JP2014099430A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which uses an oxide semiconductor layer and has less variation in electric characteristics; and provide a fine semiconductor device capable of high-speed drive and a high-speed operation, which is highly reliable and exhibits stable electric characteristics; and manufacture the semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a multilayer film including an oxide semiconductor layer and an oxide layer which enwraps the oxide semiconductor layer: a laminate of a gate insulation film on the multilayer film and a gate electrode; a source electrode and a drain electrode; and a protective insulation film on the multilayer film, the gate insulation film, the gate electrode, the source electrode and the drain electrode. The multilayer film has a cross section with ends each having curvature.

Description

半導体装置および半導体装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。 Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

半導体薄膜を用いてトランジスタ(薄膜トランジスタ(TFTともいう。))を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置のような電子デバイスに広く応用されている。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広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 A technique for forming a transistor (also referred to as a thin film transistor (TFT)) using a semiconductor thin film has attracted attention. The transistor is widely applied to an electronic device such as an integrated circuit (IC) or an image display device. A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、トランジスタのチャネル形成領域として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照)。 For example, a transistor using an amorphous oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) is disclosed as a channel formation region of the transistor (see Patent Document 1).

また、酸化物半導体は製造プロセス中において酸素が脱離し、酸素欠損を形成することが知られている(特許文献2参照)。 In addition, it is known that an oxide semiconductor loses oxygen during a manufacturing process and forms an oxygen vacancy (see Patent Document 2).

特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A 特開2011−222767号公報JP 2011-222767 A

製造プロセス中における、酸素脱離または酸素欠損は特に酸化物半導体層の側面において生じやすい。酸化物半導体層の側面に酸素欠損が生じると、側面が低抵抗化され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動し、しきい値電圧のばらつきが増大するといった問題が生じる。また、しきい値電圧が変動することで、ソースドレイン間に意図しない電流が流れ、トランジスタのオフ電流が増大し、トランジスタの電気特性が劣化する。 During the manufacturing process, oxygen desorption or oxygen vacancies are particularly likely to occur on the side surfaces of the oxide semiconductor layer. When oxygen vacancies occur in the side surface of the oxide semiconductor layer, the resistance of the side surface is reduced, the apparent threshold voltage of the transistor fluctuates, and variations in threshold voltage increase. In addition, when the threshold voltage fluctuates, an unintended current flows between the source and drain, the off-state current of the transistor increases, and the electrical characteristics of the transistor deteriorate.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいても、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、低価格化などを達成するためには、トランジスタの微細化を図ることは重要である。 Further, in a transistor including an oxide semiconductor, it is important to reduce the size of the transistor in order to achieve high-speed operation of the transistor, low power consumption, low price, and the like.

しかし、微細化を図ることにより、製造プロセス中に生じる酸素欠損等の影響が大きくなり、トランジスタのオフ電流の増大や、しきい値電圧のばらつきの増大などトランジスタの電気特性劣化の原因となる。 However, miniaturization increases the influence of oxygen vacancies and the like generated during the manufacturing process, which causes deterioration of transistor electrical characteristics such as an increase in off-state current and variation in threshold voltage.

このような問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体層を用いた半導体装置において、電気特性のばらつきの小さい半導体装置を提供することを目的の一とする。また、高速駆動、高速動作の可能な微細な半導体装置において、信頼性が高く安定した電気特性を示す半導体装置を提供することを目的の一とする。また、安定した電気特性を有する半導体装置を提供することを目的の一とする。また、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一とする。また、消費電力の小さい半導体装置を提供することを目的の一とする。また、形状不良の少ない半導体装置を提供することを目的の一とする。また、該半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。また、生産性高く半導体装置を作製する方法を提供することを目的の一とする。また、歩留まり高く半導体装置を作製する方法を提供することを目的の一とする。 In view of such a problem, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device in which variation in electric characteristics is small in a semiconductor device including an oxide semiconductor layer. It is another object of the present invention to provide a highly reliable and stable semiconductor device that can be driven at high speed and operated at high speed. Another object is to provide a semiconductor device having stable electrical characteristics. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object is to provide a semiconductor device with few shape defects. Another object is to provide a method for manufacturing the semiconductor device. Another object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device with high productivity. Another object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device with high yield.

本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体層、および酸化物半導体層を包む酸化物層を含む多層膜と、該多層膜上のゲート絶縁膜及びゲート電極の積層と、ソース電極およびドレイン電極と、多層膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極上の保護絶縁膜と、を有し、該多層膜は一断面において、端部が曲率を有する半導体装置である。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes an oxide semiconductor layer, a multilayer film including an oxide layer surrounding the oxide semiconductor layer, a stack of a gate insulating film and a gate electrode over the multilayer film, a source electrode, and a drain The semiconductor device includes an electrode and a protective film over the multilayer film, the gate insulating film, the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, and the multilayer film has a curvature at one end in one cross section.

酸化物半導体層および酸化物層は少なくともインジウムを含み、酸化物層は酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高い。代表的には、酸化物半導体層および酸化物層としては、インジウム、亜鉛および元素Mを含む酸化物を用いればよい。さらに、酸化物層の元素Mの含有割合は酸化物半導体層よりも高いとよい。 The oxide semiconductor layer and the oxide layer contain at least indium, the oxide layer has a larger energy gap than the oxide semiconductor layer, and the content ratio of indium in the oxide semiconductor layer is the content ratio of indium in the oxide layer. Higher than. Typically, an oxide containing indium, zinc, and the element M may be used as the oxide semiconductor layer and the oxide layer. Further, the content ratio of the element M in the oxide layer is preferably higher than that in the oxide semiconductor layer.

元素Mとしては、ガリウム、アルミニウム、シリコン、チタン、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウム等の含有割合が高い酸化物を用いるとよい。これらの元素は、酸素と強く結合し、酸素欠損の形成エネルギーが大きいため酸素欠損が生じにくい。そのため、これらの元素を高い原子数比で有する酸化物層は、酸素欠損が生じにくく安定した特性を備える酸化物層である。したがって、酸化物半導体層の表面を酸化物層によって包むことで、酸化物半導体層の端部において酸素欠損が形成されにくく、安定した特性を有する半導体装置とすることができる。 As the element M, an oxide having a high content ratio such as gallium, aluminum, silicon, titanium, germanium, yttrium, zirconium, tin, lanthanum, cerium, or hafnium is preferably used. These elements are strongly bonded to oxygen and have high oxygen deficiency formation energy, so that oxygen deficiency is unlikely to occur. Therefore, an oxide layer having these elements at a high atomic ratio is an oxide layer that has stable characteristics in which oxygen vacancies are less likely to occur. Therefore, by wrapping the surface of the oxide semiconductor layer with the oxide layer, oxygen vacancies are hardly formed at the end portion of the oxide semiconductor layer, and a semiconductor device having stable characteristics can be obtained.

また、多層膜の一断面において、端部が曲率を有することで、多層膜上に形成される膜の被覆性を向上させることができる。このようにすることによって、多層膜上に形成された膜を均一に形成することができ、膜密度の低い領域や、膜が形成されていない領域から多層膜中に不純物元素が入り込み、半導体装置の特性を劣化させることを抑制し、安定した特性の半導体装置とすることができる。なお、特に多層膜の端部全体、下端部、または下端部および上端部に曲面を有するとよい。 Moreover, in one cross section of the multilayer film, the end portion has a curvature, so that the coverage of the film formed on the multilayer film can be improved. By doing so, a film formed over the multilayer film can be formed uniformly, and an impurity element enters the multilayer film from a region having a low film density or a region where no film is formed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the semiconductor device and to obtain a semiconductor device with stable characteristics. Note that it is particularly preferable that the entire end portion, the lower end portion, or the lower end portion and the upper end portion of the multilayer film have curved surfaces.

また、酸化物層は酸化物半導体層の下の第1の酸化物層と、酸化物半導体層上の第2の酸化物層と、酸化物半導体層の側面を覆う第3の酸化物層とを含む構成としてもよい。また、酸化物半導体層表面と酸化物層表面の間隔は、多層膜の上部よりも側部において広くてもよい。また、多層膜の膜厚が側面に有する曲面の曲率半径の50分の1以上50倍以下であってもよい。このような構成とすることによって、酸化物半導体層を包む酸化物層を用いた半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。 The oxide layer includes a first oxide layer below the oxide semiconductor layer, a second oxide layer on the oxide semiconductor layer, and a third oxide layer covering a side surface of the oxide semiconductor layer. It is good also as a structure containing. Further, the distance between the surface of the oxide semiconductor layer and the surface of the oxide layer may be wider at the side portion than at the upper portion of the multilayer film. Further, the thickness of the multilayer film may be 1/50 to 50 times the curvature radius of the curved surface on the side surface. With such a structure, a decrease in reliability of the semiconductor device including the oxide layer that wraps the oxide semiconductor layer can be suppressed.

また、多層膜の下に下地絶縁膜を有していてもよい。下地絶縁膜の多層膜と重畳する領域の膜厚は、他の領域よりも大きい。また、下地絶縁膜は、多層膜と重畳する第1の領域と、第1の領域を囲む第2の領域と、第2の領域を囲む第3の領域と、を含み、第2の領域の膜厚は第1の領域よりも小さく、第3の領域の膜厚は第2の領域よりも小さいとよい。下地絶縁膜がこのように、段差を有する形状(階段状ともいう。)となっていることで、下地絶縁膜および多層膜上に形成される膜の段差被覆性を向上し、半導体装置の形状不良等を抑制することができる。 Further, a base insulating film may be provided under the multilayer film. The film thickness of the region overlapping with the multilayer film of the base insulating film is larger than that of other regions. The base insulating film includes a first region overlapping with the multilayer film, a second region surrounding the first region, and a third region surrounding the second region. The film thickness is preferably smaller than that of the first region, and the film thickness of the third region is preferably smaller than that of the second region. Since the base insulating film has a stepped shape (also referred to as a step), the step coverage of the film formed over the base insulating film and the multilayer film is improved, and the shape of the semiconductor device is improved. Defects and the like can be suppressed.

また、保護絶縁膜は昇温脱離ガス分光分析において、水素、窒素の少なくとも一方を放出する窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層を含むとよい。このような絶縁層を設けることによって、保護絶縁膜と接する領域において多層膜のキャリア密度を高め、低抵抗化できる。当該領域が、トランジスタのソース電極、ドレイン電極間に設けられることにより、ソース電極、ドレイン電極間の抵抗が小さくなるため、トランジスタの電界効果移動度を高めることができる。 In addition, the protective insulating film preferably includes a silicon nitride layer or a silicon nitride oxide layer that releases at least one of hydrogen and nitrogen in thermal desorption gas spectroscopy. By providing such an insulating layer, the carrier density of the multilayer film can be increased and the resistance can be reduced in a region in contact with the protective insulating film. When the region is provided between the source electrode and the drain electrode of the transistor, resistance between the source electrode and the drain electrode is reduced, so that the field-effect mobility of the transistor can be increased.

また、本発明の別の一態様は、第1の酸化物膜と、酸化物半導体膜と、第2の酸化物膜と、を順に積層して形成し、第2の酸化物膜上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて、第2の酸化物膜および酸化物半導体膜に第1のエッチングを行い、島状の第2の酸化物層および酸化物半導体層を形成し、第1の酸化物膜に第2のエッチングを行うことで、島状の第1の酸化物層を形成するとともに、酸化物半導体層の側面に、第2のエッチング時の反応生成物を付着させ、酸化物半導体層の側面に第3の酸化物層を形成する半導体装置の作製方法である。 Another embodiment of the present invention is a method in which a first oxide film, an oxide semiconductor film, and a second oxide film are sequentially stacked, and a resist is formed over the second oxide film. A mask is formed, and using the resist mask, first etching is performed on the second oxide film and the oxide semiconductor film to form island-shaped second oxide layers and oxide semiconductor layers. By performing the second etching on the oxide film, an island-shaped first oxide layer is formed, and a reaction product during the second etching is attached to the side surface of the oxide semiconductor layer to oxidize the oxide film. This is a method for manufacturing a semiconductor device in which a third oxide layer is formed on a side surface of a physical semiconductor layer.

なお、レジストマスクを除去した後、酸化性ガス雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 Note that heat treatment may be performed in an oxidizing gas atmosphere after the resist mask is removed.

本発明の一態様によって、酸化物半導体層を用いた半導体装置の電気特性のばらつきを低減することができる。また、高速駆動、高速動作の可能な微細な半導体装置の信頼性を向上させ、安定した電気特性を示す半導体装置を提供することができる。また、該半導体装置を作製することができる。 According to one embodiment of the present invention, variation in electrical characteristics of a semiconductor device including an oxide semiconductor layer can be reduced. In addition, the reliability of a fine semiconductor device capable of high-speed driving and high-speed operation can be improved, and a semiconductor device exhibiting stable electrical characteristics can be provided. In addition, the semiconductor device can be manufactured.

本発明の一態様に係る多層膜の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 曲率半径を説明する図。The figure explaining a curvature radius. 本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer film formation mechanism according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer film formation mechanism according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer film formation mechanism according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer film formation mechanism according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer film formation mechanism according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物層、酸化物半導体層のパーティクル数を示す図。4A and 4B illustrate the number of particles in an oxide layer and an oxide semiconductor layer according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜のToF−SIMSの結果を示す図。FIG. 6 shows a ToF-SIMS result of a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜のバンド構造を説明する図。4A and 4B illustrate a band structure of a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜のバンド構造を説明する図。4A and 4B illustrate a band structure of a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜における酸素の拡散を示す図。FIG. 6 shows oxygen diffusion in a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜のCPM測定結果を示す図。FIG. 6 shows CPM measurement results of a multilayer film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る多層膜のTEMによる電子透過像。4 is an electron transmission image of a multilayer film according to one embodiment of the present invention by TEM. ターゲットからスパッタリング粒子を剥離させる様子を示した図。The figure which showed a mode that sputtered particle was peeled from the target. In−Ga−Zn酸化物の結晶構造の一例を示す図。FIG. 6 illustrates an example of a crystal structure of an In—Ga—Zn oxide. スパッタリング粒子が被成膜面に到達し、堆積する様子を示した模式図。The schematic diagram which showed a mode that sputtered particle reached | attains a film-forming surface and deposited. 成膜装置の一例を示す上面図。The top view which shows an example of the film-forming apparatus. 成膜室の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the film-forming chamber. 加熱処理室の一例を示す図。The figure which shows an example of a heat processing chamber. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るCPUの一例を示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of a CPU according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る電子機器の一例を示す図。FIG. 14 illustrates an example of an electronic device according to one embodiment of the present invention.

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、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、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in describing the structure of the present invention with reference to drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings. In addition, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and there is a case where it does not attach | subject a code | symbol in particular.

なお、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易にするため省略して示すことがある。 In an actual manufacturing process, a resist mask or the like may be unintentionally lost due to a process such as etching, but may be omitted for easy understanding.

第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。 The ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience, and do not indicate the order of steps or the order of lamination. In addition, a specific name is not shown as a matter for specifying the invention in this specification.

また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。 In many cases, the voltage indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Thus, a voltage can be rephrased as a potential.

また、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。 Even when expressed as “electrically connected”, in an actual circuit, there is a case where there is no physical connection portion and the wiring is merely extended.

また、ソースおよびドレインの機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the source and drain may be interchanged when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms source and drain can be used interchangeably.

なお、本実施の形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることができる。 Note that the contents described in this embodiment can be combined as appropriate.

1.酸化物半導体層を含む多層膜について
以下では、トランジスタに用いると安定した電気特性となる酸化物半導体層を含む多層膜について説明する。
1. Hereinafter, a multilayer film including an oxide semiconductor layer which has stable electrical characteristics when used in a transistor will be described.

1−1.多層膜の構造
本項では、多層膜の構造について説明する。
1-1. In this section, the structure of the multilayer film will be described.

図1(A)乃至図1(D)に、多層膜106の断面構造を示す。多層膜106は、酸化物層106aと、酸化物層106a上に設けられた酸化物半導体層106bと、酸化物半導体層106b上に設けられた酸化物層106cと、少なくとも酸化物半導体層106bの側面に接して設けられた酸化物層106dと、を有する。なお、酸化物層106dは曲面を有する。 1A to 1D illustrate a cross-sectional structure of the multilayer film 106. FIG. The multilayer film 106 includes an oxide layer 106a, an oxide semiconductor layer 106b provided over the oxide layer 106a, an oxide layer 106c provided over the oxide semiconductor layer 106b, and at least an oxide semiconductor layer 106b. And an oxide layer 106d provided in contact with the side surface. Note that the oxide layer 106d has a curved surface.

図1(A)および図1(B)に示す多層膜106の一断面の一側面において、酸化物層106dは、一つの接触円(曲率円ともいう。)をからなる曲率(曲面)を有する。また、図1(C)および図1(D)に示す多層膜106の一断面の一側面において、酸化物層106dは上端部および下端部にそれぞれ一つの接触円からなる曲率を有する。 In one side surface of one cross section of the multilayer film 106 illustrated in FIGS. 1A and 1B, the oxide layer 106 d has a curvature (curved surface) including one contact circle (also referred to as a curvature circle). . In addition, in one side surface of one cross section of the multilayer film 106 illustrated in FIGS. 1C and 1D, the oxide layer 106d has a curvature of one contact circle at each of an upper end portion and a lower end portion.

多層膜106は、図1(A)および図1(C)に示すように、酸化物層106a、酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cの側面と酸化物層106aの下面との為す角度がほぼ垂直であってもよく、図1(B)および図1(D)に示すように傾斜(テーパー角)を有してもよい。 As shown in FIGS. 1A and 1C, the multilayer film 106 has an angle formed between the side surfaces of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, and the oxide layer 106c and the lower surface of the oxide layer 106a. It may be substantially vertical, and may have an inclination (taper angle) as shown in FIG. 1 (B) and FIG. 1 (D).

このように、多層膜106の一部である側面に曲面を有する酸化物層106dを有することにより、多層膜106を用いたトランジスタの形状不良の発生を抑制することができる。 In this manner, by including the oxide layer 106 d having a curved surface on a side surface that is part of the multilayer film 106, generation of a defective shape of a transistor using the multilayer film 106 can be suppressed.

1−1−1.多層膜の端部を構成する酸化物層
酸化物層106dが有する曲面について図2を用いて説明する。
1-1-1. A curved surface included in the oxide layer oxide layer 106d constituting the end portion of the multilayer film will be described with reference to FIGS.

図2(A)は、図1(A)および図1(B)に示した多層膜106の一断面の一側面に対応する酸化物層106dの断面図である。図2(A)に示す酸化物層106dは、曲率半径がrである接触円からなる曲率を有する。なお、曲率半径とは、曲率の接触円の半径と等しい。 2A is a cross-sectional view of the oxide layer 106d corresponding to one side surface of the cross section of the multilayer film 106 illustrated in FIGS. 1A and 1B. The oxide layer 106d illustrated in FIG. 2A has a curvature including a contact circle having a curvature radius r. The curvature radius is equal to the radius of the contact circle of curvature.

図2(B)は、図1(C)および図1(D)に示した多層膜106の一断面の一側面に対応する酸化物層106dの断面図である。図2(B)に示す酸化物層106dは、曲率半径がrである接触円からなる曲率を上端部および下端部にそれぞれ有する。なお、上端部、下端部の曲率は、それぞれ異なる曲率半径を有しても構わない。 2B is a cross-sectional view of the oxide layer 106d corresponding to one side surface of the cross section of the multilayer film 106 illustrated in FIGS. 1C and 1D. The oxide layer 106d illustrated in FIG. 2B has curvatures of contact circles with a curvature radius r at the upper end and the lower end, respectively. In addition, the curvature of an upper end part and a lower end part may have a different curvature radius, respectively.

図2(C)に示す酸化物層106dは、曲率半径がrである接触円からなる曲率を有する。なお、酸化物層106dは、異なる接触円からなる曲率を二カ所または三カ所有しても構わない。 The oxide layer 106d illustrated in FIG. 2C has a curvature including a contact circle having a curvature radius r. Note that the oxide layer 106d may have two or three curvatures made of different contact circles.

このとき、曲率半径rは、多層膜106の厚さt(酸化物層106a、酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cの合計の厚さ)に対し、50分の1以上50倍以下、好ましくは20分の1以上20倍以下、さらに好ましくは10分の1以上10倍以下、より好ましくは5分の1以上5倍以下とする。 At this time, the curvature radius r is 1/50 to 50 times the thickness t of the multilayer film 106 (the total thickness of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, and the oxide layer 106c), preferably Is from 1/20 to 20 times, more preferably from 1/10 to 10 times, more preferably from 1/5 to 5 times.

1−2.多層膜の形成機構
曲面を有する106dを有する多層膜106の形成機構について説明する。
1-2. Formation mechanism of multilayer film A formation mechanism of the multilayer film 106 having a curved surface 106d will be described.

1−2−1.形成機構(1)
曲面を有する106dを有する多層膜106の形成機構の一例を、図3乃至図5を用いて説明する。
1-2-1. Formation mechanism (1)
An example of a formation mechanism of the multilayer film 106 having a curved surface 106d will be described with reference to FIGS.

まず、下地絶縁膜132上に設けられた酸化物層136aと、酸化物層136a上に設けられた酸化物半導体層136bと、酸化物半導体層136b上に設けられた酸化物層136cと、を有する多層膜を準備する(図3(A)参照。)。 First, an oxide layer 136a provided over the base insulating film 132, an oxide semiconductor layer 136b provided over the oxide layer 136a, and an oxide layer 136c provided over the oxide semiconductor layer 136b, A multilayer film is prepared (see FIG. 3A).

次に、酸化物層136c上の一部にレジストマスク140を形成する(図3(B)参照。)。 Next, a resist mask 140 is formed over part of the oxide layer 136c (see FIG. 3B).

次に、ドライエッチング法によって、レジストマスク140の設けられていない領域の酸化物層136cおよび酸化物半導体層136bをエッチングし、酸化物層136aを露出させる(図3(C)参照。)。 Next, the oxide layer 136c and the oxide semiconductor layer 136b in a region where the resist mask 140 is not provided are etched by a dry etching method to expose the oxide layer 136a (see FIG. 3C).

次に、ドライエッチング法によって、露出した酸化物層136aをエッチングしていく(図4(A)参照。)。このとき、酸化物層136aの反応生成物が、多層膜の少なくとも酸化物半導体層106bの側面に再付着し、側壁保護膜(ラビットイヤーとも呼べる。)である酸化物層を形成する。なお、酸化物層136aの反応生成物は、スパッタリング現象によって再付着するほか、ドライエッチング時のプラズマ150を介して再付着する。ドライエッチングの条件は、例えば、エッチングガスとして三塩化ホウ素ガスおよび塩素ガスを用い、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)電力および基板バイアス電力を印加して行えばよい。 Next, the exposed oxide layer 136a is etched by a dry etching method (see FIG. 4A). At this time, a reaction product of the oxide layer 136a is reattached to at least a side surface of the oxide semiconductor layer 106b of the multilayer film, so that an oxide layer which is a sidewall protective film (also called a rabbit ear) is formed. Note that the reaction product of the oxide layer 136a is reattached by a sputtering phenomenon and is reattached via the plasma 150 during dry etching. The dry etching may be performed by, for example, using boron trichloride gas and chlorine gas as an etching gas and applying inductively coupled plasma (ICP) power and substrate bias power.

続けて酸化物層136aをエッチングしていくことで、酸化物層106aおよび酸化物層137dを形成する。この際、下地絶縁膜132も一部がエッチングされて、下地絶縁膜133となる(図4(B)参照。)。 Subsequently, the oxide layer 136a is etched, whereby the oxide layer 106a and the oxide layer 137d are formed. At this time, part of the base insulating film 132 is also etched to form the base insulating film 133 (see FIG. 4B).

なお、酸化物層137dは、酸化物層136aの反応生成物であるため、エッチング時に用いたエッチングガス由来の成分(塩素、ホウ素など)が残存する。当該成分が大気中などの水分などと反応すると、酸化物層137dはさらにエッチングされる。 Note that since the oxide layer 137d is a reaction product of the oxide layer 136a, components (such as chlorine and boron) derived from the etching gas used during etching remain. When the component reacts with moisture in the atmosphere or the like, the oxide layer 137d is further etched.

次に、エッチングされた酸化物層137dに残存するエッチングガス由来の成分をアッシング処理によって除去することで、酸化物層106dとなる酸化物層を形成する。 Next, the component derived from the etching gas remaining in the etched oxide layer 137d is removed by an ashing process, so that an oxide layer to be the oxide layer 106d is formed.

次に、レジストマスク140を除去する。 Next, the resist mask 140 is removed.

次に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dとなる酸化物層の酸素欠損を低減する。特に、酸化物層106dとなる酸化物層は、エッチング時の反応生成物から形成されるため、酸素欠損が生じやすい。従って、酸化物層106dとなる酸化物層は、前述のアッシング処理および当該加熱処理によって、キャリア密度の極めて小さな酸化物層106dとする(図4(C)参照。)。なお、酸化性ガスとは、酸素、亜酸化窒素、オゾンなどのガスをいう。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下で行えばよい。加熱処理の雰囲気は、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。または、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing an oxidizing gas, so that oxygen vacancies in the oxide layers to be the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d are reduced. In particular, the oxide layer to be the oxide layer 106d is formed from a reaction product at the time of etching, and thus oxygen vacancies are likely to occur. Therefore, the oxide layer to be the oxide layer 106d is formed into the oxide layer 106d with extremely low carrier density by the above-described ashing treatment and heat treatment (see FIG. 4C). Note that the oxidizing gas refers to a gas such as oxygen, nitrous oxide, or ozone. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C. The atmosphere for the heat treatment is an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. .

以上のようにして、曲面を有する酸化物層106dを有する多層膜106を形成することができる。従って、曲面を有する酸化物層106dを有する多層膜106を形成するためには、酸化物層106dを形成するために専用のフォトマスクなどは必要ないことがわかる。 As described above, the multilayer film 106 including the oxide layer 106d having a curved surface can be formed. Therefore, it can be seen that a dedicated photomask or the like is not necessary for forming the oxide layer 106d in order to form the multilayer film 106 including the oxide layer 106d having a curved surface.

また、このようにして形成された酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dは厳密に区別のつかない場合がある。そのため、酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dをまとめて酸化物層105と呼んでもよい。図5(A)に示すように、酸化物半導体層106bを包む酸化物層105をあわせて多層膜106としてもよい。 In addition, the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d formed in this manner may not be strictly distinguishable. Therefore, the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d may be collectively referred to as the oxide layer 105. As illustrated in FIG. 5A, the oxide layer 105 that surrounds the oxide semiconductor layer 106b may be combined into a multilayer film 106.

次に、下地絶縁膜133をエッチングすることで、複数の段差(ここでは2段)を有する下地絶縁膜102を形成しても構わない(図5(B)参照。)。下地絶縁膜102が2段の段差を有する、を換言すると、下地絶縁膜102が厚さの異なる三つの領域を有する、となる。 Next, the base insulating film 133 may be formed by etching the base insulating film 133 so as to have a plurality of steps (here, two steps) (see FIG. 5B). In other words, the base insulating film 102 has two steps, and the base insulating film 102 has three regions having different thicknesses.

1−2−2.形成機構(2)
曲面を有する106dを有する多層膜106の形成機構の一例を、図6および図7を用いて説明する。
1-2-2. Formation mechanism (2)
An example of a formation mechanism of the multilayer film 106 having a curved surface 106d will be described with reference to FIGS.

まず、下地絶縁膜132上に設けられた酸化物層136aと、酸化物層136a上に設けられた酸化物半導体層136bと、酸化物半導体層136b上に設けられた酸化物層136cと、を有する多層膜を準備する(図6(A)参照。)。 First, an oxide layer 136a provided over the base insulating film 132, an oxide semiconductor layer 136b provided over the oxide layer 136a, and an oxide layer 136c provided over the oxide semiconductor layer 136b, A multilayer film is prepared (see FIG. 6A).

次に、酸化物層136c上の一部にレジストマスク140を形成する(図6(B)参照。)。 Next, a resist mask 140 is formed over part of the oxide layer 136c (see FIG. 6B).

次に、ドライエッチング法によって、レジストマスク140の設けられていない領域の酸化物層136c、酸化物半導体層136bおよび酸化物層136aをエッチングし、それぞれ酸化物層156c、酸化物半導体層156bおよび酸化物層156aとする。このとき、下地絶縁膜132も一部がエッチングされて下地絶縁膜152となる(図6(C)参照。)。なお、酸化物層156c、酸化物半導体層156bおよび酸化物層156aはテーパー角を有する。 Next, the oxide layer 136c, the oxide semiconductor layer 136b, and the oxide layer 136a in the region where the resist mask 140 is not provided are etched by dry etching, and the oxide layer 156c, the oxide semiconductor layer 156b, and the oxide layer are etched, respectively. The physical layer is 156a. At this time, part of the base insulating film 132 is also etched to form the base insulating film 152 (see FIG. 6C). Note that the oxide layer 156c, the oxide semiconductor layer 156b, and the oxide layer 156a have taper angles.

