JP2013138185A - トランジスタ及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのスイッチング特性を改善する。
【解決手段】酸化物半導体層の端部に寄生チャネルが形成されるのは、当該端部と電気的に接続されるトランジスタのソース及びドレインが存在するからである。すなわち、当該端部とトランジスタのソース及びドレインの少なくとも一方が電気的に接続されていなければ当該端部に寄生チャネルは形成されない。よって、トランジスタのソース及びドレインの少なくとも一方と、酸化物半導体層の端部とが電気的に接続されない又は接続される蓋然性を低減することが可能な構造のトランジスタを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランジスタに関する。特に、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタに関する。また、本発明は、当該トランジスタを有する半導体装置に関する。例えば、当該トランジスタを各画素に有するアクティブマトリクス型の表示装置に関する。なお、本明細書において半導体装置とは、半導体特性を利用して機能する全ての装置を指す。
近年、トランジスタの構成材料として、酸化物半導体と呼ばれる半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々な用途に用いられている。例えば、酸化インジウムは、液晶表示装置において画素電極の材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物層にチャネルが形成されるトランジスタが、既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報
酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタは、加工条件又は熱処理条件によって電気的特性が変化することがある。当該変化は、当該酸化物半導体層の形成工程時に低抵抗化元素（塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、硼素（Ｂ）、又は水素（Ｈ）など）が混入する、又は当該酸化物半導体層から酸素（Ｏ）が脱離することなどに起因するものと考えられる。そして、当該変化は、酸化物半導体層の端部において顕在化しやすいことが分かった。すなわち、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタにおいては、当該酸化物半導体層の端部が低抵抗領域となり、当該領域にトランジスタの寄生チャネルが形成されやすいことが分かった。なお、当該トランジスタにおいては、ゲートとソース間の電圧に応じて形成されるチャネル（第１のチャネルともいう）と、当該寄生チャネル（第２のチャネルともいう）との２種のチャネルが形成されうることになる。
２種のチャネルが形成されうるトランジスタにおいては、多くの場合、それぞれのチャネルが形成されるゲートとソース間のしきい値電圧が異なる。典型的には、第１のチャネルが形成されるしきい値電圧は、第２のチャネルが形成されるしきい値電圧よりも高い。そして、第１のチャネルの電流駆動能力は、第２のチャネルの電流駆動能力よりも高い。よって、オフ状態にある当該トランジスタのゲートとソース間の電圧を上昇させていった場合、ソースとドレイン間の電流が２段階の変化をすることになる。具体的には、第２のチャネルが形成されるしきい値電圧の近傍において１段階目の変化（ソースとドレイン間の電流の増加）が確認され、さらに、第１のチャネルが形成されるしきい値電圧の近傍において２段階目の変化（ソースとドレイン間の電流の増加）が確認される。
デジタル回路において、トランジスタはスイッチとして活用されている。当該スイッチとして２段階の変化をする素子が好ましくないことは言うまでもない。この点に鑑み、本発明の一態様では、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのスイッチング特性を改善することを目的の一とする。
酸化物半導体層の端部に寄生チャネルが形成されるのは、当該端部と電気的に接続されるトランジスタのソース及びドレインが存在するからである。すなわち、当該端部とトランジスタのソース及びドレインの少なくとも一方が電気的に接続されていなければ当該端部に寄生チャネルは形成されない。よって、本発明の一態様は、トランジスタのソース及びドレインの少なくとも一方と、酸化物半導体層の端部とが電気的に接続されない又は接続される蓋然性を低減することが可能な構造のトランジスタを提供することを要旨とする。
例えば、本発明の一態様は、トランジスタのソース及びドレインの少なくとも一方が酸化物半導体層の端部と接していないトランジスタである。さらに、本発明の一態様においては、酸化物半導体層の端部と接していないソース及びドレインの少なくとも一方と酸化物半導体層の端部間の距離が、ソースとドレイン間の距離よりも長い構成とすることが好ましい。
本発明の一態様のトランジスタにおいては、トランジスタのソース及びドレインが酸化物半導体層の端部を介して電気的に接続されない又は接続される（当該端部に寄生チャネルが形成される）蓋然性を低減することが可能である。よって、当該トランジスタにおいては、ゲートとソース間の電圧に応じてソースとドレイン間の電流が２段階に変化することがない又は変化する蓋然性を低減することが可能である。すなわち、本発明の一態様においては、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのスイッチング特性を改善することが可能である。
