JP5873324B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

開示する発明は、半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。 The disclosed invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。 Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a light-emitting display device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ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(単に表示装置とも表記する)のような半導体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系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。 A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to semiconductor electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、酸化物半導体として、Zn−O系酸化物、又はIn−O−Ga−Zn−O系酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。 For example, a technique for manufacturing a transistor using a Zn—O-based oxide or an In—O—Ga—Zn—O-based oxide as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2). .

ところで、酸化物半導体においては、水素が含まれることにより伝導帯から浅い準位にドナーが生成されn型化してしまうことが指摘されている。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じることが求められる。また、酸化物半導体のみならず、酸化物半導体に接するゲート絶縁膜の水素を低減することで、しきい値電圧の変動を低減する技術が開示されている(特許文献3参照)。 By the way, it has been pointed out that in an oxide semiconductor, a donor is generated in a shallow level from the conduction band and becomes n-type by containing hydrogen. Therefore, it is required to take measures so that hydrogen is not mixed during formation of the oxide semiconductor. In addition, a technique for reducing variation in threshold voltage by reducing hydrogen in a gate insulating film in contact with an oxide semiconductor as well as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Document 3).

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A 特開2009−224479号公報JP 2009-224479 A

また、酸化物半導体において、酸素欠損はドナーとなり、酸化物半導体中にキャリアである電子を生成する。トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。 In an oxide semiconductor, oxygen vacancies serve as donors and generate electrons that are carriers in the oxide semiconductor. If there are many oxygen vacancies in the oxide semiconductor including the channel formation region of the transistor, electrons are generated in the channel formation region, which causes the threshold voltage of the transistor to fluctuate in the negative direction.

上述した問題に鑑み、本発明の一態様では、酸化物半導体を用いた半導体装置であって、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。 In view of the above problems, in one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device using an oxide semiconductor, which can provide stable electrical characteristics and high reliability can be obtained. One purpose is to provide.

酸化物半導体層を含むボトムゲート構造のトランジスタを有する半導体装置において、酸化物半導体層に接して、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層を設ける。 In a semiconductor device having a bottom-gate transistor including an oxide semiconductor layer, the insulating layer is in contact with the oxide semiconductor layer and includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio and containing nitrogen Is provided.

ボトムゲート型のトランジスタにおいて酸化物半導体層と接する絶縁層としては、酸化物半導体層下に接して設けられるゲート絶縁層と、酸化物半導体層上に接して設けられる層間絶縁層とが挙げられる。本明細書に開示する発明において、酸化物半導体層と接する絶縁層である、ゲート絶縁層及び/又は層間絶縁層に、酸素ドープ処理を施すことで、化学量論的組成比よりも酸素を過剰に含む領域(以下、酸素過剰領域とも表記する)を形成する。また、当該酸化物半導体層と接し、酸素過剰領域を有する絶縁層は、その組成として窒素を含有する絶縁層とする。 Examples of the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer in the bottom-gate transistor include a gate insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer and an interlayer insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer. In the invention disclosed in this specification, the gate insulating layer and / or the interlayer insulating layer, which is an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, is subjected to oxygen doping treatment, so that oxygen exceeds the stoichiometric composition ratio. A region (hereinafter also referred to as an oxygen excess region) is formed. The insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer and having an oxygen-excess region is an insulating layer containing nitrogen as its composition.

酸化物半導体層と接する絶縁層が、酸素過剰領域を有することで、該絶縁層による酸化物半導体層からの酸素の引き抜きを抑制又は防止することが可能となるため、酸化物半導体層における酸素欠損の発生を抑制することができる。また、酸化物半導体層と接する絶縁層に含まれる過剰な酸素は、酸化物半導体層中の水素を引き抜く効果も奏する。よって、該絶縁層によって、酸化物半導体層の水素濃度を低減し、酸素欠損を抑制することができる。 Since the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer has an oxygen-excess region, oxygen extraction from the oxide semiconductor layer by the insulating layer can be suppressed or prevented; Can be suppressed. In addition, excess oxygen contained in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer also has an effect of extracting hydrogen in the oxide semiconductor layer. Therefore, the insulating layer can reduce the hydrogen concentration of the oxide semiconductor layer and suppress oxygen vacancies.

また、窒素は3本の結合手を有するため、組成として窒素を含有する絶縁層に酸素ドープ処理を行うことで、膜中に含まれる窒素が導入された酸素と結合し、当該導入された酸素を膜中にトラップさせる効果を奏する。したがって、酸化物半導体層に接する絶縁層において酸素過剰領域を形成することが容易となる、又は、膜中により多量の酸素を含有させることが可能となる。 In addition, since nitrogen has three bonds, by performing oxygen doping treatment on the insulating layer containing nitrogen as a composition, the nitrogen contained in the film is combined with oxygen into which oxygen is introduced, and the introduced oxygen This has the effect of trapping in the film. Therefore, an oxygen-excess region can be easily formed in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, or a larger amount of oxygen can be contained in the film.

酸化物半導体層と接する絶縁層は、可能な限り水、水素などの不純物が含まれないことが好ましい。酸化物半導体層と接する絶縁層に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入する恐れ、又は、その水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜く恐れがあるためである。よって、酸化物半導体層と接する絶縁層は、脱水化又は脱水素化を目的とした熱処理を施された膜であることが好ましい。 The insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer is preferably free of impurities such as water and hydrogen as much as possible. This is because when the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer contains hydrogen, the hydrogen may enter the oxide semiconductor layer or the hydrogen may extract oxygen from the oxide semiconductor layer. Therefore, the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer is preferably a film that has been subjected to heat treatment for dehydration or dehydrogenation.

なお、酸化物半導体層と接する絶縁層への熱処理及び/又は酸素ドープ処理は、複数回繰り返して行ってもよい。また、酸化物半導体層を形成後、当該酸化物半導体層の脱水化又は脱水素化処理を目的とした熱処理を行ってもよい。酸化物半導体層への熱処理は、酸化物半導体層を島状に加工前に行うことが好ましい。 Note that the heat treatment and / or the oxygen doping treatment of the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer may be repeated a plurality of times. Further, after the oxide semiconductor layer is formed, heat treatment for dehydration or dehydrogenation treatment of the oxide semiconductor layer may be performed. The heat treatment of the oxide semiconductor layer is preferably performed before the oxide semiconductor layer is processed into an island shape.

本発明の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳する酸化物半導体層と、酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層を覆い、酸化物半導体層と接する層間絶縁層と、を有し、ゲート絶縁層又は層間絶縁層の一方は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a gate electrode layer, a gate insulating layer provided over the gate electrode layer, an oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer with the gate insulating layer interposed therebetween, and the oxide semiconductor layer electrically A source electrode layer and a drain electrode layer which are connected to each other, and an interlayer insulating layer which covers the source electrode layer and the drain electrode layer and is in contact with the oxide semiconductor layer, and one of the gate insulating layer and the interlayer insulating layer has a chemical amount This is a semiconductor device that has a region containing oxygen in excess of the theoretical composition ratio and is an insulating layer containing nitrogen.

また、本発明の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳する酸化物半導体層と、酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層を覆い、酸化物半導体層と接する層間絶縁層と、を有し、ゲート絶縁層及び層間絶縁層は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a gate electrode layer, a gate insulating layer provided over the gate electrode layer, an oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer with the gate insulating layer interposed therebetween, and an oxide semiconductor layer. A source electrode layer and a drain electrode layer which are electrically connected; and an interlayer insulating layer which covers the source electrode layer and the drain electrode layer and is in contact with the oxide semiconductor layer. The gate insulating layer and the interlayer insulating layer have a stoichiometric amount. This is a semiconductor device that has a region containing oxygen in excess of the theoretical composition ratio and is an insulating layer containing nitrogen.

上記の半導体装置において、ゲート絶縁層は、ゲート電極層と接する窒化シリコン膜と、酸化物半導体層と接する窒化酸化シリコン膜と、を含むことが好ましい。 In the above semiconductor device, the gate insulating layer preferably includes a silicon nitride film in contact with the gate electrode layer and a silicon nitride oxide film in contact with the oxide semiconductor layer.

また、上記の半導体装置のいずれか一において、層間絶縁層は、酸化物半導体層と接する窒化酸化シリコン膜と、窒化酸化シリコン膜上に設けられた酸化アルミニウム膜と、を含むことが好ましい。 In any one of the above semiconductor devices, the interlayer insulating layer preferably includes a silicon nitride oxide film in contact with the oxide semiconductor layer and an aluminum oxide film provided over the silicon nitride oxide film.

また、上記の半導体装置のいずれか一において、ゲート絶縁層及び/又は層間絶縁層は、化学気相成長法により形成された膜を含むことが好ましい。 In any one of the above semiconductor devices, the gate insulating layer and / or the interlayer insulating layer preferably includes a film formed by a chemical vapor deposition method.

なお、上記の「酸素ドープ」とは、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む)をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。 The above “oxygen doping” means adding oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) to the bulk. Say to do. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. Further, “oxygen doping” includes “oxygen plasma doping” in which oxygen in plasma form is added to a bulk.

酸素ドープ処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素ドープ処理において、希ガスを加えてもよい。 A gas containing oxygen can be used for the oxygen doping treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, a rare gas may be added in the oxygen doping process.

本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、LSIや、CPUや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including the transistor. For example, the invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including a transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor. For example, power devices mounted on LSIs, CPUs, power supply circuits, semiconductor integrated circuits including memories, thyristors, converters, image sensors, etc., light-emitting displays having electro-optical devices and light-emitting elements typified by liquid crystal display panels The present invention relates to an electronic device equipped with a device as a component.

本発明の一態様により、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device including an oxide semiconductor that can provide stable electrical characteristics and high reliability can be provided.

半導体装置一形態を説明する平面図及び断面図。8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する平面図。FIG. 10 is a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device. 実施例で作製した試料のTDS結果。The TDS result of the sample produced in the Example.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、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。また、本明細書に開示する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の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。また、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. However, the invention disclosed in this specification is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. Further, the invention disclosed in this specification is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the present invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, when referring to a portion having a similar function, the hatch pattern may be the same, and there may be no particular reference.

なお、本明細書における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 It should be noted that ordinal numbers such as “first” and “second” in the present specification are added to avoid confusion between components and are not limited in number.

(実施の形態1)
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及び図2を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor layer is described as an example of a semiconductor device.

図1にトランジスタ420の構成例を示す。図1(A)は、トランジスタ420の平面図であり、図1(B)は、図1(A)のX1−Y1における断面図であり、図1(C)は、図1(A)のV1−W1における断面図である。なお、図1(A)では煩雑になることを避けるため、トランジスタ420の構成要素の一部(例えば、層間絶縁層417等)を省略して図示している。 FIG. 1 illustrates a configuration example of the transistor 420. 1A is a plan view of the transistor 420, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line X1-Y1 of FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing in V1-W1. Note that in FIG. 1A, some components (for example, the interlayer insulating layer 417 and the like) are not illustrated in order to avoid complexity.

図1に示すトランジスタ420は、基板400上に設けられたゲート電極層401と、ゲート電極層401上に設けられたゲート絶縁層402と、ゲート絶縁層402を介してゲート電極層401と重畳する酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403と電気的に接続するソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを覆い、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417と、を含んで構成される。 A transistor 420 illustrated in FIG. 1 overlaps with the gate electrode layer 401 provided over the substrate 400, the gate insulating layer 402 provided over the gate electrode layer 401, and the gate electrode layer 401 with the gate insulating layer 402 interposed therebetween. The oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b that are electrically connected to the oxide semiconductor layer 403, and the interlayer insulating film that covers the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b and is in contact with the oxide semiconductor layer 403 And a layer 417.

本実施の形態で示すトランジスタ420は、ゲート電極層401側から順に、ゲート絶縁層402a及びゲート絶縁層402bが積層されたゲート絶縁層402と、酸化物半導体層403側から順に、層間絶縁層417a及び層間絶縁層417bが積層された層間絶縁層417と、を含む。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、ゲート絶縁層及び層間絶縁層はそれぞれ単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造としてもよい。 A transistor 420 described in this embodiment includes a gate insulating layer 402 in which a gate insulating layer 402a and a gate insulating layer 402b are stacked in this order from the gate electrode layer 401 side, and an interlayer insulating layer 417a in order from the oxide semiconductor layer 403 side. And an interlayer insulating layer 417 in which an interlayer insulating layer 417b is stacked. Note that the embodiment of the present invention is not limited to this, and the gate insulating layer and the interlayer insulating layer may each have a single-layer structure or a stacked structure including three or more layers.

本実施の形態で示すトランジスタ420において、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である。より具体的には、層間絶縁層417を形成する積層構造のうち、少なくとも酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417aは、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層とする。本実施の形態では、層間絶縁層417aとして、酸素過剰領域を有する酸化窒化シリコン膜を用い、層間絶縁層417bとして酸化アルミニウム膜を用いるものとする。 In the transistor 420 described in this embodiment, the interlayer insulating layer 417 in contact with the oxide semiconductor layer 403 is an insulating layer having a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio and containing nitrogen. . More specifically, in the stacked structure in which the interlayer insulating layer 417 is formed, at least the interlayer insulating layer 417a in contact with the oxide semiconductor layer 403 includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio. In addition, an insulating layer containing nitrogen is used. In this embodiment, a silicon oxynitride film having an oxygen-excess region is used as the interlayer insulating layer 417a, and an aluminum oxide film is used as the interlayer insulating layer 417b.

なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。 Note that in this specification, oxynitride is a substance having a higher oxygen content than nitrogen in the composition, and nitride oxide has a nitrogen content higher than oxygen in the composition. Means a substance.

窒素の結合手は3本であり、結合手が2本である酸素よりも多くの結合手を有する。よって、酸化物半導体層に接する絶縁層に酸素過剰領域を形成するために酸素ドープを行う際に、該絶縁層として酸化物絶縁層(例えば、酸化シリコン膜)を用いる場合と比較して、組成として窒素を含む絶縁層(例えば、酸化窒化シリコン膜)を用いることで、導入した酸素をより膜中にトラップさせる効果を奏する。したがって、酸化物半導体層に接する絶縁層において酸素過剰領域を形成することが容易となる、又は、膜中により多量の酸素を含有させることが可能となる。 Nitrogen has three bonds, and has more bonds than oxygen, which has two bonds. Therefore, when oxygen doping is performed to form an oxygen-excess region in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, the composition is higher than that in the case where an oxide insulating layer (eg, a silicon oxide film) is used as the insulating layer. By using an insulating layer containing nitrogen (for example, a silicon oxynitride film), the introduced oxygen can be trapped more in the film. Therefore, an oxygen-excess region can be easily formed in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, or a larger amount of oxygen can be contained in the film.

また、層間絶縁層417bは、トランジスタ420の保護膜として機能する絶縁層である。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。したがって、層間絶縁層417bとして酸化アルミニウム膜を用いることで、酸化物半導体層403、並びにそれに接する層間絶縁層417aからの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体層403への水及び水素の混入を防止することができる。 The interlayer insulating layer 417b is an insulating layer that functions as a protective film of the transistor 420. The aluminum oxide film has a high blocking effect that prevents the film from permeating both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen. Therefore, by using an aluminum oxide film as the interlayer insulating layer 417b, release of oxygen from the oxide semiconductor layer 403 and the interlayer insulating layer 417a in contact with the oxide semiconductor layer 403 can be prevented, and water and hydrogen can be supplied to the oxide semiconductor layer 403. Mixing can be prevented.

なお、酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすると、トランジスタ420に安定な電気特性を付与することができるため、より好ましい。膜密度はラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)や、X線反射率測定法(XRR:X−Ray Reflection)によって測定することができる。 Note that it is more preferable that the aluminum oxide film have a high density (a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more) because the transistor 420 can be provided with stable electrical characteristics. The film density can be measured by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) or X-ray reflectance measurement (XRR: X-Ray Reflection).

また、酸化物半導体層403において、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体層表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体層表面に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理(NOプラズマ処理など)を行うことにより、酸化物半導体層表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半導体層の銅濃度は1×1018atoms/cm以下、好ましくは1×1017atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体層のアルミニウム濃度は1×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体層の塩素濃度は2×1018atoms/cm以下とする。 In addition, the oxide semiconductor layer 403 is preferably highly purified so as not to contain impurities such as copper, aluminum, and chlorine. In the transistor manufacturing process, it is preferable to appropriately select a process in which these impurities are not mixed or attached to the surface of the oxide semiconductor layer. When the impurity is attached to the surface of the oxide semiconductor layer, oxalic acid or dilute hydrofluoric acid is preferably used. It is preferable to remove impurities on the surface of the oxide semiconductor layer by exposure to the above or by performing plasma treatment (N 2 O plasma treatment or the like). Specifically, the copper concentration of the oxide semiconductor layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. In addition, the aluminum concentration of the oxide semiconductor layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The chlorine concentration in the oxide semiconductor layer is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体層403は、水や水素などの不純物が可能な限り除去されたものであることが望ましい。例えば、トランジスタ420において、酸化物半導体層403に含まれる水素濃度を、2×1019/cm以下、好ましくは5×1018/cm以下、さらに好ましくは2×1018/cm以下とすることが好ましい。 The oxide semiconductor layer 403 is preferably formed by removing impurities such as water and hydrogen as much as possible. For example, in the transistor 420, the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer 403 is 2 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 2 × 10 18 / cm 3 or less. It is preferable to do.

以下、図2を用いて図1に示すトランジスタ420の作製方法の一例を説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the transistor 420 illustrated in FIGS.

まず、絶縁表面を有する基板400上にゲート電極層401を形成した後、ゲート電極層401上にゲート絶縁層402a及びゲート絶縁層402bを順に積層してゲート絶縁層402を形成する(図2(A)参照)。 First, after the gate electrode layer 401 is formed over the substrate 400 having an insulating surface, the gate insulating layer 402a and the gate insulating layer 402b are sequentially stacked over the gate electrode layer 401 to form the gate insulating layer 402 (FIG. 2). A)).

絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、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などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることが出来る。なお、基板としては、熱膨張係数が25×10−7/℃以上50×10−7/℃以下(好ましくは、30×10−7/℃以上40×10−7/℃以下)であり、歪み点が650℃以上750℃以下(好ましくは、700℃以上740℃以下)である基板を用いることが好ましい。 There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 400 having an insulating surface as long as it has heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, various glass substrates used in the electronic industry such as glass substrates such as barium borosilicate glass and alumino borosilicate glass can be used. The substrate has a thermal expansion coefficient of 25 × 10 −7 / ° C. or higher and 50 × 10 −7 / ° C. or lower (preferably 30 × 10 −7 / ° C. or higher and 40 × 10 −7 / ° C. or lower). A substrate having a strain point of 650 ° C. or higher and 750 ° C. or lower (preferably 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower) is preferably used.

