JP2016171330A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
半導体装置を提供することを目的の一とする。
【解決手段】酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程において、ゲート電極を形成
後、インライン装置にて、酸化アルミニウム膜と酸化シリコン膜と酸化物半導体膜を大気
暴露することなく連続的に形成し、さらに同インライン装置にて加熱および酸素添加処理
を行い、他の酸化アルミニウム膜でトランジスタを覆った後、熱処理を行うことで、水素
原子を含む不純物が除去され、且つ、化学量論比を超える酸素を含む領域を有する酸化物
半導体膜を形成する。該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、バイアス−熱ストレス
試験(BT)試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減されており
、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【選択図】図4
Description
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。
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(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。
るインジウム(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)。
水分、水素などを有すると、その電気伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、
酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
し、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、酸化物半導体を有
する半導体デバイスのオフ電流が極めて低い(ヨクトアンペア(yA)レベル)という特
性を利用し、新しいエレクトロニクスの分野として、ヨクトロニクス(Yoctoron
ics(Yocto Ampere Electronics)、ヨクトアンペアの電流
を扱うエレクトロニクス)というものを確立し、提供することを目的の一とする。
ニウム膜で挟み込むことで、酸化物半導体層からの酸素の離脱を抑制する。また、酸化物
半導体膜への熱処理によって水素原子を含む不純物(例えば、水素や水分など)を除去す
ることも可能である。さらには、タクトの速いインライン装置によって当該トランジスタ
の積層膜を連続的に形成することにより、各層の界面における不純物濃度を極めて低く抑
えることが可能になる。これにより、さらに特性の安定したトランジスタを得ることがで
きる。より具体的には、例えば、以下の作製方法とすることができる。
x1(x1>3/2))と第1の酸化アルミニウム膜上の酸化シリコン膜(SiOy(y
>2))よりなるゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート電極と重なるゲート絶縁膜上に
酸化物半導体膜を形成する工程と、酸化物半導体膜に電気的に接続されたソース電極層お
よびドレイン電極層を形成する工程と、第2の酸化アルミニウム膜(AlOx2(x2>
3/2))を酸化物半導体膜上に形成する工程を有し、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜は
、第1のインライン装置にて大気暴露させることなく連続的に形成後、第1のインライン
装置にて第1の熱処理および加酸素化処理が行われることを特徴とする。
膜(AlOx1(x1>3/2))と第1の酸化アルミニウム膜上の第1の酸化シリコン
膜(SiOy1(y1>2))よりなるゲート絶縁膜をゲート電極上に形成する工程と、
ゲート電極と重なるゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する工程と、酸化物半導体膜
に電気的に接続されたソース電極層およびドレイン電極層を形成する工程と、第2の酸化
シリコン膜(SiOy2(y2>2))と第2の酸化シリコン膜上の第2の酸化アルミニ
ウム膜(AlOx2(x2>3/2))よりなる保護層を酸化物半導体膜上に形成する工
程を有し、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜は、第1のインライン装置にて大気暴露させる
ことなく連続的に形成後、第1のインライン装置にて第1の熱処理および加酸素化処理が
行われ、保護層は第2のインライン装置にて大気暴露されることなく連続的に形成後、第
2のインライン装置にて第2の熱処理が行われることを特徴とする。
膜(AlOx1(x1>3/2))と第1の酸化アルミニウム膜上の第1の酸化シリコン
膜(SiOy1(y1>2))よりなるゲート絶縁膜をゲート電極上に形成する工程と、
ゲート電極と重なるゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する工程と、酸化物半導体膜
に電気的に接続されたソース電極層およびドレイン電極層を形成する工程と、第2の酸化
シリコン膜(SiOy2(y2>2))と第2の酸化シリコン膜上の有機物と金属酸化物
の混合膜または透明導電酸化膜または窒素を含む酸化物半導体膜である薄膜Xと、薄膜X
上の第2の酸化アルミニウム膜(AlOx2(x2>3/2))よりなる保護層を酸化物
半導体膜上に形成する工程を有し、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜は、第1のインライン
装置にて大気暴露させることなく連続的に形成後、第1のインライン装置にて第1の熱処
理および加酸素化処理が行われ、保護層は第2のインライン装置にて大気暴露されること
なく連続的に形成後、第2のインライン装置にて第2の熱処理が行われることを特徴とす
る。
添加される酸素の深さ方向の濃度のピークを1×1018/cm3以上3×1021/c
m3以下とするのが好ましい。
酸素化処理(酸素添加処理)を行い、その後、酸化物半導体への水(水素を含む)の侵入
防止機能および酸化物半導体からの酸素の脱離防止機能を有する酸化アルミニウム膜を酸
化物半導体層上に設けた状態で熱処理を行うことによって、酸化物半導体層内部(バルク
中)または、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層の界面において、少なくとも一部に、化学量
論比をこえる酸素が存在する領域(酸素過剰領域とも表記する)を設けることができる。
なお、加酸素化処理によって添加された酸素は、酸化物半導体の格子間に存在する場合も
ある。
内部の水素原子または水などの水素原子を含む不純物を除去し、酸化物半導体層を高純度
化するのが好ましい。
る。ただし、以下の説明は、あくまでも一考察に過ぎないことを付記する。
の金属元素との結合と脱離の反応を動的に繰り返す。酸素が脱離した金属元素は未結合手
を有するため、酸化物半導体内部において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在する
。
は化学量論比より過剰の酸素)を含有することで、当該酸化物半導体層の酸素欠損を直ち
に補填することができる。よって、当該酸化物半導体層に存在する酸素欠損に起因するD
OS(density of state)を減少させることが可能となる。例えば、酸
化物半導体層が化学量論比に一致した量の酸素を含有する場合のDOSの平均密度が10
18cm−3以上1019cm−3以下程度である場合、化学量論比より過剰な酸素を含
む酸化物半導体におけるDOSの平均密度は1015cm−3以上1016cm−3以下
程度となりうる。
なる傾向が確認されている。これは、酸化物半導体層の酸素欠陥がしきい値電圧の変動の
一因であり、それが厚くなるほど酸素欠陥が増加するためと推測できる。上述のように、
開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸化物半導体層と隣接する膜への酸素添加
処理によって、酸化物半導体層とその周辺の膜の酸素含有量を増大させているため、上記
式(1)の動的な反応によって生じる当該酸化物半導体層の酸素欠陥を直ちに補填するこ
とが可能である。よって、開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸素欠陥に起因
するドナー準位が形成される時間を短くし、実質的にドナー準位をなくすことができるた
め、しきい値電圧のばらつきを抑制することができる。
されないように酸化アルミニウム膜を酸化物半導体層の上下に設けることにより、酸化物
半導体中およびその上下で接する層との界面で欠陥が生成され、また、欠陥が増加するこ
とを防ぐことができる。すなわち、酸化物半導体層とそれに隣接する膜に含ませた過剰な
酸素が、酸素空孔欠陥を埋めるように作用し、かつ、酸素や水素、水分に対するバリア性
の高い酸化アルミニウム膜で酸化物半導体層を挟んでいるので、安定した電気特性を有す
る信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、インライン装置により、酸化
シリコン膜や酸化アルミニウム膜、酸化物半導体膜などを大気暴露することなく連続的に
形成できるため、膜界面における不純物(水分や水素など)の濃度を著しく低下させるこ
とが可能となる。これにより、安定した電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供
することができる。
。ただし、本明細書に開示する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、本明細書に開示する発
明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
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。
本実施の形態では、半導体装置および半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図3
を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有する
トランジスタを示す。
断面図を示す。図1(A)は平面図であり、図1(B)および図1(C)は、図1(A)
におけるA−B断面およびC−D断面に係る断面図である。なお、図1(A)では、煩雑
になることを避けるため、トランジスタ410の構成要素の一部(例えば、酸化シリコン
膜407a、酸化アルミニウム膜407bなど)を省略している。
01、ゲート絶縁膜である酸化アルミニウム膜402aおよび酸化シリコン膜402b、
酸化物半導体層403、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bおよび絶縁膜で
ある酸化シリコン膜407aおよび酸化アルミニウム膜407bを含む。
ミニウム膜402a(AlOx(x>3/2))と、酸素を過剰に含む酸化シリコン膜4
02b(SiOx(x>2))の積層である。酸化物半導体層403は、酸素添加処理が
行われており、酸素過剰領域を有する。酸素添加処理を行うことにより、酸化物半導体層
403に化学量論比より過剰に酸素を含有させることができるので、トランジスタ410
の信頼性が高められる。また、酸化アルミニウム膜402aは、当該酸素過剰領域からの
酸素脱離を抑制する効果を有する。
x>2))と、酸素を過剰に含む酸化アルミニウム膜407b(AlOx(x>3/2)
)の積層を有する。酸化アルミニウムは、水分、酸素、その他の不純物を透過させにくい
というバリア機能を有しているため、デバイス完成後に水分等の不純物が外部より侵入す
るのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層403より酸素が放出されるのを防ぐこ
とができる。この効果は、酸化アルミニウム膜402aおよび酸化アルミニウム膜407
bで酸化物半導体層403を挟み込むことでより顕著になる。なお、酸化シリコン膜40
7aは設けなくてもよい。
過剰領域を有していると、酸化物半導体層403からゲート絶縁膜への酸素の移動を防ぐ
ことができ、かつ、酸化シリコン膜402bから酸化物半導体層403への酸素の供給を
行うこともできるためである。
ス電極層405aやドレイン電極層405bと配線とを電気的に接続させるために、酸化
シリコン膜407a、酸化アルミニウム膜407bなどには開口が形成されていても良い
。また、酸化物半導体層403の上方に、さらに、第2のゲート電極を有していても良い
。
によりゲート電極層401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。
くとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、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、セラミック基板
、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。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基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられた
ものを基板400として用いてもよい。
性基板上に酸化物半導体を含むトランジスタを直接形成してもよいし、他の基板に剥離層
を設けて剥離層の上にトランジスタ等を形成した後、形成したトランジスタを剥離層を用
いて剥離し、可撓性基板に転置してもよい。
は、基板400からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シ
リコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜から選ばれた一または複数の
膜による積層構造により形成することができる。
リブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウ
ム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形
成することができる。
はスパッタリング法等により形成する。続いて、酸化アルミニウム膜402a上に酸化シ
リコン膜402bをプラズマCVD法またはスパッタリング法等により形成する。さらに
、酸化シリコン膜402b上に酸化物半導体膜を形成し、フォトリソ工程などにより島状
に加工して酸化物半導体層403とする。酸化アルミニウム膜402aから酸化物半導体
膜の形成までは連続的に処理すると好ましい。また、酸化物半導体膜形成後、熱処理と酸
素添加処理を順に行うとより好ましい(図2(A)参照)。これにより、各膜中の水分や
水素の脱離と酸化物半導体層403への酸素添加を行うことができる。
をゲート絶縁膜として用いても良い。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。
填することが可能であるため好ましい。
nm以下で形成する。酸化物半導体層403は、非単結晶または非晶質であって、以下で
示す酸化物を用いることができる。
物材料を用いればよい。例えば、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系
の材料や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系の材料、In−Sn−Zn−
O系の材料、In−Al−Zn−O系の材料、Sn−Ga−Zn−O系の材料、Al−G
a−Zn−O系の材料、Sn−Al−Zn−O系の材料や、二元系金属酸化物であるIn
−Zn−O系の材料、Sn−Zn−O系の材料、Al−Zn−O系の材料、Zn−Mg−
O系の材料、Sn−Mg−O系の材料、In−Mg−O系の材料、In−Ga−O系の材
料や、単元系金属酸化物であるIn−O系の材料、Sn−O系の材料、Zn−O系の材料
などを用いればよい。また、上記酸化物半導体にInとGaとSnとZn以外のもの、例
えばSiO2を含ませてもよい。
ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比
は問わない。
を用いることができる。ここで、Mは、Zn、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およびAl、Gaおよび
