JP2020039005A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
置及びその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ
、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示装置に
代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器
に関する。
スシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用い
たトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することがで
きる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板
の大面積化には適していないという欠点を有している。
電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として
、酸化亜鉛、In−Ga−Zn−O系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の
画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献1及び特許文献2で開示されている
。
。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じることが求めら
れる。また、酸化物半導体のみならず、酸化物半導体に接するゲート絶縁膜の水素を低減
することで、しきい値電圧の変動を低減している(特許文献3参照)。
置の画素のスイッチング素子としては十分な性能が得られなかった。また、しきい値電圧
がマイナスとなり、ノーマリーオンの特性になるという問題があった。
を形成した後、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる
酸素の一部を脱離させる温度で加熱した後、該加熱された酸化物半導体膜を所定の形状に
エッチングして島状の酸化物半導体膜を形成し、島状の酸化物半導体膜上に一対の電極を
形成し、該一対の電極及び島状の酸化物半導膜上にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート絶縁
膜上にゲート電極を形成することを特徴とする。
成し、該一対の電極及び酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に含
まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱
した後、該加熱された酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングして島状の酸化物半導体
膜を形成し、一対の電極及び島状の酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート
絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする。
て形成する。加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜としては、化学量論的組成比
よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が
脱離する酸化物絶縁膜の代表例としては、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、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸
化イットリウム等がある。
l Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて
、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ま
しくは1.0×1020atoms/cm3以上、より好ましくは3.0×1020at
oms/cm3以上である。
化物半導体膜に拡散させる温度は、150℃以上基板の歪み点未満、好ましくは250℃
以上450℃以下である。
つ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱することで、酸化物絶縁
膜に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜に拡散させると共に、酸化物半導体膜に含まれ
る水素を脱離させることができる。なお、酸化物半導体膜に拡散した酸素は、酸化物半導
体膜の酸素欠損を補償するため、酸化物半導体膜の酸素欠損が低減する。また、酸化物半
導体膜は酸化物絶縁膜からの外部への酸素脱離のブロッキング膜として機能するため、酸
化物絶縁膜から過剰な酸素の脱離が生じず、酸化物絶縁膜に酸素が残存する。これらによ
り、キャリア源となる水素及び酸素欠損の濃度を低減しつつ、酸化物半導体膜及び酸化物
絶縁膜の界面における欠陥を低減することができる。
である電子が生じてしまう。また、酸化物半導体中の酸素欠損も同様に、ドナーとなり、
キャリアである電子が生じてしまう。これらのため、酸化物半導体膜中の水素濃度及び酸
素欠損量を低減することで、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
で、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができ、しきい
値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
トランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義する。pチャネル型トランジスタにお
いて、しきい値電圧の値が負であるトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義す
る。また、nチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が負であるトランジス
タをノーマリーオンのトランジスタと定義する。pチャネル型トランジスタにおいて、し
きい値電圧の値が正であるトランジスタをノーマリーオンのトランジスタと定義する。
つ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱した後、当該酸化物半導
体膜を所定の形状にエッチングしてトランジスタを作製することで、電気特性の優れたト
ランジスタを作製することができる。
