JP2016219801A - 半導体装置、該半導体装置を有する表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、トランジスタを有する半導体装置、及び該半導体装置の作製方法の一例について、図1乃至図22を用いて説明する。
図1(A)(B)(C)に、トランジスタを有する半導体装置の一例を示す。なお、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタは、トップゲート構造である。
次に、図1に示すトランジスタ100、及び図2に示すトランジスタ100Aにおける酸化物半導体膜、及び当該酸化物半導体膜に接する絶縁膜のバンド構造について、図15を用いて説明する。
次に、ゲート電極として機能する酸化物半導体膜について、説明する。ゲート電極として機能する酸化物半導体膜112は、絶縁膜110に酸素を供給する機能を有する。酸化物半導体膜112が、絶縁膜110に酸素を供給する機能を有することで、絶縁膜110中に過剰酸素を含ませることが可能となる。絶縁膜110が過剰酸素領域を有することで、酸化物半導体膜108、より具体的にはチャネル領域108i中に当該過剰酸素を供給することができる。よって、チャネル領域108iの酸素欠損が過剰酸素により補填されることで、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
[基板]
基板102としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板またはシリコン基板)、SOI基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。
絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜104としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上させるため、絶縁膜104において少なくとも酸化物半導体膜108と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜104として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜104に含まれる酸素を、酸化物半導体膜108に移動させることが可能である。
酸化物半導体膜108は、先に示す材料を用いることができる。また、酸化物半導体膜108及び酸化物半導体膜112のいずれか一方または双方は、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)等の金属酸化物で形成される。また、酸化物半導体膜108及び酸化物半導体膜112として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。とくに、酸化物半導体膜108と、酸化物半導体膜112とは、同じ構成元素からなる金属酸化物で形成されると、製造コストを低減できるため好ましい。
絶縁膜110は、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上させるため、絶縁膜110において少なくとも酸化物半導体膜108と接する領域は酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。絶縁膜110として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
絶縁膜116は、窒素または水素のいずれか一方または双方を有する。絶縁膜116としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等を用いて形成することができる。絶縁膜116に含まれる水素濃度は、1×1022atoms/cm3以上であると好ましい。また、絶縁膜116は、酸化物半導体膜108のソース領域108s、及びドレイン領域108dと接する。また、絶縁膜116は、酸化物半導体膜112と接する。したがって、絶縁膜116と接するソース領域108s、ドレイン領域108d、及び酸化物半導体膜112中の水素濃度が高くなり、ソース領域108s、ドレイン領域108d、及び酸化物半導体膜112のキャリア密度を高めることができる。なお、ソース領域108s、ドレイン領域108d、及び酸化物半導体膜112としては、それぞれ絶縁膜116と接することで、膜中の水素濃度が同じ領域を有する場合がある。
絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。絶縁膜118として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
導電膜120a、120bとしては、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、熱CVD法等を用いて形成することができる。また、導電膜120a、120bとしては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、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等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニ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、導電膜120a、120b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、マンガンを含む銅膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅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、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等がある。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一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図3(A)(B)を用いて説明する。
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図5(A)(B)を用いて説明する。
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図7(A)(B)を用いて説明する。
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図9(A)(B)(C)を用いて説明する。
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図11(A)(B)(C)を用いて説明する。
次に、図11(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図13(A)(B)を用いて説明する。
次に、図1に示すトランジスタ100の作製方法の一例について、図16乃至図18を用いて説明する。なお、図16乃至図18は、トランジスタ100の作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。
次に、図13に示すトランジスタ160Bの作製方法の一例について、図19乃至図22を用いて説明する。なお、図19乃至図22は、トランジスタ160Bの作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。
本実施の形態においては、酸化物半導体の構造等について、図23乃至図27を参照して説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、nc−OSについて説明する。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図28乃至図30を用いて以下説明を行う。