トランジスタの構造例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。 トランジスタの構造例を示す平面図。 トランジスタの構造例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。 （Ａ）液晶表示装置の構成例を示す図、（Ｂ）画素の構成例を示す図、（Ｃ）画素が有するトランジスタの構造例を示す図。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ曲線を示す図。 トランジスタの構造例を示す平面図。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ曲線を示す図。
以下では、本発明の一態様について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態を様々に変更し得る。したがって、本発明は以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。
＜トランジスタの構造例＞
本発明の一態様に係るトランジスタの構造について図１を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す平面図中のＡ−Ｂ線における断面図である。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁表面を有する基板１０上に設けられたゲート１１と、ゲート１１上に設けられたゲート絶縁層１２と、ゲート絶縁層１２を介してゲート１１と重畳する酸化物半導体層１３と、酸化物半導体層１３上のソース１４及びドレイン１５とを有する。さらに、当該トランジスタ上には、絶縁層１６と、絶縁層１６に設けられた開口部においてドレイン１５と接する導電層１７とが設けられている。なお、ソース１４及びドレイン１５は、置換することが可能である。すなわち、本発明の一態様は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すようにドレイン１５がソース１４に囲まれる構成に限定されず、ソースがドレインに囲まれる構成とすることも可能である。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、ソース１４と接触する領域における酸化物半導体層１３及びドレイン１５と接触する領域における酸化物半導体層１３の少なくとも一方に含まれる低抵抗化元素の濃度が、酸化物半導体層１３の端部に含まれる当該低抵抗化元素の濃度よりも低くなることがある。なお、当該低抵抗化元素としては、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、硼素（Ｂ）、水素（Ｈ）などが挙げられる。
また、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、ソース１４と接触する領域における酸化物半導体層１３及びドレイン１５と接触する領域における酸化物半導体層１３の少なくとも一方に含まれる酸素の濃度が、酸化物半導体層１３の端部に含まれる酸素の濃度よりも高くなることがある。
ただし、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、ソース１４及びドレイン１５の双方が酸化物半導体層１３の端部に接することがない。具体的には、当該トランジスタにおいては、ソース１４が開口部を有する円形状（内周及び外周が共に円状）であり、ドレイン１５が当該開口部に存在する。よって、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、酸化物半導体層１３の端部が低抵抗化した場合であっても当該端部に寄生チャネルが形成されることがない。その結果、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、寄生チャネルの存在に起因するスイッチング特性の劣化が生じない。
なお、このことは、ソース及びドレインの一方によってソース及びドレインの他方が囲まれている構造を有するトランジスタにおいて共通する。すなわち、ソース及びドレインの一方の内周及び外周が閉曲線若しくは多角形又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、且つソース及びドレインの他方がソース及びドレインの一方の内側に存在するトランジスタにおいては、酸化物半導体層１３の端部が低抵抗化した場合であっても当該端部に寄生チャネルが形成されることがない。
（基板）
絶縁表面を有する基板１０としては、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している基板であればどのような基板を適用してもよい。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの基板を用いることができる。また、基板１０として、可撓性基板を用いてもよい。なお、基板１０に含まれる元素が後に形成される酸化物半導体層に混入することを防ぐため、基板１０上に絶縁層を形成することも可能である。
（導電体）
ゲート１１、ソース１４、及びドレイン１５、並びに導電層１７としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、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）から選ばれた元素、上述した元素を成分とする合金、または上述した元素を成分とする窒化物を適用することができる。また、これらの材料の積層構造を適用することもできる。
（絶縁体）
ゲート絶縁層１２及び絶縁層１６としては、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、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの絶縁体を適用することができる。また、これらの材料の積層構造を適用することもできる。なお、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであり、濃度範囲として酸素が５５〜６５原子％、窒素が１〜２０原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲において、合計１００原子％となるように各元素を任意の濃度で含むものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであり、濃度範囲として酸素が１５〜３０原子％、窒素が２０〜３５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が１５〜２５原子％の範囲において、合計１００原子％となるように各元素を任意の濃度で含むものをいう。
