JP2015092603A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
たは、新たな半導体材料を用いた新たな構造の半導体装置を提供する。
【解決手段】酸化物半導体中で電子供与体(ドナー)となりうる不純物を除去することで
、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バンドギャップが大き
い酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される縦型トランジスタであり、酸化物半導体
の厚さが1μm以上、好ましくは3μmより大、より好ましくは10μm以上であり、酸
化物半導体に接する電極の一方の端部が、酸化物半導体の端部より内側にある。
【選択図】図1
Description
有する半導体装置に関するものである。
構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは液晶テレビに代表されるような表示
装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導
体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
そして、電子キャリア密度が1018cm−3未満である非晶質酸化物(酸化物半導体)
なるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている(特許文献1乃至3)。
スイッチングなどの特性が必要となる。現在、これらの半導体装置の半導体材料としては
シリコンが採用されているが、上述の観点から、さらなる特性の向上が可能な新たな半導
体材料が求められている。
げることができる。炭化シリコンは、Si−C結合の原子間距離が約0.18nmと短く
、結合エネルギーが高く、シリコンと比較して約3倍と大きなバンドギャップを有するた
め、半導体装置の耐圧向上、電力損失の低減などに有利であることが知られている。
ハを製造する際に用いられるチョクラルスキー法(CZ法)などの生産性の高い方法を用
いて製造することができないという問題がある。また、炭化シリコンには、マイクロパイ
プと呼ばれる欠陥の問題が存在する。これらの問題から、炭化シリコンを用いた半導体装
置の実用化は遅れている。
向けの半導体装置を提供することを目的の一とする。または、新たな半導体材料を用いた
新たな構造の半導体装置を提供することを目的の一とする。
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バンドギャップ
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トランジスタであり、酸化物
半導体の厚さが1μm以上、好ましくは3μmより大、より好ましくは10μm以上であ
り、酸化物半導体に接する電極の一方の端部が、酸化物半導体の端部より内側にあること
を特徴とする。
去することで、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バンドギ
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トランジスタであり、
酸化物半導体の厚さが1μm以上、好ましくは3μmより大、より好ましくは10μm以
上であり、酸化物半導体に接する電極の一方の端部が、酸化物半導体の端部より内側にあ
り、酸化物半導体においてゲート絶縁膜に接する領域に結晶領域が形成される。
度を1×1016cm−3以下とし、酸化物半導体に含まれる水素若しくはOH基を除去
し、キャリア密度を1×1014cm−3未満、好ましくは1×1012cm−3未満、
さらに好ましくは測定限界以下の1×1011cm−3未満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トランジスタである。
は3eV以上として、ドナー水素等の不純物を極力低減し、キャリア密度を1×1014
cm−3未満、好ましくは1×1012cm−3未満、さらに好ましくは測定限界以下の
1×1011cm−3未満となるようにする。
とで、ゲート絶縁膜と接する酸化物半導体の表面だけでなく、酸化物半導体の内部(酸化
物半導体膜全体)においてもチャネルを形成することが可能である。また、オフ状態にお
いては、空乏層が酸化物半導体の内部のより深い領域まで広がるため、オフ状態に流れる
オフ電流を低減することができる。更には、耐圧が高くなると共に、ホットキャリア劣化
が生じにくくなり、高電圧が印加される大電力用の半導体装置を作製することができる。
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。このため、
チャネル幅は大きい。
ated−Gate Field−Effect Transistor(IGFET)
)、パワーMOSFETを含む。
で、トランジスタの動作を良好なものとすることができる。特に、耐圧を高め、ショート
チャネル効果を抑制し、オンオフ比を高めることができる。このため、当該トランジスタ
を用いることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共
通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「
第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただ
し、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差の
ことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い
。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、
電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
本実施の形態では、トランジスタの構造について、図1を用いて説明する。
−Bの断面図に相当する。
5、酸化物半導体膜107、及び第2の電極109が積層される。なお、第2の電極10
9の端部は、酸化物半導体膜107端部の内側に位置する。また、第1の電極105、酸
化物半導体膜107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111が設けら
れている。ゲート絶縁膜111上には、少なくとも酸化物半導体膜及び第2の電極の側面
と対向するように、第3の電極113が設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3の
電極113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設けられている。絶縁膜11
7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1
31(図1(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129、第3の電極113と
接続する配線125が形成される。なお、本明細書においては、膜の上面とは、基板10
1と平行な一対の面において、基板101と反対側に設けられる面のことをいう。
能する。第2の電極109は、トランジスタ145のソース電極及びドレイン電極の他方
として機能する。第3の電極113は、トランジスタ145のゲート電極として機能する
。
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、トランジスタ
のチャネル幅を大きくすることができる。本実施の形態のトランジスタにおいて、チャネ
ル長Lは、断面構造において、酸化物半導体膜がゲート絶縁膜と接する領域における、第
1の電極105及び第2の電極109方向の距離である。また、チャネル幅Wは第1の電
極または第2の電極に接する酸化物半導体膜の端部の長さである。なお、ここでは、第1
の電極または第2の電極において、面積の広い方と酸化物半導体膜の接する酸化物半導体
膜の端部の長さをWとする。本実施の形態では、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形
状はW1とW2を辺とする長方形であるため、チャネル幅Wは2W1及び2W2の和であ
