JP2016046530A - 半導体装置、半導体装置の作製方法、及び半導体装置を有する電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジスタについて図面を用いて説明する。なお、本実施の形態における図面では、明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。
図1(A)、図1(B)は、本発明の一態様のトランジスタ101の上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(A)に示す一点鎖線A1−A2方向の断面が図1(B)に相当する。また、図1(A)に示す一点鎖線A3−A4方向の断面が図7(A)に相当する。また、一点鎖線A1−A2方向をチャネル長方向、一点鎖線A3−A4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図2(A)、図2(B)に示す構成であってもよい。図2(A)はトランジスタ102の上面図であり、図2(A)に示す一点鎖線B1−B2方向の断面が図2(B)に相当する。また、図2(A)に示す一点鎖線B3−B4方向の断面は、図7(B)に相当する。また、一点鎖線B1−B2方向をチャネル長方向、一点鎖線B3−B4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図3(A)、図3(B)に示す構成であってもよい。図3(A)はトランジスタ103の上面図であり、図3(A)に示す一点鎖線C1−C2方向の断面が図3(B)に相当する。また、図3(A)に示す一点鎖線C3−C4方向の断面は、図7(A)に相当する。また、一点鎖線C1−C2方向をチャネル長方向、一点鎖線C3−C4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図4(A)、図4(B)に示す構成であってもよい。図4(A)はトランジスタ104の上面図であり、図4(A)に示す一点鎖線D1−D2方向の断面が図4(B)に相当する。また、図4(A)に示す一点鎖線D3−D4方向の断面は、図7(A)に相当する。また、一点鎖線D1−D2方向をチャネル長方向、一点鎖線D3−D4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図5(A)、図5(B)に示す構成であってもよい。図5(A)はトランジスタ105の上面図であり、図5(A)に示す一点鎖線E1−E2方向の断面が図5(B)に相当する。また、図5(A)に示す一点鎖線E3−E4方向の断面は、図7(A)に相当する。また、一点鎖線E1−E2方向をチャネル長方向、一点鎖線E3−E4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図6(A)、図6(B)に示す構成であってもよい。図6(A)はトランジスタ106の上面図であり、図6(A)に示す一点鎖線F1−F2方向の断面が図6(B)に相当する。また、図6(A)に示す一点鎖線F3−F4方向の断面は、図7(A)に相当する。また、一点鎖線F1−F2方向をチャネル長方向、一点鎖線F3−F4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図8(A)、図8(B)、図8(C)および図9(A)、図9(B)、図9(C)に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図10(A)、図10(B)に示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層130と基板100との間に導電層173を備えていてもよい。当該導電層を第2のゲート電極層(バックゲート)として用いることで、更なるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御が可能となる。なお、図8(A)、図8(B)、図8(C)および図9(A)、図9(B)、図9(C)に示す断面図において、導電層173の幅を酸化物半導体層130よりも短くしてもよい。さらに、導電層173の幅を導電層170の幅よりも短くしてもよい。
本発明の一態様のトランジスタは、図13(A)、図13(B)に示す構成であってもよい。図13(A)はトランジスタ107の上面図であり、図13(A)に示す一点鎖線H1−H2方向の断面が図13(B)に相当する。また、図13(A)に示す一点鎖線H3−H4方向の断面が図19(A)に相当する。また、一点鎖線H1−H2方向をチャネル長方向、一点鎖線H3−H4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図14(A)、図14(B)に示す構成であってもよい。図14(A)はトランジスタ108の上面図であり、図14(A)に示す一点鎖線I1−I2方向の断面が図14(B)に相当する。また、図14(A)に示す一点鎖線I3−I4方向の断面が図19(B)に相当する。また、一点鎖線I1−I2方向をチャネル長方向、一点鎖線I3−I4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図15(A)、図15(B)に示す構成であってもよい。図15(A)はトランジスタ109の上面図であり、図15(A)に示す一点鎖線J1−J2方向の断面が図15(B)に相当する。また、図15(A)に示す一点鎖線J3−J4方向の断面が図19(A)に相当する。また、一点鎖線J1−J2方向をチャネル長方向、一点鎖線J3−J4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図16(A)、図16(B)に示す構成であってもよい。図16(A)はトランジスタ110の上面図であり、図16(A)に示す一点鎖線K1−K2方向の断面が図16(B)に相当する。また、図16(A)に示す一点鎖線K3−K4方向の断面が図19(A)に相当する。また、一点鎖線K1−K2方向をチャネル長方向、一点鎖線K3−K4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図17(A)、図17(B)に示す構成であってもよい。図17(A)はトランジスタ111の上面図であり、図17(A)に示す一点鎖線L1−L2方向の断面が図17(B)に相当する。また、図17(A)に示す一点鎖線L3−L4方向の断面が図19(A)に相当する。また、一点鎖線L1−L2方向をチャネル長方向、一点鎖線L3−L4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図18(A)、図18(B)に示す構成であってもよい。