JP2019068079A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L27/12—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
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- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
- H01L29/78603—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film characterised by the insulating substrate or support
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- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Abstract
Description
、マニュファクチャ、または組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、
本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、記憶装置、それらの駆動方法、ま
たは、それらの作製方法に関する。
置全般を指す。電気光学装置、画像表示装置(単に表示装置とも表記する)、半導体回路
、発光装置、蓄電装置、記憶装置および電子機器は半導体装置を有する場合がある。
シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適
用する場合、大面積基板への形成技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適で
ある。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用す
る場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いる
と好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ
光処理を行うことで形成する方法が知られる。
有する非晶質酸化物半導体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。)
。
成するトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、酸化物半導体を用
いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能
の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部
を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタの低いリー
ク特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献2参照。)。
果移動度を有するトランジスタが得られることが開示されている(特許文献3参照。)。
ことを課題の一とする。また、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製
することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする
。
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
水素分子の脱離量が300℃での水素分子の脱離量の130%以下である第1の絶縁膜と
、第1の絶縁膜上の第1のバリア膜と、第1のバリア膜上の化学量論的組成を満たす酸素
よりも多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第1の酸化物半
導体膜を含んで構成される第1のトランジスタと、を有することを特徴とする半導体装置
である。
温度に対する質量電荷比2の検出強度が、400℃において4×10−11A以下である
。
子の脱離量が350℃での水素分子の脱離量の130%以下である第1の絶縁膜と、第1
の絶縁膜上の第1のバリア膜と、第1のバリア膜上の化学量論的組成を満たす酸素よりも
多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜
を含んで構成される第1のトランジスタと、を有することを特徴とする半導体装置である
。
の温度での水素分子の脱離量が300℃での水素分子の脱離量の130%以下である第1
の絶縁膜と、第1の絶縁膜上の第1のバリア膜と、第1のバリア膜上の化学量論的組成を
満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、第1のトランジスタと
、を有し、第1のトランジスタは、第2の絶縁膜上の第1の酸化物半導体膜と、第1の酸
化物半導体膜に接するソース電極およびドレイン電極と、第1の酸化物半導体膜、ソース
電極およびドレイン電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上のゲート電極と、を有し、
ゲート絶縁膜、第2の絶縁膜および第1の酸化物半導体膜の水素濃度が5×1018at
oms/cm3未満であることを特徴とする半導体装置である。
の上面および側面と面している。
温脱離ガス分光法分析において20℃乃至600℃での水素分子の脱離量は2×1015
個/cm2未満である。
い。
温脱離ガス分光法分析において20℃乃至600℃での水素分子の脱離量は2×1015
個/cm2未満である。
3の酸化物半導体膜を有し、第2の酸化物半導体膜および第3の酸化物半導体膜は、第1
の酸化物半導体膜に含まれる金属元素を一種以上含む。
的に接続する容量素子を有し、容量1μFあたり、第1のトランジスタのチャネル幅1μ
mあたりのオフ電流は、85℃で4.3yA未満である。
的に接続する容量素子を有し、容量素子1μF、第1のトランジスタのチャネル幅1μm
あたりのオフ電流は、95℃で1.5yA未満である。
た、半導体材料を含む基板に設けられた第2のトランジスタを有する。
0mV/dec.以下である。
を形成し、第1のトランジスタを形成した後、第1の加熱処理を行い、第1のトランジス
タ上に第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜を形成した後、第2の加熱処理を行い、第1
の絶縁膜上に第1のバリア膜を形成し、第1のバリア膜上に第2の絶縁膜を形成し、第2
の絶縁膜、第1のバリア膜および第1の絶縁膜に開口を形成し、第2の絶縁膜上に開口を
介して第1のトランジスタと電気的に接続する、酸化物半導体膜を含んで構成される第2
のトランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
を形成し、第1のトランジスタを形成した後、第1の加熱処理を行い、第1のトランジス
タ上に第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜上に第1のバリア膜を形成し、第1のバリア
膜上に第2の絶縁膜を形成し、第2の絶縁膜、第1のバリア膜および第1の絶縁膜に開口
を形成し、開口を形成後、第2の加熱処理を行い、第2の絶縁膜上に開口を介して第1の
トランジスタと電気的に接続する、酸化物半導体膜を含んで構成される第2のトランジス
タを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
間以下行う。
る。
る。
水素を含む第3の絶縁膜を形成する。
、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。または、
新規な半導体装置を提供することができる。なお、これらの効果の記載は、他の効果の存
在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有
する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自
ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果
を抽出することが可能である。
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。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は
異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じ
くし、特に符号を付さない場合がある。
ている場合がある。
)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能であ
る。
層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と
、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領
域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)
とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトラ
ンジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域に
おける、ソースまたはドレインの幅をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネ
ル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル
幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャ
ネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
ネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示され
るチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば
、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面
図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくな
る場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面
に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割
合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅
よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見
積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形
状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である
。
る領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチ
ャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel
Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合
には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明
細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。
なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込み
チャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって
、値を決定することができる。
める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチ
ャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略
平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態
をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、
二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
す。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置の構成および作製方法について図
面を参照して説明する。
図1(A)は、本発明の一態様に係る半導体装置の回路図の一例である。図1(A)に
示す半導体装置は、トランジスタ100と、トランジスタ200と、容量素子250と、
配線SLと、配線BLと、配線WLと、配線CLと、を有する。
、ドレインの他方が配線SLと電気的に接続し、ゲートがトランジスタ200のソース、
ドレインの一方および容量素子250の一方の電極と電気的に接続する。トランジスタ2
00は、ソース、ドレインの他方が配線BLと電気的に接続し、ゲートが配線WLに電気
的に接続する。また、容量素子250の他方の電極は、配線CLと電気的に接続する。な
お、トランジスタ100のゲートと、トランジスタ200のソース、ドレインの一方と、
容量素子250の一方の電極の間のノードをノードFNと呼ぶ。
のときに配線BLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ20
0が非導通状態(オフ)のときにノードFNの電位を保持する機能を有する。即ち、図1
(A)に示す半導体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。なお、ノード
FNと電気的に接続する液晶素子や有機EL(Electroluminescence
)素子などの表示素子を有する場合、図1(A)の半導体装置は表示装置の画素として機
能させることもできる。
制御することができる。トランジスタ200として、オフ電流の小さいトランジスタを用
いることによって、非導通状態におけるノードFNの電位を長期間に渡って保持すること
ができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を低減することができるため、消
費電力の小さい半導体装置を実現することができる。なお、オフ電流の低いトランジスタ
の一例として、酸化物半導体を用いたトランジスタが挙げられる。
るが、以下ではnチャネル型のトランジスタを想定する。本明細書において、ゲート電圧
が0Vの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすことができるトランジスタを、ノー
マリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。
によって、トランジスタ100の見かけ上のしきい値電圧が変動する。見かけ上のしきい
値電圧の変動により、トランジスタ100の導通状態、非導通状態が変化することで、デ
ータを読み出すことができる。
保持するためには、容量1μFあたり、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電
流の値が4.3yA(ヨクトアンペア:1yAは10−24A)未満であることが好まし
い。このとき、許容されるノードFNの電位の変動が0.5V以内であることが好ましい
。または、95℃において、上記オフ電流が1.5yA未満であることが好ましい。後述
するが本発明の一態様の半導体装置は、バリア膜よりも下層の水素濃度が十分に低減され
ているため、その結果、その上層の酸化物半導体を用いたトランジスタに下層からの水素
の拡散を抑制することができるため、このように極めて低いオフ電流を実現することがで
きる。
V/dec.以上、好ましくは60mV/dec.以上、より好ましくは50mV/de
c.以上であり、200mV/dec.以下、好ましくは150mV/dec.以下、よ
り好ましくは100mV/dec.以下、さらに好ましくは80mV/dec.以下であ
ることが好ましい。S値が小さいほど、トランジスタをオフする特定の電圧におけるオフ
電流を小さくすることができる。
レイ)を構成することができる。
素子250を有する。
、半導体基板150の凸部と、凸部内の不純物領域166と、凸部の上面および側面と接
する領域を有する絶縁膜162と、絶縁膜162を介して凸部の上面および側面と面する
導電膜164と、導電膜164の側壁に接する絶縁膜160と、を有する。なお、導電膜
164は、トランジスタ100のゲート電極として機能する。また、不純物領域166は
、トランジスタ100のソース領域およびドレイン領域として機能する。なお、トランジ
スタ100は、絶縁膜160を有さなくてもよい。なお、半導体基板150の凸部の上に
は、絶縁膜を有してもよい。該絶縁膜は、凸部を形成するときに、マスクとして機能する
ものである。
導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI(Silicon On Insul
ator)基板を加工して、凸型の半導体を形成しても構わない。
て適切なトランジスタを用いる。
用いた場合は、高速動作をすることが可能なトランジスタ100とすることができる。
トランジスタ100の上部にトランジスタ200を有する。また、トランジスタ100と
トランジスタ200との間には、配線として機能する複数の導電膜(たとえば導電膜17
3、導電膜174)が配置されている。また、各種絶縁膜に埋め込まれた複数の導電膜に
より、上層と下層にそれぞれ配置された配線や電極が電気的に接続されている。
。水素を含む絶縁膜を設け、第1の加熱処理を行うことで、絶縁膜170の下層に設けら
れたトランジスタ100にシリコン系半導体材料を用いた場合、絶縁膜170中の水素は
シリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ100の電気特性を向上させるこ
とができる。
り多く、絶縁膜や配線として機能する導電膜に残存してしまう。この残存した水素は、絶
縁膜170の上層に設けられる酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ200に
とって悪影響を及ぼす。具体的には、トランジスタ200を作製する工程やその後の長期
動作によって水素がトランジスタ200側に移動してしまう。水素は、酸化物半導体膜中
にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ200の電気特性を低下させ
る要因となる。
を用いたトランジスタ200を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する
機能を有するバリア膜171を設けることが好ましい。
71に開口を設け、導電膜を介して電気的に接続するがこのとき開口から水素がトランジ
スタ200側に移動してしまい、酸化物半導体膜に混入してしまう。
る。半導体装置を構成する導電膜などの耐熱性や、トランジスタ100の電気特性が劣化
しない程度であれば、第2の加熱処理の温度は高いほど好ましい。具体的には、第2の加
熱処理は、450℃以上650℃未満、好ましくは490℃以上650℃未満、より好ま
しくは530℃以上650℃未満で10時間以下とすればよいが、650℃以上で行って
もよい。なお、第2の加熱処理は、例えば、第1の加熱処理と同じ温度か、それよりも低
い温度で行えばよい。このようにすることで、トランジスタ100の電気特性が、第2の
加熱処理によって劣化することを抑制することができる。また、第2の加熱処理は、第1
の加熱処理よりも長時間行うと好ましい。こうすることで、トランジスタ100の電気特
性を劣化させずに、トランジスタ200の電気特性を向上させることができる。または、
例えば、第2の加熱処理は、第1の加熱処理よりも高い温度で行えばよい。このようにす
ることで、脱水素化または脱水化を完全に行うことができるため、トランジスタ200の
電気特性をさらに向上させることができる。また、第2の加熱処理を行うことで、第1の
加熱処理を省略してもよい。
などで金属膜などが覆われた状態で行う。
とする。)によって測定される400℃以上、好ましくは450℃以上の任意の温度での
水素分子の脱離量が、300℃の脱離量の130%以下、好ましくは110%以下である
ことが好ましい。また、TDS分析によって測定される450℃での水素分子の脱離量が
350℃の脱離量の130%以下、好ましくは110%以下であることが好ましい。また
、温度に対する質量電荷比2の検出強度が、400℃において4×10−11A以下であ
ると好ましい。
ばバリア膜171として、TDS分析によって基板表面温度が20℃から600℃の範囲
における水素分子(質量電荷比m/z=2)の脱離量が、2×1015個/cm2未満、
好ましくは1×1015個/cm2未満、より好ましくは5×1014個/cm2未満で
ある材料をバリア膜171に用いることが好ましい。または、TDS分析によって基板表
面温度が20℃から600℃の範囲における水分子(質量電荷比m/z=18)の脱離量
が、1×1016個/cm2未満、好ましくは5×1015個/cm2未満、より好まし
くは2×1012個/cm2未満である材料をバリア膜171に用いることが好ましい。
また、絶縁膜170に接してバリア膜(図1(B)の絶縁膜170上で接する絶縁膜)を
設けると好ましい。また、絶縁膜170に接するバリア膜は必ずしも必要でなく、図4(
B)に示すように絶縁膜170に接するバリア膜がなくてもよい。
ら上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ200の電気特性も同時に
向上させることができる。
度を高めることができる。
73)と該導電膜を覆う絶縁膜の間にボイド175が形成されてもよいし、絶縁膜に開口
を設け、埋め込まれた導電膜(たとえば図1(B)に示す導電膜174)と平坦化処理さ
れた絶縁膜の間にボイドが形成されてもよいし、平坦化処理を施す際に使用したスラリー
がボイドや処理を施した膜表面に残存していてもよい。ボイドやスラリーがあることで膜
の応力が緩和され、ピーリングを抑制することができるため、歩留まりよく作製すること
ができる。
2の凸部上の酸化物半導体膜206と、酸化物半導体膜206と接する導電膜216aお
よび導電膜216bと、酸化物半導体膜206、導電膜216aおよび導電膜216b上
のゲート絶縁膜212と、ゲート絶縁膜212の上面に接し、酸化物半導体膜206の上
面および側面に面する導電膜204と、を有する。なお、絶縁膜172が凸部を有さなく
ても構わない。なお、導電膜204は、トランジスタ200のゲート電極として機能する
。また、導電膜216aおよび導電膜216bは、トランジスタ200のソース電極およ
びドレイン電極として機能する。
機能を有するバリア膜218を形成することが好ましい。さらにバリア膜218上に絶縁
膜219を設けてもよい。
4の電界によって、酸化物半導体膜206を電気的に取り囲むことができる構造であって
もよい(導電膜の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、su
rrounded channel(s−channel)構造とよぶ。)。そのため、
酸化物半導体膜206の全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。s−cha
nnel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きい
オン電流を得ることができる。また、導電膜204の電界によって、酸化物半導体膜20
6のチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−chann
el構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。s−chan
nel構造の半導体装置は、後の変形例4で説明する。
全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下
面の少なくとも一部(または全部)に設けられている。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
、下面の少なくとも一部(または全部)と、接している。または、導電膜216a(また
は/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体膜20
6などの半導体の少なくとも一部(または全部)と、接している。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
、下面の少なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。または、導電膜2
16a(または/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物
半導体膜206などの半導体の一部(または全部)と、電気的に接続されている。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
下面の少なくとも一部(または全部)に、近接して配置されている。または、導電膜21
