JP5160693B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
する表示装置などの半導体装置に関する。更には、これらを有する電子機器に関する。
が要求されている。このような要求を満たすために、炭化シリコン(SiC)を用いたダ
イオードが検討されている。すなわち、半導体材料としての炭化シリコンは、禁制帯幅が
3eV以上であり高温での電気伝導度の制御性に優れ、シリコンより約1桁高い絶縁破壊
電界を有するため、逆方向飽和電流が少なく耐圧が高いダイオードへの適用が検討されて
いる。例えば、逆方向のもれ電流を低減した、炭化シリコンを用いたショットキーバリア
ダイオードが知られている(特許文献1参照)。
プロセス温度が高いといった問題を有している。例えば、炭化シリコンに不純物領域を形
成するにはイオン注入法が用いられるが、ドーパントの活性化やイオン注入により誘起さ
れた結晶欠陥の回復には1500℃以上の熱処理が必要となる。
ことができないという問題がある。さらに、炭化シリコンは化学的にも極めて安定である
ため、通常のウエットエッチングが困難であるという問題を抱えている。
することが期待されているが、実際にこれを製造するには、非常に多くの問題が内在して
おり、実現は困難を極めている。
ることを目的とする。また、逆方向飽和電流の少ないダイオードなどの非線形素子を低い
プロセス温度(例えば、800℃以下)で製造することを目的とする。
二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm3以下である酸化物半
導体層と、酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極を有し、第1の電極の仕事関
数φma、酸化物半導体層の電子親和力χ、第2の電極の仕事関数φmcが、φmc≦χ
<φmaとなるように構成するものである。
る酸化物半導体層を有し、ソース電極とドレイン電極は、酸化物半導体層のチャネル形成
領域を間に挟んで、酸化物半導体層に接し、ゲート電極は絶縁膜を介して酸化物半導体層
のチャネル形成領域と重なり、ゲート電極とドレイン電極を電気的に接続し、ソース電極
の仕事関数φms、ドレイン電極の仕事関数φmd、酸化物半導体層の電子親和力χが、
φms≦χ<φmdとなるように構成するものである。
される二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×1019/cm3以下である酸
化物半導体層と、酸化物半導体層上に接して形成される第2の電極と、第1の電極、酸化
物半導体層、及び第2の電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接して形成され、第
1の電極、酸化物半導体層、及び第2の電極を介して対向する複数の第3の電極を有し、
複数の第3の電極は、第1の電極と接続されており、第1の電極の仕事関数φmd、前記
酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmsが、φms≦χ<φm
dとなるように構成するものである。
くは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm3以下となるように
、酸化物半導体層に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア濃度を5×1014
/cm3以下、好ましくは5×1012/cm3以下とした酸化物半導体層を用いる。
上、より好ましくは3eV以上として、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、
キャリア濃度を1×1014/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3以下となる
ようにする。
、鉄(Fe)または酸化インジウム錫(ITO)を用いることができる。また、第2の電
極材料は、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、マグネシウム
(Mg)、銀(Ag)またはジルコニウム(Zr)を用いることができる。
ン、ベリリウム、トリウムなどを用いても良い。
の差dφを0.1eV以上、好ましくは0.2eV以上とすることで良好な整流特性を得
ることができる。
on Mass Spectrometry。以下、SIMSともいう。)によるもので
ある。ただし、他の計測法が挙げられている場合など、特に記載がある場合にはこの限り
ではない。
い電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタによって構成される、微細化が可能
なダイオードなどの非線形素子を提供する。
素子を得ることができる。従って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイ
オードなどの非線形素子を作製することができる。
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共
通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「
第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただ
し、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差の
ことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い
。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、
電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
本実施の形態では、酸化物半導体を用いた非線形素子の一形態として、仕事関数差を利用
したダイオードについて、図1を参照して説明する。
の電位が、N型半導体の電位よりも高い場合に電流が流れる状態、すなわち導通状態とな
り、P型半導体の電位が、N型半導体の電位よりも低い場合にほとんど電流が流れない状
態、すなわち非導通状態(絶縁状態)となる性質を持つ。
非導通状態となる方向を逆方向という。また、順方向の時の電圧、電流を順方向電圧、順
方向電流といい、逆方向の時の電圧、電流を逆方向電圧、逆方向電流という。また、P型
半導体側をアノード、N型半導体側をカソードという。
フォトリソグラフィー工程などの加工工程が必要となるため、半導体装置の製造工程が複
雑となり、歩留まり低下や製造コスト増の要因となる。本実施の形態では、半導体として
高純度化された酸化物半導体(i型若しくは実質的にi型とみなされるものを含む)を用
いて、ダイオードを実現する構造について説明する。
cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm
3以下となるように、酸化物半導体層に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア
濃度を5×1014/cm3以下、好ましくは5×1012/cm3以下としたものを含
む。
1(B)は、図1(A)におけるA1−A2一点鎖線の断面構造に相当する。基板701
上に下地層として絶縁膜703が形成され、絶縁膜703上にアノードとなる導電層70
5が形成され、導電層705上に高純度化された酸化物半導体層707が形成され、酸化
物半導体層707上にカソードとなる導電層709が形成され、導電層709上に絶縁膜
711が形成されている。この時、酸化物半導体層707に接し、アノードとなる導電層
705に使用する導電性材料の仕事関数(φma)と、酸化物半導体層707の電子親和
力(χ)と、酸化物半導体層707に接し、カソードとなる導電層709に使用する導電
性材料の仕事関数(φmc)の関係が、式1で示す関係となるようにする。
φmc≦χ<φma・・・式1
親和力よりも大きい仕事関数の導電性材料の例として、タングステン(W)、モリブデン
(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、酸化インジウム錫(ITO)などを用いること
ができる。また、仕事関数が酸化物半導体の電子親和力以下である導電性材料の例として
、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)
、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)などを用いることができる。
1を満たす構造とすることで、酸化物半導体をダイオードに用いることができる。
ンド図を用いて説明する。図2は、高純度化された酸化物半導体802(i型若しくは実
質的にi型とみなされるものを含む)に、アノード801とカソード803が接合してい
る状態を示すバンド図である。
m3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm3
以下となるように、酸化物半導体層に含まれる水素若しくはOH基を除去し、キャリア濃
度を5×1014/cm3以下、好ましくは5×1012/cm3以下としたものを含む
。
ド図を示している。フェルミレベル813は、カソード803のフェルミレベルを示して
おり、アノード801、カソード803及び酸化物半導体802のフェルミレベルが一致
している。準位820は、真空準位を示している。
電子親和力(χ)のエネルギー差(φma−χ)を示している。また、エネルギー障壁8
23は、カソード803の仕事関数(φmc)と酸化物半導体802の電子親和力(χ)
のエネルギー差(φmc−χ)を示している。
いため、エネルギー障壁821は正の値となる。このため、アノード801に存在する電
子は、エネルギー障壁821に阻まれ、酸化物半導体802の伝導帯822にほとんど移
動することができない。
下であるため、エネルギー障壁823が負の値となり、カソード803に存在する電子は
、酸化物半導体802の伝導帯822に容易に移動することができる。
導帯端が電子移動の障壁となり、電子はアノード801へ移動できない。つまり、アノー
ド801とカソード803の間に電流は流れない。
図である。アノード801に正の電圧が印加されたことにより、アノード801のフェル
ミレベルが押し下げられ、カソード803から伝導帯822に移動した電子がアノード8
01に容易に移動することができるため、アノード801とカソード803の間に電流が
流れる(順方向電流)。
図である。アノード801に負の電圧が印加されたことにより、アノード801のフェル
ミレベルが引き上げられ、カソード803から伝導帯822に移動した電子がアノード8
01に移動することができない。また、エネルギー障壁821はそのままであるため、ア
ノード801に存在する電子は、酸化物半導体802の伝導帯822にほとんど移動する
ことができない。ただし、極僅かではあるが、ある確率でエネルギー障壁821を超えて
伝導帯822に移動する電子が存在するため、カソード803とアノード801の間に、
極めて微弱な電流が流れる(逆方向電流)。
と、カソードに用いる導電性材料の仕事関数(φmc)の関係を、式1で示す関係となる
ようにすることで、整流特性を実現することができる。
の仕事関数と酸化物半導体層の電子親和力のエネルギー差について検討した結果を示す。
デバイスシミュレーションは、Silvaco社製ソフトウエア「Atlas」を用いて
行った。前提条件として、カソードとなる導電層の仕事関数(φmc)を4.3eV、酸
化物半導体層の電子親和力(χ)を4.3eV、アノードとカソード間の距離(酸化物半
導体層の厚さ)を100nm、アノード及びカソードと酸化物半導体層の接触面積を1μ
m2としてシミュレーションを行った。
ma)と酸化物半導体層の電子親和力(χ)の差(dφ)を示している。縦軸は、順方向
電圧1Vの時の順方向電流値を、逆方向電圧1Vの時の逆方向電流値で割った値の絶対値
を対数目盛で示しており、数値が大きいほど良好な整流特性が得られることを示す。図3
から、dφを0.1eV以上、好ましくは0.2eV以上とすることで、良好な整流特性
が得られることがわかる。
充分広いため、特に逆方向電圧印加時の電流を低く抑える効果が期待できる。
を増やすことなく、優れた整流特性をもつダイオードを生産性よく作製することができる
。
本実施の形態では、図4を用いて非線形素子の一形態として実施の形態1で説明した2端
子型ダイオードを、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタを用いて3端子型