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、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、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共
通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「
第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
図1は、半導体装置の構成の一形態であるトランジスタの作製工程を示す断面図であり、
図2の一点破線A−Bの断面図は図1(E)に相当する。
に酸化物半導体膜55を形成する。
ラミック基板、プラスチック基板等を適宜用いることができる。また、基板51として、
可撓性を有するガラス基板または可撓性を有するプラスチック基板を用いることができる
。プラスチック基板としては、屈折率異方性の小さい基板を用いることが好ましく、代表
的には、ポリエーテルサルフォン(PES)フィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレ
ンナフタレート(PEN)フィルム、PVF(ポリビニルフルオライド)フィルム、ポリ
エステルフィルム、ポリカーボネート(PC)フィルム、アクリル樹脂フィルム、または
半硬化した有機樹脂中に繊維体を含むプリプレグ等を用いることができる。
加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜としては、化学量論的組成比よりも多くの
酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が脱離する酸化
物絶縁膜は、加熱により酸素が脱離するため、加熱により酸化物半導体膜に酸素を拡散さ
せることができる。酸化物絶縁膜53は、代表的には、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、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハ
フニウム、酸化イットリウム等で形成することができる。
する。このときの酸素の脱離量は、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量
が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1020atoms/
cm3以上、より好ましくは3.0×1020atoms/cm3以上である。
に説明する。
物絶縁膜のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の脱離量
を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子または分子を含む試料の、
スペクトルの積分値に対する原子または分子の密度の比である。
酸化物絶縁膜のTDS分析結果から、酸化物絶縁膜の酸素分子の脱離量(NO2)は、数
式1で求めることができる。
料をTDS分析したときのスペクトルの積分値である。即ち、標準試料の基準値は、NH
2/SH2である。SO2は、酸化物絶縁膜をTDS分析したときのスペクトルの積分値
である。αは、TDS分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式1の詳細
に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸化物絶縁膜の酸素の
脱離量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、
標準試料として1×1016atoms/cm3の水素原子を含むシリコンウェハを用い
て測定した。
換算した酸素の脱離量は、酸素分子(O2)の脱離量の2倍となる。
酸化物絶縁膜53を厚くすることで、酸化物絶縁膜53からの酸素脱離量を増加させるこ
とができると共に、酸化物絶縁膜53及び後に形成される酸化物半導体膜との界面におけ
る欠陥を低減することが可能である。
酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいた
め好ましい。
、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素(O2)、または酸素(O2)及び希
ガス(Arなど)の混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃
度を6%以上100%以下にすることが好ましい。
場合、石英(好ましくは合成石英)をターゲットに用い、基板温度30℃以上450℃以
下(好ましくは70℃以上200℃以下)、基板とターゲットの間の距離(T−S間距離
)を20mm以上400mm以下(好ましくは40mm以上200mm以下)、圧力を0
.1Pa以上4Pa以下(好ましくは0.2Pa以上1.2Pa以下)、高周波電源を0
.5kW以上12kW以下(好ましくは1kW以上5kW以下)、成膜ガス中のO2/(
O2+Ar)割合を1%以上100%以下(好ましくは6%以上100%以下)として、
RFスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、石英(好
ましくは合成石英)ターゲットに代えてシリコンターゲットを用いることもできる。なお
、成膜ガスとしては、酸素のみを用いてもよい。
物や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系金属酸化物、In−Sn−Zn−
O系金属酸化物、In−Al−Zn−O系金属酸化物、Sn−Ga−Zn−O系金属酸化
物、Al−Ga−Zn−O系金属酸化物、Sn−Al−Zn−O系金属酸化物や、二元系
金属酸化物であるIn−Zn−O系金属酸化物、Sn−Zn−O系金属酸化物、Al−Z
n−O系金属酸化物、Zn−Mg−O系金属酸化物、Sn−Mg−O系金属酸化物、In
−Mg−O系金属酸化物などを用いることができる。ここでは、n元系金属酸化物はn種
類の金属酸化物で構成される。なお、酸化物半導体膜55に形成することが可能な金属酸
化物は、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは
3eV以上である。このように、バンドギャップの広い金属酸化物を用いることで、トラ
ンジスタのオフ電流を低減することができる。
用いることができる。ここで、Mは、Zn、Ga、Al、Mn及びCoから選ばれた一ま
たは複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、また
はGa及びCoなどがある。
成比は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル数比に換算するとIn2O3