6a(または/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半
導体膜206などの半導体の一部(または全部)に、近接して配置されている。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
下面の少なくとも一部(または全部)の横側に配置されている。または、導電膜216a
(または/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体
膜206などの半導体の一部(または全部)の横側に配置されている。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
下面の少なくとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。または、導電膜21
6a(または/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半
導体膜206などの半導体の一部(または全部)の斜め上側に配置されている。
は全部)は、酸化物半導体膜206などの半導体の、表面、側面、上面、または/および
下面の少なくとも一部(または全部)の上側に配置されている。または、導電膜216a
(または/および導電膜216b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体
膜206などの半導体の一部(または全部)の上側に配置されている。
ト絶縁膜212と同一工程で形成する絶縁膜213と、絶縁膜213と接し、導電膜20
4と同一工程で形成する導電膜205を有する。なお、導電膜216aは、容量素子25
0の一方の電極として機能する。また、導電膜205は、容量素子250の他方の電極と
して機能する。
と電気的に接続する。また、導電膜204は配線WLと電気的に接続する。
よび前記各構成間の絶縁膜や導電膜について、詳細に説明する。
素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可能であり、これらの基板上に半導体素子が配
置されたものを用いてもよい。また、結晶格子に歪みを有するシリコンを用いてもよい。
また、トランジスタ100は、GaAs、GaAlAsを用いた高電子移動度トランジス
タ(HEMT:High Electron Mobility Transistor
)を用いてもよい。
成される。なお、ここではn型トランジスタを形成するためにリンやヒ素を添加している
が、p型トランジスタを形成する場合には、硼素(B)やアルミニウム(Al)などの不
純物元素を添加すればよい。
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウ
ム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウ
ムまたは酸化タンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いることができる。
、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタン
グステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。導電膜164は
、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Depo
sition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Ep
itaxy)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Depo
sition)法、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposit
ion)法などを用いて形成すればよい。
Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal C
VD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Me
tal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CV
D)法に分けることができる。
用いないため、プラズマダメージが生じず、欠陥の少ない膜が得られる。
例えば、MCVD法およびMOCVD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の
膜を形成することができる。また、例えば、MCVD法およびMOCVD法では、形成し
ながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を形成す
ることができる。原料ガスの流量比を変化させながら形成する場合、複数の形成室を用い
て形成する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、形成に掛かる時間を短くす
ることができる。したがって、トランジスタの生産性を高めることができる。
ることが好ましい。絶縁膜170としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などを
用いることができる。よって、トランジスタ100にシリコン系半導体材料を用いた場合
、絶縁膜170中の水素は、半導体基板150のシリコンのダングリングボンドを終端し
、トランジスタ100の電気特性を向上させることができる。
。バリア膜171としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリ
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などを含む絶縁膜を、単層
で、または積層で用いればよい。また、バリア膜171は、スパッタリング法、CVD法
、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて形成すればよく、特に、スパッタリン
グ法の中のDCスパッタリング法は、成膜時に発生するゴミを低減でき、かつ膜厚分布も
均一とすることができるため好ましい。
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウ
ム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウ
ムまたは酸化タンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
ることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有するこ
とで酸化物半導体膜206に酸素を供給する役割を担うことができる。
どを用いて形成すればよい。
方法を用いて、異なる形成方法で形成してもよい。例えば、1層目をCVD法で形成し、
2層目をALD法で形成してもよい。または、1層目をスパッタリング法で形成し、2層
目をALD法で形成してもよい。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いることに
よって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積
層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
D法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n+1層目の膜を、スパッタリング法
、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形
成する(nは自然数)。なお、n層目の膜と、n+1層目の膜とで、形成方法が同じでも
異なっていてもよい。なお、n層目の膜とn+2層目の膜とで、形成方法が同じでもよい
。または、すべての膜において、形成方法が同じでもよい。
emical Mechanical Polishing)処理を行ってもよい。CM
P処理を行うことで、絶縁膜172となる絶縁膜の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好
ましくは0.3nm以下、さらに好ましくは0.1nm以下とする。上述の数値以下のR
aとすることで、酸化物半導体膜206の結晶性が向上する場合がある。Raは原子間力
顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて測定可能であ
る。
化物は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また
、酸化物半導体は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガ
リウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素として
は、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニ
ウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステ
ンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合が
ある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Mは、例えば
、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導
体は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含むと、例えば、酸化物を結晶化しやすく
なる。
例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物であっても構わない。
エネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV
以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。
タの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、低キャリア
密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体のキャリア密度は、1
×1017個/cm3未満、1×1015個/cm3未満、または1×1013個/cm
3未満とする。酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物
濃度も低減することが好ましい。
、濃度が0.1atomic%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより
、例えば、半導体膜にDOS(Density of State)が形成されることや
、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半
導体膜が酸化物半導体膜である場合、半導体膜の特性を変化させる不純物としては、例え
ば、第1族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属など
があり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホ
ウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、不純物の混入によって酸素欠
損を形成する場合がある。
在すると、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、劣化などの要因となる。酸化
物半導体膜内部、およびその界面近傍のDOSは、酸素(O)、酸素欠損(Vo)および
水素(H)の位置や結合関係によって説明することができる。以下、我々のモデルの概要
を、特性を理解するために説明する。
膜内部、およびその界面近傍にDOSをより少なくすること(高純度真性化)が重要であ
る。そのDOSを低減するためには、酸素欠損および水素を低減することが必要となる。
以下に、酸化物半導体膜内部、およびその界面近傍のDOSについて、なぜ、酸素欠損お
よび水素を低減することが必要であるかを、モデルを用いて説明する。
。以下では、酸化物半導体膜がインジウム、ガリウムおよび亜鉛を有する酸化物半導体膜
である場合について説明する。
)と深い位置のDOS(deep level DOS)とがある。なお、本明細書にお
いて、浅い位置のDOSは、伝導帯下端のエネルギー(Ec)とミッドギャップ(mid
gap)との間にあるDOSのことをいう。従って、例えば、浅い位置のDOSは、伝
導帯下端のエネルギーの近くに位置する。また、本明細書において、深い位置のDOSは
、価電子帯上端のエネルギー(Ev)とミッドギャップとの間にあるDOSのことをいう
。従って、例えば、深い位置のDOSは、価電子帯上端のエネルギーよりもミッドギャッ
プの近くに位置する。
種類ある。1つ目の浅い位置のDOSは、酸化物半導体膜の表面近傍(絶縁膜(Insu
lator)との界面またはその近傍)のDOS(surface shallow D
OS)である。2つ目の浅い位置のDOSは、酸化物半導体膜内部のDOS(bulk
shallow DOS)である。一方、深い位置のDOSとしては、酸化物半導体膜内
部のDOS(bulk deep DOS)がある。
近傍のsurface shallow DOSは、伝導帯下端から浅い位置にあるため
、電荷の捕獲および消失が容易に起こりうる。次に、酸化物半導体膜内部のbulk s
hallow DOSは、酸化物半導体膜の表面近傍のsurface shallow
DOSと比べると伝導帯下端から深い位置にあるため、電荷の消失が起こりにくい。
物半導体膜に含まれるインジウムが入り込み、シリコンと置換することで、浅い位置のD
OSを作る場合がある。
れるインジウムと酸素との結合が切れ、当該酸素とシリコンとの結合が生じる。これは、
シリコンと酸素との結合エネルギーがインジウムと酸素との結合エネルギーよりも高いこ
と、およびシリコン(4価)がインジウム(3価)よりも価数が多いことに起因する。そ
して、酸化物半導体膜に含まれる酸素がシリコンに奪われることによって、インジウムと
結合していた酸素のサイトは酸素欠損となる。また、この現象は、表面だけでなく、酸化
物半導体膜内部にシリコンが入っていった場合も、同様に生じる。これらの酸素欠損は、
深い位置のDOSを形成する。
場合がある。例えば、インジウム、ガリウムおよび亜鉛を有する酸化物半導体膜において
、インジウムと酸素との結合は、ガリウムや亜鉛と酸素との結合よりも弱くて切れやすい
。そのため、例えば、プラズマによるダメージやスパッタ粒子によるダメージなどによっ
ても、インジウムと酸素との結合が切れ、酸素欠損が生じうる。この酸素欠損は、深い位
置のDOSを形成する。この深い位置のDOSは、正孔を捕獲することができるため、正
孔トラップ(正孔捕獲中心)となる。つまり、この酸素欠損が、酸化物半導体膜内部のb
ulk deep DOSを形成する。
表面近傍のsurface shallow DOSや、酸化物半導体膜内部のbulk
shallow DOSを形成するための要因の一つとなる。
た、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、水素を捕獲することで準安定状態となる。つまり、
深い位置のDOSを形成し、正孔を捕獲することができる正孔トラップであった酸素欠損
が、水素を捕獲すると、浅い位置のDOSを形成する。その結果、浅い位置のDOSは、
電子を捕獲することができる電子トラップとなったり、電子の発生源となったりすること
ができるようになる。このように、酸素欠損は水素を捕獲する。しかし、酸化物半導体膜
中の水素の位置次第では、プラス(中性またはプラス)にもマイナス(中性またはマイナ
ス)にも帯電しうる。そのため、酸化物半導体膜を有するトランジスタに対して、水素は
悪影響を及ぼす可能性がある。
好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atom
s/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3未満とする。また、
酸化物半導体中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化
物半導体の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ま
しくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/
cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。
と好ましい。絶縁膜172の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/c
m3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×101
9atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とす
る。また、酸化物半導体の窒素濃度を低減するために、絶縁膜172の窒素濃度を低減す
ると好ましい。絶縁膜172の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms
/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1
018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下
とする。
減すると好ましい。ゲート絶縁膜212の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020a
toms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましく
は1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/c
m3未満とする。また、酸化物半導体の窒素濃度を低減するために、ゲート絶縁膜212
の窒素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜212の窒素濃度は、SIMSにおいて
、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以
下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×101
7atoms/cm3以下とする。
ある。そのため、酸化物半導体と絶縁膜172との間におけるシリコン濃度を、二次イオ
ン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrome
try)において、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018at
oms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満とする。ま
た、酸化物半導体と絶縁膜172との間におけるシリコン濃度を、SIMSにおいて、1
×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、
さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満とする。
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
分けられる。非単結晶酸化物半導体膜としては、CAAC−OS(C Axis Ali
gned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多
結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などがある。
酸化物半導体膜とに分けられる。結晶性酸化物半導体膜としては、単結晶酸化物半導体膜
、CAAC−OS膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜などがある。
まずは、CAAC−OS膜について説明する。なお、CAAC−OS膜を、CANC(
C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体膜と
呼ぶこともできる。
物半導体膜の一つである。
oscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像と回折パターンとの複合解析像(
高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。
一方、高分解能TEM像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリー
ともいう。)を明確に確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒
界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を示
す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberrat
ion Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM
像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像の取得は、例え
ば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって
行うことができる。
。図12(B)より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認でき
る。金属原子の各層の配列は、CAAC−OS膜を形成する面(被形成面ともいう。)ま
たは上面の凹凸を反映しており、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行となる。
C)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図12(B)および図12(
C)より、ペレット一つの大きさは1nm以上3nm以下程度であり、ペレットとペレッ
トとの傾きにより生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。したがって
、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。
レット5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構
造となる(図12(D)参照)。図12(C)で観察されたペレットとペレットとの間で
傾きが生じている箇所は、図12(D)に示す領域5161に相当する。
Cs補正高分解能TEM像を示す。図13(A)の領域(1)、領域(2)および領域(
3)を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図13(B)、図13(C)およ
び図13(D)に示す。図13(B)、図13(C)および図13(D)より、ペレット
は、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。し
かしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
AAC−OS膜について説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−
OS膜に対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図14(A)に示
すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、In
GaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc
軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認でき
る。
1°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36
°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれる
ことを示している。より好ましいCAAC−OS膜は、out−of−plane法によ
る構造解析では、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さな
い。
ane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、
InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OS膜の場合は、2θ
を56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら
分析(φスキャン)を行っても、図14(B)に示すように明瞭なピークは現れない。こ
れに対し、InGaZnO4の単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定し
