JP2015084428A - 電界効果型トランジスタ - Google Patents
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Abstract
わめて低減された電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】酸化物半導体に含まれる水素が5×1019/cm3以下、好ましくは5×
1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm3以下として、酸化物半導体
に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア濃度を5×1014/cm3以下、好
ましくは5×1012/cm3以下とした酸化物半導体膜でチャネル形成領域が形成され
る縦型薄膜トランジスタである。
【選択図】図1
Description
する。
ば薄膜トランジスタ(TFT)を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは液
晶テレビに代表されるような表示装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用可能な
半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導
体が注目されている。
そして、電子キャリア濃度が1018/cm3未満である非晶質酸化物(酸化物半導体)
なるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている(特許文献1乃至3)。
例えば、酸素の過不足によって酸化物半導体の電気伝導度が変化してしまう。また、酸化
物半導体の薄膜形成中に混入する水素が酸素(O)−水素(H)結合を形成して電子供与
体となり、電気伝導度を変化させる要因となる。さらにO−H基は極性を有するので、酸
化物半導体によって作製される薄膜トランジスタのような能動デバイスに対して特性の変
動要因となる。
n型であり、前記特許文献に開示される薄膜トランジスタのオン・オフ比は103しか得
られていない。このような薄膜トランジスタのオン・オフ比が低い理由はオフ電流が高い
ことによるものである。
電荷が蓄積してしまうという問題がある。例えば薄膜トランジスタの場合、このような電
荷の蓄積があると、寄生チャネルが発生し、リーク電流が流れてしまう。また、ボトムゲ
ート型トランジスタの場合には、半導体層におけるバックチャネル部(半導体層における
上部に設けられたソース電極及びドレイン電極の間の領域)の表面または内部に電荷が蓄
積し、寄生チャネルが発生し、リーク電流が生じやすく、しきい値電圧が変動してしまう
。
ル長を小さくすればよいが、チャネル長を小さくすると、薄膜トランジスタのオフ電流が
上昇してしまう。
にはオフ電流がきわめて低減された薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
ことで、真性又は実質的に真性な半導体であって、シリコン半導体よりもエネルギーギャ
ップが大きい酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される縦型薄膜トランジスタである
。
、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm3以下とし
て、酸化物半導体に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア濃度を5×1014
/cm3以下、好ましくは5×1012/cm3以下とした酸化物半導体膜でチャネル形
成領域が形成される縦型薄膜トランジスタである。
しくは3eV以上として、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャリア濃度
を1×1014/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3以下となるようにする。
絶縁膜を介して、ソース電極、酸化物半導体膜、及びドレイン電極を囲んでいる。即ち、
ゲート絶縁膜を介して、ソース電極、酸化物半導体膜、及びドレイン電極の側面と対向す
る。このため、チャネル幅は大きい。
で、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタの電界効果移動度及びオン電流を
向上させると共に、オフ電流を極めて低くさせることができる。
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共
通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「
第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただ
し、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差の
ことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い
。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、
電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
本実施の形態では、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタの構造について、
図1を用いて説明する。
線A−Bの断面図に相当する。
5、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極10
5、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111が
設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113が設けられている。ゲー
ト絶縁膜111及び第3の電極113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設
けられている。絶縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部において第1の電
極105と接続する配線131(図1(A)参照)、第2の電極109と接続する配線1
29、第3の電極113と接続する配線125が形成される。
として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ145のソース電極若しくはド
レイン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜トランジスタ145のゲー
ト電極として機能する。
とする。ゲート電極として機能する第3の電極113を環状とすることで、薄膜トランジ
スタのチャネル幅を大きくすることができる。このため、薄膜トランジスタのオン電流を
高めることができる。
子を有する素子であり、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル形成領域を有しており
、ドレイン領域とチャネル形成領域とソース領域とを介して電流を流すことができる。こ
こで、ソースとドレインとは、薄膜トランジスタの構造や動作条件などによって変わるた
め、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソー
ス及びドレインとして機能する領域を、ソースもしくはドレインとよばない場合がある。
その場合、一例としては、それぞれを第1の端子、第2の端子と表記する場合がある。あ
るいは、それぞれを第1の電極、第2の電極と表記する場合がある。あるいは、第1の領
域、第2の領域と表記する場合がある。
要となる。基板101としては、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス
などのガラス基板を用いることができる。
のものを用いるとよい。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、ア
ルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている
。なお、一般に酸化ホウ素(B2O3)と比較して酸化バリウム(BaO)を多く含ませ
ることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaOを多く含
むガラス基板を用いることが好ましい。
縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラス基板などを用いることができる。
リコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜な
どの窒化物絶縁膜で形成する。また、絶縁膜103は積層構造でもよく、例えば、基板1
01側から上記した窒化物絶縁膜のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁膜のいずれ
か一つ以上との積層構造とすることができる。
ン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金
、上述した元素を組み合わせた合金などで形成する。また、マンガン、マグネシウム、ジ
ルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された材料を用いることができ
る。また、第1の電極105は、単層構造、または二層以上の積層構造とすることができ
る。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を
積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と、その
チタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構
造などが挙げられる。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブ
デン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、または複数組み合わせ
た膜、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
い)で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Fe、Ni、Mnお
よびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、GaとN
i、またはGaとFeなどが挙げられる。また、上記の酸化物半導体膜において、Mとし
て含まれる金属元素の他に、不純物元素としてその他の遷移金属元素、または該遷移金属
の酸化物が含まれていてもよい。InMO3(ZnO)m(m>0、且つ、mは整数でな
い。)で表記される構造の酸化物半導体層のうち、MとしてGaを含む構造の酸化物半導
体をIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体とよび、その薄膜をIn−Ga−Zn−O系膜
とも呼ぶこととする。
−O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、
Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、I
n−O系、Sn−O系、Zn−O系の酸化物半導体膜を用いてもよい。また、上記酸化物
半導体膜にSiを含んでもよい。
019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×101