る。なお、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形状が円形の場合は、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。
しくは10μm以上である。
がきわめて低いため、最大空乏層幅が極めて広くなり、空乏層が酸化物半導体膜の内部に
広がるトランジスタとなる。
有する素子であり、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル形成領域を有しており、ド
レイン領域とチャネル形成領域とソース領域とを介して電流を流すことができる。ここで
、ソースとドレインとは、トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、いず
れがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソース及びド
レインとして機能する領域を、ソース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
。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10
1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金属元素、または上述した金属元素を成分と
する合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などで形成する。また、マンガン、マグ
ネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を
用いることができる。また、第1の電極105は、単層構造、または二層以上の積層構造
とすることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム
膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、
チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜
を形成する三層構造などが挙げられる。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タン
グステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、また
は複数組み合わせた膜、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O膜、In−Sn−Zn−O膜、In−
Al−Zn−O膜、Sn−Ga−Zn−O膜、Al−Ga−Zn−O膜、Sn−Al−Z
n−O膜や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O膜、Sn−Zn−O膜、Al−Zn
−O膜、Zn−Mg−O膜、Sn−Mg−O膜、In−Mg−O膜や、In−O膜、Sn
−O膜、Zn−O膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。また、上記酸化物半導
体膜中にSiO2を含んでもよい。
用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一または
複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、またはG
a及びCoなどがある。InMO3(ZnO)m(m>0)で表記される構造の酸化物半
導体膜のうち、MとしてGaを含む構造の酸化物半導体を、上記したIn−Ga−Zn−
O酸化物半導体とよび、その薄膜をIn−Ga−Zn−O膜ともよぶこととする。
、好ましくは、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。このときの酸化物半
導体膜107の水素濃度は、1×1016cm−3以下が好ましい。また、酸化物半導体
膜107のキャリア密度が1×1014cm−3未満、好ましくは1×1012cm−3
未満、さらに好ましくは測定限界以下の1×1011cm−3未満である。即ち、酸化物
半導体膜のキャリア密度は、限りなくゼロに近い。また、バンドギャップは2eV以上、
好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である。なお、酸化物半導体膜中
の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion M
ass Spectroscopy)で行うことができる。キャリア密度は、ホール効果
測定により測定することができる。
10μm以上とする。酸化物半導体膜107の厚さを厚くすることで、ショートチャネル
効果(しきい値の変動、オンオフ比の低減)を低減することができ、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が添加されたハフニウムシリケート(HfSiOxNy(x>0, y>0))、ハフ
ニウムアルミネート(HfAlOx(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、hig
h−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1
11の厚さを厚くすることで、ゲートリーク電流を低減することができる。
チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成
分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成することがで
きる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複
数から選択された金属元素を用いてもよい。また、第3の電極113は、単層構造でも、
二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、
アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミ
ニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アル
ミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカン
ジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いて
もよい。
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
用いて説明する。
)上に酸化物半導体層(OS)が設けられ、酸化物半導体層(OS)上にソース電極(S
)が設けられ、ドレイン電極、酸化物半導体層、及びソース電極上にゲート絶縁膜(GI
)が設けられ、その上にゲート電極(GE1)が設けられている。
A)はソースとドレインの間の電圧を等電位(VD=0V)とした場合を示し、図6(B
)は図5において、ゲート電圧に正の電圧(VG>0)を加え、ソースに対しドレインに
正の電位(VD>0)を加えた場合を示す。
ート電圧が0Vの場合の状態を示す。図9(A)はゲート(G1)に正の電位(+VG)
が印加された状態であり、ソース及びドレイン間にキャリア(電子)が流れるオン状態を
示している。また、図9(B)は、ゲート(G1)に負の電位(−VG)が印加された状
態であり、オフ状態である場合を示す。
示す。
、従来の酸化物半導体は一般にn型であり、その場合のフェルミ準位(Ef)は、バンド
ギャップ中央に位置する真性フェルミ準位(Ei)から離れて、伝導帯寄りに位置してい
る。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなりn型化する一つの要因である
ことが知られている。
去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することによ
り真性(i型)とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加して
i型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたi
型(真性半導体)又はそれに近づけることを特徴としている。そうすることにより、フェ