（半導体）
酸化物半導体層１３としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物を適用することができる。特に、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物を適用することが好ましい。また、酸化物半導体層１３中の酸素欠損を減らすためのスタビライザーとして、酸化物半導体層１３にガリウム（Ｇａ）が含まれることが好ましい。また、酸化物半導体層１３が、スタビライザーとして、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、若しくはジルコニウム（Ｚｒ）、又は、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、若しくはルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を含む構成としてもよい。
例えば、酸化物半導体層１３としては、酸化インジウム、酸化スズ、若しくは酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、若しくはＩｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、若しくはＩｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、又は四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、若しくはＩｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
酸化物半導体層１３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう）、微結晶又は非晶質などの状態をとる。
好ましくは、酸化物半導体層１３は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層とする。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体層である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる非晶質部と結晶部との境界は、明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ層には粒界（グレインバウンダリーともいう）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形成過程において、酸化物半導体層１３の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形状（被形成面の断面形状又は表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層が形成されたときの被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体層１３を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
さらに、酸化物半導体層１３において、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、塩素（Ｃｌ）などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体層１３表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体層１３表面に付着した場合には、リン酸、シュウ酸、又は希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理（Ｎ２Ｏプラズマ処理など）を行うことにより、酸化物半導体層１３表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半導体層１３の銅（Ｃｕ）濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層１３のアルミニウム（Ａｌ）濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層１３の塩素（Ｃｌ）濃度は２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
酸化物半導体層１３は水素などの不純物が十分に除去されることにより、または、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とされることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具体的には、酸化物半導体層１３の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１３中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定されるものである。また、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とするため、酸化物半導体層１３を包みこむように過剰酸素を含む絶縁層（ＳｉＯｘなど）を接して設ける。
また、過剰酸素を含む絶縁層の水素濃度もトランジスタの特性に影響を与えるため重要である。
