JP2014060451A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
酸化物半導体、該酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ、若しくは該薄膜トランジスタ
を用いた表示装置に関する。
The present invention relates to an oxide semiconductor, a thin film transistor using the oxide semiconductor, or a display device using the thin film transistor.
薄膜トランジスタの材料として水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)が主に用い
られている。水素化アモルファスシリコンは300℃以下の低温で薄膜の堆積が可能であ
るが、移動度(薄膜トランジスタにおいては電界効果移動度)が1cm2/V・sec程
度しか得られないという欠点がある。
Hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) is mainly used as a material for thin film transistors. Hydrogenated amorphous silicon can deposit a thin film at a low temperature of 300 ° C. or lower, but has a drawback that mobility (field-effect mobility in a thin film transistor) can be obtained only about 1 cm 2 / V · sec.
一方、a−Si:Hと同様に低温で薄膜の形成が可能である酸化物半導体材料として、ホ
モロガス化合物InMO3(ZnO)m(M=In,Fe,Ga,又はAl,m=1以上
50未満の整数)薄膜を活性層として用いる透明薄膜電界効果型トランジスタが開示され
ている(特許文献1参照)。
On the other hand, a homologous compound InMO 3 (ZnO) m (M = In, Fe, Ga, or Al, m = 1 to 50) as an oxide semiconductor material capable of forming a thin film at a low temperature as in a-Si: H. A transparent thin film field effect transistor using a thin film as an active layer is disclosed (see Patent Document 1).
また、チャネル層に、電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるアモルファス酸化
物が用いられ、該アモルファス酸化物が、In、Ga、Znを含む酸化物であり、原子数
比In:Ga:Zn=1:1:m(m<6)である薄膜トランジスタが開示されている。
For the channel layer, an amorphous oxide having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 is used. The amorphous oxide is an oxide containing In, Ga, and Zn, and has an atomic ratio of In: Ga: A thin film transistor with Zn = 1: 1: m (m <6) is disclosed.
しかしながら、従来の酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、オンオフ比が103程
度しか得られていない。すなわち、薄膜トランジスタとして所定のオン電流が得られてい
るとしても、オフ電流が増加してしまいノーマリーオフのトランジスタが構成されている
とはいえず、実用的なレベルに達していない。オンオフ比が103程度であれば、従来の
アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタでも容易に達成できるレベルなのである
。
However, a thin film transistor using a conventional oxide semiconductor has an on / off ratio of only about 10 3 . That is, even if a predetermined on-current is obtained as a thin film transistor, the off-current increases and it cannot be said that a normally-off transistor is configured, and it does not reach a practical level. If on-off ratio of about 10 3 is the level that can be easily achieved in a thin film transistor using a conventional amorphous silicon.
そこで、薄膜トランジスタの電界効果移動度を高め、オフ電流を抑えつつ十分なオンオフ
比を得ることを他の目的の一とする。
Thus, another object is to obtain a sufficient on / off ratio while increasing the field-effect mobility of a thin film transistor and suppressing off-state current.
例示的な一態様として酸化物半導体は、In、Ga、Znを構成成分として含みZnの濃
度がIn及びGaの濃度よりも低くなる組成を有している。当該酸化物半導体はアモルフ
ァス構造を有していることが好ましい態様となる。
As an exemplary embodiment, an oxide semiconductor includes In, Ga, and Zn as components, and has a composition in which the concentration of Zn is lower than the concentrations of In and Ga. The oxide semiconductor preferably has an amorphous structure.
例示的な一態様として酸化物半導体は、InMO3(ZnO)m(M=Ga、Fe、Ni
、Mn、Co及びAlから選ばれた一又は複数の元素、mは1以上50未満の非整数)で
ありZnの濃度がIn及びM(M=Ga、Fe、Ni、Mn、Co及びAlから選ばれた
一又は複数の元素)よりも低くなる組成を有している。当該酸化物半導体はアモルファス
構造を有していることが好ましい態様となる。
As an exemplary embodiment, the oxide semiconductor includes InMO 3 (ZnO) m (M = Ga, Fe, Ni
One or more elements selected from Mn, Co and Al, m is a non-integer of 1 to less than 50, and the Zn concentration is from In and M (M = Ga, Fe, Ni, Mn, Co and Al). One or more selected elements). The oxide semiconductor preferably has an amorphous structure.
ここでmの値は、好ましくは1以上50未満の非整数、より好ましくは10未満の非整数
とする。mの値は50以上の非整数でも可能であるが、mの値が大きくなるとアモルファ
ス状態を維持するのが困難になる。
Here, the value of m is preferably a non-integer of 1 or more and less than 50, more preferably a non-integer of less than 10. The value of m can be a non-integer of 50 or more, but it becomes difficult to maintain an amorphous state as the value of m increases.
例示的な一態様として薄膜トランジスタは、上記態様から選択される酸化物半導体層をチ
ャネル形成領域とする。該酸化物半導体層に接して酸化物絶縁層が設けられていることは
好ましい。酸化物絶縁層は酸化物半導体層の上層側及び下層側に設けられていることはよ
り好ましい一態様となる。酸化物半導体層の外側に窒化物絶縁層が設けられていることは
好ましい。
As an exemplary embodiment, the thin film transistor includes an oxide semiconductor layer selected from the above embodiments as a channel formation region. It is preferable that an oxide insulating layer be provided in contact with the oxide semiconductor layer. It is a more preferable aspect that the oxide insulating layer is provided on the upper layer side and the lower layer side of the oxide semiconductor layer. It is preferable that a nitride insulating layer be provided outside the oxide semiconductor layer.
例示的な一態様として表示装置は、上記態様から選択される薄膜トランジスタが少なくと
も一の画素に設けられている。
As an exemplary embodiment, the display device includes a thin film transistor selected from the above embodiments in at least one pixel.
例示的な一態様として表示装置は、上記態様から選択される薄膜トランジスタが少なくと
も一の画素と該画素に設けられた薄膜トランジスタに送る信号を制御する駆動回路とに設
けられている。
As an exemplary embodiment, the display device includes the thin film transistor selected from the above embodiments in at least one pixel and a driver circuit that controls a signal sent to the thin film transistor provided in the pixel.
酸化物半導体の構成成分として含むIn、Ga、Znの内、Znの濃度をIn及びGaの
濃度よりも低くすることでキャリア濃度を低くすることができ、また、酸化物半導体をア
モルファス構造とすることができる。
Of In, Ga, and Zn contained as constituent components of an oxide semiconductor, the carrier concentration can be lowered by making the Zn concentration lower than the In and Ga concentrations, and the oxide semiconductor has an amorphous structure. be able to.
このような酸化物半導体層をチャネル形成領域とすることにより、薄膜トランジスタのオ
フ電流を低減することができ、高いオンオフ比を得ることができる。
By using such an oxide semiconductor layer as a channel formation region, off-state current of the thin film transistor can be reduced and a high on / off ratio can be obtained.
以下、開示される発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。但し、開示さ
れる発明は以下の説明に限定されず、その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さまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。した
がって、開示される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。以下に説明する実施の形態において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通
して用いる場合がある。
Embodiments of the disclosed invention will be described below with reference to the drawings. However, the disclosed 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 invention. Therefore, the disclosed invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. In the embodiments described below, the same reference numerals may be used in common in different drawings.
(酸化物半導体材料について)
本形態に係る例示的な酸化物半導体材料は、In、Ga、Znを構成成分として含みZn
の濃度がIn及びGaの濃度よりも低い組成を有している。例えば、InMO3(ZnO
)mで示される酸化物半導体材料であって、Znの濃度がIn及びM(M=Ga、Fe、
Ni、Mn、Co及びAlから選ばれた一又は複数の元素)よりも低い組成を有している
。また、上記酸化物半導体において、Mとして含まれる金属元素の他に、不純物元素とし
てFe、Niその他の遷移金属元素、又は該遷移金属の酸化物が含まれているものがある
。
(About oxide semiconductor materials)
An exemplary oxide semiconductor material according to this embodiment includes In, Ga, and Zn as constituent components.
Has a lower composition than In and Ga. For example, InMO 3 (ZnO
) An oxide semiconductor material represented by m , wherein the Zn concentration is In and M (M = Ga, Fe,
One or more elements selected from Ni, Mn, Co, and Al). In addition to the metal element contained as M, some of the above oxide semiconductors contain Fe, Ni, other transition metal elements, or oxides of the transition metal as impurity elements.