Mn、またはGaおよびCoなどがある。
組成比は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル比に換算するとIn2O3
:ZnO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル比に換
算するとIn2O3:ZnO=10:1〜1:2)、さらに好ましくはIn:Zn=15
:1〜1.5:1(モル比に換算するとIn2O3:ZnO=15:2〜3:4)とする
。例えば、In−Zn−O系の酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がI
n:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。
どの状態をとる。
rystalline Oxide Semiconductor)膜とする。
膜は、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膜
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。また、透過型顕微鏡(TEM:Transmission Electron
Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結
晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレイ
ンバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起
因する電子移動度の低下が抑制される。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつ、ab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。
AC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被
形成面の近傍に対し、表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膜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。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形
成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。
なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベク
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、ま
たは成膜後に熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
ルスレーザー蒸着法により形成する。ここでは、スパッタリング法により形成することが
できる。
導体膜を形成すればよく、基板400を加熱する温度としては、150℃以上450℃以
下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とする。なお、酸化物
半導体膜の形成時に、基板を加熱する温度を高くすることで、非晶質な部分に対して結晶
部分の占める割合の多いCAAC−OS膜とすることができる。
まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、スパッタリン
グ装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基または水素化物などの
不純物が除去された高純度の希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、および希ガスと酸素
との混合ガスを適宜用いる。このときの酸素分圧は高いほうが好ましく、雰囲気ガスを全
て酸素にしてもよい。さらには、該処理室の排気は、水の排気能力の高いクライオポンプ
または水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを用いればよい。
。ゲート絶縁膜を形成する面またはゲート絶縁膜表面は、できるだけ平坦であることが好
ましい。これにより、酸化物半導体膜のCAAC−OS膜化を容易にできる。このような
面の平坦度は、算術平均粗さ(Ra)で1nm以下、好ましくは0.5nm以下とすれば
よい。例えば、基板400上に設けられたゲート電極層401の表面に付着した水素を含
む不純物を、熱処理またはプラズマ処理で除去した後、大気に解放することなくゲート絶
縁膜を形成し、続けて大気に解放することなく酸化物半導体膜を形成する。このようにす
ることで、ゲート電極層401の表面に付着した水素を含む不純物を低減し、また、ゲー
ト電極層401と酸化アルミニウム膜402aとの界面、および、酸化シリコン膜402
bと酸化物半導体膜との界面に、大気成分が付着することを抑制できる。その結果、電気
特性が良好で、信頼性の高いトランジスタ410を作製することができる。
熱処理によって酸化物半導体膜中の、過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去し、酸化物
半導体膜の構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。第1
の熱処理の温度は、250℃以上700℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、
かつ、基板の歪み点未満とする。
、450℃、1時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜は大気に触れさ
せず、水や水素の混入が生じないようにする。
射によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、LRTA(Lamp R
apid Thermal Anneal)装置、GRTA(Gas Rapid Th
ermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Annea
l)装置を用いることができる。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熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴ
ンなどの希ガス、または窒素のような、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。
分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すGRTA処理を行ってもよ
い。GRTA処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱
温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。
等)を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望
ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス
の純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上
(すなわち、不純物濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。
、当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。このような脱水
化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。なお、第1の熱処理中に、
不活性ガスを酸素を含むガスに切り替えても良い。酸素を含む雰囲気において第1の熱処
理を行うことで、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することが
でき、酸化物半導体層をよりi型化または実質的にi型化にすることができる。
(図2(A)参照)。酸素添加処理を行うことにより、酸素421を酸化物半導体膜に供
給して、酸化シリコン膜402b中、酸化シリコン膜402bと酸化物半導体層403と
の界面、酸化物半導体層403中、または酸化物半導体層403と後に形成する酸化シリ
コン膜407aとの界面の少なくとも一部に酸素過剰領域を形成する。酸化物半導体層4
03に酸素過剰領域を形成することで、酸素欠損を直ちに補填することができる。これに
よって、酸化物半導体層403中の電荷捕獲中心を低減することができる。
の化学量論比を超える程度とする。例えば、当該酸素添加処理により酸化物半導体層40
3に添加される酸素の深さ方向の濃度のピークを1×1018/cm3以上3×1021
/cm3以下とするのが好ましい。添加される酸素421は、酸素ラジカル、酸素原子、
および/または酸素イオンを含む。なお、酸素過剰領域は、酸化物半導体層403の一部
(界面も含む)に存在していればよい。
半導体中の酸素濃度を、SIMS(Secondary Ion Mass Spect
rometry)などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半
導体に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
ける17Oや18Oの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の0.037%、0.204%程
度であることが知られている。つまり、酸化物半導体中におけるこれら同位体の濃度は、
SIMSなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定
することで、酸化物半導体中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。
よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体に意図的に酸素が添加されたか否
かを判別しても良い。
化物半導体中で有していてもよい。未結合手を有することにより、酸化物半導体中に残存
しうる水素と結合して、水素を固定化(非可動イオン化)することができるためである。
むガスを用いてプラズマ発生装置により供給されてもよいし、またはオゾン発生装置によ
り供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行
うための装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素
421を発生させ、酸化物半導体膜へ酸素添加処理を行うことができる。
該酸化物半導体膜側のゲート絶縁膜である酸化シリコン膜402bに酸素を添加してもよ
い。酸化物半導体膜に酸素過剰領域を形成することで、酸素欠損を直ちに補填することが
でき、また、酸化シリコン膜402bに酸素過剰領域を形成することで、後の加熱処理に
おいて酸化物半導体膜に酸素を供給することができる。なお、酸化シリコン膜402bに
接する酸化アルミニウム膜402aは、水分、酸素、その他の不純物を透過させにくいと
いうバリア機能を有しているため、酸化シリコン膜402bの過剰酸素を酸化物半導体膜
に供給することができる。
となる導電膜を形成し、これを加工してソース電極層405aおよびドレイン電極層40
5bとする(図2(B)参照)。
処理工程に耐えられる材料を用いる。例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W
から選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チ
タン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al
、Cuなどの金属膜の下側または上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金
属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン
膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、およびドレイン電極層に用い
る導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては
酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化イン
ジウム酸化スズ(In2O3−SnO2、ITOと略記する)、酸化インジウム酸化亜鉛
(In2O3−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを
用いることができる。
ことのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみ
をエッチングし、酸化物半導体層403を全くエッチングしないという条件を得ることは
難しく、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層403となることもある。
403の一部と接する絶縁膜を形成する。絶縁膜の形成前に、脱水や脱水素などを目的と
して酸化物半導体層403を、例えば、200℃以上450℃以下の温度で熱処理しても
よい。
剰に含む酸化アルミニウム膜407b(AlOx(x>3/2))の積層である。酸化シ
リコン膜407aの厚さは、例えば、400nmとする。酸化アルミニウムは、水分、酸
素、その他の不純物を透過させにくいというバリア機能を有しているため、デバイス完成
後に水分等の不純物が外部より侵入するのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層4
03より酸素が放出されるのを防ぐことができる。この効果は、酸化アルミニウム膜40
2aと酸化アルミニウム膜407bで酸化物半導体層403を挟み込むことでより顕著に
なる。なお、酸化シリコン膜407aは設けなくてもよい。
nm以上の膜厚とし、スパッタ法など、当該膜に水、水素等の不純物を混入させない方法
を適宜用いて形成することができる。酸化シリコン膜407aおよび酸化アルミニウム膜
407bに水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層403への侵入、または水素に
よる酸化物半導体層403中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層403のバックチ
ャネルが低抵抗化(N型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よっ
て、酸化シリコン膜407aおよび酸化アルミニウム膜407bはできるだけ水素を含ま
ない膜になるように、形成時に水素を用いないことが重要である。
ッタガスは水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用い
ることが好ましい。
650℃以下、より好ましくは450℃以上650℃以下または基板の歪み点未満、より
好ましくは275℃以上325℃以下とする。該熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気(水
の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の
空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素
、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好まし
い。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、6N(99.9
999%)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。
る。なお、第2の熱処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素
を、酸素を含有する絶縁膜である酸化シリコン膜402b、酸化シリコン膜407aより
酸化物半導体層403へ供給してもよい。また、酸化物半導体層403をCAAC−OS