次に、ドライエッチング法によって、酸化物層156c、酸化物半導体層156bおよび酸化物層156aをエッチングし、それぞれ酸化物層106c、酸化物半導体層106bおよび酸化物層106aを形成する。このとき、酸化物層156aの反応生成物が、多層膜の側面に再付着し、側壁保護膜(ラビットイヤーとも呼べる。)である酸化物層106dとなる酸化物層を形成する。なお、酸化物層156aの反応生成物は、スパッタリング現象によって再付着するほか、ドライエッチング時のプラズマを介して再付着する。この際、下地絶縁膜152も一部がエッチングされて、下地絶縁膜102となる(図7(A)参照。)。 Next, the oxide layer 156c, the oxide semiconductor layer 156b, and the oxide layer 156a are etched by a dry etching method to form the oxide layer 106c, the oxide semiconductor layer 106b, and the oxide layer 106a, respectively. At this time, the reaction product of the oxide layer 156a is reattached to the side surface of the multilayer film to form an oxide layer to be the oxide layer 106d which is a sidewall protective film (also called a rabbit ear). Note that the reaction product of the oxide layer 156a is reattached by a sputtering phenomenon and is reattached through plasma during dry etching. At this time, part of the base insulating film 152 is also etched to be the base insulating film 102 (see FIG. 7A).

なお、酸化物層106dとなる酸化物層は、酸化物層156aの反応生成物であるため、エッチング時に用いたエッチングガス由来の成分(塩素、ホウ素など)が残存する。 Note that since the oxide layer to be the oxide layer 106d is a reaction product of the oxide layer 156a, components (such as chlorine and boron) derived from the etching gas used during etching remain.

次に、酸化物層106dとなる酸化物層に残存するエッチングガス由来の成分をアッシング処理によって除去する。 Next, the component derived from the etching gas remaining in the oxide layer to be the oxide layer 106d is removed by an ashing process.

次に、レジストマスク140を除去する。 Next, the resist mask 140 is removed.

次に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dとなる酸化物層の酸素欠損を低減すると好ましい。特に、酸化物層106dとなる酸化物層は、エッチング時の反応生成物から形成されるため、酸素欠損が生じやすい。従って、酸化物層106dとなる酸化物層は、前述のアッシング処理および当該加熱処理によって、キャリア密度の極めて小さな酸化物層106dとする(図7(B)参照。)。 Next, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing an oxidizing gas to reduce oxygen vacancies in the oxide layers to be the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d. In particular, the oxide layer to be the oxide layer 106d is formed from a reaction product at the time of etching, and thus oxygen vacancies are likely to occur. Therefore, the oxide layer to be the oxide layer 106d is formed into the oxide layer 106d with extremely low carrier density by the above-described ashing treatment and heat treatment (see FIG. 7B).

以上のようにして、曲面を有する酸化物層106dを有する多層膜106を形成することができる。従って、曲面を有する酸化物層106dを有する多層膜106を形成するためには、酸化物層106dを形成するために専用のフォトマスクなどは必要ないことがわかる。 As described above, the multilayer film 106 including the oxide layer 106d having a curved surface can be formed. Therefore, it can be seen that a dedicated photomask or the like is not necessary for forming the oxide layer 106d in order to form the multilayer film 106 including the oxide layer 106d having a curved surface.

上述したように、酸化物層106dは、酸化物層106aとなる酸化物層136aの反応生成物から形成される。そのため、酸化物層106aと酸化物層106dとは、分析などによって区別がつかないことがある。換言すると、酸化物層106dは酸化物層106aと同様の物性を有する酸化物層となることがある。従って、酸化物層106dの物性について、特に記載がない場合、酸化物層106aについての記載を参照することができる。また、酸化物層106cについても、酸化物層106aと同様の構成である場合に、酸化物層106dと区別がつかないことがある。そのため、酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dをまとめて酸化物層105と呼んでもよい。図7(C)に示すように、酸化物半導体層106bを包む酸化物層105をあわせて多層膜106としてもよい。 As described above, the oxide layer 106d is formed from a reaction product of the oxide layer 136a that becomes the oxide layer 106a. Therefore, the oxide layer 106a and the oxide layer 106d may not be distinguished by analysis or the like. In other words, the oxide layer 106d may be an oxide layer having the same physical properties as the oxide layer 106a. Therefore, the description of the oxide layer 106a can be referred to when the physical properties of the oxide layer 106d are not particularly described. Further, the oxide layer 106c may be indistinguishable from the oxide layer 106d in the case where the structure is similar to that of the oxide layer 106a. Therefore, the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d may be collectively referred to as the oxide layer 105. As illustrated in FIG. 7C, the oxide layer 105 that surrounds the oxide semiconductor layer 106b may be combined into a multilayer film 106.

多層膜106は、酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dによって、酸化物半導体層106bが包まれている(覆われている)構造を有する。従って、酸化物半導体層106bへの不純物の混入を小さくできる。また、酸化物半導体層106bは他の酸化物層との間に準位を有さないため、キャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。 The multilayer film 106 has a structure in which the oxide semiconductor layer 106b is surrounded (covered) by the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d. Accordingly, the entry of impurities into the oxide semiconductor layer 106b can be reduced. Further, since the oxide semiconductor layer 106b does not have a level with another oxide layer, carrier mobility (electron mobility) can be increased.

1−3.多層膜の物性
本項では、多層膜の物性について説明する。
1-3. In this section, the physical properties of the multilayer film will be described.

1−3−1.多層膜の組成
以下では、多層膜106、ならびに多層膜106を構成する酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dの組成について説明する。
1-3-1. Hereinafter, the composition of the multilayer film 106 and the composition of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d included in the multilayer film 106 will be described.

酸化物層106aは、酸化物半導体層106bを構成する元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物層である。なお、酸化物半導体層106bは少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなるため好ましい。酸化物半導体層106bを構成する元素一種以上、または二種以上から酸化物層106aが構成されるため、酸化物半導体層106bと酸化物層106aとの界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。 The oxide layer 106a is an oxide layer including one or more elements constituting the oxide semiconductor layer 106b, or two or more elements. Note that the oxide semiconductor layer 106b preferably contains at least indium because carrier mobility (electron mobility) is increased. Since the oxide layer 106a is formed of one or more elements or two or more elements included in the oxide semiconductor layer 106b, interface scattering is unlikely to occur at the interface between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106a. Accordingly, the movement of carriers is not inhibited at the interface, so that the field effect mobility of the transistor is increased.

酸化物層106aは、例えば、アルミニウム、チタン、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを酸化物半導体層106bよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層106aとして、酸化物半導体層106bよりも前述の元素を1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層106aは酸化物半導体層106bよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。 For example, the oxide layer 106a may be an oxide layer containing aluminum, titanium, silicon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, tin, lanthanum, cerium, or hafnium at a higher atomic ratio than the oxide semiconductor layer 106b. . Specifically, as the oxide layer 106a, an oxide layer containing the above-described element in an atomic ratio higher than that of the oxide semiconductor layer 106b by 1.5 times or more, preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more. Use. The aforementioned element is strongly bonded to oxygen and thus has a function of suppressing generation of oxygen vacancies in the oxide layer. In other words, the oxide layer 106a is an oxide layer in which oxygen vacancies are less likely to occur than in the oxide semiconductor layer 106b.

または、酸化物半導体層106bがIn−M−Zn酸化物であり、酸化物層106aもIn−M−Zn酸化物であるとき、酸化物層106aをIn:M:Zn=x:y:z[原子数比]、酸化物半導体層106bをIn:M:Zn=x:y:z[原子数比]とすると、y/xがy/xよりも大きくなる酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bを選択する。なお、元素MはInよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばAl、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、NdまたはHfなどが挙げられる。好ましくは、y/xがy/xよりも1.5倍以上大きくなる酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bを選択する。さらに好ましくは、y/xがy/xよりも2倍以上大きくなる酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bを選択する。より好ましくは、y/xがy/xよりも3倍以上大きくなる酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bを選択する。このとき、酸化物半導体層106bにおいて、y1がx1以上であるとトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、y1がx1の3倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、y1はx1と同じか3倍未満であると好ましい。 Alternatively, when the oxide semiconductor layer 106b is an In-M-Zn oxide and the oxide layer 106a is also an In-M-Zn oxide, the oxide layer 106a is replaced with In: M: Zn = x 1 : y 1. : Z 1 [atomic number ratio] and the oxide semiconductor layer 106b is In: M: Zn = x 2 : y 2 : z 2 [atomic number ratio], y 1 / x 1 is more than y 2 / x 2 The oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b to be enlarged are selected. Note that the element M is a metal element having a stronger bonding force with oxygen than In, and examples thereof include Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd, and Hf. Preferably, the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b in which y 1 / x 1 is 1.5 times or more larger than y 2 / x 2 are selected. More preferably, the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b in which y 1 / x 1 is twice or more larger than y 2 / x 2 are selected. More preferably, the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b in which y 1 / x 1 is three times or more larger than y 2 / x 2 are selected. At this time, in the oxide semiconductor layer 106b, it is preferable that y1 be x1 or more because stable electrical characteristics can be imparted to the transistor. However, when y1 is 3 times or more of x1, the field-effect mobility of the transistor is lowered. Therefore, y1 is preferably the same as x1 or less than 3 times.

また、酸化物層106cは、酸化物半導体層106bを構成する元素一種以上、または二種以上から構成される。酸化物半導体層106bを構成する元素一種以上、または二種以上から酸化物層106cが構成されるため、酸化物半導体層106bと酸化物層106cとの界面に界面準位を形成しにくい。該界面が界面準位を有すると、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第2のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。従って、酸化物層106cを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。 The oxide layer 106c includes one or more elements or two or more elements included in the oxide semiconductor layer 106b. Since the oxide layer 106c is formed using one or more elements or two or more elements included in the oxide semiconductor layer 106b, an interface state is hardly formed at the interface between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c. When the interface has an interface state, a second transistor having a threshold voltage different from that of the interface is formed, and the apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. Therefore, by providing the oxide layer 106c, variation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.

例えば、酸化物層106cは、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを酸化物半導体層106bよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層106cとして、酸化物半導体層106bよりも前述の元素を1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層106cは酸化物半導体層106bよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。 For example, the oxide layer 106c may be an oxide layer containing aluminum, silicon, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, tin, lanthanum, cerium, or hafnium at a higher atomic ratio than the oxide semiconductor layer 106b. . Specifically, the oxide layer 106c includes an oxide layer containing the above-described element in an atomic ratio higher than that of the oxide semiconductor layer 106b by 1.5 times or more, preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more. Use. The aforementioned element is strongly bonded to oxygen and thus has a function of suppressing generation of oxygen vacancies in the oxide layer. In other words, the oxide layer 106c is an oxide layer in which oxygen vacancies are less likely to occur than in the oxide semiconductor layer 106b.

または、酸化物半導体層106bがIn−M−Zn酸化物であり、酸化物層106cもIn−M−Zn酸化物であるとき、酸化物半導体層106bをIn:M:Zn=x:y:z[原子数比]、酸化物層106cをIn:M:Zn=x3:3:[原子数比]とすると、y/xがy/xよりも大きくなる酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cを選択する。なお、元素MはInよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばAl、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、NdまたはHfなどが挙げられる。好ましくは、y/xがy/xよりも1.5倍以上大きくなる酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cを選択する。さらに好ましくは、y/xがy/xよりも2倍以上大きくなる酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cを選択する。より好ましくは、y/xがy/xよりも3倍以上大きくなる酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cを選択する。このとき、酸化物半導体層106bにおいて、y2がx2以上であるとトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、y2がx2の3倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、y2はx2と同じか3倍未満であると好ましい。 Alternatively, when the oxide semiconductor layer 106b is an In-M-Zn oxide and the oxide layer 106c is also an In-M-Zn oxide, the oxide semiconductor layer 106b is replaced with In: M: Zn = x 2 : y. 2: z 2 [atomic ratio], the oxide layer 106c In: M: Zn = x 3: y 3: When z 3 [atomic ratio], than y 3 / x 3 is y 2 / x 2 The oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c to be enlarged are selected. Note that the element M is a metal element having a stronger bonding force with oxygen than In, and examples thereof include Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd, and Hf. Preferably, the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c in which y 3 / x 3 is 1.5 times or more larger than y 2 / x 2 are selected. More preferably, the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c in which y 3 / x 3 is twice or more larger than y 2 / x 2 are selected. More preferably, the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c in which y 3 / x 3 is three times or more larger than y 2 / x 2 are selected. At this time, it is preferable that y2 be x2 or more in the oxide semiconductor layer 106b because stable electrical characteristics can be imparted to the transistor. However, when y2 is 3 times or more of x2, the field effect mobility of the transistor is lowered. Therefore, y2 is preferably the same as x2 or less than 3 times.

酸化物層106dは、酸化物層106aの記載を参照する。酸化物層106dは、多層膜106の側面を形成する層である。そのため、酸化物層106dが酸素欠損の生じにくい層である場合、酸化物層106dと酸化物半導体層106bとの界面に、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第2のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。従って、酸化物層106dを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。第2のトランジスタによる電気特性のばらつきは、チャネル長の小さいトランジスタほど顕著となる。従って、微細化されたトランジスタほど、酸化物層106dを設けることにより高い効果を奏する。 For the oxide layer 106d, the description of the oxide layer 106a is referred to. The oxide layer 106 d is a layer that forms the side surface of the multilayer film 106. Therefore, in the case where the oxide layer 106d is a layer in which oxygen vacancies are unlikely to occur, a second transistor with a different threshold voltage using the interface as a channel is formed at the interface between the oxide layer 106d and the oxide semiconductor layer 106b. The apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. Therefore, by providing the oxide layer 106d, variation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced. The variation in electrical characteristics due to the second transistor becomes more significant as the channel length is shorter. Therefore, the more miniaturized transistor has a higher effect by providing the oxide layer 106d.

なお、酸化物層106cに含まれるインジウムが外方拡散すると、トランジスタの電気特性を劣化させることがあるため、酸化物層106cは、酸化物半導体層106bよりもインジウムの原子数比が小さいことが好ましい。 Note that when indium contained in the oxide layer 106c is diffused outward, the electrical characteristics of the transistor may be deteriorated; therefore, the oxide layer 106c may have a smaller atomic ratio of indium than the oxide semiconductor layer 106b. preferable.

なお、酸化物層106aおよび酸化物層106dは、酸化物層106cよりも酸素欠損の生じにくい酸化物層とすると好ましい。また、酸化物層106aおよび酸化物層106dは、酸化物層106cよりも高い絶縁性を有する酸化物層であると好ましい。酸化物層106aおよび酸化物層106dが、酸化物層106cよりも酸素欠損が生じにくく、高い絶縁性を有するためには、酸化物層106aおよび酸化物層106dに含まれる、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する元素、または酸素との結合力が強い金属元素を、酸化物層106cよりも高い濃度で含むとよい。 Note that the oxide layer 106a and the oxide layer 106d are preferably oxide layers in which oxygen vacancies are less likely to occur than in the oxide layer 106c. The oxide layer 106a and the oxide layer 106d are preferably oxide layers having higher insulating properties than the oxide layer 106c. In order for the oxide layer 106a and the oxide layer 106d to have less oxygen vacancies than the oxide layer 106c and to have high insulating properties, the oxygen vacancies included in the oxide layers 106a and 106d are oxides. An element that suppresses generation in the layer or a metal element that has a strong binding force to oxygen is preferably contained at a concentration higher than that of the oxide layer 106c.

なお、酸化物層106aの厚さは、3nm以上100nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下とする。また、酸化物半導体層106bの厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。なお、酸化物層106cの厚さは、3nm以上50nm以下、好ましくは3nm以上20nm以下とする。ただし、酸化物層106aおよび酸化物層106dの厚さは、酸化物層106cよりも大きい方が好ましい。換言すると、酸化物層106cの厚さは、酸化物層106aおよび酸化物層106dよりも小さい方が好ましい。 Note that the thickness of the oxide layer 106a is 3 nm to 100 nm, preferably 3 nm to 50 nm. The thickness of the oxide semiconductor layer 106b is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 50 nm. Note that the thickness of the oxide layer 106c is 3 nm to 50 nm, preferably 3 nm to 20 nm. Note that the thickness of the oxide layer 106a and the oxide layer 106d is preferably larger than that of the oxide layer 106c. In other words, the thickness of the oxide layer 106c is preferably smaller than that of the oxide layer 106a and the oxide layer 106d.

次に、多層膜106に用いる酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dに適用可能な酸化物層について、スパッタリング法で成膜し、1μm以上のパーティクル数を測定した。 Next, an oxide layer applicable to the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d used for the multilayer film 106 was formed by a sputtering method, and the number of particles of 1 μm or more was measured.

測定は、酸化ガリウムターゲットを用いて成膜した試料、Ga−Zn酸化物(Ga:Zn=2:5[原子数比])ターゲットを用いて成膜した試料、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比])ターゲットを用いて成膜した試料、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])ターゲットを用いて成膜した試料、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])ターゲットを用いて成膜した試料について行った。 The measurement is performed using a sample formed using a gallium oxide target, a sample formed using a Ga—Zn oxide (Ga: Zn = 2: 5 [atomic ratio]) target, and an In—Ga—Zn oxide ( In: Ga: Zn = 3: 1: 2 [atomic ratio]) Sample formed using a target, In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]) ) A sample formed using a target and a sample formed using an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]) target were used.

図8より、酸化ガリウムターゲットを用いて成膜した試料およびGa−Zn酸化物ターゲットを用いて成膜した場合、酸化物層が厚くなるほど1μm以上のパーティクル数が急増していくことがわかった。一方、In−Ga−Zn酸化物ターゲットを用いて成膜した場合、酸化物層が厚くなっても比較的1μm以上のパーティクル数が増大しにくいことがわかった。 From FIG. 8, it was found that when the sample was formed using a gallium oxide target and the sample was formed using a Ga—Zn oxide target, the number of particles of 1 μm or more increased rapidly as the oxide layer became thicker. On the other hand, it was found that when the film was formed using an In—Ga—Zn oxide target, the number of particles having a size of 1 μm or more was hardly increased even when the oxide layer was thick.

従って、スパッタリング法で成膜する場合、パーティクル数増大の観点から、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、ガリウムの原子数比が比較的小さい酸化物ターゲットを用いることが好ましいとわかる。特に、インジウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、DC放電およびAC放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。従って、半導体装置の生産性を高めることができる。 Therefore, when forming a film by sputtering, it is preferable to use a target containing indium from the viewpoint of increasing the number of particles. It can also be seen that it is preferable to use an oxide target having a relatively small atomic ratio of gallium. In particular, when a target containing indium is used, the conductivity of the target can be increased, and DC discharge and AC discharge are facilitated, so that it is easy to deal with a large-area substrate. Therefore, the productivity of the semiconductor device can be increased.

1−3−2.多層膜の不純物
以下では、多層膜106を構成する各層におけるシリコン濃度について、図9を用いて説明する。
1-3-2. Below the impurities in the multilayer film, the silicon concentration in each layer constituting the multilayer film 106 will be described with reference to FIG.

ここで、酸化物層106aは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 Here, the oxide layer 106 a is an oxide formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). Is a layer. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

また、酸化物半導体層106bは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を300℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide semiconductor layer 106b is an oxide formed by a sputtering method with the use of a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]). It is a semiconductor layer. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 300 ° C., and DC power of 0.5 kW.

また、酸化物層106cは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide layer 106c is an oxide layer formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). It is. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

シリコンウェハ上に多層膜106を設け、加熱処理なしの試料と450℃にて2時間加熱処理を行った試料を準備し、飛行時間二次イオン質量分析(ToF−SIMS:Time−of−flight secondary ion mass spectrometer)によって、深さ方向のInを示す二次イオン強度、Gaを示す二次イオン強度、Znを示す二次イオン強度およびSiO濃度[atoms/cm]を示す。多層膜106は、厚さが10nmの酸化物層106aと、酸化物層106a上に設けられた厚さが10nmの酸化物半導体層106bと、酸化物半導体層106b上に設けられた厚さが10nmの酸化物層106cと、を有する。 A multilayer film 106 is provided on a silicon wafer, and a sample without heat treatment and a sample subjected to heat treatment at 450 ° C. for 2 hours are prepared, and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS: Time-of-flight secondary) is prepared. By ion mass spectrometer, the secondary ion intensity indicating In in the depth direction, the secondary ion intensity indicating Ga, the secondary ion intensity indicating Zn, and the SiO 3 concentration [atoms / cm 3 ] are shown. The multilayer film 106 includes an oxide layer 106a having a thickness of 10 nm, an oxide semiconductor layer 106b having a thickness of 10 nm provided on the oxide layer 106a, and a thickness provided on the oxide semiconductor layer 106b. 10 nm oxide layer 106c.

図9より、多層膜106を構成する各層の組成は、成膜時のターゲットの組成によって変化することがわかる。ただし、各層の組成について、図9から単純な比較を行うことはできない。 From FIG. 9, it can be seen that the composition of each layer constituting the multilayer film 106 changes depending on the composition of the target at the time of film formation. However, a simple comparison cannot be made for the composition of each layer from FIG.

図9より、多層膜106のシリコンウェハと酸化物層106aとの界面、および酸化物層106cの上面において、SiO濃度が高くなることがわかった。また、酸化物半導体層106bのSiO濃度がToF−SIMSの検出下限である1×1018atoms/cm程度であることがわかった。これは、酸化物層106aおよび酸化物層106cがあることにより、シリコンウェハや表面汚染などに起因したシリコンが酸化物半導体層106bにまで影響することがなくなったと考えられる。 From FIG. 9, it was found that the SiO 3 concentration was high at the interface between the silicon wafer of the multilayer film 106 and the oxide layer 106a and the upper surface of the oxide layer 106c. Further, it was found that the SiO 3 concentration of the oxide semiconductor layer 106b was about 1 × 10 18 atoms / cm 3, which is the detection lower limit of ToF-SIMS. This is probably because silicon due to a silicon wafer or surface contamination does not affect the oxide semiconductor layer 106b due to the presence of the oxide layer 106a and the oxide layer 106c.

また、図9に示すas−depo(加熱処理なしの試料)と加熱処理後の試料との比較により、加熱処理によってシリコンの拡散は起こりにくく、成膜時の混合が主であることがわかる。 Further, it can be seen from the comparison between as-depo (sample without heat treatment) and the sample after heat treatment shown in FIG. 9 that silicon is hardly diffused by the heat treatment and mixing during film formation is mainly performed.

多層膜106を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層106bを高純度真性化することが有効である。具体的には、酸化物半導体層106bのキャリア密度を、1×1017/cm未満、1×1015/cm未満、または1×1013/cm未満とすればよい。酸化物半導体層106bにおいて、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。酸化物半導体層106b中の不純物濃度を低減するためには、近接する酸化物層106a中および酸化物層106c中の不純物濃度も酸化物半導体層106bと同程度まで低減することが好ましい。 In order to impart stable electric characteristics to the transistor including the multilayer film 106, it is effective to highly purify and purify the oxide semiconductor layer 106b. Specifically, the carrier density of the oxide semiconductor layer 106b may be less than 1 × 10 17 / cm 3, less than 1 × 10 15 / cm 3 , or less than 1 × 10 13 / cm 3 . In the oxide semiconductor layer 106b, hydrogen, nitrogen, carbon, silicon, and a metal element other than the main component are impurities. In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor layer 106b, the impurity concentration in the adjacent oxide layer 106a and the oxide layer 106c is preferably reduced to the same level as that of the oxide semiconductor layer 106b.

特に、酸化物半導体層106bにシリコンが高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層106bにシリコンに起因する不純物準位が形成される。該不純物準位は、トラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。トランジスタの電気特性の劣化を小さくするためには、酸化物半導体層106bのシリコン濃度を1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とすればよい。また、酸化物層106aと酸化物半導体層106bとの界面、および酸化物半導体層106bと酸化物層106cとの界面のシリコン濃度についても、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 In particular, when the oxide semiconductor layer 106b contains silicon at a high concentration, an impurity level due to silicon is formed in the oxide semiconductor layer 106b. The impurity level becomes a trap and may deteriorate the electrical characteristics of the transistor. In order to reduce deterioration in electric characteristics of the transistor, the silicon concentration of the oxide semiconductor layer 106b is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , and more preferably 1 × 10 10. It may be less than 18 atoms / cm 3 . The silicon concentration at the interface between the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b and the interface between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c is also less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × It is less than 10 18 atoms / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

また、酸化物半導体層106b中で水素および窒素は、ドナー準位を形成し、キャリア密度を増大させてしまう。酸化物半導体層106bを真性または実質的に真性とするためには、酸化物半導体層106b中の水素濃度は、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, hydrogen and nitrogen in the oxide semiconductor layer 106b form donor levels and increase the carrier density. In order to make the oxide semiconductor layer 106b intrinsic or substantially intrinsic, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer 106b is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS. cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. Further, the nitrogen concentration in SIMS is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10. 17 atoms / cm 3 or less.

なお、酸化物半導体層106bにシリコンおよび炭素が高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層106bの結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層106bの結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層106bのシリコン濃度を1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とすればよい。また、酸化物半導体層106bの結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層106bの炭素濃度を1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とすればよい。多層膜106の結晶性については、後述する。 Note that when the oxide semiconductor layer 106b contains silicon and carbon at a high concentration, the crystallinity of the oxide semiconductor layer 106b may be reduced. In order not to decrease the crystallinity of the oxide semiconductor layer 106b, the silicon concentration of the oxide semiconductor layer 106b is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 1 It may be less than × 10 18 atoms / cm 3 . In order not to decrease the crystallinity of the oxide semiconductor layer 106b, the carbon concentration of the oxide semiconductor layer 106b is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , and more preferably. May be less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . The crystallinity of the multilayer film 106 will be described later.

1−3−3.多層膜のバンド構造
以下では、多層膜106のバンド構造を用いて、多層膜106を構成する酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dについて説明する。
1-3-3. Below, the band structure of the multilayer film 106 is used to describe the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d included in the multilayer film 106.

酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dの伝導帯下端のエネルギーが、それぞれEcS1、EcS2、EcS3およびEcS4のとき、数式(1)に示す関係を満たすように酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dを選択する。 When the energy at the lower end of the conduction band of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d is EcS1, EcS2, EcS3, and EcS4, respectively, the relationship expressed by Equation (1) is satisfied. The oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d are selected.

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差(電子親和力ともいう。)は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差(イオン化ポテンシャルともいう。)からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ(HORIBA JOBIN YVON社 UT−300)を用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置(PHI社 VersaProbe)を用いて測定できる。 Here, the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band (also referred to as electron affinity) is obtained by subtracting the energy gap from the difference between the vacuum level and the energy at the top of the valence band (also referred to as ionization potential). Value. The energy gap can be measured using a spectroscopic ellipsometer (HORIBA JOBIN YVON UT-300). The energy difference between the vacuum level and the upper end of the valence band can be measured using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) apparatus (PHI VersaProbe).

具体的には、酸化物層106aは、上記数式(1)を満たし、かつ伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層106bよりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上または0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下または0.4eV以下真空準位に近い酸化物層である。 Specifically, the oxide layer 106a satisfies the above formula (1), and the energy at the lower end of the conduction band is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0. 0 than the oxide semiconductor layer 106b. 15 eV or more, 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less An oxide layer close to a vacuum level.

また、酸化物層106cは、上記数式(1)を満たし、かつ伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層106bよりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上または0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下または0.4eV以下真空準位に近い酸化物層である。 The oxide layer 106c satisfies the above formula (1), and the energy at the lower end of the conduction band is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more than the oxide semiconductor layer 106b. And 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less.

酸化物層106dは、上記数式(1)を満たし、かつ伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層106bよりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上または0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下または0.4eV以下真空準位に近い酸化物層である。なお、酸化物層106dと酸化物半導体層106bとの伝導帯下端のエネルギー差が大きいほど(障壁が高いほど)、酸化物層106dと酸化物半導体層106bとの界面に第2のトランジスタが形成されにくくなる。 The oxide layer 106d satisfies the above formula (1), and the energy at the lower end of the conduction band is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, 0.15 eV or more, and 2 eV than the oxide semiconductor layer 106b. Hereinafter, it is an oxide layer close to a vacuum level of 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. Note that the larger the energy difference at the lower end of the conduction band between the oxide layer 106d and the oxide semiconductor layer 106b (the higher the barrier), the second transistor is formed at the interface between the oxide layer 106d and the oxide semiconductor layer 106b. It becomes difficult to be done.

図10(A)に、バンド構造を示す多層膜106の断面図を示す。図10(B)は、図10(A)に示す多層膜106の一点鎖線G1−G2におけるバンド構造である。また、図10(C)は、図10(A)に示す多層膜106の一点鎖線G3−G4におけるバンド構造である。図10(B)および図10(C)では、酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dと接して伝導帯下端のエネルギーが十分大きい絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)を設けた場合について説明する。 FIG. 10A is a cross-sectional view of the multilayer film 106 having a band structure. FIG. 10B illustrates a band structure along the dashed-dotted line G1-G2 in the multilayer film 106 illustrated in FIG. FIG. 10C illustrates a band structure along the dashed-dotted line G3-G4 in the multilayer film 106 illustrated in FIG. 10B and 10C, an insulating film (eg, a silicon oxide film) with sufficiently large energy at the bottom of the conduction band is provided in contact with the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d. Will be described.

数式(1)の関係を満たす酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dを選択することにより、多層膜106は、伝導帯下端のエネルギーが最も低い酸化物半導体層106bを、酸化物半導体層106bよりも伝導帯下端のエネルギーが高い酸化物層106a、酸化物層106cおよび酸化物層106dが囲んだバンド構造となる(図10(B)および図10(C)参照。)。 By selecting the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d that satisfy the relationship of Equation (1), the multilayer film 106 has the lowest energy at the bottom of the conduction band. The layer 106b has a band structure in which the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d having higher energy at the lower end of the conduction band than the oxide semiconductor layer 106b are surrounded (see FIGS. 10B and 10C). )reference.).