上記のInMO3(ZnO)mで示される酸化物半導体材料において、mは1以上50未
満の非整数である。結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)mであってmが1以
上50未満の整数であるものが知られているが、製造における制御性を考慮するとmが整
数となる組成よりは、InMO3(ZnO)mであってmが非整数となる組成とする方が
制御しやすく好ましい。また、酸化物半導体材料のアモルファス構造を安定的に維持する
ためにもmを非整数とすることが好ましい。
In the oxide semiconductor material represented by the above InMO 3 (ZnO) m , m is a non-integer of 1 or more and less than 50. It is known that the composition in the crystalline state is InGaO 3 (ZnO) m and m is an integer from 1 to less than 50, but considering the controllability in production, the composition is more InMO 3 than the composition in which m is an integer. (ZnO) m is preferable because it is easy to control and has a composition in which m is a non-integer. In order to stably maintain the amorphous structure of the oxide semiconductor material, m is preferably a non-integer.
ここでmの値は、好ましくは1以上50未満の非整数、より好ましくは10未満の非整数
とする。mの値は50以上の非整数でも可能であるが、mの値が大きくなるとアモルファ
ス状態を維持するのが困難になる。
Here, the value of m is preferably a non-integer of 1 or more and less than 50, more preferably a non-integer of less than 10. The value of m can be a non-integer of 50 or more, but it becomes difficult to maintain an amorphous state as the value of m increases.
InMO3(ZnO)m(M=Ga、Fe、Ni、Mn、Co及びAlから選ばれた一又
は複数の元素、mは1以上50未満の非整数)であり、酸化物半導体材料の組成としては
、In、M、Zn、Oの合計を100%としたときに、それぞれの元素の組成としてIn
を20原子%未満、M(例えばGa)を20原子%未満、Znを10原子%未満含むよう
にすることが好ましい。In、Ga及びZnを含む酸化物半導体材料として、より好まし
い組成比は、In及びGaを15.0原子%以上20.0原子%以下、Znを5.0原子
%以上10.0原子%以下含むものである。
InMO 3 (ZnO) m (M = one or more elements selected from Ga, Fe, Ni, Mn, Co, and Al, m is a non-integer of 1 to less than 50), and the composition of the oxide semiconductor material When the total of In, M, Zn, and O is 100%, the composition of each element is In
It is preferable to contain less than 20 atomic%, M (for example, Ga) less than 20 atomic%, and Zn less than 10 atomic%. As an oxide semiconductor material containing In, Ga, and Zn, more preferable composition ratios are In and Ga of 15.0 atomic percent to 20.0 atomic percent, and Zn of 5.0 atomic percent to 10.0 atomic percent. Is included.
酸化物半導体の構造はアモルファス構造であり、窒素雰囲気中500℃の熱処理によって
も結晶化することはない。熱処理温度を700℃まで高めると、アモルファス構造の中に
ナノクリスタルが生成する場合がある。いずれにしても酸化物半導体は非単結晶半導体で
ある。
The structure of the oxide semiconductor is an amorphous structure and is not crystallized even by heat treatment at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere. When the heat treatment temperature is increased to 700 ° C., nanocrystals may be generated in the amorphous structure. In any case, the oxide semiconductor is a non-single-crystal semiconductor.
酸化物半導体としてアモルファス構造を有するようにするためにZnの濃度がIn及びG
aの濃度よりも低くすることで構造が安定化する。より好ましくはIn及びGaに対して
Znの割合が半分以下とするのが良い。Zn若しくはZnOの割合が増えると結晶化しや
すくなる傾向があり、Zn若しくはZnOの割合が増えた場合にはスパッタリング法等に
よる成膜したままの状態、又は数百度の熱処理によって結晶化してしまう。また、Znの
濃度がIn及びGaの濃度よりも低くすることで、酸化物半導体においてアモルファス構
造が得られる組成範囲を広げることができる。
In order to have an amorphous structure as an oxide semiconductor, the concentration of Zn is In and G
The structure is stabilized by making it lower than the concentration of a. More preferably, the ratio of Zn to In and Ga should be less than half. When the proportion of Zn or ZnO increases, crystallization tends to occur, and when the proportion of Zn or ZnO increases, crystallization occurs in the state of film formation by sputtering or the like, or by heat treatment of several hundred degrees. In addition, when the Zn concentration is lower than the In and Ga concentrations, the composition range in which an amorphous structure can be obtained in the oxide semiconductor can be expanded.
(酸化物半導体層の作製方法)
酸化物半導体層は物理気相成長(Physical Vapor Deposition
:PVD)法で作製することが好ましい。酸化物半導体層を作製するためのPVD法とし
ては、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビーム堆積法など
を適用することができるが、生産性及び大面積基板への成膜を容易なものとするためには
スパッタリング法を適用することが好ましい。
(Method for manufacturing oxide semiconductor layer)
An oxide semiconductor layer is formed by physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition).
: PVD) method. As a PVD method for manufacturing the oxide semiconductor layer, a sputtering method, a resistance heating vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, an ion beam deposition method, or the like can be applied. In order to facilitate the process, it is preferable to apply a sputtering method.
好ましい成膜法として、In、M(M=Ga、Fe、Ni、Mn、Co及びAlから選ば
れた一又は複数の元素)、Zn等の金属ターゲットを用い酸素と反応させながら基板上に
酸化物半導体層を堆積させる反応性スパッタリング法、In、M(M=Ga、Fe、Ni
、Mn、Co及びAlから選ばれた一又は複数の元素)、Znの酸化物の焼結体をターゲ
ットをして基板上に酸化物半導体層を堆積させるスパッタリング法、若しくは当該焼結体
をターゲットをして用い酸素と反応させながら基板上に酸化物半導体層を堆積させる反応
性スパッタリング法が適用される。
As a preferable film forming method, oxidation is performed on the substrate while reacting with oxygen using a metal target such as In, M (M = Ga, Fe, Ni, Mn, Co and Al selected from one or a plurality of elements), Zn or the like. Reactive sputtering method for depositing a semiconductor layer, In, M (M = Ga, Fe, Ni
, One or a plurality of elements selected from Mn, Co, and Al), a sputtering method in which an oxide semiconductor layer is deposited on a substrate using a Zn oxide sintered body as a target, or the sintered body as a target A reactive sputtering method is used in which an oxide semiconductor layer is deposited on a substrate while being reacted with oxygen.
スパッタリング法において用いられるターゲットの一例として、In2O3、Ga2O3
及びZnOの焼結体が適用可能である。このようなターゲットの組成比としては、In2
O3、Ga2O3及びZnOの割合を等量又はIn2O3及びGa2O3に対してZnO
の割合を少なくすることが好ましい。基板上に堆積される酸化物半導体層の組成は、ター
ゲット材のスパッタガスに対するスパッタリングレートによっても変わってくるが、少な
くともターゲットの組成比とすることでIn、Ga、Znを構成成分として含み、Znが
In及びGaの濃度よりも低い酸化物半導体層を得ることができる。
As an example of the target used in the sputtering method, In 2 O 3 , Ga 2 O 3
And a sintered body of ZnO is applicable. The composition ratio of such a target is In 2
Equivalent proportions of O 3 , Ga 2 O 3 and ZnO or ZnO with respect to In 2 O 3 and Ga 2 O 3
It is preferable to reduce the ratio. The composition of the oxide semiconductor layer deposited on the substrate varies depending on the sputtering rate of the target material with respect to the sputtering gas, but at least the composition ratio of the target contains In, Ga, and Zn as constituent components. Thus, an oxide semiconductor layer whose concentration is lower than that of In and Ga can be obtained.
スパッタリングは上記ターゲットに直流電力を印加し、成膜チャンバー内にプラズマを生
成して行う。パルス直流(DC)電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一とな
るために好ましい。
Sputtering is performed by applying DC power to the target and generating plasma in the deposition chamber. A pulse direct current (DC) power source is preferable because dust can be reduced and the film thickness can be uniform.