膜とした場合、酸素添加処理によって酸化物半導体層403中に含まれる結晶構造が乱さ
れて非晶質化することがあるが、酸素添加処理後に熱処理を行うことによって、再度、結
晶化することが可能である。
、該熱処理は、少なくとも酸化アルミニウム膜407bの形成後に行う必要がある。酸化
アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させな
い遮断効果(ブロック効果)が高く、酸化アルミニウム膜407bの形成後に熱処理を行
うことで、酸化物半導体層403からの酸素の放出を防止することができるためである。
物半導体層403を、そ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
ができる。高純度化された酸化物半導体層403中にはドナーに由来するキャリアが極め
て少なく(ゼロに近い)、キャリア濃度は1×1014/cm3未満、好ましくは1×1
012/cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満である。
0は、酸素添加処理によって酸素過剰領域を作製することで、酸化物半導体層403中ま
たは界面における酸素欠損の形成を抑制し、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の
ドナー準位を低減する、または実質的になくすことができる。また、酸素添加処理、また
はその後の熱処理によって、酸化物半導体層403へと酸素を供給することで、酸化物半
導体層403の酸素欠損を補填することができる。また、該供給された酸素によって、酸
化物半導体層403中に残留する水素イオンを固定化しうる。よって、トランジスタ41
0は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
好ましく、該熱処理によって、水素、水、水酸基または水素化物(水素化合物ともいう)
などの不純物を酸化物半導体膜より意図的に排除し、高純度化し、i型(真性)化された
酸化物半導体層403を含むトランジスタとすることができる。高純度化された酸化物半
導体層403中にはキャリアが極めて少ない(ゼロに近い)。
スタ420の平面図であり、図3(B)および図3(C)は、図3(A)におけるE−F
断面およびG−H断面に係る断面図である。なお、図3(A)では、煩雑になることを避
けるため、トランジスタ420の構成要素の一部(例えば、酸化シリコン膜407a、酸
化アルミニウム膜407bなど)を省略している。
を有する基板400上に、ゲート電極層401、ゲート絶縁膜である酸化アルミニウム膜
402aおよび酸化シリコン膜402b、酸化物半導体層403、ソース電極層405a
、ドレイン電極層405bおよび絶縁膜である酸化シリコン膜407aおよび酸化アルミ
ニウム膜407bを含む。
ト電極層401の上に、ゲート電極層401aを有することである。ゲート電極層401
aの形成方法および材料等は、ゲート電極層401を参酌することができる。
素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−
Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むI
n−O膜や、金属窒化膜(InN、ZnNなど)を設けることが好ましい。これらの膜は
5eV、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい
値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる
。例えば、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層
403より高い窒素濃度、具体的には7原子%以上の窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜
を用いる。その他の詳細については、トランジスタ410についての説明を参酌すること
ができる。
ることができる。
有量を増やし、酸素欠損を減少させることで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起
因する劣化を抑制し、光による劣化を低減することができる。また、酸素添加処理によっ
て、酸化物半導体層に隣接するゲート絶縁層に酸素過剰領域を形成することによって、酸
化物半導体層中の酸素欠損を補填することが可能である。さらに、酸素を過剰に含んだ酸
化アルミニウム膜により、酸化物半導体層を挟み込むことにより、酸素の減少を顕著に抑
えることが可能となる。また、先に言及した熱処理は、水素、水、水酸基または水素化物
(水素化合物ともいう)などの水素原子を含む不純物を酸化物半導体より排除するため、
高純度化およびi型(真性)化された酸化物半導体層を得ることができ、しきい値電圧な
どの電気的特性変動が抑制され、電気的に安定なトランジスタとすることができる。
用いた半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を提供するこ
とができる。
適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1に示した半導体装置の酸化物半導体層等を形成する成
膜装置の一例について、図4乃至図6を用いて説明する。なお、実施の形態1と同一部分
または同様な機能を有する部分、および工程は、実施の形態1と同様に行うことができ、
繰り返しの説明は省略する。また、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
室113、加熱室114、加酸素化処理室115、およびアンロード室102が順に接続
される。なお、今後、ロード室101、アンロード室102を除く各部屋について、それ
ぞれを区別して説明する必要のないときは総称して処理室と呼ぶこともある。当該成膜装
置は搬送ロボットを有さず、ベルトコンベアのように順次各処理室に基板を搬送するもの
で、インライン装置とも呼称される。
第2の成膜室112、と順次、加酸素化処理室115まで送られたのち、アンロード室1
02に搬送される。各処理室では、必ずしも処理を行う必要はなく、工程を省きたい場合
は適宜、処理をせずに次の処理室に基板を搬送することもできる。
ード室101は、水平な状態の基板100を水平面に対して立てる機構を有していてもよ
い。
0を水平の状態に寝かせる機構を有していてもよい。処理を終え、移動手段によってアン
ロード室102に搬入された基板100は、アンロード室102にて立てた状態から水平
方向な状態とされ、その後、装置外へ基板100が搬出される。勿論、基板100を立て
たままロード室101に基板100を搬入してもよいし、基板100を水平のまま各処理
室で処理を行ってもよい。
各処理室で処理を終えてアンロード室102に搬出されるまでの間、基板100の成膜面
と鉛直方向との成す角が1°以上、30°以内、好ましくは5°以上15°以内に収まる
ように保持される。このように、基板100を鉛直方向から僅かに傾けることにより、装
置の床面積、所謂フットプリントを小さくすることができ、基板サイズが、例えば、第1
1世代、第12世代などへ大型化すればするほどクリーンルーム等の設計の容易さやコス
トの面においても有効である。さらに、基板100を鉛直方向から僅かだけ傾けることに
より、基板100に付着するごみ、パーティクルを低減できるため好ましい。
と、真空状態から大気圧する際に用いるガス導入手段とを有する。ガス導入手段から導入
されるガスは、空気、若しくは窒素や希ガスなどの不活性ガスなどを適宜用いればよい。
い。排気動作と並行して基板100に対して予備加熱を行うことで、基板100に吸着す
るガス等の不純物(水、水酸基などを含む)を脱離させることができるため好ましい。排
気手段としては、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
プなどの吸着型の真空ポンプ、或いは、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたも
のを用いると良い。
して連結されている。したがって、基板100が処理を終えて次の処理室へ移る際には、
ゲートバルブを開けて基板100が搬入される。なお、このゲートバルブは、処理室間に
おいて必要でなければ設けなくても良い。また、それぞれの処理室には、排気手段、圧力
調整手段、ガス導入手段などを有し、処理していない状態であっても常に減圧清浄な状態
に保つことができる。ゲートバルブによって各処理室が隔離されることにより、他の処理
室からの汚染を抑制することができる。
たり、曲げたりしてもよいし、必要であれば分岐しても構わない。
、これらに共通する構成について説明する。また、その後、加熱室114および加酸素化
処理室115についても同様に、これらに共通する部分について説明する。最後に、それ
ぞれの処理室における特徴についての説明を行う。
RFプラズマスパッタリング法、ACスパッタリング法、もしくはDCスパッタリング法
などのスパッタリング装置を用いることができる。
。DCスパッタリング法を適用した成膜室154について、図5(A)に基板100の進
行方向に対して垂直方向の断面模式図を、また、図5(B)に、進行方向に対して平行且
つ水平な断面の断面模式図を示す。
好ましくは5°以上15°以内に収まるように、基板支持部141によって固定されてい
る。基板支持部141は移動手段143に固定されている。移動手段143は、処理中に
基板100が動かないよう、基板支持部141を固定しておくだけでなく、基板100を
図5(B)中の破線に沿った方向(矢印に示す方向)に移動可能であり、ロード室101
、アンロード室102、および各処理室において、基板100の搬入出を行う機能も有す
る。
ように配置される。ターゲット151と基板100とを平行に配置することにより、ター
ゲットとの距離が異なることに起因するスパッタ膜の膜厚や、スパッタ膜の段差に対する
カバレッジなどのばらつきなどをなくすことができる。
5を有していても良い。基板加熱手段155により、基板100を加熱しながら成膜処理
を施すことができる。基板加熱手段155としては、例えば、抵抗加熱ヒータや、ランプ
ヒータなどを用いることができる。なお、基板加熱手段155は必要でなければなくすこ
ともできる。
ことができる。圧力調整手段に用いる排気装置としては、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などの吸着型の真空ポンプ、或いは、ターボ分
子ポンプにコールドトラップを加えたものを用いると良い。
ば、希ガスを主成分としたガスに酸素を添加したガスを導入して反応性スパッタリング法
による成膜を行うことにより、酸化膜を形成することができる。さらに、ガス導入手段1
59から導入されるガスは、水素や水、水酸化物などの不純物が低減された高純度ガスを
導入することができる。例えば、酸素、窒素、希ガス(代表的にはアルゴン)、またはこ
れらの混合ガスを導入することができる。
素分子や水(H2O)などの水素を含む化合物などが(より好ましくは炭素原子を含む化
合物と共に)除去されるため、当該成膜室で成膜した膜中に含まれる不純物の濃度を低減
できる。
トバルブ161で室内を隔離することにより、室内の不純物を排気しやすくし、成膜雰囲
気を清浄に保つことができる。さらに、室内を清浄な状態にした後にゲートバルブ161
を開放し、基板100を搬出することにより、隣接する処理室への汚染を抑制することが
できる。なお、必要でなければ、ゲートバルブ161をなくすことができる。
に沿って矢印の方向にスライドさせながら成膜する構成としてもよい。この様な構成とす
ることにより、ターゲットのサイズを小さくできるため、基板の大型化に対し、ターゲッ
トのサイズを基板と同程度まで大きくできない場合などには好適である。
けると良い。
例を示す。図6(A)は、基板の移動方向に対して垂直な断面に相当する、加熱室170
の断面模式図であり、図6(B)は、基板の移動方向に水平な断面に相当する断面模式図
である。
持された基板100を搬入、搬出することができる。
。図6(A)には、その断面となる形状を模式的に現している。棒状のヒータ171には
、抵抗加熱ヒータ、またはランプヒータを用いることができる。抵抗加熱ヒータには、誘
導加熱を用いたものも含まれる。また、ランプは中心波長が赤外線領域にあるものが好ま
しい。棒状のヒータ171を基板100に平行に配置することにより、これらの距離を一
定にし、均一に加熱することができる。また、棒状のヒータ171はそれぞれ個別に温度
を制御できることが好ましい。例えば、上部のヒータよりも下部のヒータを高い温度に設
定することにより、基板100を均一な温度で加熱することができる。なお、本実施の形
態では、棒状のヒータを用いる構成としたが、ヒータの構成はこれに限定されず、面状(
板状)のヒータでも良いし、これらヒータを動かしながら熱処理を行うこともできる。ま
た、レーザを用いた加熱方法を用いてもよい。
る構成としている。保護板173は棒状のヒータ171、および基板100の保護のため
に設けられるもので、例えば、石英などを用いることができる。保護板173は必要なけ
れば設けなくてもよい。なお、本構成では棒状のヒータ171と基板100との間にシャ
ッターを有さない構成としているため、基板全面を均一に加熱することができる。
159を有する。したがって、熱処理中や処理を行っていない状態においても常に減圧清
浄な状態を保持することができる。また、加熱室170内の水素分子や水(H2O)など
の水素を含む化合物などが(より好ましくは炭素原子を含む化合物と共に)除去されるた
め、当該加熱室で処理した膜中、膜界面、膜表面に含有、もしくは吸着する不純物の濃度
を低減できる。
素を含む雰囲気での熱処理が可能である。このような機構は、加酸素化処理室115にも
付いており、当該処理室にて加酸素化処理が可能となっている。具体的には室内を、酸素
をプラズマ化した雰囲気とするプラズマドープや、イオンドーピング法を用いるなどして
行う。なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス(ヘリウム、ネオン、アル
ゴン等)を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するの
が望ましい。例えば、加熱室170に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の
希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%
)以上(すなわち、不純物濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。
装置には、例えば、スパッタリング装置を適用する。続いて、第2の成膜室112では酸
化シリコン膜402bを形成する。成膜装置には、例えば、スパッタリング装置を適用す
る。さらに続けて、第3の成膜室113では酸化物半導体層403を形成する。成膜装置
には、例えば、スパッタリング装置を適用する。成膜方法としては、マイクロ波プラズマ
スパッタリング法、RFプラズマスパッタリング法、ACスパッタリング法、もしくはD
Cスパッタリング法を適用することができる。
板100を加熱することができる。
さらに圧力調整手段157およびガス導入手段159によって、熱処理中の雰囲気を、例
えば、10Pa乃至1気圧(1013.25hPa)とし、酸素雰囲気下、窒素雰囲気下
、または酸素と窒素の混合雰囲気下で熱処理を行うことができる。
できる。なお、圧力調整手段157およびガス導入手段159によって、当該加酸素化処
理は酸素と他の元素を含む混合雰囲気下で行うことができる。
ロード室202については、図4(A)に示したものと同様のものであるため説明は省く
。
スパッタリング装置を適用する。続いて、第2の成膜室212では酸化アルミニウム膜4
07bを形成する。成膜装置には、例えば、スパッタリング装置を適用する。成膜方法と
しては、マイクロ波プラズマスパッタリング法、RFプラズマスパッタリング法、ACス
パッタリング法、もしくはDCスパッタリング法を適用することができる。なお、酸化シ
リコン膜407aは形成しなくてもよい。
板100を加熱することができる。
。さらに圧力調整手段157およびガス導入手段159によって、熱処理中の雰囲気を、
例えば、10Pa乃至1気圧(1013.25hPa)とし、酸素雰囲気下、窒素雰囲気
下、または酸素と窒素の混合雰囲気下で熱処理を行うことができる。
して、図4(C)に示すブロック図に沿って、当該成膜装置について説明する。
ロード室302については、図4(A)に示したものと同様のものであるため説明は省く
。