てφスキャンした場合、図14(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属さ
れるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−O
S膜は、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。
aZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜に対し、試料面に平行にプローブ径が300
nmの電子線を入射させると、図15(A)に示すような回折パターン(制限視野透過電
子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンは、InGaZnO
4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によって
も、CAAC−OS膜に含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上
面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプ
ローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図15(B)に示す。
図15(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっ
ても、CAAC−OS膜に含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことが
わかる。なお、図15(B)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010
)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図15(B)における第2
リングは(110)面などに起因すると考えられる。
膜の欠陥としては、例えば、不純物に起因する欠陥や、酸素欠損などがある。したがって
、CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜ということもできる。また、C
AAC−OS膜は、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
となる場合がある。また、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合
や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素より
も酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体の原
子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アル
ゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
くすることができる。そのような酸化物半導体膜を、高純度真性または実質的に高純度真
性な酸化物半導体膜と呼ぶ。CAAC−OS膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低
い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体膜となりやすい。したが
って、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特
性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に
高純度真性な酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体膜のキャリア
トラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のよ
うに振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導
体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。一方、CAAC−O
S膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとな
る。
キャリアが、欠陥準位に捕獲されることが少ない。したがって、CAAC−OS膜を用い
たトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体
膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大
きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の
微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystal
line Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。nc−OS膜は、例え
ば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶
は、CAAC−OS膜におけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以
下ではnc−OS膜の結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異な
るペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない
。したがって、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付か
ない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、ペレットよりも大きい径のX線を用いる
XRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結
晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、ペレットよりも大きいプ
ローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう
。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OSに
対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビ
ーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電
子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある
。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
−OS膜を、RANC(Random Aligned nanocrystals)を
有する酸化物半導体膜、またはNANC(Non−Aligned nanocryst
als)を有する酸化物半導体膜と呼ぶこともできる。
のため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし
、nc−OS膜は、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc
−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
。
plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターン
のみが観測される。
有さない構造を完全な非晶質構造(completely amorphous str
ucture)と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第2近接原子間距離ま
で秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。した
がって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体膜を
非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する
酸化物半導体膜を非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有する
ことから、例えば、CAAC−OS膜およびnc−OS膜を、非晶質酸化物半導体膜また
は完全な非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。
なお、酸化物半導体膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜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膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体
(a−like OS:amorphous−like Oxide Semicond
uctor)膜と呼ぶ。
れる場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのでき
る領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
ke OS膜が、CAAC−OS膜およびnc−OS膜と比べて不安定な構造であること
を示すため、電子照射による構造の変化を示す。
膜(試料Bと表記する)およびCAAC−OS膜(試料Cと表記する)を準備する。いず
れの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。
料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層
を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。こ
れらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度
であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、格子縞
の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と
見なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。
る。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図16より、a−li
ke OS膜は、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具
体的には、図16中に(1)で示すように、TEMによる観察初期においては1.2nm
程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×108e−/
nm2においては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−
OS膜およびCAAC−OS膜は、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10
8e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的
には、図16中の(2)および(3)で示すように、電子の累積照射量によらず、nc−
OS膜およびCAAC−OS膜の結晶部の大きさは、それぞれ1.4nm程度および2.
1nm程度であることがわかる。
がある。一方、nc−OS膜およびCAAC−OS膜は、電子照射による結晶部の成長が
ほとんど見られないことがわかる。即ち、a−like OS膜は、nc−OS膜および
CAAC−OS膜と比べて、不安定な構造であることがわかる。
膜と比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OS膜の密度は、同じ組
成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度およ
びCAAC−OS膜の密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満と
なる。単結晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である
。
、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。
よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜に
おいて、a−like OS膜の密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満とな
る。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体に
おいて、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は5.9g/cm3以上6.
3g/cm3未満となる。
る単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積も
ることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わ
せる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少な
い種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
。なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、a−like OS膜、微
結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい
。
以下では、CAAC−OS膜およびnc−OS膜の成膜モデルの一例について説明する
。
成膜室内の模式図である。
介してターゲット5130と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複
数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高め
るスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
ターゲット−基板間距離(T−S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ま
しくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、
酸素、アルゴン、または酸素を5体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.0
1Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。ここ
で、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが
確認される。なお、ターゲット5130の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が
形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101
が生じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O+)やアルゴンの陽イオン(
Ar+)などである。
結晶粒には劈開面が含まれる。図18(A)に、一例として、ターゲット5130に含ま
れるInGaZnO4の結晶の構造を示す。なお、図18(A)は、b軸に平行な方向か
らInGaZnO4の結晶を観察した場合の構造である。図18(A)より、近接する二
つのGa−Zn−O層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置され
ていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つの
Ga−Zn−O層の間には斥力が生じる。その結果、InGaZnO4の結晶は、近接す
る二つのGa−Zn−O層の間に劈開面を有する。
加速され、やがてターゲット5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペ
レット状のスパッタ粒子であるペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、
叩き出される。なお、ペレット5100aおよびペレット5100bは、イオン5101
の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面
を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよ
びペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット
5100と呼ぶ。ペレット5100の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例
えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形(例えば、正三
角形)が2個合わさった四角形(例えば、ひし形)となる場合もある。
、ペレット5100の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みの
ないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレ
ット5100は、厚さを0.4nm以上1nm以下、好ましくは0.6nm以上0.8n
m以下とする。また、例えば、ペレット5100は、幅を1nm以上3nm以下、好まし
くは1.2nm以上2.5nm以下とする。ペレット5100は、上述の図16中の(1
)で説明した初期核に相当する。例えば、In−Ga−Zn酸化物を有するターゲット5
130にイオン5101を衝突させると、図18(B)に示すように、Ga−Zn−O層
、In−O層およびGa−Zn−O層の3層を有するペレット5100が剥離する。図1
8(C)に、剥離したペレット5100をc軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペ
レット5100は、二つのGa−Zn−O層(パン)と、In−O層(具)と、を有する
ナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
る。ペレット5100は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある
。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペ
レット状の形状を維持することが可能となる。なお、CAAC−OS膜が、In−Ga−
Zn酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある
。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電
する可能性がある。また、ペレット5100は、プラズマを通過する際に、プラズマ中の
インジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する
場合がある。上述の図16中の(2)と(1)の大きさの違いがプラズマ中での成長分に
相当する。ここで、基板5120が室温程度である場合、基板5120上におけるペレッ
ト5100の成長が起こりにくいためnc−OS膜となる(図17(B)参照。)。室温
程度で成膜できることから、基板5120が大面積である場合でもnc−OS膜の成膜が
可能である。なお、ペレット5100をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリン
グ法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレッ
ト5100の構造を安定にすることができる。
マ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板5120上まで舞い上がっていく。ペレット5
100は電荷を帯びているため、ほかのペレット5100が既に堆積している領域が近づ
くと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面では、基板5120の上面に平行な向
きの磁場(水平磁場ともいう。)が生じている。また、基板5120およびターゲット5
130間には、電位差が与えられるため、基板5120からターゲット5130に向かう
方向に電流が流れる。したがって、ペレット5100は、基板5120の上面において、
磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。このことは、フレミング
の左手の法則によって理解できる。
面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが
磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット5100に、基板
5120の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板5120の上面において、
基板5120の上面に平行な向きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好
ましくは30G以上、より好ましくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基
板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の
上面に垂直な向きの磁場の1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以
上、より好ましくは5倍以上となる領域を設けるとよい。
によって、基板5120の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基
板5120の上面において、ペレット5100は、様々な方向から力を受け、様々な方向
へ移動することができる。
0と基板5120との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペ
レット5100は、基板5120の上面を滑空するように移動する。ペレット5100の
移動は、平板面を基板5120に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかの
ペレット5100の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット51
00の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、CAAC−OS膜中
の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いCAAC−OS膜となる。なお
、基板5120の上面の温度は、例えば、100℃以上500℃未満、150℃以上45
0℃未満、または170℃以上400℃未満とすればよい。したがって、基板5120が
大面積である場合でもCAAC−OS膜の成膜は可能である。
、イオン5101の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット5
100は、ほとんど単結晶となる。ペレット5100がほとんど単結晶となることにより
、ペレット5100同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット5100自体の伸
縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット5100間の隙間が広がることで結晶
粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
く、ペレット5100(ナノ結晶)の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったよう
な配列をしている。また、ペレット5100同士の間には結晶粒界を有さない。そのため
、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、CAAC−OS膜に縮みなどの変形が
生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがっ
て、可とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、nc−OS膜
は、ペレット5100(ナノ結晶)が無秩序に積み重なったような配列となる。
く、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット5100よりも軽量である
ため、先に基板5120の上面に到達する。そして、0.1nm以上10nm以下、0.
