JP2012253369A - 半導体装置及びその作製方法 - Google Patents
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- H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
- H01L33/305—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system characterised by the doping materials
Abstract
を目的の一とする。または、新たな半導体材料を用いた新たな構造の半導体装置を提供す
ることを目的の一とする。
【解決手段】第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び第2の結晶性を有する酸化物半導
体膜が積層された酸化物半導体積層体を有する縦型トランジスタ及び縦型ダイオードであ
る。当該酸化物半導体積層体は、結晶成長の工程において、酸化物半導体積層体に含まれ
る電子供与体(ドナー)となる不純物が除去されるため、酸化物半導体積層体は、高純度
化され、キャリア密度が低く、真性または実質的に真性な半導体であって、シリコン半導
体よりもバンドギャップが大きい。
【選択図】図1
Description
る。
タ(TFT)を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは液晶テレビに代表さ
れるような表示装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用可能な半導体薄膜として
シリコン系半導体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されてい
る。
。そして、電子キャリア密度が1018cm−3未満である非晶質酸化物(酸化物半導体
)なるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている(特許文献1乃至3)。
スイッチングなどの特性が必要となる。これらの半導体装置の半導体材料としてはシリコ
ンが採用されているが、上述の観点から、さらなる特性の向上が可能な新たな半導体材料
が求められている。
げることができる。炭化シリコンは、Si−C結合の原子間距離が約0.18nmと短く
、結合エネルギーが高く、シリコンと比較して約3倍と大きなバンドギャップを有するた
め、半導体装置の耐圧向上、電力損失の低減などに有利であることが知られている。
ハを製造する際に用いられるチョクラルスキー法(CZ法)などの生産性の高い方法を用
いて製造することができないという問題がある。また、炭化シリコンには、マイクロパイ
プと呼ばれる欠陥の問題が存在する。これらの問題から、炭化シリコンを用いた半導体装
置の実用化は遅れている。
向けの半導体装置を提供することを目的の一とする。または、新たな半導体材料を用いた
新たな構造の半導体装置を提供することを目的の一とする。
、450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上750℃以下の加熱処理を行って
表面から内部に向かって結晶成長し、第1の電極に接する第1の結晶性を有する酸化物半
導体膜を形成し、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜上に第2の結晶性を有する酸化物
半導体膜を積層することを特徴とする。なお、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び
第2の結晶性を有する酸化物半導体膜は、その表面に結晶方位の揃った平板状の多結晶領
域を有する。平板状の多結晶領域は、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び第2の結
晶性を有する酸化物半導体膜の表面に対して垂直方向にc軸配向をしている。なお、a−
b面での隣り合っている平面の元素は同一物である。また、第1の結晶性を有する酸化物
半導体膜及び第2の結晶性を有する酸化物半導体膜のc軸方向は、表面に対して垂直方向
に一致する。
の酸化物半導体膜を形成した後、450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上7
50℃以下の加熱処理を行って、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜の表面より上方の
第2の酸化物半導体膜の表面に向かって結晶成長をさせて、形成することができる。すな
わち、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜は、第2の酸化物半導体膜にとっては種結晶
に相当する。
に、200℃以上550℃以下に加熱しながら堆積する。代表的にはスパッタリング法を
用いて堆積することで、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜の表面よりエピタキシャル
成長またはアキシャル成長させて、第2の結晶性を有する酸化物半導体膜を形成すること
ができる。すなわち、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜は、第2の酸化物半導体膜に
とっては種結晶に相当する。
として結晶成長しているため、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜と実質的に同じ結晶
方位を有する。
2の酸化物半導体膜上に第2の電極を形成し、ゲート絶縁膜、及びゲート電極として機能
する第3の電極を形成することで、半導体素子として、縦型のトランジスタ、縦型のダイ
オード等を作製することができる。なお、第1の電極は、ソース電極及びドレイン電極の
一方として機能し、第2の電極は、ソース電極及びドレイン電極の他方として機能する。
び第2の結晶性を有する酸化物半導体膜を形成するための加熱処理(第2の加熱処理)は
、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気(窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気な
ど)で行うことが好ましい。この第1の加熱処理及び第2の加熱処理により、第1の酸化
物半導体膜中からH、OH、H2Oなどを脱離させる脱水化または脱水素化が行われ、第
1の結晶性を有する酸化物半導体膜、及び第2の結晶性を有する酸化物半導体膜を高純度
化することができる。また、当該加熱処理は、不活性雰囲気で昇温し、途中で切り替え酸
素を含む雰囲気とする加熱処理を行うことも可能であり、酸素雰囲気で加熱処理を行う場
合は、酸化物半導体膜を酸化するため、酸素欠陥を修復することができる。当該加熱処理
を行った第1の結晶性を有する酸化物半導体膜は、TDS(Thermal Desor
ption Spectroscopy)で450℃まで測定を行っても水の2つのピー
クのうち、少なくとも300℃付近に現れる1つのピークは検出されない。
Inを含む場合、平板状の多結晶領域においては、Inの電子雲が互いに重なり合って連
接することにより、移動度が上昇する。従って、多結晶領域を有する酸化物半導体膜をチ
ャネルに有するトランジスタは、高い電界効果移動度を実現することができる。
の材料は、表面に対して垂直方向にc軸配向している多結晶領域が得られるのであれば、
特に限定されず、異なる材料を用いてもよいし、同一成分の材料を用いてもよい。なお、
異なる材料を用いる場合は、ヘテロエピタキシャル成長が行われるヘテロエピタキシャル
構造である。
同一主成分の酸化物半導体材料で形成する場合、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及
び第2の結晶性を有する酸化物半導体膜の境界は不明瞭となり、実質的に単層構造となる
ことがある。また、同一成分の材料を用いる場合は、ホモエピタキシャル成長が行われる
ホモエピタキシャル構造である。
の表面に形成される結晶方位の揃った多結晶領域は、表面から深さ方向に結晶成長するた
め、第1の結晶性を有する酸化物半導体膜の下地部材の影響を受けることなく形成するこ
とができる。
化物半導体膜及び第2の結晶性を有する酸化物半導体膜が積層された酸化物半導体積層体
を有する。結晶成長の工程において、当該酸化物半導体積層体に含まれる電子供与体(ド
ナー)となる不純物が除去されるため、酸化物半導体積層体は、高純度化され、キャリア
密度が低く、真性または実質的に真性な半導体である。また、シリコン半導体よりもバン
ドギャップが大きい。
×1016cm−3以下、さらには実質的には0とし、キャリア密度は1×1012cm
−3未満、さらに好ましくは測定下限未満の1.45×1010cm−3未満であり、バ
ンドギャップは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。
いることで、ゲート絶縁膜と接する酸化物半導体積層体の表面だけでなく、酸化物半導体
積層体の内部(酸化物半導体積層体全体)においてもチャネルを形成することが可能であ
り、オン状態のとき大電流を流すことができる。また、オフ状態においては、空乏層が酸
化物半導体積層体の内部のより深い領域まで広がるため、オフ状態に流れるオフ電流を低
減することができる。更には、耐圧が高くなると共に、ホットキャリア劣化が生じにくく
なり、高電圧が印加される大電力用の半導体装置を作製することができる。
流性の高いダイオードとなる。
ated−Gate Field−Effect Transistor(IGFET)
)、パワーMOSFETを含む。
化物半導体膜を用いることで、トランジスタ及びダイオードの動作を良好なものとするこ
とができる。特に、トランジスタにおいては、耐圧性を高め、ショートチャネル効果を低
減し、オンオフ比を高めることができる。このため、当該トランジスタを用いることで、
大電力用の半導体装置を作製することができる。
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。
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
。
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。
中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただ
し、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差の
ことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い
。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、
電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
本実施の形態では、半導体素子の一形態であるトランジスタの構造について、図1を用い
て説明する。
−Bの断面図に相当する。
5、多結晶領域を有する酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。な
お、酸化物半導体膜107の上面全てに接して第2の電極109が積層される。また、第
1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶
縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、少なくとも酸化物半導体膜の
側面と対向する第3の電極113が設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3の電極
113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設けられている。絶縁膜117上
には、開口部が形成されており、開口部において第1の電極105と接続する配線131
(図1(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129、第3の電極113と接続
する配線125が形成される。なお、本明細書においては、膜の上面とは、基板101と
平行な一対の面において、基板101と反対側に設けられる面のことをいう。
能する。第2の電極109は、トランジスタ145のソース電極及び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
。
板状の多結晶領域を有する。即ち、酸化物半導体膜107の多結晶領域は、表面に対して
垂直方向にc軸配向をしている。即ち、酸化物半導体膜107のc軸方向は、表面に対し
て垂直方向に一致する。なお、a−b面での隣り合っている平面の元素は同一物である。
なお、平板状の多結晶領域は、表面に対し垂直方向にc軸を有する単結晶領域を複数有す
る領域である。
上昇する。従って、多結晶領域を有する酸化物半導体膜を有するトランジスタは、高い電
界効果移動度を実現することができる。
Zn−O膜や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O膜、In−Sn−Zn−O
膜、In−Al−Zn−O膜、Sn−Ga−Zn−O膜、Al−Ga−Zn−O膜、Sn
−Al−Zn−O膜や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O膜、Sn−Zn−O膜、
Al−Zn−O膜、Zn−Mg−O膜、Sn−Mg−O膜、In−Mg−O膜や、In−
O膜、Sn−O膜、Zn−O膜などの金属酸化物膜を用いることができる。
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。
ても良い。ここで、Aは、ガリウム(Ga)やアルミニウム(Al)などの13族元素、
シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)に代表される14族元素などから選択される一
または複数種類の元素を表す。また、Bは、亜鉛(Zn)に代表される12族元素から選
択される一または複数種類の元素を表す。なお、In、A、Bの含有量は任意であり、A
の含有量がゼロの場合を含む。一方、InおよびBの含有量はゼロではない。すなわち、
上述の表記には、In−Ga−Zn−OやIn−Zn−Oなどが含まれる。
造の場合、In、Ga、Znのいずれかを含有し、a軸(a−axis)およびb軸(b
−axis)に平行なレイヤーの積層構造として捉えることができる。InGaZnO4
の結晶やIn2Ga2ZnO7の結晶の電気伝導は、主としてInによって制御されるた
め、Inを含有するレイヤーの、a軸およびb軸に平行な方向に関する電気特性は良好で
ある。InGaZnO4の結晶やIn2Ga2ZnO7の結晶は、Inの電子雲が互いに
重なり合って連接し、キャリアパスが形成される。
状の多結晶領域において、それぞれの単結晶領域のa−b面は表面に対し平行となる。ま
た、酸化物半導体膜107の表面より上は自由空間であり、ここでの上方への結晶の成長
はない。これらのことは、TDSの測定時に450℃まで測定を行った際、酸化物半導体
膜107がIn−Ga−Zn−O膜の場合、InやGaは検出されないが、亜鉛は真空加
熱条件下、特に300℃付近でピーク検出されることが確認できていることから推察され
る。なお、TDSの測定は真空中で行われ、亜鉛の離脱は200℃付近から検出されてい
ることが確認できている。
電圧が0Vでもソース電極とドレイン電極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンとな
りやすい。電界効果移動度が高くともトランジスタがノーマリーオンであると、回路とし
て制御することが困難である。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなりn
型化する一つの要因であることが知られている。また、酸素欠陥の一部もドナーとなりn
型化する一つの要因であることが知られている。
去し、酸化物半導体膜の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化し、かつ、
酸素欠陥を除去することにより真性(i型)とし、または実質的に真性型とする。すなわ
ち、不純物を添加してi型化するのでなく、水素や水等の不純物や酸素欠陥を極力除去し
たことにより、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。酸化物半導体膜を高純度化することにより、トランジスタのしきい値電圧値をプ
ラスとすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
6cm−3以下、さらには実質的には0が好ましい。また、酸化物半導体膜107のキャ
リア密度が1×1012cm−3未満、さらに好ましくは測定下限未満の1.45×10
10cm−3未満である。即ち、酸化物半導体膜のキャリア密度は、限りなくゼロに近い
。また、バンドギャップは2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3e
V以上である。なお、酸化物半導体膜中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法(SI
MS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)で行うこと
ができる。キャリア密度は、ホール効果測定により測定することができる。また、より低
いキャリア密度の測定は、CV測定(Capacitance−Voltage−Mea
surement)の測定結果及び数式1により求めることができる。
0μm以上とすることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
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。本実施の形態のトランジスタにおいて、チャネル長Lは酸
化物半導体膜の厚さであり、チャネル幅Wは第1の電極または第2の電極に接する酸化物
半導体膜の端部の長さである。なお、ここでは、第1の電極または第2の電極において、
面積の広い方と酸化物半導体膜の接する酸化物半導体膜の端部の長さをWとする。本実施
の形態では、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形状はW1とW2を辺とする長方形で
あるため、チャネル幅Wは2W1及び2W2の和である。なお、トランジスタの酸化物半
導体膜の上面形状が円形の場合は、円の半径をrとした場合、チャネル幅Wは2πrであ
る。
状態では、酸化物半導体膜全体がチャネルとして機能し、より多くのキャリアが移動する
ため、オン電流が高い。また、本実施の形態のトランジスタは、真性キャリア密度がきわ
めて低いため、最大空乏層幅が極めて広くなり、オフ状態においては空乏層が酸化物半導
体膜の内部に広がり、オフ電流が低減される。即ち、オンオフ比が高いトランジスタであ
る。
有する素子であり、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル形成領域を有しており、ド
レイン領域とチャネル形成領域とソース領域とを介して電流を流すことができる。ここで
、ソースとドレインとは、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、ソースまた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。
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。
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、B2O3よりBaOを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。
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。
シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウムな
どの窒化物絶縁膜で形成する。また、絶縁膜103は積層構造でもよく、例えば、基板1
01側から上記した窒化物絶縁膜のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁膜のいずれ
か一つ以上との積層構造とすることができる。絶縁膜103の厚さは、100nm以上2
μm以下とすることが好ましい。
ン、モリブデン、タングステン、イットリウムから選ばれた金属元素、または上述した金
属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などで形成する。また、
マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数
から選択された金属元素を用いることができる。また、第1の電極105は、単層構造、
または二層以上の積層構造とすることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜
の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタ
ン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し
、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などが挙げられる。また、アルミニウムに
、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから
選ばれた元素を単数、または複数組み合わせた膜、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよ
い。
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜を単層でまたは積層して形成することができる
。ゲート絶縁膜111は、酸化物半導体膜107と接する部分が酸素を含むことが好まし
く、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸
化物半導体膜107に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。
されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−
k材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、high−k材料と、酸化
シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化ア
ルミニウム膜のいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜111の
厚さは、50nm以上500nm以下とするとよい。ゲート絶縁膜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。
チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成
分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成することがで
きる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複
数から選択された金属元素を用いてもよい。また、第3の電極113は、単層構造でも、
二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、
アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する
二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタ
ングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層
し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、チ
タン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ば
れた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
用いて説明する。
)上に酸化物半導体膜(OS)が設けられ、酸化物半導体膜(OS)上にソース電極(S
)が設けられ、ドレイン電極、酸化物半導体膜、及びソース電極上にゲート絶縁膜(GI
)が設けられ、その上にゲート電極(GE1)が設けられている。
A)はソースとドレインの間の電圧を等電位(VD=0V)とした場合を示し、図3(B
)はソースに対しドレインに正の電位(VD>0)を加え、ゲート電極に正の電圧(VG
>0)を加えた場合を示す。
ート電圧が0Vの場合の状態を示す。図6(A)はゲート(GE1)に正の電位(+VG
)が印加された状態であり、ソース及びドレイン間にキャリア(電子)が流れるオン状態
を示している。また、図6(B)は、ゲート(GE1)に負の電位(−VG)が印加され
た状態であり、オフ状態である場合を示す。
示す。
体は一般にn型であり、その場合のフェルミ準位(EF)は、バンドギャップ中央に位置
する真性フェルミ準位(Ei)から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半
導体において水素の一部はドナーとなりn型化する一つの要因であることが知られている
。
去し、酸化物半導体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、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化された
i型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。
4.3eVと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン(Ti)の仕
事関数は、酸化物半導体の電子親和力(χ)とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導
体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
者が接触すると図3(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される。
はバリア(h)をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場合
、バリア(h)の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイ
ン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図3(A)のバリアの高さすなわちバンド
ギャップ(Eg)の1/2よりもバリアの高さ(h)は小さい値となる。
上であり、またキャリア密度が少ない。このため、ゲート(GE1)に正の電位(+VG
)が印加された状態では、図6(A)に示すように、酸化物半導体膜の表面におけるバン
ドの曲がりが少なく、伝導帯の下端がフェルミ準位に近づき、酸化物半導体膜全体におい
てエネルギー的に安定となる。このため、ゲート絶縁膜の近傍のみでなく、酸化物半導体
全体においても電子が流れやすくなり、酸化物半導体全体にチャネルが形成され、より多
くの電流を流すことができる。一方、オフ電流、即ち、ゲート(GE1)に負の電位(−
VG)が印加された状態で流れる電流は、直接再結合または間接再結合による正孔と電子
の生成−再結合によって流れるが、酸化物半導体はバンドギャップが広く、電子の励起の
ために大きな熱エネルギーが必要であるため、直接再結合及び間接再結合が生じにくい。
このため、ゲート(GE1)に負の電位(−VG)が印加された状態では、少数キャリア
であるホールは実質的にゼロであるため、直接再結合及び間接再結合が生じにくく、電流
は限りなく低く、チャネルの単位面積あたりの電流が100aA/μm以下、好ましくは
10aA/μm以下、より好ましくは1aA/μm以下とゼロに近い値となる。
ディラック分布をボルツマン分布の式で近似することで、求められる(数式2参照)。
電子帯における実効状態密度NV、及びバンドギャップEgの関係式であり、数式2から
シリコンの真性キャリア密度niは1.45×1010cm−3、酸化物半導体(ここで
は、In−Ga−Zn−O膜)の真性キャリア密度niは1.2×10−7cm−3とな
り、前者は後者よりキャリア密度が1017倍大きい。即ち、シリコンと比較して、酸化
物半導体の真性キャリア密度が極端に低いことが分かる。
ついて、以下に説明する。
印加したときに、半導体中に形成される最大空乏層幅TD MAXは数式3で求められる
。
ャルφFは数式4で求められる。
電荷、kはボルツマン定数、Tは温度を示す。
し、酸化物半導体のniを1.2×10−7cm−3、εSを10として、シリコン及び
酸化物半導体を用いたMOSトランジスタの最大空乏層幅、デバイ長を計算した。ここで
のトランジスタは、チャネルが基板表面に対して平行に形成される横型MOSトランジス
タの構造を用いて計算した。また、ここでの最大空乏層幅は、基板に対して垂直方向に広
がる空乏層の幅に相当する。なお、横型MOSトランジスタの空乏層の広がりは、縦型M
OSトランジスタにおいても同様の傾向がみられるとしている。
合、ドナーとしては酸素欠陥や水素が寄与する。
ほど、最大空乏層が広がり、デバイ長が増大する。また、最大空乏層幅TD MAXは真
性キャリア密度niに依存し、niが少ない酸化物半導体の方がシリコンよりも空乏層が
広がることがわかる。また、ドナー密度(Nd)が低減するほど、デバイ長が増大し、空
乏層が酸化物半導体全体に広がる。代表的には、ドナー密度が1×1012〜1×101
8cm−3の間では、酸化物半導体及びシリコンの最大空乏層幅がサブミクロンオーダか
ら数十μmとなり、酸化物半導体及びシリコンのデバイ長が数nmから数μmとなる。ま
た、ドナー濃度が1×10−5〜1×101cm−3の範囲では、酸化物半導体の最大空
乏層幅が数十μmから数千μm、デバイ長が数μmから数百μmと大幅に増大し、空乏層
が酸化物半導体全体に広がることがわかる。
、最大空乏層及びデバイ長が増大し、オフ状態においては酸化物半導体全体に空乏層が広
がるため、オフ電流を低減することができ、限りなくゼロに近くなる。
ることにより真性(i型)とし、または実質的に真性とすることで、ゲート絶縁膜との界
面特性が顕在化する。そのためゲート絶縁膜は、酸化物半導体と良好な界面を形成できる
ものが好ましい。例えば、VHF帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密度プラ
ズマを用いたCVD法で作製される緻密な絶縁膜、またはスパッタリング法で作製される
絶縁膜を用いることが好ましい。さらには、ゲート絶縁膜とゲート電極との界面を良好に
するため、ゲート絶縁膜の表面に、VHF帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高
密度プラズマを用いたCVD法で作製される緻密な絶縁膜を形成してもよい。
とにより、オン電流が高く、オフ電流が低く、オンオフ比の高い、良好な動作特性を有す
るトランジスタとなる。また、温度変化に伴うオン電流、電界効果移動度、しきい値電圧
の変動が極めて低い。
り加速されたキャリアが結晶格子に衝突し、電子と正孔の対を生成する。さらに電界が高
くなると、衝突イオン化により発生した電子と正孔の対もさらに電界によって加速され、
衝突イオン化を繰り返し、電流が指数関数的に増加するアバランシェ降伏が生じる。衝突
イオン化は、キャリア(電子、正孔)が半導体のバンドギャップ以上の運動エネルギーを
有することにより発生する。衝突イオン化の起こりやすさを示す衝突イオン化係数とバン
ドギャップには相関があり、バンドギャップが大きいほど、衝突イオン化係数が小さくな
る傾向が知られている。
.12eVとくらべると、大きいため、アバランシェ降伏が起こりにくいと期待される。
このため、酸化物半導体を用いたトランジスタはドレイン耐圧が高くなり、高電界が印加
されてもオン電流の指数関数的急上昇が生じにくいと期待される。
ト酸化膜中に固定電荷が生じることや、ゲート絶縁膜界面にトラップ準位を形成すること
により、しきい電圧の変動やゲートリーク等のトランジスタ特性の劣化が生じることであ
り、ホットキャリア劣化の要因としては、チャネルホットエレクトロン注入(CHE注入
)とドレインアバランシェホットキャリア注入(DAHC注入)がある。
やすく、ゲート絶縁膜への障壁を越えられるほど高速に加速される電子数が増加する。し
かしながら、本実施の形態で示す酸化物半導体は、バンドギャップが広いため、アバラン
シェ降伏が生じにくく、シリコンと比べてホットキャリア劣化の耐性が高い。なお、高耐
圧材料の一つであるシリコンカーバイドのバンドキャップと酸化物半導体のバンドギャッ
プは同等であるが、酸化物半導体の方が、移動度が2桁程小さいため、電子が加速されに
くく、また、ゲート絶縁膜である酸化膜との障壁が、シリコンカーバイド、窒化ガリウム
、シリコンよりも大きいため、酸化膜に注入される電子が極めて少ないため、シリコンカ
ーバイド、窒化ガリウム、シリコンよりホットキャリア劣化が生じにくく、ドレイン耐圧
が高いといえる。このため、チャネルとして機能する酸化物半導体と、ソース電極及びド
レイン電極との間に低濃度不純物領域を形成する必要が無く、トランジスタ構造が極めて
簡単になり、製造工程数を低減できる。
100V以上、好ましくは500V以上、より好ましくは1kV以上のドレイン耐圧を有
することが可能である。
以下に示す。ここでは、シリコンカーバイドとして、4H−SiCを用いる。
一例である。常温におけるフェルミ・ディラック分布を用いる、酸化物半導体の真性キャ
リア密度は10−7cm−3程度と見積もられるが、これは、4H−SiCにおける6.