ダイオードとする例について説明する。
を示す。図4(A)は薄膜トランジスタ633の上面図であり、図4(B)は図4(A)
の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
化物半導体層607、及び第2の電極609が積層される。また、第1の電極605、酸
化物半導体層607、及び第2の電極609を覆うように、ゲート絶縁膜611が設けら
れている。ゲート絶縁膜611上には、第3の電極613、615が設けられている。ゲ
ート絶縁膜611及び第3の電極613、615上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜
617が設けられている。絶縁膜617には、開口部が形成されており、開口部において
第1の電極605と接続する配線625(図4(A)参照)、第2の電極609と接続す
る配線629、第3の電極613及び第3の電極615と接続する配線625、が形成さ
れる。第1の電極605は、薄膜トランジスタのドレイン電極として機能する。第2の電
極609は、薄膜トランジスタのソース電極として機能する。第3の電極613及び第3
の電極615は、薄膜トランジスタのゲート電極として機能し、第1の電極605と配線
625を介して電気的に接続している。
使用する導電性材料の仕事関数(φmd)と、酸化物半導体層607の電子親和力(χ)
と、酸化物半導体層607に接し、ソース電極として機能する第2の電極609に使用す
る導電性材料の仕事関数(φms)の関係が式2で示す関係となるようにする。
φms≦χ<φmd・・・式2
として機能する第3の電極613及び第3の電極615が電気的に接続される構造として
いる。この構造とすることで、ドレイン電極にソース電極よりも高い電圧(正の電圧)が
印加されると、ゲート電極にも正の電圧が印加されるため、薄膜トランジスタがオン状態
となり、順方向電流がより流れやすくなる。一方、ドレイン電極にソース電極よりも低い
電圧(負の電圧)が印加されると、薄膜トランジスタがオフ状態となり、逆方向電流がよ
り流れにくくなるため、ダイオードの整流特性をより高めることができる。
流電圧特性を示す。図5(A)及び図5(B)における曲線851は、2端子型ダイオー
ドの電流電圧特性シミュレーション結果であり、図5(A)及び図5(B)における曲線
852は、3端子型ダイオードの電流電圧特性シミュレーション結果である。
行った。前提条件として、カソード(ソース)となる導電層の仕事関数(φms)を4.
3eV、酸化物半導体層の電子親和力(χ)を4.3eV、アノード(ドレイン)となる
導電層の仕事関数(φmd)を4.7eV、アノードとカソード間の距離(チャネル長)
を500nm、アノード及びカソードと酸化物半導体層の接触面積を1μm2としてシミ
ュレーションを行った。また、3端子型ダイオードとして用いる薄膜トランジスタのゲー
ト絶縁膜を、厚さ100nm、比誘電率4.0としてシミュレーションを行った。
圧(Vds)を示しており、プラス側が順方向電圧、マイナス側が逆方向電圧を示してい
る。縦軸はアノード−カソード間(ドレイン−ソース間)電流(Ids)を示している。
また、曲線851は2端子型ダイオードの電流電圧特性を示しており、曲線852は3端
子型ダイオードの電流電圧特性を示している。
また、2端子型ダイオード(曲線851)よりも、3端子型ダイオード(曲線852)の
方が、順方向電流が多く流れていることが確認できる。
図5(A)の縦軸(Ids)のスケールを変化させた図である。図5(B)から、2端子
型ダイオード(曲線851)よりも、3端子型ダイオード(曲線852)の方が、逆方向
電流が少ないことが確認できる。
ドの方が、より良好な整流特性を得られることが確認できた。
たす構成とした薄膜トランジスタを用いて、3端子型ダイオードを作製することにより、
より整流特性に優れたダイオードを実現することができる。
タを用いることも可能である。
本実施の形態では、本発明の一態様である、実施の形態2に示したダイオードの構造の一
例について、図6を用いて説明する。本実施の形態にて説明するダイオードは、電界効果
型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタのソース電極またはドレイン電極にゲート電極
が接続されたものである。
続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体層107
を介して第1の電極105に接続されている。第1の電極105は配線131に接続され
ている。
は図6(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
5、酸化物半導体層107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極10
5、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111が
設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113及び第3の電極115が
設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3の電極113及び第3の電極115上には
層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設けられている。絶縁膜117には、開口部が
形成されており、開口部において第1の電極105と接続する配線131(図6(A)参
照)、第2の電極109および第3の電極113及び第3の電極115と接続する配線1
25が形成される。第1の電極105は、薄膜トランジスタのソース電極またはドレイン
電極の一方として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタのソース電極または
ドレイン電極の他方として機能する。第3の電極113及び第3の電極115は、薄膜ト
ランジスタのゲート電極として機能する。
能する第3の電極113と、第3の電極115とは電気的に接続されており、且つ第1の
電極105、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を介して対向していることを
特徴とする。
子を有する素子であり、ドレインとソースの間の半導体層中にチャネル形成領域を有して
おり、ドレインとチャネル形成領域とソースとを介して電流を流すことができる。ここで
、ソースとドレインとは、薄膜トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、
いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソース及
びドレインとして機能する領域を、ソースもしくはドレインとよばない場合がある。その
場合、一例としては、それぞれを第1の端子、第2の端子と表記する場合がある。あるい
は、それぞれを第1の電極、第2の電極と表記する場合がある。あるいは、第1の領域、
第2の領域と表記する場合がある。
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。
要となる。基板101としては、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス
などのガラス基板を用いることができる。
のものを用いるとよい。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、ア
ルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている
。なお、酸化ホウ素(B2O3)と比較して酸化バリウム(BaO)を多く含ませること
で、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaOを多く含むガラ
ス基板を用いることが好ましい。
縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。
ン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウムなどの窒
化物絶縁膜で形成する。また、絶縁膜103は積層構造でもよく、例えば、基板101側
から上記した窒化物絶縁膜のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁膜のいずれか一つ
以上との積層構造とすることができる。
チタン、モリブデン、タングステン、イットリウム、銀から選ばれた元素、または上述し
た元素を成分とする合金、上述した元素を組み合わせた合金などで形成する。また、マン
ガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムから選択されたいずれか一ま
たは複数の材料を用いることができる。また、第1の電極105及び第2の電極109は
、単層構造、または二層以上の積層構造とすることができる。例えば、シリコンを含むア
ルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステ
ン膜上にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウ
ム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などが挙げられる。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いずれか一、または複数組み合わせた膜、合金膜、もしくは
窒化膜を用いてもよい。また、酸化インジウム錫(ITO)などを用いることもできる。
用いることができる。ここで、Mは、Ga、Fe、Ni、MnおよびCoから選ばれた一
または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、GaとNi、またはGaとFeな
どが挙げられる。また、上記の酸化物半導体層において、Mとして含まれる金属元素の他
に、不純物元素としてその他の遷移金属元素、または該遷移金属の酸化物が含まれていて
もよい。InMO3(ZnO)m(m>0)で表記される構造の酸化物半導体層のうち、
MとしてGaを含む構造の酸化物半導体をIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体とよび、
その薄膜をIn−Ga−Zn−O系膜とも呼ぶこととする。
O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、S
n−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、In
−Ga−O系、In−O系、Sn−O系、Zn−O系の酸化物半導体を用いてもよい。ま
た、上記酸化物半導体にSiO2を含んでもよい。
5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×
1017/cm3以下であり、酸化物半導体に含まれる水素が低減されている。即ち、酸
化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化されている。また、酸
化物半導体層107のキャリア濃度が5×1014/cm3以下、好ましくは1×101
4/cm3以下、より好ましくは5×1012/cm3以下、更に好ましくは1×101
2/cm3以下である。即ち、酸化物半導体のキャリア濃度は、限りなくゼロに近い。ま
た、エネルギーギャップは2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3e
V以上である。なお、酸化物半導体中の水素濃度測定は、SIMSで行えばよい。また、
キャリア濃度は、ホール効果測定により測定することができる。
導体層107の厚さを薄くすることで、薄膜トランジスタのチャネル長を小さくすること
が可能であり、オン電流及び電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することがで
きる。一方、酸化物半導体層107の厚さを厚くすることで、代表的には100nm以上
3000nm以下とすることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜を単層でまたは積層して形成することができる
。ゲート絶縁膜111は、酸化物半導体層107と接する部分が酸素を含むことが好まし
く、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸
化物半導体層107に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。ゲー
ト絶縁膜111の厚さは、50nm以上500nm以下とするとよい。ゲート絶縁膜11
1の厚さを薄くすることで、電界効果移動度の高い薄膜トランジスタを作製することがで
き、駆動回路を同一基板に作製することができる。一方、ゲート絶縁膜111の厚さを厚
くすることで、ゲートリーク電流を低減することができる。
>0))、窒素が添加されたHfSixOy(x>0、y>0)、窒素が添加されたハフ
ニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))、酸化ハフニウム、酸化イッ
トリウムなどのhigh−k材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに
は、high−k材料と、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化
酸化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜のいずれか一以上との積層構造とすることが
できる。
ロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述
した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成する
ことができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムから選択され
たいずれか一または複数の材料を用いてもよい。また、第3の電極113及び第3の電極
115は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むア
ルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と
、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構
造などがある。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いずれか一、または複数組み合わせ
た合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性
(i型)とし、または真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加してi型
化するのでなく、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を極力除去することによ
り、高純度化されたi型(真性半導体)またはそれに近づけることを特徴としている。そ
うすることにより、フェルミ準位(Ef)は真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにま
ですることができる。
ル幅Wが1×104μmでチャネル長が3μmの素子であっても、オフ電流が10−13
A以下ときわめて低く、さらに、サブスレッショルドスイング値(S値)を0.1V/d
ec.(ゲート絶縁膜厚100nm)以下とすることができる。
素化物などが極力含まれないように高純度化することにより、薄膜トランジスタの動作を
良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。
ャネルのほかにソース及びドレインを設ける必要があり、基板における薄膜トランジスタ
の専有面積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型薄膜トラン
ジスタにおいては、ソース、チャネル、及びドレインを積層するため、基板表面における
占有面積を低減することができる。この結果、薄膜トランジスタの微細化が可能である。
酸化物半導体層107の厚さを薄くすることでチャネル長の小さい薄膜トランジスタとす
ることが可能である。チャネル長を小さくすることで、ソース、チャネル、及びドレイン
の直列抵抗を低減できるため、薄膜トランジスタのオン電流および電界効果移動度を上昇
させることができる。また、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層を有する
薄膜トランジスタは、オフ電流が極めて低く、オフ時には電流がほとんど流れない絶縁状
態となる。このため、酸化物半導体層の厚さを薄くし、縦型薄膜トランジスタのチャネル
長を小さくしても、非導通状態のオフ電流がほとんど無い薄膜トランジスタとすることが
できる。
に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流
を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
ードでは、酸化物半導体層107中を第2の電極109から第1の電極105に電流が流
れるが、図7に示すように、酸化物半導体層107中を第1の電極105から第2の電極
109に電流が流れる構成としてもよい。
続され、更には第1の電極105と接続されている。第1の電極105は酸化物半導体層
107を介して第2の電極109と接続されている。第2の電極109は、配線129に
接続されている。
れているため、配線125と、これらの電極との間に生じる寄生容量を抑えつつ動作させ
ることができる。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
本実施の形態では、非線形素子の一態様であるダイオードの一例であって、実施の形態3
とは異なる構造のものについて、図8を用いて説明する。本実施の形態にて説明するダイ
オードは、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタのソースまたはドレインに
ゲートが接続されたものである。
続され、配線132が第1の電極106および第3の電極115と接続されている。第1
の電極105および第1の電極106は酸化物半導体層107を介して第2の電極109
と接続されている。第2の電極109は、配線129に接続されている。
上面図であり、図8(B)は図8(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
5、第1の電極106、酸化物半導体層107、及び第2の電極109が積層される。ま
た、第1の電極105、第1の電極106、酸化物半導体層107、及び第2の電極10
9を覆うように、ゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第
3の電極113及び第3の電極115が設けられている。ゲート絶縁膜111及び第3の
電極113及び第3の電極115上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が設けら
れている。絶縁膜117には、開口部が形成されており、開口部において第1の電極10
5及び第3の電極113と接続する配線131、第1の電極106及び第3の電極115
と接続する配線132(図8(A)参照)、第2の電極109と接続する配線129が形
成される。
して機能する。第1の電極106は、薄膜トランジスタ143のソース電極またはドレイ
ン電極の一方として機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ141、143の
ソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜トラン
ジスタ141のゲート電極として機能する。第3の電極115は、薄膜トランジスタ14
3のゲート電極として機能する。
極109を介して、配線129に接続していることを特徴とする。配線131に入力され
た信号は、薄膜トランジスタ141を介して配線129に出力され、配線132に入力さ
れた信号も、薄膜トランジスタ143を介して配線129に出力される。
、第1の電極105と、第1の電極106を電気的に接続することで、薄膜トランジスタ
141と、薄膜トランジスタ143を並列に接続する構成とすることもできる。薄膜トラ
ンジスタを並列に接続することで、より多くの電流を流すことが可能となる。
低減され高純度化された酸化物半導体層を用いている。このため、薄膜トランジスタの動
作を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。この結果
、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほ
とんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。このようにトランジス
タのソースまたはドレインをゲートと接続させることで、順方向電流が大きく、逆方向電
流が少ないダイオードを作製することができる。また、アバランシェ降伏現象が起きにく
い(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができる。
ードでは、酸化物半導体層107中を第1の電極105から第2の電極109に電流が流
れるが、図9に示すように、酸化物半導体層107中を第2の電極109から第1の電極
105に電流が流れる構成としてもよい。
続され、更には第2の電極109と接続され、第2の電極109は酸化物半導体層107
を介して第1の電極105および第1の電極106に接続されている。第1の電極105
は配線131に接続され、第1の電極106は配線132に接続されている。
ンジスタ143と重畳して設けられているが、これに限定されず、図7と同様に、配線1
25が薄膜トランジスタ141および薄膜トランジスタ143と重畳しないように設けて
もよく、配線125が薄膜トランジスタ141および薄膜トランジスタ143と重畳しな
い場合には、配線125と、これらの電極との間に生じる寄生容量を抑えつつ動作させる
ことができる。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
本実施の形態では、非線形素子の一態様であるダイオードの一例であって、実施の形態3
及び実施の形態4とは異なる構造のものについて、図10を用いて説明する。本実施の形
態にて説明するダイオードは、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタのソー
スまたはドレインにゲートが接続されたものである。
接続されている。第1の電極105は酸化物半導体層107を介して第2の電極109と
接続されている。第2の電極109は、配線129に接続されている。
B)は図10(A)の一点鎖線A−Bの断面図に相当する。
05、酸化物半導体層107、及び第2の電極109が積層される。また、第1の電極1
05、酸化物半導体層107、及び第2の電極109を覆うように、ゲート絶縁膜111
が設けられている。ゲート絶縁膜111上には、第3の電極113が設けられている。ゲ
ート絶縁膜111及び第3の電極113上には層間絶縁膜として機能する絶縁膜117が
設けられている。絶縁膜117には、開口部が形成されており、開口部において第1の電
極105及び第3の電極113と接続する配線131(図10(A)参照)、第2の電極
109と接続する配線129が形成される。
して機能する。第2の電極109は、薄膜トランジスタ145のソース電極またはドレイ
ン電極の他方として機能する。第3の電極113は、薄膜トランジスタ145のゲート電
極として機能する。
とする。ゲート電極として機能する第3の電極113を環状とすることで、薄膜トランジ
スタのチャネル幅を大きくすることができる。このため、薄膜トランジスタのオン電流を
高めることができる。
高純度化された酸化物半導体を用いている。このため、薄膜トランジスタの動作を良好な
ものとすることができる。特に、オフ電流を低減することができる。この結果、高精細化
に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流
を流さない薄膜トランジスタを作製することができる。
イオードでは、酸化物半導体層107中を第1の電極105から第2の電極109に電流
が流れるが、図11に示すように、酸化物半導体層107中を第2の電極109から第1
の電極105に電流が流れる構成としてもよい。
接続されている。第2の電極109は酸化物半導体層107を介して第1の電極105と
接続されている。第1の電極105は配線131と接続されている。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