酸化物半導体の構成成分として含むIn、Ga、Znの内、Znの濃度をIn及びGaの
濃度よりも低くすることでキャリア濃度を低くすることができ、また、酸化物半導体をア
モルファス構造とすることができる。
Of In, Ga, and Zn contained as constituent components of an oxide semiconductor, the carrier concentration can be lowered by making the Zn concentration lower than the In and Ga concentrations, and the oxide semiconductor has an amorphous structure. be able to.
(薄膜トランジスタについて)
酸化物半導体層をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタを作製するための基板として
、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルム等を用いることができる。ガラ
ス基板としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス及びアルミノシ
リケートガラスなどのガラス基板を用いることができる。例えば、成分比としてホウ酸(
B2O3)よりも酸化バリウム(BaO)を多く含み、歪み点が730℃以上のガラス基
板を用いると好ましい。また、酸化物半導体層はスパッタリング法により200℃以下で
成膜することが可能であり、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフ
タレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリイミドに代表されるプラ
スチック基板、該プラスチック材料の厚さを200μm以下とするプラスチックフィルム
を用いることができる。
(About thin film transistors)
As a substrate for manufacturing a thin film transistor having an oxide semiconductor layer as a channel formation region, a glass substrate, a plastic substrate, a plastic film, or the like can be used. As the glass substrate, glass substrates such as barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and aluminosilicate glass can be used. For example, boric acid (
It is preferable to use a glass substrate containing more barium oxide (BaO) than B 2 O 3 ) and having a strain point of 730 ° C. or higher. The oxide semiconductor layer can be formed at 200 ° C. or less by a sputtering method, and plastics represented by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), and polyimide. A plastic film in which the thickness of the substrate and the plastic material is 200 μm or less can be used.
図1(A)、(B)はそのような基板101の表面に作製される薄膜トランジスタの一例
を示す。ここで図1(A)は薄膜トランジスタの平面図の一例であり、図1(B)はA1
−B1切断線に対応した断面図を示す。
FIGS. 1A and 1B illustrate an example of a thin film transistor manufactured over the surface of such a
Sectional drawing corresponding to a -B1 cutting line is shown.
図1(A)、(B)で示す薄膜トランジスタは、基板101側からゲート電極102、ゲ
ート絶縁層103が形成され、該ゲート絶縁層103の上に酸化物半導体層106が形成
されたボトムゲート型の構造を有している。ソース電極104及びドレイン電極105は
、ゲート絶縁層103と酸化物半導体層106の間に設けられている。すなわち、ゲート
電極102と重畳し、ゲート絶縁層103及びソース電極104及びドレイン電極105
の側面部と上面部の一部と接するように設けられている。ゲート絶縁層103上にソース
電極104及びドレイン電極105を先に設ける構造は、酸化物半導体層106を成膜す
る前の下地表面を、プラズマ処理によって清浄化できるという利点を有している。
1A and 1B is a bottom gate type in which a
Are provided so as to be in contact with a part of the side surface and part of the upper surface. The structure in which the
ゲート電極102はTi、Mo、Cr、Ta、W等の高融点金属で形成することが好まし
い。また、ゲート電極102をAl膜又は、Si、Ti、Nd、Sc若しくはCu等の金
属が添加されたAl膜の上層側にMo、Cr、Tiに代表される高融点金属の層が設けら
れている構成を有していても良い。
The
ゲート絶縁層103は、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸化窒化シリコンなどシリコン
酸化物又は窒化物で形成することが好ましい。ゲート絶縁層103中にOH基を含ませる
ことができ、OH基を酸化物半導体層106に作用させることができるからである。特に
、酸化シリコンでゲート絶縁層103を形成すると、薄膜トランジスタのソース電極とゲ
ート電極間及びドレイン電極とゲート電極間のリーク電流を約10−10A以下にするこ
とができる。これらの絶縁層は、プラズマCVD法又はスパッタリング法で形成すること
ができる。
The
例えば、ゲート絶縁層103として、有機シランガスを用いたCVD法により酸化シリコ
ン層を形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS:化学式
Si(OC2H5)4)、テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH3)4)、テ
トラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサ
ン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH
(OC2H5)3)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)3)等の
シリコン含有化合物を用いることができる。
For example, as the
Silicon-containing compounds such as (OC 2 H 5 ) 3 ) and trisdimethylaminosilane (SiH (N (CH 3 ) 2 ) 3 ) can be used.
ソース電極104及びドレイン電極105はTi、Mo、Cr、Ta、W等の高融点金属
で形成することが好ましい。特にTiに代表されるように酸素と親和力の高い金属材料を
用いることが好ましい。酸化物半導体層106とオーミックコンタクトを形成しやすいか
らである。Tiの他にMoによって同様の効果を得ることができる。ソース電極104及
びドレイン電極105の端面形状は、テーパ状となるようにエッチング加工することが好
ましい。酸化物半導体層106との接触面積を増やすことができるからである。また、ソ
ース電極104及びドレイン電極105と酸化物半導体層との間に、酸素欠乏欠陥を有す
る酸化物半導体層(チャネル形成領域を構成する酸化物半導体層よりも低抵抗の酸化物半
導体層)を設けても良い。
The
ソース電極104及びドレイン電極105の他の態様として、当該電極は、Al膜又は、
Si、Ti、Nd、Sc若しくはCu等の金属が添加されたAl膜の上層側及び/又は下
層側にMo、Cr、Tiに代表される高融点金属の層が設けられている構成を有していて
も良い。ソース電極104及びドレイン電極105を形成する層と同時に、同じ層で信号
を伝達する配線を形成する際に有利である。当該Al膜に接して設けられる高融点金属の
層は、Al膜にヒロックやウィスカーが生じてしまうことを防ぐために設けられているこ
とが好ましい。なお、ヒロックとは、Alが結晶成長してその成長成分がぶつかりあうこ
とで盛り上がりが生じてしまう現象をいう。また、ウィスカーは、Alの異常成長によっ
て針状の成長が行われてしまう現象をいう。
As another embodiment of the
It has a configuration in which a layer of a refractory metal typified by Mo, Cr, Ti is provided on the upper layer side and / or lower layer side of an Al film to which a metal such as Si, Ti, Nd, Sc, or Cu is added. May be. This is advantageous in forming a wiring for transmitting a signal in the same layer simultaneously with the layer in which the
酸化物半導体層106はスパッタリング法に代表されるPVD法によって形成する。スパ
ッタリングにおけるターゲットは、前述のようにIn、M(M=Ga、Fe、Ni、Mn
、Co及びAlから選ばれた一又は複数の元素)、Znの酸化物の焼結体を用いることが
好ましい。例えば、In2O3、Ga2O3及びZnOの焼結体をターゲットとして用い
てスパッタリング法により酸化物半導体層を形成する。
The
, One or a plurality of elements selected from Co and Al), and a sintered body of an oxide of Zn is preferably used. For example, the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method using a sintered body of In 2 O 3 , Ga 2 O 3, and ZnO as a target.
スパッタガスはアルゴンに代表される希ガスを用いる。酸化物半導体層の酸素欠乏欠陥を
制御するには希ガスに酸素ガスを所定量添加しても良い。スパッタガスとして希ガスに対
する酸素ガスの割合を増加させることで酸化物半導体中の酸素欠乏欠陥を少なくすること
ができる。酸化物半導体中の酸素欠乏欠陥を制御することにより薄膜トランジスタのしき
い値電圧を制御することが可能である。
As the sputtering gas, a rare gas typified by argon is used. In order to control oxygen deficiency defects in the oxide semiconductor layer, a predetermined amount of oxygen gas may be added to the rare gas. By increasing the ratio of oxygen gas to rare gas as a sputtering gas, oxygen deficiency defects in the oxide semiconductor can be reduced. By controlling oxygen deficiency defects in the oxide semiconductor, the threshold voltage of the thin film transistor can be controlled.
酸化物半導体層106を成膜する前に、スパッタリング装置の成膜チャンバーにアルゴン
ガスを導入してプラズマを発生させ、堆積表面を清浄化する処理を行うことは好ましい。
アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いても良い。また、アルゴン雰囲気に酸
素、N2Oなどを加えた雰囲気で行っても良い。また、アルゴン雰囲気にCl2、CF4
などを加えた雰囲気で行っても良い。
Before the
Nitrogen, helium, or the like may be used instead of the argon atmosphere. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which oxygen, N 2 O, or the like is added. Also, Cl 2 , CF 4 in an argon atmosphere
You may perform in the atmosphere which added etc.
