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- H01L29/78621—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film with supplementary region or layer in the thin film or in the insulated bulk substrate supporting it for controlling or increasing the safety of the device characterised by the drain or the source properties, e.g. the doping structure, the composition, the sectional shape or the contact structure with LDD structure or an extension or an offset region or characterised by the doping profile
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- H01L29/78621—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film with supplementary region or layer in the thin film or in the insulated bulk substrate supporting it for controlling or increasing the safety of the device characterised by the drain or the source properties, e.g. the doping structure, the composition, the sectional shape or the contact structure with LDD structure or an extension or an offset region or characterised by the doping profile
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- H10K59/10—OLED displays
- H10K59/12—Active-matrix OLED [AMOLED] displays
- H10K59/121—Active-matrix OLED [AMOLED] displays characterised by the geometry or disposition of pixel elements
- H10K59/1213—Active-matrix OLED [AMOLED] displays characterised by the geometry or disposition of pixel elements the pixel elements being TFTs
Abstract
Description
装置に関する。
の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、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に関する。
装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶
装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電
気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、
半導体装置を有している場合がある。
スタ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路
(IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トラ
ンジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコンを代表とする半導体材料が広く知られて
いるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
てトランジスタを作製する技術が特許文献1で開示されている。
造ともいう)またはプレナー型(トップゲート構造ともいう)等が挙げられる。酸化物半
導体膜を用いたトランジスタを表示装置に適用する場合、プレナー型のトランジスタより
も逆スタガ型のトランジスタの方が、作製工程が比較的簡単であり製造コストを抑えられ
るため、利用される場合が多い。しかしながら、表示装置の画面の大型化、または表示装
置の画質の高精細化(例えば、4k×2k(水平方向画素数=3840画素、垂直方向画
素数=2048画素)または8k×4k(水平方向画素数=7680画素、垂直方向画素
数=4320画素)に代表される高精細な表示装置)が進むと、逆スタガ型のトランジス
タでは、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間の寄生容量があるため、該寄生
容量によって信号遅延等が大きくなり、表示装置の画質が劣化するという問題があった。
また、逆スタガ型のトランジスタの場合、プレナー型のトランジスタと比較して、トラン
ジスタの占有面積が大きくなるといった問題がある。そこで、酸化物半導体膜を用いたプ
レナー型のトランジスタについて、安定した半導体特性及び高い信頼性を有する構造で、
且つ簡単な作製工程で形成されるトランジスタの開発が望まれている。
る。とくに、酸化物半導体を用いたプレナー型の半導体装置を提供する。または酸化物半
導体を用いたオン電流が大きい半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いたオフ
電流が小さい半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いた占有面積の小さい半導
体装置を提供する、または酸化物半導体を用いた安定な電気特性をもつ半導体装置を提供
する、または酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供する、または新規な半
導体装置を提供する、または新規な表示装置を提供することを課題の1つとする。
態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細
書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽
出することが可能である。
体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間のゲート絶縁
膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、酸化物半導
体膜は、ゲート電極と重なる第1の領域と、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極
と重ならない第2の領域と、を有し、第1の領域及び第2の領域は、不純物元素の濃度が
異なり、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極は、同一の金属元素を含む、ことを
特徴とする半導体装置である。
酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間の
ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
酸化物半導体膜は、ゲート電極と重なる第1の領域と、ゲート電極、ソース電極、及びド
レイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、第1の領域及び第2の領域は、不純物元
素の濃度が異なり、第2の領域には、窒化物絶縁膜が接して設けられ、ゲート電極、ソー
ス電極、及びドレイン電極は、同一の金属元素を含むことを特徴とする半導体装置である
。
ましい。また、上記各構成において、不純物元素は、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素
、アルミニウム、シリコン、リンまたは塩素の中から選ばれるいずれか一つであると好ま
しい。
酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間の
ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
酸化物半導体膜は、ゲート電極と重なる第1の領域と、ゲート電極、ソース電極、及びド
レイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、第2の領域は、第1の領域よりも水素濃
度が高く、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極は、同一の金属元素を含むことを
特徴とする半導体装置である。
酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間の
ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
酸化物半導体膜は、ゲート電極と重なる第1の領域と、ゲート電極、ソース電極、及びド
レイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、第1の領域は、第2の領域よりも結晶性
が高く、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極は、同一の金属元素を含むことを特
徴とする半導体装置である。
一部が同一平面上に形成されると好ましい。
Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHfを表す)であると好ましい
。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、結晶部を含み、結晶部のc軸が酸化物
半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行であると好ましい。
表示装置である。
る。とくに、酸化物半導体を用いたプレナー型の半導体装置を提供することができる。ま
たは、酸化物半導体を用いたオン電流が大きい半導体装置を提供することができる。また
は、酸化物半導体を用いたオフ電流が小さい半導体装置を提供することができる。または
、酸化物半導体を用いた占有面積の小さい半導体装置を提供することができる。または、
酸化物半導体を用いた安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することができる。または
、酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規
な半導体装置を提供することができる。または、新規な表示装置を提供することができる
。
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)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)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。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図11
を用いて説明する。
図1に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート構造のトラン
ジスタを示す。
面図を示す。図1(A)はトランジスタ150の上面図であり、図1(B)は、図1(A
)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図1(C)は、図1(A)の一点鎖線X1-
X2間の断面図である。なお、図1(A)では、明瞭化のため、基板102、絶縁膜10
4、絶縁膜108、絶縁膜116、絶縁膜118などを省略している。なお、トランジス
タの上面図においては、以降の図面においてもトランジスタ150と同様に、構成要素の
一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線X1-X2方向をチャネル長方向、
一点鎖線Y1-Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
半導体膜106と、酸化物半導体膜106に接する絶縁膜108と、絶縁膜108の開口
部140aの一部において酸化物半導体膜106と接する導電膜110と、絶縁膜108
の開口部140bの一部において酸化物半導体膜106と接する導電膜112と、絶縁膜
108を介して酸化物半導体膜106と重なる導電膜114とを有する。なお、図1に示
すトランジスタ150は、トランジスタ150上に絶縁膜116及び絶縁膜118が設け
られる構成である。
ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。以下、酸素欠損を形成する元素を
、不純物元素として説明する。不純物元素の代表例としては、水素、ホウ素、炭素、窒素
、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、希ガス元素等がある。希ガス元素の代
表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンがある。
結合が切断され、酸素欠損が形成される。または、不純物元素が酸化物半導体膜に添加さ
れると、酸化物半導体膜中の金属元素と結合していた酸素が不純物元素と結合し、金属元
素から酸素が脱離され、酸素欠損が形成される。これらの結果、酸化物半導体膜において
キャリア密度が増加し、導電性が高くなる。
、酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物
半導体は、導電性が高くなり、導電体化する。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、エネルギーギャップが大きいため、可
視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する
酸化物半導体である。したがって、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対
して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
抗率の温度依存性について、図41を用いて説明する。
半導体膜が窒化シリコン膜に接することで形成された酸化物導電体膜(OC_SiNx)
、ドーピング装置において酸化物半導体膜にアルゴンが添加され、且つ窒化シリコン膜と
接することで形成された酸化物導電体膜(OC_Ar dope+SiNx)、またはプ
ラズマ処理装置において酸化物半導体膜がアルゴンプラズマに曝され、且つ窒化シリコン
膜と接することで形成された酸化物導電体膜(OC_Ar plasma+SiNx)を
作製した。なお、窒化シリコン膜は、水素を含む。
に、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜をプラズマCVD法により形成した後、酸素プ
ラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加熱により酸素を放
出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコ
ン膜上に、原子数比がIn:Ga: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100nm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
熱処理した。次に、プラズマCVD法で、厚さ100nmの窒化シリコン膜を形成した。
次に、350℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。
す。ガラス基板上に、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜をプラズマCVD法により形
成した後、酸素プラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加
熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出す
る酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がIn:Ga: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100nm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た。次に、ドーピング装置を用いて、In-Ga-Zn酸化物
膜に、加速電圧を10kVとし、ドーズ量が5×1014/cm2のアルゴンを添加して
、In-Ga-Zn酸化物膜に酸素欠損を形成した。次に、プラズマCVD法で、厚さ1
00nmの窒化シリコン膜を形成した。次に、350℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気
で加熱処理した。
に示す。ガラス基板上に、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜をプラズマCVD法によ
り形成した後、酸素プラズマに曝すことで、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン
膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がI
n:Ga: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100nm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た。次に、プラ
ズマ処理装置において、アルゴンプラズマを発生させ、加速させたアルゴンイオンをIn
-Ga-Zn酸化物膜に衝突させることで酸素欠損を形成した。次に、プラズマCVD法
で、厚さ100nmの窒化シリコン膜を形成した。次に、350℃の窒素及び酸素の混合
ガス雰囲気で加熱処理した。
のvan-der-Pauw法で行った。図41において、横軸は測定温度を示し、縦軸
は抵抗率を示す。また、酸化物導電体膜(OC_SiNx)の測定結果を四角印で示し、
酸化物導電体膜(OC_Ar dope+SiNx)の測定結果を丸印で示し、酸化物導
電体膜(OC_Ar plasma+SiNx)の測定結果を三角印で示す。
抗率の測定が困難であった。このため、酸化物導電体膜は、酸化物半導体膜より抵抗率が
低いことがわかる。
化物導電体膜(OC_Ar plasma+SiNx)が、酸素欠損及び水素を含むため