第5世代(1000mm×1200mmまたは1300mm×1500mm)、第6世代(1500mm×1800mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2500mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2880×3130mm)などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは450℃、好ましくは500℃の温度で1時間加熱処理を行った後の縮み量が20ppm以下、好ましくは10ppm以下、さらに好ましくは5ppm以下である大型ガラス基板を用いればよい。 5th generation (1000 mm × 1200 mm or 1300 mm × 1500 mm), 6th generation (1500 mm × 1800 mm), 7th generation (1870 mm × 2200 mm), 8th generation (2200 mm × 2500 mm), 9th generation (2400 mm × 2800 mm), 1st When a large glass substrate of 10 generations (2880 × 3130 mm) or the like is used, fine processing may be difficult due to shrinkage of the substrate caused by heat treatment in a manufacturing process of a semiconductor device. Therefore, when a large glass substrate as described above is used as the substrate, it is preferable to use a substrate with less shrinkage. For example, a large glass substrate having a shrinkage of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less after heat treatment at 450 ° C., preferably 500 ° C. for 1 hour, is preferably used as the substrate. Good.

または、基板400として、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。 Alternatively, as the substrate 400, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. Alternatively, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used. You may use what provided the semiconductor element on these board | substrates.

また、基板400として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジスタ420を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層403を含むトランジスタ420を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ420との間に剥離層を設けるとよい。 Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate 400. In order to manufacture a semiconductor device having flexibility, the transistor 420 including the oxide semiconductor layer 403 may be directly formed over a flexible substrate, or the transistor including the oxide semiconductor layer 403 over another manufacturing substrate. 420 may be manufactured and then peeled off and transferred to a flexible substrate. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor 420 including the oxide semiconductor layer.

基板400上に下地絶縁層を設けてもよい。下地絶縁層としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。 A base insulating layer may be provided over the substrate 400. As the base insulating layer, an oxide insulating film such as silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, hafnium oxide, gallium oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride is formed by a plasma CVD method or a sputtering method. Alternatively, a nitride insulating film such as aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can be used.

基板400(又は基板400及び下地絶縁層)に熱処理を行ってもよい。例えば、高温のガスを用いて熱処理を行うGRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置により、650℃、1分〜5分間、熱処理を行えばよい。なお、GRTAにおける高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、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。また、電気炉により、500℃、30分〜1時間、熱処理を行ってもよい。 Heat treatment may be performed on the substrate 400 (or the substrate 400 and the base insulating layer). For example, the heat treatment may be performed at 650 ° C. for 1 minute to 5 minutes using a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. Note that as the high-temperature gas in GRTA, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used. Moreover, you may heat-process with an electric furnace for 500 degreeC and 30 minutes-1 hour.

ゲート電極層401の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。 The material of the gate electrode layer 401 can be formed using a metal material such as molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, or scandium, or an alloy material containing any of these materials as its main component. As the gate electrode layer 401, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide film such as nickel silicide may be used. The gate electrode layer 401 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極層401の材料は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。 The material of the gate electrode layer 401 is indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, oxide A conductive material such as indium zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the conductive material and the metal material can be employed.

また、ゲート電極層401として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。 The gate electrode layer 401 includes a metal oxide containing nitrogen, specifically, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, or an In—Ga containing nitrogen. An —O film, an In—Zn—O film containing nitrogen, an Sn—O film containing nitrogen, an In—O film containing nitrogen, or a metal nitride film (InN, SnN, or the like) can be used. These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or more, and when used as a gate electrode layer, the threshold voltage of the electrical characteristics of the transistor can be made positive. In other words, a so-called normally-off switching element can be realized.

本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚100nmのタングステン膜を形成する。 In this embodiment, a tungsten film with a thickness of 100 nm is formed by a sputtering method.

また、ゲート電極層401形成後に、基板400、及びゲート電極層401に熱処理を行ってもよい。例えば、GRTA装置により、650℃、1分〜5分間、熱処理を行えばよい。また、電気炉により、500℃、30分〜1時間、熱処理を行ってもよい。 Further, after the gate electrode layer 401 is formed, heat treatment may be performed on the substrate 400 and the gate electrode layer 401. For example, heat treatment may be performed at 650 ° C. for 1 minute to 5 minutes using a GRTA apparatus. Moreover, you may heat-process with an electric furnace for 500 degreeC and 30 minutes-1 hour.

なお、ゲート絶縁層402の被覆性を向上させるために、ゲート電極層401表面に平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁層402として膜厚の薄い絶縁層を用いる場合、ゲート電極層401表面の平坦性が良好であることが好ましい。 Note that planarization treatment may be performed on the surface of the gate electrode layer 401 in order to improve the coverage with the gate insulating layer 402. In particular, when a thin insulating layer is used as the gate insulating layer 402, the surface of the gate electrode layer 401 is preferably flat.

ゲート絶縁層402aには、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成する窒化物絶縁層を好ましく用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。ゲート電極層401及び基板400と接するゲート絶縁層402aとして窒化物絶縁層を適用することで、ゲート電極層401又は基板400からの不純物拡散を防止する効果を奏する。 As the gate insulating layer 402a, a nitride insulating layer formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like can be preferably used. For example, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, or the like can be given. By applying a nitride insulating layer as the gate insulating layer 402 a in contact with the gate electrode layer 401 and the substrate 400, an effect of preventing impurity diffusion from the gate electrode layer 401 or the substrate 400 is achieved.

または、ゲート絶縁層402aとして、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、又はバリウム(Ba)の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜(例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜)、又は金属窒化物絶縁膜(窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜)を用いることができる。また、ゲート絶縁層402aには、酸化ガリウム膜、In−Zr−Zn系酸化物膜、In−Fe−Zn系酸化物膜、In−Ce−Zn系酸化物膜なども用いることができる。 Alternatively, as the gate insulating layer 402a, titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), hafnium (Hf), tantalum (Ta), lanthanum (La), zirconium (Zr), nickel (Ni), magnesium ( Metal oxide insulating film containing at least one selected from Mg) or barium (Ba) metal element (for example, aluminum oxide film, aluminum oxynitride film, hafnium oxide film, magnesium oxide film, zirconium oxide film) , A lanthanum oxide film, a barium oxide film), or a metal nitride insulating film (aluminum nitride film, aluminum nitride oxide film) can be used. For the gate insulating layer 402a, a gallium oxide film, an In—Zr—Zn-based oxide film, an In—Fe—Zn-based oxide film, an In—Ce—Zn-based oxide film, or the like can be used.

本実施の形態ではゲート絶縁層402aとしてプラズマCVD法を用いて形成する膜厚30nmの窒化シリコン膜を用いる。 In this embodiment, a 30-nm-thick silicon nitride film formed by a plasma CVD method is used as the gate insulating layer 402a.

ゲート絶縁層402bの膜厚は、1nm以上20nm以下とし、スパッタリング法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層402bは、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置、所謂CPスパッタ装置を用いて成膜してもよい。 The gate insulating layer 402b has a thickness of 1 nm to 20 nm and can be formed as appropriate by using a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulsed laser deposition method, an ALD method, or the like. Alternatively, the gate insulating layer 402b may be formed using a so-called CP sputtering apparatus that forms a film in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target.

ゲート絶縁層402bの材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。 As a material of the gate insulating layer 402b, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used.

また、ゲート絶縁層402bの材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタンなどの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。 As materials for the gate insulating layer 402b, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSiO x N y (x> 0, The gate leakage current can be reduced by using a high-k material such as y> 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)), or lanthanum oxide.

本実施の形態では、高密度プラズマCVD法により膜厚200nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。CVD法は、スパッタリング法と比較して、成膜タクトを縮小することができる。また、CVD法は、スパッタリング法よりも成膜した面内におけるバラツキが小さく、パーティクルの混入も起こりにくい。このため、特に基板が大面積化される場合に、CVD法を用いてゲート絶縁層402を成膜することは効果的である。 In this embodiment, a 200-nm-thick silicon oxynitride film is formed by high-density plasma CVD. The CVD method can reduce the film formation tact compared with the sputtering method. In addition, the CVD method has less variation in the surface where the film is formed than the sputtering method, and particles are less likely to be mixed. For this reason, it is effective to form the gate insulating layer 402 using the CVD method particularly when the substrate has a large area.

なお、ゲート絶縁層402bは、酸化物半導体層403と接する絶縁層であるため、可能な限り水、水素などの不純物が含まれないことが好ましい。しかしながら、プラズマCVD法では、スパッタリング法と比較して膜中の水素濃度を低減させることが困難である。したがって、本実施の形態においては、成膜後のゲート絶縁層402に対して、水素原子の除去を目的とした熱処理(脱水化又は脱水素化処理)を行う。 Note that since the gate insulating layer 402b is an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 403, it is preferable that impurities such as water and hydrogen be contained as little as possible. However, it is difficult for the plasma CVD method to reduce the hydrogen concentration in the film as compared with the sputtering method. Therefore, in this embodiment, heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) for removing hydrogen atoms is performed on the gate insulating layer 402 after deposition.

熱処理の温度は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、または基板の歪み点未満とする。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、ゲート絶縁層402に対して真空(減圧)雰囲気下650℃において1時間の加熱処理を行う。 The heat treatment temperature is 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, or lower than the strain point of the substrate. For example, a substrate is introduced into an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses, and the gate insulating layer 402 is subjected to heat treatment at 650 ° C. for 1 hour in a vacuum (depressurized) atmosphere.

なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、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。なお、熱処理装置としてGRTA装置を用いる場合には、その処理時間が短いため、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中で基板を加熱してもよい。 Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used. Note that when a GRTA apparatus is used as the heat treatment apparatus, the substrate may be heated in an inert gas heated to a high temperature of 650 ° C. to 700 ° C. because the processing time is short.

熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気(水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、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。 The heat treatment may be performed in an atmosphere of nitrogen, oxygen, ultra-dry air (air with a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less), or a rare gas (such as argon or helium). It is preferable that water, hydrogen, and the like are not contained in the atmosphere of nitrogen, oxygen, ultra-dry air, or rare gas. Further, the purity of nitrogen, oxygen, or a rare gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm). Or less).

熱処理によって、ゲート絶縁層402の脱水化または脱水素化を行うことができ、トランジスタの特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が排除されたゲート絶縁層402を形成することができる。 By the heat treatment, the gate insulating layer 402 can be dehydrated or dehydrogenated, and the gate insulating layer 402 from which impurities such as hydrogen or water which cause a change in characteristics of the transistor are excluded can be formed.

脱水化又は脱水素化処理を行う熱処理において、ゲート絶縁層402表面は水素又は水等の放出を妨害するような状態(例えば、水素又は水等を通過させない(ブロックする)膜などを設ける等)とせず、ゲート絶縁層402は表面を露出した状態とすることが好ましい。 In the heat treatment for performing dehydration or dehydrogenation, the surface of the gate insulating layer 402 interferes with the release of hydrogen, water, or the like (for example, a film that does not allow (block) hydrogen, water, or the like to be provided). The gate insulating layer 402 is preferably in a state where the surface is exposed.

また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。 Further, the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed a plurality of times or may be combined with other heat treatments.

次いで、ゲート絶縁層402上に、酸化物半導体層を成膜し、島状に加工して酸化物半導体層403を形成する(図2(B)参照)。 Next, an oxide semiconductor layer is formed over the gate insulating layer 402 and processed into an island shape, so that the oxide semiconductor layer 403 is formed (see FIG. 2B).

なお、ゲート絶縁層402を大気に解放せずにゲート絶縁層402と酸化物半導体層を連続的に形成することが好ましい。ゲート絶縁層402を大気に曝露せずにゲート絶縁層402と酸化物半導体層を連続して形成すると、ゲート絶縁層402表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。 Note that the gate insulating layer 402 and the oxide semiconductor layer are preferably formed successively without releasing the gate insulating layer 402 to the atmosphere. When the gate insulating layer 402 and the oxide semiconductor layer are formed successively without exposing the gate insulating layer 402 to the air, adsorption of impurities such as hydrogen and moisture to the surface of the gate insulating layer 402 can be prevented.

酸化物半導体層403は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、非晶質構造であってもよいし、結晶性であってもよい。酸化物半導体層403を非晶質構造とする場合には、後の作製工程において、酸化物半導体層403に熱処理を行うことによって、結晶性酸化物半導体層としてもよい。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる熱処理の温度は、250℃以上700℃以下、好ましくは、400℃以上、より好ましくは500℃以上、さらに好ましくは550℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼ねることも可能である。 The oxide semiconductor layer 403 may have a single-layer structure or a stacked structure. Moreover, an amorphous structure may be sufficient and crystallinity may be sufficient. In the case where the oxide semiconductor layer 403 has an amorphous structure, a crystalline oxide semiconductor layer may be formed by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 403 in a later manufacturing process. The temperature of the heat treatment for crystallizing the amorphous oxide semiconductor layer is 250 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, and further preferably 550 ° C. or higher. Note that the heat treatment can also serve as another heat treatment in the manufacturing process.

酸化物半導体層の成膜方法は、スパッタリング法、MBE(Moleculer Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体層は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタリング装置、所謂CPスパッタリング装置(Columner Plasma Sputtering system)を用いて成膜してもよい。 As a method for forming the oxide semiconductor layer, a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like can be used as appropriate. The oxide semiconductor layer is formed using a sputtering apparatus that performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicularly to the surface of the sputtering target, that is, a so-called CP sputtering apparatus (Column Plasma Sputtering system). May be.

酸化物半導体層を成膜する際、できる限り酸化物半導体層に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。 When forming the oxide semiconductor layer, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer as much as possible. In order to reduce the hydrogen concentration, for example, when film formation is performed using a sputtering method, impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or a hydride are removed as an atmospheric gas supplied into the processing chamber of the sputtering apparatus. A high-purity rare gas (typically argon), oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen is used as appropriate.

また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、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、ターボ分子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成膜室は、例えば、水素分子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In addition, the hydrogen concentration of the formed oxide semiconductor layer can be reduced by introducing a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed while removing residual moisture in the deposition chamber. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used. The film formation chamber evacuated using a cryopump has a high exhaust capability such as a compound containing hydrogen atoms (more preferably a compound containing carbon atoms) such as hydrogen molecules and water (H 2 O). The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor layer formed in the film chamber can be reduced.

また、酸化物半導体層を成膜する前に、スパッタリング装置内でゲート絶縁層が設けられた基板に対して加熱処理を行ってもよい。該加熱処理は、減圧雰囲気化で行うことが好ましく、真空雰囲気下で行うことがより好ましい。例えば、酸化物半導体層の被成膜面が、成膜温度となるまで、スパッタリング装置内に真空雰囲気下にてゲート絶縁層が設けられた基板400を配置すればよい。この加熱処理によって、ゲート絶縁層の表面に吸着しうる表面吸着水を除去することができるため、成膜された酸化物半導体層の水素濃度を低減させることができる。 Further, before the oxide semiconductor layer is formed, heat treatment may be performed on the substrate provided with the gate insulating layer in the sputtering apparatus. The heat treatment is preferably performed in a reduced-pressure atmosphere, and more preferably performed in a vacuum atmosphere. For example, the substrate 400 provided with a gate insulating layer may be placed in a sputtering apparatus in a vacuum atmosphere until the deposition surface of the oxide semiconductor layer reaches a deposition temperature. By this heat treatment, surface adsorbed water that can be adsorbed to the surface of the gate insulating layer can be removed; thus, the hydrogen concentration of the oxide semiconductor layer formed can be reduced.

また、酸化物半導体層をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体層を緻密な膜とすることができる。 In the case where the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method, the relative density (filling ratio) of the metal oxide target used for film formation is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. . By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide semiconductor layer can be a dense film.

また、基板400を高温に保持した状態で酸化物半導体層を形成することも、酸化物半導体層中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板400を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性酸化物半導体層を形成することができる。 In addition, forming the oxide semiconductor layer with the substrate 400 kept at a high temperature is also effective in reducing the concentration of impurities that can be contained in the oxide semiconductor layer. The temperature for heating the substrate 400 may be 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and preferably the substrate temperature is 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. In addition, the crystalline oxide semiconductor layer can be formed by heating the substrate at a high temperature during film formation.

酸化物半導体層403に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を有することが好ましい。 An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor layer 403 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, it is preferable to contain both In and Zn. In addition, it is preferable that gallium (Ga) be included in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have a zirconium (Zr) as a stabilizer.

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。 Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide Oxides, Sn—Mg oxides, In—Mg oxides, In—Ga oxides, In—Ga—Zn oxides (also referred to as IGZO) which are oxides of ternary metals, In— Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu -Zn oxide, In-Gd-Zn oxide, In-Tb-Zn oxide, n-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn -Based oxides, In-Sn-Ga-Zn-based oxides that are oxides of quaternary metals, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, In-Sn- An Al—Zn-based oxide, an In—Sn—Hf—Zn-based oxide, or an In—Hf—Al—Zn-based oxide can be used.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。 Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. Note that M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1) / 5), or an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 (= 1/2: 1/6: 1/3) and oxidation in the vicinity of the composition. Can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or oxide in the vicinity of the composition Should be used.

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性(移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 However, the composition is not limited thereto, and a material having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, variation, etc.). In order to obtain the required semiconductor characteristics, it is preferable that the carrier concentration, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic bond distance, density, and the like are appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。 For example, high mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.

なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成のrだけ近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)+(b−B)+(c−C)≦rを満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。 Note that for example, the composition of an oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: C, (A + B + C = 1) is the vicinity of r of the oxide composition, a, b, c are (a−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ It refers to meet the r 2. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.

また酸化物半導体層を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 As a sputtering gas used for forming the oxide semiconductor layer, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed is preferably used.

また、酸化物半導体層403は、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜であることが好ましい。 The oxide semiconductor layer 403 is preferably a CAAC-OS (C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) film.

CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体層である。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダリーともいう)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。 The CAAC-OS film is not completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor layer with a crystal-amorphous mixed phase structure where crystal parts are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。 In the crystal part included in the CAAC-OS film, the c-axis is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and triangular when viewed from the direction perpendicular to the ab plane. It has a shape or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range from −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。 Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。 Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film (formation surface) Depending on the cross-sectional shape of the surface or the cross-sectional shape of the surface). Note that the c-axis direction of the crystal part is parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.

CAAC−OS膜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を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 A transistor including a CAAC-OS film can reduce variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light. Therefore, the transistor has high reliability.

酸化物半導体層403としてCAAC−OS膜を適用する場合、該CAAC−OS膜を得る方法としては、三つ挙げられる。一つ目は、成膜温度を200℃以上450℃以下として酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。二つ目は、酸化物半導体層を薄い膜厚で成膜した後、200℃以上700℃以下の熱処理を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。三つ目は、一層目として薄い膜厚で成膜した後、200℃以上700℃以下の熱処理を行い、二層目の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。 In the case where a CAAC-OS film is used as the oxide semiconductor layer 403, there are three methods for obtaining the CAAC-OS film. The first is a method in which an oxide semiconductor layer is formed at a film formation temperature of 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and is c-axis oriented substantially perpendicular to the surface. The second method is a method in which an oxide semiconductor layer is formed with a thin film thickness, and then heat treatment is performed at 200 ° C. to 700 ° C. so that the c-axis alignment is approximately perpendicular to the surface. The third method is a method of forming a thin film as a first layer, then performing a heat treatment at 200 ° C. or more and 700 ° C. or less to form a second layer, and aligning the c-axis substantially perpendicularly to the surface.