本実施の形態では、図6に示すダイオード接続された薄膜トランジスタの作製工程につい
て、図12を用いて説明する。
1の電極105を形成する。第1の電極105は、薄膜トランジスタのソース電極または
ドレイン電極の一方として機能する。
水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜103を形成することが好ましい。これは
、絶縁膜103に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためであ
る。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着
型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、例えば、クライ
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。ク
ライオポンプを用いて排気した処理室では、水素、水、水酸基または水素化物などが排気
されるため、当該処理室で絶縁膜103を形成すると、絶縁膜103に含まれる不純物の
濃度を低減できる。
化物などの不純物が濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
電源を用いるDCスパッタリング法、また、パルス的にバイアスを与えるパルスDCスパ
ッタリング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を形成する場合に用いられ、D
Cスパッタリング法は主に金属膜を形成する場合に用いられる。
装置は、同一チャンバーで異なる材料の膜を積層形成することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて形成することもできる。
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRス
パッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法や、成膜中に基板
にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いることもできる。
方法を適宜用いることができる。
が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンターゲットを用いて、基
板101に絶縁膜103として、酸化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜103を形成
する際は、基板101は加熱されていてもよい。
との距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源電力1.5kW、酸
素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気下
でRFスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。膜厚は、例えば100nmと
するとよい。なお、石英(好ましくは合成石英)に代えてシリコンターゲットを用いるこ
とができる。なお、スパッタガスとして、酸素、または酸素及びアルゴンの混合ガスを用
いて行う。
水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガス及びシ
リコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成する。この場合においても、酸化シリコ
ン膜と同様に、処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ窒
化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、当該工程において、基板101は加熱さ
れていてもよい。
と酸化シリコン膜を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて形成するこ
とができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンタ
ーゲットを用いて窒化シリコン膜を形成し、次に酸素を含むスパッタガスに切り替えて同
じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜及び酸化シリ
コン膜を大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン膜表面に水
素、水、水酸基または水素化物などの不純物が吸着することを防止することができる。
蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し
、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。または
、フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第1の電極105を形
成することで、工程数を削減することができる。なお、第1の電極105の端部をテーパ
形状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第1の電
極105の端部と絶縁膜103のなす角の角度を30°以上60°以下(好ましくは40
°以上50°以下)とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させるこ
とができる。
Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、酸化インジウム錫(ITO)、チタン(Ti)、
イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、ジル
コニウム(Zr)などから選ばれた材料の単層、もしくは積層を用いることができる。
05となる導電膜として、スパッタリング法により膜厚50nmのチタン膜を形成し、厚
さ100nmのアルミニウム膜を形成し、厚さ50nmのチタン膜を形成する。次に、フ
ォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、第1の電
極105を形成する。
の電極109を形成する。酸化物半導体層107は薄膜トランジスタのチャネル形成領域
として機能し、第2の電極109は薄膜トランジスタのソース電極またはドレイン電極の
他方として機能する。
。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
パッタリング装置の予備加熱室で第1の電極105が形成された基板101を予備加熱し
、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気する
ことが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお
、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成するゲー
ト絶縁膜111の形成前の基板101に行ってもよいし、後に形成する第3の電極113
及び第3の電極115形成前の基板101に行ってもよい。
グ法により酸化物半導体を形成する。また、酸化物半導体は、希ガス(代表的にはアルゴ
ン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲気下に
お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、スパッタリング法を用いる
場合、SiO2を2重量%以上10重量%以下含むターゲットを用いて形成してもよい。
の不純物が、濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。
とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲットの
他の例としては、In、Ga、及びZnを含む金属酸化物ターゲット(組成比として、I
n2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]、In2O3:Ga2O3:
ZnO=1:1:2[mol数比])を用いることができる。また、In、Ga、及びZ
nを含む金属酸化物ターゲットとして、In2O3:Ga2O3:ZnO=2:2:1[
mol数比]、またはIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:4[mol数比]の組
成比を有するターゲットを用いることもできる。金属酸化物ターゲットの充填率は90%
以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い金属酸化
物ターゲットを用いて形成した酸化物半導体は緻密な膜となる。
水素、水、水酸基または水素化物などが除去されたスパッタリングガスを導入し、金属酸
化物をターゲットとして基板101上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内に残留する
水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いる
ことが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポン
プを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップ
を加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素
、水、水酸基または水素化物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)などが排気され
るため、酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、基板を加熱しなが
ら酸化物半導体膜を形成してもよい。
ゲットの間との距離を110mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源電力0.5kW、
酸素及びアルゴン(酸素流量15sccm:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件
が適用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(
パーティクル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化
物半導体膜は好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半
導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
タリング法を適宜用いることができる。
できる。ここでは、上記実施の形態で説明した、式2に示す条件を考慮し、第2の電極1
09となる導電膜として、厚さ50nmのタングステン膜、厚さ100nmのアルミニウ
ム膜、及び厚さ50nmのチタン膜を順に積層する。
マスクを用いて第2の電極109となる導電膜及び酸化物半導体層107となる酸化物半
導体膜をエッチングして、第2の電極109及び酸化物半導体層107を形成する。なお
、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクの代わりに、インクジェット法
を用いてレジストマスクを作製することで、工程数を削減することができる。当該エッチ
ングにより、第2の電極109及び酸化物半導体層107の端部と、第1の電極105の
なす角の角度を30°以上60°以下(好ましくは40°以上50°以下)とすることで
、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることができるため好ましい。
トエッチングでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体層107及び第
2の電極109を形成するために、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッ
チング時間、温度など)を適宜調節する。
チングレートが異なる場合は、第1の電極105のエッチングレートが低く、第2の電極
109となる導電膜及び酸化物半導体膜のエッチングレートの高い条件を選択する。また
