JP2021019197A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、およびその作製方法について説明する。特に本実施の形態では、半導体装置の一例として、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタについて説明する。
〔構成例1−1〕
図1(A)に、トランジスタ10のチャネル長方向の断面概略図を示している。
図1(B)は、トランジスタ10Aの断面概略図である。トランジスタ10Aは、上記トランジスタ10と比較して、導電層106を有する点で、主に相違している。
図2(A)は、トランジスタ10Bの断面概略図である。トランジスタ10Bは、上記トランジスタ10と比較して、半導体層108の構成が異なる点で、主に相違している。
図2(B)は、トランジスタ10Cの断面概略図である。トランジスタ10Cは、上記構成例1−3(図2(A))で例示したトランジスタ10Bに、上記構成例1−2(図1(B))で例示したトランジスタ10Aが有する導電層106を適用した場合の例である。
図3(A)は、トランジスタ10Dの断面概略図である。トランジスタ10Dは、上記トランジスタ10と比較して、絶縁層110の構成が異なる点で、主に相違している。
図3(B)は、トランジスタ10Eの断面概略図である。トランジスタ10Eは、上記構成例1−5(図3(A))で例示したトランジスタ10Dに、上記構成例1−2(図1(B))で例示したトランジスタ10Aが有する導電層106を適用した場合の例である。
以下では、より具体的なトランジスタの構成例について説明する。
図4(A)は、トランジスタ100の上面図であり、図4(B)は、図4(A)に示す一点鎖線A1−A2における切断面の断面図に相当し、図4(C)は、図4(A)に示す一点鎖線B1−B2における切断面の断面図に相当する。なお、図4(A)において、トランジスタ100の構成要素の一部(ゲート絶縁層等)を省略して図示している。また、一点鎖線A1−A2方向はチャネル長方向、一点鎖線B1−B2方向はチャネル幅方向に相当する。また、トランジスタの上面図については、以降の図面においても図4(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示するものとする。
図5(A)は、トランジスタ100Aの上面図であり、図5(B)はトランジスタ100Aのチャネル長方向の断面図であり、図5(C)はトランジスタ100Aのチャネル幅方向の断面図である。
図6(A)は、トランジスタ100Bの上面図であり、図6(B)はトランジスタ100Bのチャネル長方向の断面図であり、図6(C)はトランジスタ100Bのチャネル幅方向の断面図である。
図7(A)は、トランジスタ100Cの上面図であり、図7(B)はトランジスタ100Cのチャネル長方向の断面図であり、図7(C)はトランジスタ100Cのチャネル幅方向の断面図である。
上記構成例2−1乃至2−4では、半導体層108を単層として示していたが、半導体層108を、半導体層108aと半導体層108bとが積層した積層構造とすることが好ましい。
上述のように、絶縁層110と導電層112との間に位置する金属酸化物層114は、絶縁層110へ酸素を供給した後に、除去することもできる。または、金属酸化物層114を用いない構成とすることもできる。
上述のように、トランジスタ100B及びトランジスタ100Cにおいて、絶縁層116を設けずに、絶縁層118が半導体層108の一部と接する構成とすることもできる。
以下では、本発明の一態様のトランジスタの作製方法の例について説明する。ここでは、構成例2−2で例示したトランジスタ100Aを例に挙げて説明する。
基板102上に導電膜を成膜し、これをエッチングにより加工して、ゲート電極として機能する導電層106を形成する(図11(A))。
続いて、基板102及び導電層106を覆って、絶縁層103を形成する(図11(B))。絶縁層103は、PECVD法、ALD法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
続いて、絶縁層103上に金属酸化物膜108fを成膜する(図11(C))。
続いて、絶縁層103及び半導体層108を覆って、絶縁層110を形成する(図11(E))。
続いて、絶縁層110上に、金属酸化物膜114fを形成する(図12(A))。
続いて、金属酸化物膜114f、絶縁層110、及び絶縁層103の一部をエッチングすることで、導電層106に達する開口部142を形成する(図12(B))。これにより、導電層106と、後に形成する導電層112とを、開口部142を介して電気的に接続することができる。
続いて、金属酸化物膜114f上に、導電層112となる導電膜112fを成膜する(図12(C))。
続いて、導電層112をマスクとして、絶縁層110を介して半導体層108に不純物元素140を供給(添加、または注入ともいう)する処理を行う(図12(D))。これにより、半導体層108の導電層112に覆われない領域に、低抵抗領域108nを形成することができる。このとき、半導体層108の導電層112と重なる領域に、不純物元素140ができるだけ供給されないように、マスクとなる導電層112等の材料や厚さを考慮して、不純物元素140の供給処理の条件を決定することが好ましい。これにより、半導体層108の導電層112と重なる領域に、不純物濃度が十分に低減されたチャネル形成領域を形成することができる。