酸化物半導体層の成膜前に、酸化物半導体層の被成膜面に平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理(例えば、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。 Before the formation of the oxide semiconductor layer, planarization treatment may be performed on the deposition surface of the oxide semiconductor layer. The planarization treatment is not particularly limited, and polishing treatment (for example, chemical mechanical polishing (CMP) method), dry etching treatment, or plasma treatment can be used.

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法をいう。なお、アルゴンに代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物半導体層の成膜表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することができる。 As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma can be performed. Reverse sputtering refers to a method of modifying the surface by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere to form plasma near the substrate. Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of argon. When reverse sputtering is performed, powdered substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the oxide semiconductor layer can be removed.

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物半導体層の成膜表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。 As the planarization treatment, the polishing treatment, the dry etching treatment, and the plasma treatment may be performed a plurality of times or in combination. In the case where the steps are performed in combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the unevenness state of the oxide semiconductor layer.

次いで、ゲート電極層401、ゲート絶縁層402、及び酸化物半導体層403上に、ソース電極層及びドレイン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。 Next, a conductive film to be a source electrode layer and a drain electrode layer (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate electrode layer 401, the gate insulating layer 402, and the oxide semiconductor layer 403.

導電膜は後の熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In−SnO、ITOと略記する)、酸化インジウム酸化亜鉛(In−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 The conductive film is formed using a material that can withstand heat treatment performed later. As the conductive film used for the source electrode layer and the drain electrode layer, for example, a metal film containing an element selected from Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, and W, or a metal containing the above-described element as a component A nitride film (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Further, a refractory metal film such as Ti, Mo, W or the like or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) is provided on one or both of the lower side or the upper side of a metal film such as Al or Cu. It is good also as a structure which laminated | stacked. The conductive film used for the source electrode layer and the drain electrode layer may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), oxidation Indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO) or a metal oxide material containing silicon oxide can be used.

フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する。ソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、レジストマスクを除去する(図2(C)参照)。 A resist mask is formed over the conductive film by a photolithography process, and selective etching is performed to form the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b. After the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are formed, the resist mask is removed (see FIG. 2C).

レジストマスク形成時の露光には、紫外線やKrFレーザ光やArFレーザ光を用いるとよい。酸化物半導体層403上で隣り合うソース電極層405aの下端部とドレイン電極層405bの下端部との間隔幅によって後に形成されるトランジスタ440のチャネル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合には、数nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultraviolet)を用いてレジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高速化できる。 Ultraviolet light, KrF laser light, or ArF laser light is preferably used for light exposure for forming the resist mask. The channel length L of the transistor 440 to be formed later is determined by the distance between the lower end portion of the source electrode layer 405a and the lower end portion of the drain electrode layer 405b which are adjacent to each other over the oxide semiconductor layer 403. Note that in the case of performing exposure with a channel length L of less than 25 nm, it is preferable to perform exposure at the time of forming a resist mask using extreme ultraviolet (Extreme Ultraviolet) having a very short wavelength of several nm to several tens of nm. Exposure by extreme ultraviolet light has a high resolution and a large depth of focus. Accordingly, the channel length L of a transistor to be formed later can be 10 nm to 1000 nm, and the operation speed of the circuit can be increased.

また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。 In order to reduce the number of photomasks used in the photolithography process and the number of processes, the etching process may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask that is an exposure mask in which transmitted light has a plurality of intensities. Good. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further deformed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching processes for processing into different patterns. . Therefore, a resist mask corresponding to at least two kinds of different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.

本実施の形態では、導電膜のエッチングには、塩素を含むガス、例えば、塩素(Cl)、三塩化硼素(BCl)、四塩化珪素(SiCl)、四塩化炭素(CCl)などを含むガスを用いることができる。また、フッ素を含むガス、例えば、四弗化炭素(CF)、弗化硫黄(SF)、弗化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)などを含むガスを用いることができる。また、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。 In this embodiment mode, the conductive film is etched using a gas containing chlorine, such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like. A gas containing can be used. Alternatively, a gas containing fluorine, for example, a gas containing carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur fluoride (SF 6 ), nitrogen fluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), or the like can be used. Alternatively, a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases can be used.

エッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)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、基板側の電極温度等)を適宜調節する。 As an etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, the substrate-side electrode temperature, etc.) are adjusted as appropriate so that the desired processed shape can be etched.

本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により膜厚100nmのチタン膜、膜厚400nmのアルミニウム膜、膜厚100nmのチタン膜の積層を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する。 In this embodiment, a stack of a 100-nm-thick titanium film, a 400-nm-thick aluminum film, and a 100-nm-thick titanium film is used as the conductive film by a sputtering method. For the etching of the conductive film, the stack of the titanium film, the aluminum film, and the titanium film is etched by a dry etching method to form the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b.

本実施の形態では、第1のエッチング条件でチタン膜とアルミニウム膜の2層をエッチングした後、第2のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第1のエッチング条件は、エッチングガス(BCl:Cl=750sccm:150sccm)を用い、バイアス電力を1500Wとし、ICP電源電力を0Wとし、圧力を2.0Paとする。第2のエッチング条件は、エッチングガス(BCl:Cl=700sccm:100sccm)を用い、バイアス電力を750Wとし、ICP電源電力を0Wとし、圧力を2.0Paとする。 In this embodiment, after etching the two layers of the titanium film and the aluminum film under the first etching condition, the remaining titanium film single layer is removed under the second etching condition. Note that the first etching conditions are an etching gas (BCl 3 : Cl 2 = 750 sccm: 150 sccm), a bias power of 1500 W, an ICP power supply power of 0 W, and a pressure of 2.0 Pa. As the second etching condition, an etching gas (BCl 3 : Cl 2 = 700 sccm: 100 sccm) is used, the bias power is 750 W, the ICP power supply power is 0 W, and the pressure is 2.0 Pa.

なお、導電膜のエッチング工程の際に、酸化物半導体層403がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、酸化物半導体層403を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体層403は一部のみがエッチングされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。 Note that it is preferable that etching conditions be optimized so that the oxide semiconductor layer 403 is not etched and divided in the conductive film etching step. However, it is difficult to obtain a condition that only the conductive film is etched and the oxide semiconductor layer 403 is not etched at all. When the conductive film is etched, only a part of the oxide semiconductor layer 403 is etched and a groove (concave portion) is obtained. The oxide semiconductor layer may be included.

次いで、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを覆い、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層427a及び層間絶縁層417bを順に成膜する。 Next, an interlayer insulating layer 427 a and an interlayer insulating layer 417 b which are in contact with the oxide semiconductor layer 403 are sequentially formed so as to cover the source electrode layer 405 a and the drain electrode layer 405 b.

酸化物半導体層403と接する層間絶縁層427aとしては、窒素を含有する絶縁層、好ましくは組成として窒素を含有する酸化物絶縁層を用いるものとする。例えば、層間絶縁層427aとして、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化窒化ガリウム膜、窒化ガリウム膜、窒化酸化ガリウム膜などの無機絶縁層を用いることができる。また、層間絶縁層427aの膜厚は50nm以上100nm以下とすることが好ましい。 As the interlayer insulating layer 427a in contact with the oxide semiconductor layer 403, an insulating layer containing nitrogen, preferably an oxide insulating layer containing nitrogen as a composition is used. For example, as the interlayer insulating layer 427a, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum oxynitride film, an aluminum nitride film, an aluminum nitride oxide film, a gallium oxynitride film, a gallium nitride film, a gallium nitride oxide film, or the like Inorganic insulating layers can be used. The thickness of the interlayer insulating layer 427a is preferably greater than or equal to 50 nm and less than or equal to 100 nm.

層間絶縁層417bとしては、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜、または金属窒化物膜(例えば、窒化アルミニウム膜)を用いることができる。 As the interlayer insulating layer 417b, an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a magnesium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, a barium oxide film, or a metal nitride film (eg, an aluminum nitride film) can be used.

なお、酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高く、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層403への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層403からの放出を防止する保護膜として機能することができる。よって、層間絶縁層417bとして、酸化アルミニウム膜を設けることが好ましい。 Note that an aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) of preventing both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen from passing through the film, and causes hydrogen, moisture, and the like that cause fluctuations during and after the manufacturing process. It can function as a protective film that prevents entry of impurities into the oxide semiconductor layer 403 and release of oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, from the oxide semiconductor layer 403. Therefore, an aluminum oxide film is preferably provided as the interlayer insulating layer 417b.

本実施の形態では、層間絶縁層427aとして、酸化窒化シリコン膜をプラズマCVD法により形成する。また、層間絶縁層417bとして、酸化アルミニウム膜をスパッタリング法により形成する。 In this embodiment, a silicon oxynitride film is formed as the interlayer insulating layer 427a by a plasma CVD method. In addition, as the interlayer insulating layer 417b, an aluminum oxide film is formed by a sputtering method.

なお、層間絶縁層427aは、酸化物半導体層403と接する絶縁層であるため、ゲート絶縁層402bと同様に可能な限り水、水素などの不純物が含まれないことが好ましい。したがって、本実施の形態においては、成膜後の層間絶縁層427aに対して、水素原子の除去を目的とした熱処理(脱水化又は脱水素化処理)を行う。なお、本実施の形態において層間絶縁層417bとして用いる酸化アルミニウム膜は、水素又は水等を通過させないブロッキング機能を有する膜である。よって、層間絶縁層427aの脱水化又は脱水素化処理を目的とした熱処理は、層間絶縁層427aの形成後であって、層間絶縁層417bの成膜前に行うことが好ましい。 Note that since the interlayer insulating layer 427a is an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 403, it is preferable that impurities such as water and hydrogen are not contained as much as possible in the same manner as the gate insulating layer 402b. Therefore, in this embodiment, heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) for the purpose of removing hydrogen atoms is performed on the interlayer insulating layer 427a after deposition. Note that the aluminum oxide film used as the interlayer insulating layer 417b in this embodiment is a film having a blocking function of preventing hydrogen, water, or the like from passing therethrough. Therefore, heat treatment for the purpose of dehydration or dehydrogenation of the interlayer insulating layer 427a is preferably performed after the formation of the interlayer insulating layer 427a and before the formation of the interlayer insulating layer 417b.

熱処理の温度は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、または基板の歪み点未満とする。脱水化又は脱水素化処理を目的とした熱処理の詳細は、ゲート絶縁層402bと同様に行うことができる。 The heat treatment temperature is 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, or lower than the strain point of the substrate. The details of the heat treatment for dehydration or dehydrogenation treatment can be performed in a manner similar to that of the gate insulating layer 402b.

次いで、脱水化又は脱水素化処理を行った層間絶縁層427aに対して、層間絶縁層417bを介して酸素454を導入する処理(酸素ドープ処理や、酸素注入処理ともいう)を行う。これによって、酸素過剰領域を有する層間絶縁層417aと、層間絶縁層417bの積層からなる層間絶縁層417が形成される(図2(E)参照)。 Next, treatment for introducing oxygen 454 through the interlayer insulating layer 417b (also referred to as oxygen doping treatment or oxygen implantation treatment) is performed on the interlayer insulating layer 427a subjected to dehydration or dehydrogenation treatment. Thus, an interlayer insulating layer 417 including a stack of an interlayer insulating layer 417a having an oxygen excess region and an interlayer insulating layer 417b is formed (see FIG. 2E).

酸素454には、少なくとも、酸素ラジカル、オゾン、酸素原子、酸素イオン(分子イオン、クラスタイオンを含む)、のいずれかが含まれている。脱水化又は脱水素化処理を行った層間絶縁層に酸素ドープ処理を行うことにより、層間絶縁層中に酸素を含有させることができ、先の熱処理によって脱離することのある酸素を補填するとともに、酸素過剰領域を形成することができる。 The oxygen 454 contains at least one of oxygen radicals, ozone, oxygen atoms, and oxygen ions (including molecular ions and cluster ions). By performing oxygen doping treatment on the interlayer insulating layer that has been subjected to dehydration or dehydrogenation treatment, oxygen can be included in the interlayer insulating layer, and oxygen that may be released by the previous heat treatment is compensated. , An oxygen-excess region can be formed.

層間絶縁層427aへの酸素454の導入は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理等を用いることができる。なお、イオン注入法として、ガスクラスタイオンビームを用いてもよい。また、酸素454の導入は、基板400の全面を一度に処理してもよいし、例えば、線状のイオンビームを用いてもよい。線状のイオンビームを用いる場合には、基板又はイオンビームを相対的に移動(スキャン)させることで、層間絶縁層427a全面に酸素454を導入することができる。 For the introduction of the oxygen 454 into the interlayer insulating layer 427a, for example, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, a plasma treatment, or the like can be used. A gas cluster ion beam may be used as the ion implantation method. In addition, the introduction of oxygen 454 may be performed on the entire surface of the substrate 400 at a time, or for example, a linear ion beam may be used. In the case of using a linear ion beam, oxygen 454 can be introduced to the entire surface of the interlayer insulating layer 427a by relatively moving (scanning) the substrate or the ion beam.

酸素454の供給ガスとしては、Oを含有するガスを用いればよく、例えば、Oガス、NOガス、COガス、COガス、NOガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス(例えばAr)を含有させてもよい。 As a supply gas of oxygen 454, a gas containing O may be used. For example, O 2 gas, N 2 O gas, CO 2 gas, CO gas, NO 2 gas, or the like can be used. Note that a rare gas (eg, Ar) may be included in the oxygen supply gas.

また、例えば、イオン注入法で酸素の導入を行う場合、酸素454のドーズ量は1×1013ions/cm以上5×1016ions/cm以下とするのが好ましく、酸素ドープ処理後の層間絶縁層417a中の酸素の含有量は、層間絶縁層417aの化学量論的組成比を超える程度とするのが好ましい。なお、このような化学量論的組成比よりも酸素を過剰に含む領域は、層間絶縁層417aの一部に存在していればよい。なお、酸素の注入深さは、注入条件により適宜制御すればよい。 For example, when oxygen is introduced by an ion implantation method, the dose of oxygen 454 is preferably 1 × 10 13 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less. The oxygen content in the interlayer insulating layer 417a is preferably higher than the stoichiometric composition ratio of the interlayer insulating layer 417a. Note that the region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio only needs to exist in part of the interlayer insulating layer 417a. Note that the depth of oxygen implantation may be appropriately controlled depending on the implantation conditions.

なお、層間絶縁層417aとして酸化窒化物絶縁層(例えば、酸化窒化シリコン膜)を用いる場合、該酸化窒化物絶縁層において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化窒化物絶縁層中の酸素濃度を、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化窒化物絶縁層に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。 Note that in the case where an oxynitride insulating layer (eg, a silicon oxynitride film) is used as the interlayer insulating layer 417a, oxygen is one of main component materials in the oxynitride insulating layer. Therefore, it is difficult to accurately estimate the oxygen concentration in the oxynitride insulating layer by using a method such as SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). That is, it can be said that it is difficult to determine whether oxygen is intentionally added to the oxynitride insulating layer.

ところで、酸素には17Oや18Oといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の0.038%、0.2%程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体層と接する絶縁層中(本実施の形態においては、層間絶縁層)におけるこれら同位体の濃度は、SIMSなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層と接する絶縁層中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層と接する絶縁層に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。 By the way, it is known that oxygen has isotopes such as 17 O and 18 O, and their abundance ratios in the natural world are about 0.038% and 0.2% of the whole oxygen atom, respectively. In other words, the concentration of these isotopes in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer (the interlayer insulating layer in this embodiment) can be estimated by a method such as SIMS. Thus, the oxygen concentration in the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer may be able to be estimated more accurately. Therefore, by measuring these concentrations, it may be determined whether oxygen is intentionally added to the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer.

なお、層間絶縁層427aへの酸素454の導入を行う前に、層間絶縁層427aに対して窒素を導入する処理を行ってもよい。層間絶縁層427aに導入された窒素は、膜中において酸素454と結合しうる。よって、酸素454の導入効率を向上させることができる。層間絶縁層427aに対して酸素ドープ処理を行う前に、窒素ドープ処理を行う場合には、該層間絶縁層427aとして、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜等の酸化物絶縁層を用いることもできる。 Note that treatment for introducing nitrogen into the interlayer insulating layer 427a may be performed before introducing oxygen 454 to the interlayer insulating layer 427a. Nitrogen introduced into the interlayer insulating layer 427a can be combined with oxygen 454 in the film. Therefore, the introduction efficiency of oxygen 454 can be improved. In the case where nitrogen doping is performed before oxygen doping is performed on the interlayer insulating layer 427a, an oxide insulating layer such as a silicon oxide film, a gallium oxide film, or an aluminum oxide film is used as the interlayer insulating layer 427a. You can also.

以上の工程によって、本実施の形態のトランジスタ420が形成される。 Through the above process, the transistor 420 of this embodiment is formed.

酸化物半導体層の酸素欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物半導体層の酸素欠損は、一部がドナーとなりキャリアである電子を放出する。この結果、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。しかしながら本実施の形態で示すトランジスタは、酸化物半導体層と接する層間絶縁層が、酸素過剰領域を有することで、該絶縁層による酸化物半導体層からの酸素の引き抜きを抑制又は防止することが可能となるため、酸化物半導体層における酸素欠損の発生を抑制することができる。よって、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体層の酸素欠損密度を低減することができる。 Charges may be generated due to oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer. In general, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer partly serve as donors and emit electrons as carriers. As a result, the threshold voltage of the transistor shifts in the negative direction. However, in the transistor described in this embodiment, the interlayer insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer has an oxygen-excess region, so that oxygen extraction from the oxide semiconductor layer by the insulating layer can be suppressed or prevented. Therefore, generation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be suppressed. Therefore, the oxygen deficiency density of the oxide semiconductor layer, which is a factor for shifting the threshold voltage in the negative direction, can be reduced.

層間絶縁層417aに含まれる過剰な酸素は、トランジスタの作製工程における熱処理によって、層間絶縁層417aに接する酸化物半導体層403へと供給されうる。したがって、トランジスタ420において、層間絶縁層417aと酸化物半導体層403との界面、又は酸化物半導体層403中(バルク中)の少なくとも一部において、酸素過剰領域が形成されることがある。なお、層間絶縁層417aから酸化物半導体層403への酸素の供給を目的とした熱処理工程を設けてもよい。 Excess oxygen contained in the interlayer insulating layer 417a can be supplied to the oxide semiconductor layer 403 in contact with the interlayer insulating layer 417a by heat treatment in the manufacturing process of the transistor. Therefore, in the transistor 420, an oxygen-excess region may be formed at the interface between the interlayer insulating layer 417a and the oxide semiconductor layer 403 or at least part of the oxide semiconductor layer 403 (in the bulk). Note that a heat treatment step for supplying oxygen from the interlayer insulating layer 417a to the oxide semiconductor layer 403 may be provided.