ルミ準位(Ef)は真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにまですることができる。
4.3eVと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン(Ti)の仕
事関数は、酸化物半導体の電子親和力(χ)とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導
体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
、両者が接触すると図6(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される。
はバリア(h)をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場合
、バリア(h)の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイ
ン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図6(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。
以上であり、また真性キャリア密度が少ない。このため、ゲート(G1)に正の電位(+
VG)が印加された状態では、図9(A)に示すように、酸化物半導体層の表面における
バンドの曲がりが少なく、伝導帯の下端がフェルミ準位に近づき、酸化物半導体層全体に
おいてエネルギー的に安定となる。このため、ゲート絶縁膜の近傍のみでなく、酸化物半
導体全体においても電子が流れやすくなり、酸化物半導体全体にチャネルが形成され、よ
り多くの電流を流すことができる。一方、ゲート(G1)に負の電位(−VG)が印加さ
れた状態では、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなく低
く、チャネルの単位面積あたりの電流が100aA/μm以下、好ましくは10aA/μ
m以下、より好ましくは1aA/μm以下とゼロに近い値となる。
ディラック分布をボルツマン分布の式で近似することで、求められる(数式1参照)。
電子帯における実効状態密度Nv、及びバンドギャップEgの関係式であり、数式1から
シリコンの真性キャリア密度niは1.4×1010cm−3、酸化物半導体(ここでは
、In−Ga−Zn−O膜)の真性キャリア密度niは1.2×10−7cm−3となる
。シリコンと比較して、酸化物半導体の真性キャリア密度が極端に低いことが分かる。
いて、以下に説明する。
印加したときに、半導体中に形成される最大空乏層幅TD MAXは、数式2で求められ
る。
ャルφFは数式3で求められる。
電荷、kはボルツマン定数、Tは温度を示す。
、酸化物半導体のniを1.2×10−7cm−3、εSを10として、シリコンを用い
たMOSトランジスタ、酸化物半導体を用いたトランジスタ、それぞれの最大空乏層幅、
デバイ長を計算した結果を図10に示す。ここでのトランジスタは、チャネルが基板表面
に対して平行に形成される横型MOSトランジスタの構造を用いて計算した。また、ここ
での最大空乏層幅は、基板に対して垂直方向に広がる空乏層の幅に相当する。なお、横型
トランジスタの空乏層の広がりは、縦型MOSトランジスタにおいても同様の傾向がみら
れるとしている。
合、ドナーとしては酸素欠陥や水素が寄与する。
囲における酸化物半導体(OSと示す。)及びシリコン(Siと示す。)の最大空乏層幅
及びデバイ長を示す。太実線161は酸化物半導体の最大空乏層幅を示し、太一点鎖線1
63はシリコンの最大空乏層幅を示す。また、細実線165は酸化物半導体のデバイ長を
示し、細一点鎖線167はシリコンのデバイ長を示す。
における酸化物半導体の最大空乏層幅及びデバイ長を示す。なお、この密度範囲は、シリ
コンの真性キャリア密度(ni=1.4×1010cm−3)を下回るので、酸化物半導
体のみの計算結果を示す。太実線は酸化物半導体の最大空乏層幅を示し、細実線は酸化物
半導体のデバイ長を示す。
かる。また、最大空乏層幅TD MAXは真性キャリア密度niに依存し、niが少ない
酸化物半導体の方がシリコンよりも空乏層が広がることがわかる。また、酸化物半導体が
n型からi型になればなるほど、即ちドナー密度(Nd)が低減するほど、図10(B)
に示すように、最大空乏層幅が数十μmから数千μm、デバイ長が数μmから数百μmと
大幅に増大し、空乏層が酸化物半導体全体に広がることがわかる。
、最大空乏層及びデバイ長が増大し、オフ状態においては酸化物半導体全体に空乏層が広
がるため、オフ電流を低減することができ、限りなくゼロに近くなる。
ることにより真性(i型)とし、又は実質的に真性型とすることで、ゲート絶縁膜との界
面特性は顕在化する。そのためゲート絶縁膜は、酸化物半導体と良好な界面を形成できる
ものが好ましい。例えば、VHF帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密度プラ
ズマを用いたCVD法で作製される緻密な絶縁膜、又はスパッタリング法で作製される絶
縁膜を用いることが好ましい。さらには、ゲート絶縁膜とゲート電極との界面を良好にす
るため、ゲート絶縁膜の表面に、VHF帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密
度プラズマを用いたCVD法で作製される緻密な絶縁膜を形成してもよい。
とにより、オン電流が高く、オフ電流が低く、オンオフ比の高い、良好な動作特性を有す
るトランジスタとなる。
り加速されたキャリアが結晶格子に衝突し、電子と正孔の対を生成する。さらに電界が高
くなると、衝突イオン化により発生した電子と正孔の対もさらに電界によって加速され、
衝突イオン化を繰り返し、電流が指数関数的に増加するアバランシェ降伏が生じる。衝突
イオン化は、キャリア(電子、正孔)が半導体のバンドギャップ以上の運動エネルギーを
有することにより発生する。衝突イオン化の起こりやすさを示す衝突イオン化係数とバン
ドギャップには相関があり、バンドギャップが大きいほど衝突イオン化係数が小さくなる
傾向が知られている。
.12eVとくらべると、大きいため、アバランシェ降伏が起こりにくいと期待される。
このため、酸化物半導体を用いたトランジスタはドレイン耐圧が高くなり、高電界が印加
されてもオン電流の指数関数的急上昇が生じにくいと期待される。
化膜中に注入されて固定電荷となったり、ゲート絶縁膜界面にトラップ準位を形成するこ
とにより、しきい電圧の変動やゲートリーク等のトランジスタ特性の劣化が生じることで
あり、ホットキャリア劣化の要因としては、チャネルホットエレクトロン注入(CHE注
入)とドレインアバランシェホットキャリア注入(DAHC注入)がある。
やすく、ゲート絶縁膜への障壁を越えられるほど高速に加速される電子数が増加する。し
かしながら、本実施の形態で示す酸化物半導体は、バンドギャップが広いため、アバラン
シェ降伏が生じにくく、シリコンと比べてホットキャリア劣化の耐性が高い。なお、高耐
圧材料の一つであるシリコンカーバイドのバンドキャップと酸化物半導体のバンドギャッ
プは同等であるため、SiCと同等の耐圧が期待される。
100V以上、好ましくは500V、好ましくは1kV以上のドレイン耐圧を有すること
が可能である。
以下に示す。ここでは、シリコンカーバイドとして、4H−SiCを用いる。
一例である。常温におけるフェルミ・ディラック分布を用いると、酸化物半導体の真性キ
ャリア密度は10−7cm−3程度と見積もられるが、これは、4H−SiCにおける6
.7×10−11cm−3と同様、極めて低い値である。
iCのエネルギーバンドギャップは3.26eVであるから、ワイドギャップ半導体とい
う点においても、酸化物半導体とシリコンカーバイドとは共通している。
なる。シリコンカーバイドは例えば1500℃〜2000℃の活性化熱処理を必要とする
。一方、酸化物半導体は、300〜500℃(ガラス転移温度以下、最大でも700℃程
度)の熱処理で作製することが可能であり、大面積基板上にトランジスタを作製すること
ができる。また、スループットを高めることができる。
物(リン、ボロン等)のドーピング工程、及び活性化のための高温熱処理工程を含む。と
ころで、酸化物半導体はその電子親和力が比較的大きい。そのため、適切な仕事関数を持
つ金属を電極として選択することで、トランジスタ作製工程において不純物を添加しなく