:ZnO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル数比に
換算するとIn2O3:ZnO=10:1〜1:2)、さらに好ましくはIn:Zn=1
5:1〜1.5:1(モル数比に換算するとIn2O3:ZnO=15:2〜3:4)と
する。例えば、In−Zn−O系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
In:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。
、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、または水素化物として含まれる場合もある。
16atoms/cm3以下、あるいは1×1018atoms/cm3以下であること
が好ましい。
より形成することができる。
を用いたスパッタリング法により形成する。また、酸化物半導体膜55は、希ガス(代表
的にはアルゴン)雰囲気、酸素雰囲気、又は希ガスと酸素の混合雰囲気においてスパッタ
リングすることによって、形成することができる。
基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。また、基
板温度を100℃以上600℃以下好ましくは200℃以上400℃以下としながら酸化
物半導体膜55を形成することで、酸化物半導体膜55に含まれる不純物濃度を低減する
ことができる。
化物絶縁膜53に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体膜55と、酸化物絶縁膜53にお
ける酸化物半導体膜55及び酸化物絶縁膜53との界面近傍に拡散させる。
に加熱処理を施すことによって、酸化物半導体膜を、C軸配向した結晶領域を有する膜と
することができる。
導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、電気炉
や、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(
Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid
Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲン
ランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナ
トリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被
処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置
である。
まれる酸素の一部を脱離させ、さらには酸化物半導体膜55に拡散させる温度が好ましく
、代表的には、150℃以上基板51の歪み点未満、好ましくは250℃以上450℃以
下とする。
アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素雰囲気で行うことが好ましい。
また、酸化性雰囲気で行ってもよい。
3に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体膜55と、酸化物絶縁膜53における酸化物絶
縁膜53及び酸化物半導体膜55との界面近傍に拡散させることができる。当該工程によ
り、酸化物半導体膜55中に含まれる酸素欠損を低減することができるとともに、酸化物
絶縁膜53及び酸化物半導体膜55との界面近傍に酸素を拡散させることで、酸化物半導
体膜55及び酸化物絶縁膜53との界面における欠陥を低減することができる。この結果
、図1(B)に示すように、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜57を形
成することができる。
膜53に含まれる酸素の一部が酸化物半導体膜55に拡散するため、酸化物半導体膜55
に含まれる酸素欠損を低減することができる。また、酸化物絶縁膜53が酸化物半導体膜
55に覆われており、表面が露出していないため、酸化物絶縁膜53からの外部への酸素
の放出量が低減され、酸化物絶縁膜53において酸化物半導体膜55との界面の欠陥を効
率よく低減することができる。
57をエッチングして、島状の酸化物半導体膜59を形成する。この後、マスクを除去す
る(図1(C)参照。)。
ジェット法、印刷法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜57のエッチン
グはウエットエッチングまたはドライエッチングを適宜用いることができる。
。
ステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金
属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネ
シウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用
いてもよい。また、一対の電極61は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい
。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積
層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタン
グステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造
、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形
成する三層構造などがある。
物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物
、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加した
インジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上
記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
リング法、CVD法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導
電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法
、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。
所定の形状にエッチングして一対の電極61を形成する。
状のマスクを形成し、当該マスクを用いて酸化物半導体膜57及び導電膜をエッチングし
