JP2017212440A - 複合酸化物半導体、およびトランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の領域と、第2の領域と、を有する複合酸化物半導体であって、第1の領域は、インジウムを含み、第2の領域は、元素M(元素Mは、Ga、Al、Hf、Y、またはSnのいずれか一つ、または複数)を含み、第1の領域、及び第2の領域は、モザイク状に配置される。また、複合酸化物半導体は、さらに第3の領域を有し、元素Mは、ガリウムであり、第1の領域は、インジウム酸化物またはインジウム亜鉛酸化物を含み、第2の領域は、ガリウム酸化物またはガリウム亜鉛酸化物を含み、第3の領域は、亜鉛酸化物を含む。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体材料について説明する。
本発明における酸化物半導体材料の概念図を図1、および図2に示す。なお、本明細書において、本発明の一態様である酸化物半導体を、CAC(Cloud−Aligned Composite)−OSと定義する。
続いて、上記酸化物材料を酸化物半導体としてトランジスタに用いる場合について説明する。
以下では、酸化物半導体材料の成膜方法の一例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の酸化物材料を用いた半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図3乃至図12を参照して説明する。
図3(A)は、本発明の一態様の酸化物材料を用いた半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図3(B)は、図3(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図3(C)は、図3(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図3(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ100の構成要素の一部(ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図3(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
基板102の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板102として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、SOI基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板102として用いてもよい。なお、基板102として、ガラス基板を用いる場合、第6世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
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。
ゲート電極として機能する導電膜112、ソース電極として機能する導電膜120a、ドレイン電極として機能する導電膜120bとしては、クロム(Cr)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)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それぞれ形成することができる。
トランジスタ100のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜110としては、プラズマ化学気相堆積(PECVD:(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition))法、スパッタリング法等により、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、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁膜110を、2層の積層構造または3層以上の積層構造としてもよい。
酸化物半導体膜108としては、先に示す材料を用いることができる。
以下に、図13(A)、図13(B)、および図13(C)を用いて、本発明に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図13(A)、図13(B)、および図13(C)には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。
絶縁膜116は、窒素または水素を有する。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、酸化窒化シリコン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の領域108nと接する。したがって、絶縁膜116と接する領域108n中の不純物(窒素または水素)濃度が高くなり、領域108nのキャリア密度を高めることができる。
絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。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、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い。
次に、図3(A)(B)(C)に示すトランジスタと異なる構成について、図4(A)(B)(C)を用いて説明する。
次に、図4(A)(B)(C)に示すトランジスタ150と異なる構成について、図5を用いて説明する。
次に、図4(A)(B)(C)に示すトランジスタ150の作製方法の一例について、図6乃至図8を用いて説明する。なお、図6乃至図8は、トランジスタ150の作製方法を説明するチャネル長方向、及びチャネル幅方向の断面図である。
図9(A)は、トランジスタ300Aの上面図であり、図9(B)は、図9(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図9(C)は、図9(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図9(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ300Aの構成要素の一部(ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図9(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
図10(A)は、トランジスタ300Bの上面図であり、図10(B)は、図10(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図10(C)は、図10(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
図11(A)は、トランジスタ300Cの上面図であり、図11(B)は、図11(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図11(C)は、図11(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
図12(A)は、トランジスタ300Dの上面図であり、図12(B)は、図12(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図12(C)は、図12(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
以下では、本発明の一態様に係る試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、試料1E、試料1F、試料1G、試料1H、および試料1Jについて説明する。試料1A乃至試料1Jは、基板と、基板上の酸化物半導体と、を有する。