酸化物半導体を用いたトランジスタの場合、層間絶縁層から酸化物半導体層に酸素が供給されることで、酸化物半導体層と層間絶縁層との界面準位密度を低減できる。この結果、トランジスタの動作などに起因して、酸化物半導体層と層間絶縁層との界面にキャリアが捕獲されることを抑制することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。 In the case of a transistor including an oxide semiconductor, oxygen is supplied from the interlayer insulating layer to the oxide semiconductor layer, whereby the interface state density between the oxide semiconductor layer and the interlayer insulating layer can be reduced. As a result, carriers can be prevented from being trapped at the interface between the oxide semiconductor layer and the interlayer insulating layer due to the operation of the transistor, and a highly reliable transistor can be obtained.

また、本実施の形態のトランジスタ420においては、酸素過剰領域を有する層間絶縁層が酸化物半導体層上に位置するため、酸化物半導体層の側面及び上面からの酸素の脱離を防止することが可能である。 In the transistor 420 of this embodiment, since the interlayer insulating layer having an oxygen-excess region is located over the oxide semiconductor layer, oxygen can be prevented from being released from the side surface and the top surface of the oxide semiconductor layer. Is possible.

また、酸化物半導体層と接する層間絶縁層に含まれる過剰な酸素は、酸化物半導体層中の水素を引き抜く効果も奏する。よって、酸化物半導体層中のキャリア濃度をより低減させることができるため、層間絶縁層417aを設けることでしきい値電圧の変動が低減された信頼性の高いトランジスタを提供することが可能となる。 In addition, excess oxygen contained in the interlayer insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer also has an effect of extracting hydrogen in the oxide semiconductor layer. Thus, the carrier concentration in the oxide semiconductor layer can be further reduced; thus, by providing the interlayer insulating layer 417a, a highly reliable transistor in which variation in threshold voltage is reduced can be provided. .

なお、本実施の形態において、層間絶縁層417は、層間絶縁層417aと層間絶縁層417bの積層構造を含む。ここで、層間絶縁層417は、少なくとも酸化物半導体層と接する絶縁層である層間絶縁層417aとして、酸素過剰領域を有し、窒素を含有する絶縁層を含んでいればよく、層間絶縁層417bは必ずしも酸素過剰領域を有さなくてもよい。但し、本実施の形態においては、層間絶縁層417bを介して層間絶縁層417aへ酸素ドープ処理を行うため、層間絶縁層417aへの酸素ドープ処理によって層間絶縁層417bも同様に酸素過剰領域を有する膜となり得る。なお、層間絶縁層417aへの酸素ドープ処理は、層間絶縁層417aの脱水化又は脱水素化処理後であって、層間絶縁層417bの成膜前に行ってもよい。又は、層間絶縁層417bへの酸素ドープ処理を目的とした工程を別途設けてもよい。 Note that in this embodiment, the interlayer insulating layer 417 includes a stacked structure of an interlayer insulating layer 417a and an interlayer insulating layer 417b. Here, the interlayer insulating layer 417 only needs to include an oxygen-excess region and an insulating layer containing nitrogen as the interlayer insulating layer 417a that is at least an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer. Does not necessarily have an oxygen-excess region. However, in this embodiment, since the interlayer insulating layer 417a is subjected to oxygen doping treatment through the interlayer insulating layer 417b, the interlayer insulating layer 417b similarly has an oxygen-excess region by oxygen doping treatment to the interlayer insulating layer 417a. Can be a membrane. Note that the oxygen doping treatment on the interlayer insulating layer 417a may be performed after the dehydration or dehydrogenation treatment of the interlayer insulating layer 417a and before the formation of the interlayer insulating layer 417b. Alternatively, a process for the purpose of oxygen doping treatment for the interlayer insulating layer 417b may be separately provided.

また、層間絶縁層への、脱水化又は脱水素化処理及び/又は酸素ドープ処理は、複数回行ってもよい。 Further, the dehydration or dehydrogenation treatment and / or the oxygen doping treatment on the interlayer insulating layer may be performed a plurality of times.

なお、図示しないが、トランジスタ420上に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル、ポリイミドアミド、ジンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等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)等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層を複数積層させることで平坦化絶縁層を形成してもよい。 Note that although not illustrated, a planarization insulating layer for planarization may be provided over the transistor 420. As the planarization insulating layer, a heat-resistant organic material such as polyimide, acrylic, polyimide amide, ginzocyclobutene, polyamide, or epoxy can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane-based resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus glass), or the like can be used. Note that the planarization insulating layer may be formed by stacking a plurality of insulating layers formed using these materials.

また、トランジスタ420を形成後、さらに大気中で、100℃以上400℃以下の熱処理を行ってもよい。この熱処理は、一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上400℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回繰り返して行ってもよい。また、この熱処理を、減圧下で行ってもよい。減圧下で熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。この熱処理よって、層間絶縁層417a含まれる酸素を酸化物半導体層403へ供給しうるため、半導体装置の信頼性を向上することができる。 Further, after the transistor 420 is formed, heat treatment at 100 ° C to 400 ° C may be performed in the air. This heat treatment may be performed while maintaining a constant heating temperature, and is performed by repeatedly raising the temperature from room temperature to a heating temperature of 100 ° C. to 400 ° C. and lowering the temperature from the heating temperature to room temperature a plurality of times. May be. Further, this heat treatment may be performed under reduced pressure. When heat treatment is performed under reduced pressure, the heating time can be shortened. By this heat treatment, oxygen contained in the interlayer insulating layer 417a can be supplied to the oxide semiconductor layer 403, whereby the reliability of the semiconductor device can be improved.

本実施の形態で示す半導体装置は、酸化物半導体層403に接して設けられる層間絶縁層417aへ酸素ドープ処理を行う。該層間絶縁層417aは、組成として窒素を含有する絶縁層であり、導入された酸素を効果的に膜中にとどまらせることが可能である。また、該絶縁層は、脱水化又は脱水素化処理によって、不純物である水又は水素を可能な限り除去した膜である。酸化物半導体層403に接して水及び水素の含有量を低減し、且つ酸素の含有量を増加させた層間絶縁層417aを形成することで、酸化物半導体層403への水及び水素の混入を抑制しつつ、酸化物半導体層403からの酸素の脱離を抑制することが可能となる。 In the semiconductor device described in this embodiment, oxygen doping treatment is performed on the interlayer insulating layer 417 a provided in contact with the oxide semiconductor layer 403. The interlayer insulating layer 417a is an insulating layer containing nitrogen as a composition, and can effectively introduce introduced oxygen into the film. The insulating layer is a film in which water or hydrogen which is an impurity is removed as much as possible by dehydration or dehydrogenation treatment. By forming the interlayer insulating layer 417a in contact with the oxide semiconductor layer 403 so that the content of water and hydrogen is reduced and the content of oxygen is increased, water and hydrogen are mixed into the oxide semiconductor layer 403. Oxygen desorption from the oxide semiconductor layer 403 can be suppressed while being suppressed.

これによって、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体層の酸素欠損密度を低減することができるため、トランジスタ420のしきい値電圧のバラツキを低減することができるとともに、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。また、トランジスタ420のサブスレッショルド値(S値)を低減させることができる。 Accordingly, the oxygen deficiency density of the oxide semiconductor layer, which is a factor that shifts the threshold voltage in the negative direction, can be reduced, so that variation in the threshold voltage of the transistor 420 can be reduced, and A normally-off transistor can be realized. Further, the subthreshold value (S value) of the transistor 420 can be reduced.

また、本実施の形態で示す半導体装置は、酸素ドープ処理を酸化物半導体層403の上層に接する層間絶縁層417に対して行うため、酸化物半導体層403へ直接酸素ドープ処理を行う場合と比較して、酸化物半導体層403の膜質及び/又は結晶性を向上させることができる。特に、酸化物半導体層403がCAAC−OS膜である場合に、該CAAC−OS膜へ酸素ドープ処理を行うと結晶性が損なわれる場合があるため、本実施の形態で示す半導体装置の作製方法を適用することは有効である。 Further, in the semiconductor device described in this embodiment, oxygen doping treatment is performed on the interlayer insulating layer 417 that is in contact with the upper layer of the oxide semiconductor layer 403. Therefore, the oxygen doping treatment is directly performed on the oxide semiconductor layer 403. Thus, the film quality and / or crystallinity of the oxide semiconductor layer 403 can be improved. In particular, in the case where the oxide semiconductor layer 403 is a CAAC-OS film, crystallinity may be impaired when oxygen doping treatment is performed on the CAAC-OS film; thus, a method for manufacturing the semiconductor device described in this embodiment It is effective to apply

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
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他の一形態を、図3及び図4を用いて説明する。なお、上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分および工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, another embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS. Note that the same portions as those in the above embodiment or portions and processes having similar functions can be performed in the same manner as in the above embodiment, and repeated description is omitted. Detailed descriptions of the same parts are omitted.

図3にトランジスタ430の構成例を示す。図3(A)は、トランジスタ430の平面図であり、図3(B)は、図3(A)のX2−Y2における断面図であり、図3(C)は、図3(A)のV2−W2における断面図である。なお、図3(A)では煩雑になることを避けるため、トランジスタ430の構成要素の一部(例えば、層間絶縁層407等)を省略して図示している。 FIG. 3 illustrates a configuration example of the transistor 430. 3A is a plan view of the transistor 430, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line X2-Y2 of FIG. 3A, and FIG. 3C is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing in V2-W2. Note that in FIG. 3A, some components (for example, the interlayer insulating layer 407 and the like) are not illustrated in order to avoid complexity.

図3に示すトランジスタ430は、基板400上に設けられたゲート電極層401と、ゲート電極層401上に設けられたゲート絶縁層412と、ゲート絶縁層412を介してゲート電極層401と重畳する酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403と電気的に接続するソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを覆い、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層407と、を含んで構成される。 3 overlaps with the gate electrode layer 401 with the gate electrode layer 401 provided over the substrate 400, the gate insulating layer 412 provided over the gate electrode layer 401, and the gate insulating layer 412 interposed therebetween. The oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b that are electrically connected to the oxide semiconductor layer 403, and the interlayer insulating film that covers the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b and is in contact with the oxide semiconductor layer 403 And a layer 407.

本実施の形態で示すトランジスタ430は、ゲート電極層401側から順に、ゲート絶縁層412a及びゲート絶縁層412bが積層されたゲート絶縁層412と、酸化物半導体層403側から順に、層間絶縁層407a及び層間絶縁層407bが積層された層間絶縁層407と、を含む。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、ゲート絶縁層及び層間絶縁層はそれぞれ単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造としてもよい。 A transistor 430 described in this embodiment includes a gate insulating layer 412 in which a gate insulating layer 412a and a gate insulating layer 412b are stacked in this order from the gate electrode layer 401 side, and an interlayer insulating layer 407a in order from the oxide semiconductor layer 403 side. And an interlayer insulating layer 407 in which an interlayer insulating layer 407b is stacked. Note that the embodiment of the present invention is not limited to this, and the gate insulating layer and the interlayer insulating layer may each have a single-layer structure or a stacked structure including three or more layers.

本実施の形態で示すトランジスタ430において、酸化物半導体層403と接するゲート絶縁層412は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である。より具体的には、ゲート絶縁層412を形成する積層構造のうち、少なくとも酸化物半導体層403と接するゲート絶縁層412bは、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層とする。本実施の形態では、ゲート絶縁層402aとして、窒化シリコン膜を用い、ゲート絶縁層412bとして酸素過剰領域を有する酸化窒化シリコン膜を用いるものとする。 In the transistor 430 described in this embodiment, the gate insulating layer 412 in contact with the oxide semiconductor layer 403 is an insulating layer having a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio and containing nitrogen. . More specifically, in the stacked structure in which the gate insulating layer 412 is formed, at least the gate insulating layer 412b in contact with the oxide semiconductor layer 403 includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio. In addition, an insulating layer containing nitrogen is used. In this embodiment, a silicon nitride film is used as the gate insulating layer 402a, and a silicon oxynitride film having an oxygen-excess region is used as the gate insulating layer 412b.

以下、図4を用いて本実施の形態のトランジスタ430の作製方法の一例を説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the transistor 430 of this embodiment will be described with reference to FIGS.

絶縁表面を有する基板400上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層401を形成する。次に、ゲート電極層401上にゲート絶縁層412a及びゲート絶縁層412bを順に形成する(図4(A)参照)。ゲート絶縁層412aの材料又は膜厚等は、実施の形態1のゲート絶縁層402aと同様とすることができる。 A conductive film is formed over the substrate 400 having an insulating surface, and the conductive film is etched, so that the gate electrode layer 401 is formed. Next, a gate insulating layer 412a and a gate insulating layer 412b are formed in order over the gate electrode layer 401 (see FIG. 4A). The material, film thickness, and the like of the gate insulating layer 412a can be the same as those of the gate insulating layer 402a in Embodiment 1.

ゲート絶縁層422bの材料としては、組成として窒素を含有する絶縁層、好ましくは組成として窒素を含有する酸化物絶縁層を用いるものとする。例えば、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などの無機絶縁層を用いることができる。また、ゲート絶縁層422bの膜厚は、1nm以上20nm以下とすることが好ましい。 As a material of the gate insulating layer 422b, an insulating layer containing nitrogen as a composition, preferably an oxide insulating layer containing nitrogen as a composition is used. For example, an inorganic insulating layer such as a silicon oxynitride film or a silicon nitride oxide film can be used. The thickness of the gate insulating layer 422b is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm.

次いで、ゲート絶縁層402に対して、水素原子の除去を目的とした熱処理(脱水化又は脱水素化処理)を行うことが好ましい。熱処理によって、ゲート絶縁層402の脱水化または脱水素化を行うことができ、トランジスタの特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が排除されたゲート絶縁層402を形成することができる。 Next, heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) for removing hydrogen atoms is preferably performed on the gate insulating layer 402. By the heat treatment, the gate insulating layer 402 can be dehydrated or dehydrogenated, and the gate insulating layer 402 from which impurities such as hydrogen or water which cause a change in characteristics of the transistor are excluded can be formed.

次いで、ゲート絶縁層412bに酸素に対して、酸素452を導入する処理(酸素ドープ処理や、酸素注入処理ともいう)を行う。これによって、酸素過剰領域を有するゲート絶縁層412bと、ゲート絶縁層412aの積層からなるゲート絶縁層412が形成される(図4(B)参照)。酸素452を導入する処理の詳細は、実施の形態1の酸素454を導入する処理と同様に行うことができる。 Next, treatment for introducing oxygen 452 to oxygen into the gate insulating layer 412b (also referred to as oxygen doping treatment or oxygen implantation treatment) is performed. Thus, a gate insulating layer 412 having a stack of the gate insulating layer 412b having an oxygen excess region and the gate insulating layer 412a is formed (see FIG. 4B). The details of the treatment for introducing oxygen 452 can be performed in the same manner as the treatment for introducing oxygen 454 in Embodiment 1.

なお、ゲート絶縁層への、脱水化又は脱水素化処理及び/又は酸素ドープ処理は、複数回行ってもよい。 Note that dehydration or dehydrogenation treatment and / or oxygen doping treatment on the gate insulating layer may be performed a plurality of times.

なお、本実施の形態において、ゲート絶縁層412は、ゲート絶縁層412aとゲート絶縁層412bの積層構造を含む。ここで、ゲート絶縁層412は、少なくとも酸化物半導体層と接する絶縁層であるゲート絶縁層412bとして、酸素過剰領域を有し、窒素を含有する絶縁層を含んでいればよく、ゲート絶縁層412aは必ずしも酸素過剰領域を有さなくてもよい。但し、ゲート絶縁層412bへの酸素ドープ処理によってゲート絶縁層412aも同様に酸素過剰領域を有する膜となり得る。又は、ゲート絶縁層412aへの酸素ドープ処理を目的とした工程を別途設けてもよい。 Note that in this embodiment, the gate insulating layer 412 includes a stacked structure of a gate insulating layer 412a and a gate insulating layer 412b. Here, the gate insulating layer 412 only needs to include an oxygen-excess region and an insulating layer containing nitrogen as the gate insulating layer 412b which is an insulating layer in contact with at least the oxide semiconductor layer. Does not necessarily have an oxygen-excess region. However, the gate insulating layer 412a can also be a film having an oxygen-excess region by oxygen doping treatment of the gate insulating layer 412b. Alternatively, a process for the purpose of oxygen doping treatment of the gate insulating layer 412a may be additionally provided.

次いで、実施の形態1と同様に、ゲート絶縁層402上に酸化物半導体層を成膜する。 Next, as in Embodiment 1, an oxide semiconductor layer is formed over the gate insulating layer 402.

酸化物半導体層を成膜後、当該酸化物半導体層に含まれる過剰な水素(水や水酸基を含む)を低減、より好ましくは除去(脱水化又は脱水素化)するための熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。 After the oxide semiconductor layer is formed, heat treatment for reducing, more preferably removing (dehydrating or dehydrogenating) excess hydrogen (including water and hydroxyl groups) contained in the oxide semiconductor layer may be performed. preferable. The heat treatment temperature is set to be 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower or lower than the strain point of the substrate. The heat treatment can be performed under reduced pressure or a nitrogen atmosphere.

この熱処理によって、n型の導電性を付与する不純物である水素を酸化物半導体から低減又は除去することができる。また、この熱処理によって、ゲート絶縁層402に含まれる酸素が酸化物半導体層へと供給されうる。酸化物半導体層の脱水化又は脱水素化処理によって同時に脱離する酸素をゲート絶縁層402から供給することによって、酸化物半導体層の酸素欠損を補填することが可能である。 By this heat treatment, hydrogen which is an impurity imparting n-type conductivity can be reduced or removed from the oxide semiconductor. Further, by this heat treatment, oxygen contained in the gate insulating layer 402 can be supplied to the oxide semiconductor layer. By supplying oxygen from the gate insulating layer 402 which is simultaneously desorbed by dehydration or dehydrogenation of the oxide semiconductor layer, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be filled.

なお、酸化物半導体層の脱水化又は脱水素化のための熱処理を、島状の酸化物半導体層403への加工前に行うと、ゲート絶縁層402に含まれる酸素が熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。 Note that when heat treatment for dehydration or dehydrogenation of the oxide semiconductor layer is performed before the island-shaped oxide semiconductor layer 403 is processed, oxygen contained in the gate insulating layer 402 is released by the heat treatment. Can be prevented, which is preferable.

脱水化又は脱水素化のための熱処理は、トランジスタ430の作製工程の他の加熱処理と兼ねてもよい。 The heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be combined with another heat treatment in the manufacturing process of the transistor 430.

熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、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。 In the heat treatment, it is preferable that water or hydrogen is not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably Is preferably 0.1 ppm or less).