また、酸化物層106aと酸化物半導体層106bとの間、酸化物半導体層106bと酸化物層106cとの間、および酸化物半導体層106bと酸化物層106dとの間において、伝導帯下端のエネルギーは連続的に変化する。即ち、これらの界面において、準位は存在しないか、ほとんどない。 The lower end of the conduction band is between the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b, between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c, and between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106d. The energy changes continuously. That is, there are almost no levels at these interfaces.

従って、当該バンド構造を有する多層膜106において、電子は酸化物半導体層106bを主として移動することになる。そのため、多層膜106の外側である絶縁膜との界面に準位が存在したとしても、当該準位は電子の移動にほとんど影響しない。また、多層膜106を構成する層と層との間に準位が存在しないか、ほとんどないため、当該領域において電子の移動を阻害することもない。従って、多層膜106の酸化物半導体層106bは高い電子移動度を有する。 Therefore, in the multilayer film 106 having the band structure, electrons move mainly in the oxide semiconductor layer 106b. Therefore, even if a level exists at the interface with the insulating film that is outside the multilayer film 106, the level hardly affects the movement of electrons. In addition, since there is no or almost no level between layers constituting the multilayer film 106, movement of electrons in the region is not hindered. Therefore, the oxide semiconductor layer 106b of the multilayer film 106 has high electron mobility.

なお、図11に示すように、酸化物層106aおよび酸化物層106cと、絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物層106aおよび酸化物層106cがあることにより、酸化物半導体層106bと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、EcS1またはEcS3と、EcS2とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層106bの電子が酸化物層106aまたは酸化物層106cを超えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。 Note that as shown in FIG. 11, trap levels due to impurities and defects can be formed in the vicinity of the interface between the oxide layer 106a and the oxide layer 106c and the insulating film, but the oxide layer 106a and the oxide layer 106a are oxidized. With the physical layer 106c, the oxide semiconductor layer 106b and the trap level can be separated from each other. Note that in the case where the energy difference between EcS1 or EcS3 and EcS2 is small, electrons in the oxide semiconductor layer 106b may reach the trap level beyond the oxide layer 106a or the oxide layer 106c. By trapping electrons in the trap level, negative fixed charges are generated, and the threshold voltage of the transistor is shifted in the positive direction.

同様に、酸化物層106dと、絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物層106dがあることにより、酸化物半導体層106bと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、EcS4と、EcS2とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層106bの電子が酸化物層106dを超えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。 Similarly, although a trap level due to an impurity or a defect can be formed in the vicinity of the interface between the oxide layer 106d and the insulating film, the oxide semiconductor layer 106b and the trap The level can be kept away. Note that in the case where the energy difference between EcS4 and EcS2 is small, electrons in the oxide semiconductor layer 106b may reach the trap level beyond the oxide layer 106d. By trapping electrons in the trap level, negative fixed charges are generated, and the threshold voltage of the transistor is shifted in the positive direction.

従って、EcS1、EcS3およびEcS4と、EcS2とのエネルギー差を、それぞれ0.1eV以上、好ましくは0.15eV以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため、好ましい。 Therefore, if the energy difference between EcS1, EcS3, EcS4, and EcS2 is 0.1 eV or more, preferably 0.15 eV or more, variation in the threshold voltage of the transistor is reduced, and stable electrical characteristics are obtained. ,preferable.

ここで、加熱処理によって多層膜106中の酸素が、350℃または450℃の加熱処理後に拡散する様子を図12を用いて説明する。 Here, how oxygen in the multilayer film 106 diffuses after heat treatment at 350 ° C. or 450 ° C. will be described with reference to FIG.

図12に、多層膜106のうち、いずれかの層を18ガスを用いて成膜した試料について、SIMSを行い、深さ方向における18Oの濃度分布を測定した結果を示す。 FIG. 12 shows the result of SIMS performed on a sample in which any one of the multilayer films 106 is formed using 18 O 2 gas, and the concentration distribution of 18 O in the depth direction is measured.

ここで、酸化物層106aは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。 Here, the oxide layer 106 a is an oxide formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]). Is a layer.

また、酸化物半導体層106bは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。 The oxide semiconductor layer 106b is an oxide formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 3: 1: 2 [atomic ratio]). It is a semiconductor layer.

また、酸化物層106cは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。 The oxide layer 106c is an oxide layer formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]). It is.

ここで、図12(A)は、酸化物層106aに18ガスを用い、そのほかの層には18ガスを用いていない試料の酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bの界面を含む深さ方向における18Oの濃度分布である。加熱処理なし(as−depoと表記、点線)と比べ、350℃加熱処理後(350℃加熱後と表記、一点鎖線)および450℃加熱処理後(450℃加熱後と表記、実線)では、18Oが酸化物層106aから酸化物半導体層106bまで拡散していることがわかった。 Here, FIG. 12A shows an interface between the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b of a sample in which 18 O 2 gas is used for the oxide layer 106a and 18 O 2 gas is not used for the other layers. 18 is a concentration distribution of 18 O in the depth direction. 18 after heating at 350 ° C. (noted after heating at 350 ° C., indicated by a one-dot chain line) and after heating at 450 ° C. (noted after heating at 450 ° C., indicated by a solid line), compared with no heat treatment (noted as as-depo, dotted line) It was found that O diffused from the oxide layer 106a to the oxide semiconductor layer 106b.

また、図12(B)は、酸化物半導体層106bに18ガスを用い、そのほかの層には18ガスを用いていない試料の酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cの界面を含む深さ方向における18Oの濃度分布である。加熱処理なし(as−depoと表記、点線)と比べ、350℃加熱処理後(350℃加熱後と表記、一点鎖線)および450℃加熱処理後(450℃加熱後と表記、実線)では、18Oが酸化物半導体層106bから酸化物層106cまで拡散していることがわかった。 Further, FIG. 12 (B) using a 18 O 2 gas to the oxide semiconductor layer 106b, the interface between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c of the sample without using the other of the layers 18 O 2 gas 18 is a concentration distribution of 18 O in the depth direction. 18 after heating at 350 ° C. (noted after heating at 350 ° C., indicated by a one-dot chain line) and after heating at 450 ° C. (noted after heating at 450 ° C., indicated by a solid line), compared with no heat treatment (noted as as-depo, dotted line) It was found that O diffused from the oxide semiconductor layer 106b to the oxide layer 106c.

また、図12(C)は、酸化物半導体層106bに18ガスを用い、そのほかの層には18ガスを用いていない試料の酸化物層106aおよび酸化物半導体層106bの界面を含む深さ方向における18Oの濃度分布である。加熱処理なし(as−depoと表記、点線)および350℃加熱処理後(350℃加熱後と表記、一点鎖線)と比べ、450℃加熱処理後(450℃加熱後と表記、実線)では、18Oが酸化物半導体層106bから酸化物層106aまで拡散していることがわかった。 FIG. 12C illustrates an interface between the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b of a sample in which 18 O 2 gas is used for the oxide semiconductor layer 106b and 18 O 2 gas is not used for the other layers. 18 is a concentration distribution of 18 O in the depth direction. 18 after heating at 450 ° C. (noted after heating at 450 ° C., solid line), compared with no heat treatment (noted as as-depo, dotted line) and after 350 ° C. heat processing (noted after heating at 350 ° C., indicated by alternate long and short dash line) It was found that O diffused from the oxide semiconductor layer 106b to the oxide layer 106a.

図12に示すように、多層膜106中で酸素は相互に拡散し合っている。即ち、酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dのいずれかの組み合わせにより形成される界面は、お互いの構成元素が混ざり合った層(混合層ともいう。)を形成していることがわかる。なお、混合層は、混ざり合った層と層との中間の性質を有する。 As shown in FIG. 12, oxygen diffuses in the multilayer film 106. In other words, the interface formed by any combination of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d is a layer in which constituent elements are mixed (also referred to as a mixed layer). It can be seen that is formed. Note that the mixed layer has an intermediate property between the mixed layers.

多層膜106中の局在準位を低減することで、多層膜106を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。以下では、多層膜106の局在準位について、一定光電流測定法(CPM:Constant Photocurrent Method)によって評価した。 By reducing the localized levels in the multilayer film 106, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor including the multilayer film 106. In the following, the localized level of the multilayer film 106 was evaluated by a constant photocurrent measurement method (CPM: Constant Photocurrent Method).

なお、トランジスタが高い電界効果移動度を有し、かつ安定した電気特性を有するためには、多層膜106中のCPM測定で得られる局在準位による吸収係数を、1×10−3cm−1未満、好ましくは3×10−4cm−1未満とすればよい。 Note that in order for the transistor to have high field-effect mobility and stable electric characteristics, the absorption coefficient due to the localized levels obtained by CPM measurement in the multilayer film 106 is 1 × 10 −3 cm −. It may be less than 1 , preferably less than 3 × 10 −4 cm −1 .

CPM測定を行った試料について以下に説明する。 The sample which performed CPM measurement is demonstrated below.

酸化物層106aは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide layer 106a is an oxide layer formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). . The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

また、酸化物半導体層106bは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide semiconductor layer 106b is an oxide formed by a sputtering method with the use of a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]). It is a semiconductor layer. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

また、酸化物層106cは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide layer 106c is an oxide layer formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). It is. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

ここで、CPM測定の精度を高めるため、多層膜106はある程度の厚さが必要となる。具体的には、多層膜106に含まれる酸化物層106aの厚さを30nm、酸化物半導体層106bの厚さを100nm、酸化物層106cの厚さを30nmとした。 Here, in order to improve the accuracy of CPM measurement, the multilayer film 106 needs to have a certain thickness. Specifically, the thickness of the oxide layer 106a included in the multilayer film 106 is 30 nm, the thickness of the oxide semiconductor layer 106b is 100 nm, and the thickness of the oxide layer 106c is 30 nm.

CPM測定では、試料である多層膜106に接して設けられた第1の電極および第2の電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸光係数を導出することを各波長にて行うものである。CPM測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー(波長より換算)における吸光係数が増加する。この吸光係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。 In the CPM measurement, the sample surface between the terminals is irradiated so that the photocurrent value is constant in a state where a voltage is applied between the first electrode and the second electrode provided in contact with the multilayer film 106 which is a sample. The light amount is adjusted, and the extinction coefficient is derived from the irradiation light amount at each wavelength. In the CPM measurement, when a sample has a defect, an extinction coefficient at an energy (converted from a wavelength) corresponding to the level where the defect exists is increased. By multiplying the increase in the extinction coefficient by a constant, the defect density of the sample can be derived.

図13(A)に、分光光度計によって測定した吸収係数(点線)と、CPMによって測定した吸収係数(実線)とを多層膜106の各層のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において、フィッティングした結果を示す。なお、CPMによって測定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは78.7meVであった。図13(A)の破線丸で囲んだエネルギー範囲においてCPMによって測定した吸収係数からバックグラウンド(細点線)を差し引き、当該エネルギー範囲における吸収係数の積分値を導出した(図13(B)参照。)。その結果、本試料の局在準位による吸収係数は、2.02×10−4cm−1であることがわかった。 FIG. 13A shows the result of fitting the absorption coefficient (dotted line) measured by the spectrophotometer and the absorption coefficient (solid line) measured by the CPM in an energy range equal to or larger than the energy gap of each layer of the multilayer film 106. . In addition, the Arbach energy obtained from the absorption coefficient measured by CPM was 78.7 meV. The background (thin dotted line) was subtracted from the absorption coefficient measured by CPM in the energy range surrounded by the broken-line circle in FIG. 13A to derive an integral value of the absorption coefficient in the energy range (see FIG. 13B). ). As a result, it was found that the absorption coefficient due to the localized level of this sample was 2.02 × 10 −4 cm −1 .

ここで得られた局在準位は、不純物や欠陥に起因する準位と考えられる。従って、多層膜106は、不純物や欠陥に起因する準位が極めて少ないことがわかった。即ち、多層膜106を用いたトランジスタは高い電界効果移動度を有し、かつ安定した電気特性を有することがわかる。 The localized levels obtained here are considered to be levels caused by impurities and defects. Therefore, it was found that the multilayer film 106 has very few levels due to impurities and defects. That is, it can be seen that a transistor using the multilayer film 106 has high field-effect mobility and stable electric characteristics.

1−3−4.多層膜の結晶性
以下では、多層膜106に含まれる酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dの結晶性について説明する。
1-3-4. Hereinafter, the crystallinity of the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d included in the multilayer film 106 will be described.

多層膜106において、酸化物層106a、酸化物半導体層106b、酸化物層106cおよび酸化物層106dは非晶質または結晶質となる。ここで、結晶質とは、微結晶、多結晶、単結晶などをいう。また、結晶部が含まれる場合は全て結晶質である。 In the multilayer film 106, the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 106c, and the oxide layer 106d are amorphous or crystalline. Here, crystalline means a microcrystal, a polycrystal, a single crystal, or the like. Moreover, when a crystal part is contained, it is all crystalline.

多層膜106において、少なくとも酸化物半導体層106bは結晶質であることが好ましい。特に、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)であると好ましい。 In the multilayer film 106, at least the oxide semiconductor layer 106b is preferably crystalline. In particular, a CAAC-OS (C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) is preferable.

なお、CAAC−OSは、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OSは、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体である。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。 Note that the CAAC-OS is not completely single crystal nor completely amorphous. A CAAC-OS is an oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure where a crystal part and an amorphous part are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm.

CAAC−OSに含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OSの被成膜面の法線ベクトルまたは上面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつa−b面に垂直な方向から見て三角形状また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また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軸および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。 The crystal part included in the CAAC-OS has a c-axis aligned in a direction parallel to the normal vector of the deposition surface or the upper surface normal vector of the CAAC-OS and is viewed from a direction perpendicular to the ab plane. It has a triangular or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as seen from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range from −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS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の結晶部は、被成膜面の近傍に対し上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。 Note that in the CAAC-OS, the distribution of crystal parts may not be uniform. For example, the CAAC-OS crystal part may have a higher proportion of crystal part in the vicinity of the top surface than in the vicinity of the deposition surface. Further, when an impurity is added to the CAAC-OS, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS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、安定した電気特性を有する。 In a transistor using a CAAC-OS, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Thus, the transistor has stable electrical characteristics.

酸化物半導体層106bをCAAC−OSとするためには、下地である酸化物層106aがCAAC−OSと同様の結晶質であるか、非晶質であると好ましい。また、酸化物半導体層106bがCAAC−OSであるとき、酸化物半導体層106bを下地とする酸化物層106cはCAAC−OSと同様の結晶質となりやすい。ただし、酸化物層106cは結晶質に限定されず、非晶質であっても構わない。 In order to use the CAAC-OS for the oxide semiconductor layer 106b, the base oxide layer 106a is preferably crystalline or amorphous similar to the CAAC-OS. In addition, when the oxide semiconductor layer 106b is a CAAC-OS, the oxide layer 106c using the oxide semiconductor layer 106b as a base is likely to have a crystallinity similar to that of the CAAC-OS. However, the oxide layer 106c is not limited to be crystalline, and may be amorphous.

なお、酸化物層106dは、非晶質または結晶質のいずれであっても構わない。 Note that the oxide layer 106d may be either amorphous or crystalline.

多層膜106を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体層106bはチャネルとなる層であるため、酸化物半導体層106bが高い結晶性を有すると、トランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。 In the transistor including the multilayer film 106, the oxide semiconductor layer 106b is a layer serving as a channel; therefore, it is preferable that the oxide semiconductor layer 106b have high crystallinity because stable electrical characteristics can be imparted to the transistor.

ここでは、多層膜106の結晶性について、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって原子配列を評価した。以下に、図14を用いて説明する。 Here, with respect to the crystallinity of the multilayer film 106, the atomic arrangement was evaluated by a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). This will be described below with reference to FIG.

ここで、酸化物層106aは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 Here, the oxide layer 106 a is an oxide formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). Is a layer. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

また、酸化物半導体層106bは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を400℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide semiconductor layer 106b is an oxide formed by a sputtering method with the use of a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]). It is a semiconductor layer. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 400 ° C., and DC power of 0.5 kW.

また、酸化物層106cは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比])であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを30sccm、酸素ガスを15sccm用い、圧力を0.4Paとし、基板の温度を200℃とし、DC電力を0.5kW印加することで成膜した。 The oxide layer 106c is an oxide layer formed by a sputtering method using a target that is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 3: 2 [atomic ratio]). It is. The film was formed by using 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas as a film forming gas, a pressure of 0.4 Pa, a substrate temperature of 200 ° C., and a DC power of 0.5 kW.

図14は、シリコンウェハ上に設けられた酸化シリコン膜上に設けられた多層膜106を含む各試料の透過電子像である。なお、各試料に対し、加熱処理は行っていない。透過電子像は、日立透過電子顕微鏡H−9500を用いて測定した。 FIG. 14 is a transmission electron image of each sample including the multilayer film 106 provided on the silicon oxide film provided on the silicon wafer. Note that each sample was not heat-treated. The transmission electron image was measured using a Hitachi transmission electron microscope H-9500.

ここで、多層膜106は、酸化物層106aを厚さが20nmのIn−Ga−Zn酸化物とし、酸化物半導体層106bを厚さが15nmのIn−Ga−Zn酸化物とし、酸化物層106cを厚さが5nmのIn−Ga−Zn酸化物とした。図14(A)に酸化物層106a、酸化物半導体層106bおよび酸化物層106cを含む透過電子像を示す。図14(B)は、酸化物半導体層106bと酸化物層106cとの界面近傍の拡大図であり、図14(C)は酸化物層106aと酸化物半導体層106bとの界面近傍の拡大図であり、図14(D)は酸化シリコン膜と酸化物層106aとの界面近傍の拡大図である。 Here, in the multilayer film 106, the oxide layer 106a is an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 20 nm, the oxide semiconductor layer 106b is an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 15 nm, and the oxide layer 106c was an In—Ga—Zn oxide having a thickness of 5 nm. FIG. 14A illustrates a transmission electron image including the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b, and the oxide layer 106c. 14B is an enlarged view of the vicinity of the interface between the oxide semiconductor layer 106b and the oxide layer 106c, and FIG. 14C is an enlarged view of the vicinity of the interface between the oxide layer 106a and the oxide semiconductor layer 106b. FIG. 14D is an enlarged view of the vicinity of the interface between the silicon oxide film and the oxide layer 106a.

図14より、酸化物層106aは非晶質であることがわかった。なお、酸化物層106cは、酸化物半導体層106bとの界面近傍に結晶部を有する結晶質であることがわかった。また、酸化物半導体層106bは、酸化物層106aとの界面から高い結晶性を有する結晶質であることがわかった。なお、酸化物半導体層106bの結晶部の原子配列は、酸化物半導体層106bの上面と平行な面に並んだ層状の配列を形成することがわかった。また、酸化物半導体層106bの結晶部と結晶部の間に明確な結晶粒界は見られなかった。 FIG. 14 shows that the oxide layer 106a is amorphous. Note that the oxide layer 106c was found to be crystalline having a crystal part in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor layer 106b. Further, it was found that the oxide semiconductor layer 106b is crystalline having high crystallinity from the interface with the oxide layer 106a. Note that the atomic arrangement of crystal parts of the oxide semiconductor layer 106b was found to form a layered arrangement in a plane parallel to the upper surface of the oxide semiconductor layer 106b. In addition, a clear crystal grain boundary was not observed between the crystal parts of the oxide semiconductor layer 106b.

酸化物半導体層106bが結晶質であったことは、図9に示したToF−SIMSの結果とも適合する。即ち、酸化物層106aおよび酸化物層106cによって酸化物半導体層106bへのシリコンなどの不純物の混入が少なくなり、酸化物半導体層106bの結晶性の低下が起こらなかったと考えられる。 That the oxide semiconductor layer 106b is crystalline is compatible with the result of ToF-SIMS shown in FIG. That is, it is considered that the oxide layer 106a and the oxide layer 106c reduce the entry of impurities such as silicon into the oxide semiconductor layer 106b, so that the crystallinity of the oxide semiconductor layer 106b does not decrease.

このように、チャネルが形成される酸化物半導体層106bが高い結晶性を有し、かつ不純物や欠陥などに起因する準位が少ないと考えられるため、多層膜106を用いたトランジスタは安定した電気特性を有することがわかる。 In this manner, the oxide semiconductor layer 106b in which a channel is formed has high crystallinity and is considered to have few levels due to impurities, defects, and the like; thus, a transistor including the multilayer film 106 has stable electric characteristics. It can be seen that it has characteristics.

ここでは、絶縁表面上、非晶質膜上または非晶質絶縁膜上に、高い結晶性を有する酸化物半導体層が形成されるモデルについて、図15乃至図17を用いて説明する。 Here, a model in which an oxide semiconductor layer having high crystallinity is formed over an insulating surface, an amorphous film, or an amorphous insulating film will be described with reference to FIGS.

図15(A)は、高い配向性を有する多結晶酸化物半導体を含むターゲット1000にイオン1001が衝突し、結晶性を有するスパッタリング粒子1002が剥離する様子を示した模式図である。結晶粒は、ターゲット1000の表面と平行な劈開面を有する。また、結晶粒は、原子間の結合の弱い部分を有する。結晶粒にイオン1001が衝突した際に、原子間の結合の弱い部分の原子間結合が切れる。従って、スパッタリング粒子1002は、劈開面および原子間の結合の弱い部分によって切断され、平板状(またはペレット状)で剥離する。スパッタリング粒子1002のc軸方向は、スパッタリング粒子1002の平面に垂直な方向である(図15(B)参照。)。なお、スパッタリング粒子1002の有する平面の円相当径は、結晶粒の平均粒径の1/3000以上1/20以下、好ましくは1/1000以上1/30以下である。なお、面の円相当径とは、面の面積と等しい正円の直径をいう。 FIG. 15A is a schematic diagram illustrating a state where ions 1001 collide with a target 1000 including a polycrystalline oxide semiconductor having high orientation and a sputtered particle 1002 having crystallinity is separated. The crystal grains have a cleavage plane parallel to the surface of the target 1000. Further, the crystal grain has a portion having a weak bond between atoms. When the ion 1001 collides with the crystal grain, the interatomic bond is broken at a portion where the interatomic bond is weak. Therefore, the sputtered particle 1002 is cut by a cleavage plane and a portion having a weak bond between atoms, and peeled off in a flat plate shape (or a pellet shape). The c-axis direction of the sputtered particle 1002 is a direction perpendicular to the plane of the sputtered particle 1002 (see FIG. 15B). Note that the plane equivalent circle diameter of the sputtered particles 1002 is 1/3000 or more and 1/20 or less, and preferably 1/1000 or more and 1/30 or less, of the average grain size of crystal grains. The equivalent circle diameter of a surface means a diameter of a perfect circle that is equal to the area of the surface.

または、結晶粒の一部が劈開面から粒子として剥離し、プラズマ1005に曝されることで原子間の結合の弱い部分から結合が切れ、複数のスパッタリング粒子1002が生成される。 Alternatively, part of the crystal grains is separated from the cleavage plane as particles and exposed to plasma 1005, whereby bonds are broken from portions where bonds between atoms are weak, and a plurality of sputtered particles 1002 are generated.

イオン1001として酸素の陽イオンを用いることで、成膜時のプラズマダメージを軽減することができる。具体的には、イオン1001がターゲット1000の表面に衝突した際に、ターゲット1000の結晶性が低下すること、または非晶質化することを抑制できる。 By using an oxygen cation as the ion 1001, plasma damage during film formation can be reduced. Specifically, when the ions 1001 collide with the surface of the target 1000, it is possible to suppress the crystallinity of the target 1000 from being lowered or becoming amorphous.

ここで、高い配向性を有する多結晶酸化物半導体を含むターゲット1000の一例として、図16(A)に、結晶のa−b面と平行に見たときのIn−Ga−Zn酸化物の結晶構造を示す。また、図16(A)において、破線で囲った部分を拡大し図16(B)に示す。 Here, as an example of the target 1000 including a polycrystalline oxide semiconductor having high orientation, a crystal of an In—Ga—Zn oxide as viewed in parallel with the ab plane of the crystal in FIG. The structure is shown. Further, in FIG. 16A, a portion surrounded by a broken line is enlarged and shown in FIG.

例えば、In−Ga−Zn酸化物に含まれる結晶粒において、図16(B)に示すガリウム原子または/および亜鉛原子ならびに酸素原子を有する第1の層と、ガリウム原子または/および亜鉛原子ならびに酸素原子を有する第2の層と、の間の面が劈開面である。これは、第1の層および第2の層の有するマイナスの電荷を有する酸素原子同士が近距離にあるためである(図16(B)の囲み部参照。)。このように、劈開面はa−b面に平行な面である。また、図16に示したIn−Ga−Zn酸化物の結晶は六方晶であるため、前述の平板状の結晶粒は内角が120°である正六角形の面を有する六角柱状となりやすい。 For example, in a crystal grain included in the In—Ga—Zn oxide, a first layer including a gallium atom and / or a zinc atom and an oxygen atom, a gallium atom and / or a zinc atom, and an oxygen atom illustrated in FIG. A plane between the second layer having atoms is a cleavage plane. This is because oxygen atoms having negative charges in the first layer and the second layer are located at a short distance (see a box in FIG. 16B). Thus, the cleavage plane is a plane parallel to the ab plane. In addition, since the crystal of the In—Ga—Zn oxide illustrated in FIG. 16 is a hexagonal crystal, the above-described tabular crystal grains are likely to have a hexagonal column shape having a regular hexagonal surface with an inner angle of 120 °.

スパッタリング粒子1002は、帯電させることが好ましい。なお、スパッタリング粒子1002の角部にそれぞれ同じ極性の電荷がある場合、スパッタリング粒子1002の形状が維持されるよう相互作用が起こる(反発し合う)ため好ましい(図15(B)参照。)。スパッタリング粒子1002が、例えばプラスに帯電することが考えられる。帯電するタイミングは特に問わないが、具体的にはイオン1001の衝突時に電荷を受け取ることでプラスに帯電させればよい。または、プラズマ1005が生じている場合、スパッタリング粒子1002をプラズマ1005に曝すことでプラスに帯電させればよい。または、酸素の陽イオンであるイオン1001をスパッタリング粒子1002の側面、上面または下面に結合させることでプラスに帯電させればよい。 The sputtered particles 1002 are preferably charged. Note that it is preferable that charges having the same polarity exist at the corners of the sputtered particle 1002 because interaction occurs (repels) so that the shape of the sputtered particle 1002 is maintained (see FIG. 15B). It is conceivable that the sputtered particles 1002 are positively charged, for example. The timing of charging is not particularly limited, but specifically, it may be positively charged by receiving a charge when the ion 1001 collides. Alternatively, when the plasma 1005 is generated, the sputtered particles 1002 may be positively charged by being exposed to the plasma 1005. Alternatively, the ion 1001 which is an oxygen cation may be positively charged by bonding to the side surface, the upper surface, or the lower surface of the sputtered particle 1002.

以下に、スパッタリング粒子の被成膜面に堆積する様子を図17を用いて説明する。なお、図17では、既に堆積済みのスパッタリング粒子を点線で示す。 Hereinafter, how the sputtered particles are deposited on the film formation surface will be described with reference to FIG. In FIG. 17, the sputtered particles that have already been deposited are indicated by dotted lines.

図17(A)に、非晶質膜1004上にスパッタリング粒子1002が堆積して形成された酸化物半導体層1003を示す。図17(A)より、スパッタリング粒子1002がプラズマ1005に曝されることによりプラスに帯電していることで、スパッタリング粒子1002は、他のスパッタリング粒子1002の堆積していない領域に堆積していく。これは、スパッタリング粒子1002がプラスに帯電していることにより、スパッタリング粒子1002同士が互いに反発し合うためである。このようなスパッタリング粒子の堆積は、絶縁表面上または非晶質絶縁膜上においても可能となる。 FIG. 17A illustrates an oxide semiconductor layer 1003 formed by depositing sputtering particles 1002 over an amorphous film 1004. As shown in FIG. 17A, when the sputtered particles 1002 are positively charged by being exposed to the plasma 1005, the sputtered particles 1002 are deposited in a region where the other sputtered particles 1002 are not deposited. This is because the sputtered particles 1002 are positively charged and the sputtered particles 1002 repel each other. Such sputtering particles can be deposited on an insulating surface or an amorphous insulating film.

図17(B)は、図17(A)の一点鎖線X−Yに対応する断面図である。酸化物半導体層1003は、c軸方向が平面と垂直である平板状のスパッタリング粒子1002が整然と堆積することによって形成される。従って、酸化物半導体層1003は、被形成面に垂直な方向に結晶のc軸が揃ったCAAC−OSとなる。以上に示したモデルをとることにより、絶縁表面上、非晶質膜上または非晶質絶縁膜上であっても結晶性高くCAAC−OSを形成することができる。 FIG. 17B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X-Y in FIG. The oxide semiconductor layer 1003 is formed by orderly depositing tabular sputtered particles 1002 whose c-axis direction is perpendicular to a plane. Therefore, the oxide semiconductor layer 1003 is a CAAC-OS in which c-axes of crystals are aligned in a direction perpendicular to a formation surface. By taking the model shown above, a CAAC-OS can be formed with high crystallinity even on an insulating surface, an amorphous film, or an amorphous insulating film.

1−4.製造装置について
酸化物半導体層106bに含まれる不純物濃度が低いことによって、トランジスタの電気特性は安定となる。また、酸化物半導体層106bが高い結晶性を有することで、酸化物半導体層106bが非晶質である場合と比べて、トランジスタの電気特性は安定となる。以下では、不純物濃度が低く、結晶性の高い酸化物半導体層106bとなる酸化物半導体層136bを成膜するための成膜装置について説明する。
1-4. When the concentration of impurities contained in the oxide semiconductor layer 106b in the manufacturing apparatus is low, the electrical characteristics of the transistor are stabilized. In addition, since the oxide semiconductor layer 106b has high crystallinity, the electrical characteristics of the transistor are more stable than in the case where the oxide semiconductor layer 106b is amorphous. Hereinafter, a film formation apparatus for forming the oxide semiconductor layer 136b which is the oxide semiconductor layer 106b with low impurity concentration and high crystallinity will be described.

