component can be used. As another example of the metal oxide target, a metal oxide target containing In, Ga, and Zn (composition ratio: In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1 [mol Number ratio], In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [mol number ratio]). As a metal oxide target containing In, Ga, and Zn, In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 2: 2: 1 [molar ratio], or In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : A target having a composition ratio of ZnO = 1: 1: 4 [molar ratio] can also be used. The filling rate of the metal oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. An oxide semiconductor formed using a metal oxide target with a high filling rate becomes a dense film.

減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内に残留する水分を除去しつつ、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上に酸化物半導体層を形成する。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)などが排気されるため、酸化物半導体層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層を形成してもよい。 A substrate is held in a processing chamber held under reduced pressure, and while removing moisture remaining in the processing chamber, a sputtering gas from which hydrogen, water, hydroxyl group, hydride, or the like is removed is introduced, and a metal oxide is used as a target. An oxide semiconductor layer is formed over the substrate 101. In order to remove hydrogen, water, hydroxyl groups, hydride, or the like remaining in the treatment chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. In the treatment chamber exhausted using a cryopump, for example, hydrogen, water, a hydroxyl group, a hydride, or the like (more preferably, a compound including a carbon atom) is exhausted, so the concentration of impurities contained in the oxide semiconductor layer Can be reduced. Alternatively, the oxide semiconductor layer may be formed while the substrate is heated.

本実施の形態では、酸化物半導体層の成膜条件の一例として、基板温度室温、基板とターゲットの間との距離を110mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源電力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。酸化物半導体層は好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体層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。 In this embodiment, as an example of the deposition conditions of the oxide semiconductor layer, the substrate temperature is room temperature, the distance between the substrate and the target is 110 mm, the pressure is 0.4 Pa, the direct current (DC) power supply power is 0.5 kW, oxygen, Conditions under an atmosphere of argon (oxygen flow rate 15 sccm: argon flow rate 30 sccm) are applied. Note that a pulsed direct current (DC) power source is preferable because powder substances (particles and dust) generated during film formation can be reduced and the film thickness can be uniform. The oxide semiconductor layer is preferably 30 nm or more. The appropriate thickness differs depending on the oxide semiconductor layer material to be applied, and the thickness may be selected as appropriate depending on the material.

なお、酸化物半導体層を形成する際のスパッタリング法は、絶縁層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。 Note that as the sputtering method for forming the oxide semiconductor layer, the sputtering method described for the insulating layer 103 can be used as appropriate.

第2の電極109となる導電層は、第1の電極105の材料及び手法を適宜用いることができる。また、実施の形態2で示したように、使用する材料の仕事関数と酸化物半導体層の電子親和力に応じて、第1の電極105と第2の電極109を異なる材料とすることもできる。ここでは、第2の電極109となる導電層として、厚さ50nmのチタン層、厚さ100nmのアルミニウム層、及び厚さ50nmのチタン層を順に積層する。 For the conductive layer to be the second electrode 109, the material and method of the first electrode 105 can be used as appropriate. As described in Embodiment 2, the first electrode 105 and the second electrode 109 can be different materials depending on the work function of the material used and the electron affinity of the oxide semiconductor layer. Here, as a conductive layer to be the second electrode 109, a titanium layer with a thickness of 50 nm, an aluminum layer with a thickness of 100 nm, and a titanium layer with a thickness of 50 nm are sequentially stacked.

次に、フォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて第2の電極109となる導電層及び酸化物半導体層107となる酸化物半導体層をエッチングして、第2の電極109及び酸化物半導体層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及び酸化物半導体層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層の被覆性を向上させることができるため好ましい。 Next, a resist mask is formed over the conductive layer by a photolithography step, and the conductive layer to be the second electrode 109 and the oxide semiconductor layer to be the oxide semiconductor layer 107 are etched using the resist mask. The second electrode 109 and the oxide semiconductor layer 107 are formed. Note that the number of steps can be reduced by forming a resist mask using an inkjet method instead of a resist mask formed by a photolithography process. By the etching, the angle formed between the end portion of the second electrode 109 and the oxide semiconductor layer 107 and the first electrode 105 is set to 30 ° to 60 ° (preferably 40 ° to 50 °). Therefore, it is preferable because coverage with a gate insulating layer formed later can be improved.

なお、ここでの導電層及び酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体層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。 Note that the etching of the conductive layer and the oxide semiconductor layer here may be dry etching or wet etching, or both may be used. In order to form the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 having desired shapes, etching conditions (such as an etchant, etching time, and temperature) are adjusted as appropriate depending on the material.

なお、第2の電極109となる導電層及び酸化物半導体層と、第1の電極105とのエ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となる導電層及び酸化物半導体層のエッチングレートの高い条件を選択する。または、酸化物半導体層のエッチングレートが低く、第2の電極109となる導電層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となる導電層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、酸化物半導体層のエッチングレートの高い条件を選択する。 Note that in the case where the etching rate of the conductive layer and the oxide semiconductor layer to be the second electrode 109 is different from that of the first electrode 105, the etching rate of the first electrode 105 is low and the second electrode 109 is formed. Conditions under which the etching rate of the conductive layer and the oxide semiconductor layer are high are selected. Alternatively, after the etching rate of the oxide semiconductor layer is low and the conductive layer to be the second electrode 109 is selected to have a high etching rate, the conductive layer to be the second electrode 109 is etched, and then the first electrode A condition where the etching rate of 105 is low and the etching rate of the oxide semiconductor layer is high is selected.

酸化物半導体層をウエットエッチングするエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、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容量比)などを用いることができる。また、ITO−07N(関東化学社製)を用いてもよい。 As an etchant for wet-etching the oxide semiconductor layer, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, ammonia perwater (31 wt% hydrogen peroxide solution: 28 wt% ammonia water: water = 5: 2: 2 volume ratio) ) Etc. can be used. Moreover, ITO-07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) may be used.

また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によって除去される。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。 In addition, the etchant after the wet etching is removed by cleaning together with the etched material. The waste solution of the etching solution containing the removed material may be purified and the contained material may be reused. By recovering and reusing materials such as indium contained in the oxide semiconductor from the waste liquid after the etching, resources can be effectively used and costs can be reduced.

また、ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl)、三塩化硼素(BCl)、四塩化シリコン(SiCl)、四塩化炭素(CCl)など)が好ましい。 An etching gas used for dry etching is a gas containing chlorine (chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ). Etc.) is preferable.

また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF)、六弗化硫黄(SF)、三弗化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O)、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。 Gas containing fluorine (fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur hexafluoride (SF 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc.), bromide Hydrogen (HBr), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like can be used.

ドライエッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)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。 As the dry etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, and the electrode temperature on the substrate side) are adjusted as appropriate so that the desired processed shape can be etched.

本実施の形態では、エッチャントとしてアンモニア過水を用いて、第2の電極109となる導電層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層をエッチングして、酸化物半導体層107を形成する。 In this embodiment, ammonia peroxide is used as an etchant and the conductive layer to be the second electrode 109 is etched, and then the oxide semiconductor layer is etched with a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid. A semiconductor layer 107 is formed.

次に、本実施の形態では、第1の加熱処理を行う。第1の加熱処理の温度は、400℃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、酸化物半導体層に対して窒素、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、大気に触れさせないことで、酸化物半導体層への水素、水、水酸基または水素化物などの侵入を防ぐことで、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層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層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。 Next, in this embodiment, first heat treatment is performed. The temperature of the first heat treatment is 400 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the substrate. Here, after the substrate is introduced into an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses, the oxide semiconductor layer is subjected to heat treatment at 450 ° C. for one hour in an inert gas atmosphere such as nitrogen or a rare gas. By preventing exposure to the atmosphere by preventing entry of hydrogen, water, hydroxyl groups, hydrides, etc. into the oxide semiconductor layer, the hydrogen concentration is reduced and the purity is increased, and i-type or substantially i-type is obtained. Thus obtained oxide semiconductor layer can be obtained. That is, at least one of dehydration and dehydrogenation of the oxide semiconductor layer 107 can be performed by the first heat treatment.

なお、第1の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスに、水素、水、水酸基または水素化物など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。 Note that in the first heat treatment, it is preferable that hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like be not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm). Or less, preferably 0.1 ppm or less).

また、第1の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体層が結晶化し、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層となる場合もある。また、第1の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導体層となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体層の中に微結晶部(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層となる場合もある。 Further, depending on the conditions of the first heat treatment or the material of the oxide semiconductor layer, the oxide semiconductor layer may be crystallized to be a microcrystalline film or a polycrystalline film. For example, the oxide semiconductor layer may be a microcrystalline oxide semiconductor layer with a crystallization rate of 90% or more, or 80% or more. Further, depending on the conditions of the first heat treatment or the material of the oxide semiconductor layer, an amorphous oxide semiconductor layer which does not include a crystal component may be formed. In some cases, the amorphous oxide semiconductor layer includes an oxide semiconductor layer in which a microcrystalline portion (a particle size of 1 nm to 20 nm (typically 2 nm to 4 nm)) is mixed.

また、酸化物半導体層の第1の加熱処理は、島状の酸化物半導体層を形成する前の酸化物半導体層に行ってもよい。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。 The first heat treatment of the oxide semiconductor layer may be performed on the oxide semiconductor layer before the island-shaped oxide semiconductor layer is formed. In that case, after the first heat treatment, the substrate is taken out of the heating apparatus and a photolithography process is performed.

なお、酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層を形成した後、酸化物半導体層上に第2の電極となる導電層を積層した後、第1の電極、酸化物半導体層及び第2の電極上にゲート絶縁層を形成した後、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。 Note that heat treatment that exerts an effect of dehydration and dehydrogenation on the oxide semiconductor layer is performed after the oxide semiconductor layer is formed, the conductive layer to be the second electrode is stacked over the oxide semiconductor layer, This may be performed after the gate insulating layer is formed over the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode, or after the gate electrode is formed.

次に、図10(C)に示すように、第1の電極105、酸化物半導体層107、第2の電極109上にゲート絶縁層111を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 10C, the gate insulating layer 111 is formed over the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109.

不純物を除去することによりi型化または実質的にi型化された酸化物半導体層(水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感となるため、ゲート絶縁層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層に接するゲート絶縁層111は、高品質化が要求される。 An oxide semiconductor layer that is i-type or substantially i-type by removing impurities (a highly purified oxide semiconductor layer with reduced hydrogen concentration) is extremely sensitive to interface states and interface charges. Therefore, the interface with the gate insulating layer 111 is important. Therefore, the gate insulating layer 111 in contact with the highly purified oxide semiconductor layer is required to have high quality.

例えば、μ波(2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDにより、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層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層と高品質ゲート絶縁層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。 For example, it is preferable because a high-quality insulating layer having a high density and high withstand voltage can be formed by high-density plasma CVD using μ-wave (2.45 GHz). This is because when the high-purity oxide semiconductor layer with a reduced hydrogen concentration is in close contact with the high-quality gate insulating layer, the interface state can be reduced and interface characteristics can be improved.

もちろん、ゲート絶縁層として良質な絶縁層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法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁層の形成後の加熱処理によってゲート絶縁層の膜質、酸化物半導体層との界面特性が改質される絶縁層であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁層としての膜質が良好であることは勿論のこと、酸化物半導体層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。 Needless to say, another film formation method such as a sputtering method or a plasma CVD method can be used as long as a high-quality insulating layer can be formed as the gate insulating layer. Alternatively, an insulating layer in which the film quality of the gate insulating layer and the interface characteristics with the oxide semiconductor layer are modified by heat treatment after the formation of the gate insulating layer may be used. In any case, any film can be used as long as it can reduce the interface state density with the oxide semiconductor layer and form a favorable interface as well as the film quality as the gate insulating layer is good.