、抵抗率の変動が小さい。代表的には、80K以上290K以下において、抵抗率の変動
率は、±20%未満である。または、150K以上250K以下において、抵抗率の変動
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。このため、酸化物導電体膜をトラ
ンジスタのソース領域及びドレイン領域として用いることで、酸化物導電体膜とソース電
極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触がオーミック接触となり、酸化物導電
体膜とソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触抵抗を低減できる。ま
た、酸化物導電体の抵抗率は温度依存性が低いため、酸化物導電体膜とソース電極及びド
レイン電極として機能する導電膜との接触抵抗の変動量が少なく、信頼性の高いトランジ
スタを作製することが可能である。
半導体膜106は、導電膜110及び導電膜112と接する領域106aと、絶縁膜11
6と接する領域106bと、絶縁膜108と重なる領域106c及び領域106dとを有
する。
膜112がタングステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、またはタン
タル単体若しくは合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いて形成される場合、酸化物
半導体膜に含まれる酸素と導電膜110及び導電膜112に含まれる導電材料とが結合し
、酸化物半導体膜において、酸素欠損が形成される。また、酸化物半導体膜に導電膜11
0及び導電膜112を形成する導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これら
の結果、導電膜110及び導電膜112と接する領域106aは、導電性が高まり、ソー
ス領域及びドレイン領域として機能する。
106cには不純物元素が含まれる。なお、領域106bの方が領域106cより不純物
元素濃度が高い。また、導電膜114の側面がテーパ形状を有する場合、領域106cの
一部が、導電膜114と重なってもよい。
れる場合、領域106a乃至領域106dはそれぞれ希ガス元素を含み、且つ領域106
a及び領域106dと比較して、領域106b及び領域106cの方が希ガス元素の濃度
が高い。これは、酸化物半導体膜106がスパッタリング法で形成される場合、スパッタ
リングガスとして希ガスを用いるため、酸化物半導体膜106に希ガスが含まれること、
並びに領域106b及び領域106cにおいて、酸素欠損を形成するために、意図的に希
ガスが添加されることが原因である。なお、領域106b及び領域106cにおいて、領
域106a及び領域106dと異なる希ガス元素が添加されていてもよい。
、塩素の場合、領域106b及び領域106cにのみ不純物元素を有する。このため、領
域106a及び領域106dと比較して、領域106b及び領域106cの方が不純物元
素の濃度が高い。なお、領域106b及び領域106cにおいて、二次イオン質量分析法
(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)によ
り得られる不純物元素の濃度は、5×1018atoms/cm3以上1×1022at
oms/cm3以下、または1×1019atoms/cm3以上1×1021atom
s/cm3以下、または5×1019atoms/cm3以上5×1020atoms/
cm3以下とすることができる。
及び領域106cの方が不純物元素の濃度が高い。なお、領域106b及び領域106c
において、二次イオン質量分析法により得られる水素の濃度は、8×1019atoms
/cm3以上、または1×1020atoms/cm3以上、または5×1020ato
ms/cm3以上とすることができる。
ア密度が増加する。この結果、領域106b及び領域106cは、導電性が高くなり、低
抵抗領域として機能する。
リン、または塩素の一以上と、希ガスの一以上の場合であってもよい。この場合、領域1
06b及び領域106cにおいて、希ガスにより形成された酸素欠損と、且つ該領域に添
加された水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、または塩
素の一以上との相互作用により、領域106b及び領域106cは、導電性がさらに高ま
る場合がある。
絶縁膜として機能する。また、絶縁膜108において、酸化物半導体膜106と、導電膜
110及び導電膜112とが重なる領域は層間絶縁膜として機能する。
、導電膜114は、ゲート電極として機能する。
ソース領域及びドレイン領域として機能する領域106aとの間に、低抵抗領域として機
能する領域106b及び領域106cを有する。チャネルとソース領域及びドレイン領域
との間の抵抗を低減することが可能であり、トランジスタ150は、オン電流が大きく、
電界効果移動度が高い。
4と、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜110及び導電膜112とが同
じ工程で形成される。このため、トランジスタ150において、導電膜114と、導電膜
110及び導電膜112とが重ならず、導電膜114と、導電膜110及び導電膜112
との間の寄生容量を低減することが可能である。この結果、基板102として大面積基板
を用いた場合、導電膜110、導電膜112、及び導電膜114における信号遅延を低減
することが可能である。
をマスクとして、不純物元素が酸化物半導体膜106に添加される。すなわち、セルフア
ラインで低抵抗領域を形成することができる。
ない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板またはシリコン基板)、SO
I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、または基材フ
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、また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、またはポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、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、または紙類などがある。特に、半導体
基板、単結晶基板、または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、また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、また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102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102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、また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、または薄型化を図ることができる
。
ができる。なお、酸化物半導体膜106との界面特性を向上させるため、絶縁膜104に
おいて少なくとも酸化物半導体膜106と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好
ましい。また、絶縁膜104として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いること
で、加熱処理により絶縁膜104に含まれる酸素を、酸化物半導体膜106に移動させる
ことが可能である。
は200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁膜104を厚くすることで
、絶縁膜104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜104と酸化物半
導体膜106との界面における界面準位、並びに酸化物半導体膜106の領域106dに
含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa-Zn酸化物
などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
M-Zn酸化物(Mは、Mg、Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、または
Hfを表す)等の金属酸化物で形成される。なお、酸化物半導体膜106は、透光性を有
する。
、InおよびMの和を100atomic%としたときInが25atomic%以上、
Mが75atomic%未満、またはInが34atomic%以上、Mが66atom
ic%未満とする。
または3eV以上である。
nm以下、または3nm以上50nm以下とすることができる。
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、I
n:M:Zn=3:1:2等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜106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。
まれると、酸化物半導体膜106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106であって、特に領域106dにおいて、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、または2×1017atoms/cm3以下とすることができる。この結果、トラン
ジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有
する。
析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018ato
ms/cm3以下、または2×1016atoms/cm3以下とすることができる。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、領域106d
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。この結果、ト
ランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)
を有する。
ャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化となる場合がある。この結果、
窒素が含まれている酸化物半導体膜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であって、特に領域106d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
濃度を、5×1018atoms/cm3以下にすることができる。
とで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体
膜106であって、特に領域106dにおいては、キャリア密度を1×1017個/cm
3以下、または1×1015個/cm3以下、または1×1013個/cm3以下、また
は1×1011個/cm3以下とすることができる。
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
電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)になりやすい。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、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場合がある。
ば、後述するCAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline
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、C
AAC-OSは最も欠陥準位密度が低い。
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、CA
AC-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が積層された構造の
場合がある。
なる場合がある。また、酸化物半導体膜106において、領域106cと、領域106d
との結晶性が異なる場合がある。これは、領域106bまたは領域106cに不純物元素
が添加された際に、領域106bまたは領域106cにダメージが入ってしまい、結晶性
が低下するためである。
ができる。なお、酸化物半導体膜106との界面特性を向上させるため、絶縁膜108に
おいて少なくとも酸化物半導体膜106と接する領域は酸化物絶縁膜を用いて形成するこ
とが好ましい。絶縁膜108として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化
シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa
-Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
けることで、酸化物半導体膜106からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体
膜106への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効
果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、
酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒
化ハフニウム等がある。
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
料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
加熱処理により絶縁膜108に含まれる酸素を、酸化物半導体膜106に移動させること
が可能である。
欠陥の少ない酸化窒化シリコン膜は、加熱処理後において、100K以下のESRで測定
して得られたスペクトルにおいて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5mT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以下の第3のシグナルのスピンの密度の合計が1×1018spi
ns/cm3未満であり、代表的には1×1017spins/cm3以上1×1018
spins/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、または1以上2以下)起因のシグナルに相当する。即ち、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のシグナルのスピンの密度の合計が少な
いほど、酸化窒化シリコン膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
度が、6×1020atoms/cm3以下である。絶縁膜108として欠陥の少ない酸
化窒化シリコン膜を用いることで、窒素酸化物が生成されにくくなり、酸化物半導体膜1
06及び絶縁膜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シフト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。
、または10nm以上250nm以下とすることができる。
料及び同じ積層構造を有する。導電膜110、導電膜112、及び導電膜114は、アル
ミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、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、導電膜1
10、導電膜112、及び導電膜114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、マンガンを含む銅膜の単層構
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、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、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。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。
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、インジウム
亜鉛酸化物、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物等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。
下、または100nm以上400nm以下とすることができる。
ができる。なお、酸化物半導体膜106との界面特性を向上させるため、絶縁膜116に
おいて少なくとも酸化物半導体膜106と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好
ましい。また、絶縁膜116として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いること
で、加熱処理により絶縁膜116に含まれる酸素を、酸化物半導体膜106に移動させる
ことが可能である。
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa-Zn酸化物
などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
しい。絶縁膜118として、例えば窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム
などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
は100nm以上400nm以下とすることができる。
次に、半導体装置の別の構成について、図3を用いて説明する。
面図を示す。図3(A)はトランジスタ151の上面図であり、図3(B)は、図3(A
)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図3(C)は、図3(A)の一点鎖線X1-
X2間の断面図である。
、それぞれ3層構造であることを特徴とする。また、絶縁膜104が、窒化物絶縁膜10
4a及び酸化物絶縁膜104bの積層構造であることを特徴とする。その他の構成は、ト