た後、アッシングにより凹凸状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜を
エッチングすることで、島状の酸化物半導体膜59及び一対の電極61を形成することが
できる。当該工程により、フォトマスク数及びフォトリソグラフィ工程数を削減すること
ができる。
5を形成する。
絶縁膜63及び絶縁膜69にコンタクトホールを形成した後、一対の電極61に接続する
配線を形成してもよい。
ン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、または酸化ガリウムを単層でまたは積層
して形成することができる。なお、ゲート絶縁膜63は、酸化物半導体膜59と接する部
分が酸素を含むことが好ましく、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シ
リコン膜を用いることで、酸化物半導体膜59に酸素を拡散させることができ、特性を良
好にすることができる。
れたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアルミ
ネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k
材料を用いることで、ゲート絶縁膜の物理的な膜厚を大きくすることができるため、ゲー
トリークを低減できる。さらには、high−k材料と、酸化シリコン、酸化窒化シリコ
ン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、及び
酸化ガリウムのいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜63の厚
さは、1nm以上300nm以下、より好ましくは5nm以上50nm以下とするとよい
。ゲート絶縁膜63の厚さを5nm以上とすることで、ゲートリーク電流を低減すること
ができる。
ゾン、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、島状の酸化物半導体膜59の表面
を酸化し、酸素欠損を低減してもよい。
ステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金
属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネ
シウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用
いてもよい。また、ゲート電極65は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい
。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積
層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタン
グステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造
、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形
成する三層構造などがある。
物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物
、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加した
インジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上
記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
ことができる。
った後、酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングし、酸化物絶縁膜の一部を露出させて
いるため、酸化物絶縁膜からの酸素の外部への放出量を制御しつつ、酸素の一部を酸化物
半導体膜に拡散させ酸化物半導体膜の酸素欠損を低減させると共に、酸化物半導体膜から
水素を脱離させることが可能である。この結果、酸化物半導体膜のキャリア源となる水素
及び酸素欠損を低減すると共に、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を
低減することができるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減するこ
とができる。
本実施の形態では、実施の形態1と異なる構造のトランジスタの作製方法について、図3
及び図4を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物絶縁膜及び酸化物半導体膜の間に
一対の電極が設けられる点が実施の形態1と異なる。なお、図4の一点破線A−Bの断面
図は図3(D)に相当する。
する。次に、酸化物絶縁膜53上に一対の電極71を形成する。次に、一対の電極71及
び酸化物絶縁膜53上に、酸化物半導体膜73を形成する。
用いて形成することができる。
法を適宜用いて形成することができる。
化物半導体膜を形成した後、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜上にマス
クを形成し、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜をエッチングして、島状
の酸化物半導体膜75を形成する。この後、マスクを除去する(図3(B)参照。)。
膜77を形成する。次に、ゲート絶縁膜77上であって、酸化物半導体膜75と重畳する
領域にゲート電極79を形成する。次に、ゲート絶縁膜77及びゲート電極79上に保護
膜として絶縁膜81を形成してもよい。
適宜用いて形成することができる。
用いて形成することができる。
成することができる。
ッチングしてコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールを介して、一対の電
極71に接続する配線83を形成する。
る。
ことができる。
に、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができるため、
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
本実施の形態では、実施の形態1及び実施の形態2と比較して、酸化物半導体膜及び一対
の配線の接触抵抗を低減できるトランジスタの作製方法について、図1及び図5を用いて
説明する。
化物半導体膜55を形成し、酸化物半導体膜55を加熱して、水素濃度及び酸素欠損が低
減された酸化物半導体膜57を形成する。次に、図5(A)に示すように、水素濃度及び
酸素欠損が低減された酸化物半導体膜57上に、n型の導電型を有するバッファ84を形
成する。