とも電極とのオーミック接触を形成することができ、コンタクト部にn+領域を形成しや
すい点で工程の簡略化を図れる。
ate)等の物性研究は多くなされているが、これらの研究は、DOSそのものを十分に
減らすという思想を含まない。本実施の形態では、エネルギーギャップ中のDOSの原因
たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、高純度化した酸化物半導体を作
製する。これは、DOSそのものを十分に減らすという思想に基づくものである。そして
、これによって極めて優れた工業製品の製造を可能とするものである。
DOSを減少させることにより、いっそう高純度化された(i型の)酸化物半導体とする
ことも可能である。たとえば、チャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し、
当該酸化膜から酸素を供給して、酸素欠陥によるDOSを減少させることが可能である。
酸素の不足による深い準位、などに起因するものとされている。これらの欠陥を無くすた
めに、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する、という技術思想は正しいものであ
ろう。
水素を除去することによりi型化を実現する。この点、シリコンなどのように不純物を添
加してのi型化ではなく、従来にない技術思想を含むものといえる。
表的には、−25℃から150℃までの温度範囲において、トランジスタの電流電圧特性
において、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、S値、及びしきい値電圧の変動がほと
んどなく、温度による電流電圧特性の変動がほとんどない。
用いたトランジスタと比較して、チャネル移動度がやや低いが、ドレイン電圧を高くする
、チャネル幅(W)を大きくすることで、トランジスタの電流値を高め、デバイス特性を
向上させることができる。
に不本意に存在する水、水素という不純物を意図的に除去することにより、酸化物半導体
自体を高純度化することである。すなわち、ドナー準位を構成する水または水素を除去し
、さらに酸素欠陥を低減し、酸化物半導体を構成する主成分材料の酸素を十分に供給する
ことにより、酸化物半導体を高純度化することである。
質量分析)で測定される。このドナー準位の原因となる水または水素を意図的に除去し、
さらに水または水素の除去に伴い同時に減少してしまう酸素(酸化物半導体の成分の一つ
)を酸化物半導体に加えることにより、酸化物半導体を高純度化し、電気的にi型(真性
)半導体とする。
好ましく、キャリアも少なければ少ないほど良い。すなわち、キャリア密度は1×101
4cm−3未満、好ましくは1×1012cm−3未満、さらに好ましくは測定限界以下
の1×1011cm−3未満が求められる。更には本実施の形態の技術思想的には、ゼロ
に近いまたはゼロが理想である。酸化物半導体のキャリアを低減し、好ましくは無くして
しまうことで、トランジスタにおいて酸化物半導体はソースから供給されたキャリア(電
子)を通過させる通路(パス)として機能させる。その結果、酸化物半導体は高純度化し
たi型(真性)半導体であり、キャリアがない、または極めて少なくせしめることにより
、トランジスタのオフ状態ではオフ電流を極めて低くできるというのが本実施の形態の技
術思想である。
い、または極めて少ないように高純度化したi型(真性)とすると、キャリアは電極のソ
ース、ドレインにより供給される。供給の程度は、酸化物半導体の電子親和力χおよびフ
ェルミレベル、理想的には真性フェルミレベルと一致したフェルミレベルとソース、ドレ
インの電極の仕事関数よりも、バリアハイト(障壁高さ)が主に寄与する。
ルのほかにソース及びドレインを設ける必要があり、基板におけるトランジスタの占有面
積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型トランジスタにおい
ては、ソース、チャネル、及びドレインを積層するため、基板表面における占有面積を低
減することができる。この結果、トランジスタの微細化が可能である。
水素化物などが極力含まれないように高純度化することにより、トランジスタの動作を良
好なものとすることができる。特に、耐圧を高め、ショートチャネル効果を抑制し、オン
オフ比を高めることができる。
本実施の形態では、実施の形態1と比較して、信頼性が高く、電界効果移動度が高いトラ
ンジスタの構造について、図2及び図3を用いて説明する。
に設けられる酸化物半導体膜151aにおいて、ゲート絶縁膜111と接する表層部に結
晶領域157を有することを特徴とする。酸化物半導体膜151a及びゲート絶縁膜11
1の界面近傍の拡大図を図2(B)に示す。
体膜151aの表層部に形成される結晶領域157とを有する。なお、表層部とは、表面
からの距離(深さ)が酸化物半導体膜の厚さの10%以下である領域である。
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。
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%)以上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
の組成の結晶領域157を形成することが容易になるためである。
にc軸(c−axis)が配向した結晶であり、当該結晶が隣接している。例えば、In
−Ga−Zn−O系の酸化物半導体材料を用いる場合には、結晶領域157の結晶は、I
nGaZnO4結晶のc軸が酸化物半導体膜151aの表面に対して略垂直な方向に配向
したものとなる。なお、「表層部(表面の近傍)」とは、例えば、表面からの距離(深さ
)が20nm以下の領域をいう。
is)およびb軸(b−axis)に平行なレイヤーの積層構造として捉えることができ
る(図3参照)。すなわち、InGaZnO4の結晶は、Inを含有する第1のレイヤー
と、Inを含有する第2のレイヤーと、Inを含有する第3のレイヤーとがc軸方向に積
層された構造を備える。
する第1のレイヤー乃至第3のレイヤーの、a軸およびb軸に平行な方向に関する電気特
性は良好である。これは、Inを含有する第1のレイヤー乃至第3のレイヤーのいずれか
一以上では、一のInの5s軌道が、隣接するInの5s軌道と重なりを有することによ
り、キャリアパスが形成されるためである。
る。具体的には、例えば、酸化物半導体膜151aの表面と平行な方向の電気特性が向上
する。これは、InGaZnO4結晶のc軸が酸化物半導体膜151aの表面に対して略
垂直な方向に配向しており、InGaZnO4結晶において、a軸およびb軸に平行な方
向に電流が流れるためである。
も良い。例えば、In−Ga−Zn−O系の酸化物半導体材料を用いる場合には、InG
aZnO4の結晶に加え、In2Ga2ZnO7、InGaZn5O8等の結晶などを含
んでいても良い。もちろん、結晶領域157全体に渡ってInGaZnO4の結晶が存在
する場合には、より効果的であり、好適である。
有することで、良好な電気特性を実現できる。特に、結晶領域157が、InGaZnO
4結晶のc軸が酸化物半導体膜151aの表面に対して略垂直な方向に配向したものを含
んで構成される場合には、InGaZnO4結晶の電気特性によって、酸化物半導体膜1
51a表層部における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
aを有する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。
導体膜151aの表層部に有することで、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151a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、キャリア密度が極端に低く、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成する
ことができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができるため
、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半
導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高いト