7/cm3以下であり、酸化物半導体膜に含まれる水素が除去されている。即ち、酸化物
半導体膜の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化されている。また、酸化
物半導体膜107のキャリア濃度が5×1014/cm3以下、好ましくは1×1014
/cm3以下、好ましくは5×1012/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3
以下である。即ち、酸化物半導体膜のキャリア濃度は、限りなくゼロに近い。また、エネ
ルギーギャップは2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上で
ある。なお、酸化物半導体膜中の水素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Sec
ondary Ion Mass Spectroscopy)で検出することができる
。また、キャリア密度は、ホール効果測定により測定することができる。
ネル幅Wは2W1及び2W2の和である。なお、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形
状が円形の場合は、酸化物半導体膜の半径rとした場合、チャネル幅Wは2πrである。
導体膜107の厚さを薄くすることで、薄膜トランジスタのチャネル長Lを小さくするこ
とが可能であり、オン電流及び電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することが
できる。一方、酸化物半導体膜107の厚さを厚くすることで、代表的には100nm以
上3000nm以下とすることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜を単層でまたは積層して形成することができる
。ゲート絶縁膜111は、酸化物半導体膜107と接する部分が酸素を含むことが好まし
く、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸
化物半導体膜107に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。
Nが添加されたHfSiOxNy(x>0、y>0)、ハフニウムアルミネート(HfA
lOx(x>0))、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用い
ることでゲートリーク電流を低減できる。さらには、high−k材料と、酸化シリコン
膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化アルミニウ
ム膜のいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜111の厚さは、
50nm以上500nm以下とするとよい。ゲート絶縁膜111の厚さを薄くすることで
、電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することができ、駆動回路を同一基板に
作製することができる。一方、ゲート絶縁膜111の厚さを厚くすることで、ゲートリー
ク電流を低減することができる。
チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする
合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成することができる。また、
マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択さ
れた材料を用いてもよい。また、第3の電極113は、単層構造でも、二層以上の積層構
造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上
にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し
、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、チタ
ン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれ
た元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
図を用いて説明する。
縦断面図を示す。ドレイン電極(D)上に酸化物半導体膜(OS)及びソース電極(S)
が積層され、ドレイン電極、酸化物半導体膜、及びソース電極上にゲート絶縁膜(GI)
が設けられ、その上にゲート電極(GE1)が設けられている。
A)はソースとドレインの間の電圧を(VD=0V)とした場合を示し、図3(B)は、
ドレインに正の電圧(VD>0)を印加した上で、破線はゲートに電圧を印加しない場合
(VG=0)、実線はゲートに正の電圧(VG>0)を印加した場合を示す。ゲートに電
圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電極から酸化物半導体側へキャリア
(電子)が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す。一方、ゲートに正の電圧を印加
するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態を示す。
4(A)はゲート(GE1)に正の電位(+VG)が印加された状態であり、ソース及び
ドレイン間にキャリア(電子)が流れるオン状態(通電状態)を示している。また、図4
(B)は、ゲート(GE1)に負の電位(−VG)が印加された状態であり、オフ状態(
非通電状態、少数キャリアは流れない状態)である場合を示す。
を示す。
、従来の酸化物半導体膜は一般にn型であり、その場合のフェルミ準位(Ef)は、バン
ドギャップ中央に位置する真性フェルミ準位(Ei)から離れて、伝導帯寄りに位置して
いる。なお、酸化物半導体膜において含有される水素の一部はドナーとなりn型化する一
つの要因であることが知られている。
体膜から除去し、酸化物半導体膜の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化
することにより真性(i型)とし、または真性型に近づけたものである。すなわち、不純
物を添加してi型化するのでなく、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を極力
除去したことにより、高純度化されたi型(真性半導体)またはそれに近づけることを特
徴としている。そうすることにより、フェルミ準位(EF)は真性フェルミ準位(Ei)
と同じレベルにまですることができる。
は4.3eVと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン(Ti)の
仕事関数は、酸化物半導体膜の電子親和力(χ)とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物
半導体膜界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
合、両者が接触すると図3(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される
。
はバリア(h)を越えて酸化物半導体膜に注入され、ドレインに向かって流れる。この場
合、バリア(h)の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレ
イン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図3(A)のバリア(h)の高さすなわ
ちバンドギャップ(Eg)の1/2よりもバリア(h)の高さは小さい値となる。
との界面における、酸化物半導体膜側のエネルギー的に安定な最低部を移動する。
ると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い
値となる。
ても、オフ電流が10−13A以下ときわめて低く、サブスレッショルドスイング値(S
値)が0.1V/dec.(ゲート絶縁膜の厚さ100nm)が得られる。
水素化物などが極力含まれないように高純度化することにより、薄膜トランジスタの動作
を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。
ャネルのほかにソース及びドレインを設ける必要があり、基板における薄膜トランジスタ
の占有面積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型薄膜トラン
ジスタにおいては、ソース、チャネル、及びドレインを積層するため、基板表面における
占有面積を低減することができる。この結果、薄膜トランジスタの微細化が可能である。
酸化物半導体膜107の厚さを薄くすることでチャネル長の小さい薄膜トランジスタとす
ることが可能である。チャネル長を小さくすることで、ソース、チャネル、及びドレイン
の直列抵抗を低減できるため、薄膜トランジスタのオン電流および電界効果移動度を上昇
させることができる。また、本実施の形態に示す薄膜トランジスタのゲート電極は環状で
あり、チャネル幅を大きくすることが可能であるため、オン電流を上昇させることができ
る。また、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を有する薄膜トランジスタ
は、オフ電流が極めて低く、オフ時では電流がほとんど流れない絶縁状態となる。このた
め、酸化物半導体膜の厚さを薄くし、縦型薄膜トランジスタのチャネル長を小さくしても
、非導通状態のオフ電流がほとんど無い薄膜トランジスタとすることができる。
化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど電
流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる構造の電界効果型トランジスタ、例えば薄膜
トランジスタの構造について、図6を用いて説明する。
の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
5、106、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の
電極105、106、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲー
ト絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113が設け
られている。ゲート絶縁膜111及び第3の電極113上には層間絶縁膜として機能する
絶縁膜117が設けられている。絶縁膜117上には、開口部が形成されており、開口部
において第1の電極105と接続する配線131、第1の電極106と接続する配線13
2(図6(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129、第3の電極113と接
続する配線125が形成される。
として機能する。第1の電極106は、薄膜トランジスタ149のソース電極若しくはド
レイン電極の一方として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ147、14
9のソース電極若しくはドレイン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜
トランジスタ147、149のゲート電極として機能する。
徴とする。更には、薄膜トランジスタ147と、薄膜トランジスタ149とが、第2の電
極109及び配線129と、第3の電極113で直列に接続していることを特徴とする。
低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いている。このため、薄膜トランジスタの動