酸化物半導体層106を形成後、大気中又は窒素雰囲気中において、200℃以上600
℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下の熱処理を行う。この熱処理により薄膜ト
ランジスタの電界効果移動度を高めることができる。本形態で示す酸化物半導体を用いた
薄膜トランジスタの電界効果移動度としては、5cm2/Vsec以上を実現することが
可能である。
After the
A heat treatment is performed at a temperature not higher than ° C., preferably not lower than 300 ° C. and not higher than 400 ° C. This heat treatment can increase the field-effect mobility of the thin film transistor. A field-effect mobility of a thin film transistor including an oxide semiconductor described in this embodiment can be 5 cm 2 / Vsec or more.
上記のような薄膜トランジスタにおいて、ソース電極とドレイン電極間に5V程度の電圧
を印加したとき、ゲート電極に電圧を印加しないときのソース電極とドレイン電極間の電
流を1×10−11A以下にすることが可能である。また、ゲート電極に−10Vの電圧
を印加した状態でもソース電極とドレイン電極間の電流は1×10−11A以下である。
In the thin film transistor as described above, when a voltage of about 5 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the current between the source electrode and the drain electrode when the voltage is not applied to the gate electrode is set to 1 × 10 −11 A or less. It is possible. Even when a voltage of −10 V is applied to the gate electrode, the current between the source electrode and the drain electrode is 1 × 10 −11 A or less.
図2(A)、(B)は基板101の表面に作製される薄膜トランジスタの一例を示す。こ
こで図2(A)は薄膜トランジスタの平面図の一例であり、図2(B)はA2−B2切断
線に対応した断面図を示す。
2A and 2B illustrate an example of a thin film transistor manufactured over the surface of the
図2(A)、(B)で示す薄膜トランジスタは、基板101側からゲート電極102、ゲ
ート絶縁層103が形成され、該ゲート絶縁層103の上に酸化物半導体層106が形成
されたボトムゲート型の構造を有している。ソース電極104及びドレイン電極105は
酸化物半導体層106の側面及び上面で接触する構造である。
2A and 2B is a bottom gate type in which a
このような構造の薄膜トランジスタは、ゲート絶縁層103及び酸化物半導体層106と
、ソース電極104及びドレイン電極105を形成する導電層を連続して形成することが
可能である。すなわち、ゲート絶縁層103と酸化物半導体層106の界面、及び酸化物
半導体層106と該導電層の界面が大気に晒されることなく積層されるので、それぞれの
界面が汚染されることを防ぐことができる。
In the thin film transistor having such a structure, the
また、ソース電極104とドレイン電極105の間に露出する酸化物半導体層106の表
層部をエッチングにより除去することで、オフ電流を低減するこことができる。また、酸
化物半導体層106の当該露出部分、又はエッチングにより除去された表面に対し酸素プ
ラズマ処理を行うことによって、プラズマに晒された表層部を高抵抗化することができる
。酸化物半導体の酸素欠乏欠陥が酸化され、キャリア濃度(電子濃度)が低減するためで
ある。この酸素プラズマ処理によっても薄膜トランジスタのオフ電流を低減することが可
能である。
Further, by removing the surface layer portion of the
図3(A)、(B)は基板101の表面に作製される薄膜トランジスタの一例を示す。こ
こで図3(A)は薄膜トランジスタの平面図の一例であり、図2(B)はA3−B3切断
線に対応した断面図を示す。
3A and 3B illustrate an example of a thin film transistor manufactured over the surface of the
図3(A)、(B)で示す薄膜トランジスタは、基板101側からソース電極104及び
ドレイン電極105、酸化物半導体層106、ゲート絶縁層103及びゲート電極102
が形成されたトップゲート型の構造を有している。このような構造の薄膜トランジスタで
あっても、酸化物半導体層106を、InMO3(ZnO)m(M=Ga、Fe、Ni、
Mn、Co及びAlから選ばれた一又は複数の元素、mと1以上50未満の非整数)であ
りさらに酸化物半導体材料の組成としては、In、M、Zn、Oの合計を100%とした
ときに、それぞれの元素の組成としてInを20原子%未満、M(例えばGa)を20原
子%未満、Znを10原子%未満含むようにすることで、薄膜トランジスタのオフ電流を
低減することができ、高いオンオフ比を得ることができる。
3A and 3B, a thin film transistor includes a
The top gate type structure is formed. Even in the thin film transistor having such a structure, the
One or a plurality of elements selected from Mn, Co, and Al, m and a non-integer of 1 to less than 50), and the composition of the oxide semiconductor material is 100% of the total of In, M, Zn, and O The off-state current of the thin film transistor can be reduced by including less than 20 atomic% of In, less than 20 atomic% of M (for example, Ga), and less than 10 atomic% of Zn as the composition of each element. And a high on / off ratio can be obtained.
図4(A)は、酸化物半導体層106のゲート絶縁層103とは反対側(バックチャネル
側)にも酸化物絶縁層107を設けた一例である。酸化物絶縁層107は、前述のように
酸化シリコンの他、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハ
フニウムを適用する。図4(A)の構成では、酸化物半導体層106がゲート絶縁層10
3である酸化シリコンと、酸化物絶縁層107によって挟まれることから、酸化物半導体
層106から酸素が抜けて酸素欠乏欠陥が形成されることを防ぐことができる。
FIG. 4A illustrates an example in which the
3 is sandwiched between the
図4(B)は酸化物絶縁層107の外側に窒化物絶縁層108を設けた構成である。窒化
物絶縁層108としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を適用することができる。
窒化物絶縁層108を設けることで、水蒸気、有機物及びイオン性金属による外部環境か
らの汚染を防ぐことができる。なお、図4(B)の構成においてゲート絶縁層103を窒
化シリコン層と酸化シリコン層の二層構造とすることも有効である。これにより、酸化物
半導体層106の上層側及び下層側が酸化物絶縁層と窒化物絶縁層で挟まれることになり
、上記効果をより一層高めることができる。
FIG. 4B illustrates a structure in which a
By providing the
(薄膜トランジスタを用いた装置について)
本形態で示す酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が高く、またオ
ンオフ比も高いことから、様々な用途に応用することができる。その一例として表示装置
の態様について説明する。
(About devices using thin film transistors)
A thin film transistor using an oxide semiconductor described in this embodiment has high field-effect mobility and a high on / off ratio, and thus can be applied to various uses. An example of the display device will be described as an example.
図5は、画素部110、走査線駆動回路111及び信号線側にセレクタ回路112が基板
101上に設けられた表示装置109を示す。画素部110に設けられるスイッチング素
子、走査線駆動回路111及び信号線側にセレクタ回路112は酸化物半導体層にチャネ
ル形成領域が設けられる薄膜トランジスタで構成されている。電界効果移動度が5cm2
/V・sec乃至20cm2/V・secの酸化物半導体層にチャネル形成領域が設けら
れる薄膜トランジスタを用いれば、走査線駆動回路111及び信号線側のセレクタ回路1
12を構成することが可能である。セレクタ回路112は信号線116を選択する回路で
あり、ドライバIC114から送られてくる映像信号を、所定のタイミングで所定の信号
線116に振り分ける回路である。ここで、当該薄膜トランジスタはnチャネル型である
ので、走査線駆動回路111及び信号線側のセレクタ回路112はnチャネル型の薄膜ト
ランジスタで構成される回路である。
FIG. 5 shows a
When a thin film transistor in which a channel formation region is provided in an oxide semiconductor layer of / V · sec to 20 cm 2 / V · sec is used, the scan
12 can be configured. The
走査線115と信号線116がそれぞれ複数本交差して構成される画素部110には、画
素トランジスタ117が設けられている。そして画素トランジスタ117は、マトリクス
状に配設されている。画素トランジスタ117は走査線115から走査信号が入力され、
信号線116から映像信号が入力される。入力端子113にはドライバIC114から映
像信号が入力される。ドライバIC114は単結晶基板上に形成されている回路であり、
TAB(tape−automated bonding)方式又はCOG(chip
on glass)方式によって実装されている。
A
A video signal is input from the
TAB (tape-automated bonding) method or COG (chip)
on glass) method.