図29及び図30に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び容量素子790を有する。また、ソースドライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。
図29に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電膜772、導電膜774、及び液晶層776を有する。導電膜774は、第2の基板705側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図29に示す表示装置700は、導電膜772と導電膜774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
図30に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、導電膜784、EL層786、及び導電膜788を有する。図30に示す表示装置700は、発光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示することができる。
本実施の形態では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、且つ書き込み回数にも制限が無い半導体装置の回路構成の一例について図31を用いて説明する。
図31は、半導体装置の回路構成を説明する図である。図31において、第1の配線(1st Line)と、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280cのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。
まず、情報の書き込み及び保持について説明する。第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオン状態となる電位にして、トランジスタ1282をオン状態とする。これにより、第2の配線の電位がn型トランジスタ1280cのゲート電極、及び容量素子1281に与えられる。すなわち、n型トランジスタ1280cのゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオフ状態となる電位にして、トランジスタ1282をオフ状態とする。これにより、n型トランジスタ1280cのゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
次に、情報の読み出しについて説明する。第3の配線の電位をLowレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオン状態となり、n型トランジスタ1280bがオフ状態となる。この時、第1の配線の電位は第6の配線に与えられる。一方、第3の配線の電位をHighレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオフ状態となり、n型トランジスタ1280bがオン状態となる。この時、フローティングノード(FN)に保持された電荷量に応じて、第6の配線は異なる電位をとる。このため、第6の配線の電位をみることで、保持されている情報を読み出すことができる(読み出し)。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることのできる画素回路の構成について、図32(A)を用いて以下説明を行う。
図32(A)は、画素回路の構成を説明する図である。図32(A)に示す回路は、光電変換素子1360、トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、及びトランジスタ1354を有する。
光電変換素子1360には、セレンまたはセレンを含む化合物(以下、セレン系材料とする)を有する素子、あるいはシリコンを有する素子(例えば、pin型の接合が形成された素子)を用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタと、セレン系材料を用いた光電変換素子とを組み合わせることで信頼性を高くすることができるため好ましい。
トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、およびトランジスタ1354は、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導体を用いて形成することも可能であるが、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することが好ましい。酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタは、極めてオフ電流が低い特性を示す特徴を有している。また、酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタとしては、例えば、実施の形態1に示すトランジスタを用いることができる。
次に、図32(A)に示す回路の回路動作の一例について図32(B)に示すタイミングチャートを用いて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図33を用いて説明を行う。
図33(A)に示す表示装置は、画素を有する領域(以下、画素部502という)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路506という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成としてもよい。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器について、図34及び図35を用いて説明を行う。
図34に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002との間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続された表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板8010、バッテリ8011を有する。
図35(A)乃至図35(G)は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体9000、表示部9001、スピーカ9003、操作キー9005(電源スイッチ、又は操作スイッチを含む)、接続端子9006、センサ9007(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの)、マイクロフォン9008、等を有することができる。
100A トランジスタ
100B トランジスタ
100C トランジスタ
100D トランジスタ
100E トランジスタ
100F トランジスタ
100G トランジスタ
102 基板
104 絶縁膜
106 導電膜
107_3 酸化物半導体膜
108 酸化物半導体膜
108_1 層
108_2 層
108_3 層
108d ドレイン領域
108f 領域
108i チャネル領域
108s ソース領域
110 絶縁膜
110_0 絶縁膜
112 酸化物半導体膜
112_0 酸化物半導体膜
114 導電膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
120 導電膜
120a 導電膜
120b 導電膜
122 絶縁膜
140 マスク
141a 開口部
141b 開口部
143 開口部
145 不純物元素
147 中空領域
150 トランジスタ
160 トランジスタ
160A トランジスタ
160B トランジスタ
160C トランジスタ
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