ランジスタ150と同様であり、同様の効果を奏する。
されており、且つ導電膜110a及び導電膜110cは、導電膜110bの表面を覆って
いる。すなわち、導電膜110a及び導電膜110cは、導電膜110bの保護膜として
機能する。
膜112cとが順に積層されており、且つ導電膜112a及び導電膜112cは、導電膜
112bの表面を覆っている。
膜114cとが順に積層されており、且つ導電膜114a及び導電膜114cは、導電膜
114bの表面を覆っている。
12b、導電膜114bに含まれる金属元素が酸化物半導体膜106に拡散するのを防ぐ
材料を用いて形成される。導電膜110a、導電膜112a、及び導電膜114aとして
、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンの単体若しくは合金、または窒化チタン
、窒化タンタル、窒化モリブデン、窒化タンタル等を用いて形成することができる。また
は、導電膜110a、導電膜112a、及び導電膜114aは、Cu-X合金(Xは、M
n、Ni、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、またはTi)等を用いて形成することができ
る。
は、加熱処理により酸化物半導体膜と接する領域、又は絶縁膜と接する領域に被覆膜が形
成される場合がある。被覆膜は、Xを含む化合物で形成される。Xを含む化合物の一例と
しては、Xの酸化物、In-X酸化物、Ga-X酸化物、In-Ga-X酸化物、In-
Ga-Zn-X酸化物等がある。導電膜110a、導電膜112a及び導電膜114aの
表面に被覆膜が形成されることで、被覆膜がブロッキング膜となり、Cu-X合金膜中の
Cuが、酸化物半導体膜に入り込むことを抑制することができる。
018atoms/cm3以下とすることで、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜108
と酸化物半導体膜106の界面における電子トラップ準位密度を低減することが可能であ
る。この結果、サブスレッショルドスイング値(S値)の優れたトランジスタを作製する
ことが可能である。
れる。導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114bとして、銅、アルミニウム
、金、銀等の単体若しくは合金、またはこれを主成分とする化合物等を用いて形成するこ
とができる。
12b、導電膜114bに含まれる金属元素が不動態化された膜を用いて形成することで
、導電膜110b、導電膜112b、導電膜114bに含まれる金属元素が、絶縁膜11
6の形成工程において酸化物半導体膜106に移動することを防ぐことができる。導電膜
110c、導電膜112c、及び導電膜114cとして、金属珪素化物、金属珪素化窒化
物等を用いて形成することが可能であり、代表的には、CuSix(x>0)、CuSi
xNy(x>0、y>0)等がある。
明する。なお、導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114bは、銅を用いて形
成される。また、導電膜110c、導電膜112c、及び導電膜114cは、CuSix
Ny(x>0、y>0)を用いて形成される。
炭素等の還元性雰囲気で発生させたプラズマに曝し、導電膜110b、導電膜112b、
及び導電膜114bの表面の酸化物を還元する。
及び導電膜114bをシランに曝す。この結果、導電膜110b、導電膜112b、及び
導電膜114bに含まれる銅が触媒として作用し、シランがSiとH2に分解されるとと
もに、導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114bの表面にCuSix(x>
0)が形成される。
素等の窒素を含む雰囲気で発生させたプラズマに曝すことで、導電膜110b、導電膜1
12b、及び導電膜114bの表面に形成されたCuSix(x>0)がプラズマに含ま
れる窒素と反応し、導電膜110c、導電膜112c、及び導電膜114cとして、Cu
SixNy(x>0、y>0)が形成される。
ンモニアまたは窒素等の窒素を含む雰囲気で発生させたプラズマに曝した後、200℃以
上400℃以下で加熱しながら、導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114b
をシランに曝すことで、導電膜110c、導電膜112c、及び導電膜114cとして、
CuSixNy(x>0、y>0)を形成してもよい。
いて説明する。
ウム、窒化酸化アルミニウム等を用いて形成することができる。また、酸化物絶縁膜10
4bとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム等を用いて形成するこ
とができる。基板102側に窒化物絶縁膜104aを設けることで、外部からの水素、水
等が酸化物半導体膜106に拡散することを防ぐことが可能である。
次に、半導体装置の別の構成を図4、図5、及び図11を用いて説明する。
面図を示す。図4(A)はトランジスタ152の上面図であり、図4(B)は、図4(A
)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図4(C)は、図4(A)の一点鎖線X1-
X2間の断面図である。
とする。具体的には、酸化物半導体膜106は、絶縁膜104と接する酸化物半導体膜1
07aと、酸化物半導体膜107aに接する酸化物半導体膜107bと、酸化物半導体膜
107b、導電膜110、導電膜112、絶縁膜108、及び絶縁膜116と接する酸化
物半導体膜107cとを有する。その他の構成は、トランジスタ150と同様であり、同
様の効果を奏する。
代表的には、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物、In-M-Zn酸化物(Mは、Mg
、Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHfを表す)等の金属酸化物
で形成される。
a酸化物、In-Zn酸化物、In-Mg酸化物、Zn-Mg酸化物、In-M-Zn酸
化物(Mは、Mg、Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHfを表す
)であり、且つ酸化物半導体膜107bよりも伝導帯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107a及び酸化物半導体膜107cの伝導帯下端のエネ
ルギーと、酸化物半導体膜107bの伝導帯下端のエネルギーとの差が、0.05eV以
上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1e
V以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。なお、真空準位と伝導帯下端の
エネルギー差を電子親和力ともいう。
、Zr、La、Ce、Nd、またはHfを表す)の場合、酸化物半導体膜107b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:y
1:z1とすると、x1/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107b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、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等がある。
Mg、Al、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHfを表す)の場合、酸
化物半導体膜107a及び酸化物半導体膜107c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、x2/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107
a及び酸化物半導体膜107c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:Z
n=1:3:4、In:M:Zn=1:3:6、In:M:Zn=1:3:8、In:M
:Zn=1:4:3、In:M:Zn=1:4:4、In:M:Zn=1:4:5、In
:M:Zn=1:4:6、In:M:Zn=1:6:3、In:M:Zn=1:6:4、
In:M:Zn=1:6:5、In:M:Zn=1:6:6、In:M:Zn=1:6:
7、In:M:Zn=1:6:8、In:M:Zn=1:6:9等がある。
、例えば、In-Ga金属酸化物ターゲット(In:Ga=7:93)を用いて、スパッ
タリング法により形成することができる。また、酸化物半導体膜107a及び酸化物半導
体膜107cを、DC放電を用いたスパッタリング法で形成する際のIn-Ga酸化物タ
ーゲットは、In:Ga=x:y[原子数比]としたときに、y/(x+y)を0.96
以下、好ましくは0.95以下、例えば0.93とするとよい。
cの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含
む。
ものを用いればよい。
ば、酸化物半導体膜107a及び酸化物半導体膜107cとしてIn:Ga:Zn=1:
3:2、1:3:4、1:4:5、1:4:6、1:4:7、または1:4:8の原子数
比のIn-Ga-Zn酸化物を用いてもよい。
。例えば、酸化物半導体膜107aとしてIn:Ga:Zn=1:3:2の原子数比のI
n-Ga-Zn酸化物を用い、酸化物半導体膜107cとしてIn:Ga:Zn=1:3
:4または1:4:5の原子数比のIn-Ga-Zn酸化物を用いてもよい。
以下、または3nm以上50nm以下とする。酸化物半導体膜107bの厚さは、3nm
以上200nm以下、または3nm以上100nm以下、または3nm以上50nm以下
とする。なお、酸化物半導体膜107a及び酸化物半導体膜107cはそれぞれ酸化物半
導体膜107bより厚さを薄くすることで、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。
ぞれの界面は、STEM(Scanning Transmission Electr
on Microscopy)を用いて観察することができる場合がある。
、先に示す酸化物半導体膜106の結晶構造を適宜用いることができる。
酸化物半導体膜107cをそれぞれ酸化物半導体膜107bの上面及び下面に接して設け
ることで、酸化物半導体膜107bにおける酸素欠損を低減することができる。また、酸
化物半導体膜107bは、酸化物半導体膜107bを構成する金属元素の一以上を有する
酸化物半導体膜107a及び酸化物半導体膜107cと接するため、酸化物半導体膜10
7aと酸化物半導体膜107bとの界面、酸化物半導体膜107bと酸化物半導体膜10
7cとの界面における界面準位密度が極めて低い。このため、酸化物半導体膜107bに
含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
を含む絶縁膜)と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成するこ
とがある。このような場合、しきい値電圧の異なるトランジスタが出現し、トランジスタ
の見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物半導体膜107
bを構成する金属元素を一種以上含む酸化物半導体膜107aが酸化物半導体膜107b
と接するため、酸化物半導体膜107aと酸化物半導体膜107bの界面に界面準位を形
成しにくくなる。よって酸化物半導体膜107aを設けることにより、トランジスタのし
きい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しかしながら、
酸化物半導体膜107bを構成する金属元素を一種以上含む酸化物半導体膜107cが酸
化物半導体膜107bに接して設けられるため、酸化物半導体膜107bと酸化物半導体
膜107cとの界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度
を高くすることができる。
膜108の構成元素、または導電膜110及び導電膜112の構成元素が酸化物半導体膜
107bへ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア膜とし
ても機能する。
む絶縁膜の場合、絶縁膜104及び絶縁膜108中のシリコン、または絶縁膜104及び
絶縁膜108中に混入する炭素が、酸化物半導体膜107a及び酸化物半導体膜107c
の中へ界面から数nm程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物
半導体膜107b中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成
することでn型化することがある。
よりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体膜107bにまで到
達しないため、不純物準位の影響は低減される。
ばらつきが低減されたトランジスタである。
面図を示す。図5(A)はトランジスタ153の上面図であり、図5(B)は、図5(A
)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図5(C)は、図5(A)の一点鎖線X1-
X2間の断面図である。
する酸化物半導体膜107bと、酸化物半導体膜107b及び絶縁膜108と接する酸化
物半導体膜107cの積層構造であってもよい。その他の構成は、トランジスタ150と
同様であり、同様の効果を奏する。
ここで、図4及び図5に示すトランジスタのバンド構造について説明する。なお、図1
1(A)は、図4に示すトランジスタ153のバンド構造であり、理解を容易にするため
、絶縁膜104、酸化物半導体膜107a、酸化物半導体膜107b、酸化物半導体膜1
07cおよび絶縁膜108の伝導帯下端のエネルギー(Ec)を示す。また、図11(B
)は、図5に示すトランジスタ154のバンド構造であり、理解を容易にするため、絶縁
膜104、酸化物半導体膜107b、酸化物半導体膜107cおよび絶縁膜108の伝導
帯下端のエネルギー(Ec)を示す。
酸化物半導体膜107cにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは
、酸化物半導体膜107a、酸化物半導体膜107b、及び酸化物半導体膜107cを構
成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。した
がって、酸化物半導体膜107a、酸化物半導体膜107b、及び酸化物半導体膜107
cは組成が異なる膜の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するU字型の井戸
(U Shape Well)構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の界
面に酸化物半導体にとってトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位、あるいはキャリ
アの流れを阻害する不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された酸
化物半導体膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界
面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。
同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。
52において、チャネルが酸化物半導体膜107bに形成されることがわかる。なお、酸
化物半導体膜107a、酸化物半導体膜107b、及び酸化物半導体膜107cは伝導帯
下端のエネルギーが連続的に変化するため、U字型の井戸構造のチャネルを埋め込みチャ
ネルということもできる。
cにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化してもよい。
53において、チャネルが酸化物半導体膜107bに形成されることがわかる。
以上含んでいる酸化物半導体膜107aおよび酸化物半導体膜107cを有しているため
、酸化物半導体膜107aと酸化物半導体膜107bとの界面、および酸化物半導体膜1
07cと酸化物半導体膜107bとの界面に界面準位を形成しにくくなる。よって、酸化
物半導体膜107aおよび酸化物半導体膜107cを設けることにより、トランジスタの
しきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。
以上含んでいる酸化物半導体膜107cを有しているため、酸化物半導体膜107cと酸
化物半導体膜107bとの界面に界面準位を形成しにくくなる。よって、酸化物半導体膜
107cを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや
変動を低減することができる。
次に、半導体装置の別の構成について、図6を用いて説明する。
面図を示す。図6(A)はトランジスタ154の上面図であり、図6(B)及び図6(D
)は、図6(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図6(C)は、図6(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
る導電膜120を有することを特徴とする。すなわち、導電膜120は、ゲート電極とし
て機能する。また、トランジスタ154は、デュアルゲート構造のトランジスタである。
その他の構成は、トランジスタ150と同様であり、同様の効果を奏する。
ランジスタ154のしきい値電圧を制御することができる。その場合の断面図の例を図6
(D)に示す。なお、導電膜114及び導電膜120が接続されていない場合、いずれか
一方に、トランジスタをオンオフするための信号を供給し、他方に、一定の電位を供給し
てもよい。または、図6(B)に示すように、導電膜114及び導電膜120が接続し、
同じ電位を印加することで、初期特性バラつきの低減、-GBT(-Gate Bias
-Temperature)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106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154のオン電流が大きくなる共に、電界効果移動
度が高くなる。トランジスタのチャネル長を2.5μm未満、または1.45μm以上2
.2μm以下とすることで、オン電流がさらに増大するとともに、電界効果移動度を高め
ることができる。
にしてもよい。その場合の一例を、図39(A)に示す。導電膜114と導電膜120と
が接続されている場合には、導電膜120からノイズが入りにくくすることが出来る。
してもよい。その場合の一例を、図39(B)に示す。導電膜114と導電膜120とが
接続されておらず、導電膜120に一定の電位が供給されている場合には、酸化物半導体