インジウム亜鉛酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、錫亜鉛酸化物から選ばれた一つの金属酸
化物であるか、または該金属酸化物にアルミニウム、ガリウム、シリコンから選ばれた元
素が一つ以上含まれている材料を用いることができる。この構成とすることで、後に形成
されるソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極及び酸化物半導体膜の接触
抵抗を低減することができる。
物絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素を拡散させた後、当該酸化物半導体膜上にn型の導電
型を有するバッファ84を形成するため、酸化物半導体膜からの水素の脱離を十分に行う
ことができる。この結果、酸化物半導体膜中の水素濃度及び酸素欠損を低減することが可
能であり、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
損が低減された酸化物半導体膜57及びn型の導電型を有するバッファ84をエッチング
して、島状の酸化物半導体膜59及びn型の導電型を有するバッファ85を形成する。こ
の後、マスクを除去する(図5(B)参照。)。
ッファ85上に一対の電極61を形成する。ここでは、ゲート絶縁膜の膜質を保つため、
一対の電極61として、ゲート絶縁膜から、酸素を引き抜かない材料を用いることが好ま
しい。このような一対の電極61の材料として、タングステン、モリブデン等がある。し
かしながら、タングステン及びモリブデンは酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜と接する領
域において抵抗の高い金属酸化物が形成されてしまう。そこで、島状の酸化物半導体膜5
9及び一対の電極61の間に、n型の導電型を有するバッファを設けることで、島状の酸
化物半導体膜59及び一対の電極61の接触抵抗を低減することができる。
有するバッファ85の露出部をエッチングして、一対のn型の導電型を有するバッファ8
7を形成する。
て、n型の導電型を有するバッファ85の露出部をエッチングして、一対のn型の導電型
を有するバッファ87を形成してもよい。
がエッチングされず、選択的にn型の導電型を有するバッファ85をエッチングする条件
(エッチング選択比の高い条件)を用いることが好ましい。なお、島状の酸化物半導体膜
59及びn型の導電型を有するバッファ85のエッチング選択比が低い場合は、n型の導
電型を有するバッファ85のエッチングの際に島状の酸化物半導体膜59の一部もエッチ
ングされ、溝部(凹部)を有する形状となることもある。
を有するバッファ87を有するため、島状の酸化物半導体膜59及び一対の電極61の接
触抵抗を低減することができる。この結果、トランジスタのオン電流の低減を抑えること
ができる。
成する。また、ゲート絶縁膜63及び絶縁膜69にコンタクトホールを形成した後、一対
の電極61に接続する配線を形成してもよい。
ことができる。
に、酸化物半導体膜及び一対の配線の間に接触抵抗を低減するn型の導電型を有するバッ
ファを形成するため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減すると共に、
トランジスタのオン電流の低減を抑えることができる。
本実施の形態では、オン電流及び電界効果移動度を高めることが可能なトランジスタ、ま
たはしきい値電圧を制御することができるトランジスタについて、図6を用いて説明する
。
膜53上に第1のゲート電極91を形成する。次に、酸化物絶縁膜53及び第1のゲート
電極91上に第1のゲート絶縁膜93を形成する。次に、第1のゲート絶縁膜93上に酸
化物半導体膜95を形成する。
きる。
ができる。
できる。
、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜97を形成する。
、島状の酸化物半導体膜99を形成する。この後マスクを除去する(図6(C)参照。)
。
する。次に、島状の酸化物半導体膜99及び一対の電極101上に第2のゲート絶縁膜1
03を形成する。次に、第2のゲート絶縁膜103上であって、島状の酸化物半導体膜9
9と重畳する領域に第2のゲート電極105を形成する。次に、第2のゲート絶縁膜10
3及び第2のゲート電極105上に保護膜として絶縁膜109を形成してもよい。
。
とができる。
できる。
第1のゲート電極91及び第2のゲート電極105は同電位となるため、チャネル形成領
域が酸化物半導体膜99の第1のゲート絶縁膜93側、及び第2のゲート絶縁膜103側
に形成されるため、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
印加されてもよい。この場合、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。
膜103の間に形成したが、第1のゲート絶縁膜93及び島状の酸化物半導体膜99の間
に形成してもよい。
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態4と比較して、さらに酸化物半導体膜中
の水素濃度を低減する方法について、説明する。本実施の形態では実施の形態1を用いて
説明するが、適宜実施の形態2乃至実施の形態4に適応することができる。
。次に、基板51上に酸化物絶縁膜53及び酸化物半導体膜55を形成する。
能な温度が好ましい。代表的には100℃以上基板歪み点未満である。また、基板51を
加熱する際、水素含有量の低い雰囲気で行うことが好ましい。好ましくは1×10−4P
a以下の高真空中で行ことが好ましい。この結果、基板表面に吸着する水素、水素分子、
水、水酸基、または水素化物などを低減できる。
気で連続的に行うことで、基板51、酸化物絶縁膜53、及び酸化物半導体膜55に水素
、水素分子、水、水酸基、または水素化物が吸着されず、酸化物半導体膜55の加熱工程
において、基板51及び酸化物絶縁膜53から酸化物半導体膜55への水素拡散を低減す
ることが可能であり、図1(B)に示す加熱された酸化物半導体膜57の水素濃度をより
低減することができる。この結果、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減
することができる。
実施の形態1乃至5に示したトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには
駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置ともいう)を作製することがで
きる。また、トランジスタを用いた駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に
一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