770 平坦化絶縁膜
772 導電膜
774 導電膜
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電膜
782 発光素子
784 導電膜
786 EL層
788 導電膜
790 容量素子
1280a p型トランジスタ
1280b n型トランジスタ
1280c n型トランジスタ
1281 容量素子
1282 トランジスタ
1311 配線
1312 配線
1313 配線
1314 配線
1315 配線
1316 配線
1317 配線
1351 トランジスタ
1352 トランジスタ
1353 トランジスタ
1354 トランジスタ
1360 光電変換素子
1401 信号
1402 信号
1403 信号
1404 信号
1405 信号
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
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
9000 筐体
9001 表示部
9003 スピーカ
9005 操作キー
9006 接続端子
9007 センサ
9008 マイクロフォン
9050 操作ボタン
9051 情報
9052 情報
9053 情報
9054 情報
9055 ヒンジ
9100 テレビジョン装置
9101 携帯情報端末
9102 携帯情報端末
9200 携帯情報端末
9201 携帯情報端末
Claims (14)
- トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の第2の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記第2の酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、を有し、
前記第1の酸化物半導体膜は、
前記第2の酸化物半導体膜と重畳するチャネル領域と、
前記第2の絶縁膜と接するソース領域と、
前記第2の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、
第1の層と、
前記第1の層の上面と接し、且つ前記第1の層のチャネル幅方向の側面を覆う第2の層と、を有し、
前記第2の酸化物半導体膜は、
前記第1の酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。 - トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の第2の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記第2の酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、を有し、
前記第1の酸化物半導体膜は、
前記第2の酸化物半導体膜と重畳するチャネル領域と、
前記第2の絶縁膜と接するソース領域と、
前記第2の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、
第1の層と、
前記第1の層の上面と接し、且つ前記第1の層のチャネル幅方向の側面を覆う第2の層と、
前記第1の層の下面と接する第3の層と、を有し、
前記第2の酸化物半導体膜は、
前記第1の酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。 - トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の第2の酸化物半導体膜と、
前記第2の酸化物半導体膜上の導電膜と、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記導電膜上の第2の絶縁膜と、を有し、
前記第1の酸化物半導体膜は、
前記第2の酸化物半導体膜と重畳するチャネル領域と、
前記第2の絶縁膜と接するソース領域と、
前記第2の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、
第1の層と、
前記第1の層の上面と接し、且つ前記第1の層のチャネル幅方向の側面を覆う第2の層と、を有し、
前記第2の酸化物半導体膜は、
前記第1の酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。 - トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の第2の酸化物半導体膜と、
前記第2の酸化物半導体膜上の導電膜と、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記導電膜上の第2の絶縁膜と、を有し、
前記第1の酸化物半導体膜は、
前記第2の酸化物半導体膜と重畳するチャネル領域と、
前記第2の絶縁膜と接するソース領域と、
前記第2の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、
第1の層と、
前記第1の層の上面と接し、且つ前記第1の層のチャネル幅方向の側面を覆う第2の層と、
前記第1の層の下面と接する第3の層と、を有し、
前記第2の酸化物半導体膜は、
前記第1の酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記ゲート絶縁膜の上端部は、
前記第2の酸化物半導体膜の下端部と揃う領域、または前記第2の酸化物半導体膜の下端部よりも外側に位置する領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第2の絶縁膜は、
窒素または水素のいずれか一方または双方を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記トランジスタは、さらに、
前記第2の絶縁膜上の第3の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜に設けられた開口部を介して、前記ソース領域に接続するソース電極と、
前記第2の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜に設けられた開口部を介して、前記ドレイン領域に接続するドレイン電極と、を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域は、
前記第2の酸化物半導体膜と水素濃度が同じ領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域は、
水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、または希ガスの1以上を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記第2の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方は、
酸素と、Inと、Znと、M(MはAl、Ga、Y、またはSn)とを有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第1の酸化物半導体膜、及び前記第2の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方は、
結晶部を有し、前記結晶部は、c軸配向性を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項11に記載のいずれか一つの半導体装置と、
表示素子と、
を有することを特徴とする表示装置。 - 請求項12に記載の表示装置と、
タッチセンサと、
を有することを特徴とする表示モジュール。 - 請求項1乃至請求項11に記載のいずれか一つの半導体装置、請求項12に記載の表示装置、または請求項13に記載の表示モジュールと、
操作キーまたはバッテリと、を
有することを特徴とする電子機器。
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