スパッタリング装置を適用する。続いて、第2の成膜室312では有機物と金属酸化物の
混合膜を、例えば、共蒸着法にて形成する。当該混合膜の厚さは、例えば、10nm以上
50nm以下とする。具体的には、正孔輸送性の高い物質とアクセプター性物質を含むも
のとする。正孔輸送性の高い物質に対して質量比で、0.1以上4.0以下の比率でアク
セプター性物質を添加することが好ましい。
に属する金属の酸化物を挙げることができる。具体的には、酸化モリブデンが特に好まし
い。なお、酸化モリブデンは、吸湿性が低いという特徴を有している。
香族炭化水素、高分子化合物(オリゴマー、デンドリマー、ポリマー等)など、種々の有
機化合物を用いることができる。具体的には、10−6cm2/Vs以上の正孔移動度を
有する物質であることが好ましい。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、
これら以外のものを用いてもよい。
チル)−N−フェニルアミノ]ビフェニル(略称:NPB)やN,N’−ビス(3−メチ
ルフェニル)−N,N’−ジフェニル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン
(略称:TPD)、4−フェニル−4’−(9−フェニルフルオレン−9−イル)トリフ
ェニルアミン(略称:BPAFLP)、4,4’,4’’−トリス(カルバゾール−9−
イル)トリフェニルアミン(略称:TCTA)、4,4’,4’’−トリス(N,N−ジ
フェニルアミノ)トリフェニルアミン(略称:TDATA)、4,4’,4’’−トリス
[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ]トリフェニルアミン(略称:MT
DATA)、4,4’−ビス[N−(スピロ−9,9’−ビフルオレン−2−イル)−N
―フェニルアミノ]ビフェニル(略称:BSPB)などの芳香族アミン化合物、3−[N
−(9−フェニルカルバゾール−3−イル)−N−フェニルアミノ]−9−フェニルカル
バゾール(略称:PCzPCA1)、3,6−ビス[N−(9−フェニルカルバゾール−
3−イル)−N−フェニルアミノ]−9−フェニルカルバゾール(略称:PCzPCA2
)、3−[N−(1−ナフチル)−N−(9−フェニルカルバゾール−3−イル)アミノ
]−9−フェニルカルバゾール(略称:PCzPCN1)等が挙げられる。その他、4,
4’−ジ(N−カルバゾリル)ビフェニル(略称:CBP)、1,3,5−トリス[4−
(N−カルバゾリル)フェニル]ベンゼン(略称:TCPB)、9−[4−(10−フェ
ニル−9−アントラセニル)フェニル]−9H−カルバゾール(略称:CzPA)等のカ
ルバゾール誘導体、などがある。ここに述べた物質は、主に10−6cm2/Vs以上の
正孔移動度を有する物質である。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、こ
れら以外のものを用いてもよい。なお、正孔輸送性の高い物質を含む層は、単層のものだ
けでなく、上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。
トリフェニルアミン)(略称:PVTPA)、ポリ[N−(4−{N’−[4−(4−ジ
フェニルアミノ)フェニル]フェニル−N’−フェニルアミノ}フェニル)メタクリルア
ミド](略称:PTPDMA)、ポリ[N,N’−ビス(4−ブチルフェニル)−N,N
’−ビス(フェニル)ベンジジン](略称:Poly−TPD)などの高分子化合物を用
いることができる。
uctive Oxide)膜を代わりに形成してもよい。あるいは、ゲート電極層40
1aと同様の材料から形成してもよい。このような膜の厚さは、例えば、10nm以上5
0nm以下とする。これによりトランジスタの閾値電圧のシフトを抑制できる。TCO膜
については、例えば、二元化合物のSnO2、In2O3、ZnOおよびCdO、もしく
はSn、In、ZnおよびCdの内の少なくとも一つの元素を含む三元化合物もしくは多
元系酸化物などを用いればよい。あるいは、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(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、グラフェンなどの透光
性を有する導電性材料でもよい。第2の成膜室312にて形成した膜には、静電遮蔽の効
果があるため、これによりトランジスタの閾値電圧のシフトを抑制することができる。続
いて、第3の成膜室313では酸化アルミニウム膜407bを形成する。成膜装置には、
例えば、スパッタリング装置を適用する。成膜方法としては、マイクロ波プラズマスパッ
タリング法、RFプラズマスパッタリング法、ACスパッタリング法、もしくはDCスパ
ッタリング法を適用することができる。
板100を加熱することができる。
。さらに、圧力調整手段157およびガス導入手段159によって、熱処理中の雰囲気を
、例えば、10Pa乃至1気圧(1013.25hPa)とし、酸素雰囲気下、窒素雰囲
気下、または酸素と窒素の混合雰囲気下で熱処理を行うことができる。
貫して大気に触れない構成となっており、また、常に減圧清浄な環境下で基板を搬送する
ことができる。したがって、本成膜装置を用いて成膜した膜の界面への不純物の混入を抑
制することができ、界面状態の極めて良好な膜を形成することができる。なお、各処理室
には必要に応じてマスクを基板に装着できる構成を有していてもよい。これにより、パタ
ーンを有する膜を直接当該成膜装置により形成できる。
物半導体層をトランジスタなどの半導体装置に適用することにより、安定した電気特性と
高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。また、本実施の形態に示した成
膜装置は、マザーガラスのような大型基板においても、不純物濃度が低減された一連の装
置によって大気に触れることなく酸化物半導体層の形成工程を連続して行うことができる
。
とができる。
実施の形態1で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置
ともいう)を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全
体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
して、シール材4005が設けられ、画素部4002はシール材4005および第2の基
板4006によって封止されている。図8(A)においては、第1の基板4001上のシ
ール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単
結晶半導体膜または多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路4004および信号線駆
動回路4003が実装されている。また、別途、信号線駆動回路4003、走査線駆動回
路4004、および画素部4002に与えられる各種信号および電位は、FPC(Fle
xible printed circuit)4018a、FPC4018bから供給
されている。
と、走査線駆動回路4004とを囲むようにして、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。よって、表示素子を含む画素部4002と、走査線駆動回路4004とは、第1の
基板4001とシール材4005と第2の基板4006とによって共に封止されている。
図8(B)、図8(C)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって
囲まれてい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膜または多結
晶半導体膜で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。図8(B)、図8(
C)においては、信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004および画素部400
2に与えられる各種信号および電位は、FPC4018から供給されている。
1の基板4001に実装している例を示しているが、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。
hip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape
Automated Bonding)方法などを用いることができる。図8(A)は、
COG方法により信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004を実装する例であり
、図8(B)は、COG方法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図8(
C)は、TAB方法により信号線駆動回路4003を実装する例である。
ラを含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えば、FPCもしくはTABテープ
もしくはTCPが取り付けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線
板が設けられたモジュール、または表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接
実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
有しており、実施の形態1で例示したトランジスタを適用することができる。
(発光表示素子ともいう)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(Electro
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も適用することができる。
図8(B)のQ−Rにおける断面図に相当する。
4016を有しており、接続端子電極層4015および端子電極層4016はFPC40
18が有する端子と異方性導電膜4019を介して、電気的に接続されている。
極層4016は、トランジスタ4010、トランジスタ4011のソース電極層およびド
レイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
は、トランジスタを複数有しており、図9乃至図11では、画素部4002に含まれるト
ランジスタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれるトランジスタ4011とを例
示している。図9では、トランジスタ4010、トランジスタ4011上には絶縁膜40
20、絶縁膜4024が設けられ、図10および図11ではさらに、絶縁膜4021が設
けられている。なお、絶縁膜4023は下地膜として機能する絶縁膜である。
1で示したトランジスタを適用することができる。
制した酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トランジスタ4010およ
びトランジスタ4011は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
置を提供することができる。
物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に導電層が設けられている例である。導電層
を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、BT試験前後
におけるトランジスタ4011のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。
また、導電層は、電位がトランジスタ4011のゲート電極層と同じでもよいし、異なっ
ていても良く、第2のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位
がGND、0V、或いはフローティング状態であってもよい。
タを含む回路部)に作用しないようにする機能(特に静電気に対する静電遮蔽機能)も有
する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電
気的な特性が変動することを防止することができる。なお、当該導電層はトランジスタ4
011と重畳するような広範囲に設けてもよい。これによりさらなる静電遮蔽機能の向上
が見込まれる。
パネルを構成する。表示素子は表示を行うことがでれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
素子である液晶素子4013は、第1の電極層4030、第2の電極層4031、および
液晶層4008を含む。なお、液晶層4008を挟持するように配向膜として機能する絶
縁層4032、絶縁層4033が設けられている。第2の電極層4031は第2の基板4
006側に設けられ、第1の電極層4030と第2の電極層4031とは液晶層4008
を介して積層する構成となっている。
晶層4008の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられている。なお、球状のス
ペーサを用いても良い。
液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これ
らの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カ
イラルネマチック相、等方相等を示す。
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、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、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組
成物を用いて液晶層に用いる。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、
応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい
。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によ
って引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や
破損を軽減することができる。よって、液晶表示装置の生産性を向上させることが可能と
なる。酸化物半導体膜を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気
的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって、酸化物半導体膜を用
いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることはより効果的
である。
1Ω・cm以上であり、さらに好ましくは1×1012Ω・cm以上である。なお、本明
細書における固有抵抗の値は、20℃で測定した値とする。
ーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の
大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。高純度且つ酸素欠損の
形成を抑制した酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素におけ
る液晶容量に対して1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する保持容量
を設ければ充分である。
トランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よっ
て、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では、書き込
み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるた
め、消費電力を抑制する効果を奏する。
有するトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能であ
る。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、
画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを
同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等
により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減する
ことができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで
、高画質な画像を提供することができる。
Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Swi
tching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned
Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated
Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqu
id Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Li
quid Crystal)モードなどを用いることができる。
した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられる
が、例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignmen
t)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モ
ード、ASVモードなどを用いることができる。また、VA型の液晶表示装置にも適用す
ることができる。VA型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御す
る方式の一種である。VA型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面
に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素(ピクセル)をいくつかの領
域(サブピクセル)に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチド
メイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設ける。例えば、偏光基板および位相
差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなど
を用いてもよい。
ることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RGB(R
は赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、RGBW(Wは白を表す
)、またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。な
お、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する
発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用
することもできる。
素子を適用することができる。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。
孔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、発光性の有機化合物が励起状態を形
成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよ
うな発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
分類される。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。
そして、基板上にトランジスタおよび発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取
り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側および基板とは反
対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も
適用することができる。
子4513は、画素部4002に設けられたトランジスタ4010と電気的に接続してい
る。なお、発光素子4513の構成は、第1の電極層4030、電界発光層4511、第
2の電極層4031の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子4513
から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子4513の構成は適宜変えることができ
る。
樹脂材料を用い、第1の電極層4030上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続し
た曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
成されていてもどちらでも良い。
層4031および隔壁4510上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリ
コン膜、窒化酸化シリコン膜、DLC(Diamond Like Carbon)膜等
を形成することができる。また、第1の基板4001、第2の基板4006、およびシー
ル材4005によって封止された空間には充填材4514が設けられ密封されている。こ
のように外気に曝されない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)やカバー材でパッケージング(封入)すること
が好ましい。
たは熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル樹脂、
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)またはEV
A(エチレンビニルアセテート)を用いることができる。例えば、充填材として窒素を用
いればよい。
)、位相差板(λ/4板、λ/2板)、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けて
もよい。また、偏光板または円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。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。
ある。電子ペーパーは、電気泳動表示装置(電気泳動ディスプレイ)とも呼ばれており、
紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能
という利点を有している。
と、マイナスの電荷を有する第2の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複
数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカ
プセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示する
ものである。なお、第1の粒子または第2の粒子は染料を含み、電界がない場合において
移動しないものである。また、第1の粒子の色と第2の粒子の色は異なるもの(無色を含
む)とする。
わゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。ま
た、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレ
クトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料
を用いればよい。
ができる。ツイ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表示素子に
用いる電極層である第1の電極層および第2の電極層の間に配置し、第1の電極層および
第2の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う
方法である。
図11の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイス
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表示素子に用いる電極層間に
配置し、電極層間に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行
う方法である。
られた第2の電極層4031との間には黒色領域4615aおよび白色領域4615bを
有する粒子と、該粒子を包むキャビティ4612と、該粒子とキャビティ4612の間を
満たす液体と、を含む球形粒子4613が設けられており、球形粒子4613の周囲は樹
脂等の充填材4614で充填されている。第2の電極層4031が共通電極層(対向電極
層)に相当する。第2の電極層4031は、共通電位線と電気的に接続される。
ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば、透光性を有するプラ
スチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fiberg
lass−Reinforced Plastics)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またはアクリル樹脂フィルムを用いることができ
る。また、アルミニウムホイルを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。
て酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜4020、絶縁膜4024はスパッタリング法や
プラズマCVD法によって形成することができる。
分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)
が高い。
る水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、および酸化物半導体を構成する主
成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
素を酸化物半導体層へ供給する機能を有する。よって、絶縁膜4020は酸素を多く含む
酸化絶縁膜が好ましい。
抑制した酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ4010およびトランジスタ40
11は、ゲート絶縁膜として酸化アルミニウム膜と酸化シリコン膜を有する。トランジス
タ4010およびトランジスタ4011に含まれる酸化物半導体層は、酸素添加処理によ
り化学量論比よりも過剰な酸素を有する領域を形成し、酸素添加後の熱処理を、酸化物半
導体層上下に、酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処理によって酸化
物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。よって、得られる酸化物半
導体層は、化学量論的比よりも酸素の含有量が過剰な領域を含むものとすることができる
。
、酸化物半導体膜形成後の熱処理、または、酸素添加処理後の熱処理の少なくとも一方に
よって、脱水化または脱水素化された高純度なものである。よって、該酸化物半導体層を
トランジスタ4010およびトランジスタ4011に用いることで、酸素欠損に起因する
トランジスタのしきい値電圧Vthのばらつき、しきい値電圧のシフトΔVthを低減す
ることができる。
ンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、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)等を用いることが
できる。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、絶縁膜402
1を形成してもよい。
SOG法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法等)
、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カ
ーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光
に対して透光性とする。
、対向電極層などともいう)においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、
および電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
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、ITO、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、グラフェン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。
ン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(
Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チ
タン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属
、またはその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、または複数種を用いて形成するこ
とができる。
リマーともいう)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子とし
ては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、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、
若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの2種以上からなる共重合体若しくはその
誘導体などが挙げられる。
路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
る半導体装置を提供することができる。
実施の形態1で例示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセン
サ機能を有する半導体装置を作製することができる。
はフォトセンサの等価回路であり、図12(B)はフォトセンサの一部を示す断面図であ
る。
他方の電極がトランジスタ640のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ64
0は、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線672に、ソースまたはド
レインの他方がトランジスタ656のソースまたはドレインの一方に電気的に接続されて
いる。トランジスタ656は、ゲートがゲート信号線659に、ソースまたはドレインの
他方がフォトセンサ出力信号線671に電気的に接続されている。
に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「OS」と記載し
ている。図12(A)において、トランジスタ640、トランジスタ656は実施の形態
1に示すような酸素添加処理によって、酸素過剰領域を形成した酸化物半導体層を用いる
トランジスタである。
40に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板601(TFT基板)上に、センサとし
て機能するフォトダイオード602およびトランジスタ640が設けられている。フォト
ダイオード602、トランジスタ640の上には接着層608を用いて基板613が設け
られている。
膜634が設けられている。フォトダイオード602は、層間絶縁膜633上に設けられ
、層間絶縁膜633上に形成した電極層641bと、層間絶縁膜634上に設けられた電