さらに、85℃、2×10V/cm、12時間のゲートバイアス・熱ストレス試験(BT試験)においては、不純物が酸化物半導体層に添加されていると、不純物と酸化物半導体層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。 Further, in the gate bias / thermal stress test (BT test) for 12 hours at 85 ° C., 2 × 10 6 V / cm, when impurities are added to the oxide semiconductor layer, the impurities and the main oxide semiconductor layer The bond with the component is broken by a strong electric field (B: bias) and a high temperature (T: temperature), and the generated dangling bond induces a threshold voltage (Vth) drift.

これに対して、酸化物半導体層の不純物、特に水素や水などを極力除去し、上記のようにゲート絶縁層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トランジスタを得ることを可能としている。 On the other hand, by removing impurities from the oxide semiconductor layer, particularly hydrogen and water as much as possible, and improving the interface characteristics with the gate insulating layer as described above, a transistor that is stable against the BT test can be obtained. It is possible to get.

スパッタリング法でゲート絶縁層111を形成することでゲート絶縁層111中の水素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を形成する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲットまたは石英ターゲットを用い、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。 By forming the gate insulating layer 111 by a sputtering method, the hydrogen concentration in the gate insulating layer 111 can be reduced. In the case where silicon oxide is formed by a sputtering method, a silicon target or a quartz target is used as a target, and oxygen or a mixed gas of oxygen and argon is used as a sputtering gas.

ゲート絶縁層111は、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109側から酸化シリコンと窒化シリコンを積層した構造とすることもできる。例えば、第1のゲート絶縁層として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン(SiO(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁層上に第2のゲート絶縁層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(SiN(y>0))を積層して、膜厚100nmのゲート絶縁層としてもよい。本実施の形態では、圧力0.4Pa、高周波電源電力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の酸化シリコンを形成する。 The gate insulating layer 111 can have a structure in which silicon oxide and silicon nitride are stacked from the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 side. For example, silicon oxide (SiO x (x> 0)) having a thickness of 5 nm to 300 nm is formed as the first gate insulating layer, and the second gate insulating layer is formed by a sputtering method over the first gate insulating layer. A gate insulating layer having a thickness of 100 nm may be formed by stacking silicon nitride (SiN y (y> 0)) with a thickness of 50 nm to 200 nm. In this embodiment, silicon oxide with a thickness of 100 nm is formed by RF sputtering in an atmosphere of pressure 0.4 Pa, high-frequency power supply power 1.5 kW, oxygen and argon (oxygen flow rate 25 sccm: argon flow rate 25 sccm = 1: 1). .

次に、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第2の加熱処理(好ましくは200℃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、絶縁層117、または配線125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、第1の加熱処理により生じた酸化物半導体層中の酸素欠損を、ゲート絶縁層中の酸素や、加熱処理雰囲気中の酸素で補うことで、よりi型化された酸化物半導体層を得ることができる。 Next, second heat treatment (preferably 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C.) may be performed in an inert gas atmosphere or an oxygen gas atmosphere. Note that the second heat treatment may be performed after the third electrode 113 and the third electrode 115 to be formed later, the insulating layer 117, or the wiring 125 is formed. By the heat treatment, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer generated by the first heat treatment are supplemented with oxygen in the gate insulating layer or oxygen in the heat treatment atmosphere, so that the oxide is more i-type. A semiconductor layer can be obtained.

次に、ゲート絶縁層111上にゲー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。 Next, the third electrode 113 and the third electrode 115 functioning as gate electrodes are formed over the gate insulating layer 111.

第3の電極113及び第3の電極115は、ゲート絶縁層111上に第3の電極113及び第3の電極115となる導電層をスパッタリング法、CVD法、または真空蒸着法で形成し、当該導電層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層をエッチングして、形成することができる。第3の電極113及び第3の電極115となる導電膜は、第1の電極105と同様の材料を用いることができる。 The third electrode 113 and the third electrode 115 are formed by forming a conductive layer to be the third electrode 113 and the third electrode 115 over the gate insulating layer 111 by a sputtering method, a CVD method, or a vacuum evaporation method. A resist mask can be formed over the conductive layer by a photolithography process, and the conductive layer can be etched using the resist mask. The conductive film to be the third electrode 113 and the third electrode 115 can be formed using a material similar to that of the first electrode 105.

本実施の形態では、厚さ150nmのチタン層をスパッタリング法により形成した後、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、第3の電極113及び第3の電極115を形成する。 In this embodiment, after a titanium layer with a thickness of 150 nm is formed by a sputtering method, the third electrode 113 and the third electrode 115 are formed by etching using a resist mask formed by a photolithography process.

以上の工程で、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層107を有するトランジスタ133を形成することができる。 Through the above steps, the transistor 133 including the highly purified oxide semiconductor layer 107 with reduced hydrogen concentration can be formed.

次に、図10(D)に示すように、ゲート絶縁層111及び第3の電極113及び第3の電極115上に絶縁層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。 Next, as illustrated in FIG. 10D, after an insulating layer 117 is formed over the gate insulating layer 111, the third electrode 113, and the third electrode 115, the contact hole 119, the contact hole 121, and the contact hole are formed. 123 is formed.

絶縁層117は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなどの酸化物絶縁層、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、または窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁層を用いる。または、酸化物絶縁層及び窒化物絶縁層の積層とすることもできる。 As the insulating layer 117, an oxide insulating layer such as silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or aluminum oxynitride, or a nitride insulating layer such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide is used. Alternatively, a stack of an oxide insulating layer and a nitride insulating layer can be used.

絶縁層117は、スパッタリング法、CVD法などで形成する。なお、スパッタリング法で絶縁層117を形成する場合、基板101を100℃以上400℃以下の温度に加熱し、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層を形成してもよい。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層を形成することが好ましい。 The insulating layer 117 is formed by a sputtering method, a CVD method, or the like. Note that in the case where the insulating layer 117 is formed by a sputtering method, the substrate 101 is heated to a temperature of 100 ° C. to 400 ° C., and a sputtering gas containing high-purity nitrogen from which hydrogen, water, hydroxyl, hydride, or the like is removed is introduced. The insulating layer may be formed using a silicon target. Even in this case, it is preferable to form the insulating layer while removing hydrogen, water, hydroxyl groups, hydride, or the like remaining in the treatment chamber.

なお、絶縁層117の形成後、さらに、大気中、100℃以上200℃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。 Note that after the insulating layer 117 is formed, heat treatment may be performed in the air at 100 ° C to 200 ° C for 1 hour to 30 hours. Through this heat treatment, a normally-off transistor can be obtained. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be improved.

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は、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層111及び絶縁層117の一部を除去して、第2の電極109、及び第3の電極113及び第3の電極115に達するコンタクトホール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。なお、図10には図示していないが、ゲート絶縁層111及び絶縁層117の一部を除去して、第1の電極105に達するコンタクトホールも形成する(図1参照)。 For the contact hole 119, the contact hole 121, and the contact hole 123, a resist mask is formed by a photolithography process, and selective etching is performed to remove part of the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117. A contact hole 119, a contact hole 121, and a contact hole 123 that reach the electrode 109, the third electrode 113, and the third electrode 115 are formed. Although not shown in FIG. 10, part of the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117 is removed, and a contact hole reaching the first electrode 105 is also formed (see FIG. 1).

次に、ゲート絶縁層111、絶縁層117、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上に導電層を形成した後、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、配線131(図10中には図示せず。)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。 Next, a conductive layer is formed over the gate insulating layer 111, the insulating layer 117, the contact hole 119, the contact hole 121, and the contact hole 123, and then etched using a resist mask formed by a photolithography process, so that the wiring 125 is formed. The wiring 131 (not shown in FIG. 10) is formed. Note that the resist mask may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an inkjet method, a photomask is not used, so that manufacturing costs can be reduced.

配線125、配線131は、第1の電極105と同様に形成することができる。 The wiring 125 and the wiring 131 can be formed in a manner similar to that of the first electrode 105.

なお、第3の電極113及び第3の電極115と、配線125、及び配線131の間に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。平坦化絶縁層の代表例としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂などの、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層を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。 Note that a planarization insulating layer for planarization may be provided between the third electrode 113 and the third electrode 115, the wiring 125, and the wiring 131. As a typical example of the planarization insulating layer, an organic material having heat resistance such as polyimide, acrylic resin, benzocyclobutene resin, polyamide, or epoxy resin can be used. In addition to the above organic materials, there are low dielectric constant materials (low-k materials), siloxane-based resins, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), and the like. Note that the planarization insulating layer may be formed by stacking a plurality of insulating layers formed using these materials.

なお、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたSi−O−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。 Note that the siloxane-based resin corresponds to a resin including a Si—O—Si bond formed using a siloxane-based material as a starting material. Siloxane resins may use organic groups (for example, alkyl groups and aryl groups) and fluoro groups as substituents. The organic group may have a fluoro group.

平坦化絶縁層の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、SOG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。 The formation method of the planarization insulating layer is not particularly limited, and according to the material, sputtering method, SOG method, spin coating, dip, spray coating, droplet discharge method (ink jet method, screen printing, offset printing, etc.), A doctor knife, roll coater, curtain coater, knife coater or the like can be used.

上記のように酸化物半導体層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層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層を形成することができる。このため、大面積基板を用いて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層を用いることで、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トランジスタを作製することができる。 As described above, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer can be reduced and the oxide semiconductor layer can be highly purified. Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved. In addition, an oxide semiconductor layer with an extremely small number of minority carriers and a wide band gap can be formed by heat treatment at a glass transition temperature or lower. Thus, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, so that mass productivity can be improved. In addition, by using a highly purified oxide semiconductor layer with reduced hydrogen concentration, it is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off. A transistor can be manufactured.

このようにトランジスタのソース電極またはドレイン電極をゲート電極と接続させることで、逆方向電流が非常に少な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、耐圧が大きい)ダイオードを作製することができる。 By connecting the source electrode or the drain electrode of the transistor to the gate electrode in this manner, a diode with very little reverse current can be obtained. Accordingly, it is possible to manufacture a diode in which a breakdown phenomenon hardly occurs (that is, a high breakdown voltage).

なお、酸化物半導体層に接して設けられる絶縁層にハロゲン元素(例えば、フッ素または塩素)を含ませ、または酸化物半導体層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層にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体層、または該酸化物半導体層に接して設けられる絶縁層との界面に存在しうる、水素、水分、水酸基または水素化物(水素化合物ともいう)などの不純物を排除してもよい。絶縁層にハロゲン元素を含ませる場合には、該絶縁層中におけるハロゲン元素濃度は、5×1018atoms/cm以上1×1020atoms/cm以下程度とすればよい。 Note that a halogen element (eg, fluorine or chlorine) is included in an insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer, or plasma treatment is performed in a gas atmosphere containing a halogen element with the oxide semiconductor layer exposed. A halogen element is included in the oxide semiconductor layer, and hydrogen, moisture, a hydroxyl group, or a hydride (also referred to as a hydrogen compound) that can exist at the interface with the oxide semiconductor layer or the insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer. ) And other impurities may be excluded. In the case where a halogen element is contained in the insulating layer, the halogen element concentration in the insulating layer may be about 5 × 10 18 atoms / cm 3 or more and about 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less.

なお、上記したように酸化物半導体層中または酸化物半導体層とこれに接する絶縁層との界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体層と接して設けられた絶縁層が酸化物絶縁層である場合には、酸化物半導体層と接しない側の酸化物絶縁層を、窒化物絶縁層で覆うことが好ましい。すなわち、酸化物半導体層に接する酸化物絶縁層の上に接して窒化シリコン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層に侵入することを防止することができる。 Note that as described above, a halogen element is included in the oxide semiconductor layer or at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, and the insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer is an oxide insulating layer. In some cases, the oxide insulating layer that is not in contact with the oxide semiconductor layer is preferably covered with a nitride insulating layer. That is, silicon nitride or the like may be provided in contact with the oxide insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer. With such a structure, impurities such as hydrogen, moisture, a hydroxyl group, or hydride can be prevented from entering the oxide insulating layer.