まずは、成膜時に不純物の入り込みが少ない成膜装置の構成について図18を用いて説明する。 First, a structure of a film formation apparatus in which impurities hardly enter during film formation will be described with reference to FIG.

図18(A)は、マルチチャンバーの成膜装置の上面図である。該成膜装置は、基板を収容するカセットポート74を3つ有する大気側基板供給室71と、ロードロック室72aおよびアンロードロック室72bと、搬送室73と、搬送室73aと、搬送室73bと、基板加熱室75と、成膜室70aと、成膜室70bと、を有する。大気側基板供給室70は、ロードロック室72aおよびアンロードロック室72bと接続する。ロードロック室72aおよびアンロードロック室72bは、搬送室73aおよび搬送室73bを介して搬送室73と接続する。基板加熱室75、成膜室70aおよび成膜室70bは、搬送室73とのみ接続する。なお、各室の接続部にはゲートバルブ(GV)が設けられており、大気側基板供給室71を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板供給室70および搬送室73は、一以上の基板搬送ロボット76を有し、基板を搬送することができる。ここで、基板加熱室75は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。枚葉式マルチチャンバーの成膜装置は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室の数は、上述の数に限定されるわけではなく、設置スペースやプロセスに併せて適宜決めればよい。 FIG. 18A is a top view of a multi-chamber film formation apparatus. The film forming apparatus includes an atmosphere side substrate supply chamber 71 having three cassette ports 74 for accommodating substrates, a load lock chamber 72a and an unload lock chamber 72b, a transfer chamber 73, a transfer chamber 73a, and a transfer chamber 73b. A substrate heating chamber 75, a film forming chamber 70a, and a film forming chamber 70b. The atmosphere side substrate supply chamber 70 is connected to the load lock chamber 72a and the unload lock chamber 72b. The load lock chamber 72a and the unload lock chamber 72b are connected to the transfer chamber 73 via the transfer chamber 73a and the transfer chamber 73b. The substrate heating chamber 75, the film formation chamber 70a, and the film formation chamber 70b are connected only to the transfer chamber 73. In addition, a gate valve (GV) is provided at a connection portion of each chamber, and each chamber can be maintained in a vacuum state independently of the atmosphere side substrate supply chamber 71. The atmosphere-side substrate supply chamber 70 and the transfer chamber 73 have one or more substrate transfer robots 76 and can transfer a substrate. Here, it is preferable that the substrate heating chamber 75 also serves as a plasma processing chamber. Since the single-wafer multi-chamber film forming apparatus can transfer a substrate without exposing the substrate between processes, the adsorption of impurities to the substrate can be suppressed. In addition, the order of film formation and heat treatment can be established freely. Note that the number of transfer chambers, film formation chambers, load lock chambers, unload lock chambers, and substrate heating chambers is not limited to the above-described numbers, and may be determined as appropriate in accordance with installation space and processes.

図18(B)は、図18(A)と構成の異なるマルチチャンバーの成膜装置の上面図である。該成膜装置は、カセットポート84を有する大気側基板供給室81と、ロード/アンロードロック室82と、搬送室83と、基板加熱室85と、成膜室80aと、成膜室80bと、成膜室80cと、成膜室80dと、を有する。大気側基板供給室81、基板加熱室85、成膜室80a、成膜室80b、成膜室80cおよび成膜室80dは、搬送室83を介してそれぞれ接続される。 FIG. 18B is a top view of a multi-chamber film formation apparatus having a structure different from that in FIG. The film forming apparatus includes an atmosphere side substrate supply chamber 81 having a cassette port 84, a load / unload lock chamber 82, a transfer chamber 83, a substrate heating chamber 85, a film forming chamber 80a, and a film forming chamber 80b. And a film forming chamber 80c and a film forming chamber 80d. The atmosphere-side substrate supply chamber 81, the substrate heating chamber 85, the film formation chamber 80 a, the film formation chamber 80 b, the film formation chamber 80 c, and the film formation chamber 80 d are connected via the transfer chamber 83.

なお、各室の接続部にはゲートバルブ(GV)が設けられており、大気側基板供給室81を除き各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板供給室81および搬送室83は一以上の基板搬送ロボット86を有し、ガラス基板を搬送することができる。 Note that a gate valve (GV) is provided at a connecting portion of each chamber, and each chamber can be kept in a vacuum state independently of the atmosphere side substrate supply chamber 81. The atmosphere side substrate supply chamber 81 and the transfer chamber 83 have one or more substrate transfer robots 86, and can transfer a glass substrate.

ここで、図19を用いて図18(A)に示す成膜室(スパッタリング室)の詳細について説明する。成膜室80は、ターゲット87と、防着板88と、基板ステージ90と、を有する。なお、ここでは基板ステージ90には、ガラス基板89が設置されている。基板ステージ90は、図示しないが、ガラス基板89を保持する基板保持機構や、ガラス基板89を裏面から加熱する裏面ヒーターなどを備えていても良い。また、防着板88によって、ターゲット87からスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制できる。 Here, the details of the deposition chamber (sputtering chamber) illustrated in FIG. 18A will be described with reference to FIG. The film forming chamber 80 includes a target 87, a deposition preventing plate 88, and a substrate stage 90. Here, a glass substrate 89 is installed on the substrate stage 90. Although not shown, the substrate stage 90 may include a substrate holding mechanism for holding the glass substrate 89, a back heater for heating the glass substrate 89 from the back surface, and the like. Further, the deposition preventing plate 88 can suppress accumulation of particles sputtered from the target 87 in an unnecessary region.

また、図19(A)に示す成膜室80bは、ゲートバルブを介して、搬送室83と接続しており、搬送室83はゲートバルブを介してロード/アンロードロック室82と接続されている。搬送室83には、基板搬送ロボット86が設けられており、成膜室80bとロード/アンロードロック室82とのガラス基板の受け渡しを行うことができる。また、ロード/アンロードロック室82は、一つの真空チャンバー内で上下に分かれており、いずれか一方をロード室として用い、他方をアンロード室として用いることができる。このような構造とすることで、スパッタリング装置の設置面積を縮小することができるため、好適である。 19A is connected to a transfer chamber 83 via a gate valve, and the transfer chamber 83 is connected to a load / unload lock chamber 82 via a gate valve. Yes. A substrate transfer robot 86 is provided in the transfer chamber 83, and the glass substrate can be transferred between the film forming chamber 80b and the load / unload lock chamber 82. The load / unload lock chamber 82 is divided into upper and lower portions in one vacuum chamber, and either one can be used as a load chamber and the other can be used as an unload chamber. Such a structure is preferable because the installation area of the sputtering apparatus can be reduced.

また、図19(A)に示す成膜室80bは、マスフローコントローラ97を介して精製機94と接続される。なお、精製機94およびマスフローコントローラ97は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。成膜室80などに用いるガスは、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下であるガスを用いる。露点の低い酸素ガス、希ガス(アルゴンガスなど)などを用いることで、成膜時に混入する水分を低減することができる。 Further, the film formation chamber 80 b shown in FIG. 19A is connected to the purifier 94 through the mass flow controller 97. In addition, although the refiner 94 and the mass flow controller 97 are provided by the number of gas types, only one is shown for simplicity. A gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower is used as the gas used for the film formation chamber 80 or the like. By using an oxygen gas, a rare gas (such as argon gas), or the like having a low dew point, moisture mixed during film formation can be reduced.

また、図19(A)に示す成膜室80bは、バルブを介してクライオポンプ95aと接続され、搬送室83は、ゲートバルブを介してクライオポンプ95bと接続され、ロード/アンロードロック室82は、ゲートバルブを介して真空ポンプ96と接続される。なお、ロード/アンロードロック室82は、ロードロック室、アンロードロック室をそれぞれ独立して真空ポンプと接続してもよい。また、成膜室80bおよび搬送室83は、それぞれゲートバルブを介して真空ポンプ96と接続される。 19A is connected to a cryopump 95a through a valve, and the transfer chamber 83 is connected to the cryopump 95b through a gate valve, and a load / unload lock chamber 82 is connected. Is connected to a vacuum pump 96 through a gate valve. The load / unload lock chamber 82 may be connected to the vacuum pump independently of the load lock chamber and the unload lock chamber. The film forming chamber 80b and the transfer chamber 83 are each connected to a vacuum pump 96 through gate valves.

なお、真空ポンプ96は、例えば、ドライポンプおよびメカニカルブースターポンプが直列に接続されたものとすればよい。このような構成とすることで、成膜室80bおよび搬送室83は、大気圧から低真空(0.1Pa〜10Pa程度)までは真空ポンプ96を用いて排気し、バルブを切り替えて低真空から高真空(1×10−4Pa〜1×10−7Pa)まではクライオポンプ95aまたはクライオポンプ95bを用いて排気される。 The vacuum pump 96 may be, for example, a dry pump and a mechanical booster pump connected in series. With such a configuration, the film formation chamber 80b and the transfer chamber 83 are evacuated from the atmospheric pressure to low vacuum (about 0.1 Pa to 10 Pa) using the vacuum pump 96, and the valves are switched to start from the low vacuum. Up to high vacuum (1 × 10 −4 Pa to 1 × 10 −7 Pa) is exhausted using the cryopump 95a or the cryopump 95b.

次に、図19(B)を用いて図18(B)に示す成膜室の一例について説明する。 Next, an example of the deposition chamber illustrated in FIG. 18B will be described with reference to FIG.

図19(B)に示す成膜室80はゲートバルブを介して、搬送室83と接続しており、搬送室83はゲートバルブを介してロード/アンロードロック室82と接続されている。 The film formation chamber 80 shown in FIG. 19B is connected to the transfer chamber 83 via a gate valve, and the transfer chamber 83 is connected to the load / unload lock chamber 82 via a gate valve.

図19(B)に示す成膜室80bは、ガス加熱機構98を介してマスフローコントローラ97と接続され、ガス加熱機構98はマスフローコントローラ97を介して精製機94と接続される。ガス加熱機構98により、成膜室80に用いるガスを40℃以上400℃以下、または50℃以上200℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構98、精製機94およびマスフローコントローラ97は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。 A film formation chamber 80 b shown in FIG. 19B is connected to a mass flow controller 97 through a gas heating mechanism 98, and the gas heating mechanism 98 is connected to a purifier 94 through the mass flow controller 97. The gas used in the film formation chamber 80 can be heated to 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, or 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower by the gas heating mechanism 98. In addition, although the gas heating mechanism 98, the refiner | purifier 94, and the mass flow controller 97 are provided by the number of gas types, only one is shown for simplicity.

図19(B)に示す成膜室80bは、バルブを介してターボ分子ポンプ95cおよび真空ポンプ96bと接続される。なお、ターボ分子ポンプ95cは、補助ポンプとしてバルブを介して真空ポンプ96aが設けられる。真空ポンプ96aおよび真空ポンプ96bは真空ポンプ96と同様の構成とすればよい。 A film formation chamber 80b shown in FIG. 19B is connected to a turbo molecular pump 95c and a vacuum pump 96b through valves. The turbo molecular pump 95c is provided with a vacuum pump 96a via a valve as an auxiliary pump. The vacuum pump 96a and the vacuum pump 96b may have the same configuration as the vacuum pump 96.

また、図19(B)に示す成膜室80bは、クライオトラップ99が設けられる。 In addition, a deposition chamber 80b illustrated in FIG. 19B is provided with a cryotrap 99.

ターボ分子ポンプ95cは大きいサイズの分子(原子)を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低いことが知られる。そこで、水などの比較的融点の高い分子(原子)に対する排気能力が高い、クライオトラップ99が成膜室80に接続された構成としている。クライオトラップ99の冷凍機の温度は100K以下、好ましくは80K以下とする。また、クライオトラップ99が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、1段目の冷凍機の温度を100K以下とし、2段目の冷凍機の温度を20K以下とすればよい。 It is known that the turbo molecular pump 95c stably evacuates large-sized molecules (atoms) and has a low maintenance frequency. Therefore, the turbo molecular pump 95c is excellent in productivity, but has a low exhaust capability of hydrogen or water. Therefore, a cryotrap 99 having a high exhaust capability for molecules (atoms) having a relatively high melting point such as water is connected to the film forming chamber 80. The temperature of the refrigerator of the cryotrap 99 is 100K or less, preferably 80K or less. In addition, when the cryotrap 99 includes a plurality of refrigerators, it is preferable to change the temperature for each refrigerator because exhaust can be efficiently performed. For example, the temperature of the first stage refrigerator may be 100K or less, and the temperature of the second stage refrigerator may be 20K or less.

また、図19(B)に示す搬送室83は、真空ポンプ96b、クライオポンプ95dおよびクライオポンプ95eとそれぞれバルブを介して接続される。クライオポンプが1台の場合、クライオポンプをリジェネしている間は排気することができないが、クライオポンプを2台以上並列に接続することで、1台がリジェネ中であっても残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、クライオポンプのリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子(原子)を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子(原子)をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。 Further, the transfer chamber 83 shown in FIG. 19B is connected to the vacuum pump 96b, the cryopump 95d, and the cryopump 95e through valves. If there is only one cryopump, it cannot be exhausted while the cryopump is being regenerated, but by connecting two or more cryopumps in parallel, the remaining cryopumps can be used even if one is being regenerated. It becomes possible to exhaust using. Note that cryopump regeneration refers to a process of releasing molecules (atoms) trapped in the cryopump. The cryopump is periodically regenerated because the exhaust capacity is reduced if molecules (atoms) are accumulated too much.

また、図19(B)に示すロード/アンロードロック室82は、クライオポンプ95fおよび真空ポンプ96cとそれぞれバルブを介して接続される。なお、真空ポンプ96cは真空ポンプ96と同様の構成とすればよい。 Further, the load / unload lock chamber 82 shown in FIG. 19B is connected to the cryopump 95f and the vacuum pump 96c through valves. The vacuum pump 96c may have the same configuration as the vacuum pump 96.

成膜室80bに、ターゲット対向式スパッタリング装置を適用してもよい。 A target-facing sputtering apparatus may be applied to the film formation chamber 80b.

なお、成膜室80bに、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。 Note that a parallel plate sputtering apparatus or an ion beam sputtering apparatus may be applied to the film formation chamber 80b.

次に、図20を用いて図18(B)に示す基板加熱室の一例の排気について説明する。 Next, exhaust of an example of the substrate heating chamber illustrated in FIG. 18B will be described with reference to FIG.

図20に示す基板加熱室85はゲートバルブを介して、搬送室83と接続している。なお、搬送室83はゲートバルブを介してロード/アンロードロック室82と接続されている。なお、ロード/アンロードロック室82の構成は図19(A)または図19(B)の構成と同様である。 The substrate heating chamber 85 shown in FIG. 20 is connected to the transfer chamber 83 through a gate valve. The transfer chamber 83 is connected to the load / unload lock chamber 82 via a gate valve. The configuration of the load / unload lock chamber 82 is the same as the configuration of FIG. 19A or 19B.

図20に示す基板加熱室85は、マスフローコントローラ97を介して精製機94と接続される。なお、精製機94およびマスフローコントローラ97は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。また、基板加熱室85は、バルブを介して真空ポンプ96bと接続される。 The substrate heating chamber 85 shown in FIG. 20 is connected to the refiner 94 via the mass flow controller 97. In addition, although the refiner 94 and the mass flow controller 97 are provided by the number of gas types, only one is shown for simplicity. The substrate heating chamber 85 is connected to the vacuum pump 96b via a valve.

また、基板加熱室85は、基板ステージ92を有する。基板ステージ92は、少なくとも1枚の基板が設置できればよく、複数の基板を設置可能な基板ステージとしても構わない。また、基板加熱室85は、加熱機構93を有する。加熱機構93は、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)などのRTA(Rapid Thermal Anneal)を用いることができる。LRTA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。GRTAは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。 The substrate heating chamber 85 has a substrate stage 92. The substrate stage 92 only needs to be able to install at least one substrate, and may be a substrate stage on which a plurality of substrates can be installed. The substrate heating chamber 85 has a heating mechanism 93. The heating mechanism 93 may be a heating mechanism that heats using a resistance heating element, for example. Alternatively, a heating mechanism that heats by heat conduction or heat radiation from a medium such as a heated gas may be used. For example, RTA (Rapid Thermal Anneal) such as GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) and LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) can be used. LRTA heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. GRTA performs heat treatment using a high-temperature gas. An inert gas is used as the gas.

なお、成膜室80bおよび基板加熱室85の背圧は、1×10−4Pa以下、好ましくは3×10−5Pa以下、さらに好ましくは1×10−5Pa以下である。 Note that the back pressure of the film forming chamber 80b and the substrate heating chamber 85 is 1 × 10 −4 Pa or less, preferably 3 × 10 −5 Pa or less, and more preferably 1 × 10 −5 Pa or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが18である気体分子(原子)の分圧が3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the partial pressure of gas molecules (atoms) having an m / z of 18 is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 × 10 −6 Pa or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが28である気体分子(原子)の分圧が3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the partial pressure of gas molecules (atoms) having an m / z of 28 is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 × 10 −6 Pa or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが44である気体分子(原子)の分圧が3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the partial pressure of gas molecules (atoms) having an m / z of 44 is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 × 10 −6 Pa or less.

なお、成膜室80bおよび基板加熱室85は、リークレートが3×10−6Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。 Note that the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85 have a leak rate of 3 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが18である気体分子(原子)のリークレートが1×10−7Pa・m/s以下、好ましくは3×10−8Pa・m/s以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the leak rate of gas molecules (atoms) whose m / z is 18 is 1 × 10 −7 Pa · m 3 / s or less, preferably 3 × 10 −8 Pa. · m is 3 / s or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが28である気体分子(原子)のリークレートが1×10−5Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the leak rate of gas molecules (atoms) having an m / z of 28 is 1 × 10 −5 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa. · m is 3 / s or less.

また、成膜室80bおよび基板加熱室85は、m/zが44である気体分子(原子)のリークレートが3×10−6Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。 In the film formation chamber 80b and the substrate heating chamber 85, the leak rate of gas molecules (atoms) having an m / z of 44 is 3 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa. · m is 3 / s or less.

なお、成膜室、基板加熱室、搬送室などの真空室内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計(Q−massともいう。)Qulee CGM−051を用いればよい。なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。 Note that the total pressure and partial pressure in a vacuum chamber such as a film formation chamber, a substrate heating chamber, or a transfer chamber can be measured using a mass spectrometer. For example, a quadrupole mass spectrometer (also referred to as Q-mass) Qulee CGM-051 manufactured by ULVAC, Inc. may be used. The leak rate may be derived from the total pressure and partial pressure measured using the mass spectrometer described above.

リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。 The leak rate depends on the external leak and the internal leak. An external leak is a gas flowing from outside the vacuum system due to a minute hole or a seal failure. The internal leak is caused by leakage from a partition such as a valve in the vacuum system or gas released from an internal member. In order to make the leak rate below the above-mentioned numerical value, it is necessary to take measures from both the external leak and the internal leak.

例えば、成膜室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはOリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。 For example, the open / close portion of the film formation chamber may be sealed with a metal gasket. The metal gasket is preferably a metal covered with iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide. Metal gaskets have higher adhesion than O-rings and can reduce external leakage. In addition, by using the passivation of a metal covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like, emission gas containing impurities released from the metal gasket can be suppressed, and internal leakage can be reduced.

成膜装置を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。 As a member constituting the film formation apparatus, aluminum, chromium, titanium, zirconium, nickel, or vanadium that emits less impurities and contains less gas is used. Further, the above-described member may be used by being coated with an alloy containing iron, chromium, nickel and the like. Alloys containing iron, chromium, nickel, etc. are rigid, heat resistant and suitable for processing. Here, if the surface irregularities of the member are reduced by polishing or the like in order to reduce the surface area, the emitted gas can be reduced.

または、前述の成膜装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。 Alternatively, the member of the above-described film formation apparatus may be covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like.

成膜装置の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。 It is preferable that the members of the film forming apparatus be made of only metal as much as possible. For example, when a viewing window made of quartz or the like is installed, the surface is made of iron fluoride, aluminum oxide, or oxide in order to suppress the released gas. It is good to coat thinly with chrome.

なお、成膜ガスを流す直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室までの配管の長さを10m以下、好ましくは5m以下、さらに好ましくは1m以下とする。配管の長さを10m以下、5m以下または1m以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。 Note that in the case where a purifier is provided immediately before the film formation gas flows, the length of the pipe from the purifier to the film formation chamber is 10 m or less, preferably 5 m or less, and more preferably 1 m or less. By setting the length of the pipe to 10 m or less, 5 m or less, or 1 m or less, the influence of the gas released from the pipe can be reduced according to the length.

さらに、成膜ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばSUS316L−EP配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、成膜ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手(UPG継手)を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。 Further, a metal pipe whose inside is covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like may be used for the film forming gas pipe. The above-described piping has a smaller amount of gas containing impurities compared to, for example, SUS316L-EP piping, and can reduce the entry of impurities into the deposition gas. Moreover, it is good to use a high performance ultra-small metal gasket joint (UPG joint) for the joint of piping. In addition, it is preferable that the pipes are all made of metal, because the influence of the generated released gas and external leakage can be reduced as compared with the case where resin or the like is used.

成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を10倍程度大きくすることができる。ベーキングは100℃以上450℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に流しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物半導体層を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。 The adsorbate present in the film forming chamber does not affect the pressure in the film forming chamber because it is adsorbed on the inner wall or the like, but causes gas emission when the film forming chamber is exhausted. Therefore, although there is no correlation between the leak rate and the exhaust speed, it is important to desorb the adsorbate present in the film formation chamber as much as possible and exhaust it in advance using a pump having a high exhaust capability. Note that the deposition chamber may be baked to promote desorption of the adsorbate. Baking can increase the desorption rate of the adsorbate by about 10 times. Baking may be performed at 100 ° C to 450 ° C. At this time, if the adsorbate is removed while flowing an inert gas into the film formation chamber, the desorption rate of water or the like that is difficult to desorb by simply exhausting can be further increased. Note that the desorption rate of the adsorbate can be further increased by heating the inert gas to the same temperature as the baking temperature. Here, it is preferable to use a rare gas as the inert gas. Further, depending on the type of film to be formed, oxygen or the like may be used instead of the inert gas. For example, in the case where an oxide semiconductor layer is formed, it may be preferable to use oxygen which is a main component.

または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを流すことで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスを流すことで成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は2回以上30回以下、好ましくは5回以上15回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が40℃以上400℃以下、または50℃以上200℃以下である不活性ガスまたは酸素などを流すことで成膜室内の圧力を0.1Pa以上10kPa以下、好ましくは1Pa以上1kPa以下、さらに好ましくは5Pa以上100Pa以下とし、圧力を保つ期間を1分以上300分以下、好ましくは5分以上120分以下とすればよい。その後、成膜室を5分以上300分以下、好ましくは10分以上120分以下の期間排気する。 Alternatively, it is preferable to increase the pressure in the deposition chamber by flowing an inert gas such as a heated rare gas or oxygen, and exhaust the deposition chamber again after a predetermined time has elapsed. By flowing the heated gas, the adsorbate in the deposition chamber can be desorbed, and impurities present in the deposition chamber can be reduced. In addition, it is effective when this treatment is repeated 2 times or more and 30 times or less, preferably 5 times or more and 15 times or less. Specifically, by flowing an inert gas or oxygen having a temperature of 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, or 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the pressure in the deposition chamber is 0.1 Pa or higher and 10 kPa or lower, preferably 1 Pa or higher. 1 kPa or less, more preferably 5 Pa or more and 100 Pa or less, and the pressure maintaining period may be 1 minute or more and 300 minutes or less, preferably 5 minutes or more and 120 minutes or less. After that, the film formation chamber is evacuated for a period of 5 minutes to 300 minutes, preferably 10 minutes to 120 minutes.

また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましく、例えば後述する基板100と同様の基板を用いてもよい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。 Further, the desorption rate of the adsorbate can be further increased by performing dummy film formation. Dummy film formation is performed by depositing a film on the dummy substrate by sputtering or the like, thereby depositing a film on the dummy substrate and the inner wall of the film forming chamber, and depositing impurities on the film forming chamber and adsorbed material on the inner wall of the film forming film. It means confining inside. The dummy substrate is preferably a substrate with a small amount of released gas. For example, a substrate similar to the substrate 100 described later may be used. By performing dummy film formation, the impurity concentration in a film to be formed later can be reduced. The dummy film formation may be performed simultaneously with baking.

以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層を成膜することで、酸化物半導体層への不純物の入り込みを抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層に接する膜を成膜することで、酸化物半導体層に接する膜から酸化物半導体層へ不純物の入り込みを抑制できる。 By forming an oxide semiconductor layer using the above deposition apparatus, entry of impurities into the oxide semiconductor layer can be suppressed. Further, by using the above deposition apparatus to form a film in contact with the oxide semiconductor layer, entry of impurities from the film in contact with the oxide semiconductor layer to the oxide semiconductor layer can be suppressed.

次に、上述した成膜装置を用いて、酸化物層106aとなる酸化物層136a、酸化物半導体層106bとなる酸化物半導体層136bおよび酸化物層106cとなる酸化物層136cを成膜する方法について説明する。 Next, the oxide layer 136a to be the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 136b to be the oxide semiconductor layer 106b, and the oxide layer 136c to be the oxide layer 106c are formed using the film formation apparatus described above. A method will be described.

次に、酸化物層136aを成膜する。酸化物層136aは、基板加熱温度を室温(25℃)以上600℃以下、好ましくは70℃以上550℃以下、さらに好ましくは100℃以上500℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物層136aの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタリング粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物層136aの結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物層136aが成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は30体積%以上、好ましくは50体積%以上、より好ましくは80体積%以上とする。酸化物層136aは、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を0.8Pa以下、好ましくは0.4Pa以下とし、圧力を安定させるために10秒以上1000秒以下、好ましくは15秒以上720秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物層136aを成膜する際の不純物の混入量を低減できる。ただし、酸化物層136aは、非晶質であってもよいため、意図的に70℃未満の低温、酸素ガスの割合が30体積%未満として成膜しても構わない。 Next, an oxide layer 136a is formed. The oxide layer 136a is formed in an oxygen gas atmosphere at a substrate heating temperature of room temperature (25 ° C.) to 600 ° C., preferably 70 ° C. to 550 ° C., more preferably 100 ° C. to 500 ° C. The higher the heating temperature during film formation, the lower the impurity concentration of the oxide layer 136a. Further, migration of sputtered particles easily occurs on the deposition surface, so that the atomic arrangement is aligned and the density is increased, and the crystallinity of the oxide layer 136a is increased. Further, by forming the film in an oxygen gas atmosphere, plasma damage is reduced and extra atoms such as a rare gas are not included, so that the oxide layer 136a with high crystallinity is formed. However, a mixed atmosphere of oxygen gas and rare gas may be used. In that case, the ratio of oxygen gas is 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more. In order to stabilize the pressure, the oxide layer 136a is made not less than 10 seconds and not more than 1000 seconds in order to flow the deposition gas after flowing the substrate into the deposition chamber and set the deposition pressure to 0.8 Pa or less, preferably 0.4 Pa or less. Hereinafter, preferably, the film is formed after holding for 15 seconds or more and 720 seconds or less. By maintaining the above time for stabilizing the pressure, the amount of impurities mixed when the oxide layer 136a is formed can be reduced. However, since the oxide layer 136a may be amorphous, the oxide layer 136a may be intentionally formed at a low temperature of less than 70 ° C. and a ratio of oxygen gas of less than 30% by volume.

次に、酸化物半導体層136bを成膜する。ターゲットは、表面温度が100℃以下、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは室温程度(代表的には20℃または25℃)とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることでZnなどが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや接着に用いている金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。従って、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。 Next, the oxide semiconductor layer 136b is formed. The target has a surface temperature of 100 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower, more preferably about room temperature (typically 20 ° C. or 25 ° C.). In a sputtering apparatus corresponding to a large area substrate, a large area target is often used. However, it is difficult to seamlessly produce a target having a size corresponding to a large area. In reality, a large number of targets are arranged side by side with as little gap as possible, but a slight gap is inevitably generated. From such a small gap, Zn or the like volatilizes as the surface temperature of the target increases, and the gap may gradually widen. When the gap widens, the backing plate and the metal used for bonding may be sputtered, which becomes a factor for increasing the impurity concentration. Therefore, it is preferable that the target is sufficiently cooled.

具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属(具体的にはCu)を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。ここで、十分な量の冷却水は、ターゲットの大きさにもよるが、例えば直径が300mmである正円形のターゲットの場合、3L/min以上、5L/min以上または10L/min以上とすればよい。 Specifically, a metal (specifically Cu) having high conductivity and high heat dissipation is used as the backing plate. Moreover, a target can be efficiently cooled by forming a water channel in the backing plate and flowing a sufficient amount of cooling water through the water channel. Here, although a sufficient amount of cooling water depends on the size of the target, for example, in the case of a regular circular target having a diameter of 300 mm, it should be 3 L / min or more, 5 L / min or more, or 10 L / min or more. Good.