＜トランジスタの変形例＞
本発明の一態様に係るトランジスタは、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタの構造に限定されない。例えば、図２、３に示すトランジスタも本発明の一態様のトランジスタである。なお、図２及び図３（Ａ）は、トランジスタの平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す平面図中のＣ−Ｄ線における断面図である。
（変形例１）
図２に示すトランジスタは、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタが有するソース１４が導電層１７と重畳する領域に間隙が設けられているソース２４に置換されている点を除き、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタと同様の構造を有する。図２に示すトランジスタは、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタと同様の作用を奏するとともにソース２４と導電層１７の間に生じる寄生容量に起因する負荷を緩和することが可能である。
なお、このことは、間隙を有するソース及びドレインの一方によってソース及びドレインの他方が囲まれ、且つ当該間隙が設けられている領域にソース及びドレインの他方と電気的に接続する導電層が存在する構造のトランジスタにおいて共通する。すなわち、ソース及びドレインの一方が間隙を有し且つ内壁の描線及び外壁の描線が曲線若しくは折れ線又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、且つソース及びドレインの他方がソース及びドレインの一方の内側に存在し、且つ、ソース及びドレインの他方に電気的に接続する導電層が当該間隙が設けられている領域に存在するトランジスタにおいては、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタと同様の作用を奏するとともにソース及びドレインの一方と当該導電層の間に生じる寄生容量に起因する負荷を緩和することが可能である。
また、ソース２４としては、上述したゲート１１、ソース１４、及びドレイン１５、並びに導電層１７と同様の導電体を適用することができる。
（変形例２）
図３に示すトランジスタは、絶縁表面を有する基板３０上に設けられたゲート３１と、ゲート３１上に設けられたゲート絶縁層３２と、ゲート絶縁層３２を介してゲート３１と重畳する酸化物半導体層３３と、酸化物半導体層３３の端部上に設けられたソース３４と、酸化物半導体層３３上の絶縁層３５に設けられた開口部において酸化物半導体層３３と接するドレイン３６とを有する。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、ドレイン３６が酸化物半導体層３３の端部と接することがない。よって、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタと同様に酸化物半導体層３３の端部に寄生チャネルが形成されることがない又は当該端部に寄生チャネルが形成される蓋然性を低減することが可能である。その結果、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、スイッチング特性の改善を図ることが可能である。
なお、ソース３４及びドレイン３６は、置換することが可能である。すなわち、本発明の一態様は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すようにソース３４が酸化物半導体層３３の端部上に設けられ、且つドレイン３６が絶縁層３５に設けられた開口部において酸化物半導体層３３と接する構成に限定されず、ソースが絶縁層３５に設けられた開口部において酸化物半導体層３３と接し、且つドレインが酸化物半導体層３３の端部上に設けられる構成とすることも可能である。
また、基板３０としては、上述した基板１０と同様の基板を適用することができる。また、ゲート３１、ソース３４、及びドレイン３６としては、上述したゲート１１、ソース１４、及びドレイン１５、並びに導電層１７と同様の導電体を適用することができる。また、ゲート絶縁層３２及び絶縁層３５としては、上述したゲート絶縁層１２及び絶縁層１６と同様の絶縁体を適用することができる。また、酸化物半導体層３３としては、上述した酸化物半導体層１３と同様の半導体を適用することができる。
＜応用例＞
上述したトランジスタは、各種半導体装置を構成する素子として適用することが可能である。例えば、当該トランジスタをアクティブマトリクス型の表示装置の各画素に設けられるトランジスタとして適用することが可能である。以下では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置について図４を参照して説明する。
図４（Ａ）は、液晶表示装置の構成例を示す図である。図４（Ａ）に示す液晶表示装置は、画素部１００と、走査線駆動回路１１０と、信号線駆動回路１２０と、各々が平行又は略平行に配設され、且つ走査線駆動回路１１０によって電位が制御されるｍ本の走査線１３０と、各々が平行又は略平行に配設され、且つ信号線駆動回路１２０によって電位が制御されるｎ本の信号線１４０と、を有する。さらに、画素部１００は、マトリクス状に配設された複数の画素１５０を有する。なお、各走査線１３０は、画素部１００においてｍ行ｎ列に配設された複数の画素１５０のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素１５０に電気的に接続されている。また、各信号線１４０は、ｍ行ｎ列に配設された複数の画素１５０のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素１５０に電気的に接続されている。