2nm以上5nm以下、または0.5nm以上2nm以下の酸化亜鉛層5102を形成す
る。図19に断面模式図を示す。
ト5105bと、が堆積する。ここで、ペレット5105aとペレット5105bとは、
互いに側面が接するように配置している。また、ペレット5105cは、ペレット510
5b上に堆積した後、ペレット5105b上を滑るように移動する。また、ペレット51
05aの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子510
3が、基板5120からの加熱により結晶化し、領域5105a1を形成する。なお、複
数の粒子5103は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
化し、ペレット5105a2となる。また、ペレット5105cは、その側面がペレット
5105bの別の側面と接するように配置する。
上およびペレット5105b上に堆積した後、ペレット5105a2上およびペレット5
105b上を滑るように移動する。また、ペレット5105cの別の側面に向けて、さら
にペレット5105eが酸化亜鉛層5102上を滑るように移動する。
05a2の側面と接するように配置する。また、ペレット5105eは、その側面がペレ
ット5105cの別の側面と接するように配置する。また、ペレット5105dの別の側
面において、酸化亜鉛とともにターゲット5130から剥離した複数の粒子5103が基
板5120からの加熱により結晶化し、領域5105d1を形成する。
成長が起こることで、基板5120上にCAAC−OS膜が形成される。したがって、C
AAC−OS膜は、nc−OS膜よりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図16
中の(3)と(2)の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。
れる場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大
きさが、上面から見て10nm以上200nm以下、15nm以上100nm以下、また
は20nm以上50nm以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる
酸化物半導体膜において、チャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある
。即ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、
ペレットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領
域、ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。
されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
られる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、CAAC−OS膜の成膜が可能
であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、C
AAC−OS膜は、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一
な成膜が可能である。例えば、基板5120の上面(被形成面)の構造が非晶質構造(例
えば非晶質酸化シリコン)であっても、CAAC−OS膜を成膜することは可能である。
、その形状に沿ってペレット5100が配列することがわかる。例えば、基板5120の
上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット5100はa−b面と平行な平面である平板面
を下に向けて並置する。ペレット5100の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、
かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がn段(nは自然数。)積み重
なることで、CAAC−OS膜を得ることができる。
100が凹凸に沿って並置した層がn段(nは自然数。)積み重なった構造となる。基板
5120が凹凸を有するため、CAAC−OS膜は、ペレット5100間に隙間が生じや
すい場合がある。ただし、この場合でも、ペレット5100間で分子間力が働き、凹凸が
あってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があ
っても高い結晶性を有するCAAC−OS膜とすることができる。
ないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である
場合、基板5120上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場
合がある。
性を有するCAAC−OS膜を得ることができる。
酸化物半導体膜206a(下層)および酸化物半導体膜206c(上層)は、酸化物半導
体膜206bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物
半導体である。酸化物半導体膜206bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種
以上から酸化物半導体膜206aおよび酸化物半導体膜206cが構成されるため、酸化
物半導体膜206aと酸化物半導体膜206bとの界面、および酸化物半導体膜206b
と酸化物半導体膜206cとの界面において、界面準位が形成されにくい。
のInおよびMの原子数比率は好ましくはInが50atomic%未満、Mが50at
omic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomi
c%以上とする。また、酸化物半導体膜206bがIn−M−Zn酸化物のとき、Znお
よびOを除いてのInおよびMの原子数比率は好ましくはInが25atomic%以上
、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが
66atomic%未満とする。また、酸化物半導体膜206cがIn−M−Zn酸化物
のとき、ZnおよびOを除いてのInおよびMの原子数比率は好ましくはInが50at
omic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomi
c%未満、Mが75atomic%以上とする。なお、酸化物半導体膜206cは、酸化
物半導体膜206aと同種の酸化物を用いても構わない。
膜206aと酸化物半導体膜206bとの混合領域を有する場合がある。また、酸化物半
導体膜206bと酸化物半導体膜206cとの間には、酸化物半導体膜206bと酸化物
半導体膜206cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くな
る。そのため、酸化物半導体膜206a、酸化物半導体膜206bおよび酸化物半導体膜
206cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連
続接合ともいう。)バンド構造となる。
72、酸化物半導体膜206a、酸化物半導体膜206b、酸化物半導体膜206cおよ
びゲート絶縁膜212の伝導帯下端のエネルギー(Ec)を示す。
6b、酸化物半導体膜206cにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。
これは、酸化物半導体膜206a、酸化物半導体膜206b、酸化物半導体膜206cを
構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。し
たがって、酸化物半導体膜206a、酸化物半導体膜206b、酸化物半導体膜206c
は組成が異なる層の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するU字型の井戸
構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にトラップ中心や再結合中心
のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に
、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失わ
れ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。
様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、酸化物半導体
膜206aよりも酸化物半導体膜206cのEcが高いエネルギーを有する場合、バンド
構造の一部は、図9(B)のように示される。
ンジスタ200において、チャネルが酸化物半導体膜206bに形成されることがわかる
。なお、酸化物半導体膜206a、酸化物半導体膜206b、酸化物半導体膜206cは
伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、U字型井戸(U Shape W
ell)とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込み
チャネルということもできる。
の絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化
物半導体膜206aおよび酸化物半導体膜206cがあることにより、酸化物半導体膜2
06bと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、酸化物半導体膜206a
または酸化物半導体膜206cのEcと、酸化物半導体膜206bのEcとのエネルギー
差が小さい場合、酸化物半導体膜206bの電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位
に達することがある。マイナスの電荷となる電子がトラップ準位に捕獲されることで、絶
縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフ
トしてしまう。
6aおよび酸化物半導体膜206cのEcと、酸化物半導体膜206bとの間にエネルギ
ー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、0.1eV以上が好ま
しく、0.15eV以上がより好ましい。
は、結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジ
スタに安定した電気特性を付与することができる。
、酸化物半導体膜206bとゲート絶縁膜212の間にIn−Ga酸化物(たとえば、原
子数比でIn:Ga=7:93)を設けてもよい。
りも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体膜206bとして、酸化
物半導体膜206aおよび酸化物半導体膜206cよりも電子親和力の0.07eV以上
1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15
eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯
下端のエネルギーとの差である。
cとしてIn−Ga−Zn酸化物を用いる場合、In、Ga、Znの原子数比としては、
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=2:2:1、In:Ga:
Zn=3:1:2、In:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=1:3:4、I
n:Ga:Zn=1:4:3、In:Ga:Zn=1:5:4、In:Ga:Zn=1:
6:6、In:Ga:Zn=2:1:3、In:Ga:Zn=1:6:4、In:Ga:
Zn=1:9:6、In:Ga:Zn=1:1:4、In:Ga:Zn=1:1:2のい
ずれかの材料を用い、酸化物半導体膜206aおよび酸化物半導体膜206cの電子親和
力が酸化物半導体膜206bよりも小さくなるようにすればよい。
導体膜206b、酸化物半導体膜206cのうち、電子親和力の大きい酸化物半導体膜2
06bにチャネルが形成される。
ど好ましい。例えば、酸化物半導体膜206cは、10nm未満、好ましくは5nm以下
、さらに好ましくは3nm以下とする。一方、酸化物半導体膜206cは、チャネルの形
成される酸化物半導体膜206bへ、隣接する絶縁膜を構成する酸素以外の元素(シリコ
ンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、酸化物半導体膜20
6cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、酸化物半導体膜206cの厚
さは、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上とする。
6cは薄いことが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜206aの厚さは、20nm以
上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm
以上とする。酸化物半導体膜206aの厚さを、20nm以上、好ましくは30nm以上
、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上とすることで、隣接する
絶縁膜と酸化物半導体膜206aとの界面からチャネルの形成される酸化物半導体膜20
6bまでを20nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、よ
り好ましくは60nm以上離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場
合があるため、酸化物半導体膜206aの厚さは、200nm以下、好ましくは120n
m以下、さらに好ましくは80nm以下とする。
度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×101
8atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満とす
る。また、酸化物半導体膜206bと酸化物半導体膜206cとの間におけるシリコン濃
度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×101
8atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満とす
る。
および酸化物半導体膜206cの水素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体膜206
aおよび酸化物半導体膜206cの水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atom
s/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×
1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以
下とする。また、酸化物半導体膜206bの窒素濃度を低減するために、酸化物半導体膜
206aおよび酸化物半導体膜206cの窒素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体
膜206aおよび酸化物半導体膜206cの窒素濃度は、SIMSにおいて、5×101
9atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ま
しくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms
/cm3以下とする。
206cのない2層構造としても構わない。
に、酸化物半導体膜215を配置しても構わない。即ち、酸化物半導体膜215は、酸化
物半導体膜206のチャネル幅方向における上面および側面に接する領域を有する。酸化
物半導体膜215が酸化物半導体膜206の側面と接する領域を有することによって、酸
化物半導体膜206の側面を保護することができる。この場合、酸化物半導体膜215を
有さない場合と比べて、酸化物半導体膜206の側面における界面準位密度を低くするこ
とができる。したがって、酸化物半導体膜215を有することで、トランジスタの電気特
性の変動が抑制され、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。酸化物半導体膜
215については、酸化物半導体膜206cについての説明を参照する。
ム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、
銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いれ
ばよい。
MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて形成すればよい。
導電膜を形成した後で、該導電膜の一部をエッチングすることで形成される。したがって
、該導電膜の形成時に、酸化物半導体膜206へダメージを与えない形成方法を用いると
好ましい。即ち、該導電膜の形成には、MCVD法などを用いると好ましい。
膜を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、M
BE法、PLD法、ALD法などのような形成方法を用いて、積層膜の各層を異なる形成
方法で形成してもよい。例えば、1層目をMOCVD法で形成し、2層目をスパッタリン
グ法で形成してもよい。または、1層目をALD法で形成し、2層目をMOCVD法で形
成してもよい。または、1層目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成し
てもよい。または、1層目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成し、3
層目をALD法で形成してもよい。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いること
によって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を
積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
n層目の膜を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法な
ど)、MBE法、PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n+
1層目の膜を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法な
ど)、MBE法、PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n層
目の膜と、n+1層目の膜とで、形成方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、
n層目の膜とn+2層目の膜とで、形成方法が同じでもよい。または、すべての膜におい
て、形成方法が同じでもよい。
の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、酸化物半導体膜206、または酸化物半導体膜2
06の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ形成方法を用いてもよい。例えば、ど
ちらも、ALD法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに形成することができ
る。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例えば、酸化物半導体膜20
6と接する導電膜216a(導電膜216b)と、導電膜216a(導電膜216b)と
接する酸化物半導体膜206とは、同じ形成方法を用いてもよい。これにより、同じチャ
ンバーで形成することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。このよう
に、酸化物半導体膜206と導電膜216a(導電膜216b)の場合だけでなく、近接
して配置されている別々の膜において、同じ形成方法を用いてもよい。ただし、本発明の
一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定されない。
の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、酸化物半導体膜206、または酸化物半導体膜2
06の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶縁膜172、または絶縁膜172の積層膜
の内の少なくとも一つの膜とは、同じ形成方法を用いてもよい。例えば、どれも、ALD
法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに形成することができる。その結果、
不純物の混入を防ぐことができる。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法
は、これらに限定されない。
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、酸化ガリウム、酸化ゲル
マニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハ
フニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのような形成方法を用いて、異なる形成方法で形成してもよい。例えば、
1層目をMOCVD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、
1層目をALD法で形成し、2層目をMOCVD法で形成してもよい。または、1層目を
ALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、1層目をAL
D法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成し、3層目をALD法で形成してもよい
。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能
や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全
体として、より適切な膜を構成することができる。
VD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、
PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n+1層目の膜を、C
VD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、
PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n層目の膜と、n+1
層目の膜とで、形成方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+
2層目の膜とで、形成方法が同じでもよい。または、すべての膜において、形成方法が同
じでもよい。
の膜と、導電膜216a(導電膜216b)、または導電膜216a(導電膜216b)
の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ形成方法を用いてもよい。例えば、どちら
も、ALD法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに形成することができる。
その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例えば、ゲート絶縁膜212と接
する導電膜216a(導電膜216b)と、導電膜216a(導電膜216b)と接する
ゲート絶縁膜212とは、同じ形成方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで
形成することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
の膜と、導電膜216a(導電膜216b)、または導電膜216a(導電膜216b)
の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、酸化物半導体膜206、または酸化物半導体膜2
06の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶縁膜172、または絶縁膜172の積層膜
の内の少なくとも一つの膜とは、同じ形成方法を用いてもよい。例えば、どれも、ALD
法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに形成することができる。その結果、
不純物の混入を防ぐことができる。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法
は、これらに限定されない。
ば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、お
よび酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
って、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を10nm
以下または5nm以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク電流を小さくすること
ができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶
構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電
率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有
する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系、正方晶
系、立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため
、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位
によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低
減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の層を配置す
ることによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この層は、緩衝機能を有す
る。緩衝機能を有する層は、ゲート絶縁膜212に含まれる層であってもよいし、酸化物
半導体膜206に含まれる層であってもよい。即ち、緩衝機能を有する層としては、酸化
シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。なお、緩衝機能
を有する層には、例えば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい
半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する層には、例えば、チャネル領域
となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能
を有する層には、例えば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい
半導体または絶縁体を用いる。
プセンター)に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる
場合がある。該電荷を安定して存在させるためには、例えば、チャネル領域と酸化ハフニ
ウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよ
い。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すれば
よい。または、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を
配置すればよい。このような絶縁体を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放
出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することができる。
ート絶縁膜212内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体膜206から
ゲート電極として機能する導電膜204に向かって電子を移動させればよい。具体的な例
としては、高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上30
0℃以下)の下で、導電膜204の電位をソース電極やドレイン電極として機能する導電
膜216aおよび導電膜216bの電位より高い状態にて1秒以上、代表的には1分以上
維持すればよい。
スタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。導電膜204の電圧や、電圧を印加する
時間を調整することによって、電子を捕獲させる量(しきい値電圧の変動量)を制御する
ことができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、ゲート絶縁膜212内でなくて
も構わない。同様の構造を有する積層膜を、絶縁膜172として用いても構わない。
、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタン
グステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。
、ALD法などを用いて形成すればよい。導電膜204は、導電膜204となる導電膜の
形成時に、ゲート絶縁膜212へダメージを与えない形成方法を用いると好ましい。即ち
、該導電膜の形成には、MCVD法などを用いると好ましい。
マCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法、AL
D法などのような形成方法を用いて、積層膜の各層を異なる形成方法で形成してもよい。
例えば、1層目をMOCVD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。
または、1層目をALD法で形成し、2層目をMOCVD法で形成してもよい。または、
1層目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、1層
目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成し、3層目をALD法で形成し
てもよい。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いることによって、各層の膜に異
なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、
積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD
法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n+1層目の膜を、CVD法
(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD
法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n層目の膜と、n+1層目の
膜とで、形成方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+2層目
の膜とで、形成方法が同じでもよい。または、すべての膜において、形成方法が同じでも
よい。
ト絶縁膜212、またはゲート絶縁膜212の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同
じ形成方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ALD法を用いてもよい。これにより、
大気に触れさせずに形成することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる
。または、例えば、ゲート絶縁膜212と接する導電膜204と、導電膜204と接する
ゲート絶縁膜212とは、同じ形成方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで
形成することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
ト絶縁膜212、またはゲート絶縁膜212の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、導電
膜216a(導電膜216b)、または導電膜216a(導電膜216b)の積層膜の内
の少なくとも一つの膜と、酸化物半導体膜206、または酸化物半導体膜206の積層膜
の内の少なくとも一つの膜と、絶縁膜172、または絶縁膜172の積層膜の内の少なく
とも一つの膜とは、同じ形成方法を用いてもよい。例えば、どれも、ALD法を用いても
よい。これにより、大気に触れさせずに形成することができる。その結果、不純物の混入