なお、図2及び図6乃至図9に示すダイオードも同様に形成することができる。 Note that the diodes shown in FIGS. 2 and 6 to 9 can be formed similarly.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態5とは異なる形態の酸化物半導体層を有するダイオード接続されたトランジスタとその作製方法について、図10及び図11を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a diode-connected transistor including an oxide semiconductor layer which is different from that in Embodiment 5 and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS.

実施の形態5と同様に、図10(A)に示すように、基板101上に絶縁層103及び第1の電極105を形成する。次に、図10(B)に示すように、第1の電極105上に酸化物半導体層107及び第2の電極109を形成する。 As in Embodiment 5, as illustrated in FIG. 10A, the insulating layer 103 and the first electrode 105 are formed over the substrate 101. Next, as illustrated in FIG. 10B, the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 are formed over the first electrode 105.

次に、第1の加熱処理を行う。本実施の形態における第1の加熱処理は、上記実施の形態における第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11(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層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は基板101の耐熱性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、酸化物半導体層の表面近傍に、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。 Next, first heat treatment is performed. The first heat treatment in this embodiment is different from the first heat treatment in the above embodiment, and crystal grains are formed on the surface as shown in FIG. 11A by the heat treatment. The oxide semiconductor layer 151 to be formed can be formed. In this embodiment, the first heat treatment is performed using an apparatus for heating an object to be processed by at least one of heat conduction and heat radiation from a heating element such as a resistance heating element. Here, the temperature of the heat treatment is preferably 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 650 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Note that the upper limit of the heat treatment temperature needs to be within the heat resistance range of the substrate 101. The heat treatment time is preferably 1 minute or more and 10 minutes or less. By applying RTA treatment, heat treatment can be performed in a short time, so that the influence of heat on the substrate 101 can be reduced. That is, the upper limit of the heat treatment temperature can be increased as compared with the case where the heat treatment is performed for a long time. In addition, crystal grains having a predetermined structure can be selectively formed in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor layer.

本実施の形態で用いることができる加熱装置としては、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal 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。 Examples of the heating apparatus that can be used in this embodiment include a rapid thermal annealing (RTA) apparatus such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) apparatus and an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) apparatus. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、第1の加熱処理として、650℃以上700℃以下の高温に加熱した窒素または希ガ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。 For example, as the first heat treatment, the substrate is moved to an inert gas atmosphere such as nitrogen or a rare gas heated to a high temperature of 650 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, heated for several minutes, and then in an inert gas heated to a high temperature. GRTA for taking out the substrate from the substrate may be performed. When GRTA is used, high-temperature heat treatment can be performed in a short time.

なお、第1の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスに、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。 Note that in the first heat treatment, it is preferable that hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like be not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm). Or less, preferably 0.1 ppm or less).

なお、上記の加熱処理は、酸化物半導体層107を形成した後であればいずれのタイミ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、酸化物半導体層107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。 Note that the above heat treatment may be performed at any timing after the oxide semiconductor layer 107 is formed; however, in order to promote dehydration or dehydrogenation, the surface of the oxide semiconductor layer 107 is used. It is preferable to perform this before providing other components. Further, the above heat treatment is not limited to once, and may be performed a plurality of times.

ここで、図11(A)の鎖線部153の拡大図を図11(B)に示す。 Here, an enlarged view of the chain line portion 153 in FIG. 11A is shown in FIG.

酸化物半導体層151は、非晶質を主たる構成とする非晶質領域155と、酸化物半導体層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までの領域(表面近傍)に形成される。ただし、酸化物半導体層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、酸化物半導体層151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)が酸化物半導体層の厚さの10%以下である領域をいう。 The oxide semiconductor layer 151 includes an amorphous region 155 mainly composed of amorphous material and crystal grains 157 formed on the surface of the oxide semiconductor layer 151. The crystal grains 157 are formed in a region (near the surface) whose distance (depth) from the surface is up to 20 nm. However, this is not the case when the thickness of the oxide semiconductor layer 151 is increased. For example, in the case where the thickness of the oxide semiconductor layer 151 is 200 nm or more, “the vicinity of the surface (near the surface)” means that the distance (depth) from the surface is 10% of the thickness of the oxide semiconductor layer. An area that is:

ここで、非晶質領域155は、非晶質酸化物半導体層を主たる構成としている。なお、「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層が体積%(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層以外にも、酸化物半導体層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。 Here, the amorphous region 155 mainly includes an amorphous oxide semiconductor layer. Note that “main” means, for example, a state that occupies 50% or more, and in this case, an amorphous oxide semiconductor layer occupies 50% or more by volume% (or weight%). To do. That is, in addition to the amorphous oxide semiconductor layer, a crystal of the oxide semiconductor layer may be included, and the content is preferably less than 50% by volume (or weight%). It need not be limited to a range.

酸化物半導体層の材料としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体を用いる場合には、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。 In the case where an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor is used as a material for the oxide semiconductor layer, the amorphous region 155 has a Zn content (atomic%) of In or Ga. It is preferable that the amount is less than the amount (atomic%). This is because such a composition makes it easy to form crystal grains 157 having a predetermined composition.

この後、実施の形態5と同様に、ゲート絶縁層と、ゲート電極として機能する第3の電極を形成してトランジスタを作製する。 After that, as in Embodiment 5, a transistor is manufactured by forming a gate insulating layer and a third electrode functioning as a gate electrode.

酸化物半導体層151の表面はゲート絶縁層と接するため、チャネルとなる。チャネル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、当該酸化物半導体層151を有する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。 Since the surface of the oxide semiconductor layer 151 is in contact with the gate insulating layer, a channel is formed. By having crystal grains in a region to be a channel, resistance between the source, the channel, and the drain is reduced, and carrier mobility is increased. Thus, the field-effect mobility of the transistor including the oxide semiconductor layer 151 is increased, and favorable electrical characteristics can be realized.

また、結晶粒157は、非晶質領域155と比較して安定であるため、これを酸化物半導体層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、酸化物半導体層151の信頼性を向上させることができる。 Further, since the crystal grain 157 is more stable than the amorphous region 155, the crystal grain 157 is included in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor layer 151, so that impurities (eg, hydrogen, water, hydroxyl group) are included in the amorphous region 155. Or hydride or the like) can be reduced. Therefore, the reliability of the oxide semiconductor layer 151 can be improved.

以上の工程により酸化物半導体層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層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層を形成することができる。このため、大面積基板を用いて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層を用いることで、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トランジスタを作製することができる。 Through the above steps, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer can be reduced and the oxide semiconductor layer can be highly purified. Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved. In addition, an oxide semiconductor layer with an extremely small number of minority carriers and a wide band gap can be formed by heat treatment at a glass transition temperature or lower. Thus, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, so that mass productivity can be improved. In addition, by using a highly purified oxide semiconductor layer with reduced hydrogen concentration, it is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off. A transistor can be manufactured.

このようにトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方をゲート電極と電気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少な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。 In this manner, by electrically connecting one of the source electrode and the drain electrode of the transistor to the gate electrode, a diode with extremely low reverse current can be obtained. Therefore, according to this embodiment, a diode in which a breakdown phenomenon hardly occurs (that is, with a high breakdown voltage) can be manufactured.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態では、図1に示すダイオード接続されたトランジスタの作製工程であって、実施の形態5とは異なるものについて、図10を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment mode, a process for manufacturing the diode-connected transistor illustrated in FIG. 1, which is different from that in Embodiment Mode 5, will be described with reference to FIGS.

実施の形態5と同様に、図10(A)に示すように、基板101上に第1の電極105を形成する。 As in Embodiment 5, a first electrode 105 is formed over a substrate 101 as illustrated in FIG.

次に、図10(B)に示すように、第1の電極105上に酸化物半導体層107及び第2の電極109を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 10B, the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 are formed over the first electrode 105.

なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入し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層を除去することで、第1の電極105及び酸化物半導体層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。 Note that before the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed to remove dust or an oxide layer attached to the surface of the first electrode 105. Thus, resistance at the interface between the first electrode 105 and the oxide semiconductor layer can be reduced, which is preferable. Note that nitrogen, helium, or the like may be used instead of the argon atmosphere.

基板101及び第1の電極105上にスパッタリング法により酸化物半導体層を形成する。次に、酸化物半導体層上に導電層を形成する。 An oxide semiconductor layer is formed over the substrate 101 and the first electrode 105 by a sputtering method. Next, a conductive layer is formed over the oxide semiconductor layer.

本実施の形態では、酸化物半導体層をIn−Ga−Zn−O系金属酸化物ターゲットを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、減圧状態に保持された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上に酸化物半導体層を形成する。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層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層を形成することができる。 In this embodiment, the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method using an In—Ga—Zn—O-based metal oxide target. In this embodiment mode, the substrate is held in a processing chamber held in a reduced pressure state, and the substrate is heated to room temperature or a temperature lower than 400 ° C. Then, while removing hydrogen, water, hydroxyl group, hydride, or the like remaining in the treatment chamber, a sputtering gas from which hydrogen, water, hydroxyl group, hydride, or the like has been removed is introduced, and the substrate 101 and the first substrate are formed using a metal oxide as a target. An oxide semiconductor layer is formed over one electrode 105. In order to remove hydrogen, water, hydroxyl groups, hydride, or the like remaining in the treatment chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. In the treatment chamber exhausted using a cryopump, for example, hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride (more preferably, a compound containing a carbon atom), or the like is exhausted; therefore, the oxide semiconductor layer formed in the treatment chamber The concentration of impurities contained can be reduced. In addition, by performing sputter formation while removing hydrogen, water, hydroxyl groups, hydrides, etc. remaining in the processing chamber by a cryopump, even if the substrate temperature is from room temperature to less than 400 ° C., oxidation such as hydrogen atoms and water is reduced. A physical semiconductor layer can be formed.

本実施の形態では、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa、直流(DC)電源電力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。酸化物半導体層は、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層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。 In the present embodiment, the film formation conditions are applied under the condition where the distance between the substrate and the target is 100 mm, the pressure is 0.6 Pa, the direct current (DC) power source is 0.5 kW, and the oxygen (oxygen flow rate is 100%). The Note that a pulse direct current (DC) power source is preferable because powder substances (also referred to as particles or dust) generated in film formation can be reduced and the film thickness can be made uniform. The oxide semiconductor layer is preferably 30 nm to 3000 nm. Note that an appropriate thickness differs depending on an oxide semiconductor layer material to be used, and the thickness may be selected as appropriate depending on the material.

なお、酸化物半導体層を形成する際のスパッタリング法は、絶縁層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。 Note that as the sputtering method for forming the oxide semiconductor layer, the sputtering method described for the insulating layer 103 can be used as appropriate.

次に、第2の電極109となる導電層を、第1の電極105の材料及び手法を用いて形成する。また、実施の形態2で示したように、使用する材料の仕事関数に応じて、第1の電極105と第2の電極109を異なる材料とすることもできる。 Next, a conductive layer to be the second electrode 109 is formed using the material and method of the first electrode 105. Further, as described in Embodiment Mode 2, the first electrode 105 and the second electrode 109 can be made of different materials depending on the work function of the material to be used.