ランジスタを作製することができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態1と比較して、信頼性が高く、電界効果移動度が高いトラ
ンジスタの構造について、図4を用いて説明する。
に設けられる酸化物半導体膜において、ゲート絶縁膜111及び第2の電極109に接す
る表層部に結晶領域157を有することを特徴とする。酸化物半導体膜151b、151
c近傍の拡大図を図4(B)及び図4(C)に示す。
9に接する表層部に結晶領域157を有することを特徴とする。
と、第2の電極109から所定の距離離れた領域に結晶領域157を有することを特徴と
する。なお、酸化物半導体膜151cにおいて、第2の電極109と接する領域には非晶
質領域159が形成される。
酸化物半導体膜151b、151cの表面に対して略垂直な方向にc軸(c−axis)
が配向した結晶領域である。このため、酸化物半導体膜151b、151cの表面と平行
な方向の電気特性が向上する。以上のことから、当該酸化物半導体膜151b、151c
を有する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。
である。
本実施の形態では、耐熱性の高いトランジスタについて、図1を用いて説明する。
ジスタを作製することができる。放熱性の高い基板としては、半導体基板、金属基板、プ
ラスチック等があり、半導体基板の代表例としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結
晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板等があ
る。金属基板の代表例としては、アルミニウム基板、銅基板、ステンレス基板等がある。
プラスチック基板の代表例としては、カーボン繊維、金属繊維、金属片等を有するプラス
チックがある。なお、半導体基板、金属基板、及びプラスチック基板は、これらに限定さ
れず放熱性の高いものであれば、適宜用いることができる。
の高いトランジスタを作製することができる。熱伝導率の高い絶縁膜としては、窒化アル
ミウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜等がある。
体膜の代表例としては、シリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンカーバイド膜、DLC(
Diamond Like Carbon)膜等がある。
することができる。
である。
本実施の形態では、第1の電極105及び第2の電極109において、仕事関数の異なる
材料を用いて形成することを特徴とするトランジスタについて説明する。
子親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第1の電極105及び第2の電極109
の他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成される。
親和力よりも大きい仕事関数の導電性材料の例として、タングステン(W)、モリブデン
(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、酸化インジウム錫(ITO)などを用いること
ができる。また、仕事関数が酸化物半導体の電子親和力以下である導電性材料の例として
、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)
、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)などを用いることができる。
い導電性材料で形成し、ソースとして機能する電極を酸化物半導体の電子親和力以下の仕
事関数の導電性材料で形成する場合について、説明する。
て機能する電極を形成する導電性材料の仕事関数φmsとし、仕事関数φms、電子親和
力χ、及び仕事関数φmdの関係が、数式5で示す関係となるようにする。
φms≦χ<φmd (数5)
あるため、トランジスタがオン状態における障壁(例えば図6(B)のh)を低減でき、
低いゲート電圧でオン状態となり、大電流を流すことができる。
となるようにする。
φmd≦χ<φms (数6)
きいため、トランジスタの障壁が高くなる。このため、オフ状態における電流を低減する
ことができる。
ドレインとして機能する電極を第1の電極105及び第2の電極109の他方とすること
ができる。
親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第1の電極105及び第2の電極109の
他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成されることで、
トランジスタのオン特性またはオフ特性を向上させることができる。
である。
本実施の形態では、図1または図2に示すトランジスタの製造工程について、図11を用
いて説明する。
1の電極105を形成する。第1の電極105は、トランジスタのソース電極及びドレイ
ン電極の一方として機能する。
水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜103を形成することが好ましい。これは
、絶縁膜103に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためであ
る。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着
型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、例えば、クライ
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。ク
ライオポンプを用いて排気した処理室では、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。
との距離(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R
F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。
蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスク形成し、
当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。または、
フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第1の電極105を形成
することで、工程数を削減することができる。なお、第1の電極105の端部をテーパ形
状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第1の電極
105の端部と絶縁膜103のなす角の角度を30°以上60°以下、好ましくは40°
以上50°以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることが
できる。
50nmのチタン膜を形成し、厚さ100nmのアルミニウム膜を形成し、厚さ50nm
のチタン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを
用いてエッチングして、第1の電極105を形成する。
の電極となる導電膜108を形成する。酸化物半導体膜107はトランジスタのチャネル
形成領域として機能する。
説明する。
半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。本実施の形態では、
スパッタリング法により酸化物半導体膜を形成する。
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。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。
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を含む金属酸化物ターゲット(組成比として、
In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]を用いることができる。ま
た、In、Ga、及びZnを含む金属酸化物ターゲットとして、In:Ga:Zn=1:
1:2[atom比]、またはIn:Ga:Zn=1:1:4[atom比]の組成比を