作を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。この結果
、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時では大電流を流すことができ、オフ時ではほ
とんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
本実施の形態では、図1に示す薄膜トランジスタの作製工程について、図7を用いて説明
する。
の電極105を形成する。第1の電極105は、薄膜トランジスタのソース電極及びドレ
イン電極の一方として機能する。
水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜103を形成することが好ましい。これは
、絶縁膜103に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためであ
る。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着
型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、例えば、クライ
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。ク
ライオポンプを用いて排気した処理室では、不純物、特に水素、水、水酸基または水素化
物などが排気されるため、当該処理室で絶縁膜103を形成すると、絶縁膜103に含ま
れる不純物の濃度を低減できる。
化物などの不純物が濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
電源を用いるDCスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCスパ
ッタリング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を形成する場合に用いられ、D
Cスパッタリング法は主に金属膜を形成する場合に用いられる。
装置は、同一チャンバーで異なる材料の膜を積層形成することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて形成することもできる。
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRス
パッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法や、成膜中に基板
にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いることもできる。
方法を適宜用いることができる。
が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンターゲットを用いて、基
板101に絶縁膜103として、酸化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜103を形成
する際は、基板101は加熱されていてもよい。
の距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源1.5kW、酸素及び
アルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気下でRF
スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。膜厚は100nmとするとよい。な
お、石英(好ましくは合成石英)に代えてシリコンターゲットを用いることができる。な
お、スパッタガスとして、酸素、または酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガス及びシ
リコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成する。この場合においても、酸化シリコ
ン膜と同様に、処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ窒
化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、当該工程において、基板101は加熱さ
れていてもよい。
と酸化シリコン膜を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて形成するこ
とができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンタ
ーゲットを用いて窒化シリコン膜を形成し、次に酸素を含むスパッタガスに切り替えて同
じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜及び酸化シリ
コン膜を大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン膜表面に水
素、水、水酸基または水素化物などの不純物が吸着することを防止することができる。
空蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスク形成し
、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。または
、フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第1の電極105を形
成することで、工程数を削減することができる。なお、第1の電極105の端部をテーパ
形状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第1の電
極105の端部と絶縁膜103のなす角の角度を30°以上60°以下、好ましくは40
°以上50°以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させること
ができる。
50nmのチタン膜を形成し、厚さ100nmのアルミニウム膜を形成し、厚さ50nm
のチタン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを
用いてエッチングして、島状の第1の電極105を形成する。
電極109を形成する。酸化物半導体膜107は薄膜トランジスタのチャネル形成領域と
して機能し、第2の電極109は薄膜トランジスタのソース電極若しくはドレイン電極の
他方として機能する。
。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
パッタリング装置の予備加熱室で第1の電極105が形成された基板101を予備加熱し
、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気する
ことが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお
、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成するゲー
ト絶縁膜111の形成前の基板101に行ってもよいし、後に形成する第3の電極113
形成前の基板101に行ってもよい。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、第1の電極105の表面の清浄化を行うことで
、第1の電極105及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を低減することができるため
好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板
側に高周波電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方
法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。
ッタリング法により酸化物半導体膜を形成する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(代表
的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸
素混合雰囲気下においてスパッタリング法により形成することができる。また、スパッタ
リング法を用いる場合、SiO2を2重量%以上10重量%以下含むターゲットを用いて
形成してもよい。
どの不純物が、濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いること
が好ましい。
分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲット
の他の例としては、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体成膜用ターゲット(組成比
として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol%]、In:Ga:Zn
=1:1:0.5[atom%])を用いることができる。また、In、Ga、及びZn
を含む酸化物半導体成膜用ターゲットとして、In:Ga:Zn=1:1:1[atom
%]、またはIn:Ga:Zn=1:1:2[atom%]の組成比を有するターゲット
を用いることもできる。酸化物半導体成膜用ターゲットの充填率は90%以上100%以
下、好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い酸化物半導体成膜用ター
ゲットを用いて形成した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
水分を除去しつつ、水素、水、水酸基または水素化物などが除去されたスパッタリングガ
スを導入し、金属酸化物をターゲットとして絶縁膜103及び第2の電極109上に酸化
物半導体膜を形成する。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去
するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、
イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段
としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポン
プを用いて排気した処理室は、例えば、水素、水、水酸基または水素化物など(より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も含む。)が排気されるため、酸化物半導体膜に含まれる不
純物の濃度を低減できる。また、基板を加熱しながら酸化物半導体膜を形成してもよい。
ゲットの間の距離を110mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素及
びアルゴン(酸素流量15sccm:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件が適用
される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーテ
ィクル、ゴミともいう。)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半
導体膜は好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体
膜材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
膜103に示したスパッタリング法及びスパッタリング装置を適宜用いることができる。
できる。ここでは、第2の電極109となる導電膜として、厚さ50nmのチタン膜、厚