図18(A)はトランジスタ112の上面図であり、図18(A)に示す一点鎖線M1−M2方向の断面が図18(B)に相当する。また、図18(A)に示す一点鎖線M3−M4方向の断面が図19(A)に相当する。また、一点鎖線M1−M2方向をチャネル長方向、一点鎖線M3−M4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本発明の一態様のトランジスタは、図20(A)、図20(B)、図20(C)および図21(A)、図21(B)、図21(C)に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図22(A)、図22(B)に示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層130と基板100との間に導電層173を備えていてもよい。該導電層を第2のゲート電極層(バックゲート)として用いることで、更なるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図20(A)、図20(B)、図20(C)および図21(A)、図21(B)、図21(C)に示す断面図において、導電層173の幅を酸化物半導体層130よりも短くしてもよい。さらに、導電層173の幅を導電層170の幅よりも短くしてもよい。
本実施の形態では、実施の形態1に示したトランジスタ101乃至トランジスタ112の構成要素について詳細を説明する。
本実施の形態では、実施の形態1で説明したトランジスタ101、およびトランジスタ107の作製方法を説明する。
図24および図28を用いてトランジスタ101の作製方法を説明する。なお、図面の左側にはトランジスタのチャネル長方向の断面を示し、右側にはチャネル幅方向の断面を示す。
トランジスタ107の作製方法について、図29および図30を用いて説明する。なお、上述したトランジスタ101の作製方法と重複する工程の詳細な説明は省略する。
<酸化物半導体層の構造>
本実施の形態では、酸化物半導体層130および酸化物半導体層130a乃至酸化物半導体層130cなどの半導体層に適用可能な、酸化物半導体層の構造について説明する。
まずは、CAAC−OS層について説明する。なお、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
次に、微結晶酸化物半導体層について説明する。
次に、非晶質酸化物半導体層について説明する。
なお、酸化物半導体層は、nc−OS層と非晶質酸化物半導体層との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体層を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)層と呼ぶ。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した半導体装置の構成の一例について図面を参照して説明する。
図37(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図37(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。トランジスタ2100には先の実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、図37(A)ではトランジスタ2100として、先の実施の形態のトランジスタ101を適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図40に示す。なお、図40(B)は図40(A)を回路図で表したものである。
本実施の形態では、実施の形態1乃至3で説明したトランジスタを用いることができ、実施の形態5で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を利用した表示装置の構成例について説明する。
図42(A)は、本発明の一態様の半導体装置を利用した表示装置の上面図であり、図42(B)は、本発明の一態様の半導体装置を利用した表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図42(C)は、本発明の一態様の半導体装置を利用した表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
また、画素の回路構成の一例を図42(B)に示す。ここでは、一例としてVA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
画素の回路構成の他の一例を図42(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図43を用いて説明を行う。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を備えることができるRFデバイスの使用例について図45を用いながら説明する。RFデバイスの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図45(A)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図45(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図45(C)参照)、乗り物類(自転車等、図45(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図45(E)、図45(F)参照)等に設けて使用することができる。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図44に示す。
101 トランジスタ
102 トランジスタ
103 トランジスタ
104 トランジスタ
105 トランジスタ
106 トランジスタ
107 トランジスタ
108 トランジスタ
109 トランジスタ
110 トランジスタ
111 トランジスタ
112 トランジスタ
120 絶縁層
120a 酸素過剰領域
120b 希ガス領域
125 酸化物
126 酸化物
130 酸化物半導体層
130a 酸化物半導体層
130A 酸化物半導体膜
130b 酸化物半導体層
130B 酸化物半導体膜
130c 酸化物半導体層
130C 酸化物半導体膜
140 導電層
141 導電層
142 導電層
150 導電層
151 導電層
152 導電層
156 レジストマスク
160 絶縁層
160a 酸素過剰領域
160A 絶縁膜
160b 希ガス領域
165 酸化物
166 酸化物
170 導電層
171 導電層
171A 導電膜
172 導電層
172A 導電膜
173 導電層