有するターゲットを用いることもできる。金属酸化物ターゲットの充填率は90%以上1
00%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い金属酸化物ター
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基板101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。
ーゲットの間との距離を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
物半導体膜の厚さは、1μm以上、好ましくは3μmより大、より好ましくは10μm以
上とする。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。
できる。ここでは、第2の電極となる導電膜108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の電極となる導電膜108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の電極となる導電膜108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の電極となる導電膜108及び酸化物半導体
膜107の端部と、第1の電極105の表面となす角の角度を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の電極となる導電膜108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
となる導電膜108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、導電膜108のエッチングレートの高い
条件を選択して、導電膜108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。
膜108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。
ク(破線110aで示す。)を後退させて、レジストマスク110bを形成する。(図1
1(B)参照)。ここでは、レジストマスクをアッシングして、レジストマスク110b
を形成する。次に、レジストマスク110bを用いて導電膜108をエッチングして、第
2の電極109を形成する(図11(C)参照。)第2の電極109はトランジスタのソ
ース電極及びドレイン電極の他方として機能する。
エッチングレートが低く、導電膜108のエッチングレートの高い条件を選択する。
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℃、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10
7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。
が結晶化せず、図1(B)に示す酸化物半導体膜107となる。このような条件の一つは
、加熱温度が400℃以上550℃未満、好ましくは400℃以上500℃未満である。
また、このような条件の一つは、スパッタリング法により形成されるIn−Ga−Zn−
O系の酸化物半導体の場合は、ターゲットのInの含有量(原子%)及びGaの含有量(
原子%)に対して、Znの含有量(原子%)が1未満(代表的にはIn:Ga:Zn=1
:1:0.5)の場合、酸化物半導体膜は結晶化せず、図1(B)に示す酸化物半導体膜
107となる。
化し、結晶を有する酸化物半導体膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以上、
または80%以上の結晶を有する酸化物半導体膜となる場合もある。
膜の表層部に結晶領域が形成される酸化物半導体膜となる場合もある。このような条件の
一つは、加熱温度が500℃以上750℃以下、好ましくは550℃以上基板の歪み点未
満である。また、このような条件の一つは、スパッタリング法により形成されるIn−G
a−Zn−O系の酸化物半導体の場合は、ターゲットのInの含有量(原子%)及びGa
の含有量(原子%)に対して、Znの含有量(原子%)が1以上(代表的にはIn:Ga
:Zn=1:1:1)の場合、図2(B)に示すような、酸化物半導体膜の表層部に結晶
領域157を有する酸化物半導体膜151aとなる。
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。
極109上にゲート絶縁膜111を形成し、ゲート絶縁膜111上にゲート電極として機
能する第3の電極113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、5×1018c
m−3〜1×1020cm−3程度とすればよい。
界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁膜
である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素物絶縁膜で覆うこ
とが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリコ
ン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水、水酸基又は水素化物
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)を行う。当該加熱処理により
、第1の加熱処理で発生した酸素欠陥に酸素を供給することで、ドナーとなる酸素欠陥を
低減し、化学量論比を満たす構成とすることが可能であり、酸化物半導体膜107をi型
化または実質的にi型化にすることができる。なお、当該第2の加熱処理は、第3の電極
113、絶縁膜117、または配線125、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を形成し、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。
ジスタ145を形成することができる。
117を形成した後、コンタクトホール119、123を形成する。
化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化
アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または、
酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
で絶縁膜117を形成する場合、基板101を100℃〜400℃の温度に加熱し、水素
、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシ
リコンターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理室内に残
留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成することが好まし
い。
30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、ノーマリーオフとな
るトランジスタを得ることができる。よって表示装置や半導体装置の信頼性を向上できる
。
成し、選択的にエッチングを行ってゲート絶縁膜111及び絶縁膜117の一部を除去し
て、第1の電極105、第2の電極109、及び第3の電極113に達するコンタクトホ
ール119、123を形成する。
後、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、配
線125、129を形成する(図12(C)参照)。なお、レジストマスクをインクジェ
ット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスク
を使用しないため、製造コストを削減できる。
けてもよい。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテ
ン、ポリアミド、エポキシなどの、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また