7×10−11cm−3と同様、極めて低い値である。
iCのエネルギーバンドギャップは3.26eVであるから、ワイドギャップ半導体とい
う点においても、酸化物半導体とシリコンカーバイドとは共通している。
。シリコンカーバイドは例えば1500℃〜2000℃の活性化熱処理を必要とする。一
方、酸化物半導体は、450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上750℃以下
の熱処理で結晶性を有する酸化物半導体を作製することが可能であり、大面積基板上にト
ランジスタを作製することができる。また、スループットを高めることができる。
物(リン、ボロン等)のドーピング工程、及び活性化のための高温熱処理工程を含む。と
ころで、酸化物半導体はその電子親和力が比較的大きい。そのため、適切な仕事関数を持
つ金属を電極として選択することで、トランジスタ作製工程において不純物を添加しなく
とも電極とのオーミック接触を形成することができ、コンタクト部にn+領域を形成しや
すい点で工程の簡略化を図れる。
ate)等の物性研究は多くなされているが、これらの研究は、DOSそのものを十分に
減らすという思想を含まない。本実施の形態では、エネルギーギャップ中のDOSの原因
たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、高純度化した酸化物半導体を作
製する。これは、DOSそのものを十分に減らすという思想に基づくものである。そして
、これによって極めて優れた工業製品の製造を可能とするものである。
るDOSを減少させることにより、いっそう高純度化された(i型の)酸化物半導体とす
ることも可能である。たとえば、チャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し
、当該酸化膜から酸素を供給して、酸素欠陥によるDOSを減少させることが可能である
。
や、酸素の不足による深い準位、などに起因するものとされている。これらの欠陥を無く
すために、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する、という技術思想は正しいもの
であろう。
水素を除去することによりi型化を実現する。この点、シリコンなどのように不純物を添
加してのi型化ではなく、従来にない技術思想を含むものといえる。また、酸化物半導体
を構成しない重元素、例えば鉄、ニッケル等の不純物の密度も1×1015cm−3以下
であることが好ましい。
表的には、−25℃から150℃までの温度範囲において、トランジスタの電流電圧特性
において、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、S値、及びしきい値電圧の変動がほと
んどなく、温度による電流電圧特性の劣化がほとんどない。
用いたトランジスタと比較して、チャネル移動度がやや低いが、ドレイン電圧を高くする
、チャネル幅(W)を大きくすることで、トランジスタの電流値を高め、デバイス特性を
向上させることができる。
存在する水、水素という不純物を意図的に除去することにより、酸化物半導体自体を高純
度化することである。すなわち、ドナー準位を構成する水または水素を除去し、さらに酸
素欠陥を低減し、酸化物半導体を構成する主成分材料の酸素を十分に供給することにより
、酸化物半導体を高純度化することである。
水素がSIMS(二次イオン質量分析)で測定される。このドナー準位の原因となる水ま
たは水素を意図的に除去し、さらに水または水素の除去に伴い同時に減少してしまう酸素
(酸化物半導体の成分の一つ)を酸化物半導体に加えることにより、酸化物半導体を高純
度化し、i型(真性)半導体とする。
好ましく、キャリアも少なければ少ないほど良い。すなわち、キャリア密度は1×101
2cm−3未満、さらに好ましくは測定下限未満の1.45×1010cm−3未満が求
められる。更には、本実施の形態の技術思想的には、ゼロに近いまたはゼロが理想である
。特に、酸化物半導体を、酸素、窒素、または超乾燥空気(水の含有量が20ppm以下
、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気で、450℃
以上850℃以下、好ましくは550℃以上750℃以下の加熱処理をすることにより、
n型不純物となる水、または水素を除去し、高純度化することができる。また、水、また
は水素等の不純物を除去することにより、酸化物半導体を高純度化することで、キャリア
密度を1×1012cm−3未満、さらに好ましくは測定下限未満の1.45×1010
cm−3未満とすることができる。
とすると、酸化物半導体を高純度化すると共に、結晶化させることが可能であり、酸化物
半導体の表面から内部に向かって結晶成長し、c軸配向した多結晶領域を有する酸化物半
導体となる。c軸配向した多結晶領域とは、表面に対し垂直方向にc軸を有する単結晶領
域を複数有する領域である。
に第2の酸化物半導体膜を設け、450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上7
50℃以下の加熱処理をすることで、第2の酸化物半導体膜が、種結晶と同様にc軸配向
した多結晶領域を有することができる。即ち、種結晶のc軸と第2の酸化物半導体膜のc
軸が同軸となる、理想的なアキシャル成長、またはエピタキシャル成長をさせることがで
きる。
ではなく、200℃以上600℃以下、好ましくは200℃以上550℃以下で加熱しな
がら第2の酸化物半導体を成膜、代表的にはスパッタリングすることで、堆積しつつ結晶
成長させることができる。
ジスタにおいて酸化物半導体はキャリアを通過させる通路(パス)として機能させる。そ
の結果、酸化物半導体は高純度化したi型(真性)半導体であり、キャリアがない、また
は極めて少なくせしめることにより、トランジスタのオフ状態ではオフ電流を極めて低く
できるというのが本実施の形態の技術思想である。
い、または極めて少ないように高純度化したi型(真性)とすると、キャリアは電極のソ
ース、ドレインにより供給される。酸化物半導体の電子親和力χおよびフェルミ準位、理
想的には真性フェルミ準位と一致したフェルミ準位と、ソース、ドレインの電極の仕事関
数とを適宜選択することで、ソース電極及びドレイン電極からキャリアを注入させること
が可能となり、n型トランジスタ及びp型トランジスタを適宜作製することができる。
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占有面
積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型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。
水素化物などが極力含まれないように高純度化し、且つ多結晶領域を有せしめることによ
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、耐圧を高め、ショート
チャネル効果を抑制し、オンオフ比を高めることができる。また、BT試験前後における
トランジスタのしきい値電圧の変化量を抑制することができ、高い信頼性を実現すること
ができる。また、電気特性の温度依存性を抑制することができる。また、これまで報告さ
れた金属酸化物はアモルファス状態のもの、あるいは、多結晶状態のもの、あるいは、1
400℃程度の高温での処理により単結晶を得るもののみであったが、上記に示したよう
に、酸化物半導体膜に平板状の多結晶領域を形成した後、当該多結晶領域を種として結晶
成長させる方法により、比較的低温で多結晶領域を有する酸化物半導体膜の厚膜化が可能
であり、より広い工業応用が開ける。
本実施の形態では、実施の形態1と異なる構造のトランジスタについて、図7を用いて説
明する。
−Bの断面図に相当する。
5、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。なお、第2の電極10
9の端部が、酸化物半導体膜107端部の内側に位置することが実施の形態1と異なる。
また、第1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、
ゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、少なくとも酸化物半
導体膜及び第2の電極の側面と対向するように、第3の電極113が設けられている。ゲ
ート絶縁膜111及び第3の電極113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が
設けられている。絶縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部において第1の
電極105と接続する配線131(図7(A)参照)、第2の電極109と接続する配線
129、第3の電極113と接続する配線125が形成される。
面に対して垂直方向にc軸配向をしている。即ち、酸化物半導体膜107のc軸方向は、
表面に対して垂直方向に一致する。なお、a−b面での隣り合っている平面の元素は同一
物である。
3以下、1×1016cm−3以下、さらには実質的には0が好ましい。また、酸化物半
導体膜107のキャリア密度が1×1012cm−3未満、さらに好ましくは測定下限未
満の1.45×1010cm−3未満である。即ち、酸化物半導体膜のキャリア密度は、
限りなくゼロに近い。また、バンドギャップは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。
体膜がゲート絶縁膜と接する領域における、第1の電極105及び第2の電極109の距
離である。また、チャネル幅Wは第1の電極または第2の電極に接する酸化物半導体膜の
端部の長さである。なお、ここでは、第1の電極または第2の電極において、面積の広い
方と酸化物半導体膜の接する酸化物半導体膜の端部の長さをWとする。本実施の形態では
、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形状は長方形であるため、チャネル幅Wは2W1
及び2W2の和である。なお、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形状が円形の場合は
、円の半径をrとした場合、チャネル幅Wは2πrである。
膜107の側面のみでなく、酸化物半導体膜107の上面側においても、ゲート電極とし
て機能する第3の電極113に印加された電圧の影響を受ける。このため、実施の形態1
と比較して、よりチャネルの制御が容易となる。
水素化物などが極力含まれないように高純度化し、且つ多結晶領域を有せしめることによ
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、耐圧性を高め、ショー
トチャネル効果を低減し、オンオフ比を高めることができる。また、BT試験前後におけ
るトランジスタのしきい値電圧の変化量を抑制することができ、高い信頼性を実現するこ
とができる。また、電気特性の温度依存性を抑制することができる。
本実施の形態では、実施の形態1または実施の形態2に示すトランジスタを用いて構成さ
れる3端子型ダイオードの形態について、図8を用いて説明する。
3上に、第1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される
。また、第1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように
、ゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113
が設けられている。また、ゲート絶縁膜111には開口部が形成されており、開口部にお
いて、第2の電極109及び第3の電極113が接続される。
3上に、第1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される
。また、第1の電極105、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように
、ゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113
が設けられている。また、ゲート絶縁膜111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が接続される。
ース電極またはドレイン電極の一方とが電気的に接続されていることを特徴とする。例え
ば、ドレイン電極として機能する第1の電極と、ゲート電極として機能する第3の電極が
電気的に接続される構造の場合、ドレイン電極にソース電極よりも高い電圧(正の電圧)
が印加されると、ゲート電極にも正の電圧が印加されるため、トランジスタがオン状態と
なり、順方向電流がより流れやすくなる。一方、ドレイン電極にソース電極よりも低い電
圧(負の電圧)が印加されると、トランジスタがオフ状態となり、逆方向電流がより流れ