本項目では、ガラス基板上の酸化物半導体を、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定を行った結果について説明する。なお、XRD装置として、Bruker社製D8 ADVANCEを用いた。また、条件は、Out−of−plane法によるθ/2θスキャンにて、走査範囲を15deg.乃至50deg.、ステップ幅を0.02deg.、走査速度を3.0deg./分とした。
本項目では、試料1A、試料1D、および試料1Jを、HAADF(High−Angle Annular Dark Field)−STEM(Scanning Transmission Electron Microscope)によって観察、および解析した結果について説明する(以下、HAADF−STEMによって取得した像は、TEM像ともいう。)。
本項目では、試料1A、試料1C、試料1D、試料1F、試料1G、および試料1Jを、HAADF−STEMによって観察、および解析した結果について説明する。
本項目では、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用い、EDXマッピングを取得し、評価することによって、試料1Aの元素分析を行った結果について説明する。なお、EDX測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型X線分析装置JED−2300Tを用いる。なお、試料から放出されたX線の検出にはSiドリフト検出器を用いる。
以下では、本発明の一態様に係る試料2A、試料2B、試料2C、試料2D、試料2E、試料2F、試料2G、試料2H、および試料2Jについて説明する。試料2A乃至試料2Jとして、実施の形態2、および図6乃至図8で説明した作製方法により、図3の構造を有するトランジスタ150を作製した。
次に、上記作製した試料2A乃至試料2Jのトランジスタ(L/W=2/3μm)のId−Vg特性を測定した。なお、トランジスタのId−Vg特性の測定条件としては、第1のゲート電極として機能する導電膜112に印加する電圧(以下、ゲート電圧(Vg)ともいう)、及び第2のゲート電極として機能する導電膜106に印加する電圧(以下、バックゲート電圧(Vbg)ともいう)を、−10Vから+10Vまで0.25Vのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜120aに印加する電圧(以下、ソース電圧(Vs)ともいう)を0V(comm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜120bに印加する電圧(以下、ドレイン電圧(Vd)ともいう)を、0.1V及び20Vとした。
次に、上記作製した、試料2A乃至試料2Jのトランジスタ(L/W=2/50μm)に対し、信頼性評価を行った。信頼性評価としては、GBT試験とした。
以下では、本発明の一態様に係る試料3A、試料3D、および試料3Jについて説明する。試料3A、試料3D、および試料3Jは、基板と、基板上の酸化物半導体と、を有する。
本項目では、試料3A、試料3D、および試料3Jを、TEMによって観察、および解析した結果について説明する。
本項目では、試料3A、試料3D、および試料3Jを、HAADF−STEMによって観察、および解析した結果について説明する。
本項目では、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用い、EDXマッピングを取得し、評価することによって、試料3Aの元素分析を行った結果について説明する。なお、EDX測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型X線分析装置JED−2300Tを用いる。なお、試料から放出されたX線の検出にはSiドリフト検出器を用いる。
以下では、本発明の一態様に係る試料4A、試料4B、試料4C、試料4D、試料4E、試料4F、試料4G、試料4H、および試料4Jについて説明する。試料4A乃至試料4Jとして、実施の形態2、および図6乃至図8で説明した作成方法により、図3の構造を有するトランジスタ150を作製した。
次に、上記作製した試料4A乃至試料4Jのトランジスタ(L/W=2/3μm)のId−Vg特性を測定した。なお、トランジスタのId−Vg特性の測定条件としては、第1のゲート電極として機能する導電膜112に印加する電圧(以下、ゲート電圧(Vg)ともいう)、及び第2のゲート電極として機能する導電膜106に印加する電圧(以下、バックゲート電圧(Vbg)ともいう)を、−10Vから+10Vまで0.25Vのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜120aに印加する電圧(以下、ソース電圧(Vs)ともいう)を0V(comm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜120bに印加する電圧(以下、ドレイン電圧(Vd)ともいう)を、0.1V及び20Vとした。
002 領域
003 領域
100 トランジスタ
102 基板
104 絶縁膜
106 導電膜
108 酸化物半導体膜
108a 酸化物半導体膜
108n 領域
110 絶縁膜
110_0 絶縁膜
112 導電膜
112_0 導電膜
112_1 導電膜
112_2 導電膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
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
150 トランジスタ
160 トランジスタ
300A トランジスタ
300B トランジスタ
300C トランジスタ
300D トランジスタ
302 基板
304 導電膜
306 絶縁膜
307 絶縁膜
308 酸化物半導体膜
312a 導電膜
312b 導電膜
314 絶縁膜
316 絶縁膜
318 絶縁膜
320a 導電膜
320b 導電膜
341a 開口部
341b 開口部
342a 開口部
342b 開口部
342c 開口部
Claims (9)
- 第1の領域と、第2の領域と、を有する複合酸化物半導体であって、
前記第1の領域は、インジウムを含み、
前記第2の領域は、元素M(元素Mは、Ga、Al、Hf、Y、またはSnのいずれか一つ、または複数)を含み、
前記第1の領域、及び前記第2の領域は、モザイク状に配置される、
ことを特徴とする複合酸化物半導体。 - 請求項1において、
前記複合酸化物半導体は、さらに第3の領域を有し、
前記元素Mは、ガリウムであり、
前記第1の領域は、インジウム酸化物またはインジウム亜鉛酸化物を含み、
前記第2の領域は、ガリウム酸化物またはガリウム亜鉛酸化物を含み、
前記第3の領域は、亜鉛酸化物を含む、
ことを特徴とする複合酸化物半導体。 - 請求項2において、
前記第1の領域、前記第2の領域、または前記第3の領域は、周辺部がボケており、クラウド状である複合酸化物半導体。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第2の領域は、径が0.5nm以上10nm以下、またはその近傍である、複合酸化物半導体。 - 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の領域は、径が1nm以上2nm以下、またはその近傍である、複合酸化物半導体。 - 請求項2乃至請求項5のいずれか一項において、
前記複合酸化物半導体に含まれる前記インジウム、前記ガリウム、及び亜鉛の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3またはその近傍である複合酸化物半導体。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記インジウム、前記ガリウム、及び前記亜鉛の原子数比は、In:Ga:Zn=5:1:6またはその近傍である複合酸化物半導体。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記インジウム、前記ガリウム、及び前記亜鉛の原子数比は、In:Ga:Zn=1:1:1またはその近傍である複合酸化物半導体。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載の前記複合酸化物半導体を有することを特徴とするトランジスタ。
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