次に、実施の形態5と同様に、第2の電極109となる導電層及び酸化物半導体層107となる酸化物半導体層をエッチングして、第2の電極109及び酸化物半導体層107を形成する。所望の形状の酸化物半導体層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。 Next, as in Embodiment 5, the second electrode 109 and the oxide semiconductor layer 107 are formed by etching the conductive layer to be the second electrode 109 and the oxide semiconductor layer to be the oxide semiconductor layer 107. To do. In order to form the oxide semiconductor layer 107 and the second electrode 109 having desired shapes, etching conditions (such as an etchant, etching time, and temperature) are adjusted as appropriate depending on the material.

次に、図10(C)に示すように、実施の形態5と同様に、第1の電極105、酸化物半導体層107、第2の電極109上にゲート絶縁層111を形成する。ゲート絶縁層111は、酸化物半導体層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でゲート絶縁層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層を形成できるので好ましい。また、ゲート絶縁層として良質な絶縁層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。 Next, as illustrated in FIG. 10C, a gate insulating layer 111 is formed over the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 as in Embodiment 5. The gate insulating layer 111 preferably has favorable interface characteristics with the oxide semiconductor layer 107. By forming the gate insulating layer 111 by high-density plasma CVD using μ waves (2.45 GHz), This is preferable because a high-quality insulating layer having a high density and high withstand voltage can be formed. In addition, as long as a high-quality insulating layer can be formed as the gate insulating layer, other formation methods such as a sputtering method and a plasma CVD method can be applied.

なお、ゲート絶縁層111を形成する前に逆スパッタを行い、少なくとも酸化物半導体層107の表面に付着しているレジスト残渣などを除去してもよい。 Note that before the gate insulating layer 111 is formed, reverse sputtering may be performed to remove at least a resist residue or the like attached to the surface of the oxide semiconductor layer 107.

また、ゲート絶縁層111を形成する前にNO、N、またはArなどのガスを用いたプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層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、酸化物半導体層の一部に接するゲート絶縁層111を形成することが好ましい。 In addition, hydrogen, water, a hydroxyl group, or a hydride attached to the surface of the oxide semiconductor layer exposed by plasma treatment using a gas such as N 2 O, N 2 , or Ar before the gate insulating layer 111 is formed. Etc. may be removed. Further, plasma treatment may be performed using a mixed gas of oxygen and argon. In the case where plasma treatment is performed, the gate insulating layer 111 in contact with part of the oxide semiconductor layer is preferably formed without exposure to the air.

また、ゲート絶縁層111に、水素、水、水酸基または水素化物などがなるべく含まれ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105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、ゲート絶縁層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。 In order to prevent the gate insulating layer 111 from containing hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like as much as possible, as a pretreatment, the first electrode 105 to the second electrode 109 are used in a preheating chamber of a sputtering apparatus. It is preferable to preheat the substrate 101 formed so as to desorb and exhaust impurities such as hydrogen, water, hydroxyl group, or hydride adsorbed on the substrate 101. Alternatively, after the gate insulating layer 111 is formed, the substrate 101 is preheated in a preheating chamber of a sputtering apparatus, and impurities such as hydrogen, water, hydroxyl, or hydride adsorbed on the substrate 101 can be desorbed and exhausted. preferable. Note that the preheating temperature is 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Note that a cryopump is preferable as an exhaustion unit provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted.

ゲート絶縁層111は、第1の電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109側から酸化シリコンと窒化シリコンとを積層した構造とすることもできる。例えば、第1のゲート絶縁層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(SiO(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁層上に第2のゲート絶縁層として膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン(SiN(y>0))を積層して、ゲート絶縁層とする。 The gate insulating layer 111 can have a structure in which silicon oxide and silicon nitride are stacked from the first electrode 105, the oxide semiconductor layer 107, and the second electrode 109 side. For example, silicon oxide (SiO x (x> 0)) with a thickness of 5 nm to 300 nm is formed as the first gate insulating layer by a sputtering method, and a film as the second gate insulating layer is formed over the first gate insulating layer. A gate insulating layer is formed by stacking silicon nitride (SiN y (y> 0)) with a thickness of 50 nm to 200 nm.

次に、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で加熱処理(好ましくは200℃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、絶縁層117、または配線125、配線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、酸化物半導体層中の酸素欠損を、ゲート絶縁層中の酸素や、加熱処理雰囲気中の酸素で補うことで、よりi型化された酸化物半導体層を得ることができる。 Next, heat treatment (preferably 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C.) may be performed in an inert gas atmosphere or an oxygen gas atmosphere. Note that the second heat treatment may be performed after any of the third electrode 113 and the third electrode 115, the insulating layer 117, the wiring 125, and the wiring 131 that are formed later is formed. By the heat treatment, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer are supplemented with oxygen in the gate insulating layer or oxygen in the heat treatment atmosphere, so that an i-type oxide semiconductor layer can be obtained.

次に、図10(C)に示すように、実施の形態5と同様に、ゲート絶縁層111上にゲー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。 Next, as illustrated in FIG. 10C, as in Embodiment 5, a third electrode 113 and a third electrode 115 which function as gate electrodes are formed over the gate insulating layer 111.

以上の工程で、水素濃度が低減された酸化物半導体層107を有するトランジスタ133を形成することができる。 Through the above steps, the transistor 133 including the oxide semiconductor layer 107 with reduced hydrogen concentration can be formed.

上記のように酸化物半導体層を形成する際に、反応雰囲気中に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体層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層の安定化を図ることができる。 When the oxide semiconductor layer is formed as described above, hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer can be reduced by removing hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like remaining in the reaction atmosphere. . Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved.

次に、図10(D)に示すように、実施の形態5と同様に、ゲート絶縁層111及び第3の電極113及び第3の電極115上に絶縁層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。 Next, as illustrated in FIG. 10D, as in Embodiment 5, an insulating layer 117 is formed over the gate insulating layer 111, the third electrode 113, and the third electrode 115, and then the contact hole 119 is formed. The contact hole 121 and the contact hole 123 are formed.

次に、図10(E)に示すように、実施の形態5と同様に、配線125、配線131を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 10E, the wiring 125 and the wiring 131 are formed as in Embodiment 5.

次に、実施の形態5と同様に、絶縁層117を形成する。なお、絶縁層117の形成後、さらに、実施の形態5と同様に、大気中、100℃以上200℃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。 Next, as in Embodiment 5, the insulating layer 117 is formed. Note that after the insulating layer 117 is formed, heat treatment may be performed in the air at 100 ° C. to 200 ° C. for 1 hour to 30 hours as in Embodiment Mode 5. Through this heat treatment, a normally-off transistor can be obtained. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be improved.

なお、第3の電極113及び第3の電極115と、配線125及び配線131の間に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。 Note that a planarization insulating layer for planarization may be provided between the third electrode 113 and the third electrode 115 and the wiring 125 and the wiring 131.

上記のように酸化物半導体層を形成するに際し、反応雰囲気中に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体層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層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層を形成することができる。このため、大面積基板を用いて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層を用いることで、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トランジスタを作製することができる。 When the oxide semiconductor layer is formed as described above, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer is reduced by removing hydrogen, water, hydroxyl group, hydride, or the like remaining in the reaction atmosphere, and high purity. Can be Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved. In addition, an oxide semiconductor layer with an extremely small number of minority carriers and a wide band gap can be formed by heat treatment at a glass transition temperature or lower. Thus, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, so that mass productivity can be improved. In addition, by using a highly purified oxide semiconductor layer with reduced hydrogen concentration, it is suitable for high definition, has a high operation speed, can flow a large current when turned on, and hardly flows a current when turned off. A transistor can be manufactured.

このようにトランジスタのソース電極またはドレイン電極をゲート電極と電気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少な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。 In this way, by electrically connecting the source electrode or the drain electrode of the transistor to the gate electrode, a diode with extremely low reverse current can be obtained. Accordingly, it is possible to manufacture a diode in which a breakdown phenomenon hardly occurs (that is, a high breakdown voltage).

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態8)
上記実施の形態にて説明したダイオードなどの非線形素子は、半導体装置に適用することができる。半導体装置として、例えば表示装置を挙げることができる。
(Embodiment 8)
The nonlinear element such as a diode described in the above embodiment can be applied to a semiconductor device. An example of the semiconductor device is a display device.

本発明の一態様である表示装置の構成について、図12を参照して説明する。図12は、表示装置が形成された基板200の上面図を示す。基板200上には、画素部201が形成されている。また、入力端子202及び入力端子203は、基板200上に形成された画素回路に対して画像を表示するための信号及び電源電力を供給する。 A structure of a display device which is one embodiment of the present invention is described with reference to FIGS. FIG. 12 is a top view of the substrate 200 on which the display device is formed. A pixel portion 201 is formed on the substrate 200. The input terminal 202 and the input terminal 203 supply a signal for displaying an image and power supply power to the pixel circuit formed on the substrate 200.

なお、本発明の一態様である表示装置は、図12に示す形態に限定されない。すなわち、基板200上には、走査線駆動回路及び信号線駆動回路の一方または双方が形成されていてもよい。 Note that the display device which is one embodiment of the present invention is not limited to the mode illustrated in FIG. That is, one or both of the scan line driver circuit and the signal line driver circuit may be formed over the substrate 200.

そして、基板200上に形成された走査線側の入力端子202及び信号線側の入力端子203と、画素部201とは、縦横に延びた配線によって接続されており、該配線は保護回路204乃至保護回路207に接続されている。 The scanning line side input terminal 202 and the signal line side input terminal 203 formed on the substrate 200 and the pixel portion 201 are connected to each other by wiring extending vertically and horizontally. The protection circuit 207 is connected.

画素部201と、入力端子202とは、配線209によって接続されている。保護回路204は、画素部201と、入力端子202との間に配設され、配線209に接続されている。保護回路204を設けることによって、画素部201が有するトランジスタ等の各種半導体素子を保護することができ、これらが劣化し、または破壊することを防止できる。なお、配線209は、図中では一の配線を指し示しているが、配線209と平行に設けられている複数の配線のすべてが配線209と同様の接続関係を有する。なお、配線209は、走査線として機能するものである。 The pixel portion 201 and the input terminal 202 are connected by a wiring 209. The protection circuit 204 is disposed between the pixel portion 201 and the input terminal 202 and is connected to the wiring 209. By providing the protection circuit 204, various semiconductor elements such as a transistor included in the pixel portion 201 can be protected and can be prevented from being deteriorated or destroyed. Note that the wiring 209 indicates one wiring in the drawing, but all of the plurality of wirings provided in parallel with the wiring 209 have the same connection relation as the wiring 209. Note that the wiring 209 functions as a scanning line.

なお、走査線側には、入力端子202と画素部201との間に設けられている保護回路204のみならず、画素部201を挟んで入力端子202の反対側にも保護回路が設けられていても良い(図12の保護回路205を参照)。 Note that on the scanning line side, not only the protection circuit 204 provided between the input terminal 202 and the pixel portion 201 but also a protection circuit is provided on the opposite side of the input terminal 202 across the pixel portion 201. (Refer to the protection circuit 205 in FIG. 12).

一方で、画素部201と、入力端子203とは配線208によって接続されている。保護回路206は、画素部201と、入力端子203との間に配設され、配線208に接続されている。保護回路206を設けることによって、画素部201が有するトランジスタ等の各種半導体素子を保護することができ、これらが劣化し、または破壊されることを防止できる。なお、配線208は、図中では一の配線を指し示しているが、配線208と平行に設けられている複数の配線のすべてが配線208と同様の接続関係を有する。なお、配線208は、信号線として機能するものである。 On the other hand, the pixel portion 201 and the input terminal 203 are connected by a wiring 208. The protection circuit 206 is disposed between the pixel portion 201 and the input terminal 203 and is connected to the wiring 208. By providing the protection circuit 206, various semiconductor elements such as a transistor included in the pixel portion 201 can be protected and can be prevented from being deteriorated or destroyed. Note that although the wiring 208 indicates one wiring in the drawing, all of the plurality of wirings provided in parallel with the wiring 208 have the same connection relation as the wiring 208. Note that the wiring 208 functions as a signal line.

