JP2017175154A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ンジスタに関する。また、本発明は、当該トランジスタを有する半導体装置に関する。例
えば、当該トランジスタを各画素に有するアクティブマトリクス型の表示装置に関する。
なお、本明細書において半導体装置とは、半導体特性を利用して機能する全ての装置を指
す。
酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々な用途に用いられている。例えば、酸化
インジウムは、液晶表示装置において画素電極の材料として用いられている。半導体特性
を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化
亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物層にチャネルが形成されるトラ
ンジスタが、既に知られている(特許文献1及び特許文献2)。
って電気的特性が変化することがある。当該変化は、当該酸化物半導体層の形成工程時に
低抵抗化元素(塩素(Cl)、フッ素(F)、硼素(B)、又は水素(H)など)が混入
する、又は当該酸化物半導体層から酸素(O)が脱離することなどに起因するものと考え
られる。そして、当該変化は、酸化物半導体層の端部において顕在化しやすいことが分か
った。すなわち、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタにおいては、当該
酸化物半導体層の端部が低抵抗領域となり、当該領域にトランジスタの寄生チャネルが形
成されやすいことが分かった。なお、当該トランジスタにおいては、ゲートとソース間の
電圧に応じて形成されるチャネル(第1のチャネルともいう)と、当該寄生チャネル(第
2のチャネルともいう)との2種のチャネルが形成されうることになる。
ネルが形成されるゲートとソース間のしきい値電圧が異なる。典型的には、第1のチャネ
ルが形成されるしきい値電圧は、第2のチャネルが形成されるしきい値電圧よりも高い。
そして、第1のチャネルの電流駆動能力は、第2のチャネルの電流駆動能力よりも高い。
よって、オフ状態にある当該トランジスタのゲートとソース間の電圧を上昇させていった
場合、ソースとドレイン間の電流が2段階の変化をすることになる。具体的には、第2の
チャネルが形成されるしきい値電圧の近傍において1段階目の変化(ソースとドレイン間
の電流の増加)が確認され、さらに、第1のチャネルが形成されるしきい値電圧の近傍に
おいて2段階目の変化(ソースとドレイン間の電流の増加)が確認される。
として2段階の変化をする素子が好ましくないことは言うまでもない。この点に鑑み、本
発明の一態様では、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのスイッチング
特性を改善することを目的の一とする。
るトランジスタのソース及びドレインが存在するからである。すなわち、当該端部とトラ
ンジスタのソース及びドレインの少なくとも一方が電気的に接続されていなければ当該端
部に寄生チャネルは形成されない。よって、本発明の一態様は、トランジスタのソース及
びドレインの少なくとも一方と、酸化物半導体層の端部とが電気的に接続されない又は接
続される蓋然性を低減することが可能な構造のトランジスタを提供することを要旨とする
。
化物半導体層の端部と接していないトランジスタである。さらに、本発明の一態様におい
ては、酸化物半導体層の端部と接していないソース及びドレインの少なくとも一方と酸化
物半導体層の端部間の距離が、ソースとドレイン間の距離よりも長い構成とすることが好
ましい。
物半導体層の端部を介して電気的に接続されない又は接続される(当該端部に寄生チャネ
ルが形成される)蓋然性を低減することが可能である。よって、当該トランジスタにおい
ては、ゲートとソース間の電圧に応じてソースとドレイン間の電流が2段階に変化するこ
とがない又は変化する蓋然性を低減することが可能である。すなわち、本発明の一態様に
おいては、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのスイッチング特性を改
善することが可能である。
定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態を様々に変更し得
る。したがって、本発明は以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。
本発明の一態様に係るトランジスタの構造について図1を参照して説明する。図1(A
)は、本発明の一態様に係るトランジスタの平面図であり、図1(B)は、図1(A)に
示す平面図中のA−B線における断面図である。
ゲート11と、ゲート11上に設けられたゲート絶縁層12と、ゲート絶縁層12を介し
てゲート11と重畳する酸化物半導体層13と、酸化物半導体層13上のソース14及び
ドレイン15とを有する。さらに、当該トランジスタ上には、絶縁層16と、絶縁層16
に設けられた開口部においてドレイン15と接する導電層17とが設けられている。なお
、ソース14及びドレイン15は、置換することが可能である。すなわち、本発明の一態
様は、図1(A)、(B)に示すようにドレイン15がソース14に囲まれる構成に限定
されず、ソースがドレインに囲まれる構成とすることも可能である。