続いて、絶縁層110、金属酸化物層114、及び導電層112を覆って、絶縁層118を形成する(図13(A))。
続いて、絶縁層118及び絶縁層110の一部をエッチングすることで、低抵抗領域108nに達する開口部141a及び開口部141bを形成する。
続いて、開口部141a及び開口部141bを覆うように、絶縁層118上に導電膜を成膜し、当該導電膜を所望の形状に加工することで、導電層120a及び導電層120bを形成する(図13(B))。
以下では、上記作製方法例1とは一部の工程が異なる例を説明する。ここでは、上記構成例2−4で例示したトランジスタ100Cを例に挙げて説明する。
以下では、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について説明する。
基板102の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、SOI基板、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板102として用いてもよい。また、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板102として用いてもよい。
ゲート電極として機能する導電層112及び導電層106、並びにソース電極またはドレイン電極の一方として機能する導電層120a、及び他方として機能する導電層120bは、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン、マンガン、ニッケル、鉄、コバルトから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
半導体層108がIn−M−Zn酸化物の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In:M:Zn=1:3:6、In:M:Zn=2:2:1、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:3、In:M:Zn=10:1:3、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8、In:M:Zn=6:1:6、In:M:Zn=5:2:5等が挙げられる。なお、上記において、元素Mとして2種類以上の元素を含む場合、上記原子数比におけるMの割合は、当該2以上の金属元素の原子数の和に対応するものとする。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
本実施の形態では、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について説明する。
図15(A)に、表示装置700の上面図を示す。表示装置700は、シール材712により貼り合された第1の基板701と第2の基板705を有する。また第1の基板701、第2の基板705、及びシール材712で封止される領域において、第1の基板701上に画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706が設けられる。また画素部702には、複数の表示素子が設けられる。
以下では、表示素子として液晶素子を用いる構成、及びEL素子を用いる構成について、図16乃至図19を用いて説明する。なお、図16乃至図18は、それぞれ図15(A)に示した表示装置700の一点鎖線Q−Rにおける断面図である。また図19は、図15(B)に示した表示装置700Aの一点鎖線S−Tにおける断面図である。図16及び図17は、表示素子として液晶素子を用いた構成であり、図18及び図19は、EL素子を用いた構成である。
図16乃至図19に示す表示装置は、引き回し配線部711と、画素部702と、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。引き回し配線部711は、信号線710を有する。画素部702は、トランジスタ750及び容量素子790を有する。ソースドライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。図17では、容量素子790が無い場合を示している。
図16に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電層772、導電層774、及びこれらの間に液晶層776を有する。導電層774は、第2の基板705側に設けられ、共通電極としての機能を有する。また、導電層772は、トランジスタ750が有するソース電極またはドレイン電極と電気的に接続される。導電層772は、平坦化絶縁膜770上に形成され、画素電極として機能する。
図18に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、導電層772、EL層786、及び導電膜788を有する。EL層786は、有機化合物、または無機化合物などの発光材料を有する。