を防ぐことができる。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに
限定されない。
。
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウ
ム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウ
ムまたは酸化タンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。または、ポ
リイミド、アクリル、シリコーンなどの樹脂を用いてもよい。
マCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法、AL
D法などのような形成方法を用いて、積層膜の各層を異なる形成方法で形成してもよい。
例えば、1層目をMOCVD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。
または、1層目をALD法で形成し、2層目をMOCVD法で形成してもよい。または、
1層目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、1層
目をALD法で形成し、2層目をスパッタリング法で形成し、3層目をALD法で形成し
てもよい。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いることによって、各層の膜に異
なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、
積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD
法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n+1層目の膜を、CVD法
(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD
法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で形成し、n層目の膜と、n+1層目の
膜とで、形成方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+2層目
の膜とで、形成方法が同じでもよい。または、すべての膜において、形成方法が同じでも
よい。
図2(B)は、図1(B)に示した半導体装置を変形した例である。
構造が異なる。
の間の配線として機能する導電膜を形成する工程で酸化物半導体膜206を導電膜204
と絶縁膜を介して挟むように設けられた導電膜220を有する。導電膜220は、トラン
ジスタ200の第2のゲート電極として機能する。導電膜220を設けることで、さらな
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。オン電流を増加させるに
は、たとえば、導電膜204と導電膜220を同電位とし、デュアルゲートトランジスタ
として駆動させればよい。なお、導電膜204と導電膜220を電気的に接続して同電位
としてもよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導電膜204と導電膜220に異
なる定電位を供給すればよい。
また、トランジスタ200は、トップゲートトップコンタクト構造のトランジスタに限
られず、図3(A)に示すようにトップゲートボトムコンタクト構造のトランジスタでも
よいし、図3(B)に示すようにボトムゲートトップコンタクト構造のトランジスタでも
よい。
また、図4(A)に示すように、トランジスタ100とトランジスタ200の間の絶縁
膜や導電膜を減らしてもよい。図4(A)に示す半導体装置は、図1(B)に示す半導体
装置の導電膜173、導電膜173と同一工程で形成される導電膜、当該導電膜上の絶縁
膜がない構成になっている。
また、図5に示すような半導体装置の構成にしてもよい。なお、一点鎖線の左側にはト
ランジスタ100、トランジスタ200におけるチャネル長方向(長手方向または長辺方
向ともいう。)の断面図を示し、一点鎖線の右側にはトランジスタ100、トランジスタ
200におけるチャネル幅方向(短手方向または短辺方向ともいう。)の断面図を示す。
200において、チャネル幅方向の断面図における酸化物半導体膜206の高さ(厚さ)
が、酸化物半導体膜206の横幅(チャネル長)の0.8倍以上、好ましくは1倍以上、
さらに好ましくは1.2倍以上、より好ましくは1.5倍以上とする。酸化物半導体膜2
06の高さを上記範囲とすることによって、トランジスタ200の導通時に、酸化物半導
体膜206の上面よりも側面を流れるドレイン電流の割合を増大させることができる。し
たがって、トランジスタ200は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジス
タである。即ち、求められるオン電流に対して、トランジスタ200の占有面積を小さく
することができる。なお、トランジスタ200において、チャネル幅方向の断面図におけ
る酸化物半導体膜206の横幅は、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm
以下、より好ましくは20nm以下とする。
ィン)型トランジスタとも呼ばれる。なお、半導体基板150の凸部の上には、絶縁膜を
有してもよい。該絶縁膜は、凸部を形成するときに、マスクとして機能するものである。
縁膜に形成された開口を埋めるプラグに変えてもよい。また、図示しないが導電膜164
と導電膜216aは、チャネル幅方向に延伸した導電膜を介して電気的に接続されている
。
0の作製方法について、図6を用いて説明する。なお、ここで、トランジスタ100は、
シリコン系半導体材料を用い、トランジスタ200は、酸化物半導体を用いているものと
して以下で説明する。
0を覆う絶縁膜170を形成し、第1の加熱処理を行う(図6(A)参照)。
ランジスタ100中のシリコンのダングリングボンドを終端することができる。よって、
トランジスタ100の電気特性を向上させることができる。
、導電膜174、該導電膜が埋め込まれる絶縁膜、絶縁膜176を形成し、第2の加熱処
理を行う(図6(B)参照)。
絶縁膜(たとえば絶縁膜176)や導電膜(たとえば導電膜173、導電膜174)に残
存してしまう。この残存した水素や水は、絶縁膜170の上層に設けられる酸化物半導体
膜を含んで構成されるトランジスタ200側に移動してしまうのを抑制するため、第2の
加熱処理を行って、脱水化または脱水素化させる。半導体装置を構成する導電膜などの耐
熱性や、トランジスタ100の電気特性が劣化しない程度であれば、第2の加熱処理の温
度は高いほど好ましい。具体的には、第2の加熱処理は、450℃以上650℃未満、好
ましくは490℃以上650℃未満、より好ましくは530℃以上650℃未満で10時
間以下とすればよいが、650℃以上で行ってもよい。なお、第2の加熱処理は、例えば
、第1の加熱処理と同じ温度か、それよりも低い温度で行えばよい。このようにすること
で、トランジスタ100の電気特性が、第2の加熱処理によって劣化することを抑制する
ことができる。また、第2の加熱処理は、第1の加熱処理よりも長時間行うと好ましい。
こうすることで、トランジスタ100の電気特性を劣化させずに、トランジスタ200の
電気特性を向上させることができる。または、例えば、第2の加熱処理は、第1の加熱処
理よりも高い温度で行えばよい。このようにすることで、脱水素化または脱水化を完全に
行うことができるため、トランジスタ200の電気特性をさらに向上させることができる
。また、第2の加熱処理を行うことで、第1の加熱処理を省略してもよい。
などで金属膜などが覆われた状態で行う。
縁膜や導電膜に含まれる水素がトランジスタ200側に拡散することを抑制することがで
きる。
)参照)。
的に接続する導電膜に達する開口を設け、トランジスタ100のゲート電極と電気的に接
続する導電膜と開口を介して接する導電膜216aと、トランジスタ100のソース領域
またはドレイン領域として機能する不純物領域166と電気的に接続する導電膜と開口を
介して接する導電膜216bを形成する(図7(B)参照)。
絶縁膜176に開口を形成した後、導電膜216aおよび導電膜216b形成前に行って
もよい。
212、導電膜204を形成する。また、同時に導電膜216a上に絶縁膜213、導電
膜205を形成する(図7(C)参照)。
されないような構成としてもよい。その場合、絶縁膜213は、ゲート絶縁膜212とつ
ながった状態となる。ここで、図11(A)の場合に素子が完成した場合の一例を、図1
1(B)に示す。
。
を形成する(図8(A)参照)。
する開口を設け、開口を介してトランジスタ200および容量素子250と電気的に接続
する配線CL、配線WLおよび配線BLを形成する(図8(B)参照)。
含む半導体装置を作製することができる。
の実施形態の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、
酸化物半導体膜206の代わりに、別の材料を有する半導体膜を用いてもよい。例えば、
チャネル領域、ソースドレイン領域、LDD領域などにおいて、酸化物半導体膜206の
代わりに、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、ヒ素、などの元素を1つまたは複数有す
る半導体膜を用いてもよい。
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、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)について図1を用いて説明する。
ジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより
長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要と
しない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可
能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
200がオン状態となる電位にして、トランジスタ200をオン状態とする。これにより
、配線BLの電位が、トランジスタ100のゲート電極、および容量素子250に与えら
れる。すなわち、トランジスタ100のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み
)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、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、配線WLの電位を、ト
ランジスタ200がオフ状態となる電位にして、トランジスタ200をオフ状態とするこ
とにより、トランジスタ100のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。
荷は長時間にわたって保持される。
で、配線CLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ100のゲートに
保持された電荷量に応じて、配線SLは異なる電位をとる。一般に、トランジスタ100
をnチャネル型とすると、トランジスタ100のゲート電極にHighレベル電荷が与え
られている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ100のゲート電極にL
owレベル電荷が与えられている場合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、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ100を「オン状態」とするた
めに必要な配線CLの電位をいうものとする。したがって、配線CLの電位をVth_H
とVth_Lの間の電位V0とすることにより、トランジスタ100のゲートに与えられ
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、配線CLの電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ100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、配線CLの電位がV0(
<Vth_L)となっても、トランジスタ100は「オフ状態」のままである。このため
、配線SLの電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にか
かわらずトランジスタ100が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより
小さい電位を配線CLに与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ
100が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を配線CL
に与えればよい。
と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可
能である。
遊状態である配線BLと容量素子250とが導通し、配線BLと容量素子250の間で電
荷が再分配される。その結果、配線BLの電位が変化する。配線BLの電位の変化量は、
容量素子250の一方の電極の電位(あるいは容量素子250に蓄積された電荷)によっ
て、異なる値をとる。
Lが有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線BLの電位をVB0とすると、
電荷が再分配された後の配線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)と
なる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子250の一方の電極の電位がV1
とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の配線BL
の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場
合の配線BLの電位(=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなること
がわかる。
。
用されたトランジスタを用い、トランジスタ200として酸化物半導体が適用されたトラ
ンジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持す
ることが可能である。つまり、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るため、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(ただし、電位は固定されていることが望ましい)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。
素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲー
トへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため
、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導
体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、
信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報
の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
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、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むR
Fタグについて、図21を参照して説明する。
憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このよ
うな特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う
個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには
極めて高い信頼性が要求される。
ブロック図である。
もいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ
804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路
807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している
。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑
制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これ
により、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和すること
を防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることが
できる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信
を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信す
る電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方
式に用いることも可能である。
ンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路
805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整
流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平
滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側ま
たは出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅
が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しない
ように制御するための回路である。
の回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していても
よい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路8
09のリセット信号を生成するための回路である。
するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに
応じて変調を行うための回路である。
、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域など
を有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を
行うための回路である。
。本発明の一態様の記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため
、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶装置は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、デー
タの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに
、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制するこ
とができる。
ため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデ
ータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷すること
で、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にの
み固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になること
がなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
本実施の形態では、少なくとも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
、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
くとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。なお、ノーマリーオフ
特性を有するトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUをノーマリーオフCPUとも
呼ぶ場合がある。
tic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラ
クションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントロー
ラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース
1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフ
ェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI
基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189
は、別チップに設けてもよい。もちろん、図22に示すCPUは、その構成を簡略化して
示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例
えば、図22に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数
含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演
算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、6
4ビットなどとすることができる。
ンデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、イン
タラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントロー
ラ1195に入力される。
ーラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行う。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行う。
92、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およ
びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えば
タイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信
号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上
記各種回路に供給する。
タ1196のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることがで
きる。
の指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1
196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容
量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持
が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われ
る。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換
えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができ
る。
。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記
憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理
素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回
路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と
、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダ
クタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ12
09のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力
され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して
接地される構成とする。
いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)
のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の
端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第
2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203
はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2
の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状
態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとド
レインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソース
とドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力さ
れる制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、
トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。
うちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続
部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電
位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッ
チ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に
接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレイン
の他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの
一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214の
ソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続
される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他
方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一
方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と
、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一
対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低
電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができ
る。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる
配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの
他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND
等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子12
08の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGN
D線)と電気的に接続される。
を積極的に利用することによって省略することも可能である。
れる。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号R
Dによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方の
スイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と
第2の端子の間は非導通状態となる。
タに対応する信号が入力される。図23では、回路1201から出力された信号が、トラ
ンジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203
の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は
、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介
して回路1201に入力される。
ドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して
回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端
子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を
反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に
、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場
合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方
)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
スタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板11
90にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層また
はシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素
子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるト
ランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以
外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残り
のトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形
成されるトランジスタとすることもできる。
。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用い
ることができる。
は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子120
8によって保持することができる。
。例えば、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オフ電流は、結晶性を
有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そ
のため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子
1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわ
たり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(
データ)を保持することが可能である。
動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201
が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
タ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再
開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態