さ100nmのアルミニウム膜、及び厚さ50nmのチタン膜を順に積層する。
マスクを用いて第2の電極109となる導電膜及び酸化物半導体膜107となる酸化物半
導体膜をエッチングして、島状の第2の電極109及び島状の酸化物半導体膜107を形
成する。なお、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクの代わりに、イン
クジェット法を用いてレジストマスクを作製することで、工程数を削減することができる
。当該エッチングにより、第2の電極109及び酸化物半導体膜107の端部と、第1の
電極105のなす角の角度を30°以上60°以下、好ましくは40°以上50°以下と
することで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることができるため好まし
い。
トエッチングでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体膜107及び第
2の電極109を形成するために、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッ
チング時間、温度など)を適宜調節する。
チングレートが異なる場合は、第1の電極105のエッチングレートが低く、第2の電極
109となる導電膜及び酸化物半導体膜のエッチングレートの高い条件を選択する。また
は、酸化物半導体膜のエッチングレートが低く、第2の電極109となる導電膜のエッチ
ングレートの高い条件を選択して、第2の電極109となる導電膜をエッチングした後、
第1の電極105のエッチングレートが低く、酸化物半導体膜のエッチングレートの高い
条件を選択する。
ぜた溶液、アンモニア過水(過酸化水素:アンモニア水:水=5:2:2)などを用いる
ことができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体膜に含まれるインジウムな
どの材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。
を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(S
iCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。
F6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(H
Br)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度など)を適宜調節する。
の混合液)を用いて、第2の電極109となる導電膜をエッチングした後、燐酸と酢酸と
硝酸を混ぜた溶液で酸化物半導体膜をエッチングして、酸化物半導体膜107を形成する
。
上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理
装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素、希ガスなどの不
活性ガス雰囲気下において450℃において1時間の加熱処理を行った後、大気に触れさ
せないことで、酸化物半導体膜への水素、水、水酸基または水素化物などの再侵入を防ぐ
ことが可能であり、水素濃度が低減され高純度化され、i型化または実質的にi型化され
た酸化物半導体膜を得ることができる。即ち、この第1の加熱処理によって酸化物半導体
膜107の脱水化及び脱水素化の少なくとも一方を行うことができる。
スに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加熱
処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、6
N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純
物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
が結晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以上
、または80%以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、第1の加熱処理
の条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半
導体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体膜の中に微結晶部(粒径1nm以
上20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体膜となる
場合もある。
半導体膜に行ってもよい。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り
出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
体膜を形成した後、酸化物半導体膜上に第2の電極となる導電膜を積層した後、第1の電
極、酸化物半導体膜及び第2の電極上にゲート絶縁膜を形成した後、またはゲート電極を
形成した後のいずれで行ってもよい。
109上にゲート絶縁膜111を形成する。
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感
であるため、ゲート絶縁膜111との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物
半導体膜に接するゲート絶縁膜111は、高品質化が要求される。
の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特
性を良好なものとすることができるからである。
法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁膜の
形成後の加熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体膜との界面特性が改質され
る絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であること
は勿論のこと、酸化物半導体膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
T試験)においては、不純物が酸化物半導体膜に添加されていると、不純物と酸化物半導
体膜の主成分との結合が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され、
生成された未結合手がしきい値電圧(Vth)のドリフトを誘発することとなる。
ゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることにより、BT試験に対しても安定な薄膜トラ
ンジスタを得ることを可能としている。
度を低減することができる。スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する場合には
、ターゲットとしてシリコンターゲットまたは石英ターゲットを用い、スパッタガスとし
て酸素または、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
塩素)を含ませ、または酸化物半導体膜を露出させた状態でハロゲン元素を含むガス雰囲
気中でのプラズマ処理によって酸化物半導体膜にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜
または該酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜との界面に存在しうる、水素、水、水
酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの不純物を排除してもよい。絶縁膜にハロ
ゲン元素を含ませる場合には、該絶縁膜中におけるハロゲン元素濃度は、5×1018a
toms/cm3〜1×1020atoms/cm3程度とすればよい。
界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁膜
である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素物絶縁膜で覆うこ
とが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリコ
ン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が酸化物絶縁膜に侵入することを低減することができる。
9側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層した構造とすることもできる。例えば、
第1のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン膜(SiOx(
x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜としてスパッタリング
法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を積
層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態では、圧力0.4P
a、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量2
5sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化シリ
コン膜を形成する。
0℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行ってもよい。なお、当該
第2の加熱処理は、のちに形成される第3の電極113、絶縁膜117、または配線12
5、129のいずれかを形成した後に行ってもよい。当該加熱処理により、酸化物半導体
膜中に含まれる水素若しくは水分をゲート絶縁膜に拡散させることができる。
リング法、CVD法、または真空蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工
程によりレジストマスク形成し、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、
形成することができる。
ォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、第3の電
極113を形成する。
ランジスタ145を形成することができる。
17を形成した後、コンタクトホール119、123を形成する。
化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化
アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または、
酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
で絶縁膜117を形成する場合、基板101を100℃〜400℃の温度に加熱し、水素
、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシ
リコンターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理室内に残
留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成することが好まし
い。
30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、ノーマリーオフとな