にくくなるため、ダイオードの整流特性をより高めることができる。
い、2端子型ダイオードを作製することができる。
本実施の形態では、耐熱性の高いトランジスタについて、図1を用いて説明する。
ジスタを作製することができる。放熱性の高い基板としては、半導体基板、金属基板、プ
ラスチック等があり、半導体基板の代表例としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結
晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板等があ
る。金属基板の代表例としては、アルミニウム基板、銅基板、ステンレス基板等がある。
プラスチック基板の代表例としては、カーボン繊維、金属繊維、金属片等を有するプラス
チック基板がある。なお、半導体基板、金属基板、及びプラスチック基板は、これらに限
定されず放熱性の高いものであれば、適宜用いることができる。
の高いトランジスタを作製することができる。熱伝導率の高い絶縁膜としては、窒化アル
ミウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜等がある。
体膜の代表例としては、シリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンカーバイド膜、DLC(
Diamond Like Carbon)膜等がある。
することができる。
本実施の形態では、第1の電極105及び第2の電極109において、仕事関数の異なる
材料を用いて形成することを特徴とするトランジスタについて説明する。
子親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第1の電極105及び第2の電極109
の他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成される。
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)、酸化インジウム錫(ITO)などを用いること
ができる。また、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)、マグネシウム(Mg)
、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)などを用いることができる。
い導電性材料で形成し、ソースとして機能する電極を酸化物半導体の電子親和力以下の仕
事関数の導電性材料で形成する場合について、説明する。
て機能する電極を形成する導電性材料の仕事関数φmsとし、仕事関数φms、電子親和
力χ、及び仕事関数φmdの関係が、数式6で示す関係となるようにする。
あるため、トランジスタがオン状態における障壁(例えば図3(B)のh)を低減でき、
低いゲート電圧でオン状態となり、大電流を流すことができる。
となるようにする。
きいため、トランジスタの障壁が高くなる。このため、オフ状態における電流を低減する
ことができる。
ドレインとして機能する電極を第1の電極105及び第2の電極109の他方とすること
ができる。
親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第1の電極105及び第2の電極109の
他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成されることで、
トランジスタのオン特性またはオフ特性を向上させることができる。
、整流特性の高いダイオードとなる。
本実施の形態では、図1または図7に示すトランジスタの製造工程について、図9乃至図
12を用いて説明する。
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及びドレイン
電極の一方として機能する。
水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜103を形成することが好ましい。これは
、絶縁膜103に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためであ
る。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着
型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、例えば、クライ
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。ク
ライオポンプを用いて排気した処理室では、水素、水、水酸基または水素化物などが排気
されるため、当該処理室で絶縁膜103を形成すると、絶縁膜103に含まれる不純物の
濃度を低減できる。
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。
Cスパッタリング法があり、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタリン
グ法もある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を形成する場合に用いられ、DCスパッ
タリング法は主に金属膜を形成する場合に用いられる。
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。
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。
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。
方法を適宜用いることができる。
が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンターゲットを用いて、基
板101に絶縁膜103として、酸化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜103を形成
する際は、基板101は加熱されていてもよい。
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1.5k
W、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:1)雰
囲気でRFスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。膜厚は100nmとする
とよい。なお、石英(好ましくは合成石英)ターゲット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。
水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガス及びシ
リコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成する。この場合においても、酸化シリコ
ン膜と同様に、処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ窒
化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、当該工程において、基板101は加熱さ
れていてもよい。
と酸化シリコン膜を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて形成するこ
とができる。先に窒素を含むエッチングガスを導入して、処理室内に装着されたシリコン
ターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成し、次に酸素を含むエッチングガスに切り替え
て同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜及び酸化
シリコン膜を大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン膜表面
に水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が吸着することを防止することができる
。
蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスク形成し、
当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。または、
フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第1の電極105を形成
することで、工程数を削減することができる。なお、第1の電極105の端部をテーパ形
状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第1の電極
105の端部と絶縁膜103のなす角の角度を30°以上60°以下、好ましくは40°
以上50°以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることが
できる。
50nmのチタン膜を形成し、厚さ100nmのアルミニウム膜を形成し、厚さ50nm
のチタン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを
用いてエッチングして、第1の電極105を形成する。
上15nm以下の第1の酸化物半導体膜102aを形成する。
さ2nm以上15nm以下の第1の酸化物半導体膜102aを形成する。
または希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲気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。
スパッタ装置内に残存している水分などを除去することが好ましい。スパッタ装置内の残
留水分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スパッタ装置の成膜室は、例えば、水素原子や、水(H
2O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
n−O膜や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O膜、In−Sn−Zn−O膜
、In−Al−Zn−O膜、Sn−Ga−Zn−O膜、Al−Ga−Zn−O膜、Sn−
Al−Zn−O膜や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O膜、Sn−Zn−O膜、A
l−Zn−O膜、Zn−Mg−O膜、Sn−Mg−O膜、In−Mg−O膜や、In−O
膜、Sn−O膜、Zn−O膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。
る材料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。
料を用いても良い。ここで、Aは、ガリウム(Ga)やアルミニウム(Al)などの13
族元素、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)に代表される14族元素などから選択
される一または複数種類の元素を表す。また、Bは、亜鉛(Zn)に代表される12族元
素から選択される一または複数種類の元素を表す。なお、In、A、Bの含有量は任意で
あり、Aの含有量がゼロの場合を含む。一方、InおよびBの含有量はゼロではない。す
なわち、上述の表記には、In−Ga−Zn−OやIn−Zn−Oなどが含まれる。
以下の組成比を有する金属酸化物ターゲットを用いることを特徴とする。本実施の形態で
は、酸化物半導体ターゲット(In−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲット(In2
O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比]、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子比]))を用いて、基板とターゲットの間との距離を170mm、圧力0.4Pa
、直流(DC)電源0.5kW、酸素のみ、アルゴンのみ、またはアルゴン及び酸素雰囲
気で膜厚5nmの第1の酸化物半導体膜を成膜する。また、酸化物半導体ターゲットとし
てIn:Ga:Zn=1:1:0.5[原子比]の組成比を有するターゲット、In:G
a:Zn=1:1:1[原子比]の組成比を有するターゲット、またはIn:Ga:Zn
=1:1:2[原子比]の組成比を有するターゲット、In:Ga:Zn=1:0.5:
2[原子比]の組成比を有するターゲットを用いることもできる。また、Gaを含まない
In:Zn=1:1[原子比]のターゲットを用いてもよい。In−Ga−Zn−O膜を
用いるよりもIn−Zn−O膜を用いることで電界効果移動度を高くすることができる。