また、熱処理で酸化物半導体層を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は二窒化酸素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガス又は二窒化酸素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的にi型(真性)化することができる。 In addition, after the oxide semiconductor layer is heated by heat treatment, a high-purity oxygen gas, a high-purity oxygen dinitride gas, or ultra-dry air (CRDS) is maintained in the same furnace while maintaining the heating temperature or gradually cooling from the heating temperature. (Cavity Ring Down Laser Spectroscopy) The amount of water when measured using a dew point meter is 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less) Also good. It is preferable that water, hydrogen, or the like be not contained in the oxygen gas or the oxygen dinitride gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or oxygen dinitride gas introduced into the heat treatment apparatus is 6 N or more, preferably 7 N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or oxygen dinitride gas is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less). It is preferable to do. By supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been simultaneously reduced by the process of removing impurities by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or oxygen dinitride gas, the oxide The semiconductor layer can be highly purified and electrically i-type (intrinsic).

次いで、酸化物半導体層を島状の酸化物半導体層403へと加工した後、酸化物半導体層403上にソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する(図4(C)参照)。 Next, after the oxide semiconductor layer is processed into the island-shaped oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are formed over the oxide semiconductor layer 403 (see FIG. 4C).

次いで、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを覆い、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層407a及び層間絶縁層407bを順に積層し、層間絶縁層407を形成する(図4(D)参照)。 Next, the interlayer insulating layer 407 is formed in order by covering the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b and sequentially stacking the interlayer insulating layer 407a and the interlayer insulating layer 407b in contact with the oxide semiconductor layer 403 (see FIG. 4D). .

層間絶縁層407aの材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。また、層間絶縁層407bは、実施の形態1の層間絶縁層417bと同様の構成とすることができる。 As a material of the interlayer insulating layer 407a, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used. The interlayer insulating layer 407b can have a structure similar to that of the interlayer insulating layer 417b in Embodiment 1.

なお、層間絶縁層407aは、酸化物半導体層403と接する絶縁層であるため、可能な限り水、水素などの不純物が含まれないことが好ましい。よって、成膜後の層間絶縁層407aに対して、水素原子の除去を目的とした熱処理(脱水化又は脱水素化処理)を行うことが好ましい。 Note that since the interlayer insulating layer 407a is an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 403, it is preferable that impurities such as water and hydrogen are not contained as much as possible. Therefore, it is preferable to perform heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) for the purpose of removing hydrogen atoms on the interlayer insulating layer 407a after film formation.

以上の工程によって、本実施の形態のトランジスタ430が形成される。 Through the above process, the transistor 430 of this embodiment is formed.

本実施の形態で示す半導体装置は、酸化物半導体層403に接して設けられるゲート絶縁層412bへ酸素ドープ処理を行う。該ゲート絶縁層412bは、組成として窒素を含有する絶縁層であり、導入された酸素を効果的に膜中にとどまらせることが可能である。また、該絶縁層は、脱水化又は脱水素化処理によって、不純物である水又は水素を可能な限り除去した膜である。酸化物半導体層403に接して水及び水素の含有量を低減し、且つ酸素の含有量を増加させたゲート絶縁層412bを形成することで、酸化物半導体層403への水及び水素の混入を抑制しつつ、酸化物半導体層403からの酸素の脱離を抑制することが可能となる。 In the semiconductor device described in this embodiment, oxygen doping treatment is performed on the gate insulating layer 412b provided in contact with the oxide semiconductor layer 403. The gate insulating layer 412b is an insulating layer containing nitrogen as a composition, and can effectively introduce introduced oxygen into the film. The insulating layer is a film in which water or hydrogen which is an impurity is removed as much as possible by dehydration or dehydrogenation treatment. By forming the gate insulating layer 412b in contact with the oxide semiconductor layer 403 while reducing the content of water and hydrogen and increasing the content of oxygen, water and hydrogen are mixed into the oxide semiconductor layer 403. Oxygen desorption from the oxide semiconductor layer 403 can be suppressed while being suppressed.

これによって、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体層の酸素欠損密度を低減することができるため、トランジスタ430のしきい値電圧のバラツキを低減することができるとともに、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。また、トランジスタ430のサブスレッショルド値(S値)を低減させることができる。 Accordingly, the oxygen deficiency density of the oxide semiconductor layer, which is a factor that shifts the threshold voltage in the negative direction, can be reduced, so that variation in threshold voltage of the transistor 430 can be reduced, and A normally-off transistor can be realized. Further, the subthreshold value (S value) of the transistor 430 can be reduced.

また、本実施の形態で示す半導体装置は、酸素ドープ処理を酸化物半導体層403の下層に接するゲート絶縁層412に対して行うため、酸化物半導体層403へ直接酸素ドープ処理を行う場合と比較して、酸化物半導体層403の膜質及び/又は結晶性を向上させることができる。特に、酸化物半導体層403がCAAC−OS膜である場合に、該CAAC−OS膜へ酸素ドープ処理を行うと結晶性が損なわれる場合があるため、本実施の形態で示す半導体装置の作製方法を適用することは有効である。 Further, in the semiconductor device described in this embodiment, oxygen doping treatment is performed on the gate insulating layer 412 that is in contact with the lower layer of the oxide semiconductor layer 403. Therefore, the oxygen doping treatment is directly performed on the oxide semiconductor layer 403. Thus, the film quality and / or crystallinity of the oxide semiconductor layer 403 can be improved. In particular, in the case where the oxide semiconductor layer 403 is a CAAC-OS film, crystallinity may be impaired when oxygen doping treatment is performed on the CAAC-OS film; thus, a method for manufacturing the semiconductor device described in this embodiment It is effective to apply

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、半導体装置の他の一形態を、図5を用いて説明する。なお、上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分および工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, another embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS. Note that the same portions as those in the above embodiment or portions and processes having similar functions can be performed in the same manner as in the above embodiment, and repeated description is omitted. Detailed descriptions of the same parts are omitted.

図5にトランジスタ440の構成例を示す。図5(A)は、トランジスタ440の平面図であり、図5(B)は、図5(A)のX3−Y3における断面図であり、図5(C)は、図5(A)のV3−W3における断面図である。なお、図5(A)では煩雑になることを避けるため、トランジスタ440の構成要素の一部(例えば、層間絶縁層417等)を省略して図示している。 FIG. 5 illustrates a configuration example of the transistor 440. 5A is a plan view of the transistor 440, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line X3-Y3 in FIG. 5A, and FIG. 5C is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing in V3-W3. Note that in FIG. 5A, some components (for example, the interlayer insulating layer 417 and the like) are not illustrated in order to avoid complexity.

図5に示すトランジスタ440は、基板400上に設けられたゲート電極層401と、ゲート電極層401上に設けられたゲート絶縁層412と、ゲート絶縁層412を介してゲート電極層401と重畳する酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403と電気的に接続するソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを覆い、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417と、を含んで構成される。 A transistor 440 illustrated in FIG. 5 overlaps with the gate electrode layer 401 provided over the substrate 400, the gate insulating layer 412 provided over the gate electrode layer 401, and the gate electrode layer 401 with the gate insulating layer 412 interposed therebetween. The oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b that are electrically connected to the oxide semiconductor layer 403, and the interlayer insulating film that covers the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b and is in contact with the oxide semiconductor layer 403 And a layer 417.

本実施の形態で示すトランジスタ430は、ゲート電極層401側から順に、ゲート絶縁層412a及びゲート絶縁層412bが積層されたゲート絶縁層412と、酸化物半導体層403側から順に、層間絶縁層417a及び層間絶縁層417bが積層された層間絶縁層417と、を含む。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、ゲート絶縁層及び層間絶縁層はそれぞれ単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造としてもよい。 A transistor 430 described in this embodiment includes a gate insulating layer 412 in which a gate insulating layer 412a and a gate insulating layer 412b are stacked in this order from the gate electrode layer 401 side, and an interlayer insulating layer 417a in order from the oxide semiconductor layer 403 side. And an interlayer insulating layer 417 in which an interlayer insulating layer 417b is stacked. Note that the embodiment of the present invention is not limited to this, and the gate insulating layer and the interlayer insulating layer may each have a single-layer structure or a stacked structure including three or more layers.

本実施の形態で示すトランジスタ440において、酸化物半導体層403と接するゲート絶縁層412は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である。より具体的には、ゲート絶縁層412を形成する積層構造のうち、少なくとも酸化物半導体層403と接するゲート絶縁層412bは、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層とする。本実施の形態では、ゲート絶縁層402aとして、窒化シリコン膜を用い、ゲート絶縁層412bとして酸素過剰領域を有する酸化窒化シリコン膜を用いるものとする。 In the transistor 440 described in this embodiment, the gate insulating layer 412 in contact with the oxide semiconductor layer 403 has a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio and is an insulating layer containing nitrogen. . More specifically, in the stacked structure in which the gate insulating layer 412 is formed, at least the gate insulating layer 412b in contact with the oxide semiconductor layer 403 includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio. In addition, an insulating layer containing nitrogen is used. In this embodiment, a silicon nitride film is used as the gate insulating layer 402a, and a silicon oxynitride film having an oxygen-excess region is used as the gate insulating layer 412b.

また、本実施の形態で示すトランジスタ440において、酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417は、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層である。より具体的には、層間絶縁層417を形成する積層構造のうち、少なくとも酸化物半導体層403と接する層間絶縁層417aは、化学量論的組成比よりも過剰に酸素を含む領域を有し、且つ窒素を含有する絶縁層とする。本実施の形態では、層間絶縁層417aとして、酸素過剰領域を有する酸化窒化シリコン膜を用い、層間絶縁層417bとして酸化アルミニウム膜を用いるものとする。 In the transistor 440 described in this embodiment, the interlayer insulating layer 417 in contact with the oxide semiconductor layer 403 includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio and containing nitrogen. It is. More specifically, in the stacked structure in which the interlayer insulating layer 417 is formed, at least the interlayer insulating layer 417a in contact with the oxide semiconductor layer 403 includes a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition ratio. In addition, an insulating layer containing nitrogen is used. In this embodiment, a silicon oxynitride film having an oxygen-excess region is used as the interlayer insulating layer 417a, and an aluminum oxide film is used as the interlayer insulating layer 417b.

トランジスタ440の構成及び作製方法の詳細は、実施の形態1及び実施の形態2を参酌することができる。 Embodiments 1 and 2 can be referred to for details of the structure and the manufacturing method of the transistor 440.

本実施の形態で示す半導体装置は、酸化物半導体層403の上層及び下層に接して設けられる絶縁層(ゲート絶縁層412b及び層間絶縁層417a)として、組成として窒素を含有する絶縁層を適用する。また、該絶縁層はそれぞれ酸素ドープ処理を施された膜であり、膜中に含有される窒素によって導入された酸素を効果的に膜中にとどまらせることが可能である。また、該絶縁層は、脱水化又は脱水素化処理によって、不純物である水又は水素を可能な限り除去した膜である。酸化物半導体層403の上下に接して水及び水素の含有量を低減し、且つ酸素の含有量を増加させた絶縁層を形成することで、酸化物半導体層403への水及び水素の混入を抑制しつつ、酸化物半導体層403からの酸素の脱離を抑制することが可能となる。 In the semiconductor device described in this embodiment, an insulating layer containing nitrogen is used as an insulating layer (a gate insulating layer 412b and an interlayer insulating layer 417a) provided in contact with an upper layer and a lower layer of the oxide semiconductor layer 403. . Each of the insulating layers is a film subjected to oxygen doping treatment, and oxygen introduced by nitrogen contained in the film can effectively stay in the film. The insulating layer is a film in which water or hydrogen which is an impurity is removed as much as possible by dehydration or dehydrogenation treatment. By forming an insulating layer in contact with the top and bottom of the oxide semiconductor layer 403 to reduce the content of water and hydrogen and increase the content of oxygen, water and hydrogen are mixed into the oxide semiconductor layer 403. Oxygen desorption from the oxide semiconductor layer 403 can be suppressed while being suppressed.

これによって、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体層の酸素欠損密度を低減することができるため、トランジスタ430のしきい値電圧のバラツキを低減することができるとともに、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。また、トランジスタ440のサブスレッショルド値(S値)を低減させることができる。 Accordingly, the oxygen deficiency density of the oxide semiconductor layer, which is a factor that shifts the threshold voltage in the negative direction, can be reduced, so that variation in threshold voltage of the transistor 430 can be reduced, and A normally-off transistor can be realized. Further, the subthreshold value (S value) of the transistor 440 can be reduced.

また、本実施の形態で示す半導体装置は、酸素ドープ処理を酸化物半導体層403に接する絶縁層に対して行うため、酸化物半導体層403へ直接酸素ドープ処理を行う場合と比較して、酸化物半導体層403の膜質及び/又は結晶性を向上させることができる。特に、酸化物半導体層403がCAAC−OS膜である場合に、該CAAC−OS膜へ酸素ドープ処理を行うと結晶性が損なわれる場合があるため、本実施の形態で示す半導体装置の作製方法を適用することは有効である。 In addition, since the semiconductor device described in this embodiment performs oxygen doping treatment on the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 403, compared with the case where oxygen doping treatment is performed directly on the oxide semiconductor layer 403, oxidation is performed. The film quality and / or crystallinity of the physical semiconductor layer 403 can be improved. In particular, in the case where the oxide semiconductor layer 403 is a CAAC-OS film, crystallinity may be impaired when oxygen doping treatment is performed on the CAAC-OS film; thus, a method for manufacturing the semiconductor device described in this embodiment It is effective to apply

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
実施の形態1乃至3のいずれかに示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置ともいう)を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部又は全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
(Embodiment 4)
A semiconductor device having a display function (also referred to as a display device) can be manufactured using any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3. In addition, part or the whole of a driver circuit including a transistor can be formed over the same substrate as the pixel portion to form a system-on-panel.

図6(A)において、基板4001上に設けられた画素部4002を囲むようにして、シール材4005が設けられ、基板4006によって封止されている。図6(A)においては、基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、ICチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路4004、信号線駆動回路4003が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004又は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC(Flexible printed circuit)4018a、4018bから供給されている。 In FIG. 6A, a sealant 4005 is provided so as to surround a pixel portion 4002 provided over a substrate 4001 and is sealed with the substrate 4006. 6A, a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film is formed over an IC chip or a separately prepared substrate in a region different from the region surrounded by the sealant 4005 over the substrate 4001. A scanning line driver circuit 4004 and a signal line driver circuit 4003 are mounted. In addition, a variety of signals and potentials are supplied to a separately formed signal line driver circuit 4003, the scan line driver circuit 4004, and the pixel portion 4002 from FPCs (Flexible Printed Circuits) 4018a and 4018b.

図6(B)及び図6(C)において、基板4001上に設けられた画素部4002と、走査線駆動回路4004とを囲むようにして、シール材4005が設けられている。また画素部4002と、走査線駆動回路4004の上に基板4006が設けられている。よって画素部4002と、走査線駆動回路4004とは、基板4001とシール材4005と基板4006とによって、表示素子と共に封止されている。図6(B)及び(C)においては、基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、ICチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。図6(B)及び図6(C)においては、別途形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004又は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC4018、4018bから供給されている。 6B and 6C, a sealant 4005 is provided so as to surround the pixel portion 4002 provided over the substrate 4001 and the scan line driver circuit 4004. A substrate 4006 is provided over the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004. Therefore, the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004 are sealed together with the display element by the substrate 4001, the sealant 4005, and the substrate 4006. 6B and 6C, a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor is provided over an IC chip or a separately prepared substrate in a region different from the region surrounded by the sealant 4005 over the substrate 4001. A signal line driver circuit 4003 formed of a film is mounted. 6B and 6C, a variety of signals and potentials are supplied to the signal line driver circuit 4003 which is formed separately, the scan line driver circuit 4004, or the pixel portion 4002 from FPCs 4018 and 4018b. Yes.

また図6(B)及び図6(C)においては、信号線駆動回路4003を別途形成し、基板4001に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部又は走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装してもよい。 6B and 6C illustrate an example in which the signal line driver circuit 4003 is separately formed and mounted on the substrate 4001, the invention is not limited to this structure. The scan line driver circuit may be separately formed and mounted, or only part of the signal line driver circuit or part of the scan line driver circuit may be separately formed and mounted.

なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape Automated Bonding)方法などを用いることができる。図6(A)は、COG方法により信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004を実装する例であり、図6(B)は、COG方法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図6(C)は、TAB方法により信号線駆動回路4003を実装する例である。 Note that a connection method of a driver circuit which is separately formed is not particularly limited, and a COG (Chip On Glass) method, a wire bonding method, a TAB (Tape Automated Bonding) method, or the like can be used. 6A illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 and the scan line driver circuit 4004 are mounted by a COG method, and FIG. 6B illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 is mounted by a COG method. FIG. 6C illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 is mounted by a TAB method.

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。 The display device includes a panel in which the display element is sealed, and a module in which an IC including a controller is mounted on the panel.

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、表示デバイス、もしくは光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPCもしくはTABテープもしくはTCPが取り付けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が設けられたモジュール、又は表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。 Note that a display device in this specification means an image display device, a display device, or a light source (including a lighting device). Further, an IC (integrated circuit) is directly mounted on a connector, for example, a module to which an FPC or TAB tape or TCP is attached, a module in which a printed wiring board is provided at the end of the TAB tape or TCP, or a display element by a COG method. All modules are included in the display device.

また基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態1乃至3のいずれかに示したトランジスタを適用することができる。 The pixel portion and the scan line driver circuit provided over the substrate include a plurality of transistors, and any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3 can be used.

表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう)、発光素子(発光表示素子ともいう)を用いることができる。発光素子は、電流又は電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electro Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。 As a display element provided in the display device, a liquid crystal element (also referred to as a liquid crystal display element) or a light-emitting element (also referred to as a light-emitting display element) can be used. The light-emitting element includes, in its category, an element whose luminance is controlled by current or voltage, and specifically includes inorganic EL (Electro Luminescence), organic EL, and the like. In addition, a display medium whose contrast is changed by an electric effect, such as electronic ink, can be used.

また、半導体装置の一形態について、図6乃至図8を用いて説明する。図8は、図6(B)のM−Nにおける断面図に相当する。 One embodiment of a semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG. 8 corresponds to a cross-sectional view taken along line MN in FIG.

図6及び図8で示すように、半導体装置は接続端子電極4015及び端子電極4016を有しており、接続端子電極4015及び端子電極4016はFPC4018、4018bが有する端子と異方性導電層4019を介して、電気的に接続されている。 6 and 8, the semiconductor device includes a connection terminal electrode 4015 and a terminal electrode 4016. The connection terminal electrode 4015 and the terminal electrode 4016 each include a terminal included in the FPCs 4018 and 4018b and an anisotropic conductive layer 4019. Are electrically connected.

接続端子電極4015は、第1の電極層4034と同じ導電層から形成され、端子電極4016は、トランジスタ4040、4011のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。 The connection terminal electrode 4015 is formed using the same conductive layer as the first electrode layer 4034, and the terminal electrode 4016 is formed using the same conductive layer as the source and drain electrode layers of the transistors 4040 and 4011.