る薄膜トランジスタを得ることができる。よって表示装置や半導体装置の信頼性を向上で
きる。
ート絶縁膜111及び絶縁膜117の一部を除去して、第1の電極105、第2の電極1
09、及び第3の電極113に達するコンタクトホール119、123を形成する。
後、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、配
線125、129を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよ
い。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製
造コストを削減できる。
い。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリ
アミド、エポキシなどの、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機
材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス
)、BPSG(リンボロンガラス)などがある。なお、これらの材料で形成される絶縁膜
を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
i結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばアルキ
ル基やアリール基)やフルオロ基を用いてもよい。また、有機基はフルオロ基を有してい
てもよい。
G法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター
、ナイフコーターなどを用いることができる。
により酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処
理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成す
ることができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製することができ
るため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時では大電流を流
すことができ、オフ時ではほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製することがで
きる。
である。
本実施の形態では、実施の形態3とは異なる酸化物半導体膜を有する電界効果型トランジ
スタ、例えば薄膜トランジスタについて、図7及び図8を用いて説明する。
の電極105を形成する。次に、図7(B)に示すように、第1の電極105上に酸化物
半導体膜107及び第2の電極109を形成する。
における第1の加熱処理とは異なるものであり、当該加熱処理によって、図8(B)に示
すように、表面に結晶粒が形成される酸化物半導体膜151を形成することができる。本
実施の形態では、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方によ
って被処理物を加熱する装置を用いて第1の加熱処理を行う。ここで、加熱処理の温度は
500℃以上700℃以下、好ましくは650℃以上700℃以下とすることが好適であ
る。なお、加熱処理温度の上限に関し、発明の本質的な部分からの要求はないが、加熱処
理温度の上限は基板101の耐熱性の範囲内とする必要がある。また、加熱処理の時間は
、1分以上10分以下とすることが好適である。RTA処理を第1の加熱処理に適用する
ことで、短時間に加熱処理を行うことができるため、基板101に対する熱の影響を小さ
くすることができる。つまり、加熱処理を長時間行う場合と比較して、加熱処理温度の上
限を引き上げることが可能である。また、酸化物半導体膜の表面近傍に、所定の構造の結
晶粒を選択的に形成することが可能である。
Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Therma
l Anneal)装置などのRTA(Rapid Thermal Anneal)装
置などがある。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアー
クランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプ
から発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は
、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、ま
たは窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
などの不活性ガス雰囲気に基板を移動し、数分間加熱した後、高温に加熱した不活性ガス
中から基板を出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理
が可能となる。
スに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加熱
処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、6
N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純
物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
グで行ってもよいが、脱水化または脱水素化を促進させるためには、酸化物半導体膜10
7の表面に他の構成要素を設ける前に行うのが好適である。また、上記の加熱処理は、一
回に限らず、複数回行っても良い。
膜151の表面に形成される結晶粒157とを有する。また、結晶粒157は、表面から
の距離(深さ)が20nm以下の領域(表面近傍)に形成される。ただし、酸化物半導体
膜151の厚さが大きくなる場合にはこの限りではない。例えば、酸化物半導体膜151
の厚さが200nm以上となる場合には、「表面の近傍(表面近傍)」とは、表面からの
距離(深さ)が酸化物半導体膜の厚さの10%以下である領域をいう。
主たる」とは、例えば、50%以上を占める状態をいい、この場合には、非晶質酸化物半
導体膜が体積%(または重量%)で50%以上を占める状態をいうものとする。つまり、
非晶質酸化物半導体膜以外にも、酸化物半導体膜の結晶などを含むことがあるが、その含
有率は体積%(または重量%)で50%未満であることが望ましいがこれらの範囲に限定
される必要はない。
上記の非晶質領域155の組成は、Znの含有量(原子%)が、InまたはGaの含有量
(原子%)未満となるようにするのが好適である。このような組成とすることにより、所
定の組成の結晶粒157を形成することが容易になるためである。
を形成して薄膜トランジスタを作製する。
なる領域に結晶粒を有することで、ソース、チャネル、及びドレイン間の抵抗が低減する
と共に、キャリア移動度が上昇する。このため、当該酸化物半導体膜151を有する薄膜
トランジスタの電界効果移動度が上昇し、良好な電気特性を実現できる。
体膜151の表面近傍に有することで、非晶質領域155に不純物(例えば水素、水、水
酸基または水素化物など)が取り込まれることを低減することが可能である。このため、
酸化物半導体膜151の信頼性を向上させることができる。
それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加
熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形
成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製することが
できるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化され
た酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時では大電流
を流すことができ、オフ時ではほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製すること
ができる。
である。
本実施の形態では、図1に示す薄膜トランジスタの作製工程について、図7を用いて説明
する。
成する。
電極109を形成する。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、第1の電極105の表面に付着しているパーテ
ィクルを除去することで、第1の電極105及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を低
減することができるため好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを
用いてもよい。
。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
ットを用いたスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、減圧状態に保持され
た処理室内に基板を保持し、基板を室温以上400℃未満の温度に加熱する。そして、処
理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ、水素、水、水酸基
または水素化物などが除去されたスパッタガスを導入し、基板101及び第1の電極10
5上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物
などを除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライ
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。ク
ライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素、水、水酸基または水素化物(よ
り好ましくは炭素原子を含む化合物)などが排気されるため、当該処理室で形成した酸化
物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポンプにより処理室内
に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しながらスパッタ形成を行うこと
で、基板温度が室温から400℃未満でも水素原子、水などの不純物を低減した酸化物半
導体膜を形成することができる。
DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下での成膜条件が適用され
る。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティク
ル、ゴミともいう。)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体
膜は好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体膜材
料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
膜103に示したスパッタリング法及びスパッタリング装置を適宜用いることができる。
する。
となる酸化物半導体膜をエッチングして、島状の第2の電極109及び島状の酸化物半導
体膜107を形成する。所望の形状の酸化物半導体膜107及び第2の電極109を形成
するために、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッチング時間、温度など
)を適宜調節する。
体膜107、第2の電極109上にゲート絶縁膜111を形成する。ゲート絶縁膜111
は、酸化物半導体膜107との界面特性が良好なものとすることが好ましく、μ波(2.