上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、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、キャリア密度が極端に少なく、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トランジスタを作製することができるため、
量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導
体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高いトラ
ンジスタを作製することができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態2に示すトランジスタの作製方法について、図11及び図
13を用いて説明する。
1の電極105を形成する。次に、図11(B)の工程を経て、及び図11(C)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13に示すよ
うに、表層部に結晶領域157が形成される酸化物半導体膜151aを形成することがで
きる。
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750℃以下、好ましくは550℃以上基板の歪み点未満とすることが好
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。上述のようなRTA処理を適用す
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
結晶領域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。
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107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。
を形成してトランジスタを作製する。
の抵抗が低減すると共に、酸化物半導体膜151a表面におけるキャリア移動度が向上す
る。このため、当該酸化物半導体膜151aを有するトランジスタの電界効果移動度が高
く、良好な電気特性を実現できる。
導体膜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151a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、キャリア密度が極端に少なく、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トランジスタを作製することができるた
め、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物
半導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高い
トランジスタを作製することができる。
である。
本実施の形態では、図4に示すトランジスタの作製方法について、図4及び図14を用い
て説明する。
し、島状の第1の電極105を形成し、島状の第1の電極105上に島状の酸化物半導体
膜107を形成する。
を形成する。
膜の表層部に結晶領域を形成する条件、または実施の形態7に示す第1の加熱処理を適宜
用いればよい。
後、フォトリソグラフィ工程により形成されたレジストマスクを用いて導電膜をエッチン
グして、図14(C)に示すように、第2の電極109を形成する。
形成する。なお、実施の形態6に示す第2の加熱処理において、第2の電極109と酸化
物半導体膜151dの酸素が反応しなければ、図4(B)に示すように、ゲート絶縁膜1
11及び第2の電極109と接する表層部において結晶領域157を有する酸化物半導体
膜151bが形成される。
導体膜151dの酸素が反応すると、酸化物半導体膜の表層部の結晶領域から酸素が脱離
し、当該領域が非晶質構造となる。この結果、図4(C)に示すように、ゲート絶縁膜1
11と接する表層部と、第2の電極109から所定の距離離れた領域に結晶領域157を
有し、第2の電極109と接する表層部において非晶質領域159を有する酸化物半導体
膜151cが形成される。
することができる。
である。
本実施の形態では、図1に示すトランジスタの製造工程について、図11を用いて説明す
る。
し、絶縁膜103上に第1の電極105を形成する。
化物半導体膜107及び第2の電極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。
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。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、金属酸化物をターゲットとして基板101及び第
1の電極105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も含む。)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
パッタリングを行うことで、基板温度が室温から400℃未満でも、ドナーとなる水素原
子、水などの不純物を低減することが可能であり、化学量論比を満たす構成であるi型ま
たは実質的にi型の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。
導体膜107、第2の電極109上にゲート絶縁膜111を形成する。なお、本実施の形
態では、酸化物半導体膜中に含まれる水素濃度が低減されているため、ゲート絶縁膜11
1を形成する前に、実施の形態6に示す第1の加熱処理は行わなくともよい。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で緻密なゲート絶縁膜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。さらには、スパッタリング法やプラ
ズマCVD法で形成した絶縁膜の表面に、μ波(2.45GHz)を用いた高密度プラズ
マを照射することで、更に緻密で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁膜を形成できるので
好ましい。
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。
ト電極として機能する第3の電極113を形成する。
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。
の電極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。なお、絶縁膜117の形成後、さらに、実施の形態6と同様に、大気中、100℃以
上200℃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。
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、キャリア密度が極端に少なく、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トランジスタ
を作製することができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減
され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果
に強く、オンオフ比の高いトランジスタを作製することができる。
である。
実施の形態1乃至実施の形態9に示すトランジスタを有する回路を用いた形態について説
明する。
劣化が少ないため、エアコン、冷蔵庫、炊飯器、太陽光発電システムなどのインバータ技
術を応用した家電製品、ノート型のコンピュータをはじめとするバッテリ駆動型携帯情報
端末機器、ストロボなどの電力増幅装置、電気自動車、DC/DC(直流/直流)コンバ
ータ回路、モータ制御回路、オーディオ増幅器、ロジック回路、スイッチ回路、高周波リ
ニア増幅器などに用いることができる。
タを備えた太陽光発電システムの一例について、図18を参照して説明する。なお、ここ
では、住宅等に設置される太陽光発電システムの構成の一例について示す。
式を変更するシステムである。例えば、晴天時など太陽光発電が行われる状況においては