図6はnチャネル型薄膜トランジスタで構成されるセレクタ回路112の一構成例を示す
。セレクタ回路112はスイッチ回路119が複数配列することによって構成されている
。一のスイッチ回路119は、一の映像信号入力線120に対して複数の信号線116(
S1〜S3)が画素部110に延びるように構成されている。スイッチ回路119には信
号線116の本数に応じてスイッチング素子121が設けられている。このスイッチング
素子121は酸化物半導体層にチャネル形成領域が設けられる薄膜トランジスタで構成さ
れることにより、スイッチ回路119を映像信号の周波数に応じて高速で動作させること
を可能としている。図6では、信号線116(S1)に対応してスイッチング素子121
a、信号線116(S2)に対応してスイッチング素子121b、信号線116(S3)
に対応してスイッチング素子121cが設けられているスイッチ回路119の一例を示し
ている。スイッチング素子121のオン・オフは、映像信号入力線120とは別の経路で
入力される同期信号入力線122の信号によって制御される。
FIG. 6 shows a structural example of the
S <b> 1 to S <b> 3) extend to the
a, switching
1 shows an example of a switch circuit 119 provided with a
図6で示すセレクタ回路112の動作について図7で示すタイミングチャートを参照して
説明する。図7で例示するタイミングチャートは、i行目の走査線が選択され、ある列の
映像信号入力線120がセレクタ回路112に接続されている場合について示す。i行目
の走査線の選択期間は、第1のサブ選択期間T1、第2のサブ選択期間T2及び第3のサ
ブ選択期間T3に分割されている。そして、このタイミングチャートは、i行目の走査線
が選択されるとき、スイッチング素子121a、スイッチング素子121b及びスイッチ
ング素子121cがオン・オフするタイミング、及び映像信号入力線120に入力される
信号を示している。
The operation of the
図7で示すように、第1のサブ選択期間T1においてスイッチング素子121aがオンと
なり、スイッチング素子121b及びスイッチング素子121cがオフとなる。このとき
映像信号入力線120に入力される映像信号VD(1)が、スイッチング素子121aを
介して信号線116(S1)に出力される。第2のサブ選択期間T2では、スイッチング
素子121bがオン、スイッチング素子121a及びスイッチング素子121cがオフと
なり、映像信号VD(2)が、スイッチング素子121bを介して信号線116(S2)
に出力される。第3のサブ選択期間T3では、スイッチング素子121cがオン、スイッ
チング素子121a及びスイッチング素子121bがオフとなり、映像信号VD(3)が
、スイッチング素子121cを介して信号線116(S3)に出力される。
As shown in FIG. 7, in the first sub-selection period T1, the
Is output. In the third sub-selection period T3, the switching
このように、図6のセレクタ回路112は、1ゲート選択期間を3つに分割することで1
ゲート選択期間中に一つの映像信号入力線120からS1〜S3の3つの信号線116に
映像信号を入力することができる。したがって、画素トランジスタ117と共にセレクタ
回路112を基板101に設けることで、ドライバICの信号を入力する入力端子113
の数を、セレクタ回路112を設けない場合に比べて1/3に減らすことができる。それ
によりドライバICと入力端子113との間における接触不良の発生頻度を低減すること
ができる。
As described above, the
During the gate selection period, a video signal can be input from one video
As compared with the case where the
走査線駆動回路111も酸化物半導体層にチャネル形成領域が設けられる薄膜トランジス
タによって構成することができる。走査線駆動回路111においてシフトレジスタは一構
成要素として含まれる。シフトレジスタにクロック信号(CLK)及びスタートパルス信
号(SP)が入力されることによって選択信号が生成される。生成された選択信号はバッ
ファにおいて緩衝増幅され、対応する走査線115に供給される。一本の走査線115に
は、1ライン分の画素トランジスタ117のゲート電極が接続されている。ここで、走査
線駆動回路111の一部に用いるシフトレジスタ123の一形態について図8及び図9を
用いて説明する。
The scan
図8にシフトレジスタ123の構成を示す。シフトレジスタ123はフリップフロップ回
路124を複数段連結して構成されている。フリップフロップ回路124の一例を図9に
示す。図9に示すフリップフロップ回路124は複数の薄膜トランジスタ(以下、図9の
説明において「TFT」と記す)によって構成されている。図9で示すフリップフロップ
回路124はnチャネル型のTFTで構成されており、TFT(1)125、TFT(2
)126、TFT(3)127、TFT(4)128、TFT(5)129、TFT(6
)130、TFT(7)131及びTFT(8)132によって回路が構成されている。
nチャネル型のTFTはゲート・ソース間電圧(Vgs)がしきい値電圧(Vth)を上
回ったとき導通状態になるものとする。
FIG. 8 shows the configuration of the
) 126, TFT (3) 127, TFT (4) 128, TFT (5) 129, TFT (6)
) 130, TFT (7) 131 and TFT (8) 132 constitute a circuit.
The n-channel TFT is assumed to be in a conductive state when the gate-source voltage (Vgs) exceeds the threshold voltage (Vth).
図9で示すフリップフロップ回路124において、全てのTFTは、エンハンスメント型
のnチャネル型トランジスタとして説明するが、例えば、TFT(3)127はデプレッ
ション型のnチャネル型トランジスタを用いても駆動回路を駆動させることもできる。
In the flip-
TFT(1)125の第1の電極(ソース電極又はドレイン電極の一方)が配線(4)1
36に接続され、TFT(1)125の第2の電極(ソース電極又はドレイン電極の他方
)が配線(3)135に接続される。
The first electrode (one of the source electrode and the drain electrode) of the TFT (1) 125 is the wiring (4) 1
36, the second electrode (the other of the source electrode and the drain electrode) of the TFT (1) 125 is connected to the wiring (3) 135.
TFT(2)126の第1の電極が配線(6)138に接続され、TFT(2)126の
第2の電極が配線(3)135に接続される。
A first electrode of the TFT (2) 126 is connected to the wiring (6) 138, and a second electrode of the TFT (2) 126 is connected to the wiring (3) 135.
TFT(3)127の第1の電極が配線(5)137に接続され、TFT(3)127の
第2の電極がTFT(2)126のゲート電極に接続され、TFT(3)127のゲート
電極が配線(5)137に接続される。
The first electrode of the TFT (3) 127 is connected to the wiring (5) 137, the second electrode of the TFT (3) 127 is connected to the gate electrode of the TFT (2) 126, and the gate of the TFT (3) 127 The electrode is connected to the wiring (5) 137.
TFT(4)128の第1の電極が配線(6)138に接続され、TFT(4)128の
第2の電極がTFT(2)126のゲート電極に接続され、TFT(4)128のゲート
電極がTFT(1)125のゲート電極に接続される。
The first electrode of the TFT (4) 128 is connected to the wiring (6) 138, the second electrode of the TFT (4) 128 is connected to the gate electrode of the TFT (2) 126, and the gate of the TFT (4) 128 The electrode is connected to the gate electrode of the TFT (1) 125.
TFT(5)129の第1の電極が配線(5)137に接続され、TFT(5)129の
第2の電極がTFT(1)125のゲート電極に接続され、TFT(5)129のゲート
電極が配線(1)133に接続される。
The first electrode of the TFT (5) 129 is connected to the wiring (5) 137, the second electrode of the TFT (5) 129 is connected to the gate electrode of the TFT (1) 125, and the gate of the TFT (5) 129 The electrode is connected to the wiring (1) 133.
TFT(6)130の第1の電極が配線(6)138に接続され、TFT(6)130の
第2の電極がTFT(1)125のゲート電極に接続され、TFT(6)130のゲート
電極がTFT(2)126のゲート電極に接続される。
The first electrode of the TFT (6) 130 is connected to the wiring (6) 138, the second electrode of the TFT (6) 130 is connected to the gate electrode of the TFT (1) 125, and the gate of the TFT (6) 130 The electrode is connected to the gate electrode of the TFT (2) 126.