極層642との間に、層間絶縁膜633側から順に第1半導体膜606a、第2半導体膜
606b、および第3半導体膜606cを積層した構造を有している。なお、絶縁膜63
2は設けなくてもよい。
極層642は電極層641aを介してゲート電極層645と電気的に接続している。ゲー
ト電極層645は、トランジスタ640のゲート電極層と電気的に接続しており、フォト
ダイオード602はトランジスタ640と電気的に接続している。
膜606bとして高抵抗な半導体膜(i型半導体膜)、第3半導体膜606cとしてn型
の導電型を有する半導体膜を積層するpin型のフォトダイオードを例示している。
ファスシリコン膜により形成することができる。第1半導体膜606aの形成には13族
の不純物元素(例えばボロン(B))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法
により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH4)を用いればよい。または、
Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等を用いてもよい。
また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注
入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等
により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。
この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法
、またはスパッタリング法等を用いればよい。第1半導体膜606aの膜厚は10nm以
上50nm以下となるよう形成することが好ましい。
ン膜により形成する。第2半導体膜606bの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモ
ルファスシリコン膜をプラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラ
ン(SiH4)を用いればよい。または、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、
SiCl4、SiF4等を用いてもよい。第2半導体膜606bの形成は、LPCVD法
、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第2半導体膜606bの膜厚は
200nm以上1000nm以下となるように形成することが好ましい。
ルファスシリコン膜により形成する。第3半導体膜606cの形成には、15族の不純物
元素(例えばリン(P))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成
する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH4)を用いればよい。または、Si2H6
、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等を用いてもよい。また、不純
物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用い
て該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純
物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合に
アモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、またはス
パッタリング法等を用いればよい。第3半導体膜606cの膜厚は20nm以上200n
m以下となるよう形成することが好ましい。
、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶(セミ
アモルファス(Semi Amorphous Semiconductor:SAS)
)半導体を用いて形成してもよい。
定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第3の状態を有する半
導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対
して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマ
ンスペクトルが単結晶シリコンを示す520cm−1よりも低波数側にシフトしている。
即ち、単結晶シリコンを示す520cm−1とアモルファスシリコンを示す480cm−
1の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手(ダングリ
ングボンド)を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも1原子%またはそれ以上含
ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ま
せて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる
。
または周波数が1GHz以上のマイクロ波プラズマCVD装置により形成することができ
る。代表的には、SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、
SiF4などの水素化シリコンもしくはハロゲン化シリコンを水素で希釈して形成するこ
とができる。また、水素化シリコンおよび水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン
、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成す
ることができる。これらのときの水素化シリコンに対して水素の流量比を5倍以上200
倍以下、好ましくは50倍以上150倍以下、さらに好ましくは100倍とする。さらに
は、シリコンを含む気体中に、CH4、C2H6等の炭化物気体、GeH4、GeF4等
のゲルマニウム化気体、F2等を混入させてもよい。
のフォトダイオードはp型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、
pin型のフォトダイオードが形成されている基板601の面からフォトダイオード60
2が受ける光622を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは
逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導
電膜を用いるとよい。また、n型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
て、スパッタリング法、プラズマCVD法、SOG法、スピンコート、ディップ、スプレ
ー塗布、液滴吐出法(インクジェット法等)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷
等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて
形成することができる。
スパッタリング法やプラズマCVD法によって形成することができる。
などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)が
高い。
る水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、および酸化物半導体を構成する主
成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
た酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ640は、ゲート絶縁膜として酸化シリ
コン膜を有する。トランジスタ640に含まれる酸化物半導体層は、酸素添加処理により
化学量論比よりも過剰な酸素を有する領域を形成し、酸素添加後の熱処理を、酸化物半導
体層上に、絶縁膜631として酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処
理によって、酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。よって、
得られる酸化物半導体層は、化学量論的比よりも酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とす
ることができる。
理、または、酸素添加処理後の熱処理の少なくとも一方によって、脱水化または脱水素化
された高純度なものである。よって、該酸化物半導体層をトランジスタ640に用いるこ
とで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Vthのばらつき、しきい値電圧
のシフトΔVthを低減することができる。
アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、窒化アルミニウム、または窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜の単層
、または積層を用いることができる。さらにその上から、有機物と金属酸化物の混合膜、
またはTCO膜などを形成してもよい。あるいは、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や
、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Z
n−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、
ZnNなど)を形成してもよい。これにより静電遮蔽の効果が見込まれるため、より性能
の安定したトランジスタを得ることができる。
として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜633、層間絶縁膜634としては、例え
ば、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂
等の耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また、上記有機絶縁材料の他に
、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPS
G(リンボロンガラス)等の単層、または積層を用いることができる。
取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用い
ることができる。
ジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よっ
て、該トランジスタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
能である。
実施の形態1で例示したトランジスタは、複数のトランジスタを積層する集積回路を有
する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の形態では、半導体装置の一例とし
て、記憶媒体(メモリ素子)の例を示す。
て第1のトランジスタの上方に半導体膜を用いて作製された第2のトランジスタを含む半
導体装置を作製する。
(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図7(A)は、図7(B)の
C1−C2およびD1−D2における断面に相当する。また、図7(C)には、上記半導
体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。
たトランジスタ140を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有
する。実施の形態1で例示したトランジスタは、トランジスタ162に好適に用いること
ができる。
でもよいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体(メモリ素子)の回路に好
適な材料および構造のトランジスタをそれぞれ用いる例であり、第1の半導体材料を酸化
物半導体以外の半導体材料とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とする。酸化物半導体
以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、
炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好
ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトラ
ンジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、そ
の特性により長時間の電荷保持を可能とする。
られたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むように設けられた不純
物領域120と、不純物領域120に接する金属化合物領域124と、チャネル形成領域
116上に設けられたゲート絶縁膜108と、ゲート絶縁膜108上に設けられたゲート
電極層110とを有する。
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基板などを適用
することができる。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設
けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料
からなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「SOI基板」が有する半導
体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶
縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた
欠陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による
成長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体
膜を形成する方法等を用いることができる。
の面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、または素子基
板上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜を挟ん
で重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離
する熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体膜として単結晶半導体膜を素子基板上に
形成する。上記方法を用いて作製されたSOI基板も好適に用いることができる。
いる。なお、高集積化を実現するためには、図7に示すようにトランジスタ140がサイ
ドウォール絶縁膜を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ140の
特性を重視する場合には、ゲート電極層110の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、不
純物濃度が異なる領域を含む不純物領域120を設けても良い。
当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高
速に行うことができる。
し、トランジスタ140を覆う絶縁膜は、単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造
としてもよい。但し、上部に設けられるトランジスタ162に含まれる酸化物半導体膜と
接する絶縁膜としては、酸化シリコン膜を適用するものとする。
P処理を施して、平坦化した絶縁膜128、絶縁膜130を形成し、同時にゲート電極層
110の上面を露出させる。
化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒
化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶
縁膜128、絶縁膜130は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等を用いて形成
することができる。
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)等を用いるこ
とができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁
膜128、絶縁膜130を形成してもよい。
化シリコン膜を形成し、絶縁膜130としてスパッタリング法により膜厚550nmの酸
化シリコン膜を形成する。
加工して島状のゲート電極層401を形成する。続いて、酸化アルミニウム膜402a、
酸化シリコン膜402b、酸化物半導体膜を順に積層する。これは実施の形態2で記した
ようにインライン装置にて連続的に形成する。その後、当該インライン装置にて、実施の
形態1で示したような熱処理および加酸素化処理を続けて行う。インライン装置でのこれ
らの処理は大気に暴露することなく連続的に行う。これにより、各処理間の時間をクラス
ター装置に比べて著しく短くできるため、各層の界面に蓄積される不純物の量を大幅に抑
えることができる。その後、選択的にエッチングし、酸化物半導体層403などを得る。
42a、ソース電極層またはドレイン電極層142bを形成する。これらは実施の形態1
に示したソース電極層405a、ドレイン電極層405bのいずれかに相当する。
D法を用いて形成することができる。また、導電層の材料としては、Al、Cr、Cu、
Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いるこ
とができる。Mn、Mg、Zr、Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み
合わせた材料を用いてもよい。
タン膜や窒化チタン膜の単層構造、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が積層された2層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された2層
構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された3層構造などが挙げられる。
なお、導電層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有
するソース電極層またはドレイン電極層142a、およびソース電極層またはドレイン電
極層142bへの加工が容易であるというメリットがある。
142a、およびソース電極層またはドレイン電極層142bの下端部の間隔によって決
定される。なお、チャネル長(L)が25nm未満のトランジスタを形成する場合に用い
るマスク形成の露光を行う際には、数nm〜数10nmと波長の短い超紫外線を用いるの
が望ましい。
ズマCVD法またはスパッタリング法等を用いて形成する。酸化シリコン膜407aは、
酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化ハフニウム膜等
の酸素を含む膜で形成できる。
aと重畳する領域に電極層148bを形成する。この際、酸化シリコン膜407aから後
に形成される酸化アルミニウム膜までは大気暴露することなく実施の形態2に示したよう
なインライン装置にて形成するため、それらの膜を形成する成膜室の間に導電層を形成す
る成膜室を別途設ける必要がある。具体的には、第1の成膜室211と第2の成膜室21
2の間、もしくは、第2の成膜室312と第3の成膜室313の間に設置する。当該導電
層はパターンを有するため、マスクの着脱が可能な構成を有する成膜室とする必要がある
。
選択的にエッチングすることによって形成することができる。
絶縁膜150を形成する。酸化アルミニウム膜は実施の形態1に示した酸化アルミニウム
膜407bに相当する。絶縁膜150を積層構造とする場合、プラズマCVD法またはス
パッタリング法等を用いて、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、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウ
ム膜、酸化ハフニウム膜、または酸化ガリウム膜を酸化アルミニウム膜と積層して形成し
てもよい。
0℃以下、より好ましくは450℃以上650℃以下、または基板の歪み点未満、より好
ましくは275℃以上325℃以下とする。絶縁膜150として用いる酸化アルミニウム
膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(
ブロック効果)が高く、絶縁膜150を成膜後に熱処理を行うことで、酸化物半導体層4
03からの酸素の放出を防止することができる。
152は、スパッタリング法やCVD法などを用いて形成することができる。また、酸化
シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無
機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。
またはドレイン電極層142bにまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスク
などを用いた選択的なエッチングにより行われる。
形成する。なお、図7にはソース電極層またはドレイン電極層142bと配線156との
接続箇所は図示していない。
CVD法を用いて導電層を形成した後、当該導電層をエッチング加工することによって形
成される。また、導電層の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから
選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Mn、Mg、
Zr、Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよ
い。詳細は、ソース電極層またはドレイン電極層142a、および、ソース電極層または
ドレイン電極層142bなどと同様である。
2は、高純度化し、酸素を過剰に含む膜により挟まれた酸化物半導体層403を有するト
ランジスタである。よって、トランジスタ162は、電気的特性変動が抑制されており、
電気的に安定である。容量素子164は、ソース電極層またはドレイン電極層142a、
酸化シリコン膜407a、および電極層148bを含んで構成される。
。図7(C)において、トランジスタ162のソース電極層またはドレイン電極層の一方
と、容量素子164の電極層の一方と、トランジスタ140のゲート電極層とは電気的に
接続されている。また、第1の配線(1st Line:ソース線とも呼ぶ)とトランジ
スタ140のソース電極層とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビ
ット線とも呼ぶ)とトランジスタ140のドレイン電極層とは、電気的に接続されている
。また、第3の配線(3rd Line:第1の信号線とも呼ぶ)とトランジスタ162
のソース電極層またはドレイン電極層の他方とは、電気的に接続され、第4の配線(4t
h Line:第2の信号線とも呼ぶ)と、トランジスタ162のゲート電極層とは、電
気的に接続されている。そして、第5の配線(5th Line:ワード線とも呼ぶ)と
、容量素子164の電極層の他方は電気的に接続されている。
しているため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、トランジスタ162のソー
ス電極層またはドレイン電極層の一方と、容量素子164の電極層の一方と、トランジス
タ140のゲート電極層とが電気的に接続されたノード(以下、ノードFG)の電位を極
めて長時間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子164を有すること
により、ノードFGに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み
出しが容易になる。
ンジスタ162がオン状態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。こ
れにより、第3の配線の電位が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄
積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、ロー(Low)レベ
ル電荷、ハイ(High)レベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その
後、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位にして、トランジス
タ162をオフ状態とすることにより、ノードFGが浮遊状態となるため、ノードFGに
は所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードFGに所定量の電荷
を蓄積および保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リ
フレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減するこ
とができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持す
ることが可能である。
与えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、ノードFGに保持
された電荷量に応じて、トランジスタ140は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ
140をnチャネル型とすると、ノードFGにHighレベル電荷が保持されている場合
のトランジスタ140の見かけのしきい値Vth_Hは、ノードFGにLowレベル電荷
が保持されている場合のトランジスタ140の見かけのしきい値Vth_Lより低くなる
ためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ140を「オン状態」とする
ために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVt
h_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードFGに保持された電荷を判
別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、
第5の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ140は「オン状態」
となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(<Vt
h_L)となっても、トランジスタ140は「オフ状態」のままである。このため、第5
の配線の電位を制御して、トランジスタ140のオン状態またはオフ状態を読み出す(第
2の配線の電位を読み出す)ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
電荷を保持したノードFGに、新たな電位を供給することで、ノードFGに新たな情報に
係る電荷を保持させる。具体的には、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオン状
態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、第3の配線の
電位(新たな情報に係る電位)が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が
蓄積される。その後、第4の配線の電位をトランジスタ162がオフ状態となる電位にし
て、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、ノードFGには、新たな情報に係
る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードFGに第1の書き込みによって所定量
の電荷が保持された状態で、第1の書き込みと同様の動作(第2の書き込み)を行うこと
で、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
挟まれた酸化物半導体層403を有することで、トランジスタ162のオフ電流を十分に
低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期に
わたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
ジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、該トランジ
スタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
適宜組み合わせて用いることができる。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともい
う)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について
説明する。
02、表示部3003、キーボード3004などによって構成されている。上記実施の形
態のいずれかで示した半導体装置を表示部3003に適用することにより、信頼性の高い
ノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
、外部インターフェイス3025と、操作ボタン3024等が設けられている。また、操
作用の付属品としてスタイラス3022がある。上記実施の形態のいずれかで示した半導
体装置を表示部3023に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末(PDA
)とすることができる。
701および筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701および筐体27
03は、軸部2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉動作を行
うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる
。
み込まれている。表示部2705および表示部2707は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば、右側の表示部(図13(C)では表示部2705)に文章を表示し、左
側の表示部(図13(C)では表示部2707)に画像を表示することができる。上記実
施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部2705、表示部2707に適用するこ
とにより、信頼性の高い電子書籍2700とすることができる。表示部2705として半
透過型、または反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想
されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、およびバッテリーでの充電を行える
ようにしてもよい。なお、バッテリーとしては、リチウムイオン電池を用いると、小型化
を図れる等の利点がある。
、筐体2701において、電源2721、操作キー2723、スピーカー2725などを
備えている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同
一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体
の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部な
どを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持
たせた構成としてもよい。
、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とするこ
とも可能である。
成されている。筐体2801には、表示パネル2802、スピーカー2803、マイクロ
フォン2804、ポインティングデバイス2806、カメラ用レンズ2807、外部接続
端子2808などを備えている。また、筐体2800には、携帯電話の充電を行う太陽電
