JP2021168388A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
は、透光性を有するとともに、導電性を有する酸化物半導体膜を備えた半導体装置の作製
方法を提供する。
【解決手段】第1の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酸素
が脱離する雰囲気で第1の加熱処理を行った後、水素を含む雰囲気で第2の加熱処理を行
って、導電性を有する酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【選択図】図1
Description
の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発
明の一態様は、プロセス、マシン、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)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発
明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置
、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
れているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリ
コン半導体を用いたトランジスタは、集積回路(IC)などにも利用されている。
る技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物
半導体とよぶことにする。
ランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる
技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照。)。
供する。または、本発明の一態様は、透光性を有するとともに、導電性を有する酸化物半
導体膜を備えた半導体装置の作製方法を提供する。または、本発明の一態様は、少ない工
程数で、トランジスタ及び容量素子を有する半導体装置の作製方法を提供する。または、
本発明の一態様は、新規な半導体装置の作製方法を提供する。
なくとも一方の電極は、トランジスタを構成するゲート電極、ソース電極又はドレイン電
極など遮光性を有する導電膜で形成されていることが多い。
において、液晶素子の液晶分子の配向を一定に保つことができる期間を長くすることがで
きる。静止画を表示させる場合、当該期間を長くできることは、画像データを書き換える
回数を低減することができ、消費電力の低減が望める。なお、画像データを書き換える回
数を低減する駆動方法を低周波数駆動方法ともいう。
は一対の電極が重畳している面積を大きくするという手段がある。しかしながら、液晶表
示装置において、一対の電極が重畳している面積を大きくするために遮光性を有する導電
膜の面積を大きくすると、画素の開口率が低減し、画像の表示品位が低下する。このよう
な問題は、解像度の高い液晶表示装置において、特に顕著である。
素子を有する表示装置の作製方法を提供する。または、本発明の一態様は、消費電力が低
減された表示装置の作製方法を提供する。または、本発明の一態様は、少ない工程数で、
高開口率であり、広い視野角が得られる表示装置の作製方法を提供する。
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。
れる酸素が脱離する雰囲気で第1の加熱処理を行った後、水素を含む雰囲気で第2の加熱
処理を行って、導電性を有する酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。
℃以下で行うことが好ましい。350℃以上で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜か
ら酸素が脱離する。一方、800℃以下で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜におけ
る結晶構造を維持しつつ、酸化物半導体膜から酸素を脱離させることができる。さらには
、真空雰囲気、代表的には1×10−7Pa以上10Pa以下、好ましくは1×10−7
Pa以上1Pa以下、好ましくは1×10−7Pa以上1×10−1Pa以下の圧力雰囲
気で加熱することが好ましい。
に希ガスを添加した後、水素を含む雰囲気で加熱処理を行って、導電性を有する酸化物半
導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。
パッタリング法またはプラズマCVD法を用いて第2の絶縁膜を形成することで、導電性
を有する酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。
代表的には、水素を含む窒化シリコン膜を有することが好ましい。
あることが好ましい。
未満であることがこのましい。
形成面の法線ベクトルに平行であってもよい。
M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の一以上
を含むことが好ましい。
ことができる。または、本発明の一態様により、透光性を有するとともに、導電性を有す
る酸化物半導体膜を備えた半導体装置を作製することができる。本発明の一態様により、
少ない工程数で、トランジスタ及び容量素子を有する半導体装置を作製することができる
。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を作製することができる。
量素子を有する表示装置を作製することができる。または、本発明の一態様により、消費
電力が低減された表示装置を作製することができる。または、本発明の一態様により、少
ない工程数で、高開口率であり、広い視野角が得られる表示装置を作製することができる
。
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。
なる態様で実施することが可能であり、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
、以下の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。
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。なお図面は、理想的な例を
模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関
係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明し
た語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイ
ン領域またはドレイン電極層)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極層)
の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流
すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主と
して流れる領域をいう。
動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明
細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとす
る。
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。
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、本発明の一態様の半導体装置について、図1乃至図6を用いて説明
する。本実施の形態では、導電性を有する酸化物半導体膜と、該導電性を有する酸化物半
導体膜に接する導電膜の構造及びその作製方法について説明する。なお、ここでは、導電
性を有する酸化物半導体膜は、電極または配線として機能する。
膜155bとが、基板151上に形成される。
5b上に絶縁膜157が形成されてもよい。
55bが形成されてもよい。この場合、導電性を有する酸化物半導体膜155b上に、絶
縁膜153aを設けることができる。
n酸化物、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、また
はNd)等を用いて形成される金属酸化物膜で形成される。なお、導電性を有する酸化物
半導体膜155bは、透光性を有する。
nとMの原子数比率は、InおよびMの和を100atomic%としたときInが25
atomic%より多く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34a
tomic%より多く、Mが66atomic%未満とする。
くは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である。
くは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。
Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の場合、In−M−Zn酸化物膜を成膜する
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は、In≧M、Zn≧Mを
満たすことが好ましい。このような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=
2:1:1.5、In:M:Zn=2:1:2.3、In:M:Zn=2:1:3、In
:M:Zn=3:1:2等が好ましい。なお、導電性を有する酸化物半導体膜155bの
原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の
原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。
結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Cry
stalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、後述する
微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準
位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。
域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の二種以上の領域を有する混
合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶
構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有す
る単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領
域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の
領域の積層構造を有する場合がある。
的には水素を含む窒化シリコン膜を用いて形成されることが好ましい。酸化物半導体膜に
接する絶縁膜157及び絶縁膜157aに水素が含まれると、該水素が酸化物半導体膜に
供給され、導電性を有する酸化物半導体膜155bを形成することが可能である。
膜155bに含まれる不純物としては、水素がある。なお、水素の代わりに不純物として
、ホウ素、リン、窒素、スズ、アンチモン、希ガス元素、アルカリ金属、アルカリ土類金
属等が含まれていてもよい。
3以上、好ましくは1×1020atoms/cm3以上、好ましくは5×1020at
oms/cm3以上である。
電性を有する。導電性を有する酸化物半導体膜155bの抵抗率は、1×10−3Ωcm
以上1×104Ωcm未満、さらに好ましくは、抵抗率が1×10−3Ωcm以上1×1
0−1Ωcm未満であることが好ましい。
/m以上1×105S/m以下、または1×103S/m以上1×105S/m以下であ
るとよい。
には、導電性を有する酸化物半導体膜155bは、真空雰囲気での加熱処理における酸素
の脱離によって欠陥が生成された膜である。または、希ガスが添加されることにより欠陥
が生成された膜である。または、絶縁膜153aまたは絶縁膜157の成膜工程において
プラズマに曝されることにより、欠陥が生成された膜である。
成される。この結果、酸化物半導体が導電体化され、導電性が高くなる。導電体化された
酸化物半導体を酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、ワイドギャ
ップ半導体であるため、透光性を有している。その酸化物半導体が、広いバンドギャップ
を維持したまま、導電体化されているため、酸化物導電体は透光性を有する。
ない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板又はシリコン基板)、SOI
基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、
ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを
有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィル
ムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケ
イ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基
材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフ
タレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(
PES)に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹
脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニ
ル、又はポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリエステル、ポリアミド
、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。特に、半
導体基板、単結晶基板、又はSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによっ
て、特性、サイズ、又は形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さい
トランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成する
と、回路の低消費電力化、又は回路の高集積化を図ることができる。
成してもよい。または、基板151とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層
は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板151より分離し、他の
基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可
撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シ
リコン膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成され
た構成等を用いることができる。
が可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィ
ルム基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン
、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、
再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を
用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形
成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。
ミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物などを用いた酸
化物絶縁膜を用いればよく、積層または単層で設ける。なお、本明細書中において、酸化
窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸
化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
ニウム、窒化酸化アルミニウム等を用いた窒化物絶縁膜を用いて形成することができる。
はじめに、図1(A)に示す導電性を有する酸化物半導体膜155bの作製方法につい
て、図2を用いて説明する。
化物半導体膜155を形成する。次に、酸化物半導体膜155に、ヘリウム、ネオン、ア
ルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガス154を添加する。
LD)法、熱CVD法等により形成することができる。
VD法等などを用いて、酸化物半導体膜を形成する。次に、該酸化物半導体膜上にフォト
リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜をエッチ
ングすることで、酸化物半導体膜155を形成することができる。
ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスを用いる場合、希ガスに対する酸素
のガス比を高めることが好ましい。
。
温度を150℃以上750℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下、さらに好まし
くは200℃以上350℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、CAAC−O
S膜を形成することができる。
ることが好ましい。
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素、及び窒素など)
を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点
が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
Zn−O膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを順次繰り返し導入し
てIn−O層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスを同時に導入してGa
O層を形成し、更にその後Zn(CH3)2とO3ガスを同時に導入してZnO層を形成
する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてIn−
Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成してもよい
。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH2Oガスを用
いてもよいが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。また、In(CH3)3ガ
スにかえて、In(C2H5)3ガスを用いてもよい。また、Ga(CH3)3ガスにか
えて、Ga(C2H5)3ガスを用いてもよい。また、Zn(CH3)2ガスを用いても
よい。
させ、酸化物半導体膜155の水素濃度及び水濃度を低減してもよい。また、加熱処理に
より、酸化物半導体膜155から酸素が脱離し、欠陥を形成することができる。この結果
、のちに形成される酸化物半導体膜155bの水素濃度のばらつきを低減することができ
る。該加熱処理の温度は、代表的には、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃
以上500℃以下とする。なお、該加熱処理の温度を、代表的には、300℃以上400
℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下とすることで、大面積基板においても基板
の反りやシュリンクを低減することが可能であり、歩留まりが向上する。
とで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加
熱処理時間を短縮することが可能であり、加熱処理中の基板の反りを低減することが可能
であり、大面積基板において特に好ましい。
は1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウ
ム等)の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水
素、水等が含まれないことが好ましい。
用いることができる。また、希ガス154を酸化物半導体膜155に添加する方法として
は、ドーピング法、イオン注入法等がある。または、希ガス154を含むプラズマに酸化
物半導体膜155を曝すことで、酸化物半導体膜155に希ガス154を添加することが
できる。
とができる。
含む雰囲気としては、水素、窒素、水蒸気等のいずれか一以上を含む雰囲気がある。
アルカリ土類金属を含む溶液に曝した後、加熱処理を行う。
的には、加熱温度が250℃以上350℃以下であることが好ましい。350℃以下で加
熱処理を行うことで、酸化物半導体膜からの不純物の脱離を最小に抑えつつ、酸化物半導
体膜へ不純物を供給が可能である。なお、当該加熱処理においては、0.1Pa以上、好
ましくは0.1Pa以上101325Pa以下、好ましくは1Pa以上133Pa以下の
圧力雰囲気で加熱することが好ましい。
ることができる。導電性を有する酸化物半導体膜155bは、欠陥と不純物を含む。導電
性を有する酸化物半導体膜155bは、欠陥及び不純物の作用により、酸化物半導体膜1
55と比較して導電性が高まる。欠陥及び不純物の作用の一例としては、酸素欠損に水素
が入ることで、キャリアである電子が生成される。または、水素の一部が金属原子と結合
する酸素と結合することで、キャリアである電子が生成される。これらの作用により、酸
化物半導体膜の導電性が高まる。この結果、導電性を有する酸化物半導体膜155bは、
電極または配線として機能する。また、導電性を有する酸化物半導体膜155bは透光性
を有する。よって、透光性を有する電極または配線を形成することができる。
図2と異なる方法で、導電性を有する酸化物半導体膜155bを形成する方法について
、図3を用いて説明する。
に酸化物半導体膜155を形成する。次に、真空雰囲気で加熱処理を行う。真空雰囲気で
加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜155から酸素が脱離するため、図3(B)に示
すように欠陥を有する酸化物半導体膜155aを形成することができる。なお、図3(B
)に示す酸化物半導体膜155aに含まれる欠陥の代表例としては、酸素欠損がある。
には、350℃以上800℃以下、好ましくは450℃以上800℃以下であることが好
ましい。350℃以上で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜から酸素が脱離する。一
方、800℃以下で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜における結晶構造を維持しつ
つ、酸化物半導体膜から酸素を脱離させることができる。さらには、真空雰囲気、代表的
には1×10−7Pa以上10Pa以下、好ましくは1×10−7Pa以上1Pa以下、
好ましくは1×10−7Pa以上1×10−1Pa以下の圧力雰囲気で加熱することが好
ましい。
を含む雰囲気で加熱する。不純物を含む雰囲気としては、水素、窒素、水蒸気等のいずれ
か一以上を含む雰囲気がある。
アルカリ土類金属を含む溶液に曝した後、加熱処理を行う。
ることができる。
図2及び図3と異なる方法で、導電性を有する酸化物半導体膜155bを形成する方法
について、図4を用いて説明する。
に酸化物半導体膜155を形成する。
む絶縁膜157を形成する。絶縁膜157は、スパッタリング法、プラズマCVD法等を
用いて形成する。絶縁膜157を加熱しながら形成してもよい。また、絶縁膜157を形
成した後、加熱処理を行ってもよい。
で、酸化物半導体膜155にダメージが入り、欠陥が形成される。また、絶縁膜157に
含まれる水素が酸化物半導体膜155に移動する。これらの結果、図4(C)に示すよう
に、導電性を有する酸化物半導体膜155bを形成することができる。欠陥及び不純物の
作用により、酸化物半導体膜155と比較して導電性が高まるため、導電性を有する酸化
物半導体膜155bは、電極または配線として機能する。
本実施の形態に示す導電性を有する酸化物半導体膜155bは、金属膜で形成される導
電膜と比較すると抵抗率が高い。このため、導電性を有する酸化物半導体膜155bに、
引き回し配線として、金属膜で形成される導電膜が接していることが好ましい。このよう
な構造について、図5を用いて説明する。
断面図を示す。
膜155bとが、基板151上に形成される。導電膜159は、導電性を有する酸化物半
導体膜155b上に形成される。
b、及び導電膜159上に絶縁膜157が形成されてもよい。
55bが形成されてもよい。この場合、導電性を有する酸化物半導体膜155b及び導電
膜159上に、絶縁膜153aを設けることができる。
コニウム、モリブデン、鉄、コバルト、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体
金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、
シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、チタン膜上
にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二
層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜
上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、マンガンを
含む銅膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜ま
たは窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン
膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そ
のモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、
さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造、マンガンを含
む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等があ
る。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
ここでは、導電性を有する酸化物半導体膜及び導電膜の変形例を図6を用いて説明する
。
膜159を有してもよい。
ることができる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜を含む抵抗素子
について、図7乃至10を用いて説明する。
導電性を有する酸化物半導体膜155bに接する一対の導電膜161、162を有する。
導電性を有する酸化物半導体膜155b、一対の導電膜161、162はそれぞれ、基板
151上に形成された絶縁膜153上に設けられる。
ってもよい。一対の導電膜161、162は、実施の形態1に示す導電膜159と同様の
構造、材料及び形成方法を適宜用いることができる。
化物半導体膜155b、及び一対の導電膜161、162上に、水素を含む膜で形成され
た絶縁膜157が形成されてもよい。
157a上に、導電性を有する酸化物半導体膜155b、及び一対の導電膜161、16
2が形成されてもよい。この場合、導電性を有する酸化物半導体膜155b及び一対の導
電膜161、162上に、絶縁膜153aを設けることができる。
抗率が高い。このため、一対の導電膜161、162の間に導電性を有する酸化物半導体
膜155bを設けることで、抵抗素子として機能する。
物半導体膜155bは、欠陥及び不純物の作用により、導電性が高まる。また、導電性を
有する酸化物半導体膜155bは、透光性を有する。この結果、透光性を有する抵抗素子
を形成することができる。
ここで、本実施の形態に示す抵抗素子を用いた保護回路について、図8を用いて説明す
る。なお、ここでは、半導体装置として、表示装置を用いて説明するが、他の半導体装置
に、保護回路を用いることができる。
73と、ダイオード接続されたトランジスタ174と、を有している。
ンジスタ174に流れる電流値の制御、またはトランジスタ174自身の保護抵抗として
機能することができる。
ら駆動回路部に引き回される配線に相当する。また、配線172は、例えば、ゲートドラ
イバ、またはソースドライバに電源を供給するための電源線の電位(VDD、VSSまた
はGND)が与えられる配線に相当する。または、配線172は、共通電位(コモン電位
)が与えられる配線(コモン線)に相当する。
い電位を供給する配線と接続される構成が好適である。なぜなら、ゲート信号線は、殆ど
の期間において、低い電位となっている。したがって、配線172の電位も低い電位とな
っていると、通常の動作時において、ゲート信号線から配線172へ漏れてしまう電流を
低減することが出来るからである。
に接続する構成を例示したが、これに限定されず、ダイオード接続されたトランジスタと
並列に接続することもできる。
示す。
174dと、抵抗素子173a、173b、173cと、を有する。また、保護回路17
0bは、表示装置に含まれる走査線駆動回路、信号線駆動回路、および画素部のいずれか
一以上と接続される配線175、176、177の間に設けられる。また、トランジスタ
174aは、ソース電極としての機能を有する第1端子と、ゲート電極としての機能を有
する第2端子と、が接続され、ドレイン電極としての機能を有する第3端子と、配線17
7と、が接続されている。トランジスタ174bは、ソース電極としての機能を有する第
1端子と、ゲート電極としての機能を有する第2端子と、が接続され、ドレイン電極とし
ての機能を有する第3端子と、トランジスタ174aの第1端子と、が接続されている。
トランジスタ174cは、ソース電極としての機能を有する第1端子と、ゲート電極とし
ての機能を有する第2端子と、が接続され、ドレイン電極としての機能を有する第3端子
と、トランジスタ174bの第1端子と、が接続されている。トランジスタ174dは、
ソース電極としての機能を有する第1端子と、ゲート電極としての機能を有する第2端子
と、配線177及び配線175とが接続され、ドレイン電極としての機能を有する第3端
子と、トランジスタ174cの第1の端子が接続されている。また、抵抗素子173a、
173c、は、配線177に設けられている。また、抵抗素子173b、は、配線176
と、トランジスタ174bの第1端子およびトランジスタ174cの第3端子との間に設
けられている。
ができる。また、配線176は、例えば、コモン線として用いることができる。また、配
線177は、例えば、高電源電位VDDが与えられる電源線として用いることができる。
ことができる。なお、抵抗素子に含まれる導電性を有する酸化物半導体膜の形状、具体的
には長さ、または幅を適宜調整することで、任意の抵抗値を有する抵抗素子とすることが
できる。図9に抵抗素子160dの一例を示す。図9(A)は、抵抗素子160dの上面
図であり、図9(B)は図9(A)の一点破線A−Bにおける断面図である。図9に示す
抵抗素子160dのように、導電性を有する酸化物半導体膜155cの上面形状をジグザ
グ状とし、抵抗素子の抵抗値を制御することが可能である。
の抵抗素子により、構成されている。すなわち、保護回路170bは、ダイオード接続さ
れたトランジスタと抵抗素子を並列に組み合わせて用いることができる。
atic Discharge)などにより発生する過電流に対する耐性を高めることが
できる。したがって、信頼性が高められた半導体装置を提供することができる。
とから、保護回路として用いるダイオード接続されたトランジスタ等も保護することが可
能となる。
ができる。
ここでは、抵抗素子の変形例を図10を用いて説明する。
55bの間に、一対の導電膜163、164を有する。
を適宜用いることができる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜を含む容量素子
について、図11及び図12を用いて説明する。
該導電性を有する酸化物半導体膜155bに接する絶縁膜157と、絶縁膜157を介し
て酸化物半導体膜155bと重なる導電膜181とを有する。また、導電性を有する酸化
物半導体膜155bまたは導電膜181に、引き回し配線として機能する導電膜が接して
形成されてもよい。ここでは、導電性を有する酸化物半導体膜155bに接する導電膜1
59を示す。なお、導電性を有する酸化物半導体膜155b、絶縁膜157、及び導電膜
159はそれぞれ、基板151上に形成された絶縁膜153上に設けられる。
適宜用いることができる。
する酸化物半導体膜155b、及び導電膜159が形成されてもよい。この場合、導電性
を有する酸化物半導体膜155b及び導電膜181の間に、絶縁膜153aを設けること
ができる。
コニウム、モリブデン、鉄、コバルト、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体
金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、
シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、チタン膜上
にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二
層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜
上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、マンガンを
含む銅膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜ま
たは窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン
膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そ
のモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、
さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造、マンガンを含
む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等があ
る。
る。
する導電膜は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、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、ITO(インジウム錫酸化物(ITO、Indium Tin Oxide))
、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等を用いて形成する
ことができる。
物半導体膜155bは、欠陥及び不純物の作用により、導電性が高まる。また、導電性を
有する酸化物半導体膜155bは、透光性を有する。導電膜181として、透光性を有す
る導電膜を用いることで、透光性を有する容量素子を形成することができる。
図12に示す容量素子180eは、絶縁膜153及び導電性を有する酸化物半導体膜1
55bの間に、導電膜159を有する。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜(以下、IGZOと示す。)中に水(以下、H2O
と示す。)が入り、H2OがHとOHに分解した場合における、HとOHの挙動について
説明する。
はじめに、IGZO中のH2Oの影響を調べるために、IGZOにH2Oが添加された
モデルの計算を行った。具体的な計算内容を以下に示す。
計算を行った。計算モデルを図13に示す。図13中の1、2、3はH2Oの初期配置を
示す。
2O分子としては安定に存在し難く、IGZO中のH2OはHとOHに分解することが分
かる。
<2−(1) Hの拡散>
ここでは、IGZO結晶における水素移動の起こりやすさを、水素移動経路上の活性化
障壁の観点から評価した。なお、水素の移動様式には、1つの酸素から他の酸素へのホッ
ピング、および一つの酸素上における移動を想定した。
15に示す。ここでは、図15に示す、InO2領域、(Ga,Zn)O領域、及びIn
O2−(Ga,Zn)O領域内それぞれにおける経路(ab面内方向)、および各領域を
横切る経路(c軸方向)について検討した。
enna ab initio simulation package)を用いて行い
、化学反応経路探索手法であるNEB(Nudged Elastic Band)法を
援用した。NEB法とは初期状態と最終状態からその2つの状態を結ぶ状態の中で必要な
エネルギーが最も低くなる状態を探しだす手法である。
図16に、InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域の水素移動経路と、その経路上
での活性化障壁を示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造のエネルギ
ーをエネルギーの原点とした。図16(A)及び図16(C)は、水素の移動の様子を示
し、それぞれ経路A、経路Bとする。なお、図16(A)乃至図16(D)において、数
字は水素の移動の順番を示す。経路Aでは、水素が3から4に向かう経路について、直線
的な経路である。一方、経路Bでは、水素が3から4に向かう経路について、5を経由し
た経路である。
化障壁の計算結果を示し、図16(D)は、経路Bにおいて、水素が1から4迄、5を経
由して移動する経路における活性化障壁の計算結果を示す。
から4に向かう場合、経路上の障壁が低い経路Bが起こりやすいと考えられる。すなわち
、水素がInO2面と(Ga,Zn)O面の間領域を移動する際には、経路上の障壁が低
い経路Bが起こりやすいことが期待される。
次に、(Ga,Zn)O領域における水素移動経路と、その経路上での活性化障壁を、
図17に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギー原点と
した。図17(A)は、(Ga,Zn)O領域における水素移動経路における水素の移動
の様子を示す。図17(A)において、数字は水素の移動の順番を示す。図17(B)は
、図17(A)において、水素が1から4迄移動する経路における、活性化障壁の計算結
果を示す。
6eV程度と低いことが分かる。障壁の高さのみを考えたとき、水素が(Ga,Zn)O
領域に存在する場合は、InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域に存在する場合と比
較して、水素移動の頻度は高くなると予想される。
次に、InO2領域における水素移動経路と、その経路上での活性化障壁を図18に示
す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギー原点とした。図1
8(A)は、InO2領域における水素移動経路における水素の移動の様子を示す。図1
8(A)において、数字は水素の移動の順番を示す。図18(B)は、図18(A)にお
いて、水素が1から4迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。
ことが分かる。したがって、他の領域に比べてInO2領域では、水素移動は起こりにく
いと考えられる。
ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギー原点とした。図19(
A)は、c軸方向に沿った水素移動経路における水素の移動の様子を示す。図19(A)
において、数字は水素の移動の順番を示す。図19(B)は、図19(A)において、水
素が1から8迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。
することが分かる。これは水素移動の経路がM(金属)−O結合を遮るためと考えられる
。また、InO2領域の拡散でも大きな障壁の存在が確認される。このため、c軸方向へ
の連続した水素の移動は、その頻度が少ないと予想される。なお、活性化障壁が大きい原
因として、Inのイオン半径が大きいことが一因と考えられる。
た。
因子を示す。
Zn)O領域における移動頻度が最も高く、一方、InO2領域(c軸方向)では高い活
性化障壁のため、移動頻度が低い傾向にあることが分かった。すなわち、完全な結晶系で
は水素は優先的にab面に沿って拡散することを示唆している。しかし、450℃の加熱
処理においては、HはIGZO膜中を十分拡散することが分かった。
金属−酸素間結合の強さは金属の種類や価数によって異なるため、IGZO中の酸素欠
損VOのできやすさは、結合相手の金属の種類、数、距離等で差が生じると考えられる。
そこで、InGaZnO4結晶モデルに対して酸素欠損のできやすさを計算した。
示す。(Ga,Zn)O領域内のGaおよびZnは、エネルギー的に安定となるような配
置をとった。この時、結合相手と数より、酸素サイトの種類は4つとなる(図20中に示
す1から4)。各酸素サイトについて表3に示す。
造最適化後の全エネルギーの比較を行った。計算条件を表4に示す。
ルの全エネルギーを基準(0.0eV)として、全エネルギーの相対値を図21に示す。
図21より、酸素欠損が形成されやすいのは酸素サイト4であり、酸素サイト2も比較的
形成されやすいと考えられる。一方、酸素サイト1及び酸素サイト3については、酸素サ
イト2や酸素サイト4と比べると形成されにくいと考えられる。
IGZO中では、特に加熱処理時にはHは拡散するという計算結果を、<2−(1)
Hの拡散>において説明した。そこで、ここでは、酸素欠損VOが存在する場合、Hは酸
素欠損VOに入りやすいか否かについて計算を行った。ここで、酸素欠損VOにHがある
状態をHO(VOHと表記する場合もある。)と表記する。
のHがVOから出ていき、酸素と結合する反応経路の活性化障壁(Ea)をNEB法を用
いて計算した。計算条件を表5に示す。
、酸素欠損VOを形成しやすい酸素サイトが2つある。はじめに、酸素欠損VOを形成し
やすい酸素サイトとして、3個のInと1個のZnと結合した酸素サイト(図22に示す
1)について計算を行った。
た、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁(Ea)を図24に示す。なお
、ここでの初期状態とは、酸素欠損VO中にHがある状態(HO)であり、最終状態とは
、酸素欠損VOと、1個のGa及び2個のZnと結合した酸素とHとが結合した状態(H
−O)を有する構造である。
が必要であるのに対して、Oと結合したHが酸素欠損VO中に入るには約0.46eVの
エネルギーが必要であった。
を算出した。なお、数式1において、kBはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である
。
。図23(A)に示すモデルから図23(B)に示すモデルへHが移動する頻度は5.5
2×100[1/sec]であった。また、図23(B)に示すモデルから図23(A)
に示すモデルへHが移動する頻度は1.82×109[1/sec]であった。このこと
から、IGZO中を拡散するHは、近くに酸素欠損VOがあるとHOを形成しやすく、一
旦HOを形成すると酸素欠損VOから放出されにくいと考えられる。
損VOを形成しやすい酸素サイトとして、1個のGaと2個のZnと結合した酸素サイト
(図22に示す2)について計算を行った。
た、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁(Ea)を図26に示す。なお
、ここでの初期状態とは、酸素欠損VO中にHがある状態(HO)であり、最終状態とは
、酸素欠損VOと、1個のGa及び2個のZnと結合した酸素とHとが結合した状態(H
−O)を有する構造である。
が必要であるのに対して、Oと結合したHが酸素欠損VO中に入るには約0.35eVの
エネルギーが必要であった。
算出した。
。図25(A)に示すモデルから図25(B)に示すモデルへHが移動する頻度は7.5
3×10−2[1/sec]であった。また、図25(B)に示すモデルから図25(A
)に示すモデルへHが移動する頻度は1.44×1010[1/sec]であった。この
ことから、一旦HOを形成すると酸素欠損VOからHは放出されにくいと考えられる。
は酸素欠損VOの中に入ってHoとなりやすいことが分かった。
IGZO中において酸素欠損VOとHが存在する場合、<2−(3). HOの形成し
やすさ及び安定性>で示した、NEB法を用いた計算より、酸素欠損VOとHはHOを形
成しやすく、さらにHOは安定であると考えられる。そこで、HOがキャリアトラップに
関与するかを調べるため、HOの遷移レベルの算出を行った。
。酸素欠損VOのできやすい酸素サイトは、3個のInと1個のZnと結合した酸素(図
22に示す1)、あるいは1個のGaと2個のZnと結合した酸素(図22に示す2)で
あったので、酸素サイト1および酸素サイト2に対してHOモデルを作成し、遷移レベル
の算出を行った。計算条件を表6に示す。
いInGaZnO4結晶モデルのバンドギャップは3.08eVとなり、実験値の3.1
5eVと近い結果となった。
る。なお、ΔE(Dq)は欠陥Dの電荷qにおける形成エネルギーであり、数式3より算
出される。
全エネルギー、Etot(bulk)は欠陥のないモデル(完全結晶)の全エネルギー、
Δniは欠陥に関する原子iの増減数、μiは原子iの化学ポテンシャル、εVBMは欠
陥のないモデルにおける価電子帯上端のエネルギー、ΔVqは静電ポテンシャルに関する
補正項、EFはフェルミエネルギーである。
ある。図27より、酸素サイト1に対するHOの遷移レベルは伝導帯下端の下0.05e
Vに存在し、酸素サイト2に対するHOの遷移レベルは伝導帯下端の下0.11eVに存
在するため、それぞれのHOは、電子トラップに関与すると考えられる。すなわち、HO
はドナーとして振る舞うことが明らかになった。また、HOを有するIGZOは導電性を
有することが明らかになった。
次に、加熱処理により、IGZO中のHが、表面からH2Oとして脱離する過程につい
て計算を行った。
面を最表面としたモデル(原子数:112個)を用いた。計算モデルを図28に、計算条
件を表7に示す。
構造とし、H2O脱離過程に関して、以下のステップの計算を行った。
(2)から(3) 1個目のHが表面のOの外側に出るステップ
(3)から(4) 2個目のHが近づくステップ
(4)から(5) 2個目のHが表面のOHの内側に結合するステップ
(5)から(6) 2個目のHが表面上に出るステップ
(6)から(7) H2Oが脱離するステップ
の基準(0.00eV)とした時のエネルギー変化を図30に示す。なお、図30におい
て、上側は、図29の(1)から(7)、それぞれにおけるエネルギー変化を示し、下側
は、(1)から(7)それぞれにおいてIGZOとその表面におけるOとHの反応の模式
図を示した。
VOが形成される反応過程((6)から(7)のステップ)において、1.04eVと最
もエネルギーが高いことが分かった。そこで、(6)から(7)のステップの反応頻度(
Γ)を、数式1より算出した。
0℃では、反応頻度Γ=3.66×104[1/sec]であった。このことから、Hが
H2Oとして脱離し、酸素欠損VOが形成される反応は実際のプロセス内で起こりうると
考えられる。
本実施の形態では、本発明の一態様である表示装置について、図面を用いて説明する。
本実施の形態では、実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜を含む容量素子を
有する表示装置について、図31乃至図33を用いて説明する。
1と、走査線駆動回路104と、信号線駆動回路106と、各々が平行または略平行に配
設され、且つ走査線駆動回路104によって電位が制御されるm本の走査線107と、各
々が平行または略平行に配設され、且つ信号線駆動回路106によって電位が制御される
n本の信号線109と、を有する。さらに、画素部101はマトリクス状に配設された複
数の画素103を有する。また、信号線109に沿って、各々が平行または略平行に配設
された容量線115を有してもよい。なお、容量線115は、走査線107に沿って、各
々が平行または略平行に配設されていてもよい。また、走査線駆動回路104及び信号線
駆動回路106をまとめて駆動回路部という場合がある。
の基板上に配置された制御回路、電源回路、信号生成回路及びバックライトモジュール等
を含み、液晶モジュールとよばれることもある。
ずれかの行に配設されたn個の画素103と電気的に接続される。また、各信号線109
は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素10
3に電気的と接続される。m、nは、ともに1以上の整数である。また、各容量線115
は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素10
3と電気的に接続される。なお、容量線115が、走査線107に沿って、各々が平行ま
たは略平行に配設されている場合は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれか
の行に配設されたn個の画素103に電気的に接続される。
電極が容量線として機能する。
ことをいう。このため、R(赤)G(緑)B(青)の色要素からなるカラー表示装置の場
合には、画像の最小単位は、Rの画素とGの画素とBの画素との三画素から構成される。
なお、R(赤)G(緑)B(青)に、イエロー、シアン、マゼンタなどの画素を加えるこ
とで、色の再現性を高めることができる。また、R(赤)G(緑)B(青)に、W(白)
の画素を加えることで表示装置の消費電力を低下することができる。また、液晶表示装置
の場合、W(白)の画素をR(赤)G(緑)B(青)ごとに加えることで、液晶表示装置
の明るさを高めることが可能であるため、バックライトの明るさを抑制できる。この結果
、液晶表示装置の消費電力を低減することが可能である。
きる回路構成の一例を示している。
子105と、を有する。
る。液晶素子121は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。また、複数の
画素103のそれぞれが有する液晶素子121の一対の電極の一方に共通の電位(コモン
電位)を与えてもよい。また、各行の画素103毎の液晶素子121の一対の電極の一方
に異なる電位を与えてもよい。
する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界(横方向の電界、縦
方向の電界又は斜め方向の電界を含む)によって制御される。なお、液晶素子121とし
ては、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、サーモトロピック液晶
、ライオトロピック液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶等が挙げられる。
ド、ASM(Axially Symmetric Aligned Micro−ce
ll)モード、OCB(Optically Compensated Birefri
ngence)モード、MVAモード、PVA(Patterned Vertical
Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、またはTBA(Tran
sverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。ただし、こ
れに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。
により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、応答速度が1msec以下と
短く、光学的等方性であるため、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
ドレイン電極の一方は、信号線109に電気的に接続され、他方は液晶素子121の一対
の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ102のゲート電極は、走査線
107に電気的に接続される。トランジスタ102は、オン状態またはオフ状態になるこ
とにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
、電位が供給される容量線115に電気的に接続され、他方は、液晶素子121の一対の
電極の他方に電気的に接続される。なお、容量線115の電位の値は、画素103の仕様
に応じて適宜設定される。容量素子105は、書き込まれたデータを保持する保持容量と
しての機能を有する。
133と、画素の駆動を制御するトランジスタ102と、トランジスタ135と、容量素
子105と、発光素子131と、を有する。
信号線109に電気的に接続される。さらに、トランジスタ133のゲート電極は、ゲー
ト信号が与えられる走査線107に電気的に接続される。
タの書き込みを制御する機能を有する。
る配線137と電気的に接続され、トランジスタ102のソース電極及びドレイン電極の
他方は、発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。さらに、トランジスタ10
2のゲート電極は、トランジスタ133のソース電極及びドレイン電極の他方、及び容量
素子105の一方の電極に電気的に接続される。
流れる電流を制御する機能を有する。
れる配線139と接続され、トランジスタ135のソース電極及びドレイン電極の他方は
、発光素子131の一方の電極、及び容量素子105の他方の電極に電気的に接続される
。さらに、トランジスタ135のゲート電極は、ゲート信号が与えられる走査線107に
電気的に接続される。
、発光素子131が劣化等により、発光素子131の内部抵抗が上昇した場合、トランジ
スタ135のソース電極及びドレイン電極の一方が接続された配線139に流れる電流を
モニタリングすることで、発光素子131に流れる電流を補正することができる。配線1
39に与えられる電位としては、例えば、0Vとすることができる。
ジスタ133のソース電極及びドレイン電極の他方と電気的に接続され、容量素子105
の一対の電極の他方は、トランジスタ135のソース電極及びドレイン電極の他方、及び
発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。
タを保持する保持容量としての機能を有する。
電極の他方、容量素子105の他方、及びトランジスタ102のソース電極及びドレイン
電極の他方と電気的に接続される。また、発光素子131の一対の電極の他方は、カソー
ドとして機能する配線141に電気的に接続される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子131としては、これに限定されず
、無機材料からなる無機EL素子を用いても良い。
、低電源電位VSSが与えられる。図31(C)に示す構成においては、配線137に高
電源電位VDDを、配線141に低電源電位VSSを、それぞれ与える構成としている。
子131を用いた例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。様
々な表示素子を用いることも可能である。例えば、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、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
)を用いた表示素子、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)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、
シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、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(FE
D)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conductio
n 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。電子インク又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。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現
する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するように
すればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有す
るようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設
けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
103に液晶素子を用いた液晶表示装置の具体的な例について説明する。ここでは、図3
1(B)に示す画素103の上面図を図32に示す。
る複数の画素103a、103b、103cの上面図を図32に示す。
略直交する方向(図中左右方向)に延伸して設けられている。信号線として機能する導電
膜21aは、走査線として機能する導電膜に略直交する方向(図中上下方向)に延伸して
設けられている。なお、走査線として機能する導電膜13は、走査線駆動回路104(図
31を参照。)と電気的に接続されており、信号線として機能する導電膜21aは、信号
線駆動回路106(図31を参照。)に電気的に接続されている。
が交差する領域に設けられている。トランジスタ102は、ゲート電極として機能する導
電膜13、ゲート絶縁膜(図32に図示せず。)、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル
領域が形成される酸化物半導体膜19a、ソース電極及びドレイン電極として機能する導
電膜21a、21bにより構成される。なお、導電膜13は、走査線として機能する導電
膜としても機能し、酸化物半導体膜19aと重畳する領域がトランジスタ102のゲート
電極として機能する。また、導電膜21aは、信号線として機能する導電膜としても機能
し、酸化物半導体膜19aと重畳する領域がトランジスタ102のソース電極またはドレ
イン電極として機能する。また、図32において、走査線として機能する導電膜は、上面
形状において端部が酸化物半導体膜19aの端部より外側に位置する。このため、走査線
として機能する導電膜はバックライトなどの光源からの光を遮る遮光膜として機能する。
この結果、トランジスタに含まれる酸化物半導体膜19aに光が照射されず、トランジス
タの電気特性の変動を抑制することができる。
有する。有機絶縁膜31は、無機絶縁膜(図32に図示せず。)を介して、酸化物半導体
膜19a、特に、酸化物半導体膜19aであって且つ導電膜21a、21bの間の領域と
重なる。
が有機絶縁膜31を通じて液晶表示装置内に拡散しないため、液晶表示装置内に設けられ
るトランジスタの電気特性のばらつきを低減することが可能である。
た、導電性を有する酸化物半導体膜19b上において、絶縁膜を介してコモン電極29が
設けられている。導電性を有する酸化物半導体膜19b上に設けられる絶縁膜において、
一点破線で示す開口部40が設けられている。開口部40において、導電性を有する酸化
物半導体膜19bは、窒化物絶縁膜(図32に図示せず。)と接する。
の領域を有する。また、該縞状の領域は、信号線として機能する導電膜21aと平行また
は略平行な方向に延伸した領域と接続する。このため、画素において、縞状の領域を有す
るコモン電極29は、各縞状の領域が同電位である。
る領域で形成される。導電性を有する酸化物半導体膜19b及びコモン電極29は透光性
を有する。即ち、容量素子105は透光性を有する。
電膜と交差する方向に延伸した縞状の領域を有するコモン電極が設けられるため、コント
ラストの優れた表示装置を作製することができる。
(大面積に)形成することができる。従って、開口率を高めつつ、代表的には50%以上
、好ましくは60%以上とすることが可能であると共に、容量値を増大させた表示装置を
得ることができる。例えば、解像度の高い表示装置、例えば液晶表示装置においては、画
素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、解像度の高い表示装置
において、容量素子に蓄積される容量値が小さくなる。しかしながら、本実施の形態に示
す容量素子105は透光性を有するため、当該容量素子を画素に設けることで、各画素に
おいて十分な容量値を得つつ、開口率を高めることができる。代表的には、画素密度が2
00ppi以上、さらには300ppi以上、更には500ppi以上である高解像度の
表示装置に好適に用いることができる。
において、液晶素子の液晶分子の配向を一定に保つことができる期間を長くすることがで
きる。静止画を表示させる場合、当該期間を長くできるため、画像データを書き換える回
数を低減することが可能であり、消費電力を低減することができる。また、本実施の形態
に示す構造により、高解像度の表示装置においても、開口率を高めることができるため、
バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電力を低減
することができる。
すトランジスタ102は、チャネルエッチ型のトランジスタである。なお、一点破線A−
Bは、トランジスタ102のチャネル長方向、及び容量素子105の断面図であり、C−
Dにおける断面図は、トランジスタ102のチャネル幅方向の断面図である。
)と、第1の基板11に接する素子層と、第2の基板342に接する素子層と、各素子層
の間の液晶層320とを有する。なお、素子層とは、基板と液晶層の間に形成される層を
総称していう。また、基板及び素子層を素子基板して説明する場合がある。また、一対の
基板(第1の基板11と第2の基板342)間に液晶素子322が挟持されている。
コモン電極29と、窒化物絶縁膜27と、配向性を制御する膜(以下、配向膜33という
。)と、液晶層320と、を有する。なお、導電性を有する酸化物半導体膜19bは、液
晶素子322の一方の電極(画素電極ともいう。)として機能し、コモン電極29は、液
晶素子322の他方の電極として機能する。
ジスタ102は、シングルゲート構造のトランジスタであり、第1の基板11上に設けら
れるゲート電極として機能する導電膜13を有する。また、第1の基板11及びゲート電
極として機能する導電膜13上に形成される窒化物絶縁膜15と、窒化物絶縁膜15上に
形成される酸化物絶縁膜17と、窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜17を介して、ゲー
ト電極として機能する導電膜13と重なる酸化物半導体膜19aと、酸化物半導体膜19
aに接する、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a、21bとを有す
る。窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜17は、ゲート絶縁膜14として機能する。また
、酸化物絶縁膜17、酸化物半導体膜19a、及びソース電極及びドレイン電極として機
能する導電膜21a、21b上には、酸化物絶縁膜23が形成され、酸化物絶縁膜23上
には酸化物絶縁膜25が形成される。窒化物絶縁膜15、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁
膜25、導電膜21b上には窒化物絶縁膜27が形成される。酸化物絶縁膜23、酸化物
絶縁膜25、及び窒化物絶縁膜27は、無機絶縁膜30として機能する。また、導電性を
有する酸化物半導体膜19bが、酸化物絶縁膜17上に形成される。導電性を有する酸化
物半導体膜19bは、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a、21b
の一方、ここでは導電膜21bに接続される。また、コモン電極29が、窒化物絶縁膜2
7上に形成される。また、無機絶縁膜30を介してトランジスタ102の酸化物半導体膜
19aと重なる有機絶縁膜31を有する。
ン、モリブデン、タング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等を用いて形成することができる。ま
た、マンガン、ジルコニ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、ゲート電極として機能する導電膜13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、チタン膜上にアル
ミニウム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、窒化タンタル膜または窒化タングステン
膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、モリ
ブデン膜上に銅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等がある。また、アルミニウムに、
チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選
ばれた元素の一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
造及び材料を適宜用いることができる。また、ゲート電極として機能する導電膜13は、
実施の形態3に示す導電膜181で説明した透光性を有する導電膜を用いることができる
。また、ゲート電極として機能する導電膜13は、上記透光性を有する導電膜と、上記金
属元素の積層構造とすることもできる。また、ゲート電極として機能する導電膜13は、
実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜155bを用いて形成してもよい。
には、酸素、水素、及び水の透過性の低い窒化物絶縁膜を用いることが可能である。酸素
の透過性の低い窒化物絶縁膜、酸素、水素、及び水の透過性の低い絶縁膜としては、窒化
シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜等があ
る。また、酸素の透過性の低い窒化物絶縁膜、酸素、水素、及び水の透過性の低い窒化物
絶縁膜の代わりに、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸
化窒化ガリウム膜、酸化イットリウム膜、酸化窒化イットリウム膜、酸化ハフニウム膜、
酸化窒化ハフニウム膜等の酸化物絶縁膜を用いることができる。
80nm以下とするとよい。
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属
酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
さ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比誘電率の
高い材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
300nm以下、より好ましくは50nm以上250nm以下とするとよい。
ため、実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜155bと同様に、In−Ga
酸化物膜、In−Zn酸化物膜、In−M−Zn酸化物膜(MはAl、Ga、Y、Zr、
Sn、La、Ce、またはNd)等の金属酸化物膜で形成される。このため、酸化物半導
体膜19a及び導電性を有する酸化物半導体膜19bは、互いに同じ金属元素を有する膜
である。
して欠陥量及び不純物濃度が高い。このため、酸化物半導体膜19a及び導電性を有する
酸化物半導体膜19bは、互いに電気特性が異なる。具体的には、酸化物半導体膜19a
は半導体特性を有し、酸化物半導体膜19bは、導電性を有する。
200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上5
0nm以下とする。
物半導体膜19a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、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を
用いることで、トランジスタ102のオフ電流を低減することができる。
、酸化物半導体膜19aは、キャリア密度が1×1017個/cm3以下、好ましくは1
×1015個/cm3以下、さらに好ましくは1×1013個/cm3以下、より好まし
くは1×1011個/cm3以下、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、
1×10−9/cm3以上である酸化物半導体膜を用いる。
果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とす
るトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜19aのキャリア密度や不純
物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとする
ことが好ましい。
導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することがで
きる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損量の少ない)ことを
高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性であ
る酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる
場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、
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である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度
が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に
高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が1×106
μmでチャネル長Lが10μmの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧(
ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナラ
イザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。従
って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、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。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金
属、またはアルカリ土類金属等がある。
酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損が形成される。当該酸素欠
損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部
が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある
。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性
となりやすい。
ことが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜19aにおいて、二次イオン質量分析法(
SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により
得られる水素濃度を、5×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1019a
toms/cm3以下、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、好ましくは1
×1018atoms/cm3以下、好ましくは5×1017atoms/cm3以下、
好ましくは1×1016atoms/cm3以下とする。
と、酸化物半導体膜19aにおいて酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、酸
化物半導体膜19aにおけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られ
る濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms
/cm3以下とする。
金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましく
は2×1016atoms/cm3以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、
酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増
大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜19aのアルカリ金属またはアルカ
リ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
ャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用
いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜にお
いて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法
により得られる窒素濃度は、5×1018atoms/cm3以下にすることが好ましい
。
化物半導体膜に、欠陥、一例としては酸素欠損と、不純物とを有せしめることで、導電性
を有する膜となる。このため、導電性を有する酸化物半導体膜19bは、電極として機能
し、本実施の形態では、画素電極として機能する。
17上に形成されるが、不純物濃度が異なる。具体的には、酸化物半導体膜19aと比較
して、導電性を有する酸化物半導体膜19bの不純物濃度が高い。例えば、酸化物半導体
膜19aに含まれる水素濃度は、5×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×
1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/cm3以下、好ましくは1
×1018atoms/cm3以下、好ましくは5×1017atoms/cm3以下、
好ましくは1×1016atoms/cm3以下である。一方、導電性を有する酸化物半
導体膜19b含まれる水素濃度は、8×1019atoms/cm3以上、好ましくは1
×1020atoms/cm3以上、好ましくは5×1020atoms/cm3以上で
ある。また、酸化物半導体膜19aと比較して、導電性を有する酸化物半導体膜19bに
含まれる水素濃度は2倍、好ましくは10倍以上である。
い。導電性を有する酸化物半導体膜19bの抵抗率が、酸化物半導体膜19aの抵抗率の
1×10−8倍以上1×10−1倍未満であることが好ましく、代表的には1×10−3
Ωcm以上1×104Ωcm未満、さらに好ましくは、抵抗率が1×10−3Ωcm以上
1×10−1Ωcm未満であるとよい。
1に示す導電性を有する酸化物半導体膜155bと同様の結晶構造を適宜選択することが
できる。
示す導電膜159の構造、材料を適宜用いることができる。
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。ここでは、酸化物絶縁膜23と
して、酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成し、酸化物絶縁膜25として、化学量論的組成
を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を形成する。
3上に設けられる、酸化物絶縁膜25から脱離する酸素を、酸化物絶縁膜23を介して酸
化物半導体膜19aに移動させることができる。また、酸化物絶縁膜23は、後に形成す
る酸化物絶縁膜25を形成する際の、酸化物半導体膜19aへのダメージ緩和膜としても
機能する。
50nm以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
が好ましい。
、酸化窒化アルミニウム膜等がある。
おいてg値が2.037以上2.039以下の第1のシグナル、g値が2.001以上2
.003以下の第2のシグナル、及びg値が1.964以上1.966以下の第3のシグ
ナルが観測される。なお、第1のシグナル及び第2のシグナルのスプリット幅、並びに第
2のシグナル及び第3のシグナルのスプリット幅は、XバンドのESR測定において約5
mTである。また、g値が2.037以上2.039以下の第1のシグナル、g値が2.