なお、信号線側には、入力端子203と画素部201との間に設けられている保護回路206のみならず、画素部201を挟んで入力端子203の反対側にも設けられていても良い(図12の保護回路207を参照)。 Note that the signal line side may be provided not only on the protective circuit 206 provided between the input terminal 203 and the pixel portion 201 but also on the opposite side of the input terminal 203 with the pixel portion 201 interposed therebetween. (See protection circuit 207 in FIG. 12).

なお、保護回路204乃至保護回路207は全て設ける必要はない。しかし、少なくとも保護回路204は設ける必要がある。走査線に過大な電流が生じることで、画素部201が有するトランジスタのゲート絶縁層が破壊され、多数の点欠陥を生じうるからである。 Note that the protective circuits 204 to 207 are not necessarily provided. However, at least the protection circuit 204 needs to be provided. This is because an excessive current is generated in the scan line, so that the gate insulating layer of the transistor included in the pixel portion 201 is broken and a large number of point defects can be generated.

また、保護回路204のみならず保護回路206を設けることで信号線に過大な電流が生じることを防止できる。そのため、保護回路204のみを設ける場合と比較して信頼性が向上し、歩留まりが向上する。保護回路206を有することで、トランジスタ形成後のラビング工程等にて生じうる、静電気による破壊を防止することもできる。 Further, by providing not only the protection circuit 204 but also the protection circuit 206, it is possible to prevent an excessive current from being generated in the signal line. Therefore, the reliability is improved and the yield is improved as compared with the case where only the protective circuit 204 is provided. By including the protective circuit 206, it is possible to prevent damage due to static electricity that may occur in a rubbing process after the formation of the transistor.

更には、保護回路205及び保護回路207を有することで、信頼性を更に向上させることができる。また、歩留まりを高くすることができる。保護回路205及び保護回路207は、入力端子202及び入力端子203とは反対側に設けられている。そのため、これらは表示装置の作製工程(例えば、液晶表示装置の作製工程におけるラビング工程)中において生じる、各種半導体素子の劣化及び破壊を防止することに寄与する。 Furthermore, by including the protection circuit 205 and the protection circuit 207, reliability can be further improved. In addition, the yield can be increased. The protection circuit 205 and the protection circuit 207 are provided on the side opposite to the input terminal 202 and the input terminal 203. Therefore, these contribute to preventing deterioration and destruction of various semiconductor elements that occur during a manufacturing process of a display device (for example, a rubbing process in a manufacturing process of a liquid crystal display device).

なお、図12では、基板200とは別に形成した信号線駆動回路及び走査線駆動回路をCOG方式やTAB方式等の公知の方式により基板200に実装する。しかし、これに限定されず、走査線駆動回路と画素部とを基板200上に形成し、信号線駆動回路は別に形成したものを実装してもよい。または、走査線駆動回路の一部或いは信号線駆動回路の一部を、画素部201と共に基板200上に形成し、走査線駆動回路の他の部分或いは信号線駆動回路の他の部分を実装するようにしても良い。走査線駆動回路の一部が画素部201と走査線側の入力端子202との間に設けられている場合には、走査線側の入力端子202と基板200上の走査線駆動回路の一部との間に保護回路を設けても良いし、走査線駆動回路の一部と画素部201との間に保護回路を設けても良いし、これらの双方に保護回路を設けても良い。また、信号線駆動回路の一部が画素部201と信号線側の入力端子203との間に設けられている場合には、信号線側の入力端子203と基板200上の信号線駆動回路の一部との間に保護回路を設けても良いし、信号線駆動回路の一部と画素部201との間に保護回路を設けても良いし、これらの双方に保護回路を設けても良い。つまり、駆動回路の形態は様々であるため、保護回路はその形態に合わせて設ける数と場所を定める。 In FIG. 12, a signal line driver circuit and a scan line driver circuit formed separately from the substrate 200 are mounted on the substrate 200 by a known method such as a COG method or a TAB method. However, the present invention is not limited to this, and a scanning line driver circuit and a pixel portion may be formed over the substrate 200, and a signal line driver circuit formed separately may be mounted. Alternatively, part of the scan line driver circuit or part of the signal line driver circuit is formed over the substrate 200 together with the pixel portion 201, and the other part of the scan line driver circuit or the other part of the signal line driver circuit is mounted. You may do it. In the case where a part of the scan line driver circuit is provided between the pixel portion 201 and the input terminal 202 on the scan line side, a part of the scan line driver circuit on the substrate 200 and the input terminal 202 on the scan line side. A protection circuit may be provided between the pixel line 201 and the pixel portion 201, or a protection circuit may be provided on both of them. In the case where a part of the signal line driver circuit is provided between the pixel portion 201 and the input terminal 203 on the signal line side, the input terminal 203 on the signal line side and the signal line driver circuit on the substrate 200 A protection circuit may be provided between a part thereof, a protection circuit may be provided between a part of the signal line driver circuit and the pixel portion 201, or a protection circuit may be provided on both of them. . That is, since there are various forms of the drive circuit, the number and place of the protection circuit are determined in accordance with the form.

次に、図12における保護回路204乃至保護回路207に用いられる保護回路の具体的な回路構成の例について、図13を参照して説明する。以下の説明ではn型トランジスタを設ける場合についてのみ説明する。 Next, an example of a specific circuit configuration of the protection circuit used for the protection circuits 204 to 207 in FIG. 12 will be described with reference to FIG. In the following description, only the case where an n-type transistor is provided will be described.

図13(A)に示す保護回路は、複数のトランジスタを用いた保護ダイオード211乃至保護ダイオード214を有する。保護ダイオード211は、酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタ211a及びn型トランジスタ211bが直列に接続されている。そして、n型トランジスタ211aのソース電極及びドレイン電極の一方は、n型トランジスタ211a及びn型トランジスタ211bのゲート電極と接続され、且つ電位Vssに保たれている。n型トランジスタ211aのソース電極及びドレイン電極の他方は、n型トランジスタ211bのソース電極及びドレイン電極の一方に接続されている。n型トランジスタ211bのソース電極及びドレイン電極の他方は保護ダイオード212に接続されている。そして、他の保護ダイオード212乃至保護ダイオード214も保護ダイオード211と同様に、それぞれ直列に接続された複数のトランジスタを有し、且つ直列に接続された複数のトランジスタの一端は、複数のトランジスタのゲート電極と接続されている。 The protection circuit illustrated in FIG. 13A includes a protection diode 211 to a protection diode 214 using a plurality of transistors. In the protection diode 211, an n-type transistor 211a and an n-type transistor 211b each including an oxide semiconductor (OS) are connected in series. One of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 211a is connected to the gate electrodes of the n-type transistor 211a and the n-type transistor 211b, and is kept at the potential V ss . The other of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 211a is connected to one of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 211b. The other of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 211b is connected to the protection diode 212. Similarly to the protection diode 211, the other protection diodes 212 to 214 each have a plurality of transistors connected in series, and one ends of the plurality of transistors connected in series are gates of the plurality of transistors. It is connected to the electrode.

なお、保護ダイオード211乃至保護ダイオード214のそれぞれが有するトランジスタの数及び極性は、図13(A)に示す構成に限定されない。例えば、保護ダイオード211は、直列に接続された三つのトランジスタにより構成されていてもよい。 Note that the number and polarity of the transistors included in each of the protective diodes 211 to 214 are not limited to the structure illustrated in FIG. For example, the protection diode 211 may be configured by three transistors connected in series.

そして、保護ダイオード211乃至保護ダイオード214は順に直列に接続されており、且つ保護ダイオード212と保護ダイオード213の間は、配線215に接続されている。なお、配線215は、保護対象となる半導体素子に電気的に接続されているものである。なお、配線215と接続する配線は、保護ダイオード212と保護ダイオード213との間の配線に限定されない。即ち、配線215は、保護ダイオード211と保護ダイオード212との間に接続されていても良いし、保護ダイオード213と保護ダイオード214との間に接続されていても良い。 The protective diodes 211 to 214 are sequentially connected in series, and the protective diode 212 and the protective diode 213 are connected to the wiring 215. Note that the wiring 215 is electrically connected to a semiconductor element to be protected. Note that the wiring connected to the wiring 215 is not limited to the wiring between the protection diode 212 and the protection diode 213. That is, the wiring 215 may be connected between the protection diode 211 and the protection diode 212, or may be connected between the protection diode 213 and the protection diode 214.

そして、保護ダイオード214の一端は電源電位Vddに保たれている。また、保護ダイオード211乃至保護ダイオード214のそれぞれは、逆方向バイアスの電圧がかかるように接続されている。 One end of the protective diode 214 is kept at the power supply potential V dd . In addition, each of the protection diodes 211 to 214 is connected so that a reverse bias voltage is applied.

図13(B)に示す保護回路は、保護ダイオード220、保護ダイオード221、容量素子222、容量素子223及び抵抗素子224を有する。抵抗素子224は2端子の抵抗であり、その一端には配線225から電位Vinが供給され、他端には電位Vssが供給される。抵抗素子224は、電位Vinが供給されなくなったときに配線225の電位をVssにするために設けられており、その抵抗値は配線225の配線抵抗よりも十分に大きくなるように設定する。保護ダイオード220及び保護ダイオード221は、ダイオード接続されたn型トランジスタを用いている。 A protection circuit illustrated in FIG. 13B includes a protection diode 220, a protection diode 221, a capacitor 222, a capacitor 223, and a resistor 224. Resistance element 224 is a two-terminal resistor, its one end is potential V in is supplied from the wiring 225, the other end potential V ss is supplied. Resistance element 224 is provided to the potential of the wiring 225 when the potential V in is not supplied to the V ss, the resistance value is set to be sufficiently larger than the wiring resistance of the wiring 225 . The protection diode 220 and the protection diode 221 are diode-connected n-type transistors.

なお、図13に示す保護ダイオードは、更に複数のトランジスタを直列に接続したものであっても良い。 Note that the protection diode shown in FIG. 13 may be a diode in which a plurality of transistors are further connected in series.

ここで、図13に示す保護回路が動作する場合について考える。このとき、保護ダイオード211、212、221、230、231、234、235のソース電極及びドレイン電極において、電位Vssに保持される側がドレイン電極である。また他方はソース電極となる。保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237のソース電極及びドレイン電極において、電位Vddに保持される側をソース電極とし、他方がドレイン電極となる。また、保護ダイオードを構成するトランジスタのしきい値電圧をVthと示す。 Here, consider the case where the protection circuit shown in FIG. 13 operates. At this time, in the source and drain electrodes of the protection diodes 211, 212, 221, 230, 231, 234, and 235, the side held at the potential V ss is the drain electrode. The other is a source electrode. Of the source and drain electrodes of the protection diodes 213, 214, 220, 232, 233, 236, and 237, the side held at the potential V dd is the source electrode, and the other is the drain electrode. Further, the threshold voltage of the transistor constituting the protection diode is denoted as Vth .

また、保護ダイオード211、212、221、230、231、234、235は電位Vinが電位Vssより高いときに逆バイアスの電圧がかかり、電流が流れにくい。一方、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237は、電位Vinが電位Vddより低いときに逆方向バイアスの電圧がかかり、電流が流れにくい。 The protective diode 211,212,221,230,231,234,235 takes a reverse bias voltage when the potential V in is higher than the potential V ss, hardly current flows. On the other hand, the protection diode 213,214,220,232,233,236,237, the potential V in it takes a reverse bias voltage when lower than the potential V dd, current does not easily flow.