TFT(7)131の第1の電極が配線(6)138に接続され、TFT(7)131の
第2の電極がTFT(1)125のゲート電極に接続され、TFT(7)131のゲート
電極が配線(2)134に接続される。TFT(8)132の第1の電極が配線(6)1
38に接続され、TFT(8)132の第2の電極がTFT(2)126のゲート電極に
接続され、TFT(8)132のゲート電極が配線(1)133に接続される。
The first electrode of the TFT (7) 131 is connected to the wiring (6) 138, the second electrode of the TFT (7) 131 is connected to the gate electrode of the TFT (1) 125, and the gate of the TFT (7) 131 is connected. The electrode is connected to the wiring (2) 134. The first electrode of the TFT (8) 132 is the wiring (6) 1
38, the second electrode of the TFT (8) 132 is connected to the gate electrode of the TFT (2) 126, and the gate electrode of the TFT (8) 132 is connected to the wiring (1) 133.
酸化物半導体層にチャネル形成領域が設けられる薄膜トランジスタは、電界効果移動度が
大きいため動作周波数を高くすることが可能である。また、薄膜トランジスタの周波数特
性が高いため、走査線駆動回路111を高速で動作させることが可能であり、フレーム周
波数を高くして表示装置を動作させることができる。
A thin film transistor in which a channel formation region is provided in the oxide semiconductor layer has high field-effect mobility, so that the operating frequency can be increased. Further, since the thin film transistor has high frequency characteristics, the scan
図5において、画素部110の構成は表示媒体118によって構成が変わってくる。電極
間に液晶材料が介在する液晶素子を表示媒体118とする場合には、図5で示すように画
素トランジスタ117によって該表示媒体118を制御することができる。一対の電極間
にコントラスト媒体(電子インク、電気泳動材料)を挟んだ表示媒体118の場合も同様
である。これらの表示媒体118によって構成される画素部110は、上記の駆動回路と
組み合わせることにより動作させることができる。
In FIG. 5, the configuration of the
表示媒体118として、エレクトロルミネセンス材料を用いて構成される発光素子を適用
する場合には、液晶素子などに比べて応答速度が高いので、液晶素子よりも時間階調法に
適している。例えば、時間階調法で表示を行う場合、1フレーム期間を複数のサブフレー
ム期間に分割する。そしてビデオ信号に従い、各サブフレーム期間において発光素子を発
光又は非発光の状態にする。複数のサブフレーム期間に分割することによって、1フレー
ム期間中に画素が実際に発光する期間のトータルの長さを、ビデオ信号により制御するこ
とができ、階調を表示することができる。
In the case where a light-emitting element formed using an electroluminescent material is used as the
画素部110を発光素子によって構成するときの画素の一例を図10に示す。図10は、
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成について示す。ここでは酸化物半導体層を
チャネル形成領域に用いるnチャネル型の薄膜トランジスタを一つの画素に二つ用いる例
を示す。
An example of a pixel when the
A structure of a pixel to which digital time gray scale driving can be applied will be described. Here, an example is shown in which two n-channel thin film transistors each using an oxide semiconductor layer for a channel formation region are used for one pixel.
画素139は、スイッチング用TFT140、駆動用TFT141、発光素子142及び
容量素子145を有している。スイッチング用TFT140はゲートが走査線115に接
続され、第1電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)が信号線116に接続され、第
2電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)が駆動用TFT141のゲートに接続され
ている。駆動用TFT141は、ゲートが容量素子145を介して電源線146に接続さ
れ、第1電極が電源線146に接続され、第2電極が発光素子142の第1電極(画素電
極)143に接続されている。発光素子142の第2電極(対向電極)144は共通電位
線147に接続されている。
The
発光素子142の第2電極(対向電極)144には低電源電位が設定されている。なお、
低電源電位とは、電源線146に設定される高電源電位を基準にして低電源電位<高電源
電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばGND、0Vなどが設定されていて
も良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子142に印加して、発光素子
142に電流を流して発光素子142を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電
位差が発光素子142の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する
。
A low power supply potential is set for the second electrode (counter electrode) 144 of the
The low power supply potential is a potential satisfying the low power supply potential <the high power supply potential with reference to the high power supply potential set in the
電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用TFT141のゲートには、駆動用TFT14
1が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つ
まり、駆動用TFT141は線形領域で動作させる。駆動用TFT141は線形領域で動
作させるため、電源線146の電圧よりも高い電圧を駆動用TFT141のゲートにかけ
る。なお、信号線116には、(電源線電圧+駆動用TFT141のしきい値電圧)以上
の電圧を印加する。
In the case of the voltage input voltage driving method, the driving
A video signal is input so that 1 is sufficiently on or off. That is, the driving
図10で示す画素の構成は、デジタル時間階調駆動に代えてアナログ階調駆動を行うこと
も可能である。アナログ階調駆動を行う場合、駆動用TFT141のゲートに発光素子1
42の順方向電圧+駆動用TFT141のしきい値電圧以上の電圧を印加する。発光素子
142の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向
しきい値電圧を含む。なお、駆動用TFT141が飽和領域で動作するようなビデオ信号
を入力することで、発光素子142に電流を流すことができる。駆動用TFT141を飽
和領域で動作させるため、電源線146の電位は、駆動用TFT141のゲート電位より
も高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子142にビデオ信号に応じた
電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
The pixel configuration shown in FIG. 10 can perform analog gradation driving instead of digital time gradation driving. When analog gradation driving is performed, the
A voltage equal to or higher than the forward voltage of 42 + the threshold voltage of the driving
図10では、発光素子142の駆動を制御する駆動用TFT141と発光素子が電気的に
接続されている例を示したが、駆動用TFT141と発光素子142との間に電流制御用
TFTが接続されている構成であっても良い。
FIG. 10 shows an example in which the driving
図5で示す表示装置109は、信号線116を選択するセレクタ回路112を設ける例を
示しているが、酸化物半導体層をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタの電界効果移
動度として10cm/V・sec以上が得られる場合には、ドライバIC114の機能を
該薄膜トランジスタで実現することもできる。すなわち、基板101上に酸化物半導体層
をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタによって、走査線駆動回路と信号線駆動回路
を形成することができる。
The
(発光装置)
表示装置の一態様として、発光装置の画素の構成について図11及び図12(A)、(B
)を参照して説明する。ここで図11は画素の平面図の一例であり、図12(A)はC1
−D1切断線に対応した断面、図12(B)はC2−D2切断線に対応した断面図を示す
。以下の説明では、図11及び図12(A)、(B)を参照する。なお、図11で示す画
素の等価回路は図10と同様である。
(Light emitting device)
As an embodiment of the display device, the pixel structure of the light-emitting device is described with reference to FIGS.
) Will be described. Here, FIG. 11 is an example of a plan view of a pixel, and FIG.
FIG. 12B shows a cross-sectional view corresponding to the C2-D2 cut line. In the following description, FIG. 11 and FIGS. 12A and 12B are referred to. Note that an equivalent circuit of the pixel shown in FIG. 11 is the same as FIG.
スイッチング用TFT140のチャネル形成領域は、酸化物半導体層153に形成される
。酸化物半導体層153は本形態で示すものと同等なものである。スイッチング用TFT
140は、走査線115と同じ層で形成されるゲート電極148を有し、ゲート絶縁層1
52上に酸化物半導体層153が設けられている。酸化物半導体層153は、ゲート絶縁
層152上に信号線116と同じ層で形成されるソース/ドレイン電極155及びソース
/ドレイン電極156と接触している。ソース/ドレイン電極156は、ゲート絶縁層1
52に設けられたコンタクトホール159によって、駆動用TFT141のゲート電極1
49と接続している。
A channel formation region of the switching
140 includes a
An
The
49.
なお、ソース/ドレイン電極とは、ソース、ドレイン及びゲートを主な要素として構成さ
れる薄膜トランジスタにおいて、ソース又はドレインとして機能する部位に設けられる電
極をいう。
Note that a source / drain electrode refers to an electrode provided in a portion functioning as a source or a drain in a thin film transistor mainly including a source, a drain, and a gate.
信号線116、ソース/ドレイン電極155及びソース/ドレイン電極156は、Al膜
又は、Si、Ti、Nd、Sc若しくはCu等の金属が添加されたAl膜で形成されてい
ることが好ましい。配線又は電極の抵抗を低くするためである。前記Al膜の上層側及び
/又は下層側にはMo、Cr、Tiに代表される高融点金属の層が設けられていることが
好ましい。Al膜にヒロックやウィスカーが生じてしまうことを防ぐためである。
The
ゲート電極149は、容量素子145の容量電極150を兼ねている。容量素子145は
容量電極150、ゲート絶縁層152及び電源線146と同じ層で形成される容量電極1
51が積層されることによって形成されている。
The
51 is formed by laminating.