175 絶縁層
180 絶縁層
190 絶縁層
200 ターゲット
201 イオン
202 粒子
210 領域
211 領域
212 領域
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 データ線
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 マイク
913 外部接続ポート
914 操作ボタン
916 表示部
917 スピーカー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1010 ADEPT
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
2001 基板
2004 プラグ
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁膜
2202 配線
2203 プラグ
2204 層間絶縁膜
2207 絶縁膜
2211 半導体基板
2212 絶縁膜
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁膜
2215 ドレイン領域
2300 トランジスタ
2301 不純物領域
2302 不純物領域
2303 ゲート電極
2304 ゲート絶縁膜
2305 側壁絶縁膜
2400 フォトダイオード
2401 導電膜
2402 導電膜
2403 導電膜
2500 フォトダイオード
2501 導電膜
2502 導電膜
2503 半導体層
2504 プラグ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFデバイス
5100 ナノ結晶
5120 基板
5161 領域
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライトユニット
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
Claims (17)
- 第1の絶縁層を形成し、
前記第1の絶縁層上に、酸化物を形成し、
前記酸化物を除去し、
前記第1の絶縁層上に、酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、第2の絶縁層を形成し、
前記第2の絶縁層上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1において、
前記酸化物の除去は、前記第1の絶縁層の平坦化処理によって行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 第1の絶縁層を形成し、
前記第1の絶縁層上に酸化物を形成し且つ前記酸化物を除去する工程をn回(nは2以上の自然数)行った後、
前記第1の絶縁層上に、酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、第2の絶縁層を形成し、
前記第2の絶縁層上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項3において、
n回目の前記酸化物の除去は、前記第1の絶縁層の平坦化処理によって行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項2または請求項4において、
前記平坦化は化学機械研磨により処理することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記1の絶縁層の上部5nm以上100nm未満を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、絶縁層を形成し、
前記絶縁層上に、酸化物を形成し、
前記酸化物を除去し、
前記絶縁層上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、絶縁層を形成し、
前記絶縁層上に、第1の酸化物を形成し、
前記第1の酸化物を除去し、
前記絶縁層上に、第2の酸化物を形成し、
前記第2の酸化物上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、絶縁層を形成し、
前記絶縁層上に酸化物を形成し且つ前記酸化物を除去する工程をn回(nは2以上の自然数)行い、
前記絶縁層上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、絶縁層を形成し、
前記絶縁層上に第1の酸化物を形成し且つ前記第1の酸化物を除去する工程をn回(nは2以上の自然数)行い、
前記絶縁層上に、第2の酸化物を形成し、
前記第2の酸化物上に、導電層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一において、
前記酸化物は、4nm以上の膜厚で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項8または請求項10において、
前記第1の酸化物は、4nm以上の膜厚で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の導電層と、を有し、
前記第1の絶縁層は、第1の領域と第2の領域と、を有し、
前記第1の領域は、前記酸化物半導体層と接しており、且つ、前記第2の領域よりも希ガスを多く含むことを特徴とする半導体装置。 - 第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上に酸化物と、
前記酸化物上に導電層と、を有し、
前記第2の絶縁層は、第1の領域と第2の領域と、を有し、
前記第1の領域は、前記酸化物半導体層と接しており、
前記第2の領域は、前記酸化物と接しており、前記第1の領域よりも希ガスを多く含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項13または請求項14において、
前記第2の領域は、前記第1の領域よりも酸素を多く含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項13乃至請求項15のいずれか一において、
前記導電層は、前記第2の絶縁層を介して前記酸化物半導体層の側面に面していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項13乃至請求項16のいずれか一に記載の半導体装置と、
表示装置、マイクロフォン、スピーカー、操作キー、タッチパネル、または、アンテナと、を有することを特徴とする電子機器。
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