001以上2.003以下の第2のシグナル、及びg値が1.964以上1.966以下
である第3のシグナルのスピンの密度の合計が、1×1018spins/cm3未満で
あり、代表的には1×1017spins/cm3以上1×1018spins/cm3
未満である。
の第1シグナル、g値が2.001以上2.003以下の第2のシグナル、及びg値が1
.964以上1.966以下の第3のシグナルは、窒素酸化物(NOx、xは0以上2以
下、好ましくは1以上2以下)起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては
、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、g値が2.037以上2.039以下乃至1
.964以上1.966以下であるシグナルのスピンの密度が少ないほど、酸化物絶縁膜
に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
3と酸化物半導体膜との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。
この結果、半導体装置に含まれるトランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが
可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
ectrometry)で測定される窒素濃度が6×1020atoms/cm3以下で
あることが好ましい。この結果、酸化物絶縁膜23において、窒素酸化物が生成されにく
くなり、酸化物絶縁膜23と、酸化物半導体膜19aとの界面におけるキャリアのトラッ
プを低減することが可能である。また、半導体装置に含まれるトランジスタのしきい値電
圧の変動量を低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減すること
ができる。
製工程のプロセスにおける加熱処理において、窒素酸化物及びアンモニアが反応し、窒素
酸化物が窒素ガスとなって脱離する。この結果、酸化物絶縁膜23の窒素濃度及び窒素酸
化物の含有量を低減することができる。また、酸化物絶縁膜23と、酸化物半導体膜19
aとの界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。また、半導体装置
に含まれるトランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能であり、トランジ
スタの電気特性の変動を低減することができる。
化物絶縁膜23の外部に移動せず、酸化物絶縁膜23にとどまる酸素もある。また、酸化
物絶縁膜23に酸素が入ると共に、酸化物絶縁膜23に含まれる酸素が酸化物絶縁膜23
の外部へ移動することで酸化物絶縁膜23において酸素の移動が生じる場合もある。
上に設けられる、酸化物絶縁膜25から脱離する酸素を、酸化物絶縁膜23を介して酸化
物半導体膜19aに移動させることができる。
5は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成す
る。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸
素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜
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3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物絶縁膜
である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以
下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
以上400nm以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
により、g=2.001に現れる信号のスピン密度が1.5×1018spins/cm
3未満、更には1×1018spins/cm3以下であることが好ましい。なお、酸化
物絶縁膜25は、酸化物絶縁膜23と比較して酸化物半導体膜19aから離れているため
、酸化物絶縁膜23より、欠陥密度が多くともよい。
いることが可能である。更には、酸素、水素、及び水の透過性の低い窒化物絶縁膜を用い
ることが可能である。
m以上200nm以下の、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、
窒化酸化アルミニウム膜等がある。
も多くの酸素を含む酸化物絶縁膜が含まれると、酸化物絶縁膜23または酸化物絶縁膜2
5に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜19aに移動させ、酸化物半導体膜19aに含
まれる酸素欠損量を低減することが可能である。
しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは
、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生じ、低抵抗化するためである。
トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、
または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。また、経時変化やス
トレス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大す
るという問題がある。
設けられる酸化物絶縁膜23または酸化物絶縁膜25が、化学量論的組成を満たす酸素よ
りも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜である。さらに、酸化物半導体膜19a、酸化物絶縁
膜23、及び酸化物絶縁膜25を、窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜17で包み込む。
この結果、酸化物絶縁膜23または酸化物絶縁膜25に含まれる酸素が、効率よく酸化物
半導体膜19aに移動し、酸化物半導体膜19aの酸素欠損量を低減することが可能であ
る。この結果、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタとなる。また、経時変化やスト
レス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量を低減する
ことができる。
光性を有する導電膜は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物膜、酸化タングステン
を含むインジウム亜鉛酸化物膜、酸化チタンを含むインジウム酸化物膜、酸化チタンを含
むインジウム錫酸化物膜、ITO膜、インジウム亜鉛酸化物膜、酸化ケイ素を添加したイ
ンジウム錫酸化物膜等がある。
5bを用いて形成してもよい。
。このため、信号線として機能する導電膜21aとコモン電極29との間で生じる電界と
、導電性を有する酸化物半導体膜19bで形成される画素電極とコモン電極29との間で
生じる電界との間で、方位ずれが生じ、且つそのずれの角度が大きい。このため、ネガ型
液晶分子を用いた場合、信号線として機能する導電膜近傍の液晶分子の配向状態と、隣接
する画素に設けられた画素電極とコモン電極との間で生じる電界により生じた画素電極近
傍の液晶分子の配向状態とは、互いに影響されにくい。この結果、画素の透過率の変化が
抑制される。この結果、画像のちらつきを低減することが可能である。
として機能する導電膜21a近傍の液晶分子の配向は、隣接する画素に設けられた画素電
極とコモン電極29との間で生じる電界による画素電極近傍の液晶分子の配向状態へ影響
を与えにくい。この結果、保持期間において、画素の透過率を維持することが可能であり
、ちらつきを低減することができる。
延伸する領域を有する。このため、導電性を有する酸化物半導体膜19b及び導電膜21
a近傍において、意図しない液晶分子の配向を防ぐことが可能であり、光漏れを抑制する
ことができる。この結果、コントラストの優れた表示装置を作製することができる。
もよい。また、縞状の場合、延伸方向が、信号線として機能する導電膜と平行であっても
よい。また、コモン電極29は、櫛歯状であってもよい。または、コモン電極は第1の基
板11上に全面に形成されてもよい。または、導電性を有する酸化物半導体膜19bとは
異なる透光性を有する導電膜がコモン電極29上に絶縁膜を介して形成されてもよい。
に示す有機絶縁膜31の厚さは、第1の基板11上に形成された無機絶縁膜30と第2の
基板342に形成された素子層との間隔より小さい。このため、有機絶縁膜31と第2の
基板342に形成された素子層との間に、液晶層320を有する。すなわち、有機絶縁膜
31上の配向膜33と、第2の基板342の素子層に含まれる配向膜352との間におい
て液晶層320を有する。
れた素子層に含まれる配向膜352とが接する構造であってもよい。この場合、有機絶縁
膜31は、スペーサとして機能するため、液晶表示装置のセルギャップを有機絶縁膜で維
持することができる。
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、有機
絶縁膜31は、配向膜33上に設けられていてもよい。この場合、ラビング工程は、一例
としては、配向膜33を形成した直後ではなく、配向膜33上に有機絶縁膜31を形成し
た後に行ってもよい。
電界は、酸化物半導体膜19aで遮蔽されず、無機絶縁膜30にまで影響するため、無機
絶縁膜30の表面に弱い正の電荷が帯電する。また、ゲート電極として機能する導電膜1
3に負の電圧が印加されると、空気中に含まれる正の荷電粒子が無機絶縁膜30の表面に
吸着し、無機絶縁膜30の表面に弱い正の電荷が帯電する。
半導体膜19a及び無機絶縁膜30の界面まで影響する。この結果、酸化物半導体膜19
a及び無機絶縁膜30の界面において、実質的に正のバイアスが印加された状態となり、
トランジスタのしきい値電圧が負にシフトしてしまう。
を有する。有機絶縁膜31は、500nm以上と厚さが大きいため、ゲート電極として機
能する導電膜13に負の電圧が印加されることによって発生する電界の影響が有機絶縁膜
31の表面にまで影響せず、有機絶縁膜31の表面に正の電荷が帯電しにくい。また、空
気中に含まれる正の荷電粒子が、有機絶縁膜31の表面に吸着しても、有機絶縁膜31は
、500nm以上と厚さが厚いため、有機絶縁膜31の表面に吸着した正の荷電粒子の電
界は、酸化物半導体膜19a及び無機絶縁膜30の界面まで影響しにくい。この結果、酸
化物半導体膜19a及び無機絶縁膜30の界面において、実質的に正のバイアスが印加さ
れた状態とならず、トランジスタのしきい値電圧の変動が少ない。
縁膜が分離して形成されているため、外部からの水が有機絶縁膜31を通じて半導体装置
内に拡散しない。また、無機絶縁膜30が窒化物絶縁膜を有することで、有機絶縁膜31
に拡散した水が酸化物半導体膜19aに拡散することを防ぐことが可能である。
。
4乃至図36を用いて説明する。
る。導電膜12は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(
MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学
気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等によ
り形成する。有機金属化学堆積(MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(
ALD)法を用いることで、プラズマによるダメージの少ない導電膜を形成することがで
きる。また、導電膜12として、実施の形態1に示す導電性を有する酸化物半導体膜15
5bを用いる場合、導電性を有する酸化物半導体膜155bの作製方法を適宜用いること
ができる。
100nmのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。
スクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜12の一部をエッチングして、図34(
B)に示すように、ゲート電極として機能する導電膜13を形成する。この後、マスクを
除去する。
法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
して機能する導電膜13を形成する。
絶縁膜15と、後に酸化物絶縁膜17となる酸化物絶縁膜16を形成する。次に、酸化物
絶縁膜16上に、後に酸化物半導体膜19a、導電性を有する酸化物半導体膜19bとな
る酸化物半導体膜18を形成する。
)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD
)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザ
ー堆積(PLD)法、塗布法、印刷法等により形成する。有機金属化学堆積(MOCVD
)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法を用いることで、プラズマによる
ダメージの少ない窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜16を形成することができる。また
、原子層成膜(ALD)法を用いることで、窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜16の被
覆性を高めることが可能である。
、窒化物絶縁膜15として、厚さ300nmの窒化シリコン膜を形成する。
ン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用
いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素等がある。
rganic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成
することができる。
物絶縁膜16として、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。
適宜用いて形成することができる。
いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜として厚さ35nmのIn−Ga−Zn酸
化物膜を形成する。
によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングするこ
とで、図34(D)に示すような、分離された酸化物半導体膜19a、19cを形成する
。この後、マスクを除去する。
物半導体膜18の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜19a、19c
を形成する。
成する。
とができる。
リング法により積層する。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜20をエッチングして、図35(B)に示
すように、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a、21bを形成する
。この後、マスクを除去する。
クを用いてCu−Mn膜及び銅膜をエッチングして、導電膜21a、21bを形成する。
なお、ウエットエッチング法を用いることで、Cu−Mn膜及び銅膜を1回のエッチング
工程でエッチングして、導電膜21a、21bを形成することができる。
、21b上に、後に酸化物絶縁膜23となる酸化物絶縁膜22、及び後に酸化物絶縁膜2
5となる酸化物絶縁膜24を形成する。酸化物絶縁膜22及び酸化物絶縁膜24は、窒化
物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜16と同様の方法を適宜用いて形成することができる。
4を形成することが好ましい。酸化物絶縁膜22を形成した後、大気開放せず、原料ガス
の流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁膜24を連続的
に形成することで、酸化物絶縁膜22及び酸化物絶縁膜24における界面の大気成分由来
の不純物濃度を低減することができると共に、酸化物絶縁膜24に含まれる酸素を酸化物
半導体膜19aに移動させることが可能であり、酸化物半導体膜19aの酸素欠損量を低
減することができる。
倍未満、好ましくは40以上80以下とし、処理室内の圧力を100Pa未満、好ましく
は50Pa以下とするCVD法を用いることで、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物
絶縁膜を用いて形成することができる。
いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素等がある。
することができる。また、酸化物絶縁膜22を設けることで、酸化物絶縁膜24の形成工
程において、酸化物半導体膜19aへのダメージ低減が可能である。
cmの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室内の圧力を20Pa、基板温度を220℃と
し、27.12MHzの高周波電源を用いて100Wの高周波電力を平行平板電極に供給
したプラズマCVD法により、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。当該条件
により、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
た基板を180℃以上280℃以下、さらに好ましくは200℃以上240℃以下に保持
し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を100Pa以上250Pa以下
、さらに好ましくは100Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0
.17W/cm2以上0.5W/cm2以下、さらに好ましくは0.25W/cm2以上
0.35W/cm2以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化
窒化シリコン膜を形成する。
いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素等がある。
波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増
加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜24中における酸素含有量が化学量論比
よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結
合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化
学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸
化物絶縁膜を形成することができる。また、酸化物半導体膜19a上に酸化物絶縁膜22
が設けられている。このため、酸化物絶縁膜24の形成工程において、酸化物絶縁膜22
が酸化物半導体膜19aの保護膜となる。この結果、酸化物半導体膜19aへのダメージ
を低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜24を形成することが
できる。
ccmの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を200Pa、基板温度を220℃
とし、27.12MHzの高周波電源を用いて1500Wの高周波電力を平行平板電極に
供給したプラズマCVD法により、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。な
お、プラズマCVD装置は電極面積が6000cm2である平行平板型のプラズマCVD
装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力(電力密度)に換算すると0.25W
/cm2である。
、導電膜のエッチングによって、酸化物半導体膜19aはダメージを受け、酸化物半導体
膜19aのバックチャネル(酸化物半導体膜19aにおいて、ゲート電極として機能する
導電膜13と対向する面と反対側の面)側に酸素欠損が生じる。しかし、酸化物絶縁膜2
4に化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を適用することで
、加熱処理によって当該バックチャネル側に生じた酸素欠損を修復することができる。こ
れにより、酸化物半導体膜19aに含まれる欠陥を低減することができるため、トランジ
スタ102の信頼性を向上させることができる。
よりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて酸化物絶縁膜22及び酸化物絶縁膜24
の一部をエッチングして、図36(A)に示すように、開口部40を有する酸化物絶縁膜
23及び酸化物絶縁膜25を形成する。この後、マスクを除去する。
4をエッチングすることが好ましい。この結果、酸化物半導体膜19cはエッチング処理
においてプラズマに曝されるため、酸化物半導体膜19cの酸素欠損量を増加させること
が可能である。
、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下とする。
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。
pm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウム等)
の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水
等が含まれないことが好ましい。
に移動させ、酸化物半導体膜19aに含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる
。
窒化物絶縁膜26が、さらに水、水素等に対するバリア性を有する場合、窒化物絶縁膜2
6を後に形成し、加熱処理を行うと、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜25に含まれる
水、水素等が、酸化物半導体膜19aに移動し、酸化物半導体膜19aに欠陥が生じてし