る酸化物半導体層13及びドレイン15と接触する領域における酸化物半導体層13の少
なくとも一方に含まれる低抵抗化元素の濃度が、酸化物半導体層13の端部に含まれる当
該低抵抗化元素の濃度よりも低くなることがある。なお、当該低抵抗化元素としては、塩
素(Cl)、フッ素(F)、硼素(B)、水素(H)などが挙げられる。
における酸化物半導体層13及びドレイン15と接触する領域における酸化物半導体層1
3の少なくとも一方に含まれる酸素の濃度が、酸化物半導体層13の端部に含まれる酸素
の濃度よりも高くなることがある。
15の双方が酸化物半導体層13の端部に接することがない。具体的には、当該トランジ
スタにおいては、ソース14が開口部を有する円形状(内周及び外周が共に円状)であり
、ドレイン15が当該開口部に存在する。よって、図1(A)、(B)に示すトランジス
タにおいては、酸化物半導体層13の端部が低抵抗化した場合であっても当該端部に寄生
チャネルが形成されることがない。その結果、図1(A)、(B)に示すトランジスタに
おいては、寄生チャネルの存在に起因するスイッチング特性の劣化が生じない。
まれている構造を有するトランジスタにおいて共通する。すなわち、ソース及びドレイン
の一方の内周及び外周が閉曲線若しくは多角形又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、
且つソース及びドレインの他方がソース及びドレインの一方の内側に存在するトランジス
タにおいては、酸化物半導体層13の端部が低抵抗化した場合であっても当該端部に寄生
チャネルが形成されることがない。
絶縁表面を有する基板10としては、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している
基板であればどのような基板を適用してもよい。例えば、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の基板を用いることができる。また、基板10として、可
撓性基板を用いてもよい。なお、基板10に含まれる元素が後に形成される酸化物半導体
層に混入することを防ぐため、基板10上に絶縁層を形成することも可能である。
ゲート11、ソース14、及びドレイン15、並びに導電層17としては、アルミニウ
ム(Al)、銅(Cu)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モ
リブデン(Mo)、クロム(Cr)、ネオジム(Nd)、スカンジウム(Sc)から選ば
れた元素、上述した元素を成分とする合金、または上述した元素を成分とする窒化物を適
用することができる。また、これらの材料の積層構造を適用することもできる。
ゲート絶縁層12及び絶縁層16としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの絶縁体を適用するこ
とができる。また、これらの材料の積層構造を適用することもできる。なお、酸化窒化シ
リコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであり、濃度範囲とし
て酸素が55〜65原子%、窒素が1〜20原子%、シリコンが25〜35原子%、水素
が0.1〜10原子%の範囲において、合計100原子%となるように各元素を任意の濃
度で含むものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多いものであり、濃度範囲として酸素が15〜30原子%、窒素が20〜35原
子%、シリコンが25〜35原子%、水素が15〜25原子%の範囲において、合計10
0原子%となるように各元素を任意の濃度で含むものをいう。
酸化物半導体層13としては、少なくともインジウム(In)又は亜鉛(Zn)を含む
酸化物を適用することができる。特に、インジウム(In)及び亜鉛(Zn)を含む酸化
物を適用することが好ましい。また、酸化物半導体層13中の酸素欠損を減らすためのス
タビライザーとして、酸化物半導体層13にガリウム(Ga)が含まれることが好ましい
。また、酸化物半導体層13が、スタビライザーとして、スズ(Sn)、ハフニウム(H
f)、アルミニウム(Al)、若しくはジルコニウム(Zr)、又は、ランタノイドであ
る、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、
サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb
)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(T
m)、イッテルビウム(Yb)、若しくはルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複
数種を含む構成としてもよい。
、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸
化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、若しくはIn−
Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Zn
系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系
酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸
化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化
物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物
、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、
In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、若
しくはIn−Lu−Zn系酸化物、又は四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Z
n系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In
−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、若しくはIn−Hf−
Al−Zn系酸化物を用いることができる。
して有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、Inと
GaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
質などの状態をとる。
Crystalline Oxide Semiconductor)層とする。
層は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体層である。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
、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Micr
oscope)による観察像では、CAAC−OS層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層には粒界(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層は、粒界に起因する電子
移動度の低下が抑制される。
トル又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
形状又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又は金属
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軸及び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層の形成過程において、酸化物半導体層13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層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。
トル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS層の形状(被形成
面の断面形状又は表面の断面形状)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層が形成されたときの被形成面の法線ベクトル
又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
膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
l)などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トラ
ンジスタの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体層13表面に付
着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体層13表面に付着し
た場合には、リン酸、シュウ酸、又は希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理(N2O
プラズマ処理など)を行うことにより、酸化物半導体層13表面の不純物を除去すること
が好ましい。具体的には、酸化物半導体層13の銅(Cu)濃度は1×1018atom
s/cm3以下、好ましくは1×1017atoms/cm3以下とする。また、酸化物
半導体層13のアルミニウム(Al)濃度は1×1018atoms/cm3以下とする
。また、酸化物半導体層13の塩素(Cl)濃度は2×1018atoms/cm3以下
とする。
な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とされることにより、高純度化されたものである
ことが望ましい。具体的には、酸化物半導体層13の水素濃度は5×1019atoms
/cm3以下、望ましくは5×1018atoms/cm3以下、より望ましくは5×1
017atoms/cm3以下とする。なお、上述の酸化物半導体層13中の水素濃度は
、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spec
trometry)で測定されるものである。また、十分な酸素が供給されて酸素が過飽
和の状態とするため、酸化物半導体層13を包みこむように過剰酸素を含む絶縁層(Si
Oxなど)を接して設ける。
である。