ここでは、電位Voutが概ね電位Vssと電位Vddの間となるように設けられた保護回路の動作について説明する。 Here, the operation of the protection circuit potential V out is generally provided so as to be between the potential V ss and the potential V dd.

まず、電位Vinが電位Vddよりも高い場合を考える。電位Vinが電位Vddよりも高い場合、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237のゲート電極とソース電極間の電位差Vgs=Vin−Vdd>Vthのときに、当該n型トランジスタはオン状態となる。ここでは、Vinが異常に高い場合を想定しているため、当該n型トランジスタはオン状態となる。このとき、保護ダイオード211、212、221、230、231、234、235が有するn型トランジスタは、オフ状態となる。そうすると、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237を介して、配線215、225、239A、239Bの電位がVddとなる。従って、ノイズ等により電位Vinが電位Vddよりも異常に高くなったとしても、配線215、224、225、239A、239Bの電位は、電位Vddよりも高くなることはない。 First, consider the case where the potential V in is higher than the potential V dd. If the potential V in is higher than the potential V dd, when the potential difference V gs = V in -V dd> V th between the gate electrode and the source electrode of the protection diode 213,214,220,232,233,236,237 The n-type transistor is turned on. Here, it is assumed the case where V in is abnormally high, the n-type transistor is turned on. At this time, the n-type transistors included in the protection diodes 211, 212, 221, 230, 231, 234, and 235 are turned off. Then, the potentials of the wirings 215, 225, 239A, and 239B become V dd through the protective diodes 213, 214, 220, 232, 233, 236, and 237. Therefore, even when the potential V in is unusually higher than the potential V dd due to noise or the like, wiring 215,224,225,239A, the potential of 239B does not become higher than the potential V dd.

一方で、電位Vinが電位Vssよりも低い場合には、保護ダイオード211、212、221、230、231、234、235のゲート電極とソース電極間の電位差Vgs=Vss−Vin>Vthのときに、当該n型トランジスタはオン状態となる。ここでは、Vinが異常に低い場合を想定しているため、n型トランジスタはオンする。このとき、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237が有するn型トランジスタはオフ状態となる。そうすると、保護ダイオード211、212、221、230、231、234、235を介して、配線215、225、239A、239Bの電位がVssとなる。従って、ノイズ等により、電位Vinが電位Vssより異常に低くなったとしても、配線215、225、239A、239Bの電位は、電位Vssよりも低くなることはない。さらに、容量素子222、223は、入力電位Vinが有するパルス状のノイズを鈍らせ、ノイズによる電位の急峻な変化を緩和する働きをする。 On the other hand, the potential V in is lower than the potential V ss is the potential difference V gs = V ss -V in between the gate electrode and the source electrode of the protection diode 211,212,221,230,231,234,235> When Vth, the n-type transistor is turned on. Here, it is assumed the case where V in is unusually low, n-type transistor is turned on. At this time, the n-type transistors included in the protection diodes 213, 214, 220, 232, 233, 236, and 237 are turned off. Then, the potentials of the wirings 215, 225, 239A, and 239B become V ss through the protective diodes 211, 212, 221, 230, 231, 234, and 235. Therefore, due to noise or the like, even when the potential V in is unusually lower than the potential V ss, wiring 215,225,239A, the potential of 239B does not become lower than the potential V ss. Further, a capacitor 222 and 223 reduce pulsed noise of the input potential V in, to relieve a steep change in the potential due to noise.

なお、電位Vinが、Vss−VthからVdd+Vthの間の場合には、すべての保護ダイオードが有するn型トランジスタがオフ状態となり、電位Vinが電位Voutへ入力される。 The potential V in is the case between V ss -V th of V dd + V th is, n-type transistor that all of the protection diode has is turned off, the potential V in is input to the potential V out.

以上説明したように保護回路を配置することで、配線215、225、239A、239Bの電位は、概ね電位Vssと電位Vddの間に保たれることになる。従って、配線215、225、239A、239Bがこの範囲から大きく外れる電位となることを防止することができる。つまり、配線215、225、239A、239Bが異常に高い電位または異常に低い電位となることを防止し、当該保護回路の後段の回路が破壊されまたは劣化することを防止し、後段の回路を保護することができる。 By disposing the protection circuit as described above, the potentials of the wirings 215, 225, 239A, and 239B are maintained between the potential V ss and the potential V dd . Accordingly, it is possible to prevent the wirings 215, 225, 239A, and 239B from having a potential greatly deviating from this range. That is, the wirings 215, 225, 239A, and 239B are prevented from becoming an abnormally high potential or an abnormally low potential, the subsequent circuit of the protection circuit is prevented from being destroyed or deteriorated, and the subsequent circuit is protected. can do.

さらに、図13(B)に示すように、入力端子に抵抗素子224を有する保護回路を設けることで、信号が入力されていないときに、信号が与えられる全ての配線の電位を、一定(ここでは電位Vss)とすることができる。つまり信号が入力されていないときは、配線同士をショートさせることができるショートリングとしての機能も有する。そのため、配線間に生じる電位差に起因する静電破壊を防止することができる。また、抵抗素子224の抵抗値が配線抵抗に対して十分に大きいので、信号の入力時に、配線に与えられる信号が電位Vssまで降下することを防止することができる。 Further, as shown in FIG. 13B, by providing a protective circuit having a resistance element 224 at the input terminal, the potentials of all wirings to which a signal is applied when the signal is not input are constant (here Then, the potential V ss ). In other words, when a signal is not input, it also has a function as a short ring that can short-circuit the wires. Therefore, electrostatic breakdown due to a potential difference generated between the wirings can be prevented. In addition, since the resistance value of the resistance element 224 is sufficiently large with respect to the wiring resistance, it is possible to prevent a signal supplied to the wiring from dropping to the potential V ss when a signal is input.

ここで、一例として、図13(B)の保護ダイオード220及び保護ダイオード221に閾値電圧Vth=0のn型トランジスタを用いた場合について説明する。 Here, as an example, a case where an n-type transistor having a threshold voltage V th = 0 is used for the protection diode 220 and the protection diode 221 in FIG.

まず、Vin>Vddの場合には、保護ダイオード220はVgs=Vin−Vdd>0となり、オンする。保護ダイオード221が有するn型薄膜トランジスタはオフ状態となる。従って、配線225の電位はVddとなり、Vout=Vddとなる。 First, when V in > V dd , the protection diode 220 is turned on because V gs = V in −V dd > 0. The n-type thin film transistor included in the protection diode 221 is turned off. Therefore, the potential of the wiring 225 is V dd and V out = V dd .

一方で、Vin<Vssの場合には、保護ダイオード220が有するn型薄膜トランジスタはオフ状態となる。保護ダイオード221が有するn型薄膜トランジスタはVgs=Vss−Vin>0となり、オン状態となる。従って、配線225の電位はVssとなり、Vout=Vssとなる。 On the other hand, when V in <V ss , the n-type thin film transistor included in the protection diode 220 is turned off. The n-type thin film transistor included in the protection diode 221 becomes V gs = V ss −V in > 0 and is turned on. Therefore, the potential of the wiring 225 is V ss and V out = V ss .

このように、Vin<VssまたはVdd<Vinとなる場合であっても、Vss<Vout<Vddの範囲で動作させることができる。従って、Vinが過大な場合または過小な場合であっても、Voutが過大になりまたは過小となることを防止することができる。従って、例えばノイズ等により、電位Vinが電位Vssより低くなる場合であっても、配線225の電位は、電位Vssよりも遙かに低くなることはない。さらに、容量素子222及び容量素子223は、入力電位Vinが有するパルス状のノイズを鈍らせ、電位の急峻な変化を緩和する働きをする。 As described above, even when V in <V ss or V dd <V in , the operation can be performed in the range of V ss <V out <V dd . Therefore, even if V in is excessive or small, it is possible to prevent V out from becoming excessive or excessive. Thus, for example, due to noise or the like, even when the potential V in is lower than the potential V ss, the potential of the wiring 225 does not become much lower than the potential V ss. Further, a capacitor 222 and the capacitor 223 reduce pulsed noise of the input potential V in, to relieve a steep change in potential.

以上説明したように保護回路を配置することで、配線225の電位は、電位Vssと電位Vddの間に概ね保たれることになる。従って、配線225がこの範囲から大きくはずれた電位となることを防止することができ、当該保護回路の後段の回路(入力部がVoutに電気的に接続された回路)を破壊または劣化から保護することができる。さらに、入力端子に保護回路を設けることで、信号が入力されていないときに、信号が与えられる全ての配線の電位を、一定(ここでは電位Vss)に保つことができる。つまり、信号が入力されていないときは、配線同士をショートさせることができるショートリングとしての機能も有する。そのため、配線間に生じる電位差に起因する静電破壊を防止することができる。また、抵抗素子224の抵抗値が十分に大きいので、信号の入力時には、配線225に与えられる信号の電位の低下を防止できる。 By arranging the protection circuit as described above, the potential of the wiring 225 is generally kept between the potential V ss and the potential V dd . Therefore, the wiring 225 can be prevented from having a potential greatly deviating from this range, and a circuit subsequent to the protection circuit (a circuit in which the input portion is electrically connected to Vout ) is protected from destruction or deterioration. can do. Further, by providing a protection circuit at the input terminal, the potentials of all wirings to which signals are supplied can be kept constant (here, the potential V ss ) when no signal is input. That is, when a signal is not input, it also has a function as a short ring that can short-circuit the wirings. Therefore, electrostatic breakdown due to a potential difference generated between the wirings can be prevented. In addition, since the resistance value of the resistance element 224 is sufficiently large, a decrease in the potential of the signal applied to the wiring 225 can be prevented when a signal is input.

図13(C)に示す保護回路は、保護ダイオード220及び保護ダイオード221を、それぞれ2つのn型トランジスタで代用したものである。 In the protection circuit shown in FIG. 13C, the protection diode 220 and the protection diode 221 are each replaced with two n-type transistors.

なお、図13(B)及び図13(C)に示す保護回路は、保護ダイオードとしてダイオード接続されたn型トランジスタを用いているが、これに限定されない。 Note that although the protection circuit illustrated in FIGS. 13B and 13C uses a diode-connected n-type transistor as the protection diode, the invention is not limited to this.

また、図13(D)に示す保護回路は、保護ダイオード230乃至保護ダイオード237と、抵抗素子238と、を有する。抵抗素子238は配線239Aと配線239Bの間に直列に接続されている。保護ダイオード230乃至保護ダイオード233のそれぞれは、ダイオード接続されたn型トランジスタを用いており、保護ダイオード234乃至保護ダイオード237のそれぞれは、ダイオード接続されたn型トランジスタを用いている。 In addition, the protection circuit illustrated in FIG. 13D includes the protection diodes 230 to 237 and the resistance element 238. The resistance element 238 is connected in series between the wiring 239A and the wiring 239B. Each of the protection diode 230 to the protection diode 233 uses a diode-connected n-type transistor, and each of the protection diode 234 to the protection diode 237 uses a diode-connected n-type transistor.

保護ダイオード230と保護ダイオード231は直列に接続されており、一端は電位Vssに保持され、他端は電位Vinの配線239Aに接続されている。保護ダイオード232と保護ダイオード233は直列に接続されており、一端は電位Vddに保持され、他端は電位Vinの配線239Aに接続されている。保護ダイオード234と保護ダイオード235は直列に接続されており、一端は電位Vssに保持され、他端は電位Voutの配線239Bに接続されている。保護ダイオード236と保護ダイオード237は直列に接続されており、一端は電位Vddに保持され、他端は電位Voutの配線239Bに接続されている。 Protection diode 230 and the protection diode 231 are connected in series, one end of which is kept at the potential V ss, the other end is connected to the wiring 239A potential V in. Protection diode 232 and the protection diode 233 are connected in series, one end of which is kept at the potential V dd, and the other end thereof is connected to the wiring 239A potential V in. The protective diode 234 and the protective diode 235 are connected in series, one end is held at the potential V ss and the other end is connected to the wiring 239B having the potential V out . The protective diode 236 and the protective diode 237 are connected in series, one end is held at the potential V dd and the other end is connected to the wiring 239B having the potential V out .