また基板4001上に設けられた画素部4002と、走査線駆動回路4004は、トランジスタを複数有しており、図6及び図8では、画素部4002に含まれるトランジスタ4040と、走査線駆動回路4004に含まれるトランジスタ4011とを例示している。図8(A)では、トランジスタ4040、4011上には絶縁層4030、4032が設けられ、図8(B)では、さらに、絶縁層4021が設けられている。 In addition, the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004 provided over the substrate 4001 include a plurality of transistors. In FIGS. 6 and 8, the transistor 4040 included in the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004 are included. The transistor 4011 included in FIG. 8A, insulating layers 4030 and 4032 are provided over the transistors 4040 and 4011. In FIG. 8B, an insulating layer 4021 is further provided.

トランジスタ4010、4011としては、実施の形態1乃至3のいずれかに示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ420と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ4010、4011は、ボトムゲート構造のトランジスタである。 The transistors described in any of Embodiments 1 to 3 can be used as the transistors 4010 and 4011. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 420 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistors 4010 and 4011 are bottom-gate transistors.

トランジスタ4010、4011は、酸化物半導体層と接する絶縁層である、ゲート絶縁層4020b及び/又は絶縁層4030として、酸素ドープ処理によって酸素過剰領域を形成された絶縁層を適用したトランジスタである。また酸素過剰領域を有する絶縁層は、その組成として窒素を含有する絶縁層である。よって、酸化物半導体層には、トランジスタ4010、4011の特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が混入せず、かつ酸素欠損を補填する酸素が供給されうる。よって、トランジスタ4010、4011は、電気特性変動が抑制されている。 The transistors 4010 and 4011 are transistors in which an insulating layer in which an oxygen-excess region is formed by oxygen doping treatment is used as the gate insulating layer 4020b and / or the insulating layer 4030 which are insulating layers in contact with the oxide semiconductor layer. The insulating layer having an oxygen excess region is an insulating layer containing nitrogen as its composition. Thus, the oxide semiconductor layer can be supplied with oxygen that does not contain impurities such as hydrogen or water that causes characteristics variation of the transistors 4010 and 4011 and fills oxygen vacancies. Therefore, the transistor 4010 and 4011 have suppressed variation in electrical characteristics.

従って、図6及び図8で示す本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ4010、4011を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided as a semiconductor device including the transistors 4010 and 4011 having stable electric characteristics using the oxide semiconductor layer of this embodiment illustrated in FIGS.

また、駆動回路用のトランジスタ4011の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置にさらに導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後におけるトランジスタ4011のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ4011のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第2のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がGND、0V、或いはフローティング状態であってもよい。 Further, a conductive layer may be provided in a position overlapping with a channel formation region of the oxide semiconductor layer of the transistor 4011 for the driver circuit. By providing the conductive layer so as to overlap with the channel formation region of the oxide semiconductor layer, the amount of change in the threshold voltage of the transistor 4011 before and after the bias-thermal stress test (BT test) can be further reduced. In addition, the potential of the conductive layer may be the same as or different from that of the gate electrode layer of the transistor 4011, and the conductive layer can function as a second gate electrode layer. Further, the potential of the conductive layer may be GND, 0 V, or a floating state.

また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部(トランジスタを含む回路部)に作用しないようにする機能(特に静電気に対する静電遮蔽機能)も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。 The conductive layer also has a function of shielding an external electric field, that is, preventing the external electric field from acting on the inside (a circuit portion including a transistor) (particularly, an electrostatic shielding function against static electricity). With the shielding function of the conductive layer, the electrical characteristics of the transistor can be prevented from changing due to the influence of an external electric field such as static electricity.

画素部4002に設けられたトランジスタ4010は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。 A transistor 4010 provided in the pixel portion 4002 is electrically connected to a display element to form a display panel. The display element is not particularly limited as long as display can be performed, and various display elements can be used.

図8(A)に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図8(A)において、表示素子である液晶素子4013は、第1の電極層4034、第2の電極層4031、及び液晶層4008を含む。なお、液晶層4008を挟持するように配向膜として機能する絶縁層4038、4033が設けられている。第2の電極層4031は基板4006側に設けられ、第1の電極層4034と第2の電極層4031とは液晶層4008を介して積層する構成となっている。 FIG. 8A illustrates an example of a liquid crystal display device using a liquid crystal element as a display element. In FIG. 8A, a liquid crystal element 4013 which is a display element includes a first electrode layer 4034, a second electrode layer 4031, and a liquid crystal layer 4008. Note that insulating layers 4038 and 4033 functioning as alignment films are provided so as to sandwich the liquid crystal layer 4008. The second electrode layer 4031 is provided on the substrate 4006 side, and the first electrode layer 4034 and the second electrode layer 4031 are stacked with the liquid crystal layer 4008 interposed therebetween.

またスペーサ4035は絶縁層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4008の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。 The spacer 4035 is a columnar spacer obtained by selectively etching the insulating layer, and is provided for controlling the film thickness (cell gap) of the liquid crystal layer 4008. A spherical spacer may be used.

表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、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(液晶組成物)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。 When a liquid crystal element is used as the display element, a thermotropic liquid crystal, a low molecular liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials (liquid crystal compositions) exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, and the like depending on conditions.

また、液晶層4008に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層4008と、第1の電極層4034及び第2の電極層4031とは接する構造となる。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、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り、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、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。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。 Alternatively, a liquid crystal composition exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used for the liquid crystal layer 4008. In this case, the liquid crystal layer 4008 is in contact with the first electrode layer 4034 and the second electrode layer 4031. The blue phase is one of the liquid crystal phases. When the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased, the blue phase appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase. The blue phase can be expressed using a liquid crystal composition in which a liquid crystal and a chiral agent are mixed. In addition, in order to widen the temperature range in which the blue phase develops, a liquid crystal layer is formed by adding a polymerizable monomer, a polymerization initiator, or the like to the liquid crystal composition that develops the blue phase, and performing a polymer stabilization treatment. You can also. A liquid crystal composition that develops a blue phase has a short response speed and is optically isotropic, so alignment treatment is unnecessary and viewing angle dependency is small. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, a rubbing process is not required, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing process can be prevented, and defects or breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. . Therefore, the productivity of the liquid crystal display device can be improved. In a transistor using an oxide semiconductor layer, the electrical characteristics of the transistor may fluctuate significantly due to the influence of static electricity and deviate from the design range. Therefore, it is more effective to use a liquid crystal composition exhibiting a blue phase for a liquid crystal display device including a transistor including an oxide semiconductor layer.

また、液晶材料の固有抵抗は、1×10Ω・cm以上であり、好ましくは1×1011Ω・cm以上であり、さらに好ましくは1×1012Ω・cm以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、20℃で測定した値とする。 The specific resistance of the liquid crystal material is 1 × 10 9 Ω · cm or more, preferably 1 × 10 11 Ω · cm or more, and more preferably 1 × 10 12 Ω · cm or more. In addition, the value of the specific resistance in this specification shall be the value measured at 20 degreeC.

液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。 The size of the storage capacitor provided in the liquid crystal display device is set so that charges can be held for a predetermined period in consideration of a leakage current of a transistor arranged in the pixel portion. The size of the storage capacitor may be set in consideration of the off-state current of the transistor. By using a transistor including an oxide semiconductor layer disclosed in this specification, a storage capacitor having a capacitance of 1/3 or less, preferably 1/5 or less of the liquid crystal capacitance of each pixel is provided. It is enough.

本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低く制御することができる。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。 In a transistor including an oxide semiconductor layer disclosed in this specification, a current value in an off state (off-state current value) can be controlled low. Therefore, the holding time of an electric signal such as an image signal can be increased, and the writing interval can be set longer in the power-on state. Therefore, since the frequency of the refresh operation can be reduced, there is an effect of suppressing power consumption.

また、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、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ー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。 In addition, a transistor including the oxide semiconductor layer disclosed in this specification can have a relatively high field-effect mobility, and thus can be driven at high speed. For example, by using such a transistor capable of high-speed driving for a liquid crystal display device, the switching transistor in the pixel portion and the driver transistor used in the driver circuit portion can be formed over the same substrate. That is, since it is not necessary to use a semiconductor device formed of a silicon wafer or the like as a separate drive circuit, the number of parts of the semiconductor device can be reduced. In the pixel portion, a high-quality image can be provided by using a transistor that can be driven at high speed.

液晶表示装置には、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる。 The liquid crystal display device includes a TN (Twisted Nematic) mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, an FFS (Fringe Field Switching) mode, an ASM (Axially Symmetrical Micro-cell) mode, and an OCB mode. An FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, an AFLC (Anti Ferroelectric Liquid Crystal) mode, or the like can be used.

また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した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(Advanced Super View)モードなどを用いることができる。また、VA型の液晶表示装置にも適用することができる。VA型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。VA型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素(ピクセル)をいくつかの領域(サブピクセル)に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。 Alternatively, a normally black liquid crystal display device such as a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be used. There are several examples of the vertical alignment mode. For example, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV (Advanced Super View) mode, and the like can be used. The present invention can also be applied to a VA liquid crystal display device. A VA liquid crystal display device is a type of a method for controlling the alignment of liquid crystal molecules of a liquid crystal display panel. The VA liquid crystal display device is a method in which liquid crystal molecules face a vertical direction with respect to a panel surface when no voltage is applied. Further, a method called multi-domain or multi-domain design in which pixels (pixels) are divided into several regions (sub-pixels) and molecules are tilted in different directions can be used.

また、表示装置において、ブラックマトリクス(遮光層)、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)などは適宜設ける。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。 In the display device, a black matrix (light shielding layer), a polarizing member, a retardation member, an optical member (an optical substrate) such as an antireflection member, and the like are provided as appropriate. For example, circularly polarized light using a polarizing substrate and a retardation substrate may be used. Further, a backlight, a sidelight, or the like may be used as the light source.

また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等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、RGB(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、RGBW(Wは白を表す)、又はRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。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。 As a display method in the pixel portion, a progressive method, an interlace method, or the like can be used. In addition, the color elements controlled by the pixels when performing color display are not limited to three colors of RGB (R represents red, G represents green, and B represents blue). For example, there is RGBW (W represents white) or RGB in which one or more colors of yellow, cyan, magenta, etc. are added. The size of the display area may be different for each dot of the color element. Note that the disclosed invention is not limited to a display device for color display, and can be applied to a display device for monochrome display.

また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機EL素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。 In addition, as a display element included in the display device, a light-emitting element utilizing electroluminescence can be used. A light-emitting element using electroluminescence is distinguished depending on whether the light-emitting material is an organic compound or an inorganic compound. Generally, the former is called an organic EL element and the latter is called an inorganic EL element.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア(電子および正孔)が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。本実施の形態では、発光素子として有機EL素子を用いる例を示す。 In the organic EL element, by applying a voltage to the light emitting element, electrons and holes are respectively injected from the pair of electrodes into the layer containing the light emitting organic compound, and a current flows. Then, these carriers (electrons and holes) recombine, whereby the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element. In this embodiment, an example in which an organic EL element is used as a light-emitting element is described.

無機EL素子は、その素子構成により、分散型無機EL素子と薄膜型無機EL素子とに分類される。分散型無機EL素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機EL素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機EL素子を用いて説明する。 Inorganic EL elements are classified into a dispersion-type inorganic EL element and a thin-film inorganic EL element depending on the element structure. The dispersion-type inorganic EL element has a light-emitting layer in which particles of a light-emitting material are dispersed in a binder, and the light emission mechanism is donor-acceptor recombination light emission using a donor level and an acceptor level. The thin-film inorganic EL element has a structure in which a light emitting layer is sandwiched between dielectric layers and further sandwiched between electrodes, and the light emission mechanism is localized light emission utilizing inner-shell electron transition of metal ions. Note that description is made here using an organic EL element as a light-emitting element.

発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。 In order to extract light emitted from the light-emitting element, at least one of the pair of electrodes may be light-transmitting. Then, a transistor and a light emitting element are formed over the substrate, and a top emission that extracts light from a surface opposite to the substrate, a bottom emission that extracts light from a surface on the substrate side, and a surface opposite to the substrate side and the substrate. There is a light-emitting element having a dual emission structure in which light emission is extracted from the light-emitting element.

図7(A)(B)及び図8(B)に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。 7A and 7B illustrate an example of a light-emitting device using a light-emitting element as a display element.

図7(A)は発光装置の平面図であり、図7(A)中の一点鎖線S1−T1、S2−T2、及びS3−T3で切断した断面が図7(B)に相当する。なお、図7(A)の平面図においては、電界発光層542及び第2の電極層543は省略してあり図示していない。 7A is a plan view of the light-emitting device, and a cross section taken along dashed-dotted lines S1-T1, S2-T2, and S3-T3 in FIG. 7A corresponds to FIG. Note that the electroluminescent layer 542 and the second electrode layer 543 are not illustrated in the plan view of FIG.

図7に示す発光装置は、基板500上に、トランジスタ510、容量素子520、配線層交差部530を有しており、トランジスタ510は発光素子540と電気的に接続している。なお、図7は基板500を通過して発光素子540からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。 The light-emitting device illustrated in FIG. 7 includes a transistor 510, a capacitor 520, and a wiring layer intersection 530 over a substrate 500. The transistor 510 is electrically connected to the light-emitting element 540. Note that FIG. 7 illustrates a light emitting device having a bottom emission structure in which light from the light emitting element 540 is extracted through the substrate 500.

トランジスタ510としては、実施の形態1乃至3のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ420と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ510は、ボトムゲート構造のトランジスタである。 As the transistor 510, any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3 can be used. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 420 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistor 510 is a bottom-gate transistor.

トランジスタ510はゲート電極層511a、511b、ゲート絶縁層502、酸化物半導体層512、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層513a、513bを含む。 The transistor 510 includes gate electrode layers 511a and 511b, a gate insulating layer 502, an oxide semiconductor layer 512, and conductive layers 513a and 513b functioning as a source or drain electrode layer.

トランジスタ510は酸化物半導体層512と接する絶縁層である、ゲート絶縁層502及び/又は絶縁層524として、酸素ドープ処理によって酸素過剰領域を形成された絶縁層を適用したトランジスタである。また酸素過剰領域を有する絶縁層は、その組成として窒素を含有する絶縁層である。また、本実施の形態において、絶縁層524上に設けられた絶縁層525として、酸化アルミニウム膜を用いる。よって、酸化物半導体層512には、トランジスタ510の特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が混入せず、かつ酸素欠損を補填する酸素が供給されうる。よって、トランジスタ510は、電気特性変動が抑制されている。 The transistor 510 is a transistor in which an insulating layer in which an oxygen-excess region is formed by oxygen doping treatment is used as the gate insulating layer 502 and / or the insulating layer 524 which are insulating layers in contact with the oxide semiconductor layer 512. The insulating layer having an oxygen excess region is an insulating layer containing nitrogen as its composition. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the insulating layer 525 provided over the insulating layer 524. Thus, the oxide semiconductor layer 512 can be supplied with oxygen that does not contain impurities such as hydrogen or water that causes a change in characteristics of the transistor 510 and fills oxygen vacancies. Therefore, the transistor 510 has suppressed variation in electrical characteristics.

従って、図7で示す本実施の形態の酸化物半導体層512を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ510を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。 Therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided as a semiconductor device including the transistor 510 having stable electric characteristics using the oxide semiconductor layer 512 of this embodiment illustrated in FIG. Further, such a highly reliable semiconductor device can be manufactured with high yield and high productivity can be achieved.

容量素子520は、導電層521a、521b、ゲート絶縁層502、酸化物半導体層522、導電層523を含み、導電層521a、521bと導電層523とで、ゲート絶縁層502及び酸化物半導体層522を挟む構成とすることで容量を形成する。 The capacitor 520 includes conductive layers 521a and 521b, a gate insulating layer 502, an oxide semiconductor layer 522, and a conductive layer 523. The conductive layers 521a and 521b and the conductive layer 523 include the gate insulating layer 502 and the oxide semiconductor layer 522. Capacitance is formed by adopting a structure that sandwiches.

配線層交差部530は、ゲート電極層511a、511bと、導電層533との交差部であり、ゲート電極層511a、511bと、導電層533とは、間にゲート絶縁層502を介して交差する。 The wiring layer intersection 530 is an intersection between the gate electrode layers 511a and 511b and the conductive layer 533, and the gate electrode layers 511a and 511b and the conductive layer 533 intersect with each other with the gate insulating layer 502 interposed therebetween. .

本実施の形態においては、ゲート電極層511a及び導電層521aとして膜厚30nmのチタン膜を用い、ゲート電極層511b及び導電層521bとして膜厚200nmの銅薄膜を用いる。よって、ゲート電極層はチタン膜と銅薄膜との積層構造となる。 In this embodiment, a titanium film with a thickness of 30 nm is used as the gate electrode layer 511a and the conductive layer 521a, and a copper thin film with a thickness of 200 nm is used as the gate electrode layer 511b and the conductive layer 521b. Therefore, the gate electrode layer has a laminated structure of a titanium film and a copper thin film.

酸化物半導体層512、522としては膜厚25mのIGZO膜を用いる。 As the oxide semiconductor layers 512 and 522, an IGZO film with a thickness of 25 m is used.

トランジスタ510、容量素子520、及び配線層交差部530上には層間絶縁層504が形成され、層間絶縁層504上において発光素子540と重畳する領域にカラーフィルタ層505が設けられている。層間絶縁層504及びカラーフィルタ層505上には平坦化絶縁層として機能する絶縁層506が設けられている。 An interlayer insulating layer 504 is formed over the transistor 510, the capacitor 520, and the wiring layer intersection 530, and a color filter layer 505 is provided in a region overlapping with the light-emitting element 540 on the interlayer insulating layer 504. An insulating layer 506 functioning as a planarization insulating layer is provided over the interlayer insulating layer 504 and the color filter layer 505.

絶縁層506上に第1の電極層541、電界発光層542、第2の電極層543の順に積層した積層構造を含む発光素子540が設けられている。発光素子540とトランジスタ510とは、導電層513aに達する絶縁層506及び層間絶縁層504に形成された開口において、第1の電極層541及び導電層513aが接することによって電気的に接続されている。なお、第1の電極層541の一部及び該開口を覆うように隔壁507が設けられている。 A light-emitting element 540 including a stacked structure in which a first electrode layer 541, an electroluminescent layer 542, and a second electrode layer 543 are stacked in this order is provided over the insulating layer 506. The light-emitting element 540 and the transistor 510 are electrically connected to each other when the first electrode layer 541 and the conductive layer 513a are in contact with each other in an opening formed in the insulating layer 506 and the interlayer insulating layer 504 reaching the conductive layer 513a. . Note that a partition 507 is provided so as to cover part of the first electrode layer 541 and the opening.

絶縁層506には膜厚1500nmの感光性のアクリル膜、隔壁507には膜厚1500nmの感光性のポリイミド膜を用いることができる。 A photosensitive acrylic film with a thickness of 1500 nm can be used for the insulating layer 506, and a photosensitive polyimide film with a thickness of 1500 nm can be used for the partition 507.