(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。そ
れ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信
号を正確に読み出すことが可能である。
の記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐ
ことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復
帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、ま
たは複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力
を抑えることができる。
1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタム
LSI、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(
Field Programmable Gate Array)等のLSI、RF(R
adio Frequency)デバイスにも応用可能である。
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置の構成例について説明する。
図24(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図24(B)は、本発明
の一態様の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24(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に
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。
た、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャ
ネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同
一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジス
タを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路7
03、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回
路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、および第
2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領
域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置
の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続
部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている
。
線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に
設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板
700外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。
また、画素の回路構成の一例を図24(B)に示す。ここでは、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。
の画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆
動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画
素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。
は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線とし
て機能するソース電極層またはドレイン電極層714は、トランジスタ716とトランジ
スタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は上記実
施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い
液晶表示装置を提供することができる。
気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画
素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広が
る形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。
のゲート電極はゲート配線713と接続されている。ゲート配線712とゲート配線71
3に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミン
グを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
たは第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
る。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れ、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れる。
示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回
路などを追加してもよい。
画素の回路構成の他の一例を図24(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。
、他方から正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、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。
トランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜
は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該
画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
ついて説明する。
素子724および容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、
ゲート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層およびドレイン電極層
の一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層およびドレイン電極層の他
方)が駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ
722は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が
電源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続され
ている。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同
一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL
表示装置を提供することができる。
低電源電位とは、電源線727に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばGN
D、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしき
い値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子72
4に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子7
24の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向し
きい値電圧を含む。
省略できる。駆動用トランジスタ722のゲート容量については、チャネル形成領域とゲ
ート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態と
なるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジ
スタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用
トランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆
動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。
24の順方向電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧を
かける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力
し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作さ
せるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くす
る。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流
し、アナログ階調駆動を行うことができる。
4(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは
論理回路などを追加してもよい。
位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電
気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御
し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位
など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または
様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置の一例
としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子
、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色
LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液
晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマ
ディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、
デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター
)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション
)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチ
ューブ、など、電気磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化
する表示媒体を有するものがある。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディ
スプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッ
ションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surf
ace−conduction Electron−emitter Display)
などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶
ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディス
プレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた
表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。
み合わせて実施することができる。
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25を用いて説明を行う。
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、バックライトユニット8007、フレーム8009、プリント基
板8010、バッテリー8011を有する。なお、バックライトユニット8007、バッ
テリー8011、タッチパネル8004などは、設けられない場合もある。
ネル8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基
板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、表示パネル
8006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
または、表示パネル8006の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタ
ッチパネルとすることも可能である。
トユニット8007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレ
ーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっ
ても良いし、別途設けたバッテリー8011による電源であってもよい。バッテリー80
11は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
追加して設けてもよい。
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 Dis
c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26に
示す。
部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス90
8等を有する。なお、図26(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表
示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。
913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部91
3は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられて
いる。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されてお
り、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能であ
る。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体
912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913お
よび第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示
装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチ
パネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フ
ォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加するこ
とができる。
キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
33等を有する。
、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレン
ズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられ
ている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されて
おり、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能で
ある。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体9
42との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
ライト954等を有する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFデバイスの使用例について図27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27(A)参照)、包装用容器類
(包装紙やボトル等、図27(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図27
(B)参照)、乗り物類(自転車等、図27(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27(E)、図27(F)参照)等に設けて使用す
ることができる。
り、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージ
であれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るR
Fデバイス4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品
自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、
または証書類等に本発明の一態様に係るRFデバイス4000を設けることにより、認証
機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。ま
た、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器
等に本発明の一態様に係るRFデバイスを取り付けることにより、検品システム等のシス
テムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るR
Fデバイスを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることがで
きる。
用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信
距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて
長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いるこ
とができる。
水化効果を、TDS分析を用いて評価した結果を示す。
化の条件は950℃で4時間であり、熱酸化の雰囲気は、塩化水素(HCl)が酸素に対
して3体積%の割合で含まれるものとした。
酸化二窒素(N2O)、流量300sccmのアンモニア(NH3)および流量900s
ccmの水素(H2)を原料ガスとし、反応室の圧力を160Pa、基板温度を325℃
、27MHzの高周波電源を用いて250Wの高周波電力を平行平板電極に供給したCV
D法により、窒化酸化シリコン膜を280nm成膜した。
2)を原料ガスとし、反応室の圧力を267Pa(2Torr)、基板温度を400℃、
熱CVD法により、酸化窒化シリコン膜を300nm成膜した。
)および流量750sccmの酸素(O2)を原料ガスとし、基板温度を300℃、27
MHzの高周波電源を用いて300Wの高周波電力を平行平板電極に供給したCVD法に
より、酸化シリコン膜を500nm成膜した。
加熱処理を行った。条件2は、窒素雰囲気下において490℃で5時間加熱処理を行った
。条件3は、窒素雰囲気下において490℃で10時間加熱処理を行った。条件4は、窒
素雰囲気下において530℃で1時間加熱処理を行った。条件5は、窒素雰囲気下におい
て530℃で3時間加熱処理を行った。条件6は、窒素雰囲気下において530℃で5時
間加熱処理を行った。条件7は、窒素雰囲気下において530℃で10時間加熱処理を行
った。条件8は、窒素雰囲気下において540℃で1時間加熱処理を行った。条件9は、
窒素雰囲気下において450℃で5時間加熱処理を行った。条件10は、加熱処理を行わ
なかった。
の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用いて行った。測定条件は、SEM電
圧1000V、基板表面温度は室温から530℃、真空度1.9×10−7Pa以下、D
well Time0.2(sec/U)、設定した昇温レート:32(℃/min)と
した。なお、基板表面温度の昇温レート:約18(℃/min)であった。
量電荷比m/z=18)の脱離量をそれぞれ図28および図29に示す。
た。定量方法は、水素分子では50℃〜450℃の範囲を、水分子では200℃〜450
℃の範囲をそれぞれ定量した。
減少していることが確認できた。また、条件5、条件6、条件7において、450℃での
水素分子の脱離量が350℃での水素分子の脱離量の130%以下であることが確認でき
た。また、表1、図29に示すように温度が高いほど、また、加熱時間が長いほど水の脱
離量は減少していることが確認できた。
酸化物半導体を用いたトランジスタと、を有する半導体装置を作製し、それぞれのトラン
ジスタの電気特性を評価した。
以下に、試料の作製方法を説明する。
。
シリコン膜を島状に形成した。
0nmの酸化シリコン膜を形成した。なお、マイクロ波CVD法は、高密度プラズマCV
D法などとも呼ばれる。次に、窒素雰囲気下において、950℃で1時間の熱処理を行う
ことで、ゲート絶縁膜を形成した。
オンを注入した。リンイオンの注入は、イオン注入装置(質量分離機能を有する。)を用
い、加速電圧を18kVとして、6.5×1011ions/cm2の濃度で行った。
イオンを注入した。ホウ素イオンの注入は、イオン注入装置を用い、加速電圧を14kV
として、3.0×1012ions/cm2の濃度で行った。
nmのタングステン膜を、順に成膜した。次に、フォトリソグラフィ法によって窒化タン
タル膜およびタングステン膜の一部をエッチングし、ゲート電極を形成した。
をマスクに、ホウ素イオンを注入した。ホウ素イオンの注入は、イオン注入装置を用い、
加速電圧を9kVとして、1.0×1013ions/cm2の濃度で行った。
領域に対してリンイオンを注入した。リンイオンの注入は、イオン注入装置を用い、加速
電圧を9kVとして、1.0×1013ions/cm2の濃度で行った。
方性エッチングを行うことで、ゲート電極の側面に接する絶縁膜(側壁絶縁膜またはサイ
ドウォール絶縁膜ともいう。)を形成した。なお、ゲート絶縁膜の一部は、この酸化窒化
シリコン膜のエッチングと同時にエッチングされる。結果、単結晶シリコン膜の一部が露
出される。
結晶シリコン膜の領域に対してホウ素イオンを注入した。ホウ素イオンの注入は、イオン
ドーピング装置(質量分離機能を有さない。)を用い、加速電圧を10kVとして、1.
5×1016ions/cm2の濃度で行った。ホウ素イオンが注入された領域は、pチ
ャネル型トランジスタのソース領域またはドレイン領域として機能する。また、側壁絶縁
膜の直下の単結晶シリコン膜の領域は、上述した工程により形成されたチャネル形成領域
、およびソース領域またはドレイン領域の中間のキャリア密度を有するため、LDD(L
ightly Doped Drain)領域として機能する。
結晶シリコン膜の領域に対してリンイオンを注入した。リンイオンの注入は、イオンドー
ピング装置を用い、加速電圧を10kVとして、3.0×1015ions/cm2の濃
度で行った。リンイオンが注入された領域は、nチャネル型トランジスタのソース領域ま
たはドレイン領域として機能する。また、側壁絶縁膜の直下の単結晶シリコン膜の領域は
、上述した工程により形成されたチャネル形成領域、およびソース領域またはドレイン領
域の中間のキャリア密度を有するため、LDD領域として機能する。
。該窒化酸化シリコン膜は、水素を多量に含有することから、SiNOH膜とも呼ばれる
。
とで、SiNOH膜から水素が放出される。放出された水素は、単結晶シリコン膜に到達
すると、単結晶シリコン膜が有するダングリングボンドを終端する。このような熱処理を
水素化処理と呼ぶ。
および厚さが300nmの酸化シリコン膜の一部をエッチングすることで、ソース領域、
ドレイン領域、ゲート電極などに達する開口を形成した。
線層を形成した。
nmから500nm程度になるまで平坦化した。
の熱処理を行った。また、試料2は、450℃で5時間の熱処理を行った。該熱処理は、
上記水素化処理により外方拡散されずに、またはダングリングボンドの終端に利用されず
に、各層に残存した水素を外方拡散させるため、脱水素化処理と呼ばれる。先の実施例に
示したように、脱水素化処理は温度が高く、時間が長いほど効果的である。したがって、
試料1は、試料2と比べて、水素の残存量の少ない試料といえる。
ことで、第1の配線層などに達する開口を形成した。
ート電極としての機能を有する導電膜220、および第2の配線層としての機能を有する
導電膜174を形成した。
から50nm程度になるまで平坦化し、タングステン膜の上面を露出させた。
の熱処理を行った。また、試料2は、450℃で1時間の熱処理を行った。該熱処理によ
って、さらに脱水素化処理を行った。
該酸化アルミニウム膜は、酸素、水素などをブロックする機能を有する。したがって、酸
化アルミニウム膜を設けることによって、単結晶シリコンを用いたトランジスタや、その
周辺に設けられた絶縁膜、導電膜などから放出される水素が、この後作製する酸化物半導
体を用いたトランジスタに混入することを防ぐことができる。
コン膜を成膜した。なお、該酸化窒化シリコン膜は、後の熱処理などによって酸素を放出
する酸化窒化シリコン膜である。放出される酸素は、酸化物半導体の酸素欠損を低減する
ために利用され、トランジスタの電気特性や信頼性を向上させることができる。一方、放
出される酸素が単結晶シリコンに達すると、トランジスタの電気特性や信頼性を劣化させ
る場合がある。上述した酸化アルミニウム膜は、単結晶シリコンへの酸素の混入を防ぐ機
能を有する。そのため、過剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜を設けても、電気特性や信
頼性を高い単結晶シリコンを用いたトランジスタを作製することができる。
と、厚さが20nmの第2の酸化物半導体膜と、を順に成膜した。また、試料2は、スパ
ッタリング法を用いて、厚さが20nmの第1の酸化物半導体膜と、厚さが15nmの第
2の酸化物半導体膜と、を順に成膜した。第1の酸化物半導体膜の成膜には、In:Ga
:Zn=1:3:2[原子数比]であるターゲットを用いた。また、第2の酸化物半導体
膜の成膜には、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]であるターゲットを用いた。
なお、第1の酸化物半導体膜および第2の酸化物半導体膜を合わせて、酸化物半導体膜2
06と呼ぶ。
て、450℃で1時間の熱処理を行った。
化物半導体膜206を島状に形成した。
び酸化シリコン膜の一部をエッチングすることで、導電膜220、導電膜174などに達
する開口を形成した。
導体を用いたトランジスタのソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電膜
216aおよび導電膜216bを形成した。
第3の酸化物半導体膜の成膜には、In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比]であるタ
ーゲットを用いた。
mのタングステン膜を順に成膜した。
チングし、ゲート電極として機能する導電膜204を形成した。
の一部をエッチングした。酸化窒化シリコン膜は、チャネル形成領域である第2の酸化物
半導体膜と、ゲート電極として機能する導電膜204との間に配置されるため、ゲート絶
縁膜としての機能を有する。
該酸化アルミニウム膜は、酸素、水素などをブロックする機能を有する。したがって、酸
化アルミニウム膜を設けることによって、単結晶シリコンを用いたトランジスタや、その
周辺に設けられた絶縁膜、導電膜などから放出される水素や半導体装置の外部から混入す
る水素が、酸化物半導体を用いたトランジスタに混入することを防ぐことができる。また
、過剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜から放出した酸素が外方拡散することを防ぎ、該
酸素を酸化物半導体の酸素欠損を低減するために効率的に用いることができるようになる
。
、過剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜に含まれる酸素の一部が放出され、まずは第1の
酸化物半導体膜に供給される。供給された酸素は、第1の酸化物半導体膜中を玉突き的に
移動するために、見かけ上、第2の酸化物半導体膜にも酸素が供給される。即ち、該熱処
理によって、チャネル形成領域である第2の酸化物半導体膜の酸素欠損を低減することが
できる。このとき、第2の酸化物半導体膜の周囲には、酸化アルミニウム膜が配置されて
いる。したがって、過剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜から放出された酸素は、第2の
酸化物半導体膜の酸素欠損を低減するために効率的に用いられることがわかる。
導電膜216a、導電膜216bなどに達する開口を形成した。
ルミニウム膜と、厚さが50nmのチタン膜と、を順に成膜した。
の一部をエッチングし、第2の配線層を形成した。
ランジスタと、を有する半導体装置である、試料1および試料2を作製することができる
。
次に、作製した試料1および試料2に含まれる単結晶シリコンを用いたトランジスタ、
および酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性を測定した。
は、試料1は、1回目の脱水素化処理として、窒素雰囲気下において490℃で10時間
の熱処理を行い、2回目の脱水素化処理として、窒素雰囲気下において490℃で10時
間の熱処理を行っている。また、試料2は、1回目の脱水素化処理として、窒素雰囲気下
において450℃で5時間の熱処理を行い、2回目の脱水素化処理として、窒素雰囲気下
において450℃で1時間の熱処理を行っている。
特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を0.1Vまたは1.8Vとし、nチャネル型トラ
ンジスタにおいては、ゲート電圧(Vg)を−1.8Vから、0.1V間隔で3.3Vま
で掃引したときの、ドレイン電流(Id)を測定することで行った。また、pチャネル型
トランジスタにおいては、ゲート電圧(Vg)を1.8Vから、0.1V間隔で−3.3
Vまで掃引したときの、ドレイン電流(Id)を測定することで行った。なお、トランジ
スタは、設計値がチャネル長0.35μm、チャネル幅1.6μmのものを用いた。また
、126.6mm角の基板内に均等に配置した25個のトランジスタに対して測定を行っ
た。
ほとんど差は見られなかった。具体的には、試料1におけるnチャネル型のトランジスタ
は、しきい値電圧が0.47V、サブスレッショルドスイング値(S値ともいう。)が6
7.0mV/dec.であった。また、試料2におけるnチャネル型のトランジスタは、
しきい値電圧が0.51V、S値が67.6mV/dec.であった。また、試料1にお
けるpチャネル型のトランジスタは、しきい値電圧が−0.59V、S値が69.0mV
/dec.であった。また、試料2におけるpチャネル型のトランジスタは、しきい値電
圧が−0.55V、S値が71.6mV/dec.であった。なお、しきい値電圧の導出
は、ドレイン電圧が1.8VのVg−Id特性から行った。また、S値の導出は、ドレイ
ン電圧が0.1VのVg−Id特性から行った。
ンジスタの電気特性は劣化すると推測される。しかしながら、図30より、試料1と試料
2とで、単結晶シリコンを用いたトランジスタの電気特性にほとんど差は見られなかった
ため、試料1のように、より水素の脱離が起こりやすい条件であっても、単結晶シリコン
のダングリングボンドを終端している水素の脱離はほとんど起こっていないことがわかる
。
ジスタ周辺の各層に設けられた開口の影響を評価するため、3種類の構造のVg−Id特
性を測定している。図31は、酸化物半導体を用いたトランジスタ、およびその周囲の上
面図である。
口を有さない構造(構造1と表記する。)である。また、図31(B)は、導電膜174
と、導電膜216aおよび導電膜216bと、の間にそれぞれ一つの開口260を有する
構造(構造2と表記する。)である。また、図31(C)は、導電膜174と、導電膜2
16aおよび導電膜216bと、の間にそれぞれ一つの開口260を有し、さらに、周囲
の配線層などにおいても開口を有する構造(構造3と表記する。)である。
Id特性を示す。Vg−Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を0.1Vまたは2.