本実施の形態では、後に加熱処理を行い意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい
酸化物半導体ターゲットを用いることが好ましい。
5%以上、さらに好ましくは99.9%以上とするのが好ましい。相対密度の高いターゲ
ットを用いると、形成される酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減することができ、電気
特性または信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
表面やターゲット材料中に残存している水分または水素を除去するためにプリヒート処理
を行うと良い。プリヒート処理としては成膜チャンバー内を減圧下で200℃〜600℃
に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある
。プリヒート処理を終えたら、基板またはスパッタ装置を冷却した後大気にふれることな
く酸化物半導体膜の成膜を行う。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果
が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
させる。第1の加熱処理の温度は、450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上
750℃以下とする。また、加熱時間は1分以上24時間以下とする。第1の加熱処理に
よって表面から結晶成長した多結晶領域を有する第1の酸化物半導体膜102b(第1の
結晶性を有する酸化物半導体膜ともいう。)を形成する(図9(C)参照。)。多結晶領
域は、表面から内部に向かって結晶成長し、2nm以上15nm以下の平均厚さを有する
板状結晶である。また、表面に形成される多結晶領域は、その表面に対して垂直方向にc
軸配向をしている。本実施の形態では、第1の加熱処理によって第1の酸化物半導体膜の
ほとんどを多結晶とする例を示す。第1の酸化物半導体膜の表面に形成される比較的結晶
方位の揃った多結晶領域は、表面から垂直方向に結晶成長するため、下地部材の影響を受
けることなく形成することができる。
晶粒界があり、多結晶体となる。また、第1の酸化物半導体膜102bのうち、多結晶の
a−b面、a軸、b軸がずれることもありうる。
体膜の表面に、結晶方位の揃った結晶領域が形成されるメカニズムの一例を説明する。加
熱処理により、In−Ga−Zn−O膜中に含まれる亜鉛が拡散し、表面近傍に集まり、
結晶成長の種となる。このときのその結晶成長は、表面に平行な方向の結晶成長のほうが
、表面に対して垂直方向の結晶成長よりも強いため、平板状の多結晶領域が形成される。
即ち、a−b面の方向とc軸の方向とはa−b面の方向が結晶化しやすい。また、平板状
の多結晶領域において、それぞれの単結晶領域のa−b面は表面に対し平行となる。また
、In−Ga−Zn−O膜の表面上は自由空間であり、ここでの上方への結晶の成長はな
い。これらのことは、TDSの測定時に450℃まで測定を行った際、InやGaは検出
されないが、亜鉛は真空加熱条件下、特に300℃付近でピーク検出されることが確認で
きている。なお、TDSの測定は真空中で行われ、亜鉛は200℃付近から検出されてい
ることが確認できている。
希ガスに、水、水素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、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.99
99%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1pp
m以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。また、水の含有量が20
ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の超乾燥空気中で
第1の加熱処理を行っても良い。
理を行う。
素雰囲気として雰囲気を切り替えてもよく、窒素雰囲気で脱水または脱水化が行われた後
、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第1の酸化物半導体膜内部に酸素を補給し
てi型とすることができる。
らの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば
、電気炉や、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、L
RTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Ra
pid Thermal Anneal)装置を用いることができる。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。
、第1の酸化物半導体膜102bよりも膜厚の厚い第2の酸化物半導体膜104aを形成
する(図9(D)参照。)。第2の酸化物半導体膜104aの膜厚は1μm以上、さらに
は3μm以上、さらには10μm以上が好ましい。第2の酸化物半導体膜104aは、希
ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気、酸素雰囲気、または希ガス(代表的にはアルゴン)
及び酸素雰囲気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。
n−O膜や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O膜、In−Sn−Zn−O膜
、In−Al−Zn−O膜、Sn−Ga−Zn−O膜、Al−Ga−Zn−O膜、Sn−
Al−Zn−O膜や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O膜、Sn−Zn−O膜、A
l−Zn−O膜、Zn−Mg−O膜、Sn−Mg−O膜、In−Mg−O膜や、In−O
膜、Sn−O膜、Zn−O膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。
ことが好ましい。同一成分材料を用いる場合、後に行われる結晶化において第1の酸化物
半導体膜の多結晶領域を結晶成長の種として結晶成長を行いやすくなる。また、同一成分
を含む材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
として結晶成長を行う。第2の加熱処理の温度は、450℃以上850℃以下、好ましく
は600℃以上700℃以下とする。また、加熱時間は1分以上24時間以下とする。第
2の加熱処理によって第2の酸化物半導体膜104aを結晶化させる。こうして多結晶領
域を有する酸化物半導体膜108(第2の結晶性を有する酸化物半導体膜ともいう。)を
得ることができる(図9(E)参照。)。このとき、同一の結晶構造かつ近接した格子定
数(ミスマッチが1%以下)を有することが好ましい。なお、酸化物半導体膜108は、
第1の酸化物半導体膜及び第2の酸化物半導体膜を含む。第2の加熱処理の温度を、45
0℃以上850℃以下、好ましくは600℃以上700℃以下とすることで、第2の酸化
物半導体膜104aの結晶成長における結晶軸と、第1の酸化物半導体膜102bの結晶
軸とが略同一となるように、第2の酸化物半導体膜104aを結晶成長(エピタキシャル
成長、またはアキシャル成長ともいう。)させることができる。また、第2の酸化物半導
体膜104aを固相成長でエピタキシャル成長またはアキシャル成長させることができる
。
12(C)を用いて説明する。
02bを示している。図12(A)は図9(C)に対応している。また、図12(B)は
図9(D)に対応しており、第2の酸化物半導体膜104aの成膜直後の断面図である。
また、図12(C)は、図9(E)に対応しており、第2の加熱処理後の断面図である。
第2の加熱処理によって、さらに高い配向性を有する多結晶領域を有する酸化物半導体膜
108となる。また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に同一主成分の酸化
物半導体材料を用いる場合、図12(C)に示すように、第1の酸化物半導体膜102b
の結晶領域を種結晶として第2の酸化物半導体膜104bの表面に向かって上方に結晶成
長し、第2の酸化物半導体膜104bが形成され、酸化物半導体膜同士が同一結晶構造を
有する。そのため、図12(C)では点線で示したが、第1の酸化物半導体膜と第2の酸
化物半導体膜の境界は不明瞭となることがある。また、第2の加熱処理によって、成膜直
後の第2の酸化物半導体膜104bの内部は、高純度化される。
雰囲気下で行う。このとき、窒素、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス
に、水、水素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、
酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N以上、好ましくは7
N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。また、水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下の超乾燥空気中
で第2の加熱処理を行っても良い。また、第2の加熱処理の昇温時には炉の内部を窒素雰
囲気とし、冷却時には炉の内部を酸素雰囲気として雰囲気を切り替えても良い。
らの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば
、電気炉や、GRTA装置、LRTA装置等のRTA装置を用いることができる。
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た後、当該レジストマスクを用
いて酸化物半導体膜108をエッチングして、島状の酸化物半導体膜107を形成する。
また、島状の酸化物半導体膜107を形成するためのレジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。当該エッチングにより、第2の電極109及び酸
化物半導体膜107の端部と、第1の電極105のなす角の角度を30°以上60°以下
、好ましくは40°以上50°以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性
を向上させることができるため好ましい。
グでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体膜107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。
合は、第1の電極105のエッチングレートが低く、酸化物半導体膜のエッチングレート
の高い条件を選択する。
ぜた溶液、アンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5
:2:2)などを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いても
よい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体膜に含まれるインジウムな
どの材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。
ガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(SiCl
4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。
F6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(H
Br)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
ing)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。
極109となる導電膜110を形成する(図10(A)参照)。導電膜110は、後に第
2の電極109となる。導電膜110は、第1の電極105の材料及び手法を適宜用いる
ことができるが、第1の電極105よりエッチング速度の速い材料を用いることで、後の
エッチング工程が容易となる。
該レジストマスクを用いて導電膜110をエッチングして、第2の電極109を形成する
(図10(B)参照。)。
水の混合液)を用いて、第2の電極109となる導電膜をエッチングして、第2の電極1
09を形成する。
でもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の第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