本発明の一態様に係るトランジスタは、図1(A)、(B)に示すトランジスタの構造
に限定されない。例えば、図2、3に示すトランジスタも本発明の一態様のトランジスタ
である。なお、図2及び図3(A)は、トランジスタの平面図であり、図3(B)は、図
3(A)に示す平面図中のC−D線における断面図である。
図2に示すトランジスタは、図1(A)、(B)に示すトランジスタが有するソース1
4が導電層17と重畳する領域に間隙が設けられているソース24に置換されている点を
除き、図1(A)、(B)に示すトランジスタと同様の構造を有する。図2に示すトラン
ジスタは、図1(A)、(B)に示すトランジスタと同様の作用を奏するとともにソース
24と導電層17の間に生じる寄生容量に起因する負荷を緩和することが可能である。
ンの他方が囲まれ、且つ当該間隙が設けられている領域にソース及びドレインの他方と電
気的に接続する導電層が存在する構造のトランジスタにおいて共通する。すなわち、ソー
ス及びドレインの一方が間隙を有し且つ内壁の描線及び外壁の描線が曲線若しくは折れ線
又は一部が曲線且つ残部が折れ線であり、且つソース及びドレインの他方がソース及びド
レインの一方の内側に存在し、且つ、ソース及びドレインの他方に電気的に接続する導電
層が当該間隙が設けられている領域に存在するトランジスタにおいては、図1(A)、(
B)に示すトランジスタと同様の作用を奏するとともにソース及びドレインの一方と当該
導電層の間に生じる寄生容量に起因する負荷を緩和することが可能である。
びに導電層17と同様の導電体を適用することができる。
図3に示すトランジスタは、絶縁表面を有する基板30上に設けられたゲート31と、
ゲート31上に設けられたゲート絶縁層32と、ゲート絶縁層32を介してゲート31と
重畳する酸化物半導体層33と、酸化物半導体層33の端部上に設けられたソース34と
、酸化物半導体層33上の絶縁層35に設けられた開口部において酸化物半導体層33と
接するドレイン36とを有する。図3(A)、(B)に示すトランジスタにおいては、ド
レイン36が酸化物半導体層33の端部と接することがない。よって、図1(A)、(B
)に示すトランジスタと同様に酸化物半導体層33の端部に寄生チャネルが形成されるこ
とがない又は当該端部に寄生チャネルが形成される蓋然性を低減することが可能である。
その結果、図3(A)、(B)に示すトランジスタにおいては、スイッチング特性の改善
を図ることが可能である。
の一態様は、図3(A)、(B)に示すようにソース34が酸化物半導体層33の端部上
に設けられ、且つドレイン36が絶縁層35に設けられた開口部において酸化物半導体層
33と接する構成に限定されず、ソースが絶縁層35に設けられた開口部において酸化物
半導体層33と接し、且つドレインが酸化物半導体層33の端部上に設けられる構成とす
ることも可能である。
た、ゲート31、ソース34、及びドレイン36としては、上述したゲート11、ソース
14、及びドレイン15、並びに導電層17と同様の導電体を適用することができる。ま
た、ゲート絶縁層32及び絶縁層35としては、上述したゲート絶縁層12及び絶縁層1
6と同様の絶縁体を適用することができる。また、酸化物半導体層33としては、上述し
た酸化物半導体層13と同様の半導体を適用することができる。
上述したトランジスタは、各種半導体装置を構成する素子として適用することが可能で
ある。例えば、当該トランジスタをアクティブマトリクス型の表示装置の各画素に設けら
れるトランジスタとして適用することが可能である。以下では、アクティブマトリクス型
の液晶表示装置について図4を参照して説明する。
は、画素部100と、走査線駆動回路110と、信号線駆動回路120と、各々が平行又
は略平行に配設され、且つ走査線駆動回路110によって電位が制御されるm本の走査線
130と、各々が平行又は略平行に配設され、且つ信号線駆動回路120によって電位が
制御されるn本の信号線140と、を有する。さらに、画素部100は、マトリクス状に
配設された複数の画素150を有する。なお、各走査線130は、画素部100において
m行n列に配設された複数の画素150のうち、いずれかの行に配設されたn個の画素1
50に電気的に接続されている。また、各信号線140は、m行n列に配設された複数の
画素150のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素150に電気的に接続されてい
る。
す図である。図4(B)に示す画素150は、ゲートが走査線130に電気的に接続され
、ソース及びドレインの一方が信号線140に電気的に接続されているトランジスタ15
1と、一方の電極がトランジスタ151のソース及びドレインの他方に電気的に接続され
、他方の電極が容量電位を供給する配線(容量線ともいう)に電気的に接続されている容
量素子152と、一方の電極がトランジスタ151のソース及びドレインの他方及び容量
素子152の一方の電極に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線(共
通電位線ともいう)に電気的に接続されている液晶素子153と、を有する。なお、容量
電位と共通電位は、同一の電位とすることが可能である。
可能である。図4(C)は、トランジスタ151として、図1(A)、(B)に示すトラ
ンジスタを適用した場合の構造例を示す平面図である。図4(C)に示すトランジスタ1
51は、ゲート11が走査線130に電気的に接続され、ソース14が信号線140に電