素子(発光表示素子ともいう)を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によ
って輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electr
o Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど、電気
的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
を含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製する
過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は
、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的に
は、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜
を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、
あらゆる形態があてはまる。
源(照明装置含む)を指す。また、コネクタ、例えばFPC(Flexible pri
nted circuit)もしくはTAB(Tape Automated Bond
ing)テープもしくはTCP(Tape Carrier Package)が取り付
けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が設けられたモジュー
ル、または表示素子にCOG(Chip On Glass)方式によりIC(集積回路
)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
本明細書に開示する半導体装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペー
パーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である
。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍(電子ブック)、ポスター、デジタルサイネ
ージ、PID(Public Information Display)、電車などの
乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することがで
きる。電子機器の一例を図7に示す。
0は、筐体2701及び筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701及び
筐体2703は、軸部2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉
動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可
能となる。
には表示部2707及び光電変換装置2708が組み込まれている。表示部2705及び
表示部2707は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成
としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部(図7では
表示部2705)に文章を表示し、左側の表示部(図7では表示部2707)に画像を表
示することができる。
01において、電源2721、操作キー2723、スピーカ2725などを備えている。
操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボ
ードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面
に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子、またはACアダプタ及びUSBケーブ
ルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成として
もよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよ
い。
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用すること
ができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン
受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメ
ラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型
ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられ
る。
ョン装置9600は、筐体9601に表示部9603が組み込まれている。表示部960
3により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド9605により
筐体9601を支持した構成を示している。
コン操作機9610により行うことができる。リモコン操作機9610が備える操作キー
9609により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部9603に表示され
る映像を操作することができる。また、リモコン操作機9610に、当該リモコン操作機
9610から出力する情報を表示する表示部9607を設ける構成としてもよい。
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向
(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
えば、デジタルフォトフレーム9700は、筐体9701に表示部9703が組み込まれ
ている。表示部9703は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメ
ラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させるこ
とができる。
Bケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など)、記録媒体挿入部などを備える構
成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に
備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレーム9700