膜106の全体に、電位を供給することができる。
次に、図1に示すトランジスタ150の作製方法について、図7乃至図9を用いて説明
する。
リング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法を
用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜
方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であ
るが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学堆積)法
やALD(原子層成膜)法を使ってもよい。
ャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズ
マダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば
、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブともよぶ。)を切り替えて2種類以上の原
料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原料ガ
スと同時またはその後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2の
原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリ
アガスとなり、また、第2の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。
また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第
2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着して第1の単原子層
を成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の単原子層が第1の単原子
層上に積層されて薄膜が形成される。
性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数に
よって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを
作製する場合に適している。
)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、基板102上に絶縁
膜を形成した後、該絶縁膜に酸素を添加して、絶縁膜104を形成することができる。絶
縁膜に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオ
ン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処
理法等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶
縁膜に酸素を添加してもよい。
280℃以下、又は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、又は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、又
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、
加熱処理により酸素を放出することが可能な酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜を絶
縁膜104として形成することができる。
素を添加する方法を図7(A)及び図7(B)を用いて説明する。
形成する。次に、膜119を介して絶縁膜103に酸素121を添加する。
リブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属
元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属元素を有す
る金属窒化物、上述した金属元素を有する金属酸化物、上述した金属元素を有する金属窒
化酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成する。
10nm以下とすることができる。
グ法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。絶縁膜103上に膜119を設けて酸素
を添加することで、膜119が絶縁膜103から酸素が脱離することを抑制する保護膜と
して機能する。このため、絶縁膜103により多くの酸素を添加することができる。
素プラズマを発生させることで、絶縁膜103への酸素導入量を増加させることができる
。
が添加された絶縁膜104を形成することができる。なお、成膜後に十分に酸素が添加さ
れた絶縁膜104を形成できる場合においては、図7(B)に示す酸素を添加する処理を
行わなくてもよい。
次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜106上に絶縁膜108を形成する。
リング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱CVD法等に
より酸化物半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上に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の一部をエッチングすることで、図7
(D)に示すように、酸化物半導体膜106を形成することができる。この後、マスクを
除去する。なお、酸化物半導体膜の一部をエッチングして酸化物半導体膜106を形成し
た後、加熱処理を行ってもよい。
体膜106を直接形成することができる。
装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。なお
、AC電源装置またはDC電源装置を用いることで、CAAC-OS膜を形成することが
可能である。また、RF電源装置を用いたスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する
よりも、AC電源装置またはDC電源装置を用いたスパッタリング法で酸化物半導体膜を
形成した方が、膜厚の分布、膜組成の分布、または結晶性の分布が均一となるため好まし
い。
ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス
比を高めることが好ましい。
。
温度を150℃以上750℃以下、または150℃以上450℃以下、または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-OS膜を形成する
ことができる。また、基板温度を25℃以上150℃未満とすることで、微結晶酸化物半
導体膜を形成することができる。
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、または-100℃以下である成膜ガスを用いる。
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、または100体積
%とする。
は脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、
または250℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下とする。
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲
気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれな
いことが好ましい。処理時間は3分以上24時間以下とする。
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。
、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、二次イオン質量分析法により得られ
る水素濃度を5×1019atoms/cm3以下、または1×1019atoms/c
m3以下、5×1018atoms/cm3以下、または1×1018atoms/cm
3以下、または5×1017atoms/cm3以下、または1×1016atoms/
cm3以下とすることができる。
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InO
2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GaO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InGaO2層
やInZnO2層、GaInO層、ZnInO層、GaZnO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。
熱処理を行い、絶縁膜104に含まれる酸素を酸化物半導体膜に移動させる。次に、当該
酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜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106を形成する。
で行うことで、後述するCAAC化率が、60%以上100%未満、または80%以上1
00%未満、または90%以上100%未満、または95%以上98%以下である酸化物
半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減された酸化物半導体膜を
得ることが可能である。すなわち、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体
膜を形成することができる。
することができる。この場合、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。
倍未満、または40以上80以下とし、処理室内の圧力を100Pa未満、または50P
a以下とするCVD法を用いることで、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280℃以上400℃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20Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは100Pa以上250Pa以
下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁膜108と
して、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
できる。マイクロ波とは300MHzから300GHzの周波数域を指す。マイクロ波に
おいて、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電
子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが
可能であり、密度の高いプラズマ(高密度プラズマ)を励起することができる。このため
、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜108を形成
することができる。
る。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC2H5)4)、
テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH3)4)、テトラメチルシクロテトラシ
ロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサ
メチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC2H5)3)、トリ
スジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)3)などのシリコン含有化合物を用
いることができる。有機シランガスを用いたCVD法を用いることで、被覆性の高い絶縁
膜108を形成することができる。
Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形
成することができる。
、酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体(ハ
フニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMA
H))を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O3)の2種類のガスを用いる。
なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf[N(CH3)2]4である
。また、他の材料液としては、テトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどがある
。
、酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体
(トリメチルアルミニウムTMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの
2種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CH3)3であ
る。また、他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチ
ルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタ
ンジオナート)などがある。なお、ALD法で形成することで、被覆率が高く、膜厚の薄
い絶縁膜108を形成することが可能である。
シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に
含まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物
と反応させる。
る。
成した後、絶縁膜108の一部をエッチングして、酸化物半導体膜106の一部が露出す
る開口部140a及び開口部140bを形成する。
チング法を適宜用いることができる。
09を形成する。
入すると、トランジスタの電気特性の不良が生じてしまう。本実施の形態では、導電膜1
09を形成する前に絶縁膜108を形成することで、酸化物半導体膜106のチャネルが
導電膜109に接しないため、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
量を抑えることができる。
熱CVD法等を用いて形成することができる。
ことができる。この場合には、WF6ガスとB2H6ガスを順次繰り返し導入して初期タ
ングステン膜を形成し、その後、WF6ガスとH2ガスを同時に導入してタングステン膜
を形成する。なお、B2H6ガスに代えてSiH4ガスを用いてもよい。
11を形成した後、エッチング溶液または/及びエッチングガス123に導電膜109を
曝して、導電膜110、導電膜112、及び導電膜114を形成する。なお、導電膜11
0、導電膜112、及び導電膜114は、導電膜109を加工することで形成されるため
、同一の金属、別言すると同一の金属元素を含む構造となる。
チング法を適宜用いることができる。なお、導電膜109をエッチングした後、絶縁膜1
08の側面の残留物を除去するための洗浄工程を行ってもよい。この結果、ゲート電極と
して機能する導電膜114と酸化物半導体膜106の間のリーク電流を低減することが可
能である。
電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
不純物元素117を添加する。この結果、酸化物半導体膜においてマスク111に覆われ
ていない領域に不純物元素が添加される。なお、不純物元素117の添加により、酸化物
半導体膜には酸素欠損が形成される。
処理法等がある。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラ
ズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができ
る。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置やプラズマCVD装
置、高密度プラズマCVD装置等を用いることができる。
、AlH3、AlCl3、SiH4、Si2H6、F2、HF、H2及び希ガスの一以上
を用いることができる。または、希ガスで希釈されたB2H6、PH3、N2、NH3、
AlH3、AlCl3、F2、HF、及びH2の一以上を用いることができる。希ガスで
希釈されたB2H6、PH3、N2、NH3、AlH3、AlCl3、F2、HF、及び
H2の一以上を用いて不純物元素117を酸化物半導体膜106に添加することで、希ガ
スと、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、及び塩素の
一以上とを同時に酸化物半導体膜106に添加することができる。
2、NH3、AlH3、AlCl3、SiH4、Si2H6、F2、HF、及びH2の一
以上を酸化物半導体膜106に添加してもよい。
、Si2H6、F2、HF、及びH2の一以上を酸化物半導体膜106に添加した後、希
ガスを酸化物半導体膜106に添加してもよい。
ればよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧10kV、ドー
ズ量は1×1013ions/cm2以上1×1016ions/cm2以下とすればよ
く、例えば、1×1014ions/cm2とすればよい。また、イオン注入法でリンイ
オンの添加を行う場合、加速電圧30kV、ドーズ量は1×1013ions/cm2以
上5×1016ions/cm2以下とすればよく、例えば、1×1015ions/c
m2とすればよい。
不純物元素が添加された領域の概念図を図10(A)(B)(C)に示す。図10(A)
(B)(C)は、酸化物半導体膜106近傍の拡大図である。
導体膜106、及び絶縁膜108に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜106
が露出する領域の深さ方向において、添加領域の端部135は、絶縁膜104中に位置す
る。なお、深さ方向とは、酸化物半導体膜106の膜厚方向と平行であって、且つ絶縁膜
108から絶縁膜104へ向かって進む方向である。
106及び絶縁膜108に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜106が露出す
る領域の深さ方向において、添加領域の端部136は、絶縁膜104及び酸化物半導体膜
106の界面に位置する。
106及び絶縁膜108に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜106が露出す