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す液晶表示装置が有する画素１５０の回路図の一例を示す図である。図４（Ｂ）に示す画素１５０は、ゲートが走査線１３０に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が信号線１４０に電気的に接続されているトランジスタ１５１と、一方の電極がトランジスタ１５１のソース及びドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が容量電位を供給する配線（容量線ともいう）に電気的に接続されている容量素子１５２と、一方の電極がトランジスタ１５１のソース及びドレインの他方及び容量素子１５２の一方の電極に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線（共通電位線ともいう）に電気的に接続されている液晶素子１５３と、を有する。なお、容量電位と共通電位は、同一の電位とすることが可能である。
上述したトランジスタは、図４（Ｂ）に示すトランジスタ１５１として適用することが可能である。図４（Ｃ）は、トランジスタ１５１として、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタを適用した場合の構造例を示す平面図である。図４（Ｃ）に示すトランジスタ１５１は、ゲート１１が走査線１３０に電気的に接続され、ソース１４が信号線１４０に電気的に接続され、ドレイン１５が透明導電層１６０に電気的に接続されている。なお、図４（Ｃ）に示すトランジスタ１５１において、ゲート１１は走査線１３０の一部であり、ソース１４は信号線１４０の一部であると表現することも可能である。
なお、図４においては、上述したトランジスタを画素に有する液晶表示装置について例示したが、当該トランジスタを図４（Ａ）に示す走査線駆動回路１１０を構成する素子として適用することも可能である。
また、上述したトランジスタを有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を利用して表示を行う表示装置（有機ＥＬ表示装置ともいう）の画素を構成する素子として適用することも可能である。
本実施例では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。具体的には、本実施例では、図１に示すトランジスタを作製し、当該トランジスタの特性を評価した結果について説明する。
＜作製工程＞
まず、当該トランジスタの作製工程について説明する。
始めに、当該トランジスタの下地層を形成した。具体的には、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒素珪素（ＳｉＮ）膜と、当該窒素珪素（ＳｉＮ）膜上の厚さ１５０ｎｍの酸化窒化珪素膜との積層膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した。
次いで、フッ化水素（ＨＦ）を用いて当該下地層表面を洗浄した。
次いで、ゲートを形成した。具体的には、当該下地層上に厚さ１００ｎｍのタングステン（Ｗ）膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該タングステン（Ｗ）膜をフォトリソグラフィ法を用いて加工することによりゲートを形成した。
次いで、ゲート絶縁層を形成した。具体的には、当該下地層及び当該ゲート上に厚さ１００ｎｍの酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜をマイクロ波ＣＶＤ法を用いて成膜した。
次いで、酸化物半導体層を形成した。具体的には、当該ゲート絶縁層上に厚さ３５ｎｍの少なくともインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該膜をフォトリソグラフィ法を用いて加工することにより酸化物半導体層を形成した。
次いで、窒素（Ｎ２）雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理、及び窒素（Ｎ２）及び酸素（Ｏ２）の混合雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
次いで、ソース及びドレインを形成した。具体的には、当該ゲート絶縁層及び当該酸化物半導体層上に厚さ１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と、当該チタン（Ｔｉ）膜上の厚さ４００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜と、当該アルミニウム（Ａｌ）膜上の厚さ１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜との積層膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該積層膜をフォトリソグラフィ法を用いて加工することにより、ソース及びドレインを形成した。
次いで、窒素（Ｎ２）及び酸素（Ｏ２）の混合雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行った。
次いで、２２０℃、１２０秒の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）プラズマ処理を行った。
次いで、絶縁層を形成した。具体的には、当該ゲート絶縁層、当該酸化物半導体層、並びに当該ソース及び当該ドレイン上に厚さ６００ｎｍの酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した。
次いで、窒素（Ｎ２）及び酸素（Ｏ２）の混合雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行った。
次いで、当該絶縁層上に厚さ１５００ｎｍのアクリルを形成した後、窒素（Ｎ２）雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行うことで当該アクリルを焼成した。