カラーフィルタ層505としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。 As the color filter layer 505, for example, a chromatic translucent resin can be used. As the chromatic translucent resin, a photosensitive or non-photosensitive organic resin can be used. However, the use of a photosensitive organic resin layer can reduce the number of resist masks, thereby simplifying the process. preferable.

有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー(黄)などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層505の膜厚は1500nm以上2000nm以下とすればよい。 A chromatic color is a color excluding achromatic colors such as black, gray, and white, and the color filter layer is formed of a material that transmits only colored chromatic light. As the chromatic color, red, green, blue, or the like can be used. Further, cyan, magenta, yellow (yellow), or the like may be used. To transmit only colored chromatic light means that the transmitted light in the color filter layer has a peak at the wavelength of the chromatic light. In the color filter layer, the optimum film thickness may be appropriately controlled in consideration of the relationship between the concentration of the coloring material to be included and the light transmittance. For example, the thickness of the color filter layer 505 may be 1500 nm or more and 2000 nm or less.

図8(B)に示す発光装置においては、表示素子である発光素子4513は、画素部4002に設けられたトランジスタ4010と電気的に接続している。なお発光素子4513の構成は、第1の電極層4034、電界発光層4511、第2の電極層4031の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子4513から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子4513の構成は適宜変えることができる。 In the light-emitting device illustrated in FIG. 8B, a light-emitting element 4513 which is a display element is electrically connected to a transistor 4010 provided in the pixel portion 4002. Note that although the structure of the light-emitting element 4513 is a stacked structure of the first electrode layer 4034, the electroluminescent layer 4511, and the second electrode layer 4031, it is not limited to the structure shown. The structure of the light-emitting element 4513 can be changed as appropriate depending on the direction in which light is extracted from the light-emitting element 4513, or the like.

隔壁4510、507は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第1の電極層4034、541上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。 The partition walls 4510 and 507 are formed using an organic insulating material or an inorganic insulating material. In particular, a photosensitive resin material is used, and openings are formed on the first electrode layers 4034 and 541 so that the side walls of the openings are inclined surfaces formed with continuous curvature. preferable.

電界発光層4511、542は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでもよい。 The electroluminescent layers 4511 and 542 may be composed of a single layer or a plurality of layers stacked.

発光素子4513、540に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第2の電極層4031、543及び隔壁4510、507上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、DLC膜等を形成することができる。 A protective film may be formed over the second electrode layers 4031 and 543 and the partition walls 4510 and 507 so that oxygen, hydrogen, moisture, carbon dioxide, or the like does not enter the light-emitting elements 4513 and 540. As the protective film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, a DLC film, or the like can be formed.

また、発光素子4513、540に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子4513を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。 Alternatively, a layer containing an organic compound that covers the light-emitting element 4513 may be formed by an evaporation method so that oxygen, hydrogen, moisture, carbon dioxide, or the like does not enter the light-emitting elements 4513 and 540.

また、基板4001、基板4006、及びシール材4005によって封止された空間には充填材4514が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム(貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等)やカバー材でパッケージング(封入)することが好ましい。 A space sealed by the substrate 4001, the substrate 4006, and the sealant 4005 is provided with a filler 4514 and sealed. Thus, it is preferable to package (enclose) with a protective film (bonded film, ultraviolet curable resin film, etc.) or a cover material that has high air tightness and little degassing so as not to be exposed to the outside air.

充填材4514としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)又はEVA(エチレンビニルアセテート)を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。 In addition to an inert gas such as nitrogen or argon, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used as the filler 4514. PVC (polyvinyl chloride), acrylic, polyimide, epoxy resin, silicone resin, PVB (polyvinyl) Butyl) or EVA (ethylene vinyl acetate) can be used. For example, nitrogen may be used as the filler.

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板(楕円偏光板を含む)、位相差板(λ/4板、λ/2板)、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。 If necessary, an optical film such as a polarizing plate, a circular polarizing plate (including an elliptical polarizing plate), a retardation plate (λ / 4 plate, λ / 2 plate), a color filter, or the like is provided on the light emitting element exit surface. You may provide suitably. Further, an antireflection film may be provided on the polarizing plate or the circularly polarizing plate. For example, anti-glare treatment can be performed that diffuses reflected light due to surface irregularities and reduces reflection.

また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置(電気泳動ディスプレイ)も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。 In addition, as a display device, electronic paper that drives electronic ink can be provided. Electronic paper is also called an electrophoretic display device (electrophoretic display), and has the same readability as paper, low power consumption compared to other display devices, and the advantage that it can be made thin and light. ing.

電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第1の粒子と、マイナスの電荷を有する第2の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒又は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第1の粒子又は第2の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第1の粒子の色と第2の粒子の色は異なるもの(無色を含む)とする。 The electrophoretic display device may have various forms, and a plurality of microcapsules including first particles having a positive charge and second particles having a negative charge are dispersed in a solvent or a solute. By applying an electric field to the microcapsule, the particles in the microcapsule are moved in opposite directions to display only the color of the particles assembled on one side. Note that the first particle or the second particle contains a dye and does not move in the absence of an electric field. In addition, the color of the first particles and the color of the second particles are different (including colorless).

このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。 As described above, the electrophoretic display device is a display using a so-called dielectrophoretic effect in which a substance having a high dielectric constant moves to a high electric field region.

上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。 A solution in which the above microcapsules are dispersed in a solvent is referred to as electronic ink. This electronic ink can be printed on a surface of glass, plastic, cloth, paper, or the like. Color display is also possible by using particles having color filters or pigments.

なお、マイクロカプセル中の第1の粒子および第2の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、又はこれらの複合材料を用いればよい。 Note that the first particle and the second particle in the microcapsule are a conductor material, an insulator material, a semiconductor material, a magnetic material, a liquid crystal material, a ferroelectric material, an electroluminescent material, an electrochromic material, or a magnetophoresis. A kind of material selected from the materials or a composite material thereof may be used.

また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を、表示素子に用いる電極層である第1の電極層及び第2の電極層の間に配置し、第1の電極層及び第2の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。 In addition, a display device using a twisting ball display system can be used as the electronic paper. The twist ball display method is a method in which spherical particles separately painted in white and black are arranged between a first electrode layer and a second electrode layer which are electrode layers used for a display element, and the first electrode layer and In this method, a potential difference is generated in the second electrode layer to control the orientation of spherical particles.

なお、図6乃至図8において、基板4001、500、基板4006としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fiberglass−Reinforced Plastics)板、PVF(ポリビニルフルオライド)フィルム、ポリエステルフィルム又はアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板(金属フィルム)を用いてもよい。例えば、アルミニウムホイルをPVFフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。 6 to 8, as the substrates 4001 and 500 and the substrate 4006, a flexible substrate can be used in addition to a glass substrate, for example, a light-transmitting plastic substrate can be used. . As the plastic, an FRP (Fiberglass-Reinforced Plastics) plate, a PVF (polyvinyl fluoride) film, a polyester film, or an acrylic resin film can be used. In addition, a metal substrate (metal film) such as aluminum or stainless steel may be used if translucency is not necessary. For example, a sheet having a structure in which an aluminum foil is sandwiched between PVF films or polyester films can be used.

本実施の形態では、ゲート絶縁層4020aとして窒化シリコン膜を用いる。また、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層4020b及び絶縁層4030としてプラズマCVD法によって形成する酸化窒化シリコン膜を用い、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び酸素ドープ処理を行う。また、絶縁層4030上に絶縁層4032を有する。本実施の形態では、絶縁層4032として酸化アルミニウム膜を用いる。 In this embodiment, a silicon nitride film is used as the gate insulating layer 4020a. Further, heat treatment and oxygen doping treatment for dehydration or dehydrogenation are performed using a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method as the gate insulating layer 4020b and the insulating layer 4030 in contact with the oxide semiconductor layer. In addition, the insulating layer 4032 is provided over the insulating layer 4030. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the insulating layer 4032.

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。 An aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that does not allow the film to permeate both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen.

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び酸素ドープ処理を行った酸化窒化シリコン膜への変動要因となる水素、水分などの不純物の混入、及び酸素の放出を防止する保護膜として機能する。 Therefore, the aluminum oxide film is mixed with impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuation in the silicon oxynitride film that has been subjected to heat treatment for dehydration or dehydrogenation and oxygen doping treatment during and after the manufacturing process. And function as a protective film for preventing release of oxygen.

また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層4021、506は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、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)等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層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。 The insulating layers 4021 and 506 functioning as planarization insulating layers can be formed using a heat-resistant organic material such as acrylic, polyimide, benzocyclobutene, polyamide, or epoxy. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), or the like can be used. Note that the insulating layer may be formed by stacking a plurality of insulating layers formed using these materials.

絶縁層4021、506の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、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、オフセット印刷等、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。 The formation method of the insulating layers 4021 and 506 is not particularly limited, and a doctor knife such as a sputtering method, spin coating, dip, spray coating, droplet discharge method (inkjet method), screen printing, offset printing, and the like depending on the material. A roll coater, a curtain coater, a knife coater or the like can be used.

表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁層、導電層などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。 The display device performs display by transmitting light from a light source or a display element. Therefore, thin films such as a substrate, an insulating layer, and a conductive layer provided in the pixel portion where light is transmitted have a light-transmitting property with respect to light in the visible wavelength region.

表示素子に電圧を印加する第1の電極層及び第2の電極層(画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう)においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。 In the first electrode layer and the second electrode layer (also referred to as a pixel electrode layer, a common electrode layer, a counter electrode layer, or the like) that applies a voltage to the display element, the direction of light to be extracted, the place where the electrode layer is provided, and What is necessary is just to select translucency and reflectivity by the pattern structure of an electrode layer.

第1の電極層4034、541、第2の電極層4031、543は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物(以下、ITOと示す。)、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェンなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。 The first electrode layers 4034 and 541 and the second electrode layers 4031 and 543 include indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, and indium tin containing titanium oxide. A light-transmitting conductive material such as oxide, indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO), indium zinc oxide, indium tin oxide to which silicon oxide is added, or graphene can be used.

また、第1の電極層4034、541、第2の電極層4031、543はタングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。 The first electrode layers 4034 and 541 and the second electrode layers 4031 and 543 include tungsten (W), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), Metals such as tantalum (Ta), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), or the like One or a plurality of types of alloys or metal nitrides thereof can be used.

本実施の形態においては、図7に示す発光装置は下面射出型なので、第1の電極層541は透光性、第2の電極層543は反射性を有する。よって、第1の電極層541に金属膜を用いる場合は透光性を保てる程度膜厚を薄く、第2の電極層543に透光性を有する導電層を用いる場合は、反射性を有する導電層を積層するとよい。 In this embodiment mode, the light-emitting device illustrated in FIG. 7 is a bottom emission type; therefore, the first electrode layer 541 has a light-transmitting property and the second electrode layer 543 has a reflecting property. Therefore, when a metal film is used for the first electrode layer 541, the film thickness is thin enough to maintain translucency, and when a conductive layer having a light-transmitting property is used for the second electrode layer 543, a conductive material having a reflective property is used. Layers may be stacked.

また、第1の電極層4034、541、第2の電極層4031、543として、導電性高分子(導電性ポリマーともいう)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの2種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。 The first electrode layers 4034 and 541 and the second electrode layers 4031 and 543 can be formed using a conductive composition containing a conductive high molecule (also referred to as a conductive polymer). As the conductive polymer, a so-called π-electron conjugated conductive polymer can be used. For example, polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, a copolymer of two or more of aniline, pyrrole, and thiophene or a derivative thereof can be given.

また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。 In addition, since the transistor is easily broken by static electricity or the like, it is preferable to provide a protective circuit for protecting the driving circuit. The protection circuit is preferably configured using a non-linear element.

以上のように実施の形態1乃至3のいずれかで示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。 As described above, by using any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3, a semiconductor device having various functions can be provided.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態5)
実施の形態1乃至3のいずれかに示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
(Embodiment 5)
A semiconductor device having an image sensor function of reading information on an object can be manufactured using the transistor described in any of Embodiments 1 to 3.

図9(A)に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図9(A)はフォトセンサの等価回路であり、図9(B)はフォトセンサの一部を示す断面図である。 FIG. 9A illustrates an example of a semiconductor device having an image sensor function. FIG. 9A is an equivalent circuit of the photosensor, and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating part of the photosensor.

フォトダイオード602は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線658に、他方の電極がトランジスタ640のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ640は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線672に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ656のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ656は、ゲートがゲート信号線659に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線671に電気的に接続されている。 In the photodiode 602, one electrode is electrically connected to the photodiode reset signal line 658 and the other electrode is electrically connected to the gate of the transistor 640. In the transistor 640, one of a source and a drain is electrically connected to the photosensor reference signal line 672, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 656. The transistor 656 has a gate electrically connected to the gate signal line 659 and the other of the source and the drain electrically connected to the photosensor output signal line 671.

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「OS」と記載している。図9(A)において、トランジスタ640、トランジスタ656は実施の形態1乃至3のいずれかに示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体層を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ420と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ640は、ボトムゲート構造のトランジスタである。 Note that in a circuit diagram in this specification, a symbol of a transistor using an oxide semiconductor layer is described as “OS” so that the transistor can be clearly identified as a transistor using an oxide semiconductor layer. In FIG. 9A, the transistor 640 and the transistor 656 can be any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3, and are transistors using an oxide semiconductor layer. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 420 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistor 640 is a bottom-gate transistor.

図9(B)は、フォトセンサにおけるフォトダイオード602及びトランジスタ640に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板601(素子基板)上に、センサとして機能するフォトダイオード602及びトランジスタ640が設けられている。フォトダイオード602、トランジスタ640の上には接着層608を用いて基板613が設けられている。 FIG. 9B is a cross-sectional view of the photodiode 602 and the transistor 640 in the photosensor. The photodiode 602 and the transistor 640 functioning as a sensor are provided over a substrate 601 (an element substrate) having an insulating surface. Yes. A substrate 613 is provided over the photodiode 602 and the transistor 640 by using an adhesive layer 608.

トランジスタ640上には絶縁層631、絶縁層632、層間絶縁層633、層間絶縁層634が設けられている。フォトダイオード602は、層間絶縁層633上に形成された電極層641bと、電極層641b上に順に積層された第1半導体膜606a、第2半導体膜606b、及び第3半導体膜606cと、層間絶縁層634上に設けられ、第1乃至第3の半導体膜を介して電極層641bと電気的に接続する電極層642と、電極層641bと同じ層に設けられ、電極層642と電気的に接続する電極層641aと、を有している。 An insulating layer 631, an insulating layer 632, an interlayer insulating layer 633, and an interlayer insulating layer 634 are provided over the transistor 640. The photodiode 602 includes an electrode layer 641b formed over the interlayer insulating layer 633, a first semiconductor film 606a, a second semiconductor film 606b, and a third semiconductor film 606c sequentially stacked over the electrode layer 641b, and an interlayer insulating layer. An electrode layer 642 provided over the layer 634 and electrically connected to the electrode layer 641b through the first to third semiconductor films, and provided in the same layer as the electrode layer 641b and electrically connected to the electrode layer 642 An electrode layer 641a.

電極層641bは、層間絶縁層634に形成された導電層643と電気的に接続し、電極層642は電極層641aを介して導電層645と電気的に接続している。導電層645は、トランジスタ640のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード602はトランジスタ640と電気的に接続している。 The electrode layer 641b is electrically connected to the conductive layer 643 formed in the interlayer insulating layer 634, and the electrode layer 642 is electrically connected to the conductive layer 645 through the electrode layer 641a. The conductive layer 645 is electrically connected to the gate electrode layer of the transistor 640, and the photodiode 602 is electrically connected to the transistor 640.

ここでは、第1半導体膜606aとしてp型の導電型を有する半導体膜と、第2半導体膜606bとして高抵抗な半導体膜(I型半導体膜)、第3半導体膜606cとしてn型の導電型を有する半導体膜を積層するpin型のフォトダイオードを例示している。 Here, a semiconductor film having a p-type conductivity type as the first semiconductor film 606a, a high-resistance semiconductor film (I-type semiconductor film) as the second semiconductor film 606b, and an n-type conductivity type as the third semiconductor film 606c. A pin type photodiode in which a semiconductor film having the same is stacked is illustrated.

第1半導体膜606aはp型半導体膜であり、p型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第1半導体膜606aの形成には13族の不純物元素(例えばボロン(B))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第1半導体膜606aの膜厚は10nm以上50nm以下となるよう形成することが好ましい。 The first semiconductor film 606a is a p-type semiconductor film and can be formed using an amorphous silicon film containing an impurity element imparting p-type conductivity. The first semiconductor film 606a is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 13 impurity element (eg, boron (B)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. Alternatively, after an amorphous silicon film not containing an impurity element is formed, the impurity element may be introduced into the amorphous silicon film by a diffusion method or an ion implantation method. It is preferable to diffuse the impurity element by introducing an impurity element by an ion implantation method or the like and then performing heating or the like. In this case, as a method for forming the amorphous silicon film, an LPCVD method, a vapor phase growth method, a sputtering method, or the like may be used. The first semiconductor film 606a is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 50 nm.

第2半導体膜606bは、I型半導体膜(真性半導体膜)であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第2半導体膜606bの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。第2半導体膜606bの形成は、LPCVD法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第2半導体膜606bの膜厚は200nm以上1000nm以下となるように形成することが好ましい。 The second semiconductor film 606b is an I-type semiconductor film (intrinsic semiconductor film) and is formed of an amorphous silicon film. For the formation of the second semiconductor film 606b, an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas. Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. The second semiconductor film 606b may be formed by an LPCVD method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The second semiconductor film 606b is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 1000 nm.

第3半導体膜606cは、n型半導体膜であり、n型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第3半導体膜606cの形成には、15族の不純物元素(例えばリン(P))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第3半導体膜606cの膜厚は20nm以上200nm以下となるよう形成することが好ましい。 The third semiconductor film 606c is an n-type semiconductor film and is formed using an amorphous silicon film containing an impurity element imparting n-type conductivity. The third semiconductor film 606c is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 15 impurity element (eg, phosphorus (P)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. Alternatively, after an amorphous silicon film not containing an impurity element is formed, the impurity element may be introduced into the amorphous silicon film by a diffusion method or an ion implantation method. It is preferable to diffuse the impurity element by introducing an impurity element by an ion implantation method or the like and then performing heating or the like. In this case, as a method for forming the amorphous silicon film, an LPCVD method, a vapor phase growth method, a sputtering method, or the like may be used. The third semiconductor film 606c is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 20 nm and less than or equal to 200 nm.

また、第1半導体膜606a、第2半導体膜606b、及び第3半導体膜606cは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶(セミアモルファス(Semi Amorphous Semiconductor:SAS))半導体を用いて形成してもよい。 In addition, the first semiconductor film 606a, the second semiconductor film 606b, and the third semiconductor film 606c may be formed using a polycrystalline semiconductor instead of an amorphous semiconductor, or may be formed using a microcrystalline (Semi Amorphous Semiconductor: SAS)) may be formed using a semiconductor.