は、酸化物半導体膜のエッチングレートが低く、第2の電極109となる導電膜のエッチ
ングレートの高い条件を選択して、第2の電極109となる導電膜をエッチングした後、
第1の電極105のエッチングレートが低く、酸化物半導体膜のエッチングレートの高い
条件を選択する。
ぜた溶液、アンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5
:2:2容量比)などを用いることができる。また、ITO−07N(関東化学社製)を
用いてもよい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体に含まれるインジウムなど
の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができる
。
、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化シリコン(SiCl4)、四
塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。
F6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(H
Br)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度など)を適宜調節する。
チングした後、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液で酸化物半導体膜をエッチングして、酸化
物半導体層107を形成する。
上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理
装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素、希ガスなどの不
活性ガス雰囲気下において450℃において1時間の加熱処理を行った後、大気に触れさ
せないことで、酸化物半導体膜への水素、水、水酸基または水素化物などの侵入を防ぐこ
とで、水素濃度が低減され高純度化され、i型化または実質的にi型化された酸化物半導
体膜を得ることができる。即ち、この第1の加熱処理によって酸化物半導体層107の脱
水化及び脱水素化の少なくとも一方を行うことができる。
スに、水素、水、水酸基または水素化物などなどが含まれないことが好ましい。または、
加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を
、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち
不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
が結晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以上
、または80%以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、第1の加熱処理
の条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半
導体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体膜の中に微結晶部(粒径1nm以
上20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体膜となる
場合もある。
半導体膜に行ってもよい。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り
出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
体膜を形成した後、酸化物半導体膜上に第2の電極となる導電膜を積層した後、第1の電
極、酸化物半導体膜及び第2の電極上にゲート絶縁膜を形成した後、またはゲート電極を
形成した後のいずれで行ってもよい。
極109上にゲート絶縁膜111を形成する。
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感
となるため、ゲート絶縁膜111との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物
半導体膜に接するゲート絶縁膜111は、高品質化が要求される。
の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特
性を良好なものとすることができるからである。
法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁膜の
形成後の加熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体膜との界面特性が改質され
る絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であること
は勿論のこと、酸化物半導体膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
T試験)においては、不純物が酸化物半導体膜に添加されていると、不純物と酸化物半導
体膜の主成分との結合が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され、
生成された結合手がしきい値電圧(Vth)のドリフトを誘発することとなる。
ゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることにより、BT試験に対しても安定な薄膜トラ
ンジスタを得ることを可能としている。
度を低減することができる。スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する場合には
、ターゲットとしてシリコンターゲットまたは石英ターゲットを用い、スパッタガスとし
て酸素または、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
9側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層した構造とすることもできる。例えば、
第1のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン膜(SiOx(
x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜としてスパッタリング
法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を積
層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態では、圧力0.4P
a、高周波電源電力1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流
量25sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化
シリコン膜を形成する。
0℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行ってもよい。なお、当該
第2の加熱処理は、のちに形成される第3の電極113及び第3の電極115、絶縁膜1
17、または配線125のいずれかを形成した後に行ってもよい。当該加熱処理により、
酸化物半導体膜中に含まれる水素若しくは水分をゲート絶縁膜に拡散させることができる
。
極115を形成する。
び第3の電極115となる導電膜をスパッタリング法、CVD法、または真空蒸着法で形
成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジ
ストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。第3の電極113
及び第3の電極115となる導電膜は、第1の電極105と同様の材料を用いることがで
きる。
ォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、第3の電
極113及び第3の電極115を形成する。
ランジスタ133を形成することができる。
電極115上に絶縁膜117を形成した後、コンタクトホール119、コンタクトホール
121、及びコンタクトホール123を形成する。
化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、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、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または、
酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
で絶縁膜117を形成する場合、基板101を100℃以上400℃以下の温度に加熱し
、水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導
入しシリコンターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理室
内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成することが
好ましい。
30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、ノーマリーオフとな
る薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。
ォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってゲー
ト絶縁膜111及び絶縁膜117の一部を除去して、第2の電極109、及び第3の電極
113及び第3の電極115に達するコンタクトホール123、コンタクトホール119
、及びコンタクトホール121を形成する。
121、及びコンタクトホール123上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程
により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、配線125、配線131(図1
2中には図示せず。)を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成して
もよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため
、製造コストを削減できる。
化のための平坦化絶縁膜を設けてもよい。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド、
アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂などの、耐熱性を
有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low
−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)
などがある。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
縁膜を形成してもよい。
i結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばアルキ
ル基やアリール基)やフルオロ基を用いてもよい。また、有機基はフルオロ基を有してい
てもよい。
G法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター
、ナイフコーターなどを用いることができる。
により酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処
理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成す
ることができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製することができ
るため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流を流
すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製することがで