酸化物半導体層136bは、基板加熱温度を100℃以上600℃以下、好ましくは150℃以上550℃以下、さらに好ましくは200℃以上500℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物半導体層136bの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタリング粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物半導体層136bの結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物半導体層136bが成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は30体積%以上、好ましくは50体積%以上、より好ましくは80体積%以上とする。 The oxide semiconductor layer 136b is formed in an oxygen gas atmosphere at a substrate heating temperature of 100 ° C to 600 ° C, preferably 150 ° C to 550 ° C, more preferably 200 ° C to 500 ° C. The higher the heating temperature at the time of film formation, the lower the impurity concentration of the oxide semiconductor layer 136b. Further, migration of sputtered particles easily occurs on the deposition surface, so that the atomic arrangement is aligned and the density is increased, and the crystallinity of the oxide semiconductor layer 136b is increased. Further, by forming the film in an oxygen gas atmosphere, plasma damage is reduced and extra atoms such as a rare gas are not included; thus, the oxide semiconductor layer 136b with high crystallinity is formed. However, a mixed atmosphere of oxygen gas and rare gas may be used. In that case, the ratio of oxygen gas is 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more.

なお、ターゲットがZnを含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、Znの揮発が起こりにくい酸化物半導体層136bを得ることができる。 Note that in the case where the target contains Zn, the oxide semiconductor layer 136b in which plasma damage is reduced and Zn is less likely to volatilize can be obtained by forming the film in an oxygen gas atmosphere.

酸化物半導体層136bは、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を0.8Pa以下、好ましくは0.4Pa以下とし、圧力を安定させるために10秒以上1000秒以下、好ましくは15秒以上720秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物半導体層136bを成膜する際の不純物の混入量を低減できる。このとき、ターゲットと基板との距離を40mm以下、好ましくは25mm以下とする。このような条件で酸化物半導体層136bを成膜することで、スパッタリング粒子と、別のスパッタリング粒子、ガス分子またはイオンとが衝突する頻度を下げることができる。即ち、成膜圧力に応じてターゲットと基板との距離をスパッタリング粒子、ガス分子またはイオンの平均自由行程よりも小さくすることで膜中に取り込まれる不純物濃度を低減できる。 In order to stabilize the pressure, the oxide semiconductor layer 136b is made to flow for 10 seconds or more in order to flow the deposition gas after the substrate is transferred to the deposition chamber and to set the deposition pressure to 0.8 Pa or less, preferably 0.4 Pa or less. The film is formed after holding for 15 seconds or less, preferably 15 seconds or more and 720 seconds or less. By maintaining the above time for stabilizing the pressure, the amount of impurities mixed when the oxide semiconductor layer 136b is formed can be reduced. At this time, the distance between the target and the substrate is set to 40 mm or less, preferably 25 mm or less. When the oxide semiconductor layer 136b is formed under such conditions, the frequency with which the sputtered particles collide with other sputtered particles, gas molecules, or ions can be reduced. That is, the impurity concentration taken into the film can be reduced by making the distance between the target and the substrate smaller than the mean free path of the sputtered particles, gas molecules or ions in accordance with the film forming pressure.

例えば、圧力を0.4Pa、温度を25℃(絶対温度を298K)における平均自由行程は、水素分子(H)が48.7mm、ヘリウム原子(He)が57.9mm、水分子(HO)が31.3mm、エタン分子(CH)が13.2mm、ネオン原子(Ne)が42.3mm、窒素分子(N)が23.2mm、一酸化炭素分子(CO)が16.0mm、酸素分子(O)が26.4mm、アルゴン原子(Ar)が28.3mm、二酸化炭素分子(CO)が10.9mm、クリプトン原子(Kr)が13.4mm、キセノン原子(Xe)が9.6mmである。なお、圧力が2倍になれば平均自由行程は2分の1になり、絶対温度が2倍になれば平均自由行程は2倍になる。 For example, the mean free path at a pressure of 0.4 Pa and a temperature of 25 ° C. (absolute temperature of 298 K) is as follows: hydrogen molecule (H 2 ) is 48.7 mm, helium atom (He) is 57.9 mm, and water molecule (H 2 O) is 31.3 mm, ethane molecule (CH 4 ) is 13.2 mm, neon atom (Ne) is 42.3 mm, nitrogen molecule (N 2 ) is 23.2 mm, and carbon monoxide molecule (CO) is 16.0 mm. Oxygen molecule (O 2 ) 26.4 mm, argon atom (Ar) 28.3 mm, carbon dioxide molecule (CO 2 ) 10.9 mm, krypton atom (Kr) 13.4 mm, xenon atom (Xe) It is 9.6 mm. When the pressure is doubled, the mean free path is halved, and when the absolute temperature is doubled, the mean free path is doubled.

平均自由行程は、圧力、温度および分子(原子)の直径から決まる。圧力および温度を一定とした場合は、分子(原子)の直径が大きいほど平均自由行程は短くなる。なお、各分子(原子)の直径は、Hが0.218nm、Heが0.200nm、HOが0.272nm、CHが0.419nm、Neが0.234nm、Nが0.316nm、COが0.380nm、Oが0.296nm、Arが0.286nm、COが0.460nm、Krが0.415nm、Xeが0.491nmである。 The mean free path is determined from pressure, temperature and the diameter of the molecule (atom). When the pressure and temperature are constant, the mean free path becomes shorter as the diameter of the molecule (atom) increases. In addition, the diameter of each molecule (atom) is 0.218 nm for H 2 , 0.200 nm for He, 0.272 nm for H 2 O, 0.419 nm for CH 4 , 0.234 nm for Ne, and 0.2 for N 2 . 316 nm, CO is 0.380 nm, O 2 is 0.296 nm, Ar is 0.286 nm, CO 2 is 0.460 nm, Kr is 0.415 nm, and Xe is 0.491 nm.

従って、分子(原子)の直径が大きいほど、平均自由行程が短くなり、かつ膜中に取り込まれた際には、分子(原子)の直径が大きいために結晶性を低下させる。そのため、例えば、Ar以上の直径を有する分子(原子)は結晶性を低下させる不純物になりやすいといえる。 Accordingly, the larger the diameter of the molecule (atom), the shorter the mean free path, and when taken into the film, the crystallinity is lowered because the diameter of the molecule (atom) is large. Therefore, for example, it can be said that a molecule (atom) having a diameter equal to or larger than Ar is likely to be an impurity that reduces crystallinity.

次に、酸化物層136cを成膜する。酸化物層136cは、基板加熱温度を室温(25℃)以上600℃以下、好ましくは70℃以上550℃以下、さらに好ましくは100℃以上500℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物層136cの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタリング粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物層136cの結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物層136cが成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は30体積%以上、好ましくは50体積%以上、より好ましくは80体積%以上とする。酸化物層136cは、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を0.8Pa以下、好ましくは0.4Pa以下とし、圧力を安定させるために10秒以上1000秒以下、好ましくは15秒以上720秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物層136cを成膜する際の不純物の混入量を低減できる。 Next, an oxide layer 136c is formed. The oxide layer 136c is formed in an oxygen gas atmosphere at a substrate heating temperature of room temperature (25 ° C.) to 600 ° C., preferably 70 ° C. to 550 ° C., more preferably 100 ° C. to 500 ° C. The higher the heating temperature during film formation, the lower the impurity concentration of the oxide layer 136c. Further, since migration of sputtered particles easily occurs on the deposition surface, the atomic arrangement is aligned, the density is increased, and the crystallinity of the oxide layer 136c is increased. Further, by forming the film in an oxygen gas atmosphere, plasma damage is reduced and extra atoms such as a rare gas are not included, so that the oxide layer 136c with high crystallinity is formed. However, a mixed atmosphere of oxygen gas and rare gas may be used. In that case, the ratio of oxygen gas is 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more. For the oxide layer 136c, after the substrate is transferred to the film formation chamber, a film formation gas is flowed, and the film formation pressure is set to 0.8 Pa or less, preferably 0.4 Pa or less. Hereinafter, preferably, the film is formed after holding for 15 seconds or more and 720 seconds or less. By maintaining the above time for stabilizing the pressure, the amount of impurities mixed when the oxide layer 136c is formed can be reduced.

次に、加熱処理を行う。加熱処理は、減圧下、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行う。加熱処理により、酸化物半導体層136b中の不純物濃度を低減することができる。 Next, heat treatment is performed. The heat treatment is performed under reduced pressure in an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. By the heat treatment, the impurity concentration in the oxide semiconductor layer 136b can be reduced.

加熱処理は、減圧下または不活性雰囲気で加熱処理を行った後、温度を保持しつつ酸化性雰囲気に切り替えてさらに加熱処理を行うと好ましい。これは、減圧下または不活性雰囲気にて加熱処理を行うと、酸化物半導体層136b中の不純物濃度を低減することができるが、同時に酸素欠損も生じてしまうためであり、このとき生じた酸素欠損を、酸化性雰囲気での加熱処理により低減することができる。 The heat treatment is preferably performed after the heat treatment is performed under reduced pressure or in an inert atmosphere, and then the heat treatment is performed by switching to an oxidizing atmosphere while maintaining the temperature. This is because when the heat treatment is performed under reduced pressure or in an inert atmosphere, the impurity concentration in the oxide semiconductor layer 136b can be reduced, but oxygen vacancies are generated at the same time. Defects can be reduced by heat treatment in an oxidizing atmosphere.

酸化物半導体層136bは、成膜時の基板加熱に加え、加熱処理を行うことで、膜中の不純物濃度を低減することが可能となる。 The oxide semiconductor layer 136b can be subjected to heat treatment in addition to substrate heating at the time of film formation, whereby the impurity concentration in the film can be reduced.

具体的には、酸化物半導体層136b中の水素濃度は、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とすることができる。 Specifically, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer 136b is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS. cm 3 or less, more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体層136b中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とすることができる。 The nitrogen concentration in the oxide semiconductor layer 136b is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less in SIMS. More preferably, it can be 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体層136b層中の炭素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは2×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とすることができる。 The carbon concentration in the oxide semiconductor layer 136b is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 2 × 10 18 atoms / cm 3 in SIMS. In the following, it can be more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体層136bは、昇温脱離ガス分光法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)分析によるm/zが2(水素分子など)である気体分子(原子)、m/zが18である気体分子(原子)、m/zが28である気体分子(原子)およびm/zが44である気体分子(原子)の放出量が、それぞれ1×1019個/cm以下、好ましくは1×1018個/cm以下とすることができる。 In addition, the oxide semiconductor layer 136b has a gas molecule (atom) in which m / z is 2 (hydrogen molecule or the like) according to a temperature desorption gas spectroscopy (TDS) analysis, and m / z is 18. gas molecule (atom), the released amount of gas molecules (atoms) m / z is a gas molecule (atom) and m / z is 28 is 44, respectively 1 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 18 pieces / cm 3 or less.

なお、TDS分析にて放出量を測定する方法については、後述の酸素原子の放出量の測定方法についての記載を参照する。 For the method of measuring the release amount by TDS analysis, refer to the description of the method for measuring the release amount of oxygen atoms described later.

以上のようにして、酸化物半導体層136bおよび酸化物層136cを成膜することで、酸化物半導体層136bの結晶性を高くでき、かつ酸化物半導体層136b、酸化物層136c、および酸化物半導体層136bと酸化物層136cとの界面における不純物濃度を低減することができる。 As described above, by forming the oxide semiconductor layer 136b and the oxide layer 136c, the crystallinity of the oxide semiconductor layer 136b can be increased, and the oxide semiconductor layer 136b, the oxide layer 136c, and the oxide The impurity concentration at the interface between the semiconductor layer 136b and the oxide layer 136c can be reduced.

2.トランジスタについて
以下では、酸化物半導体層106bにチャネルが形成される、多層膜106を用いたトランジスタについて説明する。
2. Hereinafter, a transistor including a multilayer film 106 in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer 106b is described.

2−1.トランジスタ構造(1)
本項では、トップゲート型トランジスタについて説明する。
2-1. Transistor structure (1)
In this section, a top-gate transistor will be described.

2−1−1.トランジスタ構造(1−1)
ここでは、トップゲート型トランジスタの一種であるトップゲートトップコンタクト構造(TGTC構造)のトランジスタについて図21を用いて説明する。
2-1-1. Transistor structure (1-1)
Here, a top-gate top-contact (TGTC) transistor, which is a kind of top-gate transistor, is described with reference to FIGS.

図21に、TGTC構造であるトランジスタの上面図および断面図を示す。図21(A)は、トランジスタの上面図を示す。図21(A)において、一点鎖線A1−A2に対応する断面図を図21(B)に示す。なお、図21(B)において、ソース電極116aおよび多層膜106の近傍を拡大した図を図21(D)に示す。また、図21(A)において、一点鎖線A3−A4に対応する断面図を図21(C)に示す。 FIG. 21 shows a top view and a cross-sectional view of a transistor having a TGTC structure. FIG. 21A illustrates a top view of a transistor. In FIG. 21A, a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 is illustrated in FIG. Note that FIG. 21D is an enlarged view of the vicinity of the source electrode 116a and the multilayer film 106 in FIG. FIG. 21C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG.

図21(B)に示すトランジスタは、基板100上に設けられた下地絶縁膜102と、下地絶縁膜102上に設けられた酸化物層106a、酸化物層106a上に設けられた酸化物半導体層106b、酸化物半導体層106b上に設けられた酸化物層106c、および少なくとも酸化物半導体層106bの側面に接して設けられた酸化物層106dを含む多層膜106と、下地絶縁膜102および多層膜106上に設けられたソース電極116aおよびドレイン電極116bと、多層膜106上に設けられたゲート絶縁膜112と、ゲート絶縁膜112上に設けられたゲート電極104と、多層膜106、ソース電極116a、ドレイン電極116b、ゲート絶縁膜112およびゲート電極104上に設けられ、ソース電極116aおよびドレイン電極116bに達する開口部を有する保護絶縁膜118と、保護絶縁膜118上に設けられ、保護絶縁膜118の開口部を介してソース電極116aおよびドレイン電極116bと接する配線122aおよび配線122bと、を有する。なお、トランジスタのゲート電極104は、ソース電極116aおよびドレイン電極116bと重ならない構造である。なお、トランジスタは、下地絶縁膜102を有さなくても構わない。 A transistor illustrated in FIG. 21B includes a base insulating film 102 provided over the substrate 100, an oxide layer 106a provided over the base insulating film 102, and an oxide semiconductor layer provided over the oxide layer 106a. 106b, a multilayer film 106 including an oxide layer 106c provided over the oxide semiconductor layer 106b, and an oxide layer 106d provided in contact with at least a side surface of the oxide semiconductor layer 106b; a base insulating film 102 and a multilayer film; The source electrode 116a and the drain electrode 116b provided on the gate 106, the gate insulating film 112 provided on the multilayer film 106, the gate electrode 104 provided on the gate insulating film 112, the multilayer film 106, and the source electrode 116a. , The drain electrode 116b, the gate insulating film 112, and the gate electrode 104, and the source electrode 116a and the drain electrode 116b. A protective insulating film 118 having an opening reaching the in-electrode 116b; a wiring 122a and a wiring 122b which are provided over the protective insulating film 118 and are in contact with the source electrode 116a and the drain electrode 116b through the opening of the protective insulating film 118; Have Note that the gate electrode 104 of the transistor has a structure which does not overlap with the source electrode 116a and the drain electrode 116b. Note that the transistor does not need to have the base insulating film 102.

なお、ソース電極116aおよびドレイン電極116bに用いる導電膜の種類によっては、多層膜106の一部から酸素を奪い、または混合層(導電膜の主成分である金属元素が多層膜106中に入り込んだ層)を形成し、チャネルとソース電極116aおよびドレイン電極116bとの間に、多層膜106中にソース領域およびドレイン領域を形成することがある。図21(B)では、ソース領域およびドレイン領域をn層と表記し、点線で示す。 Note that depending on the type of the conductive film used for the source electrode 116 a and the drain electrode 116 b, oxygen is removed from part of the multilayer film 106, or a mixed layer (a metal element which is a main component of the conductive film enters the multilayer film 106. A source region and a drain region may be formed in the multilayer film 106 between the channel and the source electrode 116a and the drain electrode 116b. In FIG. 21B, the source region and the drain region are denoted by n layers and indicated by dotted lines.

図21に示すトランジスタにおいて、チャネル形成領域は、ソース電極116aとドレイン電極116bとに挟まれ、かつゲート電極104と重なる多層膜106である。ここでは、酸化物半導体層106bに流れる電流の主経路をチャネルと呼ぶ。 In the transistor illustrated in FIG. 21, the channel formation region is a multilayer film 106 that is sandwiched between the source electrode 116 a and the drain electrode 116 b and overlaps with the gate electrode 104. Here, a main path of a current flowing through the oxide semiconductor layer 106b is referred to as a channel.

図21(C)に示すように、トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体層106bは、酸化物層106dが側面に設けられる構造となっている。酸化物半導体層106bの側面は、保護膜がない場合、酸素欠損などが生じやすく、また不純物濃度が高くなりやすい領域である。当該側面において、酸素欠損や不純物が多く存在すると、当該側面においてしきい値電圧の異なる第2のトランジスタが形成されたように振る舞うことがあり、トランジスタの電気特性がばらついてしまう。図21に示すトランジスタは、酸化物層106dが酸化物半導体層106bの側面を保護していることにより、当該側面に、酸素欠損が生じることがなく、また不純物濃度が高くなることがない。従って、電気特性の安定したトランジスタとなる。 As illustrated in FIG. 21C, the oxide semiconductor layer 106b forming the channel of the transistor has a structure in which an oxide layer 106d is provided on a side surface. The side surface of the oxide semiconductor layer 106b is a region where oxygen vacancies or the like are easily generated and the impurity concentration is easily increased in the absence of a protective film. If a large amount of oxygen vacancies or impurities exist on the side surface, it may behave as if a second transistor having a different threshold voltage is formed on the side surface, and the electrical characteristics of the transistor vary. In the transistor illustrated in FIG. 21, the oxide layer 106d protects the side surface of the oxide semiconductor layer 106b, so that oxygen vacancies are not generated in the side surface and the impurity concentration is not increased. Therefore, a transistor having stable electric characteristics is obtained.

また、図21(C)において、下地絶縁膜102は、厚さの異なる三つの領域を有する。具体的には、酸化物層106aと接する第1の領域が最も厚さが大きく、酸化物層106dの外周(図21(A)参照。)と同じか、酸化物層106dの外周よりも外側にある第2の領域が次に厚さが大きく、第2の領域のさらに外側にある第3の領域が最も厚さが小さい。 In FIG. 21C, the base insulating film 102 includes three regions having different thicknesses. Specifically, the first region in contact with the oxide layer 106a has the largest thickness and is the same as the outer periphery of the oxide layer 106d (see FIG. 21A) or outside the outer periphery of the oxide layer 106d. The second region located next to the second region has the next largest thickness, and the third region further outside the second region has the smallest thickness.

多層膜106は、前項で示した多層膜106についての記載を参照する。図21に示すトランジスタは、多層膜106に含まれる酸化物半導体層106bにチャネルが形成されるトランジスタである。酸化物半導体層106bは、広いバンドギャップを有し、また実質的に真性であるため、トランジスタがオフ状態のときのリーク電流(オフ電流ともいう。)が極めて小さいトランジスタである。具体的には、チャネル長が3μm、チャネル幅が10μmのトランジスタにおいて、オフ電流を1×10−20A未満、好ましくは1×10−22A未満、さらに好ましくは1×10−24A未満とすることができる。即ち、オンオフ比が15桁以上50桁以下、好ましくは20桁以上50桁以下、さらに好ましくは20桁以上150桁以下とすることができる。 For the multilayer film 106, refer to the description of the multilayer film 106 shown in the previous section. The transistor illustrated in FIG. 21 is a transistor in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer 106 b included in the multilayer film 106. Since the oxide semiconductor layer 106b has a wide band gap and is substantially intrinsic, a leakage current (also referred to as off-state current) when the transistor is off is extremely small. Specifically, in a transistor having a channel length of 3 μm and a channel width of 10 μm, the off-state current is less than 1 × 10 −20 A, preferably less than 1 × 10 −22 A, more preferably less than 1 × 10 −24 A. can do. That is, the on / off ratio can be 15 to 50 digits, preferably 20 to 50 digits, and more preferably 20 to 150 digits.

図21に示すトランジスタは、多層膜106の一部として側面に曲面を有する酸化物層106dが設けられており、また厚さの異なる三つの領域を有する下地絶縁膜102を有するため、上層に形成する膜の段差被覆性が高くなり、膜の割れや鬆の発生が抑制される。従って、膜の割れや鬆によって外部から不純物が入り込むことがなく、安定した電気特性を有するトランジスタとなる。 The transistor illustrated in FIGS. 21A and 21B includes an oxide layer 106d having a curved surface as a part of the multilayer film 106 and the base insulating film 102 having three regions with different thicknesses; The step coverage of the film to be increased is increased, and the generation of cracks and voids in the film is suppressed. Therefore, impurities are not introduced from the outside due to film cracks or voids, and the transistor has stable electrical characteristics.

基板100に大きな制限はない。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を、基板100として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板100として用いてもよい。 There is no major limitation on the substrate 100. For example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like may be used as the substrate 100. In addition, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, or the like can be applied, and a semiconductor element is formed on these substrates. A substrate provided with may be used as the substrate 100.

また、基板100として、第5世代(1000mm×1200mmまたは1300mm×1500mm)、第6世代(1500mm×1800mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2500mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2880×3130mm)などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板100の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板100として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例えば、基板100として、400℃、好ましくは450℃、さらに好ましくは500℃の温度で1時間加熱処理を行った後の縮み量が10ppm以下、好ましくは5ppm以下、さらに好ましくは3ppm以下である大型ガラス基板を用いればよい。 Further, as the substrate 100, the fifth generation (1000 mm × 1200 mm or 1300 mm × 1500 mm), the sixth generation (1500 mm × 1800 mm), the seventh generation (1870 mm × 2200 mm), the eighth generation (2200 mm × 2500 mm), the ninth generation ( When a large glass substrate such as 2400 mm × 2800 mm) or 10th generation (2880 × 3130 mm) is used, fine processing may be difficult due to shrinkage of the substrate 100 caused by heat treatment in a manufacturing process of a semiconductor device. Therefore, in the case where a large glass substrate as described above is used as the substrate 100, it is preferable to use a substrate with small shrinkage due to heat treatment. For example, the substrate 100 has a large shrinkage amount of 10 ppm or less, preferably 5 ppm or less, more preferably 3 ppm or less after heat treatment at 400 ° C., preferably 450 ° C., more preferably 500 ° C. for 1 hour. A glass substrate may be used.

また、基板100として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板100に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate 100. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is a method in which after a transistor is manufactured over a non-flexible substrate, the transistor is peeled off and transferred to the substrate 100 which is a flexible substrate. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor.

下地絶縁膜102は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。 The base insulating film 102 is formed using aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films including one or more layers may be used as a single layer or stacked layers.

下地絶縁膜102は、例えば、1層目を窒化シリコン層とし、2層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ESRにてg値が2.001の信号に由来するスピンのスピン密度が3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm以下である酸化シリコン層を用いる。酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、TDS分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。 For example, the base insulating film 102 may be a multilayer film in which a first layer is a silicon nitride layer and a second layer is a silicon oxide layer. In this case, the silicon oxide layer may be a silicon oxynitride layer. The silicon nitride layer may be a silicon nitride oxide layer. As the silicon oxide layer, a silicon oxide layer with a low defect density is preferably used. Specifically, a silicon oxide layer in which the spin density of a spin derived from a signal having a g value of 2.001 by ESR is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. Is used. As the silicon oxide layer, a silicon oxide layer containing excess oxygen is used. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that releases less hydrogen and ammonia is used. The release amount of hydrogen and ammonia may be measured by TDS analysis. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that does not transmit or hardly transmits oxygen is used.

なお、過剰酸素とは、加熱処理により酸化物層中、酸化物半導体層中、酸化シリコン層中、酸化窒化シリコン層中などを移動可能な酸素、化学量論的組成である酸素より過剰に存在する酸素、または酸素欠損に入り酸素欠損を低減する機能を有する酸素をいう。 Excess oxygen refers to oxygen that can move in an oxide layer, an oxide semiconductor layer, a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, or the like by heat treatment, or in excess of oxygen that has a stoichiometric composition. Oxygen or oxygen having a function of entering oxygen deficiency and reducing oxygen deficiency.

過剰酸素を含む酸化シリコン層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層をいう。また、過剰酸素を含む絶縁膜は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁膜である。 A silicon oxide layer containing excess oxygen refers to a silicon oxide layer from which oxygen can be released by heat treatment or the like. The insulating film containing excess oxygen is an insulating film having a function of releasing oxygen by heat treatment.

ここで、加熱処理によって酸素を放出するとは、TDS分析にて放出される酸素が酸素原子に換算して1×1018atoms/cm以上、1×1019atoms/cm以上または1×1020atoms/cm以上であることをいう。 Here, oxygen is released by heat treatment means that oxygen released by TDS analysis is converted into oxygen atoms in an amount of 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 1 × 10. It means 20 atoms / cm 3 or more.

ここで、TDS分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。 Here, a method of measuring the amount of released oxygen using TDS analysis will be described below.

測定試料をTDS分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。 The total amount of gas released when the measurement sample is subjected to TDS analysis is proportional to the integrated value of the ionic strength of the released gas. The total amount of gas released can be calculated by comparison with a standard sample.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのTDS分析結果、および測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NO2)は、数式(2)で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数32のものとしてほかにCHOHがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。 For example, from the TDS analysis result of a silicon wafer containing hydrogen of a predetermined density as a standard sample, and the TDS analysis result of the measurement sample, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the measurement sample is obtained by Equation (2). Can do. Here, it is assumed that all the gases detected by the mass number 32 obtained by the TDS analysis are derived from oxygen molecules. There is CH 3 OH in addition to those having a mass number of 32, but these are not considered here because they are unlikely to exist. In addition, oxygen molecules containing oxygen atoms with a mass number of 17 and oxygen atoms with a mass number of 18 which are isotopes of oxygen atoms are not considered because the existence ratio in nature is extremely small.

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式(2)の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として1×1016atoms/cmの水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。 N H2 is a value obtained by converting hydrogen molecules desorbed from the standard sample by density. SH2 is an integral value of ion intensity when the standard sample is subjected to TDS analysis. Here, the reference value of the standard sample is N H2 / SH 2 . S O2 is an integrated value of ion intensity when the measurement sample is subjected to TDS analysis. α is a coefficient that affects the ionic strength in the TDS analysis. For details of Equation (2), refer to Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-275697. The oxygen release amount is determined by using a temperature-programmed desorption analyzer EMD-WA1000S / W manufactured by Electronic Science Co., Ltd., and using a silicon wafer containing 1 × 10 16 atoms / cm 2 of hydrogen atoms as a standard sample. It was measured.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。 In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Note that since the above α includes the ionization rate of oxygen molecules, the amount of released oxygen atoms can be estimated by evaluating the amount of released oxygen molecules.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。 Note that N 2 O 2 is the amount of released oxygen molecules. The amount of release when converted to oxygen atoms is twice the amount of release of oxygen molecules.

または、加熱処理によって酸素を放出するとは、過酸化ラジカルを含むことをいう。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、5×1017spins/cm以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含むとは、ESRにて、g値が2.01近傍に非対称の信号を有することをいう。 Alternatively, releasing oxygen by heat treatment means containing a peroxide radical. Specifically, it means that the spin density resulting from the peroxide radical is 5 × 10 17 spins / cm 3 or more. Note that including a peroxide radical means that an ESR has an asymmetric signal with a g value near 2.01.

または、過剰酸素を含む絶縁膜は、酸素が過剰な酸化シリコン(SiO(X>2))であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン(SiO(X>2))は、シリコン原子数の2倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、RBSにより測定した値である。 Alternatively, the insulating film containing excess oxygen may be oxygen-excess silicon oxide (SiO X (X> 2)). Oxygen-excess silicon oxide (SiO X (X> 2)) contains oxygen atoms more than twice the number of silicon atoms per unit volume. The number of silicon atoms and the number of oxygen atoms per unit volume are values measured by RBS.

ソース電極116aおよびドレイン電極116bは、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。なお、ソース電極116aとドレイン電極116bは同一組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。 The source electrode 116a and the drain electrode 116b are each formed using a single layer or a stack of conductive films containing one or more of aluminum, titanium, chromium, cobalt, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, tantalum, and tungsten. That's fine. Note that the source electrode 116a and the drain electrode 116b may have the same composition or different compositions.

ゲート絶縁膜112は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。 The gate insulating film 112 includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films including one or more layers may be used as a single layer or stacked layers.

ゲート絶縁膜112は、例えば、1層目を窒化シリコン層とし、2層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)にてg値が2.001の信号に由来するスピンのスピン密度が3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm以下である酸化シリコン層を用いる。酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いると好ましい。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、TDS分析にて測定すればよい。 For example, the gate insulating film 112 may be a multilayer film in which a first layer is a silicon nitride layer and a second layer is a silicon oxide layer. In this case, the silicon oxide layer may be a silicon oxynitride layer. The silicon nitride layer may be a silicon nitride oxide layer. As the silicon oxide layer, a silicon oxide layer with a low defect density is preferably used. Specifically, the spin density of a spin derived from a signal having a g value of 2.001 by electron spin resonance (ESR) is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins. A silicon oxide layer of / cm 3 or less is used. As the silicon oxide layer, a silicon oxide layer containing excess oxygen is preferably used. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that releases less hydrogen and ammonia is used. The release amount of hydrogen and ammonia may be measured by TDS analysis.