また、図16乃至図19に示す表示装置700または表示装置700Aに、入力装置を設けてもよい。当該入力装置としては、例えば、タッチセンサ等が挙げられる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図20(A)乃至図20(C)を用いて説明を行う。
以下では、画素に表示される階調を補正するためのメモリを備える画素回路と、これを有する表示装置について説明する。実施の形態1で例示したトランジスタは、以下で例示する画素回路に用いられるトランジスタに適用することができる。
図21(A)に、画素回路400の回路図を示す。画素回路400は、トランジスタM1、トランジスタM2、容量C1、及び回路401を有する。また画素回路400には、配線S1、配線S2、配線G1、及び配線G2が接続される。
続いて、図21(B)を用いて、画素回路400の動作方法の一例を説明する。図21(B)は、画素回路400の動作に係るタイミングチャートである。なおここでは説明を容易にするため、配線抵抗などの各種抵抗や、トランジスタや配線などの寄生容量、及びトランジスタのしきい値電圧などの影響は考慮しない。
期間T1では、配線G1と配線G2の両方に、トランジスタをオン状態にする電位を与える。また、配線S1には固定電位である電位Vrefを供給し、配線S2には第1データ電位Vwを供給する。
続いて期間T2では、配線G1にはトランジスタM1をオン状態とする電位を与え、配線G2にはトランジスタM2をオフ状態とする電位を与える。また、配線S1には第2データ電位Vdataを供給する。配線S2には所定の定電位を与える、またはフローティング状態としてもよい。
〔液晶素子を用いた例〕
図21(C)に示す画素回路400LCは、回路401LCを有する。回路401LCは、液晶素子LCと、容量C2とを有する。
図21(D)に示す画素回路400ELは、回路401ELを有する。回路401ELは、発光素子EL、トランジスタM3、及び容量C2を有する。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製することができる表示モジュールについて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置を適用可能な、電子機器の例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を備える電子機器について説明する。
〔試料の作製〕
まず、ガラス基板上に絶縁膜として、プラズマCVD法により、厚さ約100nmの窒化酸化シリコン膜を成膜した。ここでは、絶縁膜の成膜条件を異ならせた3つの試料(試料A1乃至A3)を作製した。
上記試料A1乃至A3について、それぞれTDS分析を行った。TDS分析は、30℃/min.の昇温速度で行った。
以下では、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、窒化酸化シリコン膜を形成した試料を作製し、TDS分析により、窒化酸化シリコン膜の酸素の透過性について評価した。
まず、ガラス基板上にプラズマCVD法により、厚さ約100nmの酸化窒化シリコン膜を成膜した。
図27(D)乃至図27(F)に、それぞれ試料B1乃至試料B3におけるTDS分析結果を示す。図27(D)乃至図27(F)には、酸素分子に相当する質量電荷比32の結果を示している。また各図には、単位体積当たりの脱離量の定量値を合わせて示している。また、各図には、窒化酸化シリコン膜を形成しない場合の、酸化窒化シリコン膜のTDS分析結果を破線で示している。
作製したトランジスタの構成は、実施の形態1で例示したトランジスタ100Cを援用できる。
続いて、上記で作製した試料C1乃至試料C4について、トランジスタのId−Vg特性を測定した。
続いて、上記トランジスタの信頼性の評価として、GBT試験を行った。GBT試験では、トランジスタが形成されている基板を60℃に保持し、トランジスタのソースとドレインに0V、ゲートには20Vまたは−20Vの電圧を印加し、この状態を一時間保持した。ここでは特に、PBTS試験について示す。
Claims (15)
- 第1の絶縁層、第2の絶縁層、半導体層、及び第1の導電層を有し、
前記第1の絶縁層上に、前記半導体層、前記第2の絶縁層、及び前記第1の導電層が、この順で積層されており、
前記第1の絶縁層は、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及び第3の絶縁膜が、この順で積層された積層構造を有し、
前記第2の絶縁層は、酸化物を含み、
前記半導体層は、インジウムと、酸素と、を含み、
前記第3の絶縁膜は、前記半導体層と接する部分を有し、
前記第1の絶縁膜は、シリコンと、窒素と、を含み、
前記第3の絶縁膜は、シリコンと、酸素と、を含み、
前記第2の絶縁膜は、シリコンと、窒素と、酸素と、を含み、
前記第2の絶縁膜が含有する当該酸素は、前記第1の絶縁膜よりも多く、且つ、前記第3の絶縁膜よりも少なく、
前記第2の絶縁膜が含有する当該窒素は、前記第1の絶縁膜よりも少なく、且つ、前記第3の絶縁膜よりも多い、
半導体装置。 - 請求項1において、
第2の導電層を有し、
前記第1の絶縁層は、前記第2の導電層と前記半導体層との間に位置し、