池セル2810、外部メモリスロット2811などを備えている。また、アンテナは筐体
2801内部に内蔵されている。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示パ
ネル2802に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
れている複数の操作キー2805を点線で示している。なお、太陽電池セル2810で出
力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
ル2802と同一面上にカメラ用レンズ2807を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー2803およびマイクロフォン2804は音声通話に限らず、テレビ電
話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体2800と筐体2801は、スライドし
、図13(D)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯
に適した小型化が可能である。
可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また
、外部メモリスロット2811に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に
対応できる。
もよい。
、接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056
などによって構成されている。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部(
A)3057、表示部(B)3055に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデ
オカメラとすることができる。
、筐体9601に表示部9603が組み込まれている。表示部9603により、映像を表
示することが可能である。また、ここでは、スタンド9605により筐体9601を支持
した構成を示している。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部9603
に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置9600とすることができる。
モコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機か
ら出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線
による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方
向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である
。
能である。
リア膜としての特性について評価を行った。図14乃至図17に結果を示す。評価方法と
しては、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass S
pectrometry)と、TDS(Thermal Desorption Spe
ctroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析法を用いた。
スパッタリング法による酸化シリコン膜が膜厚100nm形成された比較例試料Aと、実
施例としてガラス基板上にスパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚100nm形成
され、酸化シリコン膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚100nm
形成された実施例試料Aを作製した。
として酸化シリコン(SiO2)ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を
60mm、圧力0.4Pa、電源電力1.5kW、酸素(酸素流量50sccm)雰囲気
下、基板温度100℃とした。
ミニウム(Al2O3)ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を60mm
、圧力0.4Pa、電源電力1.5kW、アルゴンおよび酸素(アルゴン流量25scc
m:酸素流量25sccm)雰囲気下、基板温度250℃とした。
re Cooker Test)を行った。本実施例ではPCT試験として、温度130
℃、湿度85%(気体中に含まれる水蒸気の体積比率がH2O(水):D2O(重水)=
3:1)、2.3気圧(0.23MPa)の条件で比較例試料Aおよび実施例試料Aを1
00時間保持した。
子2Hを表している。
ile)−SIMSを用いて、PCT試験前とPCT試験後の比較例試料Aおよび実施例
試料Aに対して、各試料のH原子およびD原子の濃度を測定した。
T試験後のSIMSによるH原子およびD原子の濃度プロファイルを示す。図14(A1
)および図14(A2)において、D原子expected濃度プロファイルは、D原子
の存在比が0.015%としてH原子の濃度プロファイルから算出した自然界に存在する
D原子の濃度プロファイルである。よって、PCT試験によって試料中に混入したD原子
量は、実測のD原子濃度とD原子expected濃度との差分となる。実測のD原子濃
度からD原子expected濃度を差し引いたD原子の濃度プロファイルを、PCT試
験前を図14(B1)、PCT試験後を図14(B2)に示す。
AのPCT試験後のSIMSによるH原子およびD原子の濃度プロファイルを示す。また
、実測のD原子濃度からD原子expected濃度を差し引いたD原子の濃度プロファ
イルを、PCT試験前を図15(B1)、PCT試験後を図15(B2)に示す。
た結果を示している。
D原子expected濃度プロファイルが、PCT試験後は実測のD原子の濃度プロフ
ァイルが高濃度に増大しており、酸化シリコン膜中にD原子が混入したことがわかる。し
たがって、比較例試料の酸化シリコン膜は、外部からの水分(H2O、D2O)に対し、
バリア性が低いことが確認できた。
試料Aは、PCT試験後でも酸化アルミニウム膜表面近傍の領域にややD原子の侵入が見
られるだけで、酸化アルミニウム膜深さ30nm付近以降、および酸化シリコン膜にはD
原子の侵入が見られない。したがって、酸化アルミニウム膜は外部からの水分(H2O、
D2O)に対し、バリア性が高いことが確認できた。
スパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚100nm形成され、酸化シリコン膜上に
スパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚20nm形成された実施例試料Bを作
製した。また、比較例として、実施例試料BをTDS分析によって測定後、実施例試料B
から酸化アルミニウム膜を除去し、ガラス基板上に酸化シリコン膜のみが形成された比較
例試料Bを作製した。
として酸化シリコン(SiO2)ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を
60mm、圧力0.4Pa、電源電力1.5kW、酸素(酸素流量50sccm)雰囲気
下、基板温度100℃とした。
ミニウム(Al2O3)ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を60mm
、圧力0.4Pa、電源電力1.5kW、アルゴンおよび酸素(アルゴン流量25scc
m:酸素流量25sccm)雰囲気下、基板温度250℃とした。
理、600℃加熱処理の条件で、それぞれ窒素雰囲気下で1時間処理を行い、試料を作製
した。
℃加熱処理、600℃加熱処理と4つの条件で作製された試料にそれぞれTDS分析を行
った。比較例試料Bおよび実施例試料Bにおいて、図16(A)および図17(A)に加
熱処理なし、図16(B)および図17(B)に300℃加熱処理、図16(C)および
図17(C)に450℃加熱処理、図16(D)および図17(D)に600℃加熱処理
を行った各試料の測定されたM/z=32(O2)のTDS結果を示す。
A)では酸化シリコン膜から酸素の放出が見られるが、図16(B)の300℃加熱処理
を行った試料では酸素の放出量が大きく減少し、図16(C)の450℃加熱処理を行っ
た試料および図16(D)の600℃加熱処理を行った試料においては、TDS測定のバ
ックグラウンド以下であった。
割以上が300℃の加熱処理によって酸化シリコン膜中から外部へ放出され、450℃、
600℃の加熱処理によってはほぼ全ての酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素が酸化シ
リコン膜外部へ放出されたことがわかる。したがって、酸化シリコン膜は酸素に対するバ
リア性が低いことが確認できた。
ウム膜を形成した実施例試料Bにおいては、300℃、450℃、600℃の加熱処理を
行った試料においても、加熱処理なしの試料と同等の量の酸素の放出が見られた。
形成することで、加熱処理を行っても酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素は容易に外部
へ放出されず、酸化シリコン膜中に含有した状態がかなりの程度保持されることがわかる
。したがって酸化アルミニウム膜は酸素に対するバリア性が高いことが確認できた。
するバリア性の両方を有しており、水素、水分、および酸素に対するバリア膜として好適
に機能することが確認できた。
および作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混
入、および酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を
防止する保護膜として機能することができる。
高純度であり、酸素放出が防止されるため、該酸化物半導体の化学量論的組成比に対し、
酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いるこ
とで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Vthのばらつき、しきい値電圧
のシフトΔVthを低減することができる。
101 ロード室
102 アンロード室
106 素子分離絶縁膜
108 ゲート絶縁膜
110 ゲート電極層
111 成膜室
112 成膜室
113 成膜室
114 加熱室
115 加酸素化処理室
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
124 金属化合物領域
128 絶縁膜
130 絶縁膜
140 トランジスタ
141 基板支持部
142a ソース電極層またはドレイン電極層
142b ソース電極層またはドレイン電極層
143 移動手段
148b 電極層
150 絶縁膜
151 ターゲット
152 絶縁膜
153 防着板
154 成膜室
155 基板加熱手段
157 圧力調整手段
159 ガス導入手段
161 ゲートバルブ
162 トランジスタ
164 容量素子
170 加熱室
171 ヒータ
173 保護板
185 基板
201 ロード室
202 アンロード室
211 成膜室
212 成膜室
213 加熱室
250 基板温度
301 ロード室
302 アンロード室
311 成膜室
312 成膜室
313 成膜室
314 加熱室
400 基板
401 ゲート電極層
401a ゲート電極層
402a 酸化アルミニウム膜
402b 酸化シリコン膜
403 酸化物半導体層
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407a 酸化シリコン膜
407b 酸化アルミニウム膜
410 トランジスタ
420 トランジスタ
421 酸素
601 基板
602 フォトダイオード
606a 半導体膜
606b 半導体膜
606c 半導体膜
608 接着層
613 基板
631 絶縁膜
632 絶縁膜
633 層間絶縁膜
634 層間絶縁膜
640 トランジスタ
641a 電極層
641b 電極層
642 電極層
643 導電層
645 ゲート電極層
656 トランジスタ
658 フォトダイオードリセット信号線
659 ゲート信号線
671 フォトセンサ出力信号線
672 フォトセンサ基準信号線
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2707 表示部
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカー
2800 筐体
2801 筐体
2802 表示パネル
2803 スピーカー
2804 マイクロフォン
2805 操作キー
2806 ポインティングデバイス
2807 カメラ用レンズ
2808 外部接続端子
2810 太陽電池セル
2811 外部メモリスロット
3001 本体
3002 筐体
3003 表示部
3004 キーボード
3021 本体
3022 スタイラス
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部インターフェイス
3051 本体
3053 接眼部
3054 操作スイッチ
3055 表示部(B)
3056 バッテリー
3057 表示部(A)
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4015 接続端子電極層
4016 端子電極層
4018 FPC
4018a FPC
4018b FPC
4019 異方性導電膜
4020 絶縁膜
4021 絶縁膜
4023 絶縁膜
4024 絶縁膜
4030 電極層
4031 電極層
4032 絶縁層
4033 絶縁層
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
4612 キャビティ
4613 球形粒子
4614 充填材
4615a 黒色領域
4615b 白色領域
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
Claims (5)
- ゲート電極を形成し、
ゲート電極上方に第1の酸化アルミニウム膜を形成し、
前記第1の酸化アルミニウム膜上方に酸化シリコン膜を形成し、
前記酸化シリコン膜上方に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上方にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体膜上方に第2の酸化アルミニウム膜を形成する半導体装置の作製方法であって、
前記第1の酸化アルミニウム膜と前記酸化シリコン膜と前記酸化物半導体膜とをインライン装置にて大気暴露させることなく連続的に形成した後、前記インライン装置にて熱処理および加酸素化処理を行う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、
前記酸化シリコン膜は、化学量論比よりも多い酸素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - ゲート電極を形成し、
ゲート電極上方に第1の酸化アルミニウム膜を形成し、
前記第1の酸化アルミニウム膜上方に第1の酸化シリコン膜を形成し、
前記第1の酸化シリコン膜上方に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上方にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体膜上方に第2の酸化シリコン膜を形成し、
前記第2の酸化シリコン膜上方に第2の酸化アルミニウム膜を形成する半導体装置の作製方法であって、
前記第1の酸化アルミニウム膜と前記第1の酸化シリコン膜と前記酸化物半導体膜とをインライン装置にて大気暴露させることなく連続的に形成した後、前記インライン装置にて熱処理および加酸素化処理を行う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、
前記第1の酸化シリコン膜は、化学量論比よりも多い酸素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項3又は4において、
前記第2の酸化シリコン膜は、化学量論比よりも多い酸素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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