まう。しかしながら、当該加熱により、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜25に含まれ
る水、水素等を脱離させることが可能であり、トランジスタ102の電気特性のばらつき
を低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
物半導体膜19aに酸素を移動させ、酸化物半導体膜19aに含まれる酸素欠損量を低減
することが可能であるため、当該加熱処理を行わなくともよい。
もよいが、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜25を形成した後の加熱処理の方が、酸化
物半導体膜19cへの酸素の移動が生じないと共に、酸化物半導体膜19cが露出されて
いるため酸化物半導体膜19cから酸素が脱離し、酸素欠損が形成されるため、より導電
性を有する膜を形成でき、好ましい。
て形成することができる。窒化物絶縁膜26をスパッタリング法、CVD法等により形成
することで、酸化物半導体膜19cがプラズマに曝されるため、酸化物半導体膜19cの
酸素欠損量を増加させることができる。
となる。なお、窒化物絶縁膜26として、プラズマCVD法により窒化シリコン膜を形成
すると、窒化シリコン膜に含まれる水素が酸化物半導体膜19cに拡散するため、酸化物
半導体膜の導電性を高めることができる。なお、導電性を有する酸化物半導体膜19bの
作製方法は、実施の形態1に示す他の導電性を有する酸化物半導体膜155bの作製方法
を適宜用いることができる。
CVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を300℃以上400℃以下、さ
らに好ましくは320℃以上370℃以下にとすることで、緻密な窒化シリコン膜を形成
できるため好ましい。
原料ガスとして用いることが好ましい。原料ガスとして、窒素と比較して少量のアンモニ
アを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性種が発生する。当該活性種が
、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を
切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少
なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することができる。一方、原料ガスに
おいて、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素それ
ぞれの分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗
な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに
対する窒素の流量比を5以上50以下、好ましくは10以上50以下とすることが好まし
い。
sccmの窒素、及び流量100sccmのアンモニアを原料ガスとし、処理室の圧力を
100Pa、基板温度を350℃とし、27.12MHzの高周波電源を用いて1000
Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法により、窒化物絶縁膜26と
して、厚さ50nmの窒化シリコン膜を形成する。なお、プラズマCVD装置は電極面積
が6000cm2である平行平板型のプラズマCVD装置であり、供給した電力を単位面
積あたりの電力(電力密度)に換算すると1.7×10−1W/cm2である。
0℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下
とする。この結果、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。また、しき
い値電圧の変動量を低減することができる。
スクを形成する。次に、該マスクを用いて、窒化物絶縁膜15、酸化物絶縁膜16、酸化
物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜26のそれぞれ一部をエッチングして、
窒化物絶縁膜27を形成すると共に、導電膜13と同時に形成された接続端子の一部を露
出する開口部を形成する。または、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜
26のそれぞれ一部をエッチングして、窒化物絶縁膜27を形成すると共に、導電膜21
a、21bと同時に形成された接続端子の一部を露出する開口部を形成する。
導電膜28を形成する。
を用いる場合、導電性を有する酸化物半導体膜155bの作製方法を適宜用いることがで
きる。
スクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜28の一部をエッチングして、図37(
A)に示すように、コモン電極29を形成する。なお、図示しないが、コモン電極29は
、導電膜13と同時に形成された接続端子、または導電膜21a、21bと同時に形成さ
れた接続端子と接続する。この後、マスクを除去する。
有機絶縁膜は、塗布法、印刷法等を適宜用いて形成することができる。
モン電極29上に塗布した後、第7のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によ
り組成物を露光及び現像し、その後加熱処理を行う。なお、非感光性の組成物を窒化物絶
縁膜27及びコモン電極29上に塗布した場合、非感光性の組成物上にレジストを塗布し
、第7のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりレジストを加工してマスク
を形成し、該マスクを用いて非感光性の組成物をエッチングすることで、有機絶縁膜31
を形成することができる。
ことができる。
有機絶縁膜を有する。このため、トランジスタの信頼性を高めることが可能であり、表示
品質が維持された表示装置を作製することができる。
信号線として機能する導電膜と交差する方向に縞状に延伸した領域を有するコモン電極が
形成される。このため、コントラストの優れた表示装置を作製することができる。また、
リフレッシュレートが低い液晶表示装置において、ちらつきを低減することができる。
される酸化物半導体膜と同時に、画素電極として機能する導電性を有する酸化物半導体膜
が形成されるため、6枚のフォトマスクを用いてトランジスタ102及び容量素子105
を作製することが可能である。導電性を有する酸化物半導体膜は容量素子の一方の電極と
して機能する。また、コモン電極は、容量素子の他方の電極として機能する。これらのた
め、容量素子を形成するために、新たに導電膜を形成する工程が不要であり、作製工程を
削減できる。また、容量素子は透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きく
しつつ、画素の開口率を高めることが可能である。また、低消費電力の表示装置を作製す
ることができる。
は、有色性を有する膜(以下、着色膜346という。)が形成されている。着色膜346
は、カラーフィルタとしての機能を有する。また、着色膜346に隣接する遮光膜344
が第2の基板342上に形成される。遮光膜344は、ブラックマトリクスとして機能す
る。また、着色膜346は、必ずしも設ける必要はなく、例えば、液晶表示装置が白黒表
示の場合は、着色膜346を設けない構成としてもよい。
赤色の波長帯域の光を透過する赤色(R)の膜、緑色の波長帯域の光を透過する緑色(G
)の膜、青色の波長帯域の光を透過する青色(B)の膜などを用いることができる。
膜または黒色顔料等を含んだ有機絶縁膜などを用いることができる。
層としての機能、または着色膜346が含有しうる不純物を液晶素子側へ拡散するのを抑
制する機能を有する。
を有する導電膜を用いて形成する。また、導電膜350は、コモン電極29と同電位とす
ることが好ましい。すなわち、導電膜350は共通電位が印加されることが好ましい。
29の間に電界が発生してしまう。この電界の影響を受け、導電膜21bとコモン電極2
9の間の液晶分子が配向しまい、ちらつきが生じる。
コモン電極29及び導電膜350を同電位とすることで、導電膜21bとコモン電極29
の間における電界による液晶分子の基板垂直方向の配向変化を抑制することが可能であり
、該領域における液晶分子の配向状態が安定する。この結果、ちらつきを低減できる。
晶層320は、シール材(図示しない)を用いて、第1の基板11と第2の基板342の
間に封止されている。なお、シール材は、外部からの水分等の入り込みを抑制するために
、無機材料と接触する構成が好ましい。
)を維持するスペーサを設けてもよい。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
図33に示す表示装置の変形例を図38に示す。
、無機絶縁膜30に接する。この結果、第1の基板11上の素子層を作製するためのフォ
トマスク枚数を1枚削減することが可能であり、素子層を有する第1の基板11の作製工
程の簡略化が可能である。
図33に示す表示装置の変形例を図39に示す。
aが形成される。また、有機樹脂膜31a上にコモン電極29が形成される。有機樹脂膜
31aは、平坦化膜として機能させることが可能であるため、液晶層に含まれる液晶分子
の配向むらを低減することができる。
図33に示す表示装置の変形例を図40に示す。
ットを有する。なお、導電性を有する酸化物半導体膜19bは該形状に限定されず、櫛歯
形状でもよい。
図33に示す表示装置の変形例を図41に示す。
モン電極29、窒化物絶縁膜27、及び導電膜21bは、容量素子105bを構成する。
このような構成とすることにより、容量素子105bを画素電極の電位を保持する容量素
子として機能させることができる。したがって、このような構成とすることにより、画素
における容量値を増やすことができる。
図33に示すトランジスタ102の変形例について、図42を用いて説明する。
半導体膜19g及び一対の導電膜21c、21dを有することを特徴とする。
能であり、該レジストマスクを用い、酸化物半導体膜19gを形成した後、酸素プラズマ
等にレジストマスクを曝すことで、レジストマスクの一部が除去され、一対の導電膜を形
成するためのレジストマスクとなる。このため、酸化物半導体膜19g及び一対の導電膜
21c、21dの作製工程におけるフォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
の導電膜21c、21dの外側に一部が露出した形状となる。
とを特徴とする。
極として機能する導電膜13と、第1の基板11及び導電膜13上に形成されるゲート絶
縁膜14と、ゲート絶縁膜14を介して、導電膜13と重なる酸化物半導体膜19aと、
酸化物半導体膜19aのチャネル領域及び側面を覆う無機絶縁膜30aと、無機絶縁膜3
0aの開口部において酸化物半導体膜19aに接する、ソース電極及びドレイン電極とし
て機能する導電膜21e、21fとを有する。
ているため、導電膜21e、21fを形成するエッチングにおいて、酸化物半導体膜19
aはダメージを受けない。このため、酸化物半導体膜19aの欠陥を低減することができ
る。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、表示装置の一例として、VA駆動の液晶表示装置を用いて説明する
。はじめに、液晶表示装置に含まれる複数の画素103の上面図を図43に示す。
略直交する方向(図中左右方向)に延伸して設けられている。信号線として機能する導電
膜21aは、走査線として機能する導電膜に略直交する方向(図中上下方向)に延伸して
設けられている。容量線として機能する導電膜21eは、信号線と平行方向に延伸して設
けられている。なお、走査線として機能する導電膜13は、走査線駆動回路104(図3
1を参照。)と電気的に接続されており、信号線として機能する導電膜21a及び容量線
として機能する導電膜21eは、信号線駆動回路106(図31を参照。)に電気的に接
続されている。
が交差する領域に設けられている。トランジスタ102は、ゲート電極として機能する導
電膜13、ゲート絶縁膜(図43に図示せず。)、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル
領域が形成される酸化物半導体膜19a、一対の電極として機能する導電膜21a、21
bにより構成される。なお、導電膜13は、走査線としても機能し、酸化物半導体膜19
aと重畳する領域がトランジスタ102のゲート電極として機能する。また、導電膜21
aは、信号線としても機能し、酸化物半導体膜19aと重畳する領域がトランジスタ10
2のソース電極またはドレイン電極として機能する。また、図43において、走査線とし
て機能する導電膜は、上面形状において端部が酸化物半導体膜19aの端部より外側に位
置する。このため、走査線として機能する導電膜はバックライトなどの光源からの光を遮
る遮光膜として機能する。この結果、トランジスタに含まれる酸化物半導体膜19aに光
が照射されず、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
重なる有機絶縁膜31を有する。有機絶縁膜31は、無機絶縁膜(図43に図示せず。)
を介して、酸化物半導体膜19a、特に、酸化物半導体膜19aであって且つ導電膜21
a、21bの間の領域と重なる。
導電膜29cと電気的に接続されている。
素子105は、ゲート絶縁膜上に形成される導電性を有する酸化物半導体膜19dと、ト
ランジスタ102上に設けられる誘電体膜と、画素電極として機能する透光性を有する導
電膜29cとで構成されている。ゲート絶縁膜上に形成される導電性を有する酸化物半導
体膜19dは透光性を有する。即ち、容量素子105は透光性を有する。
きく(大面積に)形成することができる。従って、開口率を高めつつ、代表的には55%
以上、好ましくは60%以上とすることが可能であると共に、容量値を増大させた半導体
装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、例えば液晶表示装置におい
ては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、解像度の高い
半導体装置において、容量素子に蓄積される容量値が小さくなる。しかしながら、本実施
の形態に示す容量素子105は透光性を有するため、当該容量素子を画素に設けることで
、各画素において十分な容量値を得つつ、開口率を高めることができる。代表的には、画
素密度が200ppi以上、さらには300ppi以上、更には500ppi以上である
高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。
るため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電
力を低減することができる。
すトランジスタ102は、チャネルエッチ型のトランジスタである。なお、一点破線A−
Bは、トランジスタ102のチャネル長方向、トランジスタ102と画素電極として機能
する透光性を有する導電膜29cの接続部、及び容量素子105の断面図であり、C−D
における断面図は、トランジスタ102のチャネル幅方向の断面図である。
1の素子層に含まれる画素電極として機能する透光性を有する導電膜29cと、第2の基
板342の素子層に含まれる導電膜350と、液晶層320とで液晶素子322を構成す
る。
同様の構造をしている。また、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a
、21bの一方、ここでは導電膜21bに接続する画素電極として機能する透光性を有す
る導電膜29cが、窒化物絶縁膜27上に形成される。また、窒化物絶縁膜27の開口部
41において、導電膜21bと画素電極として機能する透光性を有する導電膜29cが接
続する。
極29と同様の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
る酸化物半導体膜19dと、窒化物絶縁膜27と、画素電極として機能する透光性を有す
る導電膜29cとを有する。
成される。分離された酸化物絶縁膜23、25が酸化物半導体膜19aと重畳する。
酸化物半導体膜19aと重なる有機絶縁膜31をトランジスタ102上に設けることで、
酸化物半導体膜19aの表面と有機絶縁膜31の表面との距離を離すことが可能である。
この結果、酸化物半導体膜19aの表面は、有機絶縁膜31の表面に吸着された正の荷電
粒子による電界の影響を受けず、トランジスタ102の信頼性を高めることができる。
5と異なり、導電膜21bと接続しない。一方、導電性を有する酸化物半導体膜19dは
、導電膜21dと接する。導電膜21dは容量線として機能する。導電性を有する酸化物
半導体膜19dは、実施の形態5に示す導電性を有する酸化物半導体膜19bと同様に形
成することができる。すなわち、導電性を有する酸化物半導体膜19dは、酸化物半導体
膜19aと同じ金属元素を有する金属酸化物膜である。また、導電性を有する酸化物半導
体膜19dは実施の形態5に示す導電性を有する酸化物半導体膜19bと同じ作製方法を
適宜用いることができる。
5及び図46を用いて説明する。
ィ工程を経て得られたマスクを用いて該導電膜をエッチングして、第1の基板11上にゲ
ート電極として機能する導電膜13を形成する(図45(A)参照。)
5及び酸化物絶縁膜16を形成する。次に、酸化物絶縁膜16上に酸化物半導体膜を形成
した後、実施の形態5に示す第2のフォトリソグラフィ工程を経て得られたマスクを用い
て該酸化物半導体膜をエッチングして、酸化物半導体膜19a、19cを形成する(図4
5(B)参照。)
、実施の形態5に示す第3のフォトリソグラフィ工程を経て得られたマスクを用いて、該
導電膜をエッチングして、導電膜21a、21b、21dを形成する(図45(C)参照
。)。この際、酸化物半導体膜19cと接しないように、導電膜21bを形成する。また
、酸化物半導体膜19cと接するように導電膜21dを形成する。
、21d上に酸化物絶縁膜を形成した後、実施の形態5に示す第4のフォトリソグラフィ
工程を経て得られたマスクを用いて該酸化物絶縁膜をエッチングして、開口部40を有す
る酸化物絶縁膜23、25を形成する(図46(A)参照。)
1d、及び酸化物絶縁膜23、25上に窒化物絶縁膜を形成した後、実施の形態5に示す
第5のフォトリソグラフィ工程を経て得られたマスクを用いて該窒化物絶縁膜をエッチン
グして、導電膜21bの一部を露出する開口部41を有する窒化物絶縁膜27を形成する
(図46(B)参照。)
る。なお、後に窒化物絶縁膜27として、プラズマCVD法により窒化シリコン膜を形成
すると、窒化シリコン膜に含まれる水素が酸化物半導体膜19cに拡散するため、導電性
を有する酸化物半導体膜19dを形成することができる。
第6のフォトリソグラフィ工程を経て得られたマスクを用いて該導電膜をエッチングして
、導電膜21bに接続する導電膜29cを形成する(図46(C)参照。)
を得ることができる。
、容量素子の一方となる電極が形成される。また、画素電極として機能する透光性を有す
る導電膜を容量素子の他方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するため
に、新たに導電膜を形成する工程が不要であり、作製工程を削減できる。また、一対の電
極が透光性を有するため、容量素子は透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を
大きくしつつ、画素の開口率を高めることができる。
本実施の形態では、実施の形態5に示す半導体装置と比較して、少ないマスク枚数で作
製可能な表示装置について、図47を用いて説明する。
化物絶縁膜24をエッチングしないことで、マスク枚数を削減することが可能である。ま
た、酸化物絶縁膜24上には窒化物絶縁膜27が形成され、酸化物絶縁膜22、24及び
窒化物絶縁膜27に、導電膜21bの一部を露出する開口部41aが形成される。また、
窒化物絶縁膜27上には、開口部41aにおいて、導電膜21bと接続する、画素電極と
して機能する透光性を有する導電膜29dが形成される。
a、21bと同時に形成されるため、導電膜21dを作製するためにフォトマスクは増加
しない。導電膜21dは容量線として機能する。すなわち、導電膜21d、酸化物絶縁膜
22、酸化物絶縁膜24、窒化物絶縁膜27、及び画素電極として機能する透光性を有す
る導電膜29dにおいて、容量素子105aを構成する。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態5と異なる表示装置及びその作製方法について図48を
参照して説明する。本実施の形態では、トランジスタにおいて異なるゲート電極の間に酸
化物半導体膜が設けられている構造、即ちデュアルゲート構造のトランジスタである点が
実施の形態5と異なる。なお、実施の形態5と重複する構成は説明を省略する。
る。本実施の形態に示す表示装置に設けられるトランジスタは、ゲート電極として機能す
る導電膜13、酸化物半導体膜19a、導電膜21a、21b、及び酸化物絶縁膜25そ
れぞれの一部または全部に重なるゲート電極として機能する導電膜29bを有する点が実
施の形態5と異なる。ゲート電極として機能する導電膜29bは、開口部41a、41b
において、ゲート電極として機能する導電膜13と接続される。
る。なお、A−Bは、トランジスタ102aのチャネル長方向、及び容量素子105aの
断面図であり、C−Dにおける断面図は、トランジスタ102aのチャネル幅方向、及び
ゲート電極として機能する導電膜13及びゲート電極として機能する導電膜29bの接続
部における断面図である。
1の基板11上に設けられるゲート電極として機能する導電膜13を有する。また、第1
の基板11及びゲート電極として機能する導電膜13上に形成される窒化物絶縁膜15と
、窒化物絶縁膜15上に形成される酸化物絶縁膜17と、窒化物絶縁膜15及び酸化物絶
縁膜17を介して、ゲート電極として機能する導電膜13と重なる酸化物半導体膜19a
と、酸化物半導体膜19aに接する、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜
21a、21bとを有する。また、酸化物絶縁膜17、酸化物半導体膜19a、及びソー
ス電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a、21b上には、酸化物絶縁膜23
が形成され、酸化物絶縁膜23上には酸化物絶縁膜25が形成される。窒化物絶縁膜15
、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、導電膜21b上には窒化物絶縁膜27が形成さ
れる。また、導電性を有する酸化物半導体膜19bが、酸化物絶縁膜17上に形成される