の記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して
画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部9703に表示させることができ
る。
。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
酸化物絶縁膜からの酸素の脱離量との関係について、図9乃至図11を用いて説明する。
少なくとも1以上を行って各試料を作製した。
nmの酸化シリコン膜を形成した。
アルゴン及び25sccmの酸素を用いた、RFスパッタリング法を用いて形成した。周
波数が13.56MHzの高周波電源の電力を1.5kWとし、圧力を0.4Paとし、
基板及びターゲットの間隔を60mmとし、基板温度を100℃とした。
て厚さ30nmのIn−Ga−Zn−O膜を形成した。
=1:1:2[mol数比])を用い、スパッタリングガスとして流量30sccmのア
ルゴン及び15sccmの酸素を用いた、DCスパッタリング法を用いて形成した。この
ときの電源の電力を0.5kWとし、圧力を0.4Paとし、基板及びターゲットの間隔
を60mmとし、基板温度を200℃とした。
物半導体膜の一部をエッチングして、島状の酸化物半導体膜を形成した。
した。
料6は加熱処理を行う試料である。また、試料2、試料4及び試料6はそれぞれ加熱処理
の順序が異なる。
程2の後に工程4(加熱処理)を行い、酸化物半導体膜を除去した。
乃至工程3の後に工程4(加熱処理)を行い、島状の酸化物半導体膜を除去した。
には、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用いた。な
お、TDS分析とは、試料を真空容器内で昇温し、昇温中に試料から発生するガス成分を
四重極質量分析計で検出する分析方法である。検出されるガス成分はm/z(質量/電荷
)で区別される。ここでは、m/z=32におけるTDSスペクトルである。なお、m/
z=32である成分には、酸素分子(O2)などが挙げられる。
9(A)の破線201及び実線203で示す。
9(B)の破線205及び実線207で示す。
9(C)の破線209及び実線211で示す。
化物絶縁膜113からの酸素の放出を説明するモデル図である。
導体膜115を加熱処理すると、酸化物半導体膜115が保護膜となり、酸化物絶縁膜1
13からの酸素の外部への放出が低減される。このため、図9(A)に示すように、酸化
物半導体膜を除去した試料1及び試料2においては、加熱処理の有無でTDS分析におけ
る酸素の放出量の差がほとんど無い。これは、加熱処理によって、酸化物絶縁膜に含まれ
る、加熱により脱離可能な酸素含有量の減少が少ないためである。
を覆う酸化物半導体膜が設けられない状態で加熱処理をすると、酸化物絶縁膜113から
酸素が放出される。このため、図9(B)の実線207に示すように、加熱処理がある試
料4においては、試料3と比較してTDS分析における酸素の放出量が低減している。こ
れは、加熱処理によって、酸化物絶縁膜から酸素の一部が外部へ放出してしまい、酸化物
絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な酸素含有量が低減しているためである。
面の一部を覆う島状の酸化物半導体膜117が設けられた状態で加熱処理をすると、露出
している酸化物絶縁膜113から酸素が放出される。また、島状の酸化物半導体膜117
と接する酸化物絶縁膜113に含まれる酸素が拡散して、露出している酸化物絶縁膜11
3から放出される。これは、酸化物絶縁膜113から酸化物半導体膜への酸素の拡散より
、酸化物絶縁膜中の酸素拡散係数の方が大きいため、酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜へ
よりも、酸化物絶縁膜中での酸素の拡散の方が早く、島状の酸化物半導体膜の周辺に酸素
が拡散してしまうためである。具体的には、450℃加熱処理において酸化物絶縁膜11
3中の酸素の拡散係数は1×10―10cm2/sec程度であり、酸化物半導体膜11
7中の酸素の拡散係数は1×10―17cm2/sec程度であることが分析により確認
されている。なお、上記酸化物半導体膜117中の酸素の拡散係数は、酸化物半導体膜と
してIn−Ga−Zn−O膜における値を示したが、他の酸化物半導体でも同様の傾向を
示す。例えばIn−Sn−O膜中の酸素の拡散係数は、6×10―16cm2/sec程
度であり、酸化物絶縁膜113中の酸素の拡散係数よりも十分小さい値を示す。このため
、図9(C)の実線211に示すように、加熱処理がある試料6においては、試料5と比
較してTDS分析における酸素の放出量が低減している。これは、加熱処理によって、酸
化物絶縁膜から酸素の一部が外部へ放出してしまい、酸化物絶縁膜に含まれる、加熱によ
り脱離可能な酸素含有量が低減しているためである。
半導体膜117を形成する前に、加熱処理を行うことで、酸化物絶縁膜113に含まれる
酸素を効率よく酸化物半導体膜115に拡散させることができる。
及び図11を用いて説明する。
料7は、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成した後、加熱を行う。試料8は、酸化物
絶縁膜を形成した後、加熱を行う。試料9は、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し
、酸化物半導体膜の一部をエッチングして島状の酸化物半導体膜を形成した後、加熱を行
う。
膜53上に酸化物半導体膜55を形成した。なお、試料8は、酸化物絶縁膜53の形成後
、且つ酸化物半導体膜55の形成前に加熱処理を行った。また、試料7は酸化物半導体膜
55の形成後、且つ図1(C)に示す酸化物半導体膜59の形成前に加熱処理を行った。
て、厚さ300nmの酸化シリコン膜を形成した。
用いて、厚さ30nmのIn−Ga−Zn−O膜を形成した。
クを用いて酸化物半導体膜をエッチングした。なお、試料9は、酸化物半導体膜をエッチ
ングした後、加熱処理を行った。以上の工程により、図1(C)に示すように、酸化物半
導体膜59を形成した。
成した。次に、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、当該マス
クを用いて導電膜をドライエッチングして一対の電極61を形成した。この後、マスクを
除去した。
ゲート絶縁膜63上にゲート電極65を形成した。次に、保護膜として機能する絶縁膜6
9を形成した(図1(E)参照。)。
した。試料7及び試料8では、ゲート絶縁膜の厚さを30nmとし、試料9ではゲート絶
縁膜の厚さを15nmとした。
形成した後、スパッタリング法により厚さ135nmのタングステン膜を形成した。次に
、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、当該マスクを用いてタングステン