。
極109上にゲート絶縁膜111を形成する。
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感
であるため、ゲート絶縁膜111との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物
半導体膜に接するゲート絶縁膜111は、高品質化が要求される。
の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特
性を良好なものとすることができるからである。また、高密度プラズマCVDにより得ら
れた絶縁膜は、一定した厚さの膜を形成できるため、段差被覆性に優れている。また、高
密度プラズマCVDにより得られる絶縁膜は、薄い膜の厚みを精密に制御することができ
る。
法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁膜の
形成後の加熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体膜との界面特性が改質され
る絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であること
は勿論のこと、酸化物半導体膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
T試験)においては、不純物が酸化物半導体膜に添加されていると、不純物と酸化物半導
体膜の主成分との結合が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され、
生成された不対結合がしきい値電圧(Vth)のドリフトを誘発することとなる。
ゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることにより、BT試験に対しても安定なトランジ
スタを得ることを可能としている。
度を低減することができる。スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する場合には
、ターゲットとしてシリコン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。
塩素)を含ませ、または酸化物半導体膜を露出させた状態でハロゲン元素を含むガス雰囲
気中でのプラズマ処理によって酸化物半導体膜にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜
または該酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜との界面に存在しうる、水素、水、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。絶縁膜にハ
ロゲン元素を含ませる場合には、該絶縁膜中におけるハロゲン元素濃度は、5×1018
cm−3〜1×1020cm−3程度とすればよい。
界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁膜
である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素物絶縁膜で覆うこ
とが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリコ
ン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水、水酸基または水素化
物などの不純物が酸化物絶縁膜に侵入することを低減することができる。
9側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層した構造とすることもできる。例えば、
第1のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン膜(SiOx(
x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜としてスパッタリング
法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を積
層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態では、圧力0.4P
a、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量2
5sccm=1:1)雰囲気でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化シリコ
ン膜を形成する。
ターゲット材料中に残存している水分または水素を除去するためにプリヒート処理を行う
ことが好ましい。プリヒート処理を終えたら、基板またはスパッタ装置を冷却した後大気
にふれることなくゲート絶縁膜111の成膜を行う。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り
返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行ってもよい。当該加熱処理に
より、第1の加熱処理及び第2で発生した酸素欠陥に酸素を供給することで、ドナーとな
る酸素欠陥を更に低減し、化学量論比を満たす構成とすることが可能であり、酸化物半導
体膜107をよりi型化または実質的にi型化にすることができる。なお、当該第3の加
熱処理は、のちに形成される第3の電極113、絶縁膜117、または配線125、12
9のいずれかを形成した後に行ってもよい。当該加熱処理により、酸化物半導体膜中に含
まれる水素または水分をゲート絶縁膜に拡散させることができる。
リング法、CVD法、または真空蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工
程によりレジストマスク形成し、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、
形成することができる。
ジスタ145を作製することができる。
117を形成した後、コンタクトホール119、123を形成する。
化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化
アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または、
酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
で絶縁膜117を形成する場合、基板101を100℃〜400℃の温度に加熱し、水素
、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシ
リコン半導体のターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理
室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成すること
が好ましい。
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。よって表示装置や半導体装置の信頼性を向上できる
。
成し、選択的にエッチングを行ってゲート絶縁膜111及び絶縁膜117の一部を除去し
て、第1の電極105、第2の電極109、及び第3の電極113に達するコンタクトホ
ール119、123を形成する。
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、129、131を形成する(図11(B)参照)。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。
縁膜を設けてもよい。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシ
クロブテン、ポリアミド、エポキシなどの、耐熱性を有する有機材料を用いることができ
る。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、P
SG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)などがある。なお、これらの材料で
形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
i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。
G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。
ことができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転
移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に低く、バンドギャップの広い酸化物半導
体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製するこ
とができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化
された酸化物半導体膜を用いることで、耐圧性が高く、ショートチャネル効果が低く、オ
ンオフ比の高いトランジスタを作製することができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態6と異なるトランジスタの作製方法について、図9及び図
13を用いて説明する。本実施の形態では、第2の電極109となる導電膜の形成工程が
実施の形態6と異なる。
膜103、第1の電極105、第1の加熱処理により少なくとも表面に多結晶領域を有す
る第1の酸化物半導体膜102b、第2の酸化物半導体膜104aを形成する。
9となる導電膜110を形成する。ここでは、導電膜110として、融点が1000℃以
上の金属元素を用いる。導電膜110の代表例としては、モリブデン、タングステン、チ
タン、タンタル、ニオブ、イリジウム、バナジウム、クロム、ジルコニウム、白金、パラ
ジウム、スカンジウム、鉄、イットリウム、コバルト、ニッケル、マンガン、金がある。
種として結晶成長を行う。第2の加熱処理の温度は、450℃以上850℃以下、好まし
くは600℃以上700℃以下とする。第2の加熱処理によって第2の酸化物半導体膜1
04aを結晶化させ、酸化物半導体膜108を得ることができる。
該レジストマスクを用いて導電膜110をエッチングして、島状の酸化物半導体膜107
及び第2の電極109及びを形成する(図13(C)参照。)。
を作製することができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態6及び実施の形態7とは異なるトランジスタの作製方法に
ついて、図9及び図14を用いて説明する。本実施の形態では、第2の酸化物半導体膜の
形成工程が実施の形態6及び実施の形態7と異なる。
うに、基板101上に、絶縁膜103、第1の電極105、第1の加熱処理により少なく
とも表面に多結晶領域を有する第1の酸化物半導体膜102bを形成する。
550℃以下で加熱しながら、スパッタリング法により、第1の酸化物半導体膜102b
上に第2の酸化物半導体膜112を堆積する。ここでは、第1の酸化物半導体膜102b
表面の多結晶領域を結晶成長の種として、第1の酸化物半導体膜102bと結晶軸の方向
が同じとなるように、特にc軸の方向が同一となるように結晶成長(エピタキシャル成長
、アキシャル成長ともいう。)させながら、第2の酸化物半導体膜112を堆積する。こ
の結果、第2の加熱処理を行わずとも、c軸の方向が第1の酸化物半導体膜102bと同
一である結晶化した酸化物半導体膜108を形成することができる。なお、酸化物半導体
膜は、第1の酸化物半導体膜102b及び第2の酸化物半導体膜112を含む。
ことができる。
せることができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態6乃至実施の形態8と異なる形態を図15を用いて以下に
説明する。
2aや下地部材である第1の電極105の材料や加熱温度や加熱時間などの条件にもよる
が、第1の加熱処理により、第1の酸化物半導体膜102bの表面から結晶成長しても多
結晶領域151の先端が第1の電極105の界面にまで届かず、非晶質領域153が残存
する(図15(A)参照。)。
4aを成膜した直後の断面図である。
熱処理によって、第1の酸化物半導体膜102bにおいて、第1の電極105との界面に
向かって下方向に結晶成長が進み、第1の電極105に達した第1の酸化物半導体膜10
2cとなる。また、第1の酸化物半導体膜102cと第2の酸化物半導体膜104bに同
一主成分の酸化物半導体材料を用いる場合、図15(C)に示すように、第1の酸化物半
導体膜102bの多結晶領域を結晶成長の種として第2の酸化物半導体膜104bの表面