る領域の深さ方向において、添加領域の端部137は、酸化物半導体膜106中に位置す
る。
図2に示す領域106b及び領域106cを形成することができる。なお、領域106c
は、絶縁膜108を介して酸化物半導体膜106に添加されるため、領域106bと比較
して不純物元素の濃度が低い。こののち、図9(A)に示すように、マスク111を取り
除く。
添加したが、マスク111を除去した後、導電膜110、導電膜112、及び導電膜11
4をマスクとして酸化物半導体膜106に不純物元素117を添加してもよい。
てもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250
℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下とする。
、導電膜112、及び導電膜114上に絶縁膜116を形成し、絶縁膜116上に絶縁膜
118を形成する。
いることができる。
280℃以下、または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、または100Pa以上200P
a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
、または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、加熱処理により酸素を放出することが可能な酸化シリコン膜または酸化窒化シリコ
ン膜を絶縁膜116として形成することができる。
アルミニウム膜若しくは酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行うことで、図2
の領域106bにおいて、酸化物半導体膜106に含まれる酸素がアルミニウム膜若しく
は酸化アルミニウム膜と反応し、絶縁膜116として酸化アルミニウム膜が形成されると
ともに、図2の領域106bにおいて、酸素欠損が形成される。この結果、さらに領域1
06bの導電性を高めることが可能である。
てもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250
℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下とする。
図3に示すトランジスタ151の作製方法を説明する。なお、ここでは、トランジスタ
151の導電膜110、導電膜112、及び導電膜114に含まれる導電膜110c、導
電膜112c、及び導電膜114cの形成工程と、酸化物半導体膜106に不純物元素1
17を添加する工程について説明する。
物半導体膜106、絶縁膜108、導電膜110、導電膜112、導電膜114、及びマ
スク111を形成する。
。
b、導電膜112b、導電膜114bを還元性雰囲気で発生させたプラズマに曝し、導電
膜110b、導電膜112b、及び導電膜114bの表面の酸化物を還元する。次に、2
00℃以上400℃以下で加熱しながら、導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜
114bをシランに曝す。次に、導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114b
を、アンモニアまたは窒素等の窒素を含む雰囲気で発生させたプラズマに曝すことで、導
電膜110c、導電膜112c、及び導電膜114cとして、CuSixNy(x>0、
y>0)を形成することができる。
いて、酸化物半導体膜106がアンモニアまたは窒素等の窒素を含む雰囲気で発生させた
プラズマに曝されるため、酸化物半導体膜106に窒素または/及び水素を添加すること
が可能である。
し、導電膜110、導電膜112、及び導電膜114に含まれる導電膜110c、導電膜
112c、及び導電膜114cを形成してもよい。
とが重ならないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、
本実施の形態に示すトランジスタは、安定して低抵抗領域を形成することが可能なため、
従来と比べ、オン電流は向上し、トランジスタの電気特性のバラツキが低減する。
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。例えば、チャネルや
その近傍、ソース領域、ドレイン領域などにおいて、場合によっては、または、状況に応
じて、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、
GaAs(ガリウムヒ素)、などを有する材料で形成してもよい。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図12乃至図2
2を用いて説明する。なお、本実施の形態は、実施の形態1と比較して、低抵抗領域の作
製方法が異なる。
図12に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート構造のトラ
ンジスタを示す。
び断面図を示す。図12(A)はトランジスタ190の上面図であり、図12(B)は、
図12(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図12(C)は、図12(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
物半導体膜166と、酸化物半導体膜166に接する絶縁膜168と、絶縁膜168の開
口部180aの一部において酸化物半導体膜166と接する導電膜170と、絶縁膜16
8の開口部180bの一部において酸化物半導体膜166と接する導電膜172と、絶縁
膜168を介して酸化物半導体膜166と重なる導電膜174とを有する。なお、トラン
ジスタ190上に絶縁膜176が設けられている。また、絶縁膜176上に絶縁膜178
が設けられてもよい。
ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。以下、酸素欠損を形成する元素を
、不純物元素として説明する。不純物元素の代表例としては、水素、希ガス元素等がある
。希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノン
がある。さらに、不純物元素としてホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコ
ン、リン、及び塩素等が酸化物半導体膜166に含まれてもよい。
76が酸化物半導体膜166に接することで、絶縁膜176に含まれる水素が酸化物半導
体膜166に拡散する。この結果、酸化物半導体膜166であって、絶縁膜176と接す
る領域においては、水素が多く含まれる。
金属元素及び酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸化物半導体膜に含まれる
酸素欠損と水素の相互作用により、酸化物半導体膜は導電率が高くなる。具体的には、酸
化物半導体膜に含まれる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
。この結果、導電率が高くなる。
化物半導体膜166は、導電膜170または導電膜172と接する領域166aと、絶縁
膜176と接する領域166bと、絶縁膜168と重なる領域166c及び領域166d
とを有する。
膜172と接する領域166aは、実施の形態1に示す領域106aと同様に、導電性が
高まり、ソース領域及びドレイン領域として機能する。
166cには不純物元素として少なくとも希ガス及び水素が含まれる。なお、領域166
bの方が領域166cより不純物元素濃度が高い。また、導電膜174の側面がテーパ形
状を有する場合、領域166cの一部が、導電膜174と重なってもよい。
66dはそれぞれ希ガス元素を含み、且つ領域166a及び領域166dと比較して、領
域166b及び領域166cの方が希ガス元素の濃度が高い。これは、酸化物半導体膜1
66がスパッタリング法で形成される場合、スパッタリングガスとして希ガスを用いるた
め、酸化物半導体膜166に希ガスが含まれること、並びに領域166b及び領域166
cにおいて、酸素欠損を形成するために、意図的に希ガスが添加されることが原因である
。なお、領域166b及び領域166cにおいて、領域166a及び領域166dと異な
る希ガス元素が添加されていてもよい。
い場合、水素の量を制御することで、領域166b及び領域166cのキャリア密度を制
御することができる。又は、領域166b及び領域166cにおいて、酸素欠損の量と比
較して水素の量が多い場合、酸素欠損の量を制御することで、領域166b及び領域16
6cのキャリア密度を制御することができる。なお、領域166b及び領域166cのキ
ャリア密度を5×1018個/cm3以上、好ましくは1×1019個/cm3以上、さ
らに好ましくは1×1020個/cm3以上とすることで、チャネルとソース領域及びド
レイン領域との間の抵抗が小さく、オン電流の大きいトランジスタを作製することが可能
である。
較して、領域166bの方が水素の濃度が高い。また、領域166bから領域166cに
水素が拡散する場合、領域166cは、領域166a及び領域166dと比較して水素濃
度が高い。但し、領域166cより領域166bの方が、水素濃度が高い。
濃度は、8×1019atoms/cm3以上、または1×1020atoms/cm3
以上、または5×1020atoms/cm3以上とすることができる。なお、領域16
6a及び領域166dの二次イオン質量分析法により得られる水素濃度は、5×1019
atoms/cm3以下、または1×1019atoms/cm3以下、または5×10
18atoms/cm3以下、または1×1018atoms/cm3以下、または5×
1017atoms/cm3以下、または1×1016atoms/cm3以下とするこ
とができる。
ン、または塩素が酸化物半導体膜166に添加される場合、領域166b及び領域166
cにのみ不純物元素を有する。このため、領域166a及び領域166dと比較して、領
域166b及び領域166cの方が不純物元素の濃度が高い。なお、領域166b及び領
域166cにおいて、二次イオン質量分析法により得られる不純物元素の濃度は、5×1
018atoms/cm3以上1×1022atoms/cm3以下、または1×101
9atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下、または5×1019a
toms/cm3以上5×1020atoms/cm3以下とすることができる。
ガス元素の添加による酸素欠損量が多い。このため、導電性が高くなり、低抵抗領域とし
て機能する。代表的には、領域166b及び領域166cの抵抗率として、1×10-3
Ωcm以上1×104Ωcm未満、または1×10-3Ωcm以上1×10-1Ωcm未
満とすることができる。
少ない方と、水素が酸素欠損に捕獲されやすく、チャネルである領域166dに拡散しに
くい。この結果、ノーマリーオフ特性のトランジスタを作製することができる。
絶縁膜として機能する。また、絶縁膜168において、酸化物半導体膜166と、導電膜
170及び導電膜172とが重なる領域は層間絶縁膜として機能する。
、導電膜174は、ゲート電極として機能する。
ソース領域及びドレイン領域として機能する領域166aとの間に、低抵抗領域として機
能する領域166b及び領域166cを有する。チャネルとソース領域及びドレイン領域
との間の抵抗を低減することが可能であり、トランジスタ190は、オン電流が大きく、
電界効果移動度が高い。
4と、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜170及び導電膜172とが同
時に形成される。このため、トランジスタ190において、導電膜174と、導電膜17
0及び導電膜172とが重ならず、導電膜174と、導電膜170及び導電膜172との
間の寄生容量を低減することが可能である。この結果、基板162として大面積基板を用
いた場合、導電膜170、導電膜172、及び導電膜174における信号遅延を低減する
ことが可能である。
をマスクとして、希ガス元素を酸化物半導体膜166に添加することで、酸素欠損を有す
る領域が形成される。さらに、酸素欠損を有する領域が、水素を含む絶縁膜176と接す
るため、絶縁膜176に含まれる水素が酸素欠損を有する領域に拡散することで、低抵抗
領域が形成される。すなわち、セルフアラインで低抵抗領域を形成することができる。
を添加することで、酸素欠損を形成するとともに、水素を添加している。このため、領域
166b及び領域166cにおける導電率を高めることが可能であるとともに、トランジ
スタごとの領域166b及び領域166cの導電率のばらつきを低減することが可能であ
る。すなわち、領域166b及び領域166cに希ガス及び水素を添加することで、領域
166b及び領域166cの導電率の制御が可能である。
ができる。
及び構造を適宜用いることができる。
ができる。
110、導電膜112、及び導電膜114に示す材料を適宜用いることができる。
しては、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いて形成することができる。
ができる。
次に、半導体装置の別の構成について、図14を用いて説明する。
び断面図を示す。図14(A)はトランジスタ191の上面図であり、図14(B)は、
図14(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図14(C)は、図14(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
が、それぞれ3層構造であることを特徴とする。また、絶縁膜164が、窒化物絶縁膜1
64a及び酸化物絶縁膜164bの積層構造であることを特徴とする。その他の構成は、
トランジスタ190と同様であり、同様の効果を奏する。
されており、且つ導電膜170a及び導電膜170cは、導電膜170bの表面を覆って
いる。すなわち、導電膜170a及び導電膜170cは、導電膜170bの保護膜として
機能する。
膜172cとが順に積層されており、且つ導電膜172a及び導電膜172cは、導電膜
172bの表面を覆っている。
膜174cとが順に積層されており、且つ導電膜174a及び導電膜174cは、導電膜
174bの表面を覆っている。
導電膜110a、導電膜112a、及び導電膜114aと同様に、導電膜170b、導電
膜172b、導電膜174bに含まれる金属元素が、酸化物半導体膜166に拡散するの
を防ぐ材料を適宜用いることができる。
導電膜110b、導電膜112b、及び導電膜114bと同様に、低抵抗材料を適宜用い
ることができる。
導電膜110c、導電膜112c、及び導電膜114cと同様に、導電膜170b、導電
膜172b、及び導電膜174bに含まれる金属元素が不動態化された膜を用いて形成す
ることが可能である。この結果、導電膜170b、導電膜172b、及び導電膜174b
に含まれる金属元素が、絶縁膜176の形成工程において酸化物半導体膜166に移動す
ることを防ぐことができる。
いて説明する。
す窒化物絶縁膜104a及び酸化物絶縁膜104bに示す材料を適宜用いることができる
。
次に、半導体装置の別の構成を図15及び図16を用いて説明する。
び断面図を示す。図15(A)はトランジスタ192の上面図であり、図15(B)は、
図15(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図15(C)は、図15(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
徴とする。具体的には、酸化物半導体膜166は、絶縁膜164と接する酸化物半導体膜
167aと、酸化物半導体膜167aに接する酸化物半導体膜167bと、酸化物半導体
膜167b、導電膜170、導電膜172、絶縁膜168、及び絶縁膜176と接する酸
化物半導体膜167cとを有する。その他の構成は、トランジスタ190と同様であり、
同様の効果を奏する。
れぞれ、実施の形態1に示す酸化物半導体膜107a、酸化物半導体膜107b、及び酸
化物半導体膜107cに示す材料及び結晶構造を適宜用いることができる。
酸化物半導体膜167cをそれぞれ酸化物半導体膜167bの上面及び下面に接して設け
ることで、酸化物半導体膜167bにおける酸素欠損を低減することができる。また、酸
化物半導体膜167bは、酸化物半導体膜167bを構成する金属元素の一以上を有する
酸化物半導体膜167a及び酸化物半導体膜167cと接するため、酸化物半導体膜16
7aと酸化物半導体膜167bとの界面、酸化物半導体膜167bと酸化物半導体膜16
7cとの界面における界面準位密度が極めて低い。このため、酸化物半導体膜167bに
含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
の電気特性のばらつきを低減することができる。
7cが酸化物半導体膜167bに接して設けられるため、酸化物半導体膜167bと酸化
物半導体膜167cとの界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効
果移動度を高くすることができる。
膜168の構成元素、または導電膜170及び導電膜172の構成元素が酸化物半導体膜
167bへ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア膜とし
ても機能する。
ばらつきが低減されたトランジスタである。
び断面図を示す。図16(A)はトランジスタ193の上面図であり、図16(B)は、
図16(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図16(C)は、図16(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
接する酸化物半導体膜167bと、酸化物半導体膜167b及び絶縁膜168と接する酸
化物半導体膜167cとの積層構造であってもよい。その他の構成は、トランジスタ19
0と同様であり、同様の効果を奏する。
次に、半導体装置の別の構成について、図17を用いて説明する。
び断面図を示す。図17(A)はトランジスタ194の上面図であり、図17(B)は、
図17(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図17(C)は、図17(A)の
一点鎖線X1-X2間の断面図である。
なる導電膜181を有することを特徴とする。すなわち、導電膜181は、ゲート電極と
して機能する。また、トランジスタ194は、デュアルゲート構造のトランジスタである
。
ランジスタ194のしきい値電圧を制御することができる。または、図17(B)に示す
ように、開口部183を介して導電膜174及び導電膜181が接続し、同じ電位を印加
することで、初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166においてキャリアの流れる領域が膜厚方向において大きくなるため、キ
ャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ194のオン電流が大きくなる共に
、電界効果移動度が高くなる。トランジスタのチャネル長を2.5μm未満、または1.