駆動用TFT141のゲート電極149は、走査線115と同じ層で形成され、ゲート絶
縁層152上に酸化物半導体層154が設けられている。酸化物半導体層154は、ゲー
ト絶縁層152上に電源線146と同じ層で形成されるソース/ドレイン電極157及び
ソース/ドレイン電極158と接触している。
The
酸化物半導体層153及び酸化物半導体層154には酸化物絶縁層107が設けられてい
る。第1電極(画素電極)143は酸化物絶縁層107上に設けられている。第1電極(
画素電極)143とソース/ドレイン電極158は、酸化物絶縁層107に設けられたコ
ンタクトホール160によって接続されている。第1電極(画素電極)143を開口する
隔壁層161は無機絶縁材料又は有機絶縁材料によって形成されている。隔壁層161の
開口部の端は勾配がなだらかな曲面状に形成されている。
An
The
発光素子142は、第1電極(画素電極)143と第2電極(対向電極)144の間にE
L層162が設けられた構成を有している。第1電極(画素電極)143と第2電極(対
向電極)144の一方をホール注入用の電極、他方を電子注入用の電極とする。ホール注
入用の電極は、仕事関数が4eV以上の材料で形成することが好ましく、酸化タングステ
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等の材料を用いる。電
子注入用の電極は仕事関数が4eV未満の材料で形成することが好ましく、Ca、Al、
CaF、MgAg、AlLi等が望ましいEL層162は、エレクトロルミネッセンスに
よる発光を得るための層であり、キャリア(ホール又は電子)を輸送する層及び発光層を
適宜組み合わせて構成される。
The
The
A material such as indium zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added is used. The electrode for electron injection is preferably formed of a material having a work function of less than 4 eV, Ca, Al,
The
図13は発光装置の入力端子113の構成を示す。図13(A)は入力端子113の平面
図を示す。入力端子113は基板101の端部に設けられている。図13(A)に示すG
−H切断線に対応する断面図を図14(A)又は図13(C)で示す。
FIG. 13 shows a configuration of the
A cross-sectional view corresponding to the −H cut line is shown in FIG.
図13(B)は入力端子層170を走査線115と同じ層で形成する例を示す。入力端子
層170の上層側にはゲート絶縁層152、酸化物絶縁層107が積層されるが、これら
の絶縁層に開口部173設けることにより入力端子層170が絶縁層から露出するように
形成されている。開口部173を覆い入力端子層170と接触する透明導電膜172が設
けられている。透明導電膜172は、フレキシブルプリント配線と入力端子113を接続
するときに接触抵抗が高くならないようにするために設けられている。金属で形成される
入力端子層170の表面が酸化すると接触抵抗が増大してしまうが、酸化物導電材料であ
る透明導電膜172を設けておけば接触抵抗の増大を防ぐことができる。
FIG. 13B shows an example in which the
図13(C)は入力端子層171を信号線116と同じ層で形成する例を示す。入力端子
層171の上層側には酸化物絶縁層107が設けられるが、この絶縁層に開口部173設
けることにより入力端子層171が絶縁層から露出するように形成されている。透明導電
膜172は上記と同じ理由で設けられている。
FIG. 13C illustrates an example in which the
(コントラスト媒体表示装置)
図14(A)はコントラスト媒体163を用いた表示装置(「電子ペーパー」とも呼ばれ
る)の一態様を示す。コントラスト媒体163は充填材164とともに第1電極(画素電
極)143と第2電極(対向電極)144の間に保持されており、両電極間に電位差を与
えるとコントラストが変化するものである。第2電極(対向電極)144は対向基板16
5に設けられている。
(Contrast medium display device)
FIG. 14A illustrates one mode of a display device (also referred to as “electronic paper”) using a
5 is provided.
例えば、ツイストボール表示方式として、白と黒に塗り分けられた球形粒子を第1電極(
画素電極)143と第2電極(対向電極)144の間に配置し、両電極間に電位差を生じ
させての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方式がある。
For example, as a twisting ball display method, spherical particles separately painted in white and black are used as the first electrode (
There is a system in which display is performed by controlling the direction of spherical particles which are arranged between a pixel electrode) 143 and a second electrode (counter electrode) 144 and cause a potential difference between the two electrodes.
また、ツイストボールの代わりに電気泳動素子を用いることも可能である。透明な充填材
164と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径10μm
〜200μm程度のマイクロカプセルを用いる。第1電極(画素電極)143と第2電極
(対向電極)144の間に該マイクロカプセルを挟み、両電極間の電位差によって正に帯
電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子をそれぞれ別の方向に移動させる。この原理
を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーと呼ばれている。
電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要であり
、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また、表
示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能である
ため、電波発信源から表示機能付き半導体装置(単に表示装置、又は表示装置を具備する
半導体装置ともいう)を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくことが可
能となる。
In addition, an electrophoretic element can be used instead of the twisting ball. A diameter of 10 μm enclosing
A microcapsule of about 200 μm is used. The microcapsule is sandwiched between the first electrode (pixel electrode) 143 and the second electrode (counter electrode) 144, and the white particles positively charged and the black particles negatively charged by the potential difference between the two electrodes are in different directions. Move to. A display element to which this principle is applied is an electrophoretic display element, and is generally called electronic paper.
Since the electrophoretic display element has higher reflectance than the liquid crystal display element, an auxiliary light is unnecessary, power consumption is small, and the display portion can be recognized even in a dim place. Further, even when power is not supplied to the display portion, an image once displayed can be held; therefore, a semiconductor device with a display function from a radio wave source (simply a display device or a semiconductor having a display device) Even when the device is also moved away, the displayed image can be stored.
(液晶表示装置)
表示装置の一態様として、液晶表示装置の画素の構成について図15及び図16を参照し
て説明する。ここで図15は画素の平面図の一例であり、図16はE1−F1切断線に対
応した断面を示す。以下の説明では、図15及び図16を参照する。
(Liquid crystal display device)
As an embodiment of the display device, a structure of a pixel of the liquid crystal display device will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 15 is an example of a plan view of the pixel, and FIG. 16 shows a cross section corresponding to the E1-F1 cutting line. In the following description, reference is made to FIGS.
図15及び図16で示す液晶表示装置の画素は、走査線115及び信号線116と接続す
るスイッチング用TFT140を有している。スイッチング用TFT140のソース/ド
レイン電極155は信号線116に接続し、ソース/ドレイン電極156は、酸化物絶縁
層107に設けられたコンタクトホール167を介して第1電極(画素電極)143と接
続している。容量素子145はゲート電極102と同じ層で形成される容量線166、ゲ
ート絶縁層103及びソース/ドレイン電極156の積層構造によって形成されている。
スイッチング用TFT140は、第1電極(画素電極)143に与える信号のオン・オフ
を制御する。スイッチング用TFT140の構成は図12(A)で説明するものと同様で
ある。
The pixel of the liquid crystal display device illustrated in FIGS. 15 and 16 includes a switching
The switching
液晶層169は第1電極(画素電極)143と第2電極(対向電極)144の間に設けら
れている。第1電極(画素電極)143は、酸化物絶縁層107上に設けられている。第
1電極(画素電極)143及び第2電極(対向電極)144上には配向膜168が設けら
れている。
The
上記のように、本形態に係る酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成される薄膜トラン
ジスタによって、動作特性に優れる表示装置を完成させることができる。
As described above, a thin film transistor in which a channel formation region is formed in the oxide semiconductor layer according to this embodiment can complete a display device with excellent operating characteristics.
(酸化物半導体層の組成)
スパッタリング法により、以下に示す条件で酸化物半導体層をガラス基板上に作製した。
(条件1)
ターゲット組成:In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1
(In:Ga:Zn=1:1:0.5)
Arガス流量:40sccm
圧力:0.4Pa
電力(DC):500W
基板温度:室温
(条件2)
ターゲット組成:In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1
(In:Ga:Zn=1:1:0.5)
Arガス流量:10sccm
酸素ガス流量:5sccm
圧力:0.4Pa
電力(DC):500W
基板温度:室温
(Composition of oxide semiconductor layer)
An oxide semiconductor layer was formed over a glass substrate by a sputtering method under the following conditions.