前記第2の導電層は、前記半導体層及び前記第1の導電層と重なる領域を有し、
前記第1の絶縁膜は、前記第2の導電層と接する部分を有する、
半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第2の絶縁膜は、前記第1の絶縁膜よりも厚く、
前記第2の絶縁膜は、前記第3の絶縁膜よりも厚い、
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2の絶縁膜の厚さは、前記第1の絶縁膜の厚さに対して、2倍以上20倍以下であり、
前記第2の絶縁膜の厚さは、前記第3の絶縁膜の厚さに対して、2倍以上20倍以下であり、
前記第2の絶縁膜の厚さは、前記第1の絶縁層の総厚に対して、50%以上95%以下である、
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2の絶縁層は、第4の絶縁膜、第5の絶縁膜、及び第6の絶縁膜が、この順で積層された積層構造を有し、
前記第4の絶縁膜は、前記半導体層と接する領域を有し、
前記第4の絶縁膜、前記第5の絶縁膜、及び前記第6の絶縁膜は、それぞれ酸化物を含む、
半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記半導体層は、M(Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、及びスズから選ばれた一種または複数種)と、亜鉛と、を有し、
前記半導体層は、インジウムの含有率が、Mの含有率よりも高い領域を有する、
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2の絶縁層と、前記第1の導電層との間に、金属酸化物層を有し、
前記金属酸化物層は、アルミニウム、ハフニウム、スズ、インジウム、ガリウム、及び亜鉛から選ばれる一以上の元素を含む、
半導体装置。 - 第1の絶縁層、第2の絶縁層、半導体層、及び第1の導電層を有し、
前記第1の絶縁層上に、前記半導体層、前記第2の絶縁層、及び前記第1の導電層が、この順で積層されており、
前記第1の絶縁層は、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及び第3の絶縁膜が、この順で積層された積層構造を有し、
前記半導体層は、第1の金属酸化物膜、及び第2の金属酸化物膜が、この順で積層された積層構造を有し、
前記第2の絶縁層は、酸化物を含み、
前記第1の金属酸化物膜、及び前記第2の金属酸化物膜は、それぞれインジウムと、酸素と、を含み、
前記第2の絶縁層は、前記第2の金属酸化物膜と接する部分を有し、
前記第3の絶縁膜は、前記第1の金属酸化物膜と接する部分を有し、
前記第1の絶縁膜は、シリコンと、窒素と、を含み、
前記第3の絶縁膜は、シリコンと、酸素と、を含み、
前記第2の絶縁膜は、シリコンと、窒素と、酸素と、を含み、
前記第2の絶縁膜が含有する当該酸素は、前記第1の絶縁膜よりも多く、且つ、前記第3の絶縁膜よりも少なく、
前記第2の絶縁膜が含有する当該窒素は、前記第1の絶縁膜よりも少なく、且つ、前記第3の絶縁膜よりも多い、
半導体装置。 - 請求項8において、
第2の導電層を有し、
前記第1の絶縁層は、前記第2の導電層と前記半導体層との間に位置し、
前記第2の導電層は、前記半導体層及び前記第1の導電層と重なる領域を有し、
前記第1の絶縁膜は、前記第2の導電層と接する部分を有する、
半導体装置。 - 請求項8または請求項9において、
前記第2の絶縁膜は、前記第1の絶縁膜よりも厚く、
前記第2の絶縁膜は、前記第3の絶縁膜よりも厚い、
半導体装置。 - 請求項8乃至請求項10のいずれか一において、
前記第2の絶縁膜の厚さは、前記第1の絶縁膜の厚さに対して、2倍以上20倍以下であり、
前記第2の絶縁膜の厚さは、前記第3の絶縁膜の厚さに対して、2倍以上20倍以下であり、
前記第2の絶縁膜の厚さは、前記第1の絶縁層の総厚に対して、50%以上95%以下である、
半導体装置。 - 請求項8乃至請求項11のいずれか一において、
前記第2の絶縁層は、第4の絶縁膜、第5の絶縁膜、及び第6の絶縁膜が、この順で積層された積層構造を有し、
前記第4の絶縁膜は、前記半導体層と接する領域を有し、
前記第4の絶縁膜、前記第5の絶縁膜、及び前記第6の絶縁膜は、それぞれ酸化物を含む、
半導体装置。 - 請求項8乃至請求項12のいずれか一において、
前記第1の金属酸化物膜は、ガリウムと、亜鉛と、を含み、
前記第2の金属酸化物膜は、ガリウムと、亜鉛と、を含み、
前記第2の金属酸化物膜は、前記第1の金属酸化物膜と比較して、インジウムの含有率が高く、且つガリウムの含有率が低い領域を有する、
半導体装置。 - 請求項8乃至請求項12のいずれか一において、
前記第1の金属酸化物膜は、ガリウムと、亜鉛と、を含み、
前記第2の金属酸化物膜は、ガリウムを含まない、
半導体装置。 - 請求項8乃至請求項14のいずれか一において、
前記第2の絶縁層と、前記第1の導電層との間に、金属酸化物層を有し、
前記金属酸化物層は、アルミニウム、ハフニウム、スズ、インジウム、ガリウム、及び亜鉛から選ばれる一以上の元素を含む、
半導体装置。
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