膜及び窒化タンタル膜をドライエッチングして、ゲート電極65を形成した。次に、マス
クを除去した。
膜を形成した。
、当該マスクを用いて絶縁膜69の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成した。
ここでは、ドライエッチングによりゲート絶縁膜63及び絶縁膜69をエッチングして、
一対の電極61及びゲート電極65を露出するコンタクトホールを形成した。
0nmのアルミニウム膜、及び厚さ5nmのチタン膜を順に形成した。次に、フォトリソ
グラフィ工程によりマスクを形成した後、当該マスクを用いてチタン膜、アルミニウム膜
、及びチタン膜をドライエッチングして、配線を形成した。次に、マスクを除去した。
ジスタの電気特性を測定した。測定は、基板面内で25点行っており、重ねて表示してい
る。チャネル長Lは3μmであり、チャネル幅Wは10μmである。
9に作製されたトランジスタの電気特性を示す。曲線221、225、229は、それぞ
れのトランジスタにドレイン電圧を0.1V印加したときの電流電圧曲線を示し、曲線2
23、227、231は、それぞれのトランジスタにドレイン電圧を3V印加したときの
電流電圧曲線を示す。
11(B)及び図11(C)に示す電流電圧曲線はオンオフがとれておらず、スイッチン
グ特性を有していない。
体膜で覆った状態で加熱処理を行っても酸化物絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な
酸素量の減少が少なく、外部への酸素の放出が生じにくい。一方、試料4及び試料6にお
いては、酸化物絶縁膜が露出した状態で加熱処理することにより、酸素が外部へ放出して
いる。
は、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が加熱によって酸化物半導体膜に拡散しており、
また外部への酸素放出が抑制されているため、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損が低減
している。このため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、スイッチング特性を
有する。
においては、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が加熱によって外部に放出されたため、
酸化物半導体膜への酸素拡散量が少なく、キャリア源となる酸素欠損が多く含まれる。こ
のため、酸化物半導体膜がn型の導電型を有し、当該酸化物半導体膜を用いたトランジス
タは、スイッチング特性を有さない。
で覆った状態で加熱処理を行った後、酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングし、ゲー
ト絶縁膜及びゲート電極を形成することで、オンオフ比が十分高く、しきい値電圧のマイ
ナスシフトの少ないトランジスタを作製することができる。
53 酸化物絶縁膜
55 酸化物半導体膜
57 酸化物半導体膜
59 酸化物半導体膜
61 電極
63 ゲート絶縁膜
65 ゲート電極
69 絶縁膜
71 電極
73 酸化物半導体膜
75 酸化物半導体膜
77 ゲート絶縁膜
79 ゲート電極
81 絶縁膜
83 配線
84 バッファ
85 バッファ
87 バッファ
91 ゲート電極
93 ゲート絶縁膜
95 酸化物半導体膜
97 酸化物半導体膜
99 酸化物半導体膜
101 電極
103 ゲート絶縁膜
105 ゲート電極
109 絶縁膜
111 基板
113 酸化物絶縁膜
115 酸化物半導体膜
117 酸化物半導体膜
201 破線
203 実線
205 破線
207 実線
209 破線
211 実線
221 曲線
223 曲線
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2706 光電変換装置
2707 表示部
2708 光電変換装置
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカ
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
9607 表示部
9609 操作キー
9610 リモコン操作機
9700 デジタルフォトフレーム
9701 筐体
9703 表示部
Claims (2)
- 基板上に酸化物絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化物絶縁膜を覆う領域を有する酸化物半導体膜を形成する工程と、
前記酸化物絶縁膜が前記酸化物半導体膜に覆われた状態で、150℃以上前記基板の歪み点未満で加熱処理を行う工程と、
前記加熱処理後、前記酸化物半導体膜をエッチングして酸化物半導体層を形成する工程と、を有し、
前記酸化物絶縁膜は、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、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、又は酸化イットリウムを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を有し、
前記加熱処理によって前記酸化物絶縁膜から脱離する酸素の脱離量は、昇温脱離ガス分光法分析を用いて、酸素原子として換算すると、1.0×1018atoms/cm3以上である、半導体装置の作製方法。 - 基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を覆う領域を有する酸化物半導体膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜が前記酸化物半導体膜に覆われた状態で、150℃以上前記基板の歪み点未満で加熱処理を行う工程と、
前記加熱処理後、前記酸化物半導体膜をエッチングして酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜上に、前記酸化物半導体層と電気的に接続される、第1の導電層及び第2の導電層を形成する工程と、を有し、
前記第1の絶縁膜は、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、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、又は酸化イットリウムを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を有し、
前記加熱処理によって前記第1の絶縁膜から脱離する酸素の脱離量は、昇温脱離ガス分光法分析を用いて、酸素原子として換算すると、1.0×1018atoms/cm3以上である、半導体装置の作製方法。
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