45GHz)を用いた高密度プラズマCVDでゲート絶縁膜111を形成することで、緻
密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。また、ゲート絶縁膜とし
て良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマCVD法など他
の形成方法を適用することができる。
107の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
プラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水素、水、水酸基ま
たは水素化物などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ
処理を行ってもよい。プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体
膜の一部に接するゲート絶縁膜111を形成することが好ましい。
いようにするために、前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で第1の電極10
5から第2の電極109まで形成された基板101を予備加熱し、基板101に吸着した
水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気することが好ましい。または
、ゲート絶縁膜111を形成した後、基板101を、スパッタリング装置の予備加熱室で
予備加熱して、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱
離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、100℃以上400℃以
下好ましくは150℃以上300℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はク
ライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
9側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した構造とすることもできる。例えば
、第1のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚5nm以上300nm以下の酸
化シリコン膜(SiOx(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶
縁膜として膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を
積層して、ゲート絶縁膜とする。
電極として機能する第3の電極113を形成する。
45を形成することができる。
または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素濃度を低減することが
できる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
電極113上に絶縁膜117を形成した後、コンタクトホール119、123を形成する
。
。
00℃以下、1時間以上30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によっ
て、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができる。よって表示装置や半導
体装置の信頼性を向上できる。
けてもよい。
基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高
純度化することができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また
、ガラス転移温度以下の加熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップ
の広い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トラ
ンジスタを作製することができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度
が速く、オン時では大電流を流すことができ、オフ時ではほとんど電流を流さない薄膜ト
ランジスタを作製することができる。
である。
本実施の形態では、上記実施の形態に示す電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジ
スタを用いた表示装置の素子基板及び画素の構造について、図9及び図10を用いて説明
する。
びC−Dの断面図を図10に示す。
1に示す薄膜トランジスタ145を用いて説明するが、適宜その他の実施の形態に示す薄
膜トランジスタを用いることができる。薄膜トランジスタ145のソース電極またはドレ
イン電極の一方として機能する第1の電極105は、画素電極167に接続する。薄膜ト
ランジスタ145のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する第2の電極10
9は、導電膜165を介して信号線161と接続する。また、第1の電極105と同じ層
で容量配線163が形成される。導電膜165及び画素電極167は、平坦化のための平
坦化絶縁膜171上に形成される。
た酸化物半導体膜を用いているため、オフ電流が低い。このため、画素電極に印加した信
号電圧を保持する容量素子を付加的に設けなくともよい。すなわち、容量配線163を設
けなくて済むので、画素の開口率を向上させることができる。
きる。
の表示装置に適宜用いることができる。また、画素の構成は図9及び図10に限定されず
、適宜薄膜トランジスタ、ダイオード、容量素子を設けることができる。
示す素子基板を用いることで、高精細な表示装置を作製することができる。
である。
本実施の形態では、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタを作製し、該薄膜
トランジスタを、画素部や周辺回路部(駆動回路など)に用いて表示機能を有する半導体
装置(表示装置)を作製する場合について説明する。周辺回路部の一部または全部を、画
素部と同じ基板上に一体形成することにより、システムオンパネルを形成することができ
る。
光素子(発光表示素子ともいう)などを用いることができる。発光素子は、電流または電
圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Ele
ctro Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど
、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体を適用しても良い。
を含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、表示装置を構成する素
子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を各画素部に備える。素子基板は、具体
的には、表示素子の画素電極が形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電層
の成膜後、エッチング前の状態であっても良い。
01上に形成された薄膜トランジスタ4010、薄膜トランジスタ4011および液晶素
子4013を、第2の基板4006とシール材4005によって封止した、パネルの平面
図および断面図である。ここで、図11(A1)および図11(A2)は平面図を示し、
図11(B)は、図11(A1)および図11(A2)のM−Nにおける断面図に相当す
る。
ようにして、シール材4005が設けられている。また、画素部4002と走査線駆動回
路4004の上に、第2の基板4006が設けられている。つまり、画素部4002と走
査線駆動回路4004は、第1の基板4001とシール材4005と第2の基板4006
とによって、液晶層4008と共に封止されている。また、第1の基板4001上のシー
ル材4005によって囲まれる領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半
導体または多結晶半導体で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。
イヤボンディング法、TAB法などを適宜用いることができる。図11(A1)は、CO
G法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図11(A2)は、TAB法に
より信号線駆動回路4003を実装する例である。
薄膜トランジスタを複数有しており、図11(B)では、画素部4002に含まれる薄膜
トランジスタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれる薄膜トランジスタ4011
を例示している。薄膜トランジスタ4010、薄膜トランジスタ4011上には絶縁膜4
020が設けられている。
トランジスタを適用することができる。
的に接続されている。そして、液晶素子4013の対向電極4031は第2の基板400
6上に形成されている。上記の画素電極4030と対向電極4031、液晶層4008に