7Vとし、ゲート電圧(Vg)を−3Vから、0.1V間隔で3Vまで掃引したときの、
ドレイン電流(Id)を測定することで行った。なお、トランジスタは、設計値がチャネ
ル長0.8μm、チャネル幅0.8μmのものを用いた。また、126.6mm角の基板
内に均等に配置した25個のトランジスタに対して測定を行った。
スタの電気特性にほとんど差は見られなかった。具体的には、試料1は、シフト値(ドレ
イン電流が1×10−12Aにおけるゲート電圧をシフト値と定義する。Shiftとも
表記する。)が0.44V、S値が90.7mV/dec.であった。また、試料2は、
シフト値が0.34V、S値が98.4mV/dec.であった。なお、シフト値の導出
は、ドレイン電圧が2.7VのVg−Id特性から行った。また、S値の導出は、ドレイ
ン電圧が0.1VのVg−Id特性から行った。
ランジスタの電気特性に差が見られた。具体的には、試料1はシフト値が0.47V、S
値が95.3mV/dec.であったが、試料2はシフト値が0.28V、S値が132
.1mV/dec.であった。構造2においては、試料2は構造1と比べてS値が大きい
。一方、試料1は構造1と比べて同程度のS値となり、構造2においても良好な電気特性
を有することがわかった。
ランジスタの電気特性に顕著な差が見られた。具体的には、試料1はシフト値が0.24
V、S値が98.1mV/dec.であったが、試料2はスイッチング特性が得られなか
った。以上の結果から、試料1は構造1および構造2と同程度のS値となり、構造3にお
いても良好な電気特性を有することがわかった。
体を用いたトランジスタの電気特性の優劣に寄与することが示唆された。具体的にはトラ
ンジスタ周辺に開口を多く有するほど電気特性は劣化していくことがわかった。一方、試
料1においては、トランジスタの電気特性が、開口の有無によって試料2ほど大きく変化
しないことがわかった。これは、試料2においては、試料1に比べて脱水素化処理が十分
でなく、水素が開口を介して酸化物半導体を用いたトランジスタまで移動したためと考え
られる。一方、試料1では、脱水素化処理が十分であったため、水素に起因した劣化がほ
とんど起こらなかったためと考えられる。ただし、試料1においても、構造によって電気
特性の僅かには劣化が見られることから、脱水素化処理の条件をさらに強化することで、
さらなる特性改善が期待できる。
料1のシフト値の3σは、構造1が0.05V、構造2が0.07V、構造3が0.21
Vであった。一方、試料2のシフト値の3σは、構造1が0.05V、構造2が0.16
V、構造3が測定不可であった。
さくなることがわかった。
る。したがって、構造2や構造3のような開口を多く有する構造であっても優れた電気特
性を実現できることが、集積度の高い半導体装置を歩留まり高く製造するために重要であ
ることがわかる。
ランジスタの電気特性はそのままに、種々の構造を有する酸化物半導体を用いたトランジ
スタの電気特性の劣化を抑制できることがわかる。また、さらに脱水素化処理の条件を強
化することによって、さらに酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性の劣化を抑制
できる可能性が示唆された。
さの違いによって、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性がどのように変化する
かについて評価した。
以下に試料3および試料4の作製方法を示す。
半導体膜の厚さを15nmとした試料である。試料3と試料1とは、第2の酸化物半導体
膜の厚さが異なるのみであるため、そのほかの条件については試料1についての説明を参
照する。即ち、試料3は、脱水素化処理の条件を強化した条件である。
する酸化窒化シリコン膜の厚さを300nmとした試料である。試料4と試料2とは、過
剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜の厚さが異なるのみであるため、そのほかの条件につ
いては試料2についての説明を参照する。なお、試料3の過剰酸素を有する酸化窒化シリ
コン膜の厚さは100nmである。
次に、試料3および試料4のVg−Id特性を測定した。Vg−Id特性の測定は、実
施例2に示した構造1に対して行った。また、Vg−Id特性の測定は、室温(25℃)
または85℃において、ドレイン電圧(Vd)を1.8Vとし、ゲート電圧(Vg)を−
3Vから、0.1V間隔で3Vまで掃引したときの、ドレイン電流(Id)を測定するこ
とで行った。この測定を、第2のゲート電極である導電膜220に印加する電圧(Vbg
と表記する。)を0Vから−20Vの範囲で変化させて複数回行った。なお、トランジス
タは、設計値がチャネル長0.8μm、チャネル幅0.8μmのものを用いた。また、1
26.6mm角の基板内に均等に配置した13個のトランジスタに対して測定を行った。
イン電流を外挿によって導出した。結果を図34に示す。図34(A)は、室温における
導電膜220に印加した電圧と、ゲート電圧が0Vにおけるドレイン電流と、の関係を示
す図である。また、図34(B)は、85℃における導電膜220に印加した電圧と、ゲ
ート電圧が0Vにおけるドレイン電流と、の関係を示す図である。
レイン電流となることがわかった。また、過剰酸素を有する酸化窒化シリコン膜の厚さが
薄いことによって、第2のゲート電極としての機能を有する導電膜220に印加する電圧
に対して、ドレイン電流の低減効果が大きいことがわかった。
ない状態におけるドレイン電流(オフ電流と同じ意味で用いる場合がある。)を1×10
−22Aから1×10−35A程度にまで低減できることが示唆された。したがって、酸
化物半導体を用いたトランジスタの極小オフ電流を利用する半導体装置を作製する場合に
おいて、脱水素化処理の条件を強化することが重要であることがわかる。
物半導体を用いたトランジスタに水素が混入した場合、外挿で求めたドレイン電流よりも
実際のドレイン電流が大きくなることがある。このことからも、酸化物半導体に混入する
可能性のある水素を徹底的に低減することが、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気
特性を向上させるために重要であることがわかる。
想定したトランジスタのオフ電流について、計算を行い、評価した。
レイン電極に接するn型領域(低抵抗領域ともいう)がソース電極およびドレイン電極が
重畳している酸化物半導体膜S2の全域に設けられている。また、トランジスタのチャネ
ル長Lは0.8μm、チャネル幅Wは1μm、ゲート電極とソース電極またはドレイン電
極とが重畳する幅Lovは0.2μmとする。
た。
膜を表し、S1は酸化物半導体膜を表し、GEはゲート電極を表し、S/Dはソース電極
およびドレイン電極を表す。また、GIは実施の形態1のゲート絶縁膜212に相当し、
S3は実施の形態1の酸化物半導体膜206cに相当し、S2は実施の形態1の酸化物半
導体膜206bに相当し、S1は実施の形態1の酸化物半導体膜206aに相当し、GE
は実施の形態1の導電膜204に相当し、S/Dは実施の形態1の導電膜216aおよび
導電膜216bに相当し、絶縁膜は実施の形態1の絶縁膜172に相当する。
半導体膜S2にIGZO(312)を用いたトランジスタ共に理想系ではオフ電流は計算
可能な1×10−35A/μm程度まで低下することが確認できた。また、S値は、各ト
ランジスタ共に66mV/dec.であると見積もることができた。
以下に評価に用いた試料5について説明する。
酸化窒化シリコン膜の成膜工程以降の同様の工程を用いて、単結晶基板上に酸化物半導体
を用いたトランジスタを作製した。
する酸化窒化シリコン膜の厚さが300nmである点、第2の酸化物半導体膜の厚さが1
5nmである点、ゲート絶縁膜として機能する酸化窒化シリコン膜の厚さが10nmであ
る点、酸化アルミニウム膜の厚さが70nmである点で相違している。
次に、上記で作製した試料5のオフ電流の測定方法及びその結果について、図37乃至
図40を用いて説明する。
図37に示す測定系は、容量素子400、トランジスタ401、トランジスタ402、
トランジスタ403、及びトランジスタ404を有する。ここで、トランジスタ403は
電荷注入用のトランジスタであり、トランジスタ404はリーク電流の評価用のトランジ
スタである。トランジスタ401及びトランジスタ402で出力回路406を構成する。
また、トランジスタ403のソース端子(またはドレイン端子)と、トランジスタ404
のドレイン端子(またはソース端子)と、容量素子400の第1端子と、トランジスタ4
01のゲート端子との接続部をノードAとする。
荷注入の際に、評価用のトランジスタを常にオフ状態に保つことが可能である。電荷注入
用のトランジスタを設けない場合には、電荷注入の際に、評価用トランジスタを一度オン
状態にする必要があるが、オン状態からオフ状態の定常状態に到るまでに時間を要するよ
うな素子では、測定に時間を要してしまう。また、評価用トランジスタを一度オン状態と
する必要がないため、チャネル形成領域の電荷の一部がノードAに流れ込むことによるノ
ードAの電位変動の影響もない。
よりも大きくすることが好ましい。評価用トランジスタのチャネル幅Wを、電荷注入用の
トランジスタのチャネル幅Wよりも大きくすることにより、評価用トランジスタのリーク
電流以外のリーク電流成分を相対的に小さくすることができる。その結果、評価用トラン
ジスタのリーク電流を高い精度で測定することができる。
トランジスタ404のドレイン端子(またはソース端子)と、容量素子400の第1端子
とは、トランジスタ401のゲート端子に接続されている。また、容量素子400の第2
端子と、トランジスタ404のソース端子(またはドレイン端子)とは、接続されている
。また、トランジスタ401のドレイン端子(またはソース端子)は電源に接続されてお
り、トランジスタ402のソース端子(またはドレイン端子)は電源に接続されおり、ト
ランジスタ403のドレイン端子(またはソース端子)は電源に接続されている。
)には、電源から電位V3が与えられ、トランジスタ404のソース端子(またはドレイ
ン端子)には、電源から電位V4が与えられる。また、トランジスタ401のドレイン端
子(またはソース端子)には、電源から電位V1が与えられ、トランジスタ402のソー
ス端子(またはドレイン端子)には、電源から電位V2が与えられる。また、トランジス
タ401のソース端子(またはドレイン端子)及びトランジスタ402のドレイン端子(
またはソース端子)が接続された、出力回路406の出力端子に相当する端子から、出力
電位Voutが出力される。
位Vext_aが供給され、トランジスタ403のゲート端子には、トランジスタ403
のオン状態とオフ状態を制御する電位Vext_cが供給され、トランジスタ404のゲ
ート端子には、評価用トランジスタの状態を制御する電位Vext_bが供給される。
ランジスタ401のゲート端子と、トランジスタ403のソース端子(またはドレイン端
子)と、トランジスタ404のドレイン端子(またはソース端子)との接続部となる。
次に、上記の測定系を用いた電流測定方法の一例について図38を参照して説明する。
(A)を用いて説明する。
位V3を入力した後、トランジスタ403のゲート端子に、トランジスタ403をオン状
態とする電位Vext_cを入力して、トランジスタ404のドレイン端子(またはソー
ス端子)と接続されるノードAに電位V3を与える。また、トランジスタ402をオン状
態とする電位Vext_aを入力し、トランジスタ402をオン状態とする。また、トラ
ンジスタ404をオフ状態とする電位Vext_bを入力し、トランジスタ404をオフ
状態とする。
位V1を高電位(H3)とする。電位Vext_aを低電位(L4)、電位V2を低電位
(L5)、電位Vext_bを低電位(L2)、電位V4をVssとする。
スタ402をオフ状態とする。また、電位V2を高電位(H4)、電位V1を低電位(L
3)とする。ここで、電位V2は電位V1と同じ電位とする。次に、電位V3を低電位(
L)とする。トランジスタ403のゲート端子に、トランジスタ403をオフ状態とする
電位Vext_cを入力して、トランジスタ403をオフ状態とする。
電位V3を低電位(L1)、電位V1を低電位(L3)、電位V2を高電位(H4)とす
る。電位Vext_bを低電位(L2)、電位V4をVssとする。
04はオフ状態であるが、ノードAとトランジスタ404のソース端子(ドレイン端子)
との間に電位差が生じているため、トランジスタ404には電流が僅かに流れる。つまり
、オフ電流(即ち、リーク電流)が発生する。
起因して生じるノードAの電位の変化量の測定を行う。ここでは、読出し期間の動作に関
し、図38(B)を用いて説明する。
電荷量が変動し、これに従ってノードAの電位が変動する。これは、出力回路406の入
力端子の電位が変動することを意味するから、時間の経過と共に、出力回路406の出力
端子の電位も変動することになる。
蓄積期間Sとを繰り返すことが好ましい。ノードAの電位の変化量の測定とノードAの電
荷の蓄積とを繰り返し行うことにより、測定した電圧値が、定常状態における値であるこ
とを確認することができる。言い換えると、ノードAを流れる電流IAのうち、過渡電流
(測定開始後から時間経過とともに減少していく電流成分)を除くことができる。その結