きる。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
塩素)を含ませ、または酸化物半導体膜を露出させた状態でハロゲン元素を含むガス雰囲
気中でのプラズマ処理によって酸化物半導体膜にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜
、または該酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜との界面に存在しうる、水素、水分
、水酸基または水素化物(水素化合物ともいう)などの不純物を排除してもよい。絶縁膜
にハロゲン元素を含ませる場合には、該絶縁膜中におけるハロゲン元素濃度は、5×10
18atoms/cm3以上1×1020atoms/cm3以下とすればよい。
界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁膜
である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素系絶縁膜で覆うこ
とが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリコ
ン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水分、水酸基または水素
化物などの不純物が酸化物絶縁膜に侵入することを防止することができる。
である。
本実施の形態では、実施の形態6とは異なる形態の酸化物半導体膜を有するダイオード接
続された薄膜トランジスタとその作製方法について、図12及び図13を用いて説明する
。
1の電極105を形成する。次に、図12(B)に示すように、第1の電極105上に酸
化物半導体層107及び第2の電極109を形成する。
における第1の加熱処理とは異なるものであり、当該加熱処理によって、図13(A)に
示すように、表面に結晶粒が形成される酸化物半導体層151を形成することができる。
本実施の形態では、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方に
よって被処理物を加熱する装置を用いて第1の加熱処理を行う。ここで、加熱処理の温度
は500℃以上700℃以下、好ましくは650℃以上700℃以下とすることが好適で
ある。なお、加熱処理温度の上限は基板101の耐熱性の範囲内とする必要がある。また
、加熱処理の時間は、1分以上10分以下とすることが好適である。RTA処理を適用す
ることで、短時間に加熱処理を行うことができるため、基板101に対する熱の影響を小
さくすることができる。つまり、加熱処理を長時間行う場合と比較して、加熱処理温度の
上限を引き上げることが可能である。また、酸化物半導体膜の表面近傍に、所定の構造の
結晶粒を選択的に形成することが可能である。
Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Therma
l Anneal)装置などのRTA(Rapid Thermal Anneal)装
置などがある。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアー
クランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプ
から発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は
、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、ま
たは窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
希ガスなどの不活性ガス雰囲気に基板を移動し、数分間加熱した後、高温に加熱した不活
性ガス中から基板を出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加
熱処理が可能となる。
スに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加熱
処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、6
N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純
物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
グで行ってもよいが、脱水化または脱水素化を促進させるためには、酸化物半導体層10
7の表面に他の構成要素を設ける前に行うのが好適である。また、上記の加熱処理は、一
回に限らず、複数回行っても良い。
層151の表面に形成される結晶粒157とを有する。また、結晶粒157は、表面から
の距離(深さ)が20nmまでの領域(表面近傍)に形成される。ただし、酸化物半導体
層151の厚さが大きくなる場合にはこの限りではない。例えば、酸化物半導体層151
の厚さが200nm以上となる場合には、「表面の近傍(表面近傍)」とは、表面からの
距離(深さ)が酸化物半導体膜の厚さの10%以下である領域をいう。
主たる」とは、例えば、50%以上を占める状態をいい、この場合には、非晶質酸化物半
導体膜が体積%(または重量%)で50%以上を占める状態をいうものとする。つまり、
非晶質酸化物半導体膜以外にも、酸化物半導体膜の結晶などを含むことがあるが、その含
有率は体積%(または重量%)で50%未満であることが望ましいがこれらの範囲に限定
される必要はない。
、上記の非晶質領域155の組成は、Znの含有量(原子%)が、InまたはGaの含有
量(原子%)未満となるようにするのが好適である。このような組成とすることにより、
所定の組成の結晶粒157を形成することが容易になるためである。
を形成して薄膜トランジスタを作製する。
なる領域に結晶粒を有することで、ソース、チャネル、及びドレイン間の抵抗が低減する
と共に、キャリア移動度が上昇する。このため、当該酸化物半導体層151を有する薄膜
トランジスタの電界効果移動度が上昇し、良好な電気特性を実現できる。
体層151の表面近傍に有することで、非晶質領域155に不純物(例えば水素、水、水
酸基または水素化物など)が取り込まれることを低減することが可能である。このため、
酸化物半導体層151の信頼性を向上させることができる。
それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加
熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形
成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トランジスタを作製することが
できるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化され
た酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度が速く、オン時には大電流
を流すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜トランジスタを作製すること
ができる。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
である。
本実施の形態では、図6に示すダイオード接続された薄膜トランジスタの作製工程であっ
て、実施の形態6とは異なるものについて、図12を用いて説明する。
形成する。
の電極109を形成する。
いたスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室
内に基板を保持し、基板を室温または400℃未満の温度に加熱する。そして、処理室内
に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ、水素、水、水酸基または
水素化物などが除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板1
01及び第1の電極105上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内に残留する水素、水
、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好
ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用い
ることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えた
ものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素、水、水
酸基または水素化物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)などが排気されるため、
当該処理室で形成した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クラ
イオポンプにより処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しなが
らスパッタ形成を行うことで、基板温度が室温から400℃未満でも水素原子、水などの
不純物を低減した酸化物半導体膜を形成することができる。
(DC)電源電力0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下での成膜条件が適
用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パー
ティクル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半
導体膜は、好ましくは30nm以上3000nm以下とする。なお、適用する酸化物半導
体膜材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
タリング法を適宜用いることができる。
となる酸化物半導体膜をエッチングして、第2の電極109及び酸化物半導体層107を
形成する。所望の形状の酸化物半導体層107及び第2の電極109を形成するために、
材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッチング時間、温度など)を適宜調節
する。
導体層107、第2の電極109上にゲート絶縁膜111を形成する。ゲート絶縁膜11
1は、酸化物半導体層107との界面特性が良好なものとすることが好ましく、μ波(2
.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDでゲート絶縁膜111を形成することで、
緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。また、ゲート絶縁膜と
して良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマCVD法など
他の形成方法を適用することができる。
プラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水素、水、水酸基ま
たは水素化物などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ
処理を行ってもよい。プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体
膜の一部に接するゲート絶縁膜111を形成することが好ましい。
いようにするために、前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で第1の電極10
5から第2の電極109まで形成された基板101を予備加熱し、基板101に吸着した
水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気することが好ましい。または
、ゲート絶縁膜111を形成した後、基板101を、スパッタリング装置の予備加熱室で
予備加熱して、基板101に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱
離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、100℃以上400℃以
下好ましくは150℃以上300℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はク
ライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
9側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した構造とすることもできる。例えば
、第1のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚5nm以上300nm以下の酸
化シリコン膜(SiOx(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶
縁膜として膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を
積層して、ゲート絶縁膜とする。
ト電極として機能する第3の電極113及び第3の電極115を形成する。
33を形成することができる。
または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素濃度を低減することが
できる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
の電極113及び第3の電極115上に絶縁膜117を形成した後、コンタクトホール1
19、コンタクトホール121、及びコンタクトホール123を形成する。
00℃以下、1時間以上30時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によっ
て、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置の信
頼性を向上できる。
化絶縁膜を設けてもよい。
基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高
純度化することができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また
、ガラス転移温度以下の加熱処理で、少数キャリアの数が極端に少なく、バンドギャップ
の広い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いて薄膜トラ
ンジスタを作製することができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、高精細化に適し、動作速度
が速く、オン時には大電流を流すことができ、オフ時にはほとんど電流を流さない薄膜ト
ランジスタを作製することができる。
気的に接続させることで、逆方向電流が非常に少ないダイオードを得ることができる。従
って、降伏現象が起きにくい(すなわち、耐圧が高い)ダイオードを作製することができ
る。また、ソース電極またはドレイン電極の一方のうち、ゲート電極と電気的に接続する
電極の、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関数をφmdとし、ソース電極
またはドレイン電極の他方の電極が、酸化物半導体層と接する部分の材料が有する仕事関
数をφmsとし、酸化物半導体層の電子親和力をχとし、式2に示す条件を満たす材料を
用いることで、さらに整流特性に優れ、降伏現象が起きにくいダイオードを得ることがで
きる。
である。
上記実施の形態にて説明したダイオードなどの非線形素子は、半導体装置に適用すること
ができる。半導体装置として、例えば表示装置を挙げることができる。
表示装置が形成された基板200の上面図を示す。基板200上には、画素部201が形
成されている。また、入力端子202及び入力端子203は、基板200上に形成された
画素回路に対して画像を表示するための信号及び電源電力を供給する。
基板200上には、走査線駆動回路及び信号線駆動回路の一方または双方が形成されてい
てもよい。
03と、画素部201とは、縦横に延びた配線によって接続されており、該配線は保護回
路204乃至保護回路207に接続されている。
04は、画素部201と、入力端子202との間に配設され、配線209に接続されてい
る。保護回路204を設けることによって、画素部201が有する薄膜トランジスタ等の
各種半導体素子を保護することができ、これらが劣化し、または破壊することを防止でき
る。なお、配線209は、図中では一の配線を指し示しているが、配線209と平行に設
けられている複数の配線のすべてが配線209と同様の接続関係を有する。なお、配線2
09は、走査線として機能するものである。
04のみならず、画素部201を挟んで入力端子202の反対側にも保護回路が設けられ
ていても良い(図14の保護回路205を参照)。
回路206は、画素部201と、入力端子203との間に配設され、配線208に接続さ
れている。保護回路206を設けることによって、画素部201が有する薄膜トランジス
タ等の各種半導体素子を保護することができ、これらが劣化し、または破壊されることを
防止できる。なお、配線208は、図中では一の配線を指し示しているが、配線208と
平行に設けられている複数の配線のすべてが配線208と同様の接続関係を有する。なお
、配線208は、信号線として機能するものである。
06のみならず、画素部201を挟んで入力端子203の反対側にも設けられていても良
い(図14の保護回路207を参照)。
保護回路204は設ける必要がある。走査線に過大な電流が生じることで、画素部201
が有する薄膜トランジスタのゲート絶縁層が破壊され、多数の点欠陥を生じうるからであ
る。
じることを防止できる。そのため、保護回路204のみを設ける場合と比較して信頼性が
向上し、歩留まりが向上する。保護回路206を有することで、薄膜トランジスタ形成後
のラビング工程等にて生じうる、静電気による破壊を防止することもできる。
とができる。また、歩留まりを高くすることができる。保護回路205及び保護回路20
7は、入力端子202及び入力端子203とは反対側に設けられている。そのため、これ
らは表示装置の作製工程(例えば、液晶表示装置の作製工程におけるラビング工程)中に
おいて生じる、各種半導体素子の劣化及び破壊を防止することに寄与する。
OG方式やTAB方式等の公知の方式により基板200に実装する。しかし、これに限定
されず、走査線駆動回路と画素部とを基板200上に形成し、信号線駆動回路は別に形成
したものを実装してもよい。または、走査線駆動回路の一部或いは信号線駆動回路の一部
を、画素部201と共に基板200上に形成し、走査線駆動回路の他の部分或いは信号線
駆動回路の他の部分を実装するようにしても良い。走査線駆動回路の一部が画素部201
と走査線側の入力端子202との間に設けられている場合には、走査線側の入力端子20
2と基板200上の走査線駆動回路の一部との間に保護回路を設けても良いし、走査線駆
動回路の一部と画素部201との間に保護回路を設けても良いし、これらの双方に保護回
路を設けても良い。また、信号線駆動回路の一部が画素部201と信号線側の入力端子2
03との間に設けられている場合には、信号線側の入力端子203と基板200上の信号
線駆動回路の一部との間に保護回路を設けても良いし、信号線駆動回路の一部と画素部2
01との間に保護回路を設けても良いし、これらの双方に保護回路を設けても良い。つま
り、駆動回路の形態は様々であるため、保護回路はその形態に合わせて設ける数と場所を
定める。
な回路構成の例について、図15を参照して説明する。以下の説明ではn型トランジスタ
を設ける場合についてのみ説明する。
乃至保護ダイオード214を有する。保護ダイオード211は、直列に接続されたn型薄
膜トランジスタ211a及びn型薄膜トランジスタ211bを有している。そして、n型
薄膜トランジスタ211aのソース電極及びドレイン電極の一方は、n型薄膜トランジス
タ211a及びn型薄膜トランジスタ211bのゲート電極と接続され、且つ電位Vss
に保たれている。n型薄膜トランジスタ211aのソース電極及びドレイン電極の他方は
、n型薄膜トランジスタ211bのソース電極及びドレイン電極の一方に接続されている
。n型薄膜トランジスタ211bのソース電極及びドレイン電極の他方は保護ダイオード
212に接続されている。そして、他の保護ダイオード212乃至保護ダイオード214
も保護ダイオード211と同様に、それぞれ直列に接続された複数の薄膜トランジスタを
有し、且つ直列に接続された複数の薄膜トランジスタの一端は、複数の薄膜トランジスタ
のゲート電極と接続されている。
スタの数及び極性は、図15(A)に示す構成に限定されない。例えば、保護ダイオード
211は、直列に接続された三つの薄膜トランジスタにより構成されていてもよい。
且つ保護ダイオード212と保護ダイオード213の間は、配線215に接続されている
。なお、配線215は、保護対象となる半導体素子に電気的に接続されているものである
。なお、配線215と接続する配線は、保護ダイオード212と保護ダイオード213と
の間の配線に限定されない。即ち、配線215は、保護ダイオード211と保護ダイオー
ド212との間に接続されていても良いし、保護ダイオード213と保護ダイオード21
4との間に接続されていても良い。
オード211乃至保護ダイオード214のそれぞれは、逆方向バイアスの電圧がかかるよ
うに接続されている。
子222、容量素子223及び抵抗素子224を有する。抵抗素子224は2端子の抵抗
であり、その一端には配線225から電位Vinが供給され、他端には電位Vssが供給
される。抵抗素子224は、電位Vinが供給されなくなったときに配線225の電位を
Vssにするために設けられており、その抵抗値は配線225の配線抵抗よりも十分に大
きくなるように設定する。保護ダイオード220及び保護ダイオード221は、ダイオー
ド接続されたn型薄膜トランジスタを用いている。
のであっても良い。
ド211、212、221、230、231、234、235のソース電極及びドレイン
電極において、電位Vssに保持される側がドレイン電極である。また他方はソース電極
となる。保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237のソ
ース電極及びドレイン電極において、電位Vddに保持される側をソース電極とし、他方
がドレイン電極となる。また、保護ダイオードを構成する薄膜トランジスタのしきい値電
圧をVthと示す。
Vinが電位Vssより高いときに逆バイアスの電圧がかかり、電流が流れにくい。一方
、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237は、電位V
inが電位Vddより低いときに逆方向バイアスの電圧がかかり、電流が流れにくい。
回路の動作について説明する。
高い場合、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237の
ゲート電極とソース電極間の電位差Vgs=Vin−Vdd>Vthのときに、当該n型
薄膜トランジスタはオン状態となる。ここでは、Vinが異常に高い場合を想定している
ため、当該n型薄膜トランジスタはオン状態となる。このとき、保護ダイオード211、
212、221、230、231、234、235が有するn型薄膜トランジスタは、オ
フ状態となる。そうすると、保護ダイオード213、214、220、232、233、
236、237を介して、配線215、225、239A、239Bの電位がVddとな
る。従って、ノイズ等により電位Vinが電位Vddよりも異常に高くなったとしても、
配線215、224、225、239A、239Bの電位は、電位Vddよりも高くなる
ことはない。
221、230、231、234、235のゲート電極とソース電極間の電位差Vgs=
Vss−Vin>Vthのときに、当該n型薄膜トランジスタはオン状態となる。ここで
は、Vinが異常に低い場合を想定しているため、n型薄膜トランジスタはオンする。こ
のとき、保護ダイオード213、214、220、232、233、236、237が有
するn型薄膜トランジスタはオフ状態となる。そうすると、保護ダイオード211、21
2、221、230、231、234、235を介して、配線215、225、239A
、239Bの電位がVssとなる。従って、ノイズ等により、電位Vinが電位Vssよ
り異常に低くなったとしても、配線215、225、239A、239Bの電位は、電位
Vssよりも低くなることはない。さらに、容量素子222、223は、入力電位Vin
が有するパルス状のノイズを鈍らせ、ノイズによる電位の急峻な変化を緩和する働きをす
る。
ダイオードが有するn型薄膜トランジスタがオフ状態となり、電位Vinが電位Vout
へ入力される。
Bの電位は、概ね電位Vssと電位Vddの間に保たれることになる。従って、配線21
5、225、239A、239Bがこの範囲から大きく外れる電位となることを防止する