45μm以上2.2μm以下とすることで、オン電流がさらに増大するとともに、電界効
果移動度を高めることができる。
次に、半導体装置の別の構成について、図25及び図26を用いて説明する。
及び断面図を示す。図25(A)はトランジスタ150Aの上面図であり、図25(B)
は、図25(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断面図であり、図25(C)は、図25(A
)の一点鎖線X1-X2間の断面図である。また、図26(A)乃至図26(C)に、半
導体装置が有するトランジスタ190Aの上面図及び断面図を示す。図26(A)はトラ
ンジスタ190Aの上面図であり、図26(B)は、図26(A)の一点鎖線Y1-Y2
間の断面図であり、図26(C)は、図26(A)の一点鎖線X1-X2間の断面図であ
る。
、トランジスタ150が有する絶縁膜108の形状と相違する。図25に示すトランジス
タ150Aにおいては、絶縁膜108が島状に分離された構成である。その他の構成は、
トランジスタ150と同様であり、同様の効果を奏する。
り、トランジスタ190が有する絶縁膜168の形状と相違する。図26に示すトランジ
スタ190Aにおいては、絶縁膜168が島状に分離された構成である。その他の構成は
、トランジスタ190と同様であり、同様の効果を奏する。
膜112の接触面積を増加させることができる。したがって、酸化物半導体膜106と導
電膜110及び導電膜112の接触抵抗を低減させることができる。または、絶縁膜16
8を島状に分離することで、酸化物半導体膜166と導電膜170及び導電膜172の接
触面積を増加させることができる。したがって、酸化物半導体膜166と導電膜170及
び導電膜172の接触抵抗を低減させることができる。なお、図1に示すトランジスタ1
50または図12に示すトランジスタ190のように、絶縁膜108または絶縁膜168
を島状に分離しない構造を用いる場合、酸化物半導体膜106または酸化物半導体膜16
6の外周部を絶縁膜108または絶縁膜168により覆う構造とすることができる。該構
造の場合、酸化物半導体膜106または酸化物半導体膜166に入り込みうる不純物を抑
制できるため好適である。なお、絶縁膜108を島状に分離しない場合、ゲート電極とし
て機能する導電膜114と、ソース電極として機能する導電膜110及びドレイン電極と
して機能する導電膜112は、少なくとも一部が同一平面上に形成される構造となる。ま
た、絶縁膜168を島状に分離しない場合、ゲート電極として機能する導電膜174と、
ソース電極として機能する導電膜170及びドレイン電極として機能する導電膜172は
、少なくとも一部が同一平面上に形成される構造となる。
次に、半導体装置の別の構成について、図38を用いて説明する。
38(B)に酸化物半導体膜166に不純物元素が添加された場合の、膜厚方向における
概念図を示す。なお、図38(A)に示すトランジスタ190Bの上面図及びチャネル幅
方向の断面図については、それぞれ図12(A)に示す上面図、及び図12(B)に示す
断面図と同様であるため、ここでの説明は省略する。
例であり、トランジスタ190が有する導電膜170、導電膜172、及び導電膜174
の構造と相違する。また、図38(A)に示すトランジスタ190Bは、トランジスタ1
90が有する絶縁膜168、絶縁膜176、及び絶縁膜178の断面形状と相違する。図
38(A)に示すトランジスタ190Bにおいては、導電膜170、導電膜172、及び
導電膜174が、それぞれ2層の積層構造であり、絶縁膜168、絶縁膜176、及び絶
縁膜178の端部の形状の一部が曲率を有している。その他の構成は、トランジスタ19
0と同様であり、同様の効果を奏する。
、導電膜172dと導電膜172eの積層構造であり、導電膜174は、導電膜174d
と導電膜174eの積層構造である。導電膜170d、導電膜174d、及び導電膜17
2dとしては、例えば窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン等
の窒化金属膜を用いることができる。
より形成することができる。該低抵抗な金属材料としては、例えば、アルミニウム、銅、
銀などが挙げられる。また、導電膜170e、導電膜172e、及び導電膜174eとし
ては、上記低抵抗な金属材料の他に、タングステンまたはモリブデンを用いてもよい。
出した形状である。また、導電膜172において、導電膜172eよりも導電膜172d
の端部が外側に突出した形状である。また、導電膜174において、導電膜174eより
も導電膜174dの端部が外側に突出した形状である。このように、導電膜170、導電
膜172、及び導電膜174の形状を2層の積層構造とし、下層の導電膜が突出した形状
とすることができる。下層の導電膜が突出した形状とすることで、不純物を添加する際に
、下層の導電膜が不純物の通過を抑制できる場合がある。
ドライエッチング法が挙げられる。該ドライエッチング法を用いて、導電膜170、導電
膜172、及び導電膜174を加工する際に、絶縁膜168の端部の一部が削られ、該端
部の形状が曲率を有する形状となる場合がある。また、絶縁膜168の端部の形状が曲率
を有する形状となる場合、絶縁膜168の上方に形成される絶縁膜176及び絶縁膜17
8の形状も絶縁膜168の影響により、端部の一部に曲率を有する場合がある。
体膜166に不純物元素が添加された場合の、膜厚方向における概念図について、以下説
明する。
る。酸化物半導体膜166が例えば、結晶性の酸化物半導体膜の場合、領域166yは、
領域166xに比べ結晶性が高い。該結晶性の違いは、不純物元素を添加する際に、領域
166xにダメージが入ってしまい結晶性が低下するためである。
次に、図12に示すトランジスタ190の作製方法について、図18乃至図20を用い
て説明する。
る。
。次に、絶縁膜164及び酸化物半導体膜166上に絶縁膜168を形成する。酸化物半
導体膜166及び絶縁膜168はそれぞれ、実施の形態1に示す酸化物半導体膜106及
び絶縁膜108の形成方法を適宜用いることができる。
形成した後、絶縁膜168の一部をエッチングして、酸化物半導体膜166の一部を露出
する開口部180a及び開口部180bを形成する。
169を形成する。
る。
111を形成した後、エッチング溶液または/及びエッチングガス167に導電膜169
を曝して、導電膜170、導電膜172、及び導電膜174を形成する。
チング法を適宜用いることができる。
電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
に不純物元素177として希ガスを添加する。この結果、酸化物半導体膜においてマスク
111に覆われていない領域に不純物元素が添加される。なお、不純物元素177の添加
により、酸化物半導体膜には酸素欠損が形成される。
法を適宜用いることができる。
不純物元素が添加された領域の概念図を図21に示す。図21は、酸化物半導体膜166
近傍の拡大図である。
導体膜166、及び絶縁膜168に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜166
が露出する領域の深さ方向において、添加領域の端部195は、絶縁膜164中に位置す
る。
166及び絶縁膜168に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜166が露出す
る領域の深さ方向において、添加領域の端部196は、絶縁膜164及び酸化物半導体膜
166の界面に位置する。
166及び絶縁膜168に形成される場合がある。なお、酸化物半導体膜166が露出す
る領域の深さ方向において、添加領域の端部197は、酸化物半導体膜166中に位置す
る。
添加したが、マスク111を除去した後、導電膜170、導電膜172、及び導電膜17
4をマスクとして酸化物半導体膜166に不純物元素177を添加してもよい。
76の形成工程において、酸化物半導体膜166にダメージが入り、酸素欠損が形成され
る場合は、不純物元素177の添加を行わなくてもよい。
0、導電膜172、及び導電膜174上に、絶縁膜176を形成し、絶縁膜176上に絶
縁膜178を形成してもよい。
レーザー堆積(PLD)法等がある。なお、シラン及びアンモニア、又はシラン及び窒素
を原料ガスに用いたプラズマCVD法により、水素を含む窒化シリコン膜を形成すること
ができる。また、プラズマCVD法を用いることで、酸化物半導体膜166にダメージを
与えることが可能であり、酸化物半導体膜166に酸素欠損を形成することができる。
素が添加された領域と絶縁膜176とが接することで、絶縁膜176に含まれる水素が酸
化物半導体膜であって、且つ不純物元素が添加された領域に移動する。不純物元素が添加
された領域には酸素欠損が含まれるため、酸化物半導体膜166に低抵抗領域を形成する
ことができる。具体的には、図13に示す領域166b及び領域166cを形成すること
ができる。なお、領域166cは、絶縁膜168を介して酸化物半導体膜166に添加さ
れるため、領域166bと比較して不純物元素の濃度が低い。
拡散する。しかしながら、酸素欠損に水素が移動すると、該水素はエネルギー的に安定と
なり、酸素欠損から水素は脱離しにくくなる。また、酸素欠損と水素の相互作用により、
キャリアである電子が生成される。これらのため、加熱しながら絶縁膜176を形成する
ことで、導電率の変動の少ない低抵抗領域を形成することができる。
てもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250
℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下とする。この結果、低抵抗領域の
導電性を高めることが可能であると共に、低抵抗領域の導電率の変動を低減することがで
きる。
できる。
280℃以下、または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、または100Pa以上200P
a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
、または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、加熱処理により酸素を放出することが可能な酸化シリコン膜または酸化窒化シリコ
ン膜を絶縁膜178として形成することができる。
図14に示すトランジスタ191の作製方法を説明する。なお、ここでは、トランジス
タ191の導電膜170、導電膜172、及び導電膜174に含まれる導電膜170c、
導電膜172c、及び導電膜174cの形成工程と、酸化物半導体膜166に不純物元素
177を添加する工程について説明する。
、酸化物半導体膜166、絶縁膜168、導電膜170、導電膜172、導電膜174、
及びマスク111を形成する。
る。
b、導電膜172b、導電膜174bを還元性雰囲気で発生させたプラズマに曝し、導電
膜170b、導電膜172b、及び導電膜174bの表面の酸化物を還元する。次に、2
00℃以上400℃以下で加熱しながら、導電膜170b、導電膜172b、及び導電膜
174bをシランに曝す。次に、導電膜170b、導電膜172b、及び導電膜174b
を、アンモニアまたは窒素等の窒素を含む雰囲気で発生させたプラズマに曝すことで、導
電膜170c、導電膜172c、及び導電膜174cとして、CuSixNy(x>0、
y>0)を形成することができる。
いて、酸化物半導体膜166がアンモニアまたは窒素等の窒素を含む雰囲気で発生させた
プラズマに曝されるため、酸化物半導体膜166に窒素または/及び水素を添加すること
が可能である。
し、導電膜170、導電膜172、及び導電膜174に含まれる導電膜170c、導電膜
172c、及び導電膜174cを形成してもよい。
図12に示すトランジスタ190の別の作製方法を説明する。なお、ここでは、不純物
元素の添加工程と、絶縁膜176の作製工程について図22を用いて説明する。
、酸化物半導体膜166、絶縁膜168、導電膜170、導電膜172、導電膜174、
及びマスク111を形成する。こののち、図22(A)に示すように、マスク111を除
去する。
0、導電膜172、及び導電膜174上に、絶縁膜176を形成した後、導電膜170、
導電膜172、及び導電膜174をマスクとして、絶縁膜176を介して酸化物半導体膜
166に不純物元素177を添加する。
、トランジスタ190を作製することができる。
とが重ならないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、
本実施の形態に示すトランジスタは、安定して低抵抗領域を形成することが可能なため、
従来と比べ、オン電流は向上し、トランジスタの電気特性のバラツキが低減する。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図23及び図2
4を用いて説明する。
図23に、半導体装置に含まれるトランジスタ150と、トランジスタ150と接続す
る容量素子159の構造を示す。
子159の上面図及び断面図を示す。図23(A)はトランジスタ150及び容量素子1
59の上面図であり、図23(B)は、図23(A)の一点鎖線X1-X2間の断面図、
及び一点鎖線X3-X4間の断面図の断面図である。なお、図23(A)では、明瞭化の
ため、基板102、絶縁膜104、絶縁膜108、絶縁膜116、絶縁膜118、絶縁膜
122などを省略している。
構造を有する。
156に接する絶縁膜118と、絶縁膜118上の導電膜124とを有する。
縁膜122の開口部142aにおいて、導電膜124は導電膜112と接する。絶縁膜1
08、絶縁膜116、絶縁膜118、及び絶縁膜122の開口部142bにおいて、導電
膜124は絶縁膜118と接する。
機樹脂膜を用いることができる。絶縁膜122は、厚さが500nm以上10μm以下で
あることが好ましい。
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、酸化シリコンを含むイ
ンジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。
リブデン、タングステンなどの光を反射する金属元素を用いて形成することができる。さ
らには、光を反射する金属元素を用いて形成された膜と、上記透光性を有する導電性材料
を用いて形成された膜を積層して形成してもよい。
る。また、酸化物半導体膜106に含まれる領域106bと同様に不純物元素が添加され
ている。このため、酸化物半導体膜156は、導電性を有する。
9は透光性を有する。このため、表示装置の画素に容量素子159を設けることで、画素
における開口率を高めることが可能である。
図24に、半導体装置に含まれるトランジスタ190と、該トランジスタ190と接続
する容量素子199の構造を示す。
子199の上面図及び断面図を示す。図24(A)はトランジスタ190及び容量素子1
99の上面図であり、図24(B)は、図24(A)の一点鎖線X1-X2間の断面図、
及び一点鎖線X3-X4間の断面図の断面図である。なお、図24(A)では、明瞭化の
ため、基板162、絶縁膜164、絶縁膜168、絶縁膜176、絶縁膜178、絶縁膜
182などを省略している。
構造を有する。
198に接する絶縁膜176と、絶縁膜176上の導電膜184とを有する。
縁膜182の開口部182aにおいて、導電膜184は導電膜172と接する。絶縁膜1
68、絶縁膜176、絶縁膜178、及び絶縁膜182の開口部182bにおいて、導電
膜184は絶縁膜176と接する。
性を有する。また、酸化物半導体膜166に含まれる領域166bと同様に不純物元素が
添加されている。このため、酸化物半導体膜198は、導電性を有する。
9は透光性を有する。このため、表示装置の画素に容量素子199を設けることで、画素
における開口率を高めることが可能である。
して、導電性を有する酸化物半導体膜を形成することができる。このため、マスク数の増
加なく、トランジスタ及び容量素子を同時に形成することができる。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体膜の構成につ
いて以下詳細に説明を行う。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けら
れる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC-OS、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34(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34(B)および図34(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34(D)参照。)。図34(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34(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35(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35(B)、図35(C)および
図35(D)に示す。図35(B)、図35(C)および図35(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36(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36(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36(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42(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42(B)に示す。図4
2(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42(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42(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43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43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43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45(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45(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45(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。
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43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45(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4
5(C)に、剥離したペレット5100をc軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペ
レット5100は、二つのGa-Zn-O層(パン)と、In-O層(具)と、を有する
ナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
る。ペレット5100は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある
。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペ
レット状の形状を維持することが可能となる。なお、CAAC-OS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43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44(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46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43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。
置を構成することができる。
合わせて用いることができる。
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを用いて表示機能を
有する表示装置の一例について、図27乃至図30を用いて以下説明を行う。
0は、第1の基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられた
ソースドライバ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、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を囲むように配置されるシール
材712と、第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有す
る。なお、第1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されて
いる。すなわち、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は、第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されて
いる。なお、図27(A)には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間
には表示素子が設けられる。
領域とは異なる領域に、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と電気的に接続されるFPC端子部708(FPC:Flexible
printed circuit)が設けられる。また、FPC端子部708には、FP
C716が接続され、FPC716によって画素部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に各種信号等が供給される。また、画素部702、ソ
ースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706、及びFPC端子部708には
、信号線710が各々接続されている。FPC716により供給される各種信号等は、信
号線710を介して、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路
部706、及びFPC端子部708に与えられる。
00としては、図27(A)に示す表示装置700の画素部702の代わりに画素部80
2を用いる。
た、表示装置700、800としては、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライ
バ回路部706を画素部702、802と同じ第1の基板701に形成している例を示し
ているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部706のみを第1の
基板701に形成しても良いし、ソースドライバ回路部704のみを第1の基板701に
形成しても良い。この場合、別途用意されたソースドライバ回路、またはゲートドライバ
回路等が形成された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回
路基板)を、第1の基板701に実装する構成としても良い。
(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができ
る。なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、もしくは光源(照明装
置なども含む)を指す。また、コネクター、例えばFPC、TCP(Tape Carr
ier Package)が取り付けられたモジュール、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方式により駆動回路基板、または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。
704及びゲートドライバ回路部706は、複数のトランジスタを有しており、本発明の
一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。
0は、表示素子として発光素子を用いる構成である。
する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な素子を有することが出
来る。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネ
ッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、L
ED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に
応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、
グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)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)、MIRASOL
(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、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を用いた表示素子などの少なく
とも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、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していても良い。EL素子を用いた
表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置
の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又はSED方式平面型
ディスプレイ(SED:Surface-conduction Electron-e
mitter 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。
部分について、図28乃至図29を用いて表示装置700と表示装置800の詳細につい
て説明する。
図28は、図27(A)に示す一点鎖線Q-Rにおける切断面に相当する断面図である
。図29は、図27(B)に示す一点鎖線V-Wにおける切断面に相当する断面図である
。
702、802と、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。
なお、引き回し配線部711は、信号線710を有する。
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される
。なお、信号線710は、トランジスタ750、752のゲート電極、ソース電極及びド
レイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えば引き回し配線として用いる導電膜を
用いてもよい。
6を有する。なお、接続電極760は、トランジスタ750のソース電極層及びドレイン
電極層として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極760は、FPC
716が有する端子と異方性導電膜780を介して、電気的に接続される。
02にトランジスタ750、ソースドライバ回路部704にトランジスタ752がそれぞ
れ設けられる構成について、例示している。トランジスタ750及びトランジスタ752
は、図1に示すトランジスタ150と同様の構成である。なお、トランジスタ750及び
トランジスタ752の構成については、トランジスタ150の構成に限定されず、例えば
、トランジスタ151乃至154、トランジスタ190乃至194、トランジスタ150
A、トランジスタ190A、及びトランジスタ190Bに示す構成のトランジスタを用い
てよい。
半導体膜を有し、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よっ
て、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み
間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため
、消費電力を抑制する効果を奏する。
酸化物半導体膜を有し、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能であ
る。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、
画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバトランジスタを同
一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等に
より形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減するこ
とができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、
高画質な画像を提供することができる。
線として、銅元素を含む配線を用いることができる。そのため、本発明の一態様の表示装
置は、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。
と、ソースドライバ回路部704に含まれるトランジスタ752は、同一のサイズの構成
としているが、これに限定されない。画素部702、及びソースドライバ回路部704に
用いるトランジスタは、適宜サイズ(L/W)、または用いるトランジスタ数などを変え
ることができる。また、図28及び図29においては、ゲートドライバ回路部706は、
図示していないが、ソースドライバ回路部704と同様の構成とすることができる。
る絶縁膜764、766上に平坦化絶縁膜770が設けられている。
ぞれ同様の材料及び作製方法により形成することができる。
ド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有
機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させる
ことで、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜770を設けない構
成としてもよい。
の一方には、導電膜772または導電膜844が接続される。導電膜772、844は、
平坦化絶縁膜770上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能す
る。導電膜772としては、可視光において透光性のある導電膜を用いると好ましい。該
導電膜としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ば
れた一種を含む材料を用いるとよい。また、導電膜844としては、反射性のある導電膜
を用いると好ましい。
図28に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電膜
772、導電膜774、及び液晶層776を有する。導電膜774は、第2の基板705
側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図28に示す表示装置700は、導電膜
772と導電膜774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わること
によって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図28において図示しないが、カ
ラーフィルタ(着色膜)、ブラックマトリクス(遮光膜)、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位
相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトな
どを用いてもよい。
きる。また、第1の基板701及び第2の基板705として、可撓性を有する基板を用い
てもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる。
スペーサ778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであ
り、液晶層776の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられる。なお、スペーサ
778として、球状のスペーサを用いていても良い。
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリ
ック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発
現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組
成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、
応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要である。また、ブルー相を示す
液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物を用いると、視野角依存性を小さくすることができ
る。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物を用いると、配向膜を設
けなくてもよいのでラビング処理が不要となるため、ラビング処理によって引き起こされ
る静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減するこ
とができる。
)モード、IPS(In-Plane-Switching)モード、FFS(Frin
ge Field Switching)モード、ASM(Axially Symme
tric aligned Micro-cell)モード、OCB(Optical
Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroe
lectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerr
oelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる
。
透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、
例えば、MVA(Multi-Domain Vertical Alignment)
モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード
、ASVモードなどを用いることができる。
を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RG
B(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、Rの画素とGの画
素とBの画素とW(白)の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列
のように、RGBのうちの2色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる2色を
選択して構成してもよい。またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追
加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。
ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示
の表示装置に適用することもできる。
図29に示す表示装置800は、発光素子880を有する。発光素子880は、導電膜
844、EL層846、及び導電膜848を有する。表示装置800は、発光素子880
が有するEL層846が発光することによって、画像を表示することができる。
絶縁膜830が設けられる。絶縁膜830は、導電膜844の一部を覆う。なお、発光素
子880はトップエミッション構造である。したがって、導電膜848は透光性を有し、
EL層846が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッショ
ン構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜844側に光を射出
するボトムエミッション構造や、導電膜844及び導電膜848の双方に光を射出するデ
ュアルエミッション構造にも適用することができる。
る位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜838が設け
られている。着色膜836及び遮光膜838は、絶縁膜834で覆われている。発光素子
880と絶縁膜834の間は封止膜832で充填されている。なお、表示装置800にお
いては、着色膜836を設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、
EL層846を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜836を設けない構成と
してもよい。
を用いて説明する。
図30に示す表示装置700Aは、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電
膜773、導電膜777、及び液晶層776を有する。導電膜773は、第1の基板70
1上の平坦化絶縁膜770上に設けられ、反射電極としての機能を有する。図30に示す
表示装置700Aは、外光を利用し導電膜773で光を反射して着色膜836を介して表
示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。
の一部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜770を有機樹脂膜等
で形成し、該有機樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射
電極として機能する導電膜773は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が
導電膜773に入射した場合において、導電膜773の表面で光を乱反射することが可能
となり、視認性を向上させることができる。
着色膜836を有する。遮光膜838、絶縁膜834、及び着色膜836は、表示装置8
00に記載の材料及び方法を援用することで形成することができる。また、表示装置70
0Aが有する導電膜773は、トランジスタ750のソース電極またはドレイン電極と機
能する導電膜と電気的に接続される。導電膜773としては、導電膜844に記載の材料
及び方法を援用することで形成することができる。
間に絶縁膜を有する。より具体的には、容量素子790は、トランジスタ750のゲート
電極、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同一工程で形成される導電膜
を一方の電極として用い、トランジスタ750の引き回し配線として機能する導電膜と同
一工程で形成される導電膜792を他方の電極として用い、上記導電膜の間には、絶縁膜
764を有する。
11には、信号線710の代わりに信号線710aを有する。また、表示装置700Aは
、図28に示す表示装置700と異なり、FPC端子部708には、接続電極760の代
わりに接続電極760aを有する。信号線710a、接続電極760a、及び導電膜79
2は、同一工程で形成される。例えば、信号線710a、接続電極760a、及び導電膜
792は、一つの導電膜を加工することで同じ工程で形成することができる。
と、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と、を同一の工程で形成する。す
なわち、ゲート電極として機能する導電膜と、ソース電極及びドレイン電極として機能す
る導電膜は同一平面上に形成される。そのため、ゲート電極として機能する導電膜、ある
いはソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜のいずれか一方または双方は、異
なる導電膜を介して引き回す場合がある。
する導電膜を接続させる接続部の一例について、図37を用いて説明を行う。
鎖線Z1-Z2間の断面図である。なお、図37(B)では、明瞭化のため、絶縁膜など
の構成要素の一部を省略している。
絶縁膜908上の導電膜910、912、914と、絶縁膜908及び導電膜910、9
12、914上の絶縁膜916と、絶縁膜916に設けられる開口部930a、930b
を介して、導電膜910及び導電膜912と接続される導電膜945と、絶縁膜916及
び導電膜945上の絶縁膜918と、を有する。
る。絶縁膜904、908、916としては、それぞれ実施の形態1に示す絶縁膜104
、108、116と同様の材料を用いることができる。また、導電膜910、912、9
14、945としては、実施の形態1に示す導電膜110、112、114と同様の材料
を用いることができる。
れる。また、導電膜912としては、トランジスタのソース電極またはドレイン電極と接
続される。また、導電膜945は、開口部930a、930bを介して、導電膜910と
導電膜912を電気的に接続される。
る導電膜を接続させる接続部の別の一例について、図40を用いて説明を行う。
鎖線Z1-Z2間の断面図である。なお、図40(B)では、明瞭化のため、絶縁膜など
の構成要素の一部を省略している。
、導電膜120aは、導電膜120と同時に成膜され、同時にエッチングされた導電膜で
ある。したがって、同じ材料を有している。
適用することが可能である。
ができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いることができる表示装置につい
て、図31を用いて説明を行う。
いう)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(
以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路50
6という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成とし
てもよい。
ことが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部504
の一部、または全部が、画素部502と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回
路部504の一部、または全部は、COGやTAB(Tape Automated B
onding)によって、実装することができる。
た複数の表示素子を駆動するための回路(以下、画素回路501という)を有し、駆動回
路部504は、画素を選択する信号(走査信号)を出力する回路(以下、ゲートドライバ
504aという)、画素の表示素子を駆動するための信号(データ信号)を供給するため
の回路(以下、ソースドライバ504b)などの駆動回路を有する。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力す
る。例えば、ゲートドライバ504aは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力さ
れ、パルス信号を出力する。ゲートドライバ504aは、走査信号が与えられる配線(以
下、走査線GL_1乃至GL_Xという)の電位を制御する機能を有する。なお、ゲート
ドライバ504aを複数設け、複数のゲートドライバ504aにより、走査線GL_1乃
至GL_Xを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ504aは、初期化信号
を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ50
4aは、別の信号を供給することも可能である。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元とな