ゲート絶縁膜112の厚さは、酸化物層106aおよび下地絶縁膜102の形状によって最適値を有する。ここで、酸化物層106aの厚さをHS1、下地絶縁膜102の第2の領域の厚さと第3の領域の厚さの差をHO1とし、第1の領域と第2の領域の厚さの差をHO2とする。このとき、ゲート絶縁膜112の厚さは、HS1以上、好ましくは(HS1+HO2)以上、さらに好ましくは(HS1+HO2+HO1)以上とする。また、ゲート絶縁膜112の厚さは、100nm以下、好ましくは50nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とする。ゲート絶縁膜112の厚さを前述の範囲にすることで、酸化物層106dを介して酸化物半導体層106bにゲート電極104からの電界を印加することができるため、トランジスタのオンオフの切り替えが速やかに行われ、トランジスタを高速動作させることができる。 The thickness of the gate insulating film 112 has an optimum value depending on the shapes of the oxide layer 106 a and the base insulating film 102. Here, the thickness of the oxide layer 106a is H S1 , the difference between the thickness of the second region and the thickness of the third region of the base insulating film 102 is H O1, and the first region and the second region are The difference in thickness is H 2 O 2 . At this time, the thickness of the gate insulating film 112 is H S1 or more, preferably (H S1 + H O2 ) or more, and more preferably (H S1 + H O2 + H O1 ) or more. The thickness of the gate insulating film 112 is 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less, and more preferably 20 nm or less. By setting the thickness of the gate insulating film 112 to the above range, an electric field from the gate electrode 104 can be applied to the oxide semiconductor layer 106b through the oxide layer 106d; thus, the transistor can be quickly turned on and off. Thus, the transistor can be operated at high speed.

ゲート電極104は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。 The gate electrode 104 may be formed using a single layer or a stack of conductive films containing one or more of aluminum, titanium, chromium, cobalt, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, tantalum, and tungsten.

なお、図21(A)に示すように、ゲート電極104の外側まで多層膜106が設けられる構成に限定されず、多層膜106がゲート電極104の内側に含まれるように設けられてもよい。こうすることで、基板100側から光が入射した際に、多層膜106中で光によってキャリアが生成されることを抑制することができる。 Note that as illustrated in FIG. 21A, the multilayer film 106 is not limited to be provided outside the gate electrode 104, and the multilayer film 106 may be provided inside the gate electrode 104. Thus, carriers can be prevented from being generated by light in the multilayer film 106 when light is incident from the substrate 100 side.

なお、図21(A)では、多層膜106がゲート電極104よりも外側まで形成されているが、多層膜106中で光によってキャリアが生成されることを抑制するために、ゲート電極104の内側に多層膜106が形成されていても構わない。 Note that in FIG. 21A, the multilayer film 106 is formed to the outside of the gate electrode 104; however, in order to suppress the generation of carriers by light in the multilayer film 106, the inside of the gate electrode 104 is formed. Alternatively, the multilayer film 106 may be formed.

保護絶縁膜118は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。 The protective insulating film 118 is formed using aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films including one or more layers may be used as a single layer or stacked layers.

保護絶縁膜118は、例えば、1層目を酸化シリコン層とし、2層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ESRにてg値が2.001の信号に由来するスピンのスピン密度が3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、TDS分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。 For example, the protective insulating film 118 may be a multilayer film in which a first layer is a silicon oxide layer and a second layer is a silicon nitride layer. In this case, the silicon oxide layer may be a silicon oxynitride layer. The silicon nitride layer may be a silicon nitride oxide layer. As the silicon oxide layer, a silicon oxide layer with a low defect density is preferably used. Specifically, a silicon oxide layer in which the spin density of a spin derived from a signal having a g value of 2.001 by ESR is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. Is used. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that releases less hydrogen and ammonia is used. The release amount of hydrogen and ammonia may be measured by TDS analysis. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that does not transmit or hardly transmits oxygen is used.

または、保護絶縁膜118は、例えば、1層目を第1の酸化シリコン層とし、2層目を第2の酸化シリコン層とし、3層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、第1の酸化シリコン層または/および第2の酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第1の酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ESRにてg値が2.001の信号に由来するスピンのスピン密度が3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm以下である酸化シリコン層を用いる。第2の酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。 Alternatively, the protective insulating film 118 may be a multilayer film in which a first layer is a first silicon oxide layer, a second layer is a second silicon oxide layer, and a third layer is a silicon nitride layer, for example. In this case, the first silicon oxide layer and / or the second silicon oxide layer may be a silicon oxynitride layer. The silicon nitride layer may be a silicon nitride oxide layer. As the first silicon oxide layer, a silicon oxide layer with a low defect density is preferably used. Specifically, a silicon oxide layer in which the spin density of a spin derived from a signal having a g value of 2.001 by ESR is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. Is used. As the second silicon oxide layer, a silicon oxide layer containing excess oxygen is used. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that releases less hydrogen and ammonia is used. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that does not transmit or hardly transmits oxygen is used.

または、保護絶縁膜118は、例えば、1層目を窒化シリコン層とし、2層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。窒化シリコン層は水素および窒素の放出量の多い窒化シリコン層を用いる。水素、窒素の放出量は、TDS分析にて測定すればよい。具体的には、TDS分析による水素の放出量が1×1020個/cm以上、好ましくは5×1020個/cm以上、さらに好ましくは1×1021個/cm以上である窒化シリコン層を用いる。また、TDS分析による窒素の放出量が1×1019個/cm以上、好ましくは5×1019個/cm以上、さらに好ましくは1×1020個/cm以上である窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。保護絶縁膜118の1層目に窒化シリコン層を用いることで、窒化シリコン層から放出される水素、窒素などによって多層膜106の上面のキャリア密度を高くすることができ、ソース電極116aおよびドレイン電極116b間の抵抗が低減されるため、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。 Alternatively, the protective insulating film 118 may be a multilayer film in which a first layer is a silicon nitride layer and a second layer is a silicon oxide layer, for example. In this case, the silicon oxide layer may be a silicon oxynitride layer. The silicon nitride layer may be a silicon nitride oxide layer. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that releases a large amount of hydrogen and nitrogen is used. The amount of hydrogen and nitrogen released may be measured by TDS analysis. Specifically, the amount of hydrogen released by TDS analysis is 1 × 10 20 pieces / cm 3 or more, preferably 5 × 10 20 pieces / cm 3 or more, more preferably 1 × 10 21 pieces / cm 3 or more. A silicon layer is used. Further, a silicon nitride layer having a nitrogen release amount by TDS analysis of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. Use. As the silicon nitride layer, a silicon nitride layer that does not transmit or hardly transmits oxygen is used. By using a silicon nitride layer as the first layer of the protective insulating film 118, the carrier density on the top surface of the multilayer film 106 can be increased by hydrogen, nitrogen, or the like released from the silicon nitride layer, and the source electrode 116a and the drain electrode Since the resistance between the transistors 116b is reduced, the field-effect mobility of the transistor can be increased.

配線122aおよび配線122bは、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。なお、配線122aおよび配線122bは同一組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。 The wiring 122a and the wiring 122b may be formed using a single layer or a stack of conductive films containing one or more of aluminum, titanium, chromium, cobalt, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, tantalum, and tungsten. . Note that the wiring 122a and the wiring 122b may have the same composition or different compositions.

下地絶縁膜102、ゲート絶縁膜112および保護絶縁膜118の少なくともいずれかが過剰酸素を含む絶縁膜を含む場合、過剰酸素によって酸化物半導体層106bの酸素欠損を低減することができる。 In the case where at least one of the base insulating film 102, the gate insulating film 112, and the protective insulating film 118 includes an insulating film containing excess oxygen, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 106b can be reduced by the excess oxygen.

以上のようにして構成されたトランジスタは、多層膜106の酸化物半導体層106bにチャネルが形成されることにより、安定した電気特性を有し、高い電界効果移動度を有する。また、多層膜106の一部として側面に曲面を有する酸化物層106dが設けられており、厚さの異なる三つの領域を有する下地絶縁膜102を有するため、上層の段差被覆性が高く、さらに安定した電気特性を有するトランジスタとなる。 The transistor having the above structure has stable electric characteristics and high field-effect mobility when a channel is formed in the oxide semiconductor layer 106b of the multilayer film 106. In addition, since the oxide layer 106d having a curved surface is provided as a part of the multilayer film 106 and includes the base insulating film 102 having three regions having different thicknesses, the step coverage of the upper layer is high, and A transistor having stable electrical characteristics is obtained.

2−1−2.トランジスタ構造(1−1)の作製方法
ここで、図21に示したトランジスタの作製方法について図22および図23を用いて説明する。
2-1-2. Method for Manufacturing Transistor Structure (1-1) A method for manufacturing the transistor illustrated in FIGS. 21A to 21C is described with reference to FIGS.

まずは、基板100を準備する。 First, the substrate 100 is prepared.

次に、下地絶縁膜102となる絶縁膜を成膜する。 Next, an insulating film to be the base insulating film 102 is formed.

ここで、下地絶縁膜102となる絶縁膜を3層構造とする場合について説明する。まず、窒化シリコン層を成膜する。次に、第1の酸化シリコン層を成膜する。次に、酸化シリコン層に酸素イオンを添加する処理を行ってもよい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、16もしくは18などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、第2の酸化シリコン層を成膜することで下地絶縁膜102となる絶縁膜を形成すればよい。 Here, the case where the insulating film to be the base insulating film 102 has a three-layer structure is described. First, a silicon nitride layer is formed. Next, a first silicon oxide layer is formed. Next, treatment for adding oxygen ions to the silicon oxide layer may be performed. For the treatment for adding oxygen ions, an ion doping apparatus or a plasma treatment apparatus may be used. An ion doping apparatus having a mass separation function may be used as the ion doping apparatus. As a raw material for oxygen ions, oxygen gas such as 16 O 2 or 18 O 2 , nitrous oxide gas, or ozone gas may be used. Next, an insulating film to be the base insulating film 102 may be formed by forming a second silicon oxide layer.

窒化シリコン層は、プラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を180℃以上400℃以下、好ましくは200℃以上370℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガス、窒素ガスおよびアンモニアガスを用いて圧力20Pa以上250Pa以下、好ましくは40Pa以上200Pa以下として、高周波電力を供給することで成膜すればよい。 The silicon nitride layer is preferably formed by a plasma CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 180 ° C. or more and 400 ° C. or less, preferably 200 ° C. or more and 370 ° C. or less, and a pressure of 20 Pa or more and 250 Pa or less, preferably 40 Pa or more using a deposition gas containing nitrogen, nitrogen gas and ammonia gas. The film thickness may be set to 200 Pa or less by supplying high frequency power.

なお、窒素ガスはアンモニアガスの流量の5倍以上50倍以下、好ましくは10倍以上50倍以下とする。なお、アンモニアガスを用いることで、シリコンを含む堆積性ガスおよび窒素ガスの分解を促すことができる、これは、アンモニアガスがプラズマエネルギーおよび熱エネルギーによって解離し、解離することで生じるエネルギーが、シリコンを含む堆積性ガスの結合、および窒素ガスの結合の分解に寄与するためである。 Nitrogen gas is 5 to 50 times, preferably 10 to 50 times the flow rate of ammonia gas. Note that by using ammonia gas, it is possible to promote the decomposition of the deposition gas containing nitrogen and nitrogen gas. This is because the energy generated by the dissociation of ammonia gas by the plasma energy and the thermal energy is the silicon. This is to contribute to the decomposition of the bonding of the deposition gas containing nitrogen and the bonding of the nitrogen gas.

従って、上述の方法によって、水素ガスおよびアンモニアガスの放出量が少ない窒化シリコン層を成膜することができる。また、水素の含有量が少ないため、緻密となり、水素、水および酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層とすることができる。 Therefore, a silicon nitride layer with a small release amount of hydrogen gas and ammonia gas can be formed by the above-described method. Further, since the content of hydrogen is small, the silicon nitride layer can be formed dense and hardly or hardly transmit hydrogen, water, and oxygen.

第1の酸化シリコン層は、プラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を160℃以上350℃以下、好ましくは180℃以上260℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力100Pa以上250Pa以下、好ましくは100Pa以上200Pa以下として、電極に0.17W/cm以上0.5W/cm以下、好ましくは0.25W/cm以上0.35W/cm以下の高周波電力を供給することで成膜すればよい。 The first silicon oxide layer is preferably formed by a plasma CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 160 ° C. to 350 ° C., preferably 180 ° C. to 260 ° C., and a pressure of 100 Pa to 250 Pa, preferably 100 Pa to 200 Pa using a deposition gas and an oxidizing gas containing silicon. as the electrode to 0.17 W / cm 2 or more 0.5 W / cm 2 or less, preferably it may be film by supplying high-frequency power of 0.25 W / cm 2 or more 0.35 W / cm 2 or less.

上述の方法によって、プラズマ中でのガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、ガスの酸化が進むため、過剰酸素を含む第1の酸化シリコン層を成膜することができる。 By the above-described method, the efficiency of gas decomposition in plasma is increased, oxygen radicals are increased, and gas oxidation proceeds. Therefore, the first silicon oxide layer containing excess oxygen can be formed.

第2の酸化シリコン層は、CVD法の一種であるプラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を180℃以上400℃以下、好ましくは200℃以上370℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力20Pa以上250Pa以下、好ましくは40Pa以上200Pa以下として、電極に高周波電力を供給することで成膜すればよい。なお、シリコンを含む堆積性ガスの代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン、などがある。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、二酸化窒素などがある。 The second silicon oxide layer is preferably formed by a plasma CVD method which is a kind of CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 180 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 370 ° C. or lower, and a pressure of 20 Pa or higher and 250 Pa or lower, preferably 40 Pa or higher and 200 Pa or lower, using a deposition gas and an oxidizing gas containing silicon. Then, film formation may be performed by supplying high-frequency power to the electrodes. Note that typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, and fluorinated silane. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, nitrous oxide, and nitrogen dioxide.

なお、シリコンを含む堆積性ガスに対する酸化性ガスの流量を100倍以上とすることで、第2の酸化シリコン層中の水素含有量を低減し、かつダングリングボンドを低減することができる。 Note that when the flow rate of the oxidizing gas with respect to the deposition gas containing silicon is 100 times or more, the hydrogen content in the second silicon oxide layer can be reduced and dangling bonds can be reduced.

以上のようにして、欠陥密度の小さい第2の酸化シリコン層を成膜する。即ち、第2の酸化シリコン層は、ESRにてg値が2.001の信号に由来するスピンの密度が3×1017spins/cm以下、または5×1016spins/cm以下とすることができる。 As described above, the second silicon oxide layer having a low defect density is formed. That is, in the second silicon oxide layer, the density of spins derived from a signal having a g value of 2.001 in ESR is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, or 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. be able to.

次に、酸化物層106aと、酸化物層106a上に設けられた酸化物半導体層106bと、酸化物半導体層106b上に設けられた酸化物層106cと、少なくとも酸化物半導体層106bの側面に接して設けられた酸化物層106dと、を有する多層膜106を形成する。このとき、下地絶縁膜102となる絶縁膜は、一部がエッチングされて下地絶縁膜133となる(図22(A)参照。)。下地絶縁膜133および多層膜106の形成方法については、図3乃至図5の記載を参照する。 Next, the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 106b provided over the oxide layer 106a, the oxide layer 106c provided over the oxide semiconductor layer 106b, and at least a side surface of the oxide semiconductor layer 106b A multilayer film 106 including the oxide layer 106d provided in contact therewith is formed. At this time, part of the insulating film to be the base insulating film 102 is etched to be the base insulating film 133 (see FIG. 22A). For the formation method of the base insulating film 133 and the multilayer film 106, the description of FIGS.

次に、ソース電極116aおよびドレイン電極116bとなる導電膜を成膜する。ソース電極116aおよびドレイン電極116bとなる導電膜は、ソース電極116aおよびドレイン電極116bとして示した導電膜をスパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulse Laser Deposition)法を用いて成膜すればよい。 Next, a conductive film to be the source electrode 116a and the drain electrode 116b is formed. As the conductive film to be the source electrode 116a and the drain electrode 116b, the conductive film shown as the source electrode 116a and the drain electrode 116b is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a molecular beam epitaxy (MBE). The film formation may be performed by using an epitaxy (ALD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or a pulse laser deposition (PLD) method.

次に、ソース電極116aおよびドレイン電極116bとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極116aおよびドレイン電極116bを形成するとともに、下地絶縁膜133の一部がエッチングされ、下地絶縁膜102となる(図22(B)参照。)。下地絶縁膜102は、2回に分けて一部がエッチングされることにより、厚さの異なる三つの領域を有する。 Next, part of the conductive film to be the source electrode 116a and the drain electrode 116b is etched to form the source electrode 116a and the drain electrode 116b, and part of the base insulating film 133 is etched to form the base insulating film 102. (See FIG. 22B.) The base insulating film 102 has three regions having different thicknesses by being partially etched twice.

次に、ゲート絶縁膜142を成膜する(図22(C)参照。)。ゲート絶縁膜142は、ゲート絶縁膜112として示した絶縁膜をスパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。 Next, a gate insulating film 142 is formed (see FIG. 22C). The gate insulating film 142 may be formed using the insulating film shown as the gate insulating film 112 by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, or a PLD method.

次に、ゲート電極104となる導電膜を成膜する。ゲート電極104となる導電膜は、ゲート電極104として示した導電膜をスパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。 Next, a conductive film to be the gate electrode 104 is formed. The conductive film to be the gate electrode 104 may be formed using the conductive film shown as the gate electrode 104 by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, or a PLD method.

次に、ゲート電極104となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極104を形成する。また、ゲート電極104と同様の上面形状にゲート絶縁膜142をエッチングし、ゲート絶縁膜112を形成する(図23(A)参照。)。 Next, part of the conductive film to be the gate electrode 104 is etched to form the gate electrode 104. Further, the gate insulating film 142 is etched to have a top shape similar to that of the gate electrode 104, so that the gate insulating film 112 is formed (see FIG. 23A).

次に、保護絶縁膜118を成膜する(図23(B)参照。)。保護絶縁膜118は、保護絶縁膜118として示した絶縁膜をスパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。保護絶縁膜118は、多層膜106の一部として側面に曲面を有する酸化物層106dが設けられており、下地絶縁膜102が厚さの異なる三つの領域を有することにより、段差被覆性が高く、形状不良が発生しにくい。 Next, a protective insulating film 118 is formed (see FIG. 23B). As the protective insulating film 118, the insulating film shown as the protective insulating film 118 may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, or a PLD method. The protective insulating film 118 is provided with an oxide layer 106d having a curved surface as a part of the multilayer film 106. The base insulating film 102 has three regions having different thicknesses, so that the step coverage is high. , Shape defects are less likely to occur.

ここで、保護絶縁膜118を3層構造とする場合について説明する。まず、第1の酸化シリコン層を成膜する。次に、第2の酸化シリコン層を成膜する。次に、第2の酸化シリコン層に酸素イオンを添加する処理を行うと好ましい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、16もしくは18などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、窒化シリコン層を成膜することで、保護絶縁膜118を形成すればよい。 Here, the case where the protective insulating film 118 has a three-layer structure is described. First, a first silicon oxide layer is formed. Next, a second silicon oxide layer is formed. Next, treatment for adding oxygen ions to the second silicon oxide layer is preferably performed. For the treatment for adding oxygen ions, an ion doping apparatus or a plasma treatment apparatus may be used. An ion doping apparatus having a mass separation function may be used as the ion doping apparatus. As a raw material for oxygen ions, oxygen gas such as 16 O 2 or 18 O 2 , nitrous oxide gas, or ozone gas may be used. Next, the protective insulating film 118 may be formed by forming a silicon nitride layer.

第1の酸化シリコン層は、CVD法の一種であるプラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を180℃以上400℃以下、好ましくは200℃以上370℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力20Pa以上250Pa以下、好ましくは40Pa以上200Pa以下として、電極に高周波電力を供給することで成膜すればよい。なお、シリコンを含む堆積性ガスの代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン、などがある。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、二酸化窒素などがある。 The first silicon oxide layer is preferably formed by a plasma CVD method which is a kind of CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 180 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 370 ° C. or lower, and a pressure of 20 Pa or higher and 250 Pa or lower, preferably 40 Pa or higher and 200 Pa or lower, using a deposition gas and an oxidizing gas containing silicon. Then, film formation may be performed by supplying high-frequency power to the electrodes. Note that typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, and fluorinated silane. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, nitrous oxide, and nitrogen dioxide.

なお、シリコンを含む堆積性ガスに対する酸化性ガスの流量を100倍以上とすることで、第1の酸化シリコン層中の水素含有量を低減し、かつダングリングボンドを低減することができる。 Note that when the flow rate of the oxidizing gas with respect to the deposition gas containing silicon is 100 times or more, the hydrogen content in the first silicon oxide layer can be reduced and dangling bonds can be reduced.

以上のようにして、欠陥密度の小さい第1の酸化シリコン層を成膜する。即ち、第1の酸化シリコン層118aは、ESRにてg値が2.001の信号に由来するスピンの密度が3×1017spins/cm以下、または5×1016spins/cm以下とすることができる。 As described above, the first silicon oxide layer having a low defect density is formed. That is, in the first silicon oxide layer 118a, the density of the spin derived from the signal having the g value of 2.001 in ESR is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, or 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. can do.

第2の酸化シリコン層は、プラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を160℃以上350℃以下、好ましくは180℃以上260℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力100Pa以上250Pa以下、好ましくは100Pa以上200Pa以下として、電極に0.17W/cm以上0.5W/cm以下、好ましくは0.25W/cm以上0.35W/cm以下の高周波電力を供給することで成膜すればよい。 The second silicon oxide layer is preferably formed by a plasma CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 160 ° C. to 350 ° C., preferably 180 ° C. to 260 ° C., and a pressure of 100 Pa to 250 Pa, preferably 100 Pa to 200 Pa using a deposition gas and an oxidizing gas containing silicon. as the electrode to 0.17 W / cm 2 or more 0.5 W / cm 2 or less, preferably it may be film by supplying high-frequency power of 0.25 W / cm 2 or more 0.35 W / cm 2 or less.

上述の方法によって、プラズマ中でのガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、ガスの酸化が進むため、過剰酸素を含む第2の酸化シリコン層を成膜することができる。 By the above-described method, the efficiency of gas decomposition in plasma increases, oxygen radicals increase, and gas oxidation proceeds, so that the second silicon oxide layer containing excess oxygen can be formed.

窒化シリコン層は、プラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を180℃以上400℃以下、好ましくは200℃以上370℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガス、窒素ガスおよびアンモニアガスを用いて圧力20Pa以上250Pa以下、好ましくは40Pa以上200Pa以下として、高周波電力を供給することで成膜すればよい。 The silicon nitride layer is preferably formed by a plasma CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 180 ° C. or more and 400 ° C. or less, preferably 200 ° C. or more and 370 ° C. or less, and a pressure of 20 Pa or more and 250 Pa or less, preferably 40 Pa or more using a deposition gas containing nitrogen, nitrogen gas and ammonia gas. The film thickness may be set to 200 Pa or less by supplying high frequency power.

なお、窒素ガスはアンモニアガスの流量の5倍以上50倍以下、好ましくは10倍以上50倍以下とする。なお、アンモニアガスを用いることで、シリコンを含む堆積性ガスおよび窒素ガスの分解を促すことができる、これは、アンモニアガスがプラズマエネルギーおよび熱エネルギーによって解離し、解離することで生じるエネルギーが、シリコンを含む堆積性ガスの結合、および窒素ガスの結合の分解に寄与するためである。 Nitrogen gas is 5 to 50 times, preferably 10 to 50 times the flow rate of ammonia gas. Note that by using ammonia gas, it is possible to promote the decomposition of the deposition gas containing nitrogen and nitrogen gas. This is because the energy generated by the dissociation of ammonia gas by the plasma energy and the thermal energy is the silicon. This is to contribute to the decomposition of the bonding of the deposition gas containing nitrogen and the bonding of the nitrogen gas.

従って、上述の方法によって、水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を成膜することができる。また、水素の含有量が少ないため、緻密となり、水素、水および酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層とすることができる。 Therefore, a silicon nitride layer with a small release amount of hydrogen and ammonia can be formed by the above-described method. Further, since the content of hydrogen is small, the silicon nitride layer can be formed dense and hardly or hardly transmit hydrogen, water, and oxygen.

また、保護絶縁膜118を2層構造とする場合について説明する。まず、窒化シリコン層を成膜する。次に、酸化シリコン層を成膜する。 A case where the protective insulating film 118 has a two-layer structure is described. First, a silicon nitride layer is formed. Next, a silicon oxide layer is formed.

窒化シリコン層は、プラズマCVD法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を180℃以上400℃以下、好ましくは200℃以上370℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガス、アンモニアガスおよびアルゴンガスを用いて圧力10Pa以上100Pa以下、好ましくは20Pa以上50Pa以下として、高周波電力を供給することで成膜すればよい。 The silicon nitride layer is preferably formed by a plasma CVD method. Specifically, the substrate temperature is set to 180 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 370 ° C. or lower, and a pressure of 10 Pa or higher and 100 Pa or lower, preferably 20 Pa or higher, using a deposition gas containing silicon, ammonia gas and argon gas. The film may be formed by supplying high-frequency power at 50 Pa or less.

なお、アンモニアガスはシリコンを含む堆積性ガスの流量の30倍以上1000倍以下、好ましくは50倍以上500倍以下とする。このような条件とすることで、水素および窒素の放出量が多い窒化シリコン層を成膜することができる。 Note that the ammonia gas is 30 times to 1000 times, preferably 50 times to 500 times the flow rate of the deposition gas containing silicon. With such a condition, a silicon nitride layer with a large release amount of hydrogen and nitrogen can be formed.

窒化シリコン層から水素およびアンモニアの放出が起こることで、多層膜106の上面にキャリア密度の高い領域を形成することができる。従って、ソース電極116aおよびドレイン電極116b間の抵抗が低減されるため、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。 By releasing hydrogen and ammonia from the silicon nitride layer, a region having a high carrier density can be formed on the upper surface of the multilayer film 106. Accordingly, resistance between the source electrode 116a and the drain electrode 116b is reduced, so that the field-effect mobility of the transistor can be increased.

なお、保護絶縁膜118の成膜前に、ゲート電極104、ゲート絶縁膜112をマスクとして、多層膜106に多層膜106を低抵抗化する不純物を添加してもよい。当該不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を添加すればよい。なお、その方法は、イオン注入法、イオンドーピング法で行えばよい。好ましくはイオン注入法を用いる。 Note that before forming the protective insulating film 118, an impurity for reducing the resistance of the multilayer film 106 may be added to the multilayer film 106 using the gate electrode 104 and the gate insulating film 112 as a mask. As the impurity, one or more selected from hydrogen, helium, boron, nitrogen, fluorine, neon, aluminum, phosphorus, argon, arsenic, krypton, indium, tin, antimony, and xenon may be added. Note that this method may be performed by an ion implantation method or an ion doping method. An ion implantation method is preferably used.

次に、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下で行えばよい。加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、下地絶縁膜102、ゲート絶縁膜112、保護絶縁膜118の少なくともいずれかから過剰酸素が放出され、多層膜106の酸素欠損を低減することができる。なお、多層膜106中では、酸素欠損が隣接する酸素原子を捕獲していくことで、見かけ上移動する。従って、過剰酸素は、酸化物層106a、酸化物層106c、酸化物層106dなどを介して酸化物半導体層106bに達することができる。 Next, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C. The atmosphere for the heat treatment is an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more, or a reduced pressure state. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. . By the heat treatment, excess oxygen is released from at least one of the base insulating film 102, the gate insulating film 112, and the protective insulating film 118, so that oxygen vacancies in the multilayer film 106 can be reduced. Note that in the multilayer film 106, oxygen vacancies apparently move by capturing adjacent oxygen atoms. Accordingly, excess oxygen can reach the oxide semiconductor layer 106b through the oxide layer 106a, the oxide layer 106c, the oxide layer 106d, and the like.

次に、保護絶縁膜118に、ソース電極116aおよびドレイン電極116bに達する開口部を形成する。 Next, openings reaching the source electrode 116 a and the drain electrode 116 b are formed in the protective insulating film 118.

次に、配線122aおよび配線122bとなる導電膜を成膜する。配線122aおよび配線122bとなる導電膜は、配線122aおよび配線122bとして示した導電膜をスパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。 Next, a conductive film to be the wiring 122a and the wiring 122b is formed. The conductive film to be the wiring 122a and the wiring 122b may be formed using the conductive film shown as the wiring 122a and the wiring 122b by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, or a PLD method.

次に、配線122aおよび配線122bとなる導電膜の一部をエッチングし、配線122aおよび配線122bを形成する(図23(C)参照。)。 Next, part of the conductive film to be the wirings 122a and 122b is etched, so that the wirings 122a and 122b are formed (see FIG. 23C).

以上のようにして、トランジスタを作製することができる。 As described above, a transistor can be manufactured.

当該トランジスタは、多層膜106の酸化物半導体層106bの酸素欠損が低減されているため、安定した電気特性を有する。また、多層膜106の一部として側面に曲面を有する酸化物層106dが設けられており、下地絶縁膜102が厚さの異なる三つの領域を有することにより、保護絶縁膜118などの段差被覆性が高く、形状不良が起こりにくいため、生産性を高めることができる。 The transistor has stable electric characteristics because oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 106b in the multilayer film 106 are reduced. In addition, an oxide layer 106d having a curved surface is provided as a part of the multilayer film 106, and the base insulating film 102 includes three regions having different thicknesses, so that the step coverage of the protective insulating film 118 and the like can be increased. Is high and it is difficult for shape defects to occur, so that productivity can be improved.