に向かって上方に結晶成長し、第2の酸化物半導体膜104bが形成され、同一結晶構造
を有する酸化物半導体膜108が形成される。そのため、図15(C)では点線で示した
が、第1の酸化物半導体膜102c及び第2の酸化物半導体膜104bの境界は不明瞭と
なることがある。
aの界面を基準として、上方向に結晶成長させると同時に下方向にも結晶成長させること
ができる。
する。なお、第1の加熱処理よりも第2の加熱処理の加熱温度が高い場合や加熱時間が長
い場合などにおいては、第2の加熱処理の際に第2の酸化物半導体膜104aの表面に単
結晶領域が形成されることがある。第2の酸化物半導体膜104aの表面に単結晶領域が
形成されると、トランジスタ特性などに影響がある場合には、第2の酸化物半導体膜10
4bの表面に単結晶領域が形成されないような条件を実施者が適宜選択すればよい。
限定されず、第1の酸化物半導体膜102bを10nm以下の膜厚とする場合であっても
、第1の加熱処理の温度を低くする、または加熱時間を短くすれば、第1の酸化物半導体
膜102bの多結晶領域151と第1の電極105の間に非晶質領域153を残存させる
ことができる。その後、第2の加熱処理によって第1の電極105に達する単結晶領域を
形成すれば図15(C)の状態を得ることができる。従って、本実施の形態に示す工程は
、第1の加熱処理の低温化や加熱時間短縮を図ることもできる。
実施の形態6乃至実施の形態9は、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に同一
主成分の酸化物半導体材料を用いる場合を示したが、本実施の形態では異なる成分の酸化
物半導体材料を用いる場合を示す。なお、図16(A)は図9(A)と同一であるため、
同じ部分には同じ符号を用いて説明する。
トを用い、第1の酸化物半導体膜を5nmの膜厚とする例を示す。
熱処理が行われた後の第1の酸化物半導体膜102bを図16(A)に示す。なお、図1
6(A)は図9(A)と同一であるため、同じ部分には同じ符号を用いて説明する。
温度や加熱時間などの条件にもよるが、第1の加熱処理により、表面から結晶成長させて
第1の電極105の界面にまで多結晶である第1の酸化物半導体膜102bを形成する(
図16(A)参照。)。
面から垂直方向に結晶成長する。また、第1の酸化物半導体膜102bは、表面に対して
垂直方向にc軸配向している。
1aを成膜した直後の断面図である。第1の酸化物半導体膜上に第2の酸化物半導体膜を
形成する際、In:Ga:Zn=1:0以上2以下:1以上5以下の組成比を有する金属
酸化物ターゲットを用いることを特徴としている。本実施の形態では、第2の酸化物半導
体膜161aとして、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲット(In:Ga:Z
n=1:1:1[原子比]))を用い、膜厚1μmのIn−Ga−Zn−O膜を形成する
。
熱処理によって、図16(C)に示すように結晶成長を行う。図16(C)に示すように
、第1の酸化物半導体膜102bの多結晶領域を種として第2の酸化物半導体膜の表面に
向かって上方に結晶成長させ、第2の酸化物半導体膜161bを形成することができる。
加熱されるため、さらに結晶性が向上した第1の酸化物半導体膜102cとなる。
物半導体材料を用いるため、図16(C)に示すように、第1の酸化物半導体膜102c
と第2の酸化物半導体膜161bの境界が形成される。また、第2の加熱処理によっても
、第1の電極105界面付近を含め第1の酸化物半導体膜のほとんどを多結晶領域とする
。
2の酸化物半導体膜161bの順に積層された2層構造と言える。In−Ga−Zn−O
膜よりも結晶しやすいIn−Zn−O膜を用い、結晶成長の種とすることで、効率よくそ
の上方向に結晶成長を行い、In−Ga−Zn−O膜を多結晶領域とすることができる。
また、第1の酸化物半導体膜102cと、第2の酸化物半導体膜161bとのバンドギャ
ップを変化させることができる。
する。
本実施の形態では、歩留まりの高い半導体装置の作製方法について、図17を用いて説明
する。
1の電極105を形成する。次に、第1の電極105上に保護膜165を形成する。保護
膜165は、第1の電極105と、のちに形成する酸化物半導体膜の密着性を高めるため
に設ける。また、酸化物半導体膜の形成工程で、第1の電極105の酸化を防ぐために設
ける。
く、代表的には窒化チタン膜、窒化タンタル膜で形成する。
の膜剥れを低減することができる。また、第1の電極105の酸化を防止することができ
る。
を作製することができる。
実施の形態1乃至実施の形態11に示す半導体素子を有する回路を用いた形態について説
明する。
イオードは、オンオフ比が高く、耐圧が高く、劣化が少ないため、エアコン、冷蔵庫、炊
飯器、太陽光発電システムなどのインバータ技術を応用した家電製品、ノート型コンピュ
ータをはじめとするバッテリ駆動型携帯情報端末機器、ストロボなどの電力増幅装置、電
気自動車、DC/DC(直流/直流)コンバータ回路、モータ制御回路、オーディオ増幅
器、ロジック回路、スイッチ回路、高周波リニア増幅器などに用いることができる。
タを備えた太陽光発電システムの一例について、図18を参照して説明する。なお、ここ
では、住宅等に設置される太陽光発電システムの構成の一例について示す。
式を変更するシステムである。例えば、晴天時など太陽光発電が行われる状況においては
、太陽光発電により生じた電力を家庭内で消費し、また、余剰電力は電力会社からの配電
線414に供給する。一方、太陽光発電による電力が不足する夜間や雨天時には、配電線
414から電気の供給を受けて、それを家庭内で消費する。
パネル400や、その電力を直流から交流に変換するインバータ404などを含む。イン
バータ404から出力される交流電力は、各種の電気器具410を動作させる電力として
使用される。
用して電力の売却が可能である。直流開閉器402は、太陽電池パネル400とインバー
タ404との接続または遮断を選択するために設けられている。また、交流開閉器408
は、配電線414と接続されるトランス412と、分電盤406との接続または遮断を選
択するために設けられている。
な太陽光発電システムを実現することができる。
できる。
図19及び図20を用いて説明する。
化窒化シリコン膜上に厚さ5nmのIn−Ga−Zn−O膜(OS)を成膜した。このと
き、酸化物半導体ターゲット(In−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲット(In2
O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比]、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子比]))を用い、基板温度200℃として、成膜速度4nm/minとして、ター
ゲットをスパッタリングして、In−Ga−Zn−O膜を成膜した。なお、上記酸化物半
導体ターゲットを用いる場合は、InGaZnO4の結晶を得やすい。次に、In−Ga
−Zn−O膜上に保護膜を形成した。次に、ガラス基板上に形成されたIn−Ga−Zn
−O膜を、乾燥空気雰囲気で700℃、1時間の加熱処理を行ったものを試料Aとした。
9(B)に示す。なお、TEM写真は、加速電圧を300kVとし、高分解能透過電子顕
微鏡(日立製作所製「H9000−NAR」:TEM)で観察した高倍写真(800万倍
)である。In−Ga−Zn−O膜は、表面に対して垂直方向にc軸配向していることと
、酸化窒化シリコン膜とIn−Ga−Zn−O膜との界面付近も結晶化され、表面に対し
て垂直方向にc軸配向していることが確認できる。即ち、平板状の多結晶領域を有する酸
化物半導体膜が形成される。なお、a−b面での隣り合っている平面の元素は同一物であ
る。また、平板状の多結晶領域のc軸方向は、表面に対して垂直方向に一致する。
化窒化シリコン膜上に、試料Aと同様の条件により厚さ50nmのIn−Ga−Zn−O
膜を形成した。次に、In−Ga−Zn−O膜上に保護膜を成膜した。次に、乾燥空気雰
囲気で700℃、1時間の加熱を行ったものを試料Bとした。
0(B)に示す。TEM写真は、加速電圧を300kVとし、高分解能透過電子顕微鏡(
日立製作所製「H9000−NAR」:TEM)で観察した高倍写真(200万倍)であ
る。In−Ga−Zn−O膜の表面から約5nm程度が結晶化し、In−Ga−Zn−O
膜の内部には多くの非晶質部分と、配向の揃っていない複数の結晶がランダムに存在して
いる様子が確認できる。従って、厚さを50nmと厚く成膜した後に650℃よりも高い
700℃、6分よりも長い1時間の加熱処理を1回行っても、厚い膜厚全体を高い配向性
を有する単結晶領域にすることは困難であると言える。
多結晶領域を形成した後、再度成膜した後に結晶成長させることで膜厚の厚い多結晶領域
を形成することができると言え、本明細書で開示する方法が極めて有用であることがわか
る。2回に分けて成膜を行い、2回の熱処理を行うことで初めて高い配向を有する多結晶
領域、即ち、平板状の多結晶領域の表面に対して垂直方向にc軸配向をしている多結晶領
域を厚く得ることができる。
102a 第1の酸化物半導体膜
102b 第1の酸化物半導体膜
102c 第1の酸化物半導体膜
103 絶縁膜
104a 第2の酸化物半導体膜
104b 第2の酸化物半導体膜
105 第1の電極
107 酸化物半導体膜
108 酸化物半導体膜
109 第2の電極
110 導電膜
111 ゲート絶縁膜
112 第2の酸化物半導体膜
113 第3の電極
117 絶縁膜
119 コンタクトホール
125 配線
129 配線
131 配線
145 トランジスタ
147 トランジスタ
149a 三端子型ダイオード
149b 三端子型ダイオード
151 多結晶領域
153 非晶質領域
161a 第2の酸化物半導体膜
161b 第2の酸化物半導体膜
165 保護膜
400 太陽電池パネル
402 直流開閉器
404 インバータ
406 分電盤
408 交流開閉器
410 電気器具
412 トランス
414 配電線
Claims (4)
- 基板上に第1の電極を形成し、
前記第1の電極上に第1の酸化物半導体膜を形成した後、第1の加熱処理を行って、前記第1の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第1の結晶性を有する酸化物半導体膜を形成し、
前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜上に第2の酸化物半導体膜を形成した後、第2の加熱処理を行って、前記第2の酸化物半導体膜を結晶成長させて、第2の結晶性を有する酸化物半導体膜を形成し、
前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜を島状にエッチングした後、前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜上に第2の電極を形成し、
前記第1の電極、前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜、前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜、及び第2の電極を覆うゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1において、
前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜は、表面に対して垂直方向にc軸配向をしている領域を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上の、表面から内部に向かって結晶成長した第1の結晶性を有する酸化物半導体膜と、
前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜上の、第2の結晶性を有する酸化物半導体膜と、
前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜上の第2の電極と、
前記第1の電極、前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜、前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜、及び前記第2の電極を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の第3の電極と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、
前記第1の結晶性を有する酸化物半導体膜及び前記第2の結晶性を有する酸化物半導体膜は、表面に対して垂直方向にc軸配向をしている領域を有することを特徴とする半導体装置。
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