、太陽光発電により生じた電力を家庭内で消費し、また、余剰電力は電力会社からの配電
線414に供給する。一方、太陽光発電による電力が不足する夜間や雨天時には、配電線
414から電気の供給を受けて、それを家庭内で消費する。
パネル400や、その電力を直流から交流に変換するインバータ404などを含む。イン
バータ404から出力される交流電力は、各種の電気器具410を動作させる電力として
使用される。
用して電力の売却が可能である。直流開閉器402は、太陽電池パネル400とインバー
タ404との接続または遮断を選択するために設けられている。また、交流開閉器408
は、配電線414と接続されるトランス412と、分電盤406との接続または遮断を選
択するために設けられている。
な太陽光発電システムを実現することができる。
できる。
ついて二次元デバイスシミュレータを用いて計算した結果を、図1、図15乃至図17を
用いて説明する。なお、ここでは、デバイスシミュレータとしてSilvaco社のAt
lasを用いた。
1の電極105及び第2の電極109は、酸化物半導体膜107とオーミック接触が可能
な材料(代表的にはチタン)を想定し、仕事関数を4.3eVとした。酸化物半導体膜1
07をIn−Ga−Zn−O膜とし、電子親和力を4.3eVとした。ゲート絶縁膜11
1を厚さ100nmのSiO2とした。また、酸化物半導体膜107の厚さをL1とし、
図1(A)のW2を1μmに固定し、W1及びL1を変化させて計算を行った。
すL1及びW1の関係を直線201で示し、オンオフ比が1×107以上の動作を示すL
1及びW1の領域をハッチング203で示した(図15参照)。
ンジスタのオンオフ比を高めることができる。
09の幅1μmとしたときの酸化物半導体におけるキャリア密度分布を示し、図16(B
)及び図17(B)にL1を1μm、W1を2μm、第2の電極109の幅1μmとした
ときの酸化物半導体におけるキャリア密度分布を示す。なお、図16はVGS(ゲートソ
ース電圧)を−2Vとしたオフ状態のキャリア密度分布を示し、図17はVGS(ゲート
ソース電圧)を+2Vとしたオン状態のキャリア密度分布を示す。また、第3の電極11
3が第2の電極109上をゲート絶縁膜111を介して覆っているが、これはシミュレー
ションの図形を簡略化するためであり、シミュレーション結果には影響はない。
〜1×104cm−3)が酸化物半導体膜107の中央まで広がっており、キャリア密度
の高い領域が、第1の電極105及び第2の電極109側それぞれに分離されているため
、図16(B)と比較してオフ状態においてオフ電流を低減することができる。図17(
A)及び図17(B)はそれぞれ、酸化物半導体膜107の表面だけでなく中央において
も電子密度が高く、ゲート絶縁膜と接する酸化物半導体膜の表面だけでなく、酸化物半導
体膜の内部にまでチャネル形成領域が形成されていることが分かる。また、第1の電極1
05より第2の電極109側においてキャリア密度の高い領域が広がっている。以上のこ
とから、本実施例に示すトランジスタは、オン電流を高めることが可能であることが分か
る。
る。
。
、その上に厚さ100nmの窒化チタン膜505をスパッタリング法により形成した。
Zn−O膜をスパッタリング法により形成した。このときの堆積条件は、スパッタガスと
して流量30sccmのAr、流量15sccmの酸素を用い、ターゲット及び基板間隔
を60mmとし、直流(DC)電源0.5kW、成膜温度を室温とした。
さ300nmの銀膜511を形成した。
から電圧に対するC−2の曲線を図20(B)に示す。ここで、試料の弱反転状態でのC
−2の曲線の傾きを数式7に代入することで、キャリア密度を求めることができる。なお
、図20(B)においてC−2の曲線を実線で示し、弱反転状態でのC−2の傾きを破線
で示す。傾きは1.96×1018C−2V−1であった。
密度である。
。このことから、本実施例に示す酸化物半導体のキャリア密度が極めて低いことがわかる
。
M分析法を用いて解析した結果について図21乃至図23を用いて説明する。
半導体膜は、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1の金属酸化物ターゲットを使
用して、In−Ga−Zn−O膜603を堆積した。当該試料を比較例である試料Bとす
る。
熱処理を行った酸化物半導体膜を酸化物半導体膜605とする。当該試料を試料Aとする
。
9000−NAR」:TEM)を用いて、加速電圧を300kVとし、断面の結晶状態の
観察を行った。図21に試料Aの断面写真を示し、図22に試料Bの断面写真を示す。な
お、図21(A)、図22(A)は低倍写真(200万倍)、図21(B)、図22(B
)は高倍写真(400万倍)である。
いて、表層部に連続した格子像が観察された。特に図21(B)の高倍写真では、白枠で
囲んだ領域に明瞭な格子像が観察され、揃った結晶の存在が示唆されている。このことか
ら、650℃で60分間、電気炉での加熱処理においてIn−Ga−Zn−O膜の表層部
は結晶化し、結晶領域を有するようになることが明らかとなった。なお、表層部を除くそ
の他の領域においては、連続した明瞭な格子像は観察されず、非晶質領域の所々に微結晶
粒子が浮いている様子が確認された。微結晶の粒子サイズは2nm以上4nm以下の所謂
ナノクリスタルであった。
観察されず、非晶質であることが確認された。
23(A)に示し、結晶領域の電子線回折パターンを図23(B)〜図23(F)に示す
。表層部の拡大写真(図23(A))には、格子像が並ぶ方向を示した1〜5の矢印が示
してあり、膜の表面に対して垂直方向に結晶が成長していることがわかる。図23(B)
、(C)、(D)、(E)、(F)に示す電子線回折パターンはそれぞれ、矢印番号の1
、2、3、4、5の位置で観測されたもので、C軸方向の配向が確認されている。また、
この電子線回折パターンと既知の格子定数を比較した結果、結晶構造はInGaZnO4
であることが判明した。
表層部に結晶領域が存在することが確認できた。
Claims (6)
- 高純度化された酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿うことを特徴とする半導体装置。 - 高純度化された酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿い、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部のキャリア移動度は、他の部分のキャリア移動度より高くなることを特徴とする半導体装置。 - キャリア密度が1×1012cm−3未満となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿うことを特徴とする半導体装置。 - キャリア密度が1×1012cm−3未満となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿い、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部のキャリア移動度は、他の部分のキャリア移動度より高くなることを特徴とする半導体装置。 - 水素濃度が1×1016cm−3以下となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿うことを特徴とする半導体装置。 - 水素濃度が1×1016cm−3以下となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第1の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第2の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面及び上面の、絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、c軸が配向した結晶を有し、
前記c軸は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対する、垂直な方向と、沿い、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部のキャリア移動度は、他の部分のキャリア移動度より高くなることを特徴とする半導体装置。
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