より、液晶素子4013が形成される。なお、画素電極4030、対向電極4031には
、それぞれ配向膜として機能する絶縁膜4032、絶縁膜4033が設けられ、画素電極
4030および対向電極4031は、これらを介して液晶層4008を挟持している。
1を適宜用いることができる。また、金属(代表的にはステンレス)、セラミックス、プ
ラスチックなどを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fibergl
ass−Reinforced Plastics)基板、PVF(ポリビニルフルオラ
イド)フィルム、ポリエステルフィルム、アクリル樹脂フィルムなどを用いることができ
る。また、アルミニウム薄をPVFフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシー
トを用いることもできる。
めに、柱状のスペーサ4035が設けられている。柱状のスペーサ4035は絶縁膜を選
択的にエッチングすることで得られる。なお、柱状のスペーサに代えて球状のスペーサを
用いていても良い。また、対向電極4031は、薄膜トランジスタ4010と同一基板上
に設けられる共通電位線と電気的に接続される。例えば、一対の基板間に配置される導電
性粒子を介して、対向電極4031と共通電位線とを電気的に接続することができる。な
お、導電性粒子はシール材4005に含有させると良い。
り、昇温によってコレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブル
ー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、5重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶
組成物を用いると良い。これにより、温度範囲を改善することができる。ブルー相を示す
液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答時間が10μs〜100μsと短く、光学
的等方性を有するため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい、といった特徴を有
している。
反射型液晶表示装置としても良いし、半透過型液晶表示装置としても良い。
側に着色層、および表示素子に用いる電極を設ける例について示すが、偏光板は基板の内
側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光
板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、遮光膜として、
ブラックマスク(ブラックマトリクス)を設けてもよい。
形態で得られた薄膜トランジスタを絶縁膜4020で覆う構成を採用しているが、開示さ
れる発明はこれに限定されない。
きる。
化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化
チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物(以下、ITOと示す。)、イン
ジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電
性材料を用いることができる。
)を含む導電性組成物を用いても良い。導電性組成物を用いて形成した画素電極は、シー
ト抵抗が1.0×104Ω/sq.以下、波長550nmにおける透光率が70%以上で
あることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗率は0.1Ω・
cm以下であることが好ましい。
ば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンま
たはその誘導体、若しくはこれらの2種以上の共重合体などがあげられる。
種信号は、FPC4018から供給されている。
膜から形成され、端子電極4016は、薄膜トランジスタ4010、薄膜トランジスタ4
011のソース電極またはドレイン電極と同じ導電膜で形成されている。
て電気的に接続されている。
実装する例を示しているが、本実施の形態はこの構成に限定されない。走査線駆動回路を
別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみ
を別途形成して実装しても良い。
示装置を作製することができる。
である。
本実施の形態では、図12を参照して半導体装置の一例であるアクティブマトリクス型の
電子ペーパーについて説明する。半導体装置に用いられる薄膜トランジスタ650は、先
の実施の形態で示すトランジスタと同様に作製することができる。
ストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を第1の電極及び第2の電極
の間に配置し、第1の電極及び第2の電極に電位差を生じさせることによって、ツイスト
ボールの向きを制御して、表示を行う方法である。
ジスタであり、酸化物半導体膜が、その上方のソース電極またはドレイン電極と、その下
方のソース電極またはドレイン電極とによって挟まれた構造を有している。なお、ソース
電極またはドレイン電極は、絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、第1の電極
660と電気的に接続している。基板602には第2の電極670が設けられており、第
1の電極660と第2の電極670との間には、黒色領域680a及び白色領域680b
を有するツイストボール680が設けられている。また、ツイストボール680の周囲は
樹脂等の充填材682で満たされている(図12参照)。図12において、第1の電極6
60が画素電極に相当し、第2の電極670が共通電極に相当する。第2の電極670は
、薄膜トランジスタ650と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。
えば、透明な液体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直
径10μm〜200μm程度のマイクロカプセルを用いる。第1の電極と第2の電極によ
って電場が与えられると、白い微粒子と黒い微粒子が互いに逆方向に移動し、白または黒
が表示される。電気泳動表示素子は液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライト
が不要であり、また、明るさが十分ではない場所であっても表示部を認識することが可能
である。また、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持する
ことが可能であるという利点も有している。
る。本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが
可能である。
ーパーを作製することができる。
本実施の形態では、半導体装置として発光表示装置の例を示す。表示装置の有する表示素
子としては、ここではエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を用いて示す。エレ
クトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合
物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機EL素子、後者は無機EL素子と呼
ばれている。
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア(電子および正孔)が再結合することにより発光する。このようなメカニズムから、
該発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
類される。分散型無機EL素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機EL素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機EL素子を用いて説明す
る。
断面について、図13を参照して説明する。図13は、第1の基板4501上に形成され
た薄膜トランジスタ4509、薄膜トランジスタ4510および発光素子4511を、第
2の基板4506とシール材4505によって封止したパネルの平面図および断面図であ
る。ここで、図13(A)は平面図を示し、図13(B)は、図13(A)のH−Iにお
ける断面図に相当する。
3b、走査線駆動回路4504a、走査線駆動回路4504bを囲むようにして、シール
材4505が設けられている。また、画素部4502、信号線駆動回路4503a、信号
線駆動回路4503b、走査線駆動回路4504a、走査線駆動回路4504bの上に第
2の基板4506が設けられている。つまり、画素部4502、信号線駆動回路4503
a、信号線駆動回路4503b、走査線駆動回路4504a、走査線駆動回路4504b
は、第1の基板4501とシール材4505と第2の基板4506とによって、充填材4
507と共に密封されている。このように、気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム
(貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等)やカバー材などを用いてパッケージ