また、図13(E)に示す保護回路は、抵抗素子240と、抵抗素子241と、保護ダイオード242と、を有する。図13(E)では、保護ダイオード242としてダイオード接続されたn型トランジスタを用いているが、これに限定されない。ダイオード接続された複数のトランジスタを用いても良い。抵抗素子240と、抵抗素子241と、保護ダイオード242は、配線243に直列に接続されている。 In addition, the protection circuit illustrated in FIG. 13E includes a resistance element 240, a resistance element 241, and a protection diode 242. In FIG. 13E, a diode-connected n-type transistor is used as the protective diode 242, but the invention is not limited to this. A plurality of diode-connected transistors may be used. The resistance element 240, the resistance element 241, and the protection diode 242 are connected in series to the wiring 243.

抵抗素子240及び抵抗素子241によって、配線243の電位の急激な変動を緩和し、半導体素子の劣化または破壊を防止することができる。また、保護ダイオード242によって、電位の変動により配線243に逆方向バイアスの電流が流れることを防止することができる。 The resistance element 240 and the resistance element 241 can alleviate a rapid change in the potential of the wiring 243 and can prevent deterioration or destruction of the semiconductor element. In addition, the protective diode 242 can prevent a reverse bias current from flowing through the wiring 243 due to potential fluctuation.

なお、図13(A)に示す保護回路は、図13(F)に示す構成に置き換えることも可能である。図15(F)は、図15(A)に示した保護ダイオード211及び保護ダイオード212を保護ダイオード216に、保護ダイオード213及び保護ダイオード214を保護ダイオード217に置き換えた構成を示している。特に、上記実施の形態で説明したダイオードは、耐圧が高いため、図13(F)のような構成を用いることができる。 Note that the protection circuit illustrated in FIG. 13A can be replaced with the structure illustrated in FIG. FIG. 15F illustrates a structure in which the protection diode 211 and the protection diode 212 illustrated in FIG. 15A are replaced with a protection diode 216, and the protection diode 213 and the protection diode 214 are replaced with a protection diode 217. In particular, since the diode described in the above embodiment has a high withstand voltage, a structure illustrated in FIG. 13F can be used.

なお、抵抗素子のみを配線に直列に接続する場合には、配線の電位の急激な変動を緩和し、半導体素子の劣化または破壊を防止することができる。また、保護ダイオードのみを配線に直列に接続する場合、電位の変動により配線に逆方向の電流が流れるのを防ぐことができる。 Note that in the case where only the resistance element is connected in series to the wiring, rapid fluctuations in the potential of the wiring can be alleviated and deterioration or destruction of the semiconductor element can be prevented. Further, when only the protective diode is connected in series to the wiring, it is possible to prevent a reverse current from flowing through the wiring due to potential fluctuation.

なお、本発明の一態様である表示装置に設けられる保護回路は図13に示す構成に限定されるものではなく、同様の働きをする回路構成であれば、適宜設計変更が可能である。 Note that the protective circuit provided in the display device which is one embodiment of the present invention is not limited to the structure illustrated in FIG. 13, and the design can be changed as appropriate as long as the circuit structure functions similarly.

(実施の形態9)
本実施の形態では、上記実施の形態にて説明したダイオードを用いて、安定した電源供給を可能とする半導体装置の構成例について図14で説明する。電源線に想定以上の電圧が印加されると、その電源線に接続している回路が損傷される恐れがある。実施の形態8では、主に信号線に対して想定以上の過大な電圧から保護するための構成例について示したが、図14では、電源線に想定以上の電圧が印加されることを防ぐための構成例を示す。
(Embodiment 9)
In this embodiment, an example of a structure of a semiconductor device that enables stable power supply using the diode described in the above embodiment will be described with reference to FIGS. If a voltage higher than expected is applied to the power line, the circuit connected to the power line may be damaged. In the eighth embodiment, a configuration example for protecting a signal line mainly from an excessive voltage that is higher than expected has been described. However, in FIG. 14, in order to prevent a voltage higher than expected from being applied to a power supply line. The example of a structure is shown.

図14(A)は、電位Vssを供給する電源線270と、電位Vddを供給する電源線271の間に、酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタを用いた保護ダイオード251乃至保護ダイオード255、及び保護ダイオード261が接続されている状態を示す回路図である。また、図14(B)は、図14(A)のトランジスタを用いた保護ダイオードの構成を、ダイオードの回路記号で置き換えた図である。 14 (A) is a power supply line 270 for supplying a potential V ss, between the power supply line 271 for supplying a potential V dd, the protection diode 251 to protection with n-type transistor having an oxide semiconductor (OS) It is a circuit diagram which shows the state in which the diode 255 and the protection diode 261 are connected. FIG. 14B is a diagram in which the configuration of the protection diode using the transistor in FIG. 14A is replaced with a circuit symbol of the diode.

一例として、電位Vssを0Vとし、電位Vddを10Vとし、電源線270と電源線271の電位差が10Vを超える事がないようにする場合について説明する。ここでは、保護ダイオードとして、閾値電圧(Vth)が2Vのn型トランジスタを用いることとする。 As an example, a case will be described in which the potential V ss is 0 V, the potential V dd is 10 V, and the potential difference between the power supply line 270 and the power supply line 271 does not exceed 10 V. Here, an n-type transistor having a threshold voltage (V th ) of 2 V is used as the protective diode.

図14(A)及び図14(B)において、電位Vddを供給する電源線271に保護ダイオード251のアノード側が接続されている。保護ダイオード251は酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタで構成されており、該n型トランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方が、電源線271及び該n型トランジスタのゲート電極と接続され、アノードとして機能する。また、ソース電極及びドレイン電極の他方はカソードとして機能し、保護ダイオード252のアノードに接続されている。 14A and 14B, the anode side of the protection diode 251 is connected to the power supply line 271 that supplies the potential V dd . The protective diode 251 includes an n-type transistor including an oxide semiconductor (OS), and one of a source electrode and a drain electrode of the n-type transistor is connected to the power supply line 271 and the gate electrode of the n-type transistor, Functions as an anode. The other of the source electrode and the drain electrode functions as a cathode and is connected to the anode of the protection diode 252.

保護ダイオード252は酸化物半導体(OS)を有するn型トランジスタで構成されており、該n型トランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方が、保護ダイオード251のカソード及び該n型トランジスタのゲート電極と接続され、アノードとして機能する。また、ソース電極及びドレイン電極の他方はカソードとして機能し、保護ダイオード253のアノードに接続されている。 The protection diode 252 includes an n-type transistor including an oxide semiconductor (OS), and one of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor is connected to the cathode of the protection diode 251 and the gate electrode of the n-type transistor. And function as an anode. The other of the source electrode and the drain electrode functions as a cathode and is connected to the anode of the protection diode 253.

このようにして、保護ダイオード251乃至保護ダイオード255が直列に接続し、保護ダイオード255のカソードが電位Vssを供給する電源線270に接続される。つまり、電源線270と電源線271の間に、順バイアス方向に保護ダイオードが5個直列に接続されている。 In this manner, the protective diodes 251 to 255 are connected in series, and the cathode of the protective diode 255 is connected to the power supply line 270 that supplies the potential V ss . That is, five protective diodes are connected in series between the power supply line 270 and the power supply line 271 in the forward bias direction.

通常、順方向バイアス方向に電圧が印加されるとダイオードに順方向電流が流れ、アノードとカソード間が導通状態となる。本実施の形態では、閾値電圧(Vth)が2Vのn型トランジスタで構成されたダイオードを5個直列に接続しているため、順方向バイアスが2Vの5倍である10Vを超えないと、電源線270と電源線271間が導通状態とならない。しかし、ノイズなどの原因により、電源線270と電源線271間の電位差が10Vを超えると、保護ダイオード251乃至保護ダイオード255が導通状態となり、電位差が10V以下になるまで電源線270と電源線271が短絡状態となる。このようにして、想定以上の電圧が電源線を通して回路に印加され、回路が損傷される事を防ぐことができる。 Normally, when a voltage is applied in the forward bias direction, a forward current flows through the diode, and the anode and the cathode become conductive. In this embodiment, since five diodes composed of n-type transistors having a threshold voltage (V th ) of 2V are connected in series, the forward bias does not exceed 10V, which is five times 2V. The power supply line 270 and the power supply line 271 are not electrically connected. However, when the potential difference between the power supply line 270 and the power supply line 271 exceeds 10 V due to noise or the like, the protection diodes 251 to 255 are turned on, and the power supply line 270 and the power supply line 271 are turned on until the potential difference becomes 10 V or less. Becomes a short circuit state. In this way, it is possible to prevent the circuit from being damaged by applying a voltage higher than expected to the circuit through the power supply line.

また、保護ダイオード261を、電源線270と電源線271の間に逆方向バイアスとなるように接続することで、ノイズなどの原因により、電源線270の電位が電源線271より大きくなったときに、電源線270と電源線271を短絡させて電荷を逃がし、電源線に接続されている回路が損傷することを防ぐことができる。 Further, when the protective diode 261 is connected between the power supply line 270 and the power supply line 271 so as to have a reverse bias, the potential of the power supply line 270 becomes higher than the power supply line 271 due to noise or the like. The power supply line 270 and the power supply line 271 can be short-circuited to release electric charges, thereby preventing damage to a circuit connected to the power supply line.

保護ダイオード261は、酸化物半導体(OS)を有するトランジスタであり、大きな逆方向バイアスが印加されても、降伏現象が起きにくい高耐圧ダイオードである。本実施の形態では、電源線270と電源線271の間に保護ダイオード261を一つ配置した例を示しているが、保護ダイオード261を複数直列に配置してもよい。保護ダイオード261をn個直列に配置することで、保護ダイオード一つ当たりに印加される電圧をn分の1とすることができるため、複数直列に配置したダイオード全体を、さらに耐圧特性に優れた一つのダイオードとして機能させることができる。 The protection diode 261 is a transistor including an oxide semiconductor (OS), and is a high-breakdown-voltage diode that hardly causes a breakdown phenomenon even when a large reverse bias is applied. In this embodiment, an example is shown in which one protective diode 261 is arranged between the power supply line 270 and the power supply line 271, but a plurality of protective diodes 261 may be arranged in series. By arranging n protection diodes 261 in series, the voltage applied to each protection diode can be reduced to 1 / n. Therefore, a plurality of diodes arranged in series are more excellent in breakdown voltage characteristics. It can function as a single diode.

また、直列接続した保護ダイオード251乃至保護ダイオード255、及び保護ダイオード261は、電源線270と電源線271の間に複数並列に設けてもよい。複数並列に設けることにより、より多くの電流を流すことができるため、電源線270と電源線271の間の電位をより迅速に安定させる事ができる。 A plurality of the protective diodes 251 to 255 and the protective diodes 261 connected in series may be provided in parallel between the power supply line 270 and the power supply line 271. By providing a plurality in parallel, more current can flow, so that the potential between the power supply line 270 and the power supply line 271 can be stabilized more quickly.