。導電性を有する酸化物半導体膜19bは、ソース電極及びドレイン電極として機能する
導電膜21a、21bの一方、ここでは導電膜21bに接続される。また、コモン電極2
9、及びゲート電極として機能する導電膜29bが窒化物絶縁膜27上に形成される。
縁膜23、酸化物絶縁膜25、及び窒化物絶縁膜27に設けられる開口部41a、41b
において、ゲート電極として機能する導電膜29bは、ゲート電極として機能する導電膜
13と接続される。即ち、ゲート電極として機能する導電膜13及びゲート電極として機
能する導電膜29bは同電位である。
期特性バラつきの低減、−GBTストレス試験の劣化の抑制及び異なるドレイン電圧にお
けるオン電流の立ち上がり電圧の変動の抑制が可能である。また、酸化物半導体膜19a
においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動
量が増加する。この結果、トランジスタ102aのオン電流が大きくなると共に、電界効
果移動度が高くなり、代表的には電界効果移動度が20cm2/V・s以上となる。
。酸化物絶縁膜23、25が酸化物半導体膜19aと重畳する。また、チャネル幅方向の
断面図において、酸化物半導体膜19aの外側に酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜25
の端部が位置する。また、図48に示すチャネル幅方向において、ゲート電極として機能
する導電膜29bは、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜25の端部に位置する。
より欠陥が形成されると共に、不純物付着などにより汚染される。このため、電界などの
ストレスが与えられることによって活性化しやすく、それによりn型(低抵抗)となりや
すい。そのため、ゲート電極として機能する導電膜13と重なる酸化物半導体膜19aの
端部において、n型化しやすくなる。当該n型化された端部が、ソース電極及びドレイン
電極として機能する導電膜21a、21bの間に設けられると、n型化された領域がキャ
リアのパスとなってしまい、寄生チャネルが形成される。しかしながら、C−Dの断面図
に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極として機能する導電膜29bが、酸
化物絶縁膜23、25を介して、酸化物半導体膜19aの側面と対向することで、ゲート
電極として機能する導電膜29bの電界の影響により、酸化物半導体膜19aの側面、ま
たは側面及びその近傍を含む領域における寄生チャネルの発生が抑制される。この結果、
しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が急峻である、電気特性の優れたトランジスタ
となる。
画素電極として機能する導電性を有する酸化物半導体膜が形成される。導電性を有する酸
化物半導体膜は容量素子の一方の電極として機能する。また、コモン電極は容量素子の他
方の電極として機能する。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電膜を形
成する工程が不要であり、作製工程を削減できる。また、容量素子は透光性を有する。こ
の結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率を高めることができる。
同じ符号の構成については、説明を省略する。
の材料を適宜用いることができる。
図34乃至図36、及び図49を用いて説明する。
ート電極として機能する導電膜13、窒化物絶縁膜15、酸化物絶縁膜16、酸化物半導
体膜19a、導電性を有する酸化物半導体膜19b、ソース電極及びドレイン電極として
機能する導電膜21a、21b、酸化物絶縁膜22、酸化物絶縁膜24、及び窒化物絶縁
膜26をそれぞれ形成する。当該工程においては、第1のフォトマスク乃至第4のフォト
マスクを用いたフォトリソグラフィ工程を行う。
りマスクを形成した後、該マスクを用いて窒化物絶縁膜26の一部をエッチングして、図
49(A)に示すように、開口部41a、41bを有する窒化物絶縁膜27を形成する。
縁膜27上に、後にコモン電極29、ゲート電極として機能する導電膜29bとなる導電
膜28を形成する。
スクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜28の一部をエッチングして、図49(
C)に示すように、コモン電極29及びゲート電極として機能する導電膜29bを形成す
る。この後、マスクを除去する。
することができる。
する導電膜29bが、酸化物絶縁膜23、25を介して、酸化物半導体膜19aの側面と
対向することで、ゲート電極として機能する導電膜29bの電界の影響により、酸化物半
導体膜19aの側面、または側面及びその近傍を含む領域における寄生チャネルの発生が
抑制される。この結果、しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が急峻である、電気特
性の優れたトランジスタとなる。
域を有するコモン電極が形成される。このため、コントラストの優れた表示装置を作製す
ることができる。
時に、画素電極として機能する導電性を有する酸化物半導体膜が形成される。導電性を有
する酸化物半導体膜は容量素子の一方の電極として機能する。また、コモン電極は、容量
素子の他方の電極として機能する。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導
電膜を形成する工程が不要であり、作製工程を削減できる。また、容量素子は透光性を有
する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率を高めることができ
る。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、上記実施の形態と比較して、酸化物半導体膜の欠陥量をさらに低減
することが可能なトランジスタを有する表示装置について図面を参照して説明する。本実
施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態5乃至実施の形態7と比較して、複数の
酸化物半導体膜を有する多層膜を有する点が異なる。ここでは、実施の形態5を用いて、
トランジスタの詳細を説明する。
−B、C−D間の断面図に相当する。
を介して、ゲート電極として機能する導電膜13と重なる多層膜37aと、多層膜37a
に接するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜21a、21bとを有する。
また、窒化物絶縁膜15及び酸化物絶縁膜17、多層膜37a、及びソース電極及びドレ
イン電極として機能する導電膜21a、21b上には、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜
25、及び窒化物絶縁膜27が形成される。
bと、多層膜37bに接する窒化物絶縁膜27と、窒化物絶縁膜27に接するコモン電極
29とを有する。多層膜37bは画素電極として機能する。
19a及び酸化物半導体膜39aを有する。即ち、多層膜37aは2層構造である。また
、酸化物半導体膜19aの一部がチャネル領域として機能する。また、多層膜37aに接
するように、酸化物絶縁膜23が形成されており、酸化物絶縁膜23に接するように酸化
物絶縁膜25が形成されている。即ち、酸化物半導体膜19aと酸化物絶縁膜23との間
に、酸化物半導体膜39aが設けられている。
れる酸化物膜である。このため、酸化物半導体膜19aと酸化物半導体膜39aとの界面
において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害さ
れないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
n−M−Zn酸化物膜(MはAl、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)で
あり、且つ酸化物半導体膜19aよりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代
表的には、酸化物半導体膜39aの伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜19a
の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1e
V以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、また
は0.4eV以下である。即ち、酸化物半導体膜39aの電子親和力と、酸化物半導体膜
19aの電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、
または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4
eV以下である。
るため好ましい。
をInより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。(1)酸化物
半導体膜39aのエネルギーギャップを大きくする。(2)酸化物半導体膜39aの電子
親和力を小さくする。(3)外部からの不純物の拡散を低減する。(4)酸化物半導体膜
19aと比較して、絶縁性が高くなる。(5)Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、また
はNdは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、酸素欠損が生じにくくなる。
0atomic%としたときInとMの原子数比率は、Inが50atomic%未満、
Mが50atomic%より高く、さらに好ましくは、Inが25atomic%未満、
Mが75atomic%り高いとする。
Al、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜19a
と比較して、酸化物半導体膜39aに含まれるM(Al、Ga、Y、Zr、Sn、La、
Ce、またはNd)の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜19aに含まれる
上記原子と比較して、1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上高
い原子数比である。
はAl、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜39
aをIn:M:Zn=x1:y1:z1[原子数比]、酸化物半導体膜19aをIn:M
:Zn=x2:y2:z2[原子数比]とすると、y1/x1がy2/x2よりも大きく
、好ましくは、y1/x1がy2/x2よりも1.5倍以上である。さらに好ましくは、
y1/x1がy2/x2よりも2倍以上大きく、より好ましくは、y1/x1がy2/x
2よりも3倍以上大きい。
、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜19aを成膜するために用いるター
ゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x
1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3
以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6
以下とすることで、酸化物半導体膜19aとしてCAAC−OS膜が形成されやすくなる
。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、I
n:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2等がある。
、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜39aを成膜するために用いるター
ゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2とすると、x
2/y2<x1/y1であって、z2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以
下であることが好ましい。なお、z2/y2を1以上6以下とすることで、酸化物半導体
膜39aとしてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数
比の代表例としては、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In
:M:Zn=1:3:6、In:M:Zn=1:3:8、In:M:Zn=1:4:4、
In:M:Zn=1:4:5、In:M:Zn=1:4:6、In:M:Zn=1:4:
7、In:M:Zn=1:4:8、In:M:Zn=1:5:5、In:M:Zn=1:
5:6、In:M:Zn=1:5:7、In:M:Zn=1:5:8、In:M:Zn=
1:6:8等がある。
して上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。
体膜19aへのダメージ緩和膜としても機能する。
0nm以下とする。
とができる。
の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領
域の二種以上を有する混合膜を構成してもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、
微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいず
れか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構
造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の
領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある。
が設けられている。このため、酸化物半導体膜39aと酸化物絶縁膜23の間において、
不純物及び欠陥によりキャリアトラップが形成されても、当該キャリアトラップと酸化物
半導体膜19aとの間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜19aを流れる電子
がキャリアトラップに捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能
であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、キャリアトラップに電子が
捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタの
しきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜19aとキャリアトラッ
プとの間に隔たりがあるため、キャリアトラップにおける電子の捕獲を削減することが可
能であり、しきい値電圧の変動量を低減することができる。
外部から酸化物半導体膜19aへ移動する不純物量を低減することが可能である。また、
酸化物半導体膜39aは、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜19
aにおける不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
なく連続接合(ここでは特に伝導帯の下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化する構
造)が形成されるように作製する。すなわち、各膜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不純物が存在しないような積層構造とする。仮に、積層された
酸化物半導体膜19a及び酸化物半導体膜39aの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され、あるいは再結合して、消
滅してしまう。
置(スパッタリング装置)を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層するこ
とが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって
不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポン
プを用いて高真空排気(5×10−7Pa乃至1×10−4Pa程度まで)することが好
ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャン
バー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好まし
い。
多層膜38aを有してもよい。
膜38bを有してもよい。
39aを有する。即ち、多層膜38aは3層構造である。また、酸化物半導体膜19aが
チャネル領域として機能する。
ることができる。
膜19f、及び導電性を有する酸化物半導体膜39bを有する。即ち、多層膜38bは3
層構造である。また、多層膜38bは画素電極として機能する。
適宜用いることができる。酸化物半導体膜49bは、酸化物半導体膜39bと同様の材料
及び形成方法を適宜用いることができる。
と酸化物半導体膜19aとの間に、酸化物半導体膜49aが設けられている。
酸化物絶縁膜23が接する。即ち、酸化物半導体膜19aと酸化物絶縁膜23との間に、
酸化物半導体膜39aが設けられている。
半導体膜49aの厚さを1nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上3nm以下とする
ことで、トランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。
に、酸化物半導体膜39aが設けられている。このため、酸化物半導体膜39aと酸化物
絶縁膜23の間において、不純物及び欠陥によりキャリアトラップが形成されても、当該
キャリアトラップと酸化物半導体膜19aとの間には隔たりがある。この結果、酸化物半
導体膜19aを流れる電子がキャリアトラップに捕獲されにくく、トランジスタのオン電
流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、
キャリアトラップに電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。
この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体
膜19aとキャリアトラップとの間に隔たりがあるため、キャリアトラップにおける電子
の捕獲を削減することが可能であり、しきい値電圧の変動量を低減することができる。
外部から酸化物半導体膜19aへ移動する不純物量を低減することが可能である。また、
酸化物半導体膜39aは、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜19
aにおける不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
けられており、酸化物半導体膜19aと酸化物絶縁膜23との間に、酸化物半導体膜39
aが設けられているため、酸化物半導体膜49aと酸化物半導体膜19aとの界面近傍に
おけるシリコンや炭素の濃度、酸化物半導体膜19aにおけるシリコンや炭素の濃度、ま
たは酸化物半導体膜39aと酸化物半導体膜19aとの界面近傍におけるシリコンや炭素
の濃度を低減することができる。これらの結果、多層膜38aにおいて、一定光電流測定
法で導出される吸収係数は、1×10−3/cm未満、好ましくは1×10−4/cm未
満となり、局在準位が極めて少ない。
38aにおいて欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性を向上させることが可
能であり、代表的には、オン電流の増大及び電界効果移動度の向上が可能である。また、
ストレス試験の一例であるBTストレス試験及び光BTストレス試験におけるしきい値電
圧の変動量が少なく、信頼性が高い。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態5乃至実施の形態8に示す、第1の基板11上に形成さ
れた素子層の一部を用いた発光装置について、図51及び図52を用いて説明する。なお
、ここでは、実施の形態5及び実施の形態6に示す素子層の一部を用いて説明するが、適
宜他の構成の素子層を発光装置に用いることができる。
素子層において、無機絶縁膜30上に設けられる絶縁膜371と、無機絶縁膜30、導電
性を有する酸化物半導体膜19b、及び絶縁膜371上に設けられるEL層373と、E
L層373及び絶縁膜371上に設けられる導電膜375とを有する。導電性を有する酸
化物半導体膜19b、EL層373、及び導電膜375により発光素子370aを構成す
る。
素子層において、無機絶縁膜30及び透光性を有する導電膜29c上に設けられる絶縁膜
371と、無機絶縁膜30及び透光性を有する導電膜29c上に設けられるEL層373
と、EL層373及び絶縁膜371上に設けられる導電膜375とを有する。透光性を有
する導電膜29c、EL層373、及び導電膜375により発光素子370bを構成する
。
時に、画素電極として機能する導電性を有する酸化物半導体膜が形成される。このため、
従来より少ない工程数で、発光装置を作製することができる。
同時に、容量素子の電極として機能する導電性を有する酸化物半導体膜が形成される。導
電性を有する酸化物半導体膜は容量素子の一方の電極として機能する。これらのため、容
量素子を形成するために、新たに導電膜を形成する工程が不要であり、作製工程を削減で
きる。また、容量素子の他方の電極は、画素電極として機能する透光性を有する導電膜で
ある。このため、容量素子は透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくし
つつ、画素の開口率を高めることができる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した表示装置に含まれているトランジスタに
おいて、酸化物半導体膜に適用可能な一態様について説明する。
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
れる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned
Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。
半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−
OS、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
まずは、CAAC−OSについて説明する。なお、CAAC−OSを、CANC(C−
Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこ
ともできる。
半導体の一つである。
oscope)によって、CAAC−OS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。
、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OS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 Aberratio
n 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72(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の膜を形成する面(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の被形成面または上面と平行となる。
)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図72(B)および図72(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。
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72(D)参照。)。図72(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72(D)に示す領域5161に相当する。
s補正高分解能TEM像を示す。図73(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73(B)、図73(C)および
図73(D)に示す。図73(B)、図73(C)および図73(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について説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−O
Sに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図74(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、InGa
ZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS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。
°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。
ne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、I
nGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OSの場合は、2θを5
6°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74(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74(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−OS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。
ZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nm
の電子線を入射させると、図75(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。この回折パターンには、InGaZnO4
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75(B)に示す。図7
5(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75(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75(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。
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、CA
AC−OSは、不純物濃度の低い酸化物半導体ということもできる。また、CAAC−O
Sは、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
なる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、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。
属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体の原子配列
を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
することができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な
酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OS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となりやすい。したがって、CA
AC−OS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
酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体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−OS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。
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について説明する。
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を、nc−OS(nanocrystallin
e Oxide Semiconductor)と呼ぶ。nc−OS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、CAA
C−OS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の結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
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を、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有
する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystal
s)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
、nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−O
S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は、C
AAC−OS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について説明する。
物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
lane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を非
晶質酸化物半導体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
物半導体を非晶質酸化物半導体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およびnc−OSを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質
酸化物半導体と呼ぶことはできない。
なお、酸化物半導体は、nc−OSと非晶質酸化物半導体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を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−l
ike OS:amorphous−like Oxide Semiconducto
r)と呼ぶ。
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。
e OSが、CAAC−OSおよびnc−OS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。
試料Bと表記する。)およびCAAC−OS(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76より、a−li
ke OS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76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−/n
m2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−O
SおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−
/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76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お
よびCAAC−OS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。
ある。一方、nc−OSおよびCAAC−OS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は、nc−OSおよびCAAC−
OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。
べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OS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CAA
C−OS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におい
て、a−like OS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の密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm
3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、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、微結晶酸化
物半導体、CAAC−OS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およびnc−OSの成膜モデルの一例について説明する。
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78(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78(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78(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76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78(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7
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層と、In−O層と、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が、In−Ga−Z
n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76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となる(図77(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5
100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450℃
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。
、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79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が形成される。したがって、CA
AC−OSは、nc−OSよりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図76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、CA
AC−OS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を得ることができる。
00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5
120が凹凸を有するため、CAAC−OS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とすることができる。
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を得ることができる。
どと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、本発明の一態様の表示装置が適用された電子機器の構成例について
説明する。また、本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置を適用した表示モジュー
ルについて、図53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。
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。
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801
1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。
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等のカ
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。
03a、1003bなどによって構成されている。表示部1003bはタッチパネルとな
っており、表示部1003bに表示されるキーボードボタン1004を触れることで画面
操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部1003aをタッチパネルとして構
成してもよい。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネ
ルや有機発光パネルを作製して表示部1003a、1003bに適用することにより、信
頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
ど)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に
表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理
を制御する機能、等を有することができる。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端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
もよい。無線により、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。
に装着するための固定部1022と、スピーカー、操作ボタン1024、外部メモリスロ
ット1025等が設けられている。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング
素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1023に適用することにより
、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフ
リーでの会話も可能である。
されている。筐体1031には、表示パネル1032、スピーカー1033、マイクロフ
ォン1034、ポインティングデバイス1036、カメラ1037、外部接続端子103
8などを備えている。また、筐体1030には、携帯電話の充電を行う太陽電池1040
、外部メモリスロット1041などを備えている。また、アンテナは筐体1031内部に
内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示パネル1032に適用す
ることにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
れている複数の操作キー1035を点線で示している。なお、太陽電池1040で出力さ
れる電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
ル1032と同一面上にカメラ1037を備えているため、テレビ電話が可能である。ス
ピーカー1033及びマイクロフォン1034は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、
再生などが可能である。さらに、筐体1030と筐体1031は、スライドし、図54(
C)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小
型化が可能である。
能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外
部メモリスロット1041に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応で
きる。
もよい。
、筐体1051に表示部1053が組み込まれている。表示部1053により、映像を表
示することが可能である。また、筐体1051を支持するスタンド1055にCPUが内
蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示部1053及びCPUに適
用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。
モートコントローラにより行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操
作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
に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
。
052、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子1054は、USBケーブルな
どの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能
である。記憶媒体再生録画部1052では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に
記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモ
リスロットに差し込まれた外部メモリ1056にデータ保存されている画像や映像などを
表示部1053に映し出すことも可能である。
、当該トランジスタを外部メモリ1056やCPUに適用することにより、消費電力が十
分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。
設けられた表示パネル1110を備える。
面と対向する第3の側面、第2の側面と対向する第4の側面とを有する表面形状を有する
。
101の側面の一つと重なる第2の表示領域1112、筐体1101の側面の他の一つと
重なる第3の表示領域1113、第2の表示領域と対向する第4の表示領域1114を有
する。
曲面形状を有することが好ましい。例えば、上面と側面、および側面と裏面との間に角部
を有さず、これらの面が連続していることが好ましい。また、側面の形状が、筐体110
1の上面から裏面にかけて接線の傾きが連続するような曲面を有することが好ましい。
接続端子等を有していてもよい。また、表示パネル1110と重なる位置、具体的には各
表示領域と重なる領域にはタッチセンサを有していることが好ましい。
、筐体の側面にも表示を行うことが可能となる。特に、筐体の2以上の側面に沿って表示
領域を設けると、表示の多様性がより高まるため好ましい。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