2−2.トランジスタ構造(2)
本項では、前項と異なる構造であるトップゲート型トランジスタについて説明する。
2-2. Transistor structure (2)
In this section, a top gate transistor having a structure different from that of the previous section will be described.

2−2−1.トランジスタ構造(2−1)
ここでは、トップゲート型トランジスタの一種であるトランジスタについて図24を用いて説明する。
2-2-1. Transistor structure (2-1)
Here, a transistor which is a kind of top-gate transistor is described with reference to FIGS.

図24に、トランジスタの上面図および断面図を示す。図24(A)は、トランジスタの上面図を示す。図24(A)において、一点鎖線B1−B2に対応する断面図を図24(B)に示す。また、図24(A)において、一点鎖線B3−B4に対応する断面図を図24(C)に示す。 FIG. 24 shows a top view and a cross-sectional view of the transistor. FIG. 24A illustrates a top view of a transistor. In FIG. 24A, a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line B1-B2 is illustrated in FIG. FIG. 24C illustrates a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line B3-B4 in FIG.

図24(B)に示すトランジスタは、基板200上に設けられた下地絶縁膜202と、下地絶縁膜202上に設けられた酸化物層206a、酸化物層206a上に設けられた酸化物半導体層206b、酸化物半導体層206b上に設けられた酸化物層206c、および少なくとも酸化物半導体層206bの側面に接して設けられた酸化物層206dを含む多層膜206と、多層膜206上に設けられたゲート絶縁膜212と、ゲート絶縁膜212上に設けられたゲート電極204と、ゲート電極204の側面に接して設けられた側壁絶縁膜210と、多層膜206、ゲート絶縁膜212およびゲート電極204上に設けられ、多層膜206に達する開口部を有する保護絶縁膜218と、保護絶縁膜218上に設けられ、保護絶縁膜218の開口部を介して多層膜206と接する配線222aおよび配線222bと、を有する。なお、トランジスタは、下地絶縁膜202または/および側壁絶縁膜210を有さなくても構わない。また、図24(B)では、側壁絶縁膜210の下面がゲート絶縁膜212の上面と接して設けられる構造を示しているが、これに限定されない。例えば、側壁絶縁膜210の下面が多層膜206の上面と接して設けられる構造としてもよい。 A transistor illustrated in FIG. 24B includes a base insulating film 202 provided over a substrate 200, an oxide layer 206a provided over the base insulating film 202, and an oxide semiconductor layer provided over the oxide layer 206a. 206b, a multilayer film 206 including an oxide layer 206c provided over the oxide semiconductor layer 206b, and an oxide layer 206d provided in contact with at least a side surface of the oxide semiconductor layer 206b; and a multilayer film 206 provided over the multilayer film 206. Gate insulating film 212, gate electrode 204 provided on gate insulating film 212, sidewall insulating film 210 provided in contact with the side surface of gate electrode 204, multilayer film 206, gate insulating film 212, and gate electrode 204. A protective insulating film 218 having an opening reaching the multilayer film 206, and a protective insulating film 218 provided on the protective insulating film 218; It has a wiring 222a and a wiring 222b in contact with the multilayer film 206, the through part. Note that the transistor may not include the base insulating film 202 and / or the sidewall insulating film 210. FIG. 24B illustrates a structure in which the lower surface of the sidewall insulating film 210 is provided in contact with the upper surface of the gate insulating film 212; however, the present invention is not limited to this. For example, a structure in which the lower surface of the sidewall insulating film 210 is provided in contact with the upper surface of the multilayer film 206 may be employed.

図24(C)に示すように、トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体層206bは、酸化物層206dが側面に設けられる構造となっている。酸化物半導体層206bの側面は、保護膜がない場合、酸素欠損などが生じやすく、また不純物濃度が高くなりやすい領域である。当該側面において、酸素欠損や不純物が多く存在すると、当該側面においてしきい値電圧の異なる第2のトランジスタが形成されたように振る舞うことがあり、トランジスタの電気特性がばらついてしまう。図24に示すトランジスタは、酸化物層206dが酸化物半導体層206bの側面を保護していることにより、当該側面に、酸素欠損が生じることがなく、また不純物濃度が高くなることがない。従って、電気特性の安定したトランジスタとなる。 As illustrated in FIG. 24C, the oxide semiconductor layer 206b forming the channel of the transistor has a structure in which an oxide layer 206d is provided on a side surface. The side surface of the oxide semiconductor layer 206b is a region where oxygen vacancies or the like are easily generated and the impurity concentration is easily increased when there is no protective film. If a large amount of oxygen vacancies or impurities exist on the side surface, it may behave as if a second transistor having a different threshold voltage is formed on the side surface, and the electrical characteristics of the transistor vary. In the transistor illustrated in FIG. 24, since the oxide layer 206d protects the side surface of the oxide semiconductor layer 206b, oxygen vacancies are not generated in the side surface and the impurity concentration is not increased. Therefore, a transistor having stable electric characteristics is obtained.

また、図24(C)において、下地絶縁膜202は、厚さの異なる三つの領域を有する。具体的には、酸化物層206aと接する第1の領域が最も厚さが大きく、酸化物層206dの外周(図24(A)参照。)と同じか、酸化物層206dの外周よりも外側にある第2の領域が次に厚さが大きく、第2の領域のさらに外側にある第3の領域が最も厚さが小さい。 In FIG. 24C, the base insulating film 202 has three regions with different thicknesses. Specifically, the first region in contact with the oxide layer 206a has the largest thickness and is the same as the outer periphery of the oxide layer 206d (see FIG. 24A) or outside the outer periphery of the oxide layer 206d. The second region located next to the second region has the next largest thickness, and the third region further outside the second region has the smallest thickness.

側壁絶縁膜210は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。 The sidewall insulating film 210 includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films including one or more layers may be used as a single layer or stacked layers.

多層膜206は、多層膜106についての記載を参照する。具体的には、酸化物層206aは酸化物層106aと、酸化物半導体層206bは酸化物半導体層106bと、酸化物層206cは酸化物層106cと、酸化物層206dは酸化物層106dとそれぞれ対応する。図24に示すトランジスタは、多層膜206に含まれる酸化物半導体層206bにチャネルが形成されるトランジスタである。酸化物半導体層206bは、広いバンドギャップを有し、また実質的に真性であるため、トランジスタがオフ状態のときのリーク電流(オフ電流ともいう。)が極めて小さいトランジスタである。具体的には、チャネル長が3μm、チャネル幅が10μmのトランジスタにおいて、オフ電流を1×10−20A未満、好ましくは1×10−22A未満、さらに好ましくは1×10−24A未満とすることができる。即ち、オンオフ比が20桁以上150桁以下とすることができる。 For the multilayer film 206, the description of the multilayer film 106 is referred to. Specifically, the oxide layer 206a is the oxide layer 106a, the oxide semiconductor layer 206b is the oxide semiconductor layer 106b, the oxide layer 206c is the oxide layer 106c, and the oxide layer 206d is the oxide layer 106d. Each corresponds. The transistor illustrated in FIG. 24 is a transistor in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer 206b included in the multilayer film 206. Since the oxide semiconductor layer 206b has a wide band gap and is substantially intrinsic, a leakage current (also referred to as off-state current) when the transistor is off is extremely small. Specifically, in a transistor having a channel length of 3 μm and a channel width of 10 μm, the off-state current is less than 1 × 10 −20 A, preferably less than 1 × 10 −22 A, more preferably less than 1 × 10 −24 A. can do. That is, the on / off ratio can be 20 digits or more and 150 digits or less.

基板200は、基板100についての記載を参照する。また、ゲート絶縁膜212は、ゲート絶縁膜112についての記載を参照する。また、ゲート電極204は、ゲート電極104についての記載を参照する。また、保護絶縁膜218は、保護絶縁膜118についての記載を参照する。また、配線222aおよび配線222bは、配線122aおよび配線122bについての記載を参照する。 For the substrate 200, the description of the substrate 100 is referred to. For the gate insulating film 212, the description of the gate insulating film 112 is referred to. For the gate electrode 204, the description of the gate electrode 104 is referred to. For the protective insulating film 218, the description of the protective insulating film 118 is referred to. For the wiring 222a and the wiring 222b, the description of the wiring 122a and the wiring 122b is referred to.

図24に示すトランジスタは、多層膜206の一部として側面に曲面を有する酸化物層206dが設けられており、また厚さの異なる三つの領域を有する下地絶縁膜202を有するため、上層に形成する膜の段差被覆性が高くなり、膜の割れや鬆の発生が抑制される。従って、膜の割れや鬆によって外部から不純物が入り込むことがなく、安定した電気特性を有するトランジスタとなる。 The transistor illustrated in FIG. 24 includes an oxide layer 206d having a curved surface as a part of the multilayer film 206, and the base insulating film 202 having three regions with different thicknesses; The step coverage of the film to be increased is increased, and the generation of cracks and voids in the film is suppressed. Therefore, impurities are not introduced from the outside due to film cracks or voids, and the transistor has stable electrical characteristics.

2−2−2.トランジスタ構造(2−1)の作製方法
ここで、トランジスタの作製方法について図25および図26を用いて説明する。
2-2-2. Method for Manufacturing Transistor Structure (2-1) Here, a method for manufacturing a transistor is described with reference to FIGS.

まずは、基板200を準備する。 First, the substrate 200 is prepared.

次に、下地絶縁膜202および多層膜206を形成する(図25(A)参照。)。下地絶縁膜202および多層膜206の形成方法については、図6および図7の記載を参照する。 Next, the base insulating film 202 and the multilayer film 206 are formed (see FIG. 25A). For the formation method of the base insulating film 202 and the multilayer film 206, the description of FIGS. 6 and 7 is referred to.

次に、ゲート絶縁膜242を成膜する(図25(B)参照。)。ゲート絶縁膜242の成膜方法は、ゲート絶縁膜142についての成膜方法の記載を参照する。 Next, a gate insulating film 242 is formed (see FIG. 25B). For the gate insulating film 242, refer to the description of the gate insulating film 142.

次に、ゲート電極204となる導電膜を成膜する。ゲート電極204となる導電膜の成膜方法は、ゲート電極104となる導電膜についての成膜方法の記載を参照する。 Next, a conductive film to be the gate electrode 204 is formed. For the method for forming the conductive film to be the gate electrode 204, the description of the method for forming the conductive film to be the gate electrode 104 is referred to.

次に、ゲート電極204となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極204を形成する(図23(A)参照。)。 Next, part of the conductive film to be the gate electrode 204 is etched to form the gate electrode 204 (see FIG. 23A).

次に、側壁絶縁膜210となる絶縁膜を成膜する。側壁絶縁膜210となる絶縁膜の成膜方法は、側壁絶縁膜210として示した絶縁膜をスパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。 Next, an insulating film to be the sidewall insulating film 210 is formed. As a method for forming the insulating film to be the sidewall insulating film 210, the insulating film shown as the sidewall insulating film 210 may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, or a PLD method.

次に、側壁絶縁膜210となる絶縁膜に対し異方性の高いエッチングを行うことで、自己整合的に側壁絶縁膜210を形成する。異方性の高いエッチングとしては、例えば、ドライエッチング法を用いればよい。また、ゲート電極204と側壁絶縁膜210とを併せたものと同様の上面形状にゲート絶縁膜242をエッチングし、ゲート絶縁膜212を形成する(図26(A)参照。)。 Next, the sidewall insulating film 210 is formed in a self-aligned manner by performing highly anisotropic etching on the insulating film to be the sidewall insulating film 210. For example, a dry etching method may be used as the highly anisotropic etching. In addition, the gate insulating film 242 is etched to have the same top shape as that of the gate electrode 204 and the sidewall insulating film 210 in combination, so that the gate insulating film 212 is formed (see FIG. 26A).

次に、保護絶縁膜218を成膜する(図26(B)参照。)。保護絶縁膜218の成膜方法は、保護絶縁膜118についての成膜方法の記載を参照する。保護絶縁膜218は、多層膜206の一部として側面に曲面を有する酸化物層206dが設けられており、下地絶縁膜202が厚さの異なる三つの領域を有することにより、段差被覆性が高く、形状不良が発生しにくい。 Next, a protective insulating film 218 is formed (see FIG. 26B). For the deposition method of the protective insulating film 218, the description of the deposition method of the protective insulating film 118 is referred to. The protective insulating film 218 is provided with an oxide layer 206d having a curved surface as a part of the multilayer film 206. The base insulating film 202 has three regions having different thicknesses, so that the step coverage is high. , Shape defects are less likely to occur.

なお、保護絶縁膜218の成膜前に、ゲート電極204、側壁絶縁膜210、ゲート絶縁膜212をマスクとして、多層膜206に多層膜206を低抵抗化する不純物を添加してもよい。当該不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を添加すればよい。なお、その方法は、イオン注入法、イオンドーピング法で行えばよい。好ましくはイオン注入法を用いる。 Note that before forming the protective insulating film 218, an impurity for reducing the resistance of the multilayer film 206 may be added to the multilayer film 206 using the gate electrode 204, the sidewall insulating film 210, and the gate insulating film 212 as a mask. As the impurity, one or more selected from hydrogen, helium, boron, nitrogen, fluorine, neon, aluminum, phosphorus, argon, arsenic, krypton, indium, tin, antimony, and xenon may be added. Note that this method may be performed by an ion implantation method or an ion doping method. An ion implantation method is preferably used.

次に、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下で行えばよい。加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、下地絶縁膜202、ゲート絶縁膜212、保護絶縁膜218の少なくともいずれかから過剰酸素が放出され、多層膜206の酸素欠損を低減することができる。なお、多層膜206中では、酸素欠損が隣接する酸素原子を捕獲していくことで、見かけ上移動する。従って、過剰酸素は、酸化物層206a、酸化物層206c、酸化物層206dなどを介して酸化物半導体層206bに達することができる。 Next, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C. The atmosphere for the heat treatment is an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more, or a reduced pressure state. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. . By the heat treatment, excess oxygen is released from at least one of the base insulating film 202, the gate insulating film 212, and the protective insulating film 218, so that oxygen vacancies in the multilayer film 206 can be reduced. Note that in the multilayer film 206, oxygen vacancies apparently move by capturing adjacent oxygen atoms. Accordingly, excess oxygen can reach the oxide semiconductor layer 206b through the oxide layer 206a, the oxide layer 206c, the oxide layer 206d, and the like.

次に、保護絶縁膜218に多層膜206に達する開口部を形成する。 Next, an opening reaching the multilayer film 206 is formed in the protective insulating film 218.

次に、配線222aおよび配線222bとなる導電膜を成膜する。配線222aおよび配線222bとなる導電膜は、配線122aおよび配線122bとなる導電膜についての成膜方法の記載を参照する。 Next, a conductive film to be the wiring 222a and the wiring 222b is formed. For the conductive film to be the wiring 222a and the wiring 222b, the description of the film formation method for the conductive film to be the wiring 122a and the wiring 122b is referred to.

次に、配線222aおよび配線222bとなる導電膜の一部をエッチングし、配線222aおよび配線222bを形成する(図26(C)参照。)。 Next, part of the conductive film to be the wiring 222a and the wiring 222b is etched to form the wiring 222a and the wiring 222b (see FIG. 26C).

以上のようにして、トランジスタを作製することができる。 As described above, a transistor can be manufactured.

当該トランジスタは、多層膜206の酸化物半導体層206bの酸素欠損が低減されているため、安定した電気特性を有する。また、多層膜206の一部として側面に曲面を有する酸化物層206dが設けられており、下地絶縁膜202が厚さの異なる三つの領域を有することにより、保護絶縁膜218などの段差被覆性が高く、形状不良が起こりにくいため、生産性を高めることができる。 The transistor has stable electric characteristics because oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 206b of the multilayer film 206 are reduced. Further, an oxide layer 206d having a curved surface is provided as a part of the multilayer film 206, and the base insulating film 202 includes three regions having different thicknesses, so that the step coverage of the protective insulating film 218 and the like can be increased. Is high and it is difficult for shape defects to occur, so that productivity can be improved.

3.応用製品
本項では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例について説明する。
3. In this section, an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is described.

なお、以下では、トランジスタの多層膜の各層を省略して示すことがある。また、多層膜形成時に生じる下地となる膜(下地絶縁膜など)の段差(厚さの異なる領域)についても省略して示すことがある。 In the following, each layer of the multilayer film of the transistor may be omitted. In addition, steps (regions having different thicknesses) of a film (such as a base insulating film) which is a base generated when forming a multilayer film may be omitted.

3−1.マイクロコンピュータ
上述したトランジスタは、さまざまな電子機器に搭載されるマイクロコンピュータに適用することができる。
3-1. Microcomputer The above-described transistor can be applied to a microcomputer mounted on various electronic devices.

以下では、マイクロコンピュータを搭載した電子機器の例として火災報知器の構成および動作について、図27、図28、図29および図30(A)を用いて説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of a fire alarm will be described with reference to FIGS. 27, 28, 29, and 30A as an example of an electronic device equipped with a microcomputer.

なお、本明細書中において、火災報知器とは、火災の発生を急報する装置全般を示すものであり、例えば、住宅用火災警報器や、自動火災報知設備や、当該自動火災報知設備に用いられる火災感知器なども火災報知器に含むものとする。 In addition, in this specification, a fire alarm means a general device that promptly reports the occurrence of a fire. For example, it is used for a residential fire alarm, an automatic fire alarm facility, or the automatic fire alarm facility. Fire alarms, etc., to be included in fire alarms.

図27に示す警報装置は、マイクロコンピュータ500を少なくとも有する。ここで、マイクロコンピュータ500は、警報装置の内部に設けられている。マイクロコンピュータ500は、高電位電源線VDDと電気的に接続されたパワーゲートコントローラ503と、高電位電源線VDDおよびパワーゲートコントローラ503と電気的に接続されたパワーゲート504と、パワーゲート504と電気的に接続されたCPU(Central Processing Unit)505と、パワーゲート504およびCPU505と電気的に接続された検出部509と、が設けられる。また、CPU505には、揮発性記憶部506と不揮発性記憶部507と、が含まれる。 The alarm device illustrated in FIG. 27 includes at least a microcomputer 500. Here, the microcomputer 500 is provided inside the alarm device. The microcomputer 500 includes a power gate controller 503 electrically connected to the high-potential power line VDD, a power gate 504 electrically connected to the high-potential power line VDD and the power gate controller 503, and the power gate 504 and the power gate 504. A central processing unit (CPU) 505 and a detection unit 509 electrically connected to the power gate 504 and the CPU 505 are provided. The CPU 505 includes a volatile storage unit 506 and a nonvolatile storage unit 507.

また、CPU505は、インターフェース508を介してバスライン502と電気的に接続されている。インターフェース508もCPU505と同様にパワーゲート504と電気的に接続されている。インターフェース508のバス規格としては、例えば、ICバスなどを用いることができる。また、警報装置には、インターフェース508を介してパワーゲート504と電気的に接続される発光素子530が設けられる。 The CPU 505 is electrically connected to the bus line 502 via the interface 508. The interface 508 is also electrically connected to the power gate 504 in the same manner as the CPU 505. As the bus standard of the interface 508, for example, an I 2 C bus or the like can be used. In addition, the alarm device is provided with a light emitting element 530 that is electrically connected to the power gate 504 via the interface 508.

発光素子530は指向性の強い光を放出するものが好ましく、例えば、有機EL素子、無機EL素子、LEDなどを用いることができる。 The light emitting element 530 preferably emits light having strong directivity. For example, an organic EL element, an inorganic EL element, an LED, or the like can be used.

パワーゲートコントローラ503はタイマーを有し、当該タイマーに従ってパワーゲート504を制御する。パワーゲート504は、パワーゲートコントローラ503の制御に従って、CPU505、検出部509およびインターフェース508に高電位電源線VDDから供給される電源を供給または遮断する。ここで、パワーゲート504としては、例えば、トランジスタなどのスイッチング素子を用いることができる。 The power gate controller 503 has a timer and controls the power gate 504 according to the timer. The power gate 504 supplies or cuts off the power supplied from the high-potential power line VDD to the CPU 505, the detection unit 509, and the interface 508 according to the control of the power gate controller 503. Here, as the power gate 504, for example, a switching element such as a transistor can be used.

このようなパワーゲートコントローラ503およびパワーゲート504を用いることにより、光量を測定する期間に検出部509、CPU505およびインターフェース508への電源供給を行い、測定期間の合間には検出部509、CPU505およびインターフェース508への電源供給を遮断することができる。このように警報装置を動作させることにより、上記の各構成に常時電源供給を行う場合より消費電力の低減を図ることができる。 By using the power gate controller 503 and the power gate 504, power is supplied to the detection unit 509, the CPU 505, and the interface 508 during the period of measuring the light amount, and the detection unit 509, the CPU 505, and the interface are provided between the measurement periods. The power supply to 508 can be cut off. By operating the alarm device in this way, it is possible to reduce power consumption compared to the case where power is constantly supplied to each of the above components.

また、パワーゲート504としてトランジスタを用いる場合、不揮発性記憶部507に用いられる、極めてオフ電流の低いトランジスタ、例えば上述した酸化物半導体層を含む多層膜を用いたトランジスタを用いることが好ましい。このようなトランジスタを用いることにより、パワーゲート504で電源を遮断する際にリーク電流を低減し、消費電力の低減を図ることができる。 In the case where a transistor is used as the power gate 504, it is preferable to use a transistor with a very low off-state current used for the nonvolatile memory portion 507, for example, a transistor including a multilayer film including the above-described oxide semiconductor layer. By using such a transistor, leakage current can be reduced and power consumption can be reduced when the power gate 504 shuts off the power supply.

警報装置に直流電源501を設け、直流電源501から高電位電源線VDDに電源を供給してもよい。直流電源501の高電位側の電極は、高電位電源線VDDと電気的に接続され、直流電源501の低電位側の電極は、低電位電源線VSSと電気的に接続される。低電位電源線VSSはマイクロコンピュータ500に電気的に接続される。ここで、高電位電源線VDDは、高電位Hが与えられている。また、低電位電源線VSSは、例えば接地電位(GND)などの低電位Lが与えられている。 A DC power supply 501 may be provided in the alarm device, and power may be supplied from the DC power supply 501 to the high potential power supply line VDD. The high potential side electrode of the DC power supply 501 is electrically connected to the high potential power supply line VDD, and the low potential side electrode of the DC power supply 501 is electrically connected to the low potential power supply line VSS. The low potential power line VSS is electrically connected to the microcomputer 500. Here, a high potential H is applied to the high potential power supply line VDD. The low potential power supply line VSS is supplied with a low potential L such as a ground potential (GND).

直流電源501として電池を用いる場合は、例えば、高電位電源線VDDと電気的に接続された電極と、低電位電源線VSSに電気的に接続された電極と、当該電池を保持することができる筐体と、を有する電池ケースを筐体に設ける構成とすればよい。なお、警報装置は、必ずしも直流電源501を設けなくてもよく、例えば、当該警報装置の外部に設けられた交流電源から配線を介して電源を供給する構成としてもよい。 In the case where a battery is used as the DC power supply 501, for example, an electrode electrically connected to the high potential power supply line VDD, an electrode electrically connected to the low potential power supply line VSS, and the battery can be held. A battery case having a housing may be provided in the housing. Note that the alarm device does not necessarily need to be provided with the DC power source 501, and may be configured to supply power via a wiring from an AC power source provided outside the alarm device, for example.

また、上記電池として、二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池(リチウムイオン蓄電池、リチウムイオン電池、またはリチウムイオンバッテリーとも呼ぶ。)を用いることもできる。また、当該二次電池を充電できるように太陽電池を設けることが好ましい。 In addition, a secondary battery such as a lithium ion secondary battery (also referred to as a lithium ion storage battery, a lithium ion battery, or a lithium ion battery) can be used as the battery. In addition, a solar battery is preferably provided so that the secondary battery can be charged.

検出部509は、異常に係る物理量を計測して計測値をCPU505に送信する。異常に係る物理量は、警報装置の用途によって異なり、火災報知器として機能する警報装置では、火災に係る物理量を計測する。故に、検出部509には、火災に係る物理量として光量を計測し、煙の存在を感知する。 The detection unit 509 measures a physical quantity related to the abnormality and transmits the measurement value to the CPU 505. The physical quantity relating to the abnormality varies depending on the use of the alarm device, and the alarm device functioning as a fire alarm measures the physical quantity relating to the fire. Therefore, the detection unit 509 measures the amount of light as a physical quantity related to a fire and senses the presence of smoke.

検出部509は、パワーゲート504と電気的に接続された光センサ511と、パワーゲート504と電気的に接続されたアンプ512と、パワーゲート504およびCPU505と電気的に接続されたADコンバータ513と、を有する。発光素子530、光センサ511、アンプ512およびADコンバータ513は、パワーゲート504が検出部509に電源を供給したときに動作する。 The detection unit 509 includes an optical sensor 511 that is electrically connected to the power gate 504, an amplifier 512 that is electrically connected to the power gate 504, and an AD converter 513 that is electrically connected to the power gate 504 and the CPU 505. Have. The light emitting element 530, the optical sensor 511, the amplifier 512, and the AD converter 513 operate when the power gate 504 supplies power to the detection unit 509.

図28に警報装置の断面の一部を示す。p型の半導体基板101に素子分離領域103を有し、ゲート絶縁膜107およびゲート電極109、n型の不純物領域111a、n型の不純物領域111b、絶縁膜115および絶縁膜117を有するn型のトランジスタ519が形成されている。n型のトランジスタ519は、単結晶シリコンなどの半導体を用いて形成されており、高速動作が可能である。従って、高速なアクセスが可能なCPUの揮発性記憶部を形成することができる。 FIG. 28 shows a part of a cross section of the alarm device. A p-type semiconductor substrate 101 has an element isolation region 103, and has a gate insulating film 107 and a gate electrode 109, an n-type impurity region 111 a, an n-type impurity region 111 b, an insulating film 115 and an insulating film 117. A transistor 519 is formed. The n-type transistor 519 is formed using a semiconductor such as single crystal silicon and can operate at high speed. Therefore, it is possible to form a volatile storage unit of the CPU that can be accessed at high speed.

また、絶縁膜115および絶縁膜117の一部を選択的にエッチングした開口部にコンタクトプラグ119aおよびコンタクトプラグ119bを形成し、絶縁膜117およびコンタクトプラグ119aおよびコンタクトプラグ119b上に溝部を有する絶縁膜121を設けている。また、絶縁膜121の溝部に配線123aおよび配線123bを形成する。また、絶縁膜121、配線123aおよび配線123b上にスパッタリング法、CVD法等により絶縁膜120を形成し、当該絶縁膜120上に、溝部を有する絶縁膜122を形成する。絶縁膜122の溝部に電極124を形成する。電極124は、第2のトランジスタ517のバックゲート電極として機能する電極である。このような電極124を設けることにより、第2のトランジスタ517のしきい値電圧の制御を行うことができる。 In addition, contact plugs 119a and 119b are formed in openings in which a part of the insulating film 115 and the insulating film 117 is selectively etched, and an insulating film having a groove over the insulating film 117, the contact plug 119a, and the contact plug 119b. 121 is provided. In addition, a wiring 123 a and a wiring 123 b are formed in the groove portion of the insulating film 121. Further, the insulating film 120 is formed over the insulating film 121, the wiring 123a, and the wiring 123b by a sputtering method, a CVD method, or the like, and the insulating film 122 having a groove is formed over the insulating film 120. An electrode 124 is formed in the groove portion of the insulating film 122. The electrode 124 is an electrode that functions as a back gate electrode of the second transistor 517. By providing such an electrode 124, the threshold voltage of the second transistor 517 can be controlled.

また、絶縁膜122および電極124上に、スパッタリング法、CVD法等により、絶縁膜125を設けている。 An insulating film 125 is provided over the insulating film 122 and the electrode 124 by a sputtering method, a CVD method, or the like.

絶縁膜125上には、第2のトランジスタ517と、光電変換素子514が設けられる。第2のトランジスタ517は、多層膜106と、多層膜106上に接するソース電極116a、ドレイン電極116bと、ゲート絶縁膜112と、ゲート電極104と、保護絶縁膜118を含む。また、光電変換素子514と第2のトランジスタ517を覆う絶縁膜145が設けられ、絶縁膜145上にドレイン電極116bに接して配線149を有する。配線149は、配線122bの記載を参照する。なお、配線149は、第2のトランジスタ517のドレイン電極とn型のトランジスタ519のゲート電極109とを電気的に接続するノードとして機能する。 A second transistor 517 and a photoelectric conversion element 514 are provided over the insulating film 125. The second transistor 517 includes a multilayer film 106, a source electrode 116 a and a drain electrode 116 b that are in contact with the multilayer film 106, a gate insulating film 112, a gate electrode 104, and a protective insulating film 118. An insulating film 145 that covers the photoelectric conversion element 514 and the second transistor 517 is provided, and a wiring 149 is provided over the insulating film 145 in contact with the drain electrode 116b. For the wiring 149, the description of the wiring 122b is referred to. Note that the wiring 149 functions as a node that electrically connects the drain electrode of the second transistor 517 and the gate electrode 109 of the n-type transistor 519.

光センサ511は、光電変換素子514と、容量素子と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタ517と、第3のトランジスタと、n型のトランジスタ519と、を含む。ここで光電変換素子514としては、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。 The optical sensor 511 includes a photoelectric conversion element 514, a capacitor, a first transistor, a second transistor 517, a third transistor, and an n-type transistor 519. Here, as the photoelectric conversion element 514, for example, a photodiode or the like can be used.