なお、端子281を保護ダイオード254と保護ダイオード255の間に設けることで、保護ダイオード255の閾値電圧(Vth)を取り出すことができる。本実施の形態では、保護ダイオード255の閾値電圧(Vth)を2Vとしているため、端子281を2Vの電源線として用いる事ができる。また、端子281を保護ダイオード253と保護ダイオード252の間に設けることで、端子281を6Vの電源線として用いる事ができる。保護ダイオード255の閾値電圧(Vth)と直列接続数を調整することにより、任意の電位を取り出すことができる。 Note that by providing the terminal 281 between the protection diode 254 and the protection diode 255, the threshold voltage (V th ) of the protection diode 255 can be extracted. In this embodiment mode, since the threshold voltage (V th ) of the protective diode 255 is 2V, the terminal 281 can be used as a 2V power supply line. Further, by providing the terminal 281 between the protective diode 253 and the protective diode 252, the terminal 281 can be used as a 6V power supply line. An arbitrary potential can be taken out by adjusting the threshold voltage (V th ) of the protective diode 255 and the number of series connections.

(実施の形態10)
実施の形態8で説明した保護回路を有する表示装置は、電子機器に適用することができる。
(Embodiment 10)
The display device including the protection circuit described in Embodiment 8 can be applied to electronic devices.

実施の形態8の表示装置を表示部に用いた電子機器として、例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポなど)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍など)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(DVD)など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備えた装置)などが挙げられる。 As an electronic device using the display device of Embodiment 8 as a display unit, for example, a camera such as a video camera or a digital camera, a goggle type display, a navigation system, a sound reproduction device (car audio, audio component, etc.), a computer, a game A device, a portable information terminal (such as a mobile computer, a cellular phone, a portable game machine, or an electronic book), and an image reproducing device (specifically, a digital versatile disc (DVD)) equipped with a recording medium are reproduced. And a device provided with a display capable of displaying an image).

図15(A)に示すディスプレイは、筐体300、支持台301および表示部302を含み、入力された様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部302に表示する機能を有する。なお、図15(A)に示すディスプレイが有する機能はこれに限定されず、例えばスピーカーを具備していてもよいし、情報の表示のみならず入力も可能なタッチパネルであってもよい。 A display illustrated in FIG. 15A includes a housing 300, a support base 301, and a display portion 302, and has a function of displaying various input information (still images, moving images, text images, and the like) on the display portion 302. . Note that the function of the display illustrated in FIG. 15A is not limited thereto, and for example, a speaker may be included, or a touch panel capable of inputting information as well as displaying information may be used.

図15(B)に示すテレビジョン装置は、筐体311に表示部312が組み込まれている。表示部312により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、壁310に固定して筐体の裏側を支持した構成を示している。 In the television device illustrated in FIG. 15B, a display portion 312 is incorporated in a housing 311. The display unit 312 can display an image. Here, a configuration is shown in which the rear side of the housing is supported by being fixed to the wall 310.

図15(B)に示すテレビジョン装置の操作は、筐体311が備える操作スイッチや、リモコン操作機315により行うことができる。リモコン操作機315が備える操作キー314により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部312に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機315に、当該リモコン操作機315から出力する情報を表示する表示部313を設ける構成としてもよい。 The television device illustrated in FIG. 15B can be operated with an operation switch included in the housing 311 or the remote controller 315. The operation keys 314 provided on the remote controller 315 can be used to operate the channel and volume, and the video displayed on the display unit 312 can be operated. Further, the remote controller 315 may be provided with a display unit 313 for displaying information output from the remote controller 315.

なお、図15(B)に示すテレビジョン装置は、受信機やモデムなどを備えた構成とするとよい。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。 Note that the television set illustrated in FIG. 15B is preferably provided with a receiver, a modem, and the like. General TV broadcasts can be received by a receiver, and connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional (sender and receiver). It is also possible to perform information communication between each other or between recipients).

図15(C)に示すコンピュータは、本体320、筐体321、表示部322、キーボード323、外部接続ポート324およびポインティングデバイス325を含み、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部322に表示する機能を有する。なお、図15(C)に示すコンピュータが有する機能はこれに限定されず、例えば、情報の表示のみならず入力も可能なタッチパネルであってもよい。 A computer illustrated in FIG. 15C includes a main body 320, a housing 321, a display portion 322, a keyboard 323, an external connection port 324, and a pointing device 325, and displays a variety of information (still images, moving images, text images, and the like). A function of displaying in the portion 322; Note that the functions of the computer illustrated in FIG. 15C are not limited thereto, and for example, a touch panel that can input information as well as display information may be used.

本実施の形態で説明したように、本発明の一態様であるダイオードなどの非線形素子を電子機器に用いることができる。 As described in this embodiment, a nonlinear element such as a diode which is one embodiment of the present invention can be used for an electronic device.

101 基板
103 絶縁層
105 電極
106 電極
107 酸化物半導体層
109 電極
111 ゲート絶縁層
113 電極
115 電極
117 絶縁層
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 トランジスタ
141 トランジスタ
143 トランジスタ
145 トランジスタ
151 酸化物半導体層
153 鎖線部
155 非晶質領域
157 結晶粒
101 substrate 103 insulating layer 105 electrode 106 electrode 107 oxide semiconductor layer 109 electrode 111 gate insulating layer 113 electrode 115 electrode 117 insulating layer 119 contact hole 121 contact hole 123 contact hole 125 wiring 129 wiring 131 wiring 132 wiring 133 transistor 141 transistor 143 transistor 145 Transistor 151 Oxide semiconductor layer 153 Chain line portion 155 Amorphous region 157 Crystal grain

Claims (18)

基板上に形成される第1の電極と、
前記第1の電極上に接して形成される二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm以下である酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極と、
前記第1の電極、前記酸化物半導体層、及び前記第2の電極を覆うゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に接して形成され、前記第1の電極、前記酸化物半導体層、及び前記第2の電極を介して対向する複数の第3の電極と、を有し、
前記複数の第3の電極は、前記第2の電極と接続されており、
前記第1の電極の仕事関数φmd、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmsが、φms≦χ≧φmdであることを特徴とする非線形素子。
A first electrode formed on a substrate;
An oxide semiconductor layer having a hydrogen concentration detected by secondary ion mass spectrometry formed on and in contact with the first electrode of 5 × 10 19 / cm 3 or less;
A second electrode formed on and in contact with the oxide semiconductor layer;
A gate insulating layer covering the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode;
A plurality of third electrodes formed in contact with the gate insulating layer and facing each other through the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode;
The plurality of third electrodes are connected to the second electrode,
A nonlinear element characterized in that a work function φmd of the first electrode, an electron affinity χ of the oxide semiconductor layer, and a work function φms of the second electrode satisfy φms ≦ χ ≧ φmd.
請求項1において、
前記酸化物半導体層は、キャリア濃度が1×1012/cm未満であることを特徴とする非線形素子。
In claim 1,
The non-linear element, wherein the oxide semiconductor layer has a carrier concentration of less than 1 × 10 12 / cm 3 .
請求項1または請求項2のいずれか一において、
前記第1の電極材料は、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)またはイットリウム(Y)から選ばれた元素を含むことを特徴とする非線形素子。
In any one of Claim 1 or Claim 2,
The first electrode material is aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), copper (Cu), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W) or yttrium ( A non-linear element comprising an element selected from Y).
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2の電極材料は、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)またはイットリウム(Y)から選ばれた元素を含むことを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 1 to 3,
The second electrode material is aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), copper (Cu), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W) or yttrium ( A non-linear element comprising an element selected from Y).
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に接する前記第1の電極材料と、前記酸化物半導体層に接する前記第2の電極材料が同じであることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The nonlinear element, wherein the first electrode material in contact with the oxide semiconductor layer and the second electrode material in contact with the oxide semiconductor layer are the same.
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記ゲート絶縁層は、少なくとも前記酸化物半導体層に接する部分が酸化物絶縁層であることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The non-linear element, wherein at least a portion of the gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer is an oxide insulating layer.
請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
前記酸化物絶縁層は酸化シリコンであり、
前記酸化シリコンは、窒化シリコンにより覆われていることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
The oxide insulating layer is silicon oxide;
The non-linear element, wherein the silicon oxide is covered with silicon nitride.
請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の非線形素子を有する保護回路が設けられた表示装置。 A display device provided with a protection circuit having the nonlinear element according to claim 1. 請求項8に記載の表示装置が用いられた電子機器。 An electronic device using the display device according to claim 8. 基板上に形成される第1の電極と、
前記第1の電極上に接して形成される二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm以下である酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極と、
前記第1の電極、前記酸化物半導体層、及び前記第2の電極を覆うゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に接して形成され、前記第1の電極、前記酸化物半導体層、及び前記第2の電極を介して対向する複数の第3の電極と、を有し、
前記複数の第3の電極は、前記第2の電極と接続されており、
前記第1の電極の仕事関数φmd、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmsが、φms>χ≧φmdであることを特徴とする非線形素子。
A first electrode formed on a substrate;
An oxide semiconductor layer having a hydrogen concentration detected by secondary ion mass spectrometry formed on and in contact with the first electrode of 5 × 10 19 / cm 3 or less;
A second electrode formed on and in contact with the oxide semiconductor layer;
A gate insulating layer covering the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode;
A plurality of third electrodes formed in contact with the gate insulating layer and facing each other through the first electrode, the oxide semiconductor layer, and the second electrode;
The plurality of third electrodes are connected to the second electrode,
A nonlinear element characterized in that a work function φmd of the first electrode, an electron affinity χ of the oxide semiconductor layer, and a work function φms of the second electrode satisfy φms> χ ≧ φmd.
請求項10において、
前記酸化物半導体層は、キャリア濃度が1×1012/cm未満であることを特徴とする非線形素子。
In claim 10,
The non-linear element, wherein the oxide semiconductor layer has a carrier concentration of less than 1 × 10 12 / cm 3 .
請求項10または請求項11のいずれか一において、
前記第1の電極材料は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、金(Au)、プラチナ(Pt)、銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ベリリウム(Be)、または酸化インジウム錫(ITO)から選ばれた元素を含むことを特徴とする非線形素子。
In any one of Claim 10 or Claim 11,
The first electrode material is tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr), iron (Fe), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), cobalt (Co), nickel ( A nonlinear element comprising an element selected from Ni), beryllium (Be), or indium tin oxide (ITO).
請求項10または請求項12のいずれか一において、
前記第2の電極材料は、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、またはタンタル(Ta)から選ばれた元素を含むことを特徴とする非線形素子。
In any one of Claim 10 or Claim 12,
The second electrode material is selected from titanium (Ti), yttrium (Y), aluminum (Al), zirconium (Zr), magnesium (Mg), silver (Ag), manganese (Mn), or tantalum (Ta). A non-linear element characterized by containing a selected element.
請求項10乃至請求項13のいずれか一において、
前記酸化物半導体層に接する前記第1の電極材料と、前記酸化物半導体層に接する前記第2の電極材料が異なることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 10 thru | or 13,
The nonlinear element, wherein the first electrode material in contact with the oxide semiconductor layer is different from the second electrode material in contact with the oxide semiconductor layer.
請求項10乃至請求項14のいずれか一において、
前記ゲート絶縁層は、少なくとも前記酸化物半導体層に接する部分が酸化物絶縁層であることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 10-14,
The non-linear element, wherein at least a portion of the gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer is an oxide insulating layer.
請求項10乃至請求項15のいずれか一において、
前記酸化物絶縁層は酸化シリコンであり、
前記酸化シリコンは、窒化シリコンにより覆われていることを特徴とする非線形素子。
In any one of Claims 10 to 15,
The oxide insulating layer is silicon oxide;
The non-linear element, wherein the silicon oxide is covered with silicon nitride.
請求項10乃至請求項16のいずれか一に記載の非線形素子を有する保護回路が設けられた表示装置。 A display device provided with a protection circuit having the nonlinear element according to claim 10. 請求項17に記載の表示装置が用いられた電子機器。 An electronic device using the display device according to claim 17.
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