果、より高い精度でリーク電流を測定することができる。
力電位VoutからノードAの電位VAを求めることが可能である。一般に、ノードAの
電位VAは、出力電位Voutの関数として次式のように表すことができる。
される容量CA、定数(const)を用いて、次式のように表される。ここで、ノード
Aに接続される容量CAは、容量素子400の容量と他の容量(出力回路406の入力容
量など)の和である。
の時間微分であるから、ノードAの電流IAは次式のように表現される。
時間変化Δtから、ノードAの電流IAを求めることができる。
akの和であるから、トランジスタ404を流れる電流Idevを精度良く求めるには、
トランジスタ404を流れる電流Idevに対して他の電流成分Ileakを十分に小さ
くした測定系を用いて測定を行うことが望ましい。また、電流成分Ileakを見積もり
、電流IAから減ずることでトランジスタ404を流れる電流Idevの精度を高めても
良い。
位(L4)としてトランジスタ402をオン状態とする。但し、トランジスタ402をオ
ン状態とするため、電位Vext_aの低電位(L4)は、電位V2の低電位(L5)よ
り高い。また、電位V1を高電位(H3)とする。電位Vext_cを低電位(L2)、
電位V3を低電位(L1)とする。また、電位Vext_bを低電位(L2)、電位V4
をVssとする。
H4)としてトランジスタ402をオフ状態とする。また、電位V1を低電位(L3)と
する。但し、電位V1、電位V2、及び電位Vext_aは同電位である。電位Vext
_cを低電位(L2)、電位V3を低電位(L1)とする。また、電位Vext_bを低
電位(L2)、電位V4をVssとする。
る。
ャネル幅W=100μm、トランジスタ403はチャネル長L=10μm、チャネル幅W
=10μm、トランジスタ404はチャネル長L=0.8μm、チャネル幅W=1000
0μmである。なお、各トランジスタは、試料1と同様の作製条件により形成した。
定シーケンスを用いた。
Iの算出に用いられるΔtを1時間とし、Δtごとに書込み期間を設けるサイクルを10
回繰り返した。次に、測定温度を85℃とし、Δtを6時間とし、Δtごとに書込み期間
を設けるサイクルを4回繰り返した。
とに書込み期間を設けるサイクルを10回繰り返した。続いて測定温度を125℃とし、
Δtを1時間とし、Δtごとに書込み期間を設けるサイクルを10回繰り返した。続いて
、測定温度を85℃とし、Δtを6時間とし、Δtごとに書込み期間を設けるサイクルを
4回繰り返した。続いて、測定温度を85℃とし、Δtを12時間とし、Δtごとに書込
み期間を設けるサイクルを3回繰り返した。続いて、測定温度を60℃とし、Δtを60
時間とし、Δtごとに書込み期間を設けるサイクルを1回行った。
3の低電位(L1)を1Vとした。電位Vext_cの高電位(H2)を5V、低電位(
L2)を−3Vとした。電位V1の高電位(H3)を3V、低電位(L3)を1.5Vと
した。電位Vext_aの高電位(H4)を1.5V、低電位(L4)を−1Vとした。
電位V2の高電位(H4)を1.5V、低電位(L5)を−2Vとした。電位Vext_
bを−3Vとし、トランジスタ404をオフ状態とし、電位V4を1Vとした。ここでは
、ノードAに2Vを印加した。
セットとし、読出し動作を繰り返して、出力電位Voutを測定した。
位(L1)を1.5Vとした。電位Vext_aの高電位(H4)を1.5V、低電位(
L4)を−1Vとした。電位V2の高電位(H4)を1.5V、低電位(L5)を−2V
とした。電位V3の低電位(L2)を1Vとした。電位Vext_cの低電位(L2)を
−3Vとした。電位Vext_bを−3Vとし、トランジスタ404をオフ状態とし、電
位V4を1Vとした。
回路406の出力電位Voutとの関係を示す。図39より、時間の経過にしたがって、
電位が変化している様子が確認できる。
第1の測定シーケンスで測定した結果であり、図40(B)は第2の測定シーケンスで測
定した結果である。なお、図40(A)、図40(B)は、経過時間と、ソース電極及び
ドレイン電極の間に流れるリーク電流との関係を表す図である。
徐々に低下する傾向がみられ、ある一定の値に収束する傾向があることが分かった。測定
温度の最も高い条件では、測定したリーク電流の最も低い値をその温度におけるリーク電
流とした。
μm(5zA/μm)未満、測定温度が85℃の場合では1×10−22A/μm(10
0yA/μm(ヨクトアンペア:1yAは10−24A))未満であることが分かった。
−20A/μm(15zA/μm(ゼプトアンペア:1zAは10−21A))未満、測
定温度が125℃の場合では2×10−21A/μm(2zA/μm)未満、測定温度が
85℃の場合では5×10−23A/μm(50yA/μm(ヨクトアンペア:1yAは
10−24A))未満、測定温度が60℃の場合では6×10−24A/μm(6yA/
μm)未満であることが分かった。
を効果的に抑え、トランジスタ本来のリーク電流を測定することができることが分かった
。
ランジスタはオフ電流が十分に小さくなることが確認された。
示すように、上記で測定したリーク電流の温度依存性は直線状となり、活性化エネルギー
はほぼ一定となっているため、測定値に不自然な点は見られないことが確認できた。
測定した。
第1の測定シーケンスである。
図42(B)に、図42(A)に示すリーク電流のアレニウスプロットを示す。図42(
A)、(B)より、リーク電流は、測定温度が125℃の場合では1×10−20A/μ
m(10zA/μm)未満、測定温度が85℃の場合では2×10−22A/μm(20
0yA/μm)未満であることが分かった。
に単結晶半導体を含むトランジスタを設けた構成であっても、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタのオフ電流が十分に小さくなることが確認できた。
<参考例>
流について付記する。
する。
onductor Random Access Memory)と呼ばれ、酸化物半導
体を用いたトランジスタをメモリセルの選択トランジスタ(スイッチング素子としてのト
ランジスタ)に用いた記憶装置である。
OSRAMに用いるトランジスタの目標電流は、100aA/μm未満、保持時間は1時
間以上、保持容量は30fF、許容閾値変動は0.3Vである。
未満、保持時間は1日以上、保持容量は184fF、許容閾値変動は0.1Vである。
emiconductor Random Access Memory)と呼ばれる。
小規模なNOSRAMに用いるトランジスタの目標電流は、93yA/μm未満、保持時
間は10年以上、保持容量は21fF、許容閾値変動は0.5Vである。また、2値のN
OSRAMに用いるトランジスタの目標電流は、1.5yA/μm未満、保持時間は10
年以上、保持容量は39aF、許容閾値変動は0.5Vである。また、8値のNOSRA
Mに用いるトランジスタの目標電流は、0.02yA/μm未満、保持時間は10年以上
、保持容量は39aF、許容閾値変動は0.1Vである。
以上、保持容量は184fF、許容閾値変動は0.3Vである。
150 半導体基板
160 絶縁膜
162 絶縁膜
164 導電膜
166 不純物領域
170 絶縁膜
171 バリア膜
172 絶縁膜
173 導電膜
174 導電膜
175 ボイド
176 絶縁膜
200 トランジスタ
204 導電膜
205 導電膜
206 酸化物半導体膜
206a 酸化物半導体膜
206b 酸化物半導体膜
206c 酸化物半導体膜
212 ゲート絶縁膜
213 絶縁膜
215 酸化物半導体膜
216a 導電膜
216b 導電膜
218 バリア膜
219 絶縁膜
220 導電膜
250 容量素子
400 容量素子
401 トランジスタ
402 トランジスタ
403 トランジスタ
404 トランジスタ
406 出力回路
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 ドレイン電極層
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
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
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 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
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
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
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5102 酸化亜鉛層
5103 粒子
5105a ペレット
5105a1 領域
5105a2 ペレット
5105b ペレット
5105c ペレット
5105d ペレット
5105d1 領域
5105e ペレット
5120 基板
5130 ターゲット
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 (8)
- 昇温脱離ガス分光法分析にて検出される、温度に対する質量電荷比2の検出強度が、400℃において4×10−11A以下である第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の、第1のバリア膜と、
前記第1のバリア膜上の、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の、第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極又はドレイン電極と、を有し、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極は、前記第1の絶縁膜の開口部、前記第1のバリア膜の開口部、及び前記第2の絶縁膜の開口部と重なる領域を有する半導体装置。 - 昇温脱離ガス分光法分析における、400℃以上の温度での水素分子の脱離量が300℃での水素分子の脱離量の130%以下である第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の、第1のバリア膜と、
前記第1のバリア膜上の、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の、第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極又はドレイン電極と、を有し、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極は、前記第1の絶縁膜の開口部、前記第1のバリア膜の開口部、及び前記第2の絶縁膜の開口部と重なる領域を有する半導体装置。 - 昇温脱離ガス分光法分析における、450℃での水素分子の脱離量が350℃での水素分子の脱離量の130%以下である第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の、第1のバリア膜と、
前記第1のバリア膜上の、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の、第1の酸化物半導体膜と、
前記第1の酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極又はドレイン電極と、を有し、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極は、前記第1の絶縁膜の開口部、前記第1のバリア膜の開口部、及び前記第2の絶縁膜の開口部と重なる領域を有する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第1のバリア膜は、酸化アルミニウムを有し、
前記第1のバリア膜は、昇温脱離ガス分光法分析において20℃乃至600℃での水素分子の脱離量は2×1015個/cm2未満である半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の酸化物半導体膜上の、第2のバリア膜を有する半導体装置。 - 請求項5において、
前記第2のバリア膜は、酸化アルミニウムを有し、
前記第2のバリア膜は、昇温脱離ガス分光法分析において20℃乃至600℃での水素分子の脱離量は2×1015個/cm2未満である半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
前記第1の酸化物半導体膜を挟むように第2の酸化物半導体膜および第3の酸化物半導体膜を有し、
前記第2の酸化物半導体膜および前記第3の酸化物半導体膜は、前記第1の酸化物半導体膜が有する金属元素を一種以上有する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一において、
前記第1の絶縁膜の下方に、半導体材料を含む基板に設けられたトランジスタを有する半導体装置。
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