気的に接続され、ドレイン15が透明導電層160に電気的に接続されている。なお、図
4(C)に示すトランジスタ151において、ゲート11は走査線130の一部であり、
ソース14は信号線140の一部であると表現することも可能である。
示したが、当該トランジスタを図4(A)に示す走査線駆動回路110を構成する素子と
して適用することも可能である。
を行う表示装置(有機EL表示装置ともいう)の画素を構成する素子として適用すること
も可能である。
実施例では、図1に示すトランジスタを作製し、当該トランジスタの特性を評価した結果
について説明する。
まず、当該トランジスタの作製工程について説明する。
0nmの窒素珪素(SiN)膜と、当該窒素珪素(SiN)膜上の厚さ150nmの酸化
窒化珪素膜との積層膜をプラズマCVD法を用いて成膜した。
ン(W)膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該タングステン(W)膜を
フォトリソグラフィ法を用いて加工することによりゲートを形成した。
00nmの酸化窒化珪素(SiON)膜をマイクロ波CVD法を用いて成膜した。
の少なくともインジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)、及び酸素(O)を
含む膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該膜をフォトリソグラフィ法を
用いて加工することにより酸化物半導体層を形成した。
素(O2)の混合雰囲気下で350℃、1時間の熱処理を行った。
物半導体層上に厚さ100nmのチタン(Ti)膜と、当該チタン(Ti)膜上の厚さ4
00nmのアルミニウム(Al)膜と、当該アルミニウム(Al)膜上の厚さ100nm
のチタン(Ti)膜との積層膜をスパッタリング法を用いて成膜した。そして、当該積層
膜をフォトリソグラフィ法を用いて加工することにより、ソース及びドレインを形成した
。
行った。
びに当該ソース及び当該ドレイン上に厚さ600nmの酸化窒化珪素(SiON)膜をプ
ラズマCVD法を用いて成膜した。
行った。
気下で250℃、1時間の熱処理を行うことで当該アクリルを焼成した。
(In)、錫(Sn)、珪素(Si)、及び酸素(O)を含む膜をスパッタリング法を用
いて成膜した。なお、当該膜が上述のドレインと接するように予め当該ドレイン上の絶縁
層及びアクリルには開口部を設けた。
上述の工程によって得られたトランジスタに対して、光照射条件下におけるプラスゲー
トBT試験を行った。なお、本実施例において、プラスゲートBT試験とは、80℃にお
いてゲートとソースの間の電圧が30Vの状態を特定の時間に渡って保持させる試験を指
す。本実施例では、上述のトランジスタを複数用意し、それぞれのトランジスタに対して
、2000秒以下の各種の時間に渡って当該試験を行った。
を示す図である。図5より、本実施例に係るトランジスタは、当該試験後であってもスイ
ッチング特性が大きくばらつかないことが分かった。
以下では、比較例として、ソース及びドレインが酸化物半導体層の端部と接するトラン
ジスタについて説明する。
スタは、ゲート1001と、ゲート1001上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁
層上の酸化物半導体層1003と、酸化物半導体層1003上のソース1004及びドレ
イン1006とを有する。図6に示すようにソース1004及びドレイン1006は、酸
化物半導体層1003の端部に接している。
同じ材料、作製工程を用いて形成した。そして、本比較例に係るトランジスタを複数用意
し、それぞれのトランジスタに対して、2000秒以下の各種の時間に渡って光照射条件
下におけるプラスゲートBT試験を行った。
を示す図である。図7より、本比較例に係るトランジスタは、当該試験後においてスイッ
チング特性が大きくばらつくことが分かった。
11 ゲート
12 ゲート絶縁層
13 酸化物半導体層
14 ソース
15 ドレイン
16 絶縁層
17 導電層
24 ソース
30 基板
31 ゲート
32 ゲート絶縁層
33 酸化物半導体層
34 ソース
35 絶縁層
36 ドレイン
100 画素部
110 走査線駆動回路
120 信号線駆動回路
130 走査線
140 信号線
150 画素
151 トランジスタ
152 容量素子
153 液晶素子
160 透明導電層
1001 ゲート
1003 酸化物半導体層
1004 ソース
1006 ドレイン
Claims (1)
- トランジスタを有し、
前記トランジスタは、酸化物半導体層と、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、を有し、
前記ゲート絶縁層上の前記酸化物半導体層は、前記ゲート電極と重畳し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層の上面と接し、
前記ソース電極または前記ドレイン電極の一方と前記酸化物半導体層が接する領域は、形状が環状であり、
前記環状の内側に、前記ソース電極または前記ドレイン電極の他方と前記酸化物半導体層が接する領域があり、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層の端部とは接しないことを特徴とする半導体装置。
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