次いで、透明導電層を形成した。具体的には、当該アクリル上に少なくともインジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、珪素（Ｓｉ）、及び酸素（Ｏ）を含む膜をスパッタリング法を用いて成膜した。なお、当該膜が上述のドレインと接するように予め当該ドレイン上の絶縁層及びアクリルには開口部を設けた。
最後に、窒素（Ｎ２）雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行った。
＜電気特性＞
上述の工程によって得られたトランジスタに対して、光照射条件下におけるプラスゲートＢＴ試験を行った。なお、本実施例において、プラスゲートＢＴ試験とは、８０℃においてゲートとソースの間の電圧が３０Ｖの状態を特定の時間に渡って保持させる試験を指す。本実施例では、上述のトランジスタを複数用意し、それぞれのトランジスタに対して、２０００秒以下の各種の時間に渡って当該試験を行った。
図５は、当該試験後の本実施例に係る複数のトランジスタのそれぞれのＶｇ−Ｉｄ曲線を示す図である。図５より、本実施例に係るトランジスタは、当該試験後であってもスイッチング特性が大きくばらつかないことが分かった。
＜比較例＞
以下では、比較例として、ソース及びドレインが酸化物半導体層の端部と接するトランジスタについて説明する。
図６は、本比較例に係るトランジスタの構造を示す平面図である。図６に示すトランジスタは、ゲート１００１と、ゲート１００１上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上の酸化物半導体層１００３と、酸化物半導体層１００３上のソース１００４及びドレイン１００６とを有する。図６に示すようにソース１００４及びドレイン１００６は、酸化物半導体層１００３の端部に接している。
なお、本比較例に係るトランジスタは、上記実施例に係るトランジスタの各構成要素と同じ材料、作製工程を用いて形成した。そして、本比較例に係るトランジスタを複数用意し、それぞれのトランジスタに対して、２０００秒以下の各種の時間に渡って光照射条件下におけるプラスゲートＢＴ試験を行った。
図７は、当該試験後の本比較例に係る複数のトランジスタのそれぞれのＶｇ−Ｉｄ曲線を示す図である。図７より、本比較例に係るトランジスタは、当該試験後においてスイッチング特性が大きくばらつくことが分かった。
１０ 基板
１１ ゲート
１２ ゲート絶縁層
１３ 酸化物半導体層
１４ ソース
１５ ドレイン
１６ 絶縁層
１７ 導電層
２４ ソース
３０ 基板
３１ ゲート
３２ ゲート絶縁層
３３ 酸化物半導体層
３４ ソース
３５ 絶縁層
３６ ドレイン
１００ 画素部
１１０ 走査線駆動回路
１２０ 信号線駆動回路
１３０ 走査線
１４０ 信号線
１５０ 画素
１５１ トランジスタ
１５２ 容量素子
１５３ 液晶素子
１６０ 透明導電層
１００１ ゲート
１００３ 酸化物半導体層
１００４ ソース
１００６ ドレイン

Claims (9)

  1. ゲートと、
    前記ゲート上に設けられたゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁層を介して前記ゲートと重畳する酸化物半導体層と、
    前記酸化物半導体層上のソース及びドレインと、を有し、
    前記ソース及び前記ドレインの少なくとも一方が前記酸化物半導体層の端部と接していないトランジスタ。
  2. 請求項１において、
    前記酸化物半導体層の端部と接していない前記ソース及び前記ドレインの一方と前記酸化物半導体層の端部間の距離が、前記ソースと前記ドレイン間の距離よりも長いトランジスタ。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記ソース及び前記ドレインの一方の内周及び外周が閉曲線若しくは多角形又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、
    前記ソース及び前記ドレインの他方が、前記ソース及び前記ドレインの一方の内側に存在するトランジスタ。
  4. 請求項１又は請求項２において、
    前記ソース及び前記ドレインの一方が、間隙を有し、且つ内壁の描線及び外壁の描線が曲線若しくは折れ線又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、
    前記ソース及び前記ドレインの他方が、前記ソース及び前記ドレインの一方の内側に存在し、
    前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続する導電層が前記間隙が設けられている領域に存在するトランジスタ。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記ソース及び前記ドレインの少なくとも一方と接触する領域における前記酸化物半導体層に含まれる低抵抗化元素の濃度が、前記酸化物半導体層の端部に含まれる前記低抵抗化元素の濃度よりも低いトランジスタ。
  6. 請求項５において、
    前記低抵抗化元素が、塩素、フッ素、硼素、又は水素であるトランジスタ。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記ソース及び前記ドレインの少なくとも一方と接触する領域における前記酸化物半導体層に含まれる酸素の濃度が、前記酸化物半導体層の端部に含まれる酸素の濃度よりも高いトランジスタ。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体層が、ＣＡＡＣ−ＯＳ層であるトランジスタ。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のトランジスタを有する半導体装置。
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