(Condition 1)
Target composition: In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1
(In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5)
Ar gas flow rate: 40sccm
Pressure: 0.4Pa
Power (DC): 500W
Substrate temperature: Room temperature (Condition 2)
Target composition: In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1
(In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5)
Ar gas flow rate: 10 sccm
Oxygen gas flow rate: 5 sccm
Pressure: 0.4Pa
Power (DC): 500W
Substrate temperature: room temperature
条件1で作製された酸化物半導体層を誘導結合プラズマ質量分析(Inductivel
y Coupled Plasma Mass Spectrometer:ICP−M
S分析)により評価した。代表的な測定例を表1に示す。条件1で得られる酸化物半導体
膜は、InGa0.95Zn0.41O3.33である。また、条件2で得られる酸化物
半導体膜は、InGa0.94Zn0.40O3.31である。
The oxide semiconductor layer manufactured under
y Coupled Plasma Mass Spectrometer: ICP-M
S analysis). A typical measurement example is shown in Table 1. The oxide semiconductor film obtained under
このように、ICP−MS分析によってInMO3(ZnO)mにおけるmが整数でない
ことが確認できる。また、組成比からZnの濃度がIn及びGaの各元素の濃度よりも少
ないことが確認される。
Thus, it can be confirmed that m in InMO 3 (ZnO) m is not an integer by ICP-MS analysis. Further, it is confirmed from the composition ratio that the concentration of Zn is lower than the concentration of each element of In and Ga.
(酸化物半導体層の構造)
上記、条件2で、ガラス基板上に400nmの厚さで作製された酸化物半導体層の構造を
X線回折によって評価した。
(Structure of oxide semiconductor layer)
Under the
図17は、条件2で作製されたままの試料(as−depo)、成膜後に窒素雰囲気で3
50℃、1時間の熱処理を行った試料、成膜後に窒素雰囲気で500℃、1時間の熱処理
を行った試料のX線回折パターンを示す。いずれの試料もハローパターンが観測され、ア
モルファス構造であることが確認されている。
FIG. 17 shows a sample (as-depo) as fabricated under
2 shows an X-ray diffraction pattern of a sample heat-treated at 50 ° C. for 1 hour and a sample heat-treated at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after film formation. A halo pattern was observed in all samples, and it was confirmed that the samples had an amorphous structure.
なお、ターゲットの組成として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2の試料に
ついても調べたが、X線回折法による評価結果は同様の傾向を示し、本実施例で作製され
る酸化物半導体層がアモルファス構造であることが確認されている。
As the composition of the target, In 2 O 3: Ga 2 O 3: ZnO = 1: 1: was also examined 2 samples, evaluation by X-ray diffraction results indicate a similar trend, in this embodiment It has been confirmed that the oxide semiconductor layer to be manufactured has an amorphous structure.
(薄膜トランジスタの特性)
図18に薄膜トランジスタのゲート電圧(Vg)対ドレイン電流(Id)の特性を示す。
薄膜トランジスタの構造は図2で示すボトムゲート型の構造であり、チャネル長100μ
m、チャネル幅100μmである。酸化物半導体層は上記の条件2で作製されている。電
界効果移動度として15cm2/V・sec以上、1×10−11A以下のオフ電流、オ
ン電流とオフ電流の比(オン・オフ比)で108以上が得られている。このように、本実
施例では、従来にないオン・オフ比の高い薄膜トランジスタが得られている。
(Characteristics of thin film transistors)
FIG. 18 shows characteristics of gate voltage (Vg) versus drain current (Id) of the thin film transistor.
The structure of the thin film transistor is the bottom gate type structure shown in FIG.
m, and the channel width is 100 μm. The oxide semiconductor layer is manufactured under the
101 基板
102 ゲート電極
103 ゲート絶縁層
104 ソース電極
105 ドレイン電極
106 酸化物半導体層
107 酸化物絶縁層
108 窒化物絶縁層
109 表示装置
110 画素部
111 走査線駆動回路
112 セレクタ回路
113 入力端子
114 ドライバIC
115 走査線
116 信号線
117 画素トランジスタ
118 表示媒体
119 スイッチ回路
120 映像信号入力線
121 スイッチング素子
121a スイッチング素子
121b スイッチング素子
121c スイッチング素子
122 同期信号入力線
123 シフトレジスタ
124 フリップフロップ回路
125 TFT(1)
126 TFT(2)
127 TFT(3)
128 TFT(4)
129 TFT(5)
130 TFT(6)
131 TFT(7)
132 TFT(8)
133 配線(1)
134 配線(2)
135 配線(3)
136 配線(4)
137 配線(5)
138 配線(6)
139 画素
140 スイッチング用TFT
141 駆動用TFT
142 発光素子
143 第1電極(画素電極)
144 第2電極(対向電極)
145 容量素子
146 電源線
147 共通電位線
148 ゲート電極
149 ゲート電極
150 容量電極
151 容量電極
152 ゲート絶縁層
153 酸化物半導体層
154 酸化物半導体層
155 ソース/ドレイン電極
156 ソース/ドレイン電極
157 ソース/ドレイン電極
158 ソース/ドレイン電極
159 コンタクトホール
160 コンタクトホール
161 隔壁層
162 EL層
163 コントラスト媒体
164 充填材
165 対向基板
166 容量線
167 コンタクトホール
168 配向膜
169 液晶層
170 入力端子層
171 入力端子層
172 透明導電膜
173 開口部
DESCRIPTION OF
115
126 TFT (2)
127 TFT (3)
128 TFT (4)
129 TFT (5)
130 TFT (6)
131 TFT (7)
132 TFT (8)
133 Wiring (1)
134 Wiring (2)
135 Wiring (3)
136 Wiring (4)
137 Wiring (5)
138 Wiring (6)
139
141 Driving TFT
142 Light-Emitting
144 Second electrode (counter electrode)
145
Claims (3)
第2のトランジスタのゲート電極となる領域を有する第2の導電層と、
前記第1のトランジスタのチャネル形成領域を有する第1の酸化物半導体層と、
前記第2のトランジスタのチャネル形成領域を有する第2の酸化物半導体層と、
前記第1のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方となる領域を有する第3の導電層と、
前記第1のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方となる領域を有する第4の導電層と、
前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方となる領域を有する第5の導電層と、
前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方となる領域を有する第6の導電層と、
発光素子と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第4の導電層と電気的に接続され、
前記第6の導電層は、前記発光素子の第1の電極と電気的に接続されることを特徴とする発光装置。 A first conductive layer having a region to be a gate electrode of the first transistor;
A second conductive layer having a region to be a gate electrode of the second transistor;
A first oxide semiconductor layer having a channel formation region of the first transistor;
A second oxide semiconductor layer having a channel formation region of the second transistor;
A third conductive layer having a region to be one of a source electrode and a drain electrode of the first transistor;
A fourth conductive layer having a region to be the other of the source electrode and the drain electrode of the first transistor;
A fifth conductive layer having a region to be one of a source electrode and a drain electrode of the second transistor;
A sixth conductive layer having a region to be the other of the source electrode and the drain electrode of the second transistor;
A light emitting element,
The second conductive layer is electrically connected to the fourth conductive layer;
The light emitting device, wherein the sixth conductive layer is electrically connected to the first electrode of the light emitting element.
前記第1の酸化物半導体層又は前記第2の酸化物半導体層は、In、M(MはGa、Fe、Ni、Mn、Co又はAlのいずれか一)、及びZnを含むことを特徴とする発光装置。 In claim 1,
The first oxide semiconductor layer or the second oxide semiconductor layer contains In, M (M is any one of Ga, Fe, Ni, Mn, Co, or Al), and Zn. Light-emitting device.
前記第1のトランジスタのオフ電流又は前記第2のトランジスタのオフ電流は、1×10−11A以下であり、
前記第1のトランジスタの電界効果移動度又は前記第2のトランジスタの電界効果移動度は、15cm2/V・sec以上であることを特徴とする発光装置。 In claim 1 or claim 2,
The off current of the first transistor or the off current of the second transistor is 1 × 10 −11 A or less,
The light-emitting device is characterized in that the field-effect mobility of the first transistor or the field-effect mobility of the second transistor is 15 cm 2 / V · sec or more.
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