濃度、抵抗率、及び透過率を調べた結果を、図55及び図56に示す。
本実施例においては、不純物濃度測定用の試料として、試料A1及び試料A2を作製し
た。
ZO膜と示す。また、図55においてIGZOと示す。)を成膜した。次に、窒素雰囲気
で450℃、1時間の熱処理を行い、続けて窒素と酸素の混合ガス雰囲気(窒素=80%
、酸素=20%)で450℃、1時間の熱処理を行った。その後、厚さ100nmの窒化
シリコン膜(図55においてSiNと示す。)を成膜した。
(In:Ga:Zn=1:1:1)を用い、50vol%の酸素(アルゴン希釈)をスパ
ッタリングガスとして用い、圧力=0.6Pa、成膜電力=5000W、基板温度=17
0℃の条件を用いた。
NH3=50/5000/100sccm、圧力=100Pa、成膜電力=1000W、
基板温度=220℃の条件を用いた。以上の工程により、試料A1を作製した。
膜した。次に、窒素雰囲気で450℃、1時間の熱処理を行い、続けて窒素と酸素の混合
ガス雰囲気(窒素=80%、酸素=20%)で450℃、1時間の熱処理を行った。その
後、厚さ450nmの酸化窒化シリコン膜(図55においてSiONと示す。)及び厚さ
100nmの窒化シリコン膜を積層して成膜した。
様の条件を用いた。また、酸化窒化シリコン膜の成膜条件としては、プラズマCVD法に
て、SiH4/N2O=30/4000sccm、圧力=40Pa、成膜電力=150W
、基板温度=220℃の条件で50nmの厚さの酸化窒化シリコン膜を成膜し、その後、
プラズマCVD法にて、SiH4/N2O=160/4000sccm、圧力=200P
a、成膜電力=1500W、基板温度=220℃の条件で400nmの厚さの酸化窒化シ
リコン膜を成膜した。以上の工程により、試料A2を作製した。
Ion Mass Spectrometry)を用い、ガラス基板側から測定を行った
。
ファイルであり、破線は、試料A2の測定により得られた水素(H)の濃度プロファイル
である。
toms/cm3であることがわかる。また、試料A2におけるIGZO膜中の水素(H
)濃度は、5.0×1019atoms/cm3であることがわかる。
面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られている。そこで、膜中におけ
る水素(H)の厚さ方向の分布を、SIMSで分析する場合、対象となる膜の存在する範
囲において、極端な変動が無く、ほぼ一定の強度が得られる領域における平均値を採用す
る。
の水素(H)濃度に差があること確認された。酸化窒化シリコン膜と接するIGZO膜と
比較して、窒化シリコン膜と接するIGZO膜のほうが、水素(H)濃度が高いことがわ
かる。このことから、窒化シリコン膜からIGZO膜に、水素(H)が拡散していること
がわかった。
以上であるのに対し、試料A1に含まれるIGZO膜では抵抗率がρ=3.6×10−3
[Ωcm]にまで低下していた。この抵抗率は、透光性を有する導電膜の一例であるIT
O膜に比肩するほどの値である。
次に、低抵抗化した酸化物半導体膜の透過率に関して説明する。
リコン膜を積層して成膜した。
(In:Ga:Zn=1:1:1)を用い、33vol%の酸素(アルゴン希釈)をスパ
ッタリングガスとして用い、圧力=0.4Pa、成膜電力=200W、基板温度=300
℃の条件を用いた。
NH3=50/5000/100sccm、圧力=100Pa、成膜電力=1000W、
基板温度=350℃の条件を用いた。以上の工程により、試料A3を作製した。
図56に示す。試料A3において、透過率は広いエネルギー領域に対して80%以上にな
っており、低抵抗化した酸化物半導体膜は、透光性を有する電極として利用できるものと
考えられる。
であるか調べるため、一定光電流測定法(Constant Photocurrent
Method:CPM)、硬X線光電子分光(Hard X−ray Photoel
ectron Spectroscopy:HX−PES)、SIMS、電子スピン共鳴
(Electron Spin Resonance :ESR)、昇温脱離ガス分析(
Thermal Desorption Spectroscopy:TDS)を用いた
分析を行った。また、抵抗率の温度依存性についても測定を行った。
はじめに、真空雰囲気における加熱処理と、酸化物半導体膜の酸素欠損量の関係をCP
M測定により評価した。CPM測定では、深い準位を形成する欠陥における光吸収量を高
感度で測定し、相対比較することができる。
一対の電極を形成して、各試料を作製した。なお、一部の試料には、IGZO膜を形成し
た後、真空雰囲気(4×10−4Pa)で700℃または800℃の加熱処理を行った。
各試料におけるIGZO膜の作製条件を表8に示す。なお、表8において、加熱処理を行
っていない試料をas−depoと示し、真空雰囲気で700℃の加熱処理を行った試料
を700℃ vac.annealと示し、真空雰囲気で800℃の加熱処理を行った試
料を800℃ vac.annealと示す。
O膜に接して設けられた一対の電極の間に電圧を印加した状態で、光電流値が一定となる
ように一対の電極の間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係数を導出す
ることを各波長にて行うものである。CPM測定において、測定対象物に欠陥があるとき
、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー(波長より換算)における吸収係数が増加する
。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、測定対象物の欠陥密度を導出するこ
とができる。
係数のカーブ(図57の上段の実線)から、バンドの裾に起因するアーバックテールと呼
ばれる吸収係数(図57の上段の破線)分を除くことにより、局在準位による吸収係数を
算出することができる。なお、アーバックテールとは、CPM測定によって得られた吸収
係数のカーブにおいて一定の傾きを有する領域をいい、当該傾きをアーバックエネルギー
という。図57の上段において、横軸は光エネルギーを表し、縦軸は吸収係数を表す。
示す。図57の下段において、横軸は吸収係数を表し、縦軸は光エネルギーを表す。なお
、図57の下段の縦軸において、IGZO膜の伝導帯の下端を0eVとし、価電子帯の上
端を3.5eVとする。図57の下段において、実線で示す曲線は、各試料のバンドギャ
ップ中の深い準位に相当する。各試料において、光エネルギーが1.6eV以上2.8e
V以下の範囲において、バンドギャップ中の深い準位に起因する吸収が確認された。各試
料におけるバンドギャップ中の深い準位による吸収係数の定量値を表9に示す。
処理を行うことにより増加していることがわかる。なお、第一原理計算により、IGZO
膜における酸素欠損VOは、バンドギャップ中の深い位置に準位を形成することが示唆さ
れているため、CPMで観測されているバンドギャップ中の深い準位も、酸素欠損VOに
対応していると推測される。即ち、真空雰囲気における加熱処理は、IGZO膜に酸素欠
損VOを生成するということが示唆される。
はじめに、HX−PESを用いて酸化物半導体膜のギャップ内準位を測定した。
(In:Ga:Zn=1:1:1)を用い、33vol%の酸素(アルゴン希釈)をスパ
ッタリングガスとして用い、圧力=0.4Pa、成膜電力=500W、基板温度=300
℃の条件を用いた。以上の工程により、試料B1を作製した。
成した後、IGZO膜にアルゴンを添加して、酸素欠損を有するIGZO膜を形成した。
ルゴン濃度が1×1020[1/cm3]であるIGZO膜を形成した。以上の工程によ
り、試料B2を作製した。
た。この結果、Hが導入されたIGZO膜を形成した。
。図58において、横軸は結合エネルギーを示し、縦軸は信号の強度(任意単位)を示す
。
の位置を示している。フェルミレベルから約0.2eVの位置にギャップ内準位が確認さ
れる(以下、浅い準位という。)。
深い準位という。)。
oor)。試料B2は、酸素欠損VOの量が多く(VO−rich)、水素濃度が低い(
H−poor)。試料B3は、酸素欠損VOの量が多く(VO−rich)、水素濃度が
高い(H−rich)。
される。このことから、酸化物半導体膜を低抵抗化するためには、フェルミレベルから約
0.2eVの位置にある浅い準位が重要な役割を果たしているものと推測される。
次に、試料B1乃至試料B3におけるIGZO膜中の水素(H)濃度をSIMS分析し
た結果を、図59に示す。図59において、実線は試料B1の測定結果であり、破線は試
料B2の測定結果であり、一点破線は試料B3の測定結果である。
いことが分かる。一方、試料B3は、試料B1及び試料B2と比較して、水素(H)濃度
が高く、具体的には、1×1020[1/cm3]程度の水素(H)が存在していること
が分かる。
造の崩れによって、膜中の酸素欠損(VO)濃度が上昇していると考えられる。また、酸
素欠損(VO)が増加することで、図58の試料B2及び試料B3に示すように、深い準
位における信号の強度が増加している。一方、試料B2において、深い準位のみにおける
信号の強度が増加しているが、試料B2に水素(H)が導入された試料B3において、深
い準位における信号の強度は減少し、浅い準位における信号の強度が増加している。
酸素欠損(VO)及び水素(H)が存在することによって生じるHOに起因するものであ
ると推測される。
次に、IGZO膜中における酸素欠損(VO)と水素(H)の挙動をより詳細に調べる
ため、ESR分析によるIGZO膜中の欠陥評価を行った。
O、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化インジウム)の薄膜を有する試料のESR測定を行っ
た。
試料における薄膜の作製条件を表10及び表11に示す。なお、成膜後に加熱処理を行っ
ていない試料の作製条件を表10に示す。また、成膜後に加熱処理を行った試料の作製条
件を表11に示す。
た結果を図60に示す。図60において、横軸は磁場、縦軸は規格化されたESRシグナ
ル強度を示す。IGZO膜、酸化亜鉛膜、酸化ガリウム膜、または酸化インジウム膜を有
する試料のすべてにおいて、g=2付近に非対称なESRシグナルが観測された。
を行った結果を図61に示す。図61において、横軸は磁場、縦軸は規格化されたESR
シグナル強度を示す。IGZO膜を有する試料では、g=1.932にESRシグナルが
観測され、酸化亜鉛膜を有する試料ではg=1.967にESRシグナルが観測され、酸
化インジウム膜を有する試料ではg=1.877にESRシグナルが観測された。一方、
酸化ガリウム膜を有する試料では、ESRシグナルが観測されなかった。
たg=1.93のESRシグナルは、IGZOの構成元素の酸化物で形成された、酸化亜
鉛膜、酸化ガリウム膜、酸化インジウム膜とは異なるg値をもつESRシグナルであるこ
とが確認された。また、IGZO膜を有する試料で観測されたESRシグナルは、自由電
子のg値(g=2.0023)よりも大幅に小さいg値を持つ。このことから、IGZO
膜を有する試料で観測されたESRシグナルが、金属元素に関連することが考えられる。
強度と、膜厚との関係について測定した。測定には、石英基板上に、20nmから100
nmの範囲で厚さを変化させたIGZO膜を成膜した試料を用いた。IGZO膜の作製条
件として、スパッタリング法にて、金属酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=1:1:
1)を用い、33vol%の酸素(アルゴン希釈)をスパッタリングガスとして用い、圧
力=0.4Pa、成膜電力=500W、基板温度=200℃の条件を用いた。
いて、横軸は各試料におけるIGZO膜の膜厚を示し、縦軸はg=1.93のESRシグ
ナルの積分強度を示す。上記試料からは、前述したg=1.93のESRシグナルが観測
された。なお、該ESRシグナルを積分することにより、ESRシグナルの要因となるス
ピンの数を算出することができる。即ち、図62は、g=1.93のESRシグナルの積
分強度から算出したスピン数のIGZO膜厚依存性を示しているといえる。図62より、
IGZO膜におけるg=1.93のESRシグナルの積分強度は、膜厚におおよそ比例し
ていることが分かる。このことから、g=1.93のESRシグナルの起因となるスピン
は、IGZO膜中に均一に存在しており、石英とIGZO膜の界面やIGZO膜の表面に
局在していないことが確認された。
示す。図63において、横軸は1000/T(Tは絶対温度)を示し、左縦軸はg=1.
93のESRシグナルのシグナル強度を示し、右縦軸はESR線幅を示す。ここで、ES
R線幅とは、ローレンツ関数の一次微分形で出力されるESR測定データにおいて、信号
強度の最大値と最小値をとる磁場の間隔と定義する。また、シグナル強度とは、微分形で
出力されるESR測定データの信号強度を二階積分して算出した値を、室温での強度が1
となるように規格化したものと定義した。図63より、g=1.93のESRシグナルの
シグナル強度は、測定温度にほとんど依存しないことが分かる。また、ESR線幅は、温
度の低下により増加することが分かる。このような温度依存性は、グラファイトなどのパ
ウリ常磁性体をESR測定して得られるESRシグナルにみられる特徴である。即ち、図
63に示すような温度依存性を有するESRシグナルの起因は、伝導電子であることが示
唆される。
べるため、真空雰囲気における加熱処理及び減圧H2雰囲気における加熱処理によって、
それぞれ酸素欠損(VO)、水素(H)をIGZO膜中に導入した試料を詳細に分析した
。ここでは、異なる加熱処理の条件を用いることより、試料B5乃至試料B12を作製し
た。各試料の加熱処理条件を、表12に示す。なお、試料B5乃至試料B12において、
石英基板上に厚さ100nmのIGZO膜を形成した。IGZO膜の成膜条件は、試料A
1のIGZO膜の成膜条件において、成膜電力を2500Wとする条件を用いた。
4Paで1時間行った。本実施例で上述した<CMP>より、真空雰囲気における加熱処
理によって、IGZO膜中に酸素欠損が増加している。また、当該加熱処理により、IG
ZO膜中の水素濃度が低減されていると期待される。
B12において、減圧H2雰囲気で加熱処理を行った。即ち、試料B6、試料B8、試料
B10、試料B12においては、酸素欠損及び水素それぞれの量が増加していると考えら
れる。なお、減圧H2雰囲気における加熱処理は、IGZO膜中への水素以外の元素の混
入を極力抑えるために、133Paで1時間行った。
と、熱処理条件との関係を示す。ESRスピン密度は、IGZO膜中におけるg=1.9
3シグナルの積分強度である。図64において、棒グラフはESRスピン密度を示し、折
れ線グラフはそれに伴った抵抗率の推移を示している。傾向を分かりやすく示すため、図
中では抵抗率ρではなく、1/ρをプロットした。また、黒丸は、それぞれ試料B7、試
料B9、及び試料B11の1/ρを示し、白丸は、それぞれ試料B6、試料B8、試料B
10、及び試料B12の1/ρを示す。
スピン密度と、熱処理条件との関係を示す。ESRスピン密度は、IGZO膜中における
g=1.93のESRシグナルの積分強度である。図65において、棒グラフはESRス
ピン密度を示し、折れ線グラフはIGZO膜中の水素濃度の推移を示している。また、黒
丸は、それぞれ試料B5、試料B7、試料B9、及び試料B11の水素濃度を示し、白丸
は、それぞれ試料B6、試料B8、試料B10、及び試料B12の水素濃度を示す。
(1/ρ)と、熱処理条件との関係を示す。図66において、縦縞の棒グラフは水素濃度
を示し、斜線の棒グラフは導電率を示している。
SRスピン密度は検出下限(3.7×1016[spins/cm3])以下になってい
るため、抵抗率及びESRスピン密度をプロットしていない。
B11では、明らかに抵抗率が増加している。また、図66において、試料B7、試料B
9、及び試料B11では、導電率が低下している。一方で、図65及び図66において、
真空雰囲気における加熱処理を行った試料B7、試料B9、及び試料B11では、加熱処
理の温度が上昇するにつれ、水素濃度が低減している。また、試料B11において、ES
Rスピン密度は減少している。
0、及び試料B12では、真空雰囲気における加熱処理の温度に依らず、抵抗率はほぼ同
程度になっている。また、図66において、試料B8、試料B10、及び試料B12では
、導電率はほぼ同程度になっている。また、図65及び図66において、減圧H2雰囲気
における加熱処理を行った試料B8、試料B10、及び試料B12では、真空雰囲気にお
ける加熱処理の温度に依らず、水素濃度はほぼ同程度になっている。また、試料B12に
おいて、減圧H2雰囲気における加熱処理により、ESRスピン密度が増加している。
理を行うことで、水素濃度と酸素欠損が共に増加したときに、ESRスピン密度が増加す
ることが確認された。即ち、酸素欠損(VO)と水素(H)の共存が、抵抗率及び導電率
に対して非常に重要な役割を果たしていることを示唆するものと考えられる。
。図67において、横軸は、各試料のIGZO膜におけるg=1.93のESRスピン密
度を示し、縦軸は、各試料のIGZO膜における1/ρを示す。また、図67において、
試料B7、試料B9、試料B11の測定結果を黒丸で示し、試料B6、試料B8、試料B
10、試料B12の測定結果を白丸で示す。
ことから、IGZO膜におけるg=1.93のESRシグナルは、HOや抵抗率に強く関
連付けられるものと考えられる。
次に、HOの安定性を評価するため、表12における試料B6及び試料B12のTDS
分析を行った。図68に、TDS分析結果を示す。図68は、試料B6及び試料B12そ
れぞれにおいて、表面温度が50℃から600℃まで加熱した時の、質量電荷比m/z=
2(H2)と、質量電荷比m/z=18(H2O)の脱離量に比例した強度を示す。なお
、表面温度が100℃以下におけるH2Oの脱離は、表面吸着水の脱離によるものである
。
た試料B12では550℃まで加熱してもH2Oガスの脱離が確認されていない。これは
、酸素欠損(VO)を導入し中に後から入った水素(H)がHOとして安定し、熱処理に
よって離脱し難くなっているものと解釈できる。この結果は、実施の形態4で説明した計
算結果とも一致している。
実施の形態4に示すメカニズムが、IGZO膜及び窒化シリコン膜の積層膜の低抵抗化
の要因として妥当か否かを確認するため、一旦IGZO膜上に窒化シリコン膜を形成した
後に、窒化シリコン膜をエッチバックした試料をHX−PES分析した。
(In:Ga:Zn=1:1:1)を用い、50vol%の酸素(アルゴン希釈)をスパ
ッタリングガスとして用い、圧力=0.6Pa、成膜電力=2500W、基板温度=17
0℃の条件を用いた。以上の工程により、試料B13を作製した。
成膜した後、厚さ100nmの窒化シリコン膜を形成した。
=50/5000/100sccm、圧力=100Pa、成膜電力=1000W、基板温
度=350℃の条件を用いた。
、試料B14を作製した。なお、試料B14に含まれるIGZO膜は、低抵抗化された膜
である。
ネルギーが−0.5eVから0.5eVの範囲のスペクトルの拡大図を、図69中に別途
図示した。図69において、実線は試料B14の分析結果であり、破線は試料B13の分
析結果である。
ある浅い準位が増大していることが確認された。同様にして、試料B13と比較して、試
料B14の方が、フェルミレベルから約2eVの位置にある深い準位も増大していること
が確認された。これらの準位の増大は、前述したとおり、窒化シリコン膜をIGZO膜上
に成膜する際に生じるダメージによって増加する酸素欠損(VO)の増加と、窒化シリコ
ン膜に含まれる水素(H)がIGZO膜に拡散することで生成されるHOの増加が、原因
であると考えられる。
て生じる酸素欠損(VO)と、外部から拡散する水素(H)が結合してHOとなって、ド
ナー準位を形成することが分かった。
次に、酸化物半導体で形成される膜(以下、酸化物半導体膜(OS)という。)及び酸
化物導電体で形成される膜(以下、酸化物導電体膜(OC)という。)それぞれにおける
、抵抗率の温度依存性について、図70を用いて説明する。図70において、横軸に測定
温度を示し、縦軸に抵抗率を示す。ここで、抵抗率の測定は4端子のvan−der−P
auw法で行った。また、酸化物半導体膜(OS)の測定結果を丸印で示し、酸化物導電
体膜(OC)の測定結果を四角印で示す。
:Zn=1:1:1.2のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚
さ35nmのIn−Ga−Zn酸化物膜を形成し、原子数比がIn:Ga:Zn=1:4
:5のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚さ20nmのIn−
Ga−Zn酸化物膜を形成し、450℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、450℃の窒素
及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理し、さらにプラズマCVD法で酸化窒化シリコン膜
を形成して、作製された。
:Zn=1:1:1のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚さ1
00nmのIn−Ga−Zn酸化物膜を形成し、450℃の窒素雰囲気で加熱処理した後
、450℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理し、プラズマCVD法で窒化シリ
コン膜を形成して、作製された。
化物半導体膜(OS)における抵抗率の温度依存性より小さい。代表的には、80K以上
290K以下における酸化物導電体膜(OC)の抵抗率の変化率は、±20%未満である
。または、150K以上250K以下における抵抗率の変化率は、±10%未満である。
即ち、酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一
致していると推定される。
様と表示画像について、説明する。
1に示すように、本発明の表示装置は、高精細で表示品位の優れた液晶表示装置である。
なお、本実施例で作製した液晶表示装置は、低周波数駆動方法も可能となっているため、
消費電力の低減が可能である。
Claims (1)
- 第1の絶縁膜上に第1の酸化物半導体膜を形成し、
前記第1の酸化物半導体膜に第1の加熱処理を行った後、水素を含む雰囲気で第2の加熱処理を行うことで、前記第1の酸化物半導体膜を第2の酸化物半導体膜とし、
前記第1の加熱処理は、希ガス雰囲気下において350℃以上800℃以下、且つ1×10−7Pa以上10Pa以下で行われ、
前記第2の酸化物半導体膜の抵抗率は、1×10−3Ωcm以上1×104Ωcm未満である、半導体装置の作製方法。
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