光電変換素子514の端子の一方は、低電位電源線VSSと電気的に接続され、端子の他方は、第2のトランジスタ517のソース電極およびドレイン電極の一方に電気的に接続される。第2のトランジスタ517のゲート電極は、電荷蓄積制御信号Txが与えられ、ソース電極およびドレイン電極の他方は、容量素子の一対の電極の一方と、第1のトランジスタのソース電極およびドレイン電極の一方と、n型のトランジスタ519のゲート電極と電気的に接続される(以下、当該ノードをノードFDと呼ぶ場合がある)。容量素子の一対の電極の他方は、低電位電源線VSSと電気的に接続される。第1のトランジスタのゲート電極は、リセット信号Resが与えられ、ソース電極およびドレイン電極の他方は、高電位電源線VDDと電気的に接続される。n型のトランジスタ519のソース電極およびドレイン電極の一方は、第3のトランジスタのソース電極およびドレイン電極の一方と、アンプ512と電気的に接続される。また、n型のトランジスタ519のソース電極およびドレイン電極の他方は、高電位電源線VDDと電気的に接続される。第3のトランジスタのゲート電極は、バイアス信号Biasが与えられ、ソース電極およびドレイン電極の他方は、低電位電源線VSSと電気的に接続される。 One terminal of the photoelectric conversion element 514 is electrically connected to the low-potential power supply line VSS, and the other terminal is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the second transistor 517. The gate electrode of the second transistor 517 is supplied with the charge accumulation control signal Tx, and the other of the source electrode and the drain electrode is one of the pair of electrodes of the capacitor and one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor. Are electrically connected to the gate electrode of the n-type transistor 519 (hereinafter, the node may be referred to as a node FD). The other of the pair of electrodes of the capacitor is electrically connected to the low potential power supply line VSS. A reset signal Res is supplied to the gate electrode of the first transistor, and the other of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the high potential power supply line VDD. One of a source electrode and a drain electrode of the n-type transistor 519 is electrically connected to the amplifier 512 and one of the source electrode and the drain electrode of the third transistor. The other of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 519 is electrically connected to the high potential power supply line VDD. A bias signal Bias is supplied to the gate electrode of the third transistor, and the other of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the low potential power supply line VSS.

なお、容量素子は必ずしも設けなくてよく、例えば、n型のトランジスタ519などの寄生容量が十分大きい場合、容量素子を設けない構成としてもよい。 Note that the capacitor is not necessarily provided. For example, when the parasitic capacitance of the n-type transistor 519 or the like is sufficiently large, the capacitor may not be provided.

また、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタ517に、極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることが好ましい。また、極めてオフ電流の低いトランジスタとしては、上述した酸化物半導体層を含む多層膜を用いたトランジスタを用いることが好ましい。このような構成とすることによりノードFDの電位を長時間保持することが可能となる。 In addition, it is preferable to use transistors with extremely low off-state current for the first transistor and the second transistor 517. As the transistor with extremely low off-state current, a transistor including a multilayer film including the above-described oxide semiconductor layer is preferably used. With such a structure, the potential of the node FD can be held for a long time.

また、図28に示す構成は、第2のトランジスタ517と電気的に接続して、絶縁膜125上に光電変換素子514が設けられている。 In the structure illustrated in FIG. 28, the photoelectric conversion element 514 is provided over the insulating film 125 so as to be electrically connected to the second transistor 517.

光電変換素子514は、絶縁膜125上に設けられた半導体膜160と、半導体膜160上に接して設けられたソース電極116a、電極116cと、を有する。ソース電極116aは第2のトランジスタ517のソース電極またはドレイン電極として機能する電極であり、光電変換素子514と第2のトランジスタ517とを電気的に接続している。 The photoelectric conversion element 514 includes a semiconductor film 160 provided over the insulating film 125, and a source electrode 116 a and an electrode 116 c provided in contact with the semiconductor film 160. The source electrode 116 a is an electrode functioning as a source electrode or a drain electrode of the second transistor 517 and electrically connects the photoelectric conversion element 514 and the second transistor 517.

半導体膜160、ソース電極116aおよび電極116c上には、ゲート絶縁膜112、保護絶縁膜118および絶縁膜145が設けられている。また、絶縁膜145上に配線156が設けられており、ゲート絶縁膜112、保護絶縁膜118および絶縁膜145に設けられた開口を介して電極116cと接する。 A gate insulating film 112, a protective insulating film 118, and an insulating film 145 are provided over the semiconductor film 160, the source electrode 116a, and the electrode 116c. A wiring 156 is provided over the insulating film 145 and is in contact with the electrode 116 c through an opening provided in the gate insulating film 112, the protective insulating film 118, and the insulating film 145.

電極116cは、ソース電極116aおよびドレイン電極116bと、配線156は、配線149と同様の工程で形成することができる。 The electrode 116 c can be formed in the same process as the wiring 149, and the source electrode 116 a and the drain electrode 116 b and the wiring 156 can be formed.

半導体膜160としては、光電変換を行うことができる半導体膜を設ければよく、例えば、シリコンやゲルマニウムなどを用いることができる。半導体膜160にシリコンを用いた場合は、可視光を検知する光センサとして機能する。また、シリコンとゲルマニウムでは吸収できる電磁波の波長が異なるため、半導体膜160にゲルマニウムを用いる構成とすると、赤外線を検知するセンサとして用いることができる。 As the semiconductor film 160, a semiconductor film that can perform photoelectric conversion may be provided. For example, silicon, germanium, or the like can be used. When silicon is used for the semiconductor film 160, it functions as an optical sensor that detects visible light. In addition, since the wavelength of electromagnetic waves that can be absorbed is different between silicon and germanium, a structure in which germanium is used for the semiconductor film 160 can be used as a sensor that detects infrared rays.

以上のように、マイクロコンピュータ500に、光センサ511を含む検出部509を内蔵して設けることができるので、部品数を削減し、警報装置の筐体を縮小することができる。 As described above, since the microcomputer 500 can be provided with the detection portion 509 including the optical sensor 511, the number of components can be reduced and the housing of the alarm device can be reduced.

上述したICチップを含む火災報知器には、上述したトランジスタを用いた複数の回路を組み合わせ、それらを1つのICチップに搭載したCPU505が用いられる。 The fire alarm including the above-described IC chip uses a CPU 505 in which a plurality of circuits using the above-described transistors are combined and mounted on one IC chip.

3−1−1.CPU
図29は、上述したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの具体的な構成を示すブロック図である。
3-1-1. CPU
FIG. 29 is a block diagram illustrating a specific configuration of a CPU using at least part of the above-described transistors.

図29(A)に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、論理演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図29(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。 29A includes an ALU 1191 (ALU: Arithmetic logic unit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, and a register controller 1197. , A bus interface 1198 (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F). As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 29A is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application.

バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。 Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。 The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. The interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The register controller 1197 generates an address of the register 1196, and reads and writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。 In addition, the timing controller 1195 generates a signal for controlling the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the internal clock signal CLK2 to the various circuits.

図29(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、上述したトランジスタを用いることができる。 In the CPU illustrated in FIG. 29A, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the above-described transistor can be used.

図29(A)に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。 In the CPU illustrated in FIG. 29A, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by a flip-flop or to hold data by a capacitor in a memory cell included in the register 1196 is selected. When data retention by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

電源停止に関しては、図29(B)または図29(C)に示すように、メモリセル群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図29(B)および図29(C)の回路の説明を行う。 The power supply is stopped by providing a switching element between the memory cell group and the node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied, as shown in FIG. 29B or 29C. Can do. The circuits in FIGS. 29B and 29C will be described below.

図29(B)および図29(C)は、メモリセルへの電源電位の供給を制御するスイッチング素子に、上述したトランジスタを用いた記憶装置である。 FIGS. 29B and 29C illustrate a memory device in which the above-described transistor is used as a switching element that controls supply of a power supply potential to a memory cell.

図29(B)に示す記憶装置は、スイッチング素子1141と、メモリセル1142を複数有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には、上述したトランジスタを用いることができる。メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。 A memory device illustrated in FIG. 29B includes a switching element 1141 and a memory cell group 1143 including a plurality of memory cells 1142. Specifically, the above-described transistor can be used for each memory cell 1142. A high-level power supply potential VDD is supplied to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 through the switching element 1141. Further, each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 is supplied with the potential of the signal IN and the low-level power supply potential VSS.

図29(B)では、スイッチング素子1141として、上述したトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信号SigAによりスイッチングが制御される。 In FIG. 29B, the above-described transistor is used as the switching element 1141, and switching of the transistor is controlled by a signal SigA applied to the gate electrode thereof.

なお、図29(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。 Note that FIG. 29B illustrates a structure in which the switching element 1141 includes only one transistor; however, there is no particular limitation, and a plurality of transistors may be included. In the case where the switching element 1141 includes a plurality of transistors functioning as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or may be combined in series and parallel. May be connected.

また、図29(B)では、スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが、スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されていてもよい。 In FIG. 29B, the switching element 1141 controls the supply of the high-level power supply potential VDD to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143, but the switching element 1141 controls the low-level power supply potential VDD. The supply of the power supply potential VSS may be controlled.

また、図29(C)には、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142に、スイッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。 FIG. 29C illustrates an example of a memory device in which a low-level power supply potential VSS is supplied to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 through the switching element 1141. The switching element 1141 can control supply of the low-level power supply potential VSS to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143.

メモリセル群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。 A switching element is provided between the memory cell group and a node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied to temporarily stop the operation of the CPU and retain data even when the supply of the power supply voltage is stopped. It is possible to reduce power consumption. Specifically, for example, the operation of the CPU can be stopped while the user of the personal computer stops inputting information to an input device such as a keyboard, thereby reducing power consumption. it can.

ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のLSIにも応用可能である。 Here, the CPU has been described as an example, but the present invention can also be applied to LSIs such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, and an FPGA (Field Programmable Gate Array).

3−1−2.設置例
図30(A)において、警報装置8100は、住宅用火災警報器であり、検出部と、マイクロコンピュータ8101を有している。マイクロコンピュータ8101には、上述したトランジスタを用いたCPUが含まれる。
3-1-2. Installation Example In FIG. 30A, an alarm device 8100 is a residential fire alarm, and includes a detection unit and a microcomputer 8101. The microcomputer 8101 includes a CPU using the above-described transistor.

図30(A)において、室内機8200および室外機8204を有するエアコンディショナーには、上述したトランジスタを用いたCPUが含まれる。具体的に、室内機8200は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図30(A)において、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、CPU8203は室外機8204に設けられていてもよい。または、室内機8200と室外機8204の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。上述したトランジスタを用いたCPUが含まれることで、エアコンディショナーを省電力化できる。 In FIG. 30A, an air conditioner including an indoor unit 8200 and an outdoor unit 8204 includes a CPU using the above-described transistor. Specifically, the indoor unit 8200 includes a housing 8201, an air outlet 8202, a CPU 8203, and the like. FIG. 30A illustrates the case where the CPU 8203 is provided in the indoor unit 8200; however, the CPU 8203 may be provided in the outdoor unit 8204. Alternatively, the CPU 8203 may be provided in both the indoor unit 8200 and the outdoor unit 8204. By including the CPU using the above-described transistor, it is possible to save power in the air conditioner.

図30(A)において、電気冷凍冷蔵庫8300には、上述したトランジスタを用いたCPUが含まれる。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図30(A)では、CPU8304が、筐体8301の内部に設けられている。上述したトランジスタを用いたCPUが含まれることで、電気冷凍冷蔵庫8300を省電力化できる。 In FIG. 30A, an electric refrigerator-freezer 8300 includes a CPU using the above-described transistor. Specifically, the electric refrigerator-freezer 8300 includes a housing 8301, a refrigerator door 8302, a freezer door 8303, a CPU 8304, and the like. In FIG. 30A, the CPU 8304 is provided inside the housing 8301. By including the CPU using the above-described transistor, the electric refrigerator-freezer 8300 can save power.

図30(B)において、電気自動車の例を示す。電気自動車9700には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電力は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、図示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によって制御される。上述したトランジスタを用いたCPUが含まれることで、電気自動車9700を省電力化できる。 FIG. 30B illustrates an example of an electric vehicle. An electric vehicle 9700 is equipped with a secondary battery 9701. The output of the power of the secondary battery 9701 is adjusted by the control circuit 9702 and supplied to the driving device 9703. The control circuit 9702 is controlled by a processing device 9704 having a ROM, a RAM, a CPU, etc. (not shown). By including the CPU using the above-described transistor, the electric vehicle 9700 can save power.

駆動装置9703は、直流電動機もしくは交流電動機単体、または電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。 Drive device 9703 is configured by a DC motor or an AC motor alone, or a combination of an electric motor and an internal combustion engine. The processing device 9704 is based on input information such as operation information (acceleration, deceleration, stop, etc.) of the driver of the electric vehicle 9700 and information at the time of travel (information such as uphill and downhill, load information on the drive wheels, etc.). The control signal is output to the control circuit 9702. The control circuit 9702 controls the output of the driving device 9703 by adjusting the electric energy supplied from the secondary battery 9701 according to the control signal of the processing device 9704. When an AC motor is mounted, an inverter that converts direct current to alternating current is also built in, although not shown.

70 大気側基板供給室
70a 成膜室
70b 成膜室
71 大気側基板供給室
72a ロードロック室
72b アンロードロック室
73 搬送室
73a 搬送室
73b 搬送室
74 カセットポート
75 基板加熱室
76 基板搬送ロボット
80 成膜室
80a 成膜室
80b 成膜室
80c 成膜室
80d 成膜室
81 大気側基板供給室
82 ロード/アンロードロック室
83 搬送室
84 カセットポート
85 基板加熱室
86 基板搬送ロボット
87 ターゲット
88 防着板
89 ガラス基板
90 基板ステージ
92 基板ステージ
93 加熱機構
94 精製機
95a クライオポンプ
95b クライオポンプ
95c ターボ分子ポンプ
95d クライオポンプ
95e クライオポンプ
95f クライオポンプ
96 真空ポンプ
96a 真空ポンプ
96b 真空ポンプ
96c 真空ポンプ
97 マスフローコントローラ
98 ガス加熱機構
99 クライオトラップ
100 基板
101 半導体基板
102 下地絶縁膜
103 素子分離領域
104 ゲート電極
105 酸化物層
106 多層膜
106a 酸化物層
106b 酸化物半導体層
106c 酸化物層
106d 酸化物層
107 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
111a 不純物領域
111b 不純物領域
112 ゲート絶縁膜
115 絶縁膜
116a ソース電極
116b ドレイン電極
116c 電極
117 絶縁膜
118 保護絶縁膜
118a 酸化シリコン層
119a コンタクトプラグ
119b コンタクトプラグ
120 絶縁膜
121 絶縁膜
122 絶縁膜
122a 配線
122b 配線
123a 配線
123b 配線
124 電極
125 絶縁膜
132 下地絶縁膜
133 下地絶縁膜
136a 酸化物層
136b 酸化物半導体層
136c 酸化物層
137d 酸化物層
140 レジストマスク
142 ゲート絶縁膜
145 絶縁膜
149 配線
150 プラズマ
152 下地絶縁膜
156 配線
156a 酸化物層
156b 酸化物半導体層
156c 酸化物層
160 半導体膜
200 基板
202 下地絶縁膜
204 ゲート電極
206 多層膜
206a 酸化物層
206b 酸化物半導体層
206c 酸化物層
206d 酸化物層
210 側壁絶縁膜
212 ゲート絶縁膜
218 保護絶縁膜
222a 配線
222b 配線
242 ゲート絶縁膜
500 マイクロコンピュータ
501 直流電源
502 バスライン
503 パワーゲートコントローラ
504 パワーゲート
505 CPU
506 揮発性記憶部
507 不揮発性記憶部
508 インターフェース
509 検出部
511 光センサ
512 アンプ
513 ADコンバータ
514 光電変換素子
517 トランジスタ
519 トランジスタ
530 発光素子
1000 ターゲット
1001 イオン
1002 スパッタリング粒子
1003 酸化物半導体層
1004 非晶質膜
1005 プラズマ
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
8100 警報装置
8101 マイクロコンピュータ
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
70 atmosphere side substrate supply chamber 70a film formation chamber 70b film formation chamber 71 atmosphere side substrate supply chamber 72a load lock chamber 72b unload lock chamber 73 transfer chamber 73a transfer chamber 73b transfer chamber 74 cassette port 75 substrate heating chamber 76 substrate transfer robot 80 Deposition chamber 80a Deposition chamber 80b Deposition chamber 80c Deposition chamber 80d Deposition chamber 81 Air side substrate supply chamber 82 Load / unload lock chamber 83 Transfer chamber 84 Cassette port 85 Substrate heating chamber 86 Substrate transfer robot 87 Target 88 Prevention Substrate 89 Glass substrate 90 Substrate stage 92 Substrate stage 93 Heating mechanism 94 Purifier 95a Cryo pump 95b Cryo pump 95c Turbo molecular pump 95d Cryo pump 95e Cryo pump 95f Cryo pump 96 Vacuum pump 96a Vacuum pump 96b Vacuum pump 96c Vacuum pump 97 Mass flow controller 98 Gas heating mechanism 99 Cryo trap 100 Substrate 101 Semiconductor substrate 102 Base insulating film 103 Element isolation region 104 Gate electrode 105 Oxide layer 106 Multilayer film 106a Oxide layer 106b Oxide semiconductor layer 106c Oxide layer 106d Oxide layer 107 Gate insulating film 109 Gate electrode 111a Impurity region 111b Impurity region 112 Gate insulating film 115 Insulating film 116a Source electrode 116b Drain electrode 116c Electrode 117 Insulating film 118 Protective insulating film 118a Silicon oxide layer 119a Contact plug 119b Contact plug 120 Insulating film 121 Insulating Film 122 Insulating film 122a Wiring 122b Wiring 123a Wiring 123b Wiring 124 Electrode 125 Insulating film 132 Underlying insulating film 133 Underlying insulating film 136a Oxide layer 13 6b Oxide semiconductor layer 136c Oxide layer 137d Oxide layer 140 Resist mask 142 Gate insulating film 145 Insulating film 149 Wiring 150 Plasma 152 Underlying insulating film 156 Wiring 156a Oxide layer 156b Oxide semiconductor layer 156c Oxide semiconductor layer 160 Semiconductor film 200 Substrate 202 Base insulating film 204 Gate electrode 206 Multilayer film 206a Oxide layer 206b Oxide semiconductor layer 206c Oxide layer 206d Oxide layer 210 Side wall insulating film 212 Gate insulating film 218 Protective insulating film 222a Wiring 222b Wiring 242 Gate insulating film 500 Micro Computer 501 DC power supply 502 Bus line 503 Power gate controller 504 Power gate 505 CPU
506 Volatile storage unit 507 Nonvolatile storage unit 508 Interface 509 Detection unit 511 Optical sensor 512 Amplifier 513 AD converter 514 Photoelectric conversion element 517 Transistor 519 Transistor 530 Light emitting element 1000 Target 1001 Ion 1002 Sputtered particle 1003 Oxide semiconductor layer 1004 Amorphous Film 1005 Plasma 1141 Switching element 1142 Memory cell 1143 Memory cell group 1189 ROM interface 1190 Substrate 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
8100 Alarm device 8101 Microcomputer 8200 Indoor unit 8201 Housing 8202 Air outlet 8203 CPU
8204 Outdoor unit 8300 Electric refrigerator-freezer 8301 Housing 8302 Refrigeration room door 8303 Freezing room door 8304 CPU
9700 Electric vehicle 9701 Secondary battery 9702 Control circuit 9703 Driving device 9704 Processing device

Claims (14)

酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層を包む酸化物層を、を含む多層膜と、
前記多層膜と接するソース電極およびドレイン電極と、
前記多層膜上の、前記ソース電極および前記ドレイン電極に挟まれた、ゲート絶縁膜およびゲート電極の積層と、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記多層膜に接する保護絶縁膜と、を有し、
前記多層膜の一断面において、端部が曲率を有することを特徴とする半導体装置。
A multilayer film including an oxide semiconductor layer and an oxide layer surrounding the oxide semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode in contact with the multilayer film;
A stack of a gate insulating film and a gate electrode sandwiched between the source electrode and the drain electrode on the multilayer film;
A protective insulating film in contact with the source electrode, the drain electrode, the gate insulating film, the gate electrode and the multilayer film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein an end portion has a curvature in one cross section of the multilayer film.
請求項1において、
前記酸化物半導体層および前記酸化物層は少なくともインジウムを含み、前記酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、前記酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高い半導体装置。
In claim 1,
The oxide semiconductor layer and the oxide layer include at least indium, and the content ratio of indium in the oxide semiconductor layer is higher than the content ratio of indium in the oxide layer.
請求項1または請求項2において、前記酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きい半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide layer has an energy gap larger than that of the oxide semiconductor layer. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、前記酸化物層および前記酸化物半導体層はインジウム、亜鉛および元素Mを含み、
前記元素Mはアルミニウム、チタン、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムであり、
前記酸化物層は、前記酸化物半導体層よりも元素Mの含有割合が高い半導体装置。
4. The oxide layer and the oxide semiconductor layer according to claim 1, wherein the oxide layer and the oxide semiconductor layer include indium, zinc, and an element M.
The element M is aluminum, titanium, silicon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, tin, lanthanum, cerium or hafnium,
The oxide layer is a semiconductor device in which the content ratio of the element M is higher than that of the oxide semiconductor layer.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、前記多層膜の下端部は曲面を有することを特徴とする半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lower end portion of the multilayer film has a curved surface. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、前記酸化物層は、前記酸化物半導体層の下の第1の酸化物層と、酸化物半導体層上の第2の酸化物層と、前記酸化物半導体層の側面を覆う第3の酸化物層を含む半導体装置。   The oxide layer according to any one of claims 1 to 5, wherein the oxide layer includes a first oxide layer under the oxide semiconductor layer, a second oxide layer over the oxide semiconductor layer, A semiconductor device including a third oxide layer covering a side surface of the oxide semiconductor layer. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、前記酸化物半導体層と前記酸化物層の界面と前記酸化物層の側面との間隔は、前記酸化物半導体層と前記酸化物層の界面と、前記酸化物層上面との間隔よりも広いことを特徴とする半導体装置。   7. The distance between the interface between the oxide semiconductor layer and the oxide layer and the side surface of the oxide layer is the interface between the oxide semiconductor layer and the oxide layer according to claim 1. And a gap between the upper surface of the oxide layer and the upper surface of the oxide layer. 請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、前記多層膜の膜厚が前記多層膜の側面の曲率半径の50分の1以上50倍以下である半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the multilayer film is not less than 1/50 and not more than 50 times the curvature radius of the side surface of the multilayer film. 請求項1乃至請求項8のいずれか一項において、前記多層膜の下に下地絶縁膜を有し、
前記下地絶縁膜の前記多層膜と重畳する領域の膜厚は、他の領域よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
In any 1 item | term of Claim 1 thru | or 8, It has a base insulating film under the said multilayer film,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of a region of the base insulating film overlapping with the multilayer film is larger than that of other regions.
請求項9において、前記下地絶縁膜は、前記多層膜と重畳する第1の領域と、前記第1の領域を囲む第2の領域と、前記第2の領域を囲む第3の領域と、を含み、
前記第2の領域の膜厚は前記第1の領域よりも小さく、
前記第3の領域の膜厚は前記第2の領域よりも小さい半導体装置。
The base insulating film according to claim 9, wherein the base insulating film includes a first region overlapping with the multilayer film, a second region surrounding the first region, and a third region surrounding the second region. Including
The film thickness of the second region is smaller than that of the first region,
A semiconductor device in which the film thickness of the third region is smaller than that of the second region.
請求項1乃至請求項10のいずれか一項において、前記保護絶縁膜は水素、窒素の少なくとも一方を放出する窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層を含む半導体装置。   11. The semiconductor device according to claim 1, wherein the protective insulating film includes a silicon nitride layer or a silicon nitride oxide layer that emits at least one of hydrogen and nitrogen. 請求項11において、前記多層膜の前記窒化シリコン層または前記窒化酸化シリコン層と接する領域は、他の領域よりも抵抗が低い半導体装置。   12. The semiconductor device according to claim 11, wherein a region of the multilayer film in contact with the silicon nitride layer or the silicon nitride oxide layer has lower resistance than other regions. 第1の酸化物膜と、酸化物半導体膜と、第2の酸化物膜と、を順に積層して形成し、
前記第2の酸化物膜上にレジストマスクを形成し、
前記レジストマスクを用いて、前記第2の酸化物膜および前記酸化物半導体膜に第1のエッチングを行うことで、島状の第2の酸化物層および酸化物半導体層を形成し、
前記第1の酸化物膜に第2のエッチングを行うことで、島状の第1の酸化物層を形成するとともに、前記酸化物半導体層の側面に、前記第2のエッチング時の反応生成物を付着させ、前記酸化物半導体層を覆う第3の酸化物層を形成し、
前記レジストマスクを除去し、
前記第2の酸化物層上にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、
前記第2の酸化物層および前記第3の酸化物層上にソース電極およびドレイン電極を形成し、
前記第2の酸化物層、前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極上に接して保護絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法。
A first oxide film, an oxide semiconductor film, and a second oxide film are sequentially stacked;
Forming a resist mask on the second oxide film;
By performing first etching on the second oxide film and the oxide semiconductor film using the resist mask, an island-shaped second oxide layer and oxide semiconductor layer are formed,
By performing the second etching on the first oxide film, an island-shaped first oxide layer is formed, and a reaction product at the time of the second etching is formed on a side surface of the oxide semiconductor layer. To form a third oxide layer covering the oxide semiconductor layer,
Removing the resist mask;
Forming a gate insulating film and a gate electrode on the second oxide layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the second oxide layer and the third oxide layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a protective insulating film is formed on and in contact with the second oxide layer, the source electrode, the drain electrode, the gate insulating film, and the gate electrode.
請求項13において、前記レジストマスクを除去した後、酸化性ガス雰囲気で加熱処理を行う半導体装置の作製方法。   14. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein after the resist mask is removed, heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016181696A (en) * 2015-03-24 2016-10-13 株式会社半導体エネルギー研究所 Manufacturing method for semiconductor device
WO2016189411A1 (en) * 2015-05-22 2016-12-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and display device including semiconductor device
JP2017005064A (en) * 2015-06-08 2017-01-05 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, and display device having the same
WO2019244636A1 (en) * 2018-06-18 2019-12-26 株式会社ジャパンディスプレイ Semiconductor device

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009021565A (en) * 2007-06-12 2009-01-29 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2009032794A (en) * 2007-07-25 2009-02-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2009231613A (en) * 2008-03-24 2009-10-08 Fujifilm Corp Thin film field effect transistor and display unit
JP2010034534A (en) * 2008-06-24 2010-02-12 Fujifilm Corp Thin-film field-effect transistor and display device
JP2010067954A (en) * 2008-08-14 2010-03-25 Fujifilm Corp Thin film field effect transistor
JP2011124360A (en) * 2009-12-10 2011-06-23 Fujifilm Corp Thin-film transistor and method for manufacturing the same, and device including the same
JP2011228695A (en) * 2010-04-02 2011-11-10 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device
JP2011243745A (en) * 2010-05-18 2011-12-01 Fujifilm Corp Method of manufacturing thin film transistor, thin film transistor, image sensor, x-ray sensor, and x-ray digital photographing device
JP2012134475A (en) * 2010-12-03 2012-07-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Oxide semiconductor film and semiconductor device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5328414B2 (en) * 2009-02-25 2013-10-30 富士フイルム株式会社 Top gate type field effect transistor, method of manufacturing the same, and display device including the same
TWI593115B (en) * 2010-11-11 2017-07-21 半導體能源研究所股份有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009021565A (en) * 2007-06-12 2009-01-29 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2009032794A (en) * 2007-07-25 2009-02-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2009231613A (en) * 2008-03-24 2009-10-08 Fujifilm Corp Thin film field effect transistor and display unit
JP2010034534A (en) * 2008-06-24 2010-02-12 Fujifilm Corp Thin-film field-effect transistor and display device
JP2010067954A (en) * 2008-08-14 2010-03-25 Fujifilm Corp Thin film field effect transistor
JP2011124360A (en) * 2009-12-10 2011-06-23 Fujifilm Corp Thin-film transistor and method for manufacturing the same, and device including the same
JP2011228695A (en) * 2010-04-02 2011-11-10 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device
JP2011243745A (en) * 2010-05-18 2011-12-01 Fujifilm Corp Method of manufacturing thin film transistor, thin film transistor, image sensor, x-ray sensor, and x-ray digital photographing device
JP2012134475A (en) * 2010-12-03 2012-07-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Oxide semiconductor film and semiconductor device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016181696A (en) * 2015-03-24 2016-10-13 株式会社半導体エネルギー研究所 Manufacturing method for semiconductor device
WO2016189411A1 (en) * 2015-05-22 2016-12-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and display device including semiconductor device
US9837547B2 (en) 2015-05-22 2017-12-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device comprising oxide conductor and display device including the semiconductor device
US10319861B2 (en) 2015-05-22 2019-06-11 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device comprising oxide conductor
US10861981B2 (en) 2015-05-22 2020-12-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device comprising an oxide semiconductor
US10903368B2 (en) 2015-05-22 2021-01-26 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and display device including semiconductor device
US11695078B2 (en) 2015-05-22 2023-07-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and display device including semiconductor device
JP2017005064A (en) * 2015-06-08 2017-01-05 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, and display device having the same
WO2019244636A1 (en) * 2018-06-18 2019-12-26 株式会社ジャパンディスプレイ Semiconductor device

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