る信号(画像信号)が入力される。ソースドライバ504bは、画像信号を元に画素回路
501に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ504bは
、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信
号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、データ信号が与え
られる配線(以下、信号線DL_1乃至DL_Yという)の電位を制御する機能を有する
。または、ソースドライバ504bは、初期化信号を供給することができる機能を有する
。ただし、これに限定されず、ソースドライバ504bは、別の信号を供給することも可
能である。
ソースドライバ504bは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、
画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを
用いてソースドライバ504bを構成してもよい。
介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数の信号線DLの一つを介して
データ信号が入力される。複数の画素回路501のそれぞれは、ゲートドライバ504a
によりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、m行n列目の画素
回路501は、走査線GL_m(mはX以下の自然数)を介してゲートドライバ504a
からパルス信号が入力され、走査線GL_mの電位に応じて信号線DL_n(nはY以下
の自然数)を介してソースドライバ504bからデータ信号が入力される。
01の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドラ
イバ504bと画素回路501の間の配線である信号線DLに接続される。または、保護
回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することがで
きる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配線
に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び制
御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
6を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:
静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。
ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに
保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続
した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成
とすることもできる。
よって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例
えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成
された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実
装する構成としても良い。
とすることができる。
量素子560と、を有する。
できる。トランジスタ550として、先の実施の形態に示すトランジスタ150乃至15
4、トランジスタ190乃至194、トランジスタ150A、トランジスタ190A、及
びトランジスタ190B等を適用することができる。
される。液晶素子570は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複
数の画素回路501のそれぞれが有する液晶素子570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、各行の画素回路501の液晶素子570の一対の
電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
ード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned M
icro-cell)モード、OCB(Optically Compensated
Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqu
id Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Li
quid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Ve
rtical Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、又はTBA
(Transverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。
また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ECB(Electric
ally Controlled Birefringence)モード、PDLC(P
olymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNLC
(Polymer Network Liquid Crystal)モード、ゲストホ
ストモードなどがある。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。
ン電極の一方は、信号線DL_nに電気的に接続され、他方は液晶素子570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550のゲート電極は、走査線GL
_mに電気的に接続される。トランジスタ550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。
)に電気的に接続され、他方は、液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続され
る。なお、電位供給線VLの電位の値は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される
。容量素子560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。
に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ
550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
とすることができる。
子562と、発光素子572と、を有する。ここでは、トランジスタ552及びトランジ
スタ554いずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタ150乃至15
4、トランジスタ190乃至194、トランジスタ150A、トランジスタ190A、及
びトランジスタ190B等を適用することができる。
配線(信号線DL_n)に電気的に接続される。さらに、トランジスタ552のゲート電
極は、ゲート信号が与えられる配線(走査線GL_m)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。
_aという)に電気的に接続され、他方は、トランジスタ552のソース電極及びドレイ
ン電極の他方に電気的に接続される。
気的に接続される。さらに、トランジスタ554のゲート電極は、トランジスタ552の
ソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
され、他方は、トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続
される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子572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。
えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。
ートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552を
オン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ554の
ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子572は、流れる電
流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
ができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いることができる表示モジュール
及び電子機器について、図32及び図33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8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリー8011を有する。
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、表示パネル8
006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。
ト8007上に光源8008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例
えば、バックライト8007の端部に光源8008を配置し、さらに光拡散板を用いる構
成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射
型パネル等の場合においては、バックライト8007を設けない構成としてもよい。
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。
加して設けてもよい。
体5000、表示部5001、スピーカ5003、LEDランプ5004、操作キー50
05(電源スイッチ、又は操作スイッチを含む)、接続端子5006、センサ5007(
力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質
、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、にお
い又は赤外線を測定する機能を含むもの)、マイクロフォン5008、等を有することが
できる。
、赤外線ポート5010、等を有することができる。図33(B)は記録媒体を備えた携
帯型の画像再生装置(たとえば、DVD再生装置)であり、上述したものの他に、第2表
示部5002、記録媒体読込部5011、等を有することができる。図33(C)はゴー
グル型ディスプレイであり、上述したものの他に、第2表示部5002、支持部5012
、イヤホン5013、等を有することができる。図33(D)は携帯型遊技機であり、上
述したものの他に、記録媒体読込部5011、等を有することができる。図33(E)は
テレビ受像機能付きデジタルカメラであり、上述したものの他に、アンテナ5014、シ
ャッターボタン5015、受像部5016、等を有することができる。図33(F)は携
帯型遊技機であり、上述したものの他に、第2表示部5002、記録媒体読込部5011
、等を有することができる。図33(G)はテレビ受像器であり、上述したものの他に、
チューナ、画像処理部、等を有することができる。図33(H)は持ち運び型テレビ受像
器であり、上述したものの他に、信号の送受信が可能な充電器5017、等を有すること
ができる。
例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッ
チパネル機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示する機能、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、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコ
ンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信又は
受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に
表示する機能、等を有することができる。さらに、複数の表示部を有する電子機器におい
ては、一つの表示部を主として画像情報を表示し、別の一つの表示部を主として文字情報
を表示する機能、または、複数の表示部に視差を考慮した画像を表示することで立体的な
画像を表示する機能、等を有することができる。さらに、受像部を有する電子機器におい
ては、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補
正する機能、撮影した画像を記録媒体(外部又はカメラに内蔵)に保存する機能、撮影し
た画像を表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図33(A)乃至図3
3(H)に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を
有することができる。
ることを特徴とする。なお、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器
にも適用することができる。
ができる。
103 絶縁膜
104 絶縁膜
104a 窒化物絶縁膜
104b 酸化物絶縁膜
106 酸化物半導体膜
106a 領域
106b 領域
106c 領域
106d 領域
107a 酸化物半導体膜
107b 酸化物半導体膜
107c 酸化物半導体膜
108 絶縁膜
109 導電膜
110 導電膜
110a 導電膜
110b 導電膜
110c 導電膜
111 マスク
112 導電膜
112a 導電膜
112b 導電膜
112c 導電膜
114 導電膜
114a 導電膜
114b 導電膜
114c 導電膜
116 絶縁膜
117 不純物元素
118 絶縁膜
119 膜
120 導電膜
120a 導電膜
121 酸素
122 絶縁膜
123 エッチングガス
124 導電膜
135 端部
136 端部
137 端部
140a 開口部
140b 開口部
142a 開口部
142b 開口部
150 トランジスタ
150A トランジスタ
151 トランジスタ
152 トランジスタ
153 トランジスタ
154 トランジスタ
156 酸化物半導体膜
159 容量素子
162 基板
164 絶縁膜
164a 窒化物絶縁膜
164b 酸化物絶縁膜
166 酸化物半導体膜
166a 領域
166b 領域
166c 領域
166d 領域
166x 領域
166y 領域
167 エッチングガス
167a 酸化物半導体膜
167b 酸化物半導体膜
167c 酸化物半導体膜
168 絶縁膜
169 導電膜
170 導電膜
170a 導電膜
170b 導電膜
170c 導電膜
170d 導電膜
170e 導電膜
172 導電膜
172a 導電膜
172b 導電膜
172c 導電膜
172d 導電膜
172e 導電膜
174 導電膜
174a 導電膜
174b 導電膜
174c 導電膜
174d 導電膜
174e 導電膜
176 絶縁膜
177 不純物元素
178 絶縁膜
180a 開口部
180b 開口部
181 導電膜
182 絶縁膜
182a 開口部
182b 開口部
183 開口部
184 導電膜
190 トランジスタ
190A トランジスタ
190B トランジスタ
191 トランジスタ
192 トランジスタ
193 トランジスタ
194 トランジスタ
195 端部
196 端部
197 端部
198 酸化物半導体膜
199 容量素子
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
700 表示装置
700A 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
710a 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
760a 接続電極
764 絶縁膜
766 絶縁膜
770 平坦化絶縁膜
772 導電膜
773 導電膜
774 導電膜
775 液晶素子
776 液晶層
777 導電膜
778 スペーサ
780 異方性導電膜
790 容量素子
792 導電膜
800 表示装置
802 画素部
830 絶縁膜
832 封止膜
834 絶縁膜
836 着色膜
838 遮光膜
844 導電膜
846 EL層
848 導電膜
880 発光素子
900 接続部
902 基板
904 絶縁膜
908 絶縁膜
910 導電膜
912 導電膜
914 導電膜
916 絶縁膜
918 絶縁膜
930a 開口部
930b 開口部
945 導電膜
5000 筐体
5001 表示部
5002 表示部
5003 スピーカ
5004 LEDランプ
5005 操作キー
5006 接続端子
5007 センサ
5008 マイクロフォン
5009 スイッチ
5010 赤外線ポート
5011 記録媒体読込部
5012 支持部
5013 イヤホン
5014 アンテナ
5015 シャッターボタン
5016 受像部
5017 充電器
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5102 酸化亜鉛層
5103 粒子
5105a ペレット
5105a1 領域
5105a2 ペレット
5105b ペレット
5105c ペレット
5105d ペレット
5105d1 領域
5105e ペレット
5120 基板
5130 ターゲット
5161 領域
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
Claims (11)
- 酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、
前記ゲート電極と重なる第1の領域と、前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、
前記第1の領域及び前記第2の領域は、不純物元素の濃度が異なり、
前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、同一の金属元素を含む、
ことを特徴とする半導体装置。 - 酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、
前記ゲート電極と重なる第1の領域と、前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、
前記第1の領域及び前記第2の領域は、不純物元素の濃度が異なり、
前記第2の領域には、窒化物絶縁膜が接して設けられ、
前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、同一の金属元素を含む、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第1の領域より前記第2の領域の不純物元素の濃度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記不純物元素は、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リンまたは塩素の中から選ばれるいずれか一つを有する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2において、
前記窒化物絶縁膜は、窒化シリコン膜である、
ことを特徴とする半導体装置。 - 酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、
前記ゲート電極と重なる第1の領域と、前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、
前記第2の領域は、前記第1の領域よりも水素濃度が高く、
前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、同一の金属元素を含む、
ことを特徴とする半導体装置。 - 酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、
前記ゲート電極と重なる第1の領域と、前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極と重ならない第2の領域と、を有し、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも結晶性が高く、
前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、同一の金属元素を含む、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項6または請求項7のいずれか一つにおいて、
前記ゲート電極と前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、
少なくとも一部が同一平面上に形成される、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項6または請求項7のいずれか一つにおいて、
前記酸化物半導体膜は、
In-M-Zn酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、またはHf)である、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項6または請求項7のいずれか一つにおいて、
前記酸化物半導体膜は、
結晶部を含み、前記結晶部のc軸が前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行である、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項10に記載のいずれか一つの半導体装置を用いた表示装置。
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