ことができる。つまり、配線215、225、239A、239Bが異常に高い電位また
は異常に低い電位となることを防止し、当該保護回路の後段の回路が破壊されまたは劣化
することを防止し、後段の回路を保護することができる。
ることで、信号が入力されていないときに、信号が与えられる全ての配線の電位を、一定
(ここでは電位Vss)とすることができる。つまり信号が入力されていないときは、配
線同士をショートさせることができるショートリングとしての機能も有する。そのため、
配線間に生じる電位差に起因する静電破壊を防止することができる。また、抵抗素子22
4の抵抗値が配線抵抗に対して十分に大きいので、信号の入力時に、配線に与えられる信
号が電位Vssまで降下することを防止することができる。
閾値電圧Vth=0のn型薄膜トランジスタを用いた場合について説明する。
となり、オンする。保護ダイオード221が有するn型薄膜トランジスタはオフ状態とな
る。従って、配線225の電位はVddとなり、Vout=Vddとなる。
タはオフ状態となる。保護ダイオード221が有するn型薄膜トランジスタはVgs=V
ss−Vin>0となり、オン状態となる。従って、配線225の電位はVssとなり、
Vout=Vssとなる。
ut<Vddの範囲で動作させることができる。従って、Vinが過大な場合または過小
な場合であっても、Voutが過大になりまたは過小となることを防止することができる
。従って、例えばノイズ等により、電位Vinが電位Vssより低くなる場合であっても
、配線225の電位は、電位Vssよりも遙かに低くなることはない。さらに、容量素子
222及び容量素子223は、入力電位Vinが有するパルス状のノイズを鈍らせ、電位
の急峻な変化を緩和する働きをする。
Vddの間に概ね保たれることになる。従って、配線225がこの範囲から大きくはずれ
た電位となることを防止することができ、当該保護回路の後段の回路(入力部がVout
に電気的に接続された回路)を破壊または劣化から保護することができる。さらに、入力
端子に保護回路を設けることで、信号が入力されていないときに、信号が与えられる全て
の配線の電位を、一定(ここでは電位Vss)に保つことができる。つまり、信号が入力
されていないときは、配線同士をショートさせることができるショートリングとしての機
能も有する。そのため、配線間に生じる電位差に起因する静電破壊を防止することができ
る。また、抵抗素子224の抵抗値が十分に大きいので、信号の入力時には、配線225
に与えられる信号の電位の低下を防止できる。
れぞれ2つのn型薄膜トランジスタで代用したものである。
ド接続されたn型薄膜トランジスタを用いているが、これに限定されない。
と、抵抗素子238と、を有する。抵抗素子238は配線239Aと配線239Bの間に
直列に接続されている。保護ダイオード230乃至保護ダイオード233のそれぞれは、
ダイオード接続されたn型薄膜トランジスタを用いており、保護ダイオード234乃至保
護ダイオード237のそれぞれは、ダイオード接続されたn型薄膜トランジスタを用いて
いる。
sに保持され、他端は電位Vinの配線239Aに接続されている。保護ダイオード23
2と保護ダイオード233は直列に接続されており、一端は電位Vddに保持され、他端
は電位Vinの配線239Aに接続されている。保護ダイオード234と保護ダイオード
235は直列に接続されており、一端は電位Vssに保持され、他端は電位Voutの配
線239Bに接続されている。保護ダイオード236と保護ダイオード237は直列に接
続されており、一端は電位Vddに保持され、他端は電位Voutの配線239Bに接続
されている。
オード242と、を有する。図15(E)では、保護ダイオード242としてダイオード
接続されたn型薄膜トランジスタを用いているが、これに限定されない。ダイオード接続
された複数の薄膜トランジスタを用いても良い。抵抗素子240と、抵抗素子241と、
保護ダイオード242は、配線243に直列に接続されている。
半導体素子の劣化または破壊を防止することができる。また、保護ダイオード242によ
って、電位の変動により配線243に逆方向バイアスの電流が流れることを防止すること
ができる。
である。図15(F)は、図15(A)に示した保護ダイオード211及び保護ダイオー
ド212を保護ダイオード216に、保護ダイオード213及び保護ダイオード214を
保護ダイオード217に置き換えた構成を示している。特に、上記実施の形態で説明した
ダイオードは、耐圧が高いため、図15(F)のような構成を用いることができる。
、半導体素子の劣化または破壊を防止することができる。また、保護ダイオードのみを配
線に直列に接続する場合、電位の変動により配線に逆方向の電流が流れるのを防ぐことが
できる。
れるものではなく、同様の働きをする回路構成であれば、適宜設計変更が可能である。
実施の形態9で説明した保護回路を有する表示装置は、電子機器に適用することができる
。
タルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ、ナビゲーションシステム、音響再生
装置(カーオーディオ、オーディオコンポなど)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報
端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍など)、記録媒
体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(
DVD)などの記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)な
どが挙げられる。
み、入力された様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部302に表示す
る機能を有する。なお、図16(A)に示すディスプレイが有する機能はこれに限定され
ず、例えばスピーカーを具備していてもよいし、情報の表示のみならず入力も可能なタッ
チパネルであってもよい。
。表示部312により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、壁310に
固定して筐体の裏側を支持した構成を示している。
モコン操作機315により行うことができる。リモコン操作機315が備える操作キー3
14により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部312に表示される映像
を操作することができる。また、リモコン操作機315に、当該リモコン操作機315か
ら出力する情報を表示する表示部313を設ける構成としてもよい。
とよい。受信機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。
ド323、外部接続ポート324およびポインティングデバイス325を含み、様々な情
報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部322に表示する機能を有する。なお、
図16(C)に示すコンピュータが有する機能はこれに限定されず、例えば、情報の表示
のみならず入力も可能なタッチパネルであってもよい。
子機器に用いることができる。
103 絶縁膜
105 電極
106 電極
107 酸化物半導体層
108 基板温度
109 電極
111 ゲート絶縁膜
113 電極
115 電極
117 絶縁膜
119 コンタクトホール
121 コンタクトホール
123 コンタクトホール
125 配線
129 配線
131 配線
132 配線
133 薄膜トランジスタ
141 薄膜トランジスタ
143 薄膜トランジスタ
145 薄膜トランジスタ
151 酸化物半導体層
153 鎖線部
155 非晶質領域
157 結晶粒
200 基板
201 画素部
202 入力端子
203 入力端子
204 保護回路
205 保護回路
206 保護回路
207 保護回路
208 配線
209 配線
211 保護ダイオード
212 保護ダイオード
213 保護ダイオード
214 保護ダイオード
215 配線
216 保護ダイオード
217 保護ダイオード
220 保護ダイオード
221 保護ダイオード
222 容量素子
223 容量素子
224 抵抗素子
225 配線
230 保護ダイオード
231 保護ダイオード
232 保護ダイオード
233 保護ダイオード
234 保護ダイオード
235 保護ダイオード
236 保護ダイオード
237 保護ダイオード
238 抵抗素子
240 抵抗素子
241 抵抗素子
242 保護ダイオード
243 配線
300 筐体
301 支持台
302 表示部
310 壁
311 筐体
312 表示部
313 表示部
314 操作キー
315 リモコン操作機
320 本体
321 筐体
322 表示部
323 キーボード
324 外部接続ポート
325 ポインティングデバイス
601 基板
603 絶縁膜
605 電極
607 酸化物半導体層
609 電極
611 ゲート絶縁膜
613 電極
615 電極
617 絶縁膜
625 配線
629 配線
633 薄膜トランジスタ
701 基板
703 絶縁膜
705 導電層
707 酸化物半導体層
709 導電層
711 絶縁膜
801 アノード
802 酸化物半導体
803 カソード
813 フェルミレベル
820 準位
821 エネルギー障壁
822 伝導帯
823 エネルギー障壁
851 曲線
852 曲線
211a n型薄膜トランジスタ
211b n型薄膜トランジスタ
239A 配線
239B 配線
Claims (5)
- 基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して設けられた第2の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×10 19 /cm 3 以下であり、
前記第1の電極の仕事関数φma、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmcが、φmc≦χ<φmaであり、
前記第1の電極材料が、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)または酸化インジウム錫(ITO)であることを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して設けられた第2の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×10 19 /cm 3 以下であり、
前記第1の電極の仕事関数φma、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmcが、φmc≦χ<φmaであり、
前記第2の電極材料が、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)またはジルコニウム(Zr)であることを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して設けられた第2の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×10 19 /cm 3 以下であり、
前記第1の電極の仕事関数φma、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmcが、φmc≦χ<φmaであり、
前記第1の電極の仕事関数φmaと前記酸化物半導体層の電子親和力χの差が0.2eV以上であることを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して設けられた第2の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法で検出される水素濃度が5×10 19 /cm 3 以下であり、
前記第1の電極の仕事関数φma、前記酸化物半導体層の電子親和力χ、前記第2の電極の仕事関数φmcが、φmc≦χ<φmaであり、
前記酸化物半導体層は、キャリア濃度が5×1014/cm3以下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4のいずれか一において、
前記第1の電極、前記酸化物半導体層、及び前記第2の電極上に、絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。
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