ング(封入)することが好ましい。
信号線駆動回路4503b、走査線駆動回路4504a、走査線駆動回路4504bは、
薄膜トランジスタを複数有しており、図13(B)では、画素部4502に含まれる薄膜
トランジスタ4510と、信号線駆動回路4503aに含まれる薄膜トランジスタ450
9を例示している。
た薄膜トランジスタを適用することができる。
タ4510のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続されている。なお、発光素子
4511の構成は、第1の電極4517、発光層4513、第2の電極4514の積層構
造であるが、本実施の形態に示した構成に限定されない。発光素子4511から取り出す
光の方向などに合わせて、上記構成は適宜変更することができる。
数が小さく、光を反射する導電膜を用いることができる。例えば、Ca、Al、MgAg
、AlLi等の材料を用いて陰極として機能する電極を形成することが望ましい。陽極と
して機能する電極は光を透過する導電性材料を用いて形成する。例えば、酸化タングステ
ンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタン
を含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、
インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する
導電性材料を用いれば良い。
特に、感光性を有する材料を用いて第1の電極4517上に開口部を形成し、その開口部
の側壁が、連続した曲率を持つ傾斜面となるようにすることが好ましい。
ても良い。
14及び隔壁4520上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化珪素膜、窒化
酸化珪素膜、DLC膜等を形成することができる。
a、走査線駆動回路4504b、画素部4502などに与えられる各種信号は、FPC4
518a、FPC4518bから供給されている。
同じ導電膜から形成され、端子電極4516は、薄膜トランジスタ4509や薄膜トラン
ジスタ4510のソース電極またはドレイン電極と同じ導電膜から形成される例について
示している。
して電気的に接続されている。
ない。透光性を有する基板としては、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルム
、アクリルフィルムなどがある。
熱硬化樹脂などを用いることができる。例えば、PVC(ポリビニルクロライド)、アク
リル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)、E
VA(エチレンビニルアセテート)などを用いることができる。本実施の形態では、充填
材として窒素を用いる例について示している。
λ/4板、λ/2板)、カラーフィルタなどの光学フィルムを設けてもよい。また、表面
には反射防止処理を施しても良い。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込み
を低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
査線駆動回路4504bは、別途用意された基板上の単結晶半導体または多結晶半導体に
よって形成されていても良い。また、信号線駆動回路のみ、若しくはその一部、または走
査線駆動回路のみ、若しくはその一部のみを別途形成して実装しても良く、本実施の形態
は図13の構成に限定されない。
施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能であ
る。
本実施の形態においては、上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例に
ついて説明する。
、操作キー9635、接続端子9636、記録媒体読込部9672等を有することができ
る。図14(A)に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデー
タを読み出して表示部に表示する機能、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有
する機能等を有することができる。なお、図14(A)に示す携帯型遊技機が有する機能
はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
3、操作キー9635、接続端子9636、シャッターボタン9676、受像部9677
等を有することができる。図14(B)に示すテレビ受像機能付きデジタルカメラは、静
止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補正する機
能、アンテナから様々な情報を取得する機能、撮影した画像、又はアンテナから取得した
情報を保存する機能、撮影した画像、又はアンテナから取得した情報を表示部に表示する
機能等を有することができる。なお、図14(B)に示すテレビ受像機能付きデジタルカ
メラが有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
、操作キー9635、接続端子9636等を有することができる。図14(C)に示すテ
レビ受像機は、テレビ用電波を処理して画像信号に変換する機能、画像信号を処理して表
示に適した信号に変換する機能、画像信号のフレーム周波数を変換する機能等を有するこ
とができる。なお、図14(C)に示すテレビ受像機が有する機能はこれに限定されず、
様々な機能を有することができる。
、操作キー9635、接続端子9636、ポインティングデバイス9681、外部接続ポ
ート9680等を有することができる。図15(A)に示すコンピュータは、様々な情報
(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、様々なソフトウェア(プ
ログラム)によって処理を制御する機能、無線通信又は有線通信などの通信機能、通信機
能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、通信機能を用いて様々なデ
ータの送信又は受信を行う機能等を有することができる。なお、図15(A)に示すコン
ピュータが有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
3、操作キー9635、マイクロフォン9638等を有することができる。図15(B)
に示した携帯電話は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、
カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又
は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能等を有
することができる。なお、図15(B)に示した携帯電話が有する機能はこれに限定され
ず、様々な機能を有することができる。
示部9631、操作キー9635等を有することができる。図15(C)に示した電子ペ
ーパーは、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー
、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する
機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能等を有することが
できる。なお、図15(C)に示した電子ペーパーが有する機能はこれに限定されず、様
々な機能を有することができる。
流を低減することができる。そのため、低消費電力化を図ることができる表示装置を具備
する電子機器とすることができる。また開口率の向上を図ることによって、高精細な表示
部を有する表示装置とすることができる。
である。
Claims (3)
- 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の酸化物半導体と、
前記酸化物半導体を囲む環状の第3の電極と、
前記酸化物半導体と前記第3の電極との間の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体は、前記絶縁膜に接する側にチャネル形成領域を有し、
前記酸化物半導体は、Inと、Gaと、Znと、を含み、
前記酸化物半導体は、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm3以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 請求項1において、
前記第1の電極は、ソース電極及びドレイン電極の一方として機能し、
前記第2の電極は、ソース電極及びドレイン電極の他方として機能し、
前記第3の電極は、ゲート電極として機能することを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体は、キャリア濃度が1×1012/cm3以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
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