また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、pin型のフォトダイオードはp型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、pin型のフォトダイオードが形成されている基板601の面からフォトダイオード602が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電層を用いるとよい。また、n型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。 Further, since the mobility of holes generated by the photoelectric effect is smaller than the mobility of electrons, the pin type photodiode exhibits better characteristics when the p type semiconductor film side is the light receiving surface. Here, an example is shown in which light received by the photodiode 602 from the surface of the substrate 601 on which the pin-type photodiode is formed is converted into an electrical signal. In addition, since light from the semiconductor film side having a conductivity type opposite to that of the semiconductor film as the light receiving surface becomes disturbance light, a conductive layer having a light shielding property is preferably used as the electrode layer. The n-type semiconductor film side can also be used as the light receiving surface.

絶縁層631、絶縁層632、層間絶縁層633、層間絶縁層634としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマCVD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、オフセット印刷等を用いて形成することができる。 As the insulating layer 631, the insulating layer 632, the interlayer insulating layer 633, and the interlayer insulating layer 634, an insulating material is used. Depending on the material, a sputtering method, a plasma CVD method, spin coating, dipping, spray coating, droplets are used. It can be formed using a discharge method (inkjet method), screen printing, offset printing, or the like.

絶縁層631としては、無機絶縁材料としては、組成として窒素を含有する酸化物絶縁層を用いることができ、例えば、酸化窒化シリコン層、又は酸化窒化シリコン層等の単層、又は積層を用いることができる。 As the insulating layer 631, an oxide insulating layer containing nitrogen as a composition can be used as the inorganic insulating material. For example, a single layer or a stacked layer such as a silicon oxynitride layer or a silicon oxynitride layer is used. Can do.

本実施の形態では、絶縁層631としてプラズマCVD法によって形成する酸化窒化シリコン膜を用い、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び酸素ドープ処理を行う。 In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method is used as the insulating layer 631, and heat treatment and oxygen doping treatment for dehydration or dehydrogenation are performed.

さらに、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び酸素ドープ処理を行った酸化窒化シリコン膜上に酸化アルミニウム膜を形成し、熱処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、絶縁層631上に絶縁層632を設け、該絶縁層632として酸化アルミニウム膜を適用する。 Further, it is preferable that an aluminum oxide film be formed over the silicon oxynitride film that has been subjected to heat treatment and oxygen doping treatment for dehydration or dehydrogenation, and then heat treatment is performed. In this embodiment, an insulating layer 632 is provided over the insulating layer 631, and an aluminum oxide film is used as the insulating layer 632.

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。 An aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that does not allow the film to permeate both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen.

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び酸素ドープ処理を行った酸化窒化シリコン膜への変動要因となる水素、水分などの不純物の混入、及び酸素の放出を防止する保護膜として機能する。 Therefore, the aluminum oxide film is mixed with impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuation in the silicon oxynitride film that has been subjected to heat treatment for dehydration or dehydrogenation and oxygen doping treatment during and after the manufacturing process. And function as a protective film for preventing release of oxygen.

層間絶縁層633、634としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層633、634としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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)等の単層、又は積層を用いることができる。 As the interlayer insulating layers 633 and 634, an insulating layer functioning as a planarization insulating layer is preferable in order to reduce surface unevenness. As the interlayer insulating layers 633 and 634, for example, an organic insulating material having heat resistance such as polyimide, acrylic resin, benzocyclobutene resin, polyamide, or epoxy resin can be used. In addition to the organic insulating material, a single layer or a stacked layer such as a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane-based resin, PSG (phosphorus glass), or BPSG (phosphorus boron glass) can be used.

フォトダイオード602に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。 By detecting light incident on the photodiode 602, information on the object to be detected can be read. Note that a light source such as a backlight can be used when reading information on the object to be detected.

トランジスタ640は、酸化物半導体層に接するゲート絶縁層及び/又は絶縁層631に、窒素を含有する絶縁層を用い、該絶縁層に酸素ドープ処理を行って作製されたトランジスタである。よって、酸化物半導体層には、トランジスタ640の酸素欠損を補填する酸素が供給されうる。よって、トランジスタ640は、電気特性変動が抑制されている。 The transistor 640 is a transistor manufactured by using an insulating layer containing nitrogen for the gate insulating layer and / or the insulating layer 631 in contact with the oxide semiconductor layer and performing oxygen doping treatment on the insulating layer. Thus, oxygen that fills oxygen vacancies in the transistor 640 can be supplied to the oxide semiconductor layer. Thus, the transistor 640 has suppressed variation in electrical characteristics.

従って、本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ640を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。 Therefore, a highly reliable semiconductor device including the transistor 640 having stable electric characteristics using the oxide semiconductor layer of this embodiment can be provided. In addition, a highly reliable semiconductor device can be manufactured with high yield and high productivity can be achieved.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態6)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機(パチンコ機、スロットマシン等)、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図10に示す。
(Embodiment 6)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). As electronic devices, television devices (also referred to as televisions or television receivers), monitors for computers, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, portable information terminals, sound Examples include a playback device, a gaming machine (such as a pachinko machine or a slot machine), and a game housing. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図10(A)は、表示部を有するテーブル9000を示している。テーブル9000は、筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示することが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。 FIG. 10A illustrates a table 9000 having a display portion. In the table 9000, a display portion 9003 is incorporated in a housing 9001, and an image can be displayed on the display portion 9003. Note that a structure in which the housing 9001 is supported by four legs 9002 is shown. In addition, the housing 9001 has a power cord 9005 for supplying power.

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部9003に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。 The semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the display portion 9003 and can impart high reliability to the electronic device.

表示部9003は、タッチ入力機能を有しており、テーブル9000の表示部9003に表示された表示ボタン9004を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態5に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせることができる。 The display portion 9003 has a touch input function. By touching a display button 9004 displayed on the display portion 9003 of the table 9000 with a finger or the like, screen operation or information can be input. It is good also as a control apparatus which controls other household appliances by screen operation by enabling communication with household appliances or enabling control. For example, when the semiconductor device having the image sensor function described in Embodiment 5 is used, the display portion 9003 can have a touch input function.

また、筐体9001に設けられたヒンジによって、表示部9003の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。 Further, the hinge of the housing 9001 can be used to stand the screen of the display portion 9003 perpendicular to the floor, which can be used as a television device. In a small room, if a television apparatus with a large screen is installed, the free space becomes narrow. However, if the display portion is built in the table, the room space can be used effectively.

図10(B)は、テレビジョン装置9100を示している。テレビジョン装置9100は、筐体9101に表示部9103が組み込まれており、表示部9103により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド9105により筐体9101を支持した構成を示している。 FIG. 10B illustrates a television device 9100. In the television device 9100, a display portion 9103 is incorporated in a housing 9101 and an image can be displayed on the display portion 9103. Note that here, a structure in which the housing 9101 is supported by a stand 9105 is illustrated.

テレビジョン装置9100の操作は、筐体9101が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機9110により行うことができる。リモコン操作機9110が備える操作キー9109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9103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9110に、当該リモコン操作機9110から出力する情報を表示する表示部9107を設ける構成としてもよい。 The television device 9100 can be operated with an operation switch included in the housing 9101 or a separate remote controller 9110. Channels and volume can be operated with an operation key 9109 provided in the remote controller 9110, and an image displayed on the display portion 9103 can be operated. The remote controller 9110 may be provided with a display portion 9107 for displaying information output from the remote controller 9110.

図10(B)に示すテレビジョン装置9100は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置9100は、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又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)又は双方向(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。 A television device 9100 illustrated in FIG. 10B includes a receiver, a modem, and the like. The television apparatus 9100 can receive a general television broadcast by a receiver, and is connected to a wired or wireless communication network via a modem so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional. It is also possible to perform information communication (between the sender and the receiver or between the receivers).

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部9103、9107に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。 The semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the display portions 9103 and 9107, and can provide high reliability to the television device and the remote controller.

図10(C)はコンピュータであり、本体9201、筐体9202、表示部9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス9206等を含む。 FIG. 10C illustrates a computer, which includes a main body 9201, a housing 9202, a display portion 9203, a keyboard 9204, an external connection port 9205, a pointing device 9206, and the like.

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部9203に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。 The semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the display portion 9203 and can give high reliability to the computer.

図11(A)及び図11(B)は2つ折り可能なタブレット型端末である。図11(A)は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モード切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。 11A and 11B illustrate a tablet terminal that can be folded. In FIG. FIG. 11A illustrates an open state in which the tablet terminal includes a housing 9630, a display portion 9631a, a display portion 9631b, a display mode switching switch 9034, a power switch 9035, a power saving mode switching switch 9036, and a fastener 9033. And an operation switch 9038.

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部9631a、表示部9631bに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。 The semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the display portion 9631a and the display portion 9631b, so that a highly reliable tablet terminal can be provided.

表示部9631aは、一部をタッチパネルの領域9632aとすることができ、表示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631bを表示画面として用いることができる。 Part of the display portion 9631 a can be a touch panel region 9632 a and data can be input when a displayed operation key 9638 is touched. Note that in the display portion 9631a, for example, a structure in which half of the regions have a display-only function and a structure in which the other half has a touch panel function is shown, but the structure is not limited thereto. The entire region of the display portion 9631a may have a touch panel function. For example, the entire surface of the display portion 9631a can display keyboard buttons to serve as a touch panel, and the display portion 9631b can be used as a display screen.

また、表示部9631bにおいても表示部9631aと同様に、表示部9631bの一部をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。 Further, in the display portion 9631b, as in the display portion 9631a, part of the display portion 9631b can be a touch panel region 9632b. Further, a keyboard button can be displayed on the display portion 9631b by touching a position where the keyboard display switching button 9539 on the touch panel is displayed with a finger or a stylus.

また、タッチパネルの領域9632aとタッチパネルの領域9632bに対して同時にタッチ入力することもできる。 Touch input can be performed simultaneously on the touch panel region 9632a and the touch panel region 9632b.

また、表示モード切り替えスイッチ9034は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。 A display mode switching switch 9034 can switch the display direction such as vertical display or horizontal display, and can select switching between monochrome display and color display. The power saving mode change-over switch 9036 can optimize the display luminance in accordance with the amount of external light during use detected by an optical sensor built in the tablet terminal. The tablet terminal may include not only an optical sensor but also other detection devices such as a gyroscope, an acceleration sensor, and other sensors that detect inclination.

また、図11(A)では表示部9631bと表示部9631aの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。 FIG. 11A illustrates an example in which the display areas of the display portion 9631b and the display portion 9631a are the same; however, there is no particular limitation, and one size may differ from the other size, and the display quality may also be different. May be different. For example, one display panel may be capable of displaying images with higher definition than the other.

図11(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、太陽電池9633、充放電制御回路9634を有する。なお、図11(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有する構成について示している。 FIG. 11B illustrates a closed state, in which the tablet terminal includes a housing 9630, a solar cell 9633, and a charge / discharge control circuit 9634. Note that FIG. 11B illustrates a structure including a battery 9635 and a DCDC converter 9636 as an example of the charge / discharge control circuit 9634.

なお、タブレット型端末は2つ折り可能なため、未使用時に筐体9630を閉じた状態にすることができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。 Note that since the tablet terminal can be folded in two, the housing 9630 can be closed when not in use. Accordingly, since the display portion 9631a and the display portion 9631b can be protected, a tablet terminal with excellent durability and high reliability can be provided from the viewpoint of long-term use.

また、この他にも図11(A)及び図11(B)に示したタブレット型端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。 In addition, the tablet terminal shown in FIGS. 11A and 11B has a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a calendar, a date, or a time. A function for displaying on the display unit, a touch input function for performing touch input operation or editing of information displayed on the display unit, a function for controlling processing by various software (programs), and the like can be provided.

タブレット型端末の表面に装着された太陽電池9633によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐体9630の一面又は二面に効率的なバッテリー9635の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー9635としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。 Electric power can be supplied to the touch panel, the display unit, the video signal processing unit, or the like by the solar battery 9633 mounted on the surface of the tablet terminal. Note that the solar cell 9633 is preferable because it can efficiently charge the battery 9635 on one or two surfaces of the housing 9630. Note that as the battery 9635, when a lithium ion battery is used, there is an advantage that reduction in size can be achieved.

また、図11(B)に示す充放電制御回路9634の構成、及び動作について図11(C)にブロック図を示し説明する。図11(C)には、太陽電池9633、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、表示部9631について示しており、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図11(B)に示す充放電制御回路9634に対応する箇所となる。 Further, the structure and operation of the charge / discharge control circuit 9634 illustrated in FIG. 11B are described with reference to a block diagram in FIG. FIG. 11C illustrates a solar cell 9633, a battery 9635, a DCDC converter 9636, a converter 9637, switches SW1 to SW3, and a display portion 9631. The battery 9635, the DCDC converter 9636, the converter 9637, and the switches SW1 to SW3 are illustrated. This corresponds to the charge / discharge control circuit 9634 shown in FIG.

まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようDCDCコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ9637で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部9631での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー9635の充電を行う構成とすればよい。 First, an example of operation in the case where power is generated by the solar battery 9633 using external light is described. The power generated by the solar battery is boosted or lowered by the DCDC converter 9636 so as to be a voltage for charging the battery 9635. When power from the solar cell 9633 is used for the operation of the display portion 9631, the switch SW1 is turned on, and the converter 9637 increases or decreases the voltage required for the display portion 9631. In the case where display on the display portion 9631 is not performed, the battery 9635 may be charged by turning off SW1 and turning on SW2.

なお太陽電池9633については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッテリー9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信して充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。 Note that the solar cell 9633 is described as an example of the power generation unit, but is not particularly limited, and the battery 9635 is charged by another power generation unit such as a piezoelectric element (piezo element) or a thermoelectric conversion element (Peltier element). There may be. For example, it is good also as a structure performed combining a non-contact electric power transmission module which transmits / receives electric power by radio | wireless (non-contact), and another charging means.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

本実施例では、開示する発明に係る半導体装置において用いる窒素を含有する絶縁層に酸素ドープ処理を行い、酸素ドープ処理の効果について評価を行った。本実施例においては、酸素ドープ処理としてアッシング装置を用いた酸素プラズマ処理を行った。図12に結果を示す。評価方法としては、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析法を用いた。 In this example, oxygen doping treatment was performed on an insulating layer containing nitrogen used in the semiconductor device according to the disclosed invention, and the effect of the oxygen doping treatment was evaluated. In this example, oxygen plasma treatment using an ashing apparatus was performed as oxygen doping treatment. The results are shown in FIG. As an evaluation method, a TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis method was used.

本実施例において評価に用いた試料の作製方法を以下に示す。本実施例では、シリコン基板上に膜厚100nmの酸化窒化シリコン膜を成膜し、これを比較試料Aとした。また、比較試料Aに酸素ドープ処理を施し、これを実施例試料Bとした。 A method for manufacturing a sample used for evaluation in this example is described below. In this example, a silicon oxynitride film having a thickness of 100 nm was formed on a silicon substrate, and this was used as a comparative sample A. Moreover, the oxygen dope process was given to the comparative sample A, and this was made into the Example sample B.

比較試料A及び実施例試料Bにおいて、酸化窒化シリコン膜の成膜にはプラズマCVD装置を用いた。また、成膜条件は、成膜ガスとしてSiH及びNO(SiH:NO=20sccm:3000sccm)を用い、圧力を40Paとし、基板温度を350℃とし、高周波(RF)電源電力を1000Wとした。 In Comparative Sample A and Example Sample B, a plasma CVD apparatus was used to form a silicon oxynitride film. The deposition conditions are SiH 4 and N 2 O (SiH 4 : N 2 O = 20 sccm: 3000 sccm) as a deposition gas, the pressure is 40 Pa, the substrate temperature is 350 ° C., and the radio frequency (RF) power supply power Was set to 1000W.

また、実施例試料Bにおいて、酸素ドープ処理の条件は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)電力を0Wとし、バイアス電力を5000Wとし、圧力を15.0Paとして、Oガスを流量250sccm(16O:18O=150sccm:100sccm)で流した。 In Example Sample B, the conditions for the oxygen doping treatment were ICP (Inductively Coupled Plasma) power of 0 W, bias power of 5000 W, pressure of 15.0 Pa, and O 2 gas flow rate of 250 sccm. ( 16 O: 18 O = 150 sccm: 100 sccm).

図12(A)に酸化窒化シリコン膜に酸素ドープ処理を行った実施例試料Bにおいて測定されたM/z=30(NO)のTDS結果を示す。また、図12(B)に酸素ドープ処理を行っていない比較例試料Aにおいて測定されたM/z=30(NO)のTDS結果を示す。 FIG. 12A shows a TDS result of M / z = 30 (NO) measured in Example Sample B in which the silicon oxynitride film was subjected to oxygen doping treatment. FIG. 12B shows a TDS result of M / z = 30 (NO) measured in the comparative sample A not subjected to oxygen doping treatment.

図12(A)及び図12(B)に示すように、酸素ドープ処理を行った実施例試料Bからは、酸化窒化シリコン膜からの一酸化窒素(NO)の放出が見られるが、酸素ドープ処理を行っていない比較例試料Aにおいては、TDS測定のバックグラウンド以下であった。 As shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B), from the sample B subjected to the oxygen doping treatment, nitrogen monoxide (NO) is released from the silicon oxynitride film. In the comparative sample A that had not been processed, it was below the background of TDS measurement.

以上の結果から、窒素を含有する絶縁層に対して酸素ドープ処理を行うことによって、膜中に含まれる窒素と、導入された酸素との結合が形成されることが確認された。 From the above results, it was confirmed that by performing oxygen doping treatment on the insulating layer containing nitrogen, a bond between nitrogen contained in the film and the introduced oxygen was formed.

よって、該絶縁層を酸化物半導体層と接する絶縁層として適用することで、該絶縁層による酸化物半導体層からの酸素の引き抜きを抑制又は防止することが可能となるため、酸化物半導体層における酸素欠損の発生を抑制することができる。 Therefore, by applying the insulating layer as an insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, oxygen extraction from the oxide semiconductor layer by the insulating layer can be suppressed or prevented. Oxygen deficiency can be suppressed.

400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁層
402a ゲート絶縁層
402b ゲート絶縁層
403 酸化物半導体層
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407 層間絶縁層
407a 層間絶縁層
407b 層間絶縁層
412 ゲート絶縁層
412a ゲート絶縁層
412b ゲート絶縁層
417 層間絶縁層
417a 層間絶縁層
417b 層間絶縁層
420 トランジスタ
422b ゲート絶縁層
427a 層間絶縁層
430 トランジスタ
440 トランジスタ
452 酸素
454 酸素
500 基板
502 ゲート絶縁層
504 層間絶縁層
505 カラーフィルタ層
506 絶縁層
507 隔壁
510 トランジスタ
511a ゲート電極層
511b ゲート電極層
512 酸化物半導体層
513a 導電層
513b 導電層
520 容量素子
521a 導電層
521b 導電層
522 酸化物半導体層
523 導電層
524 絶縁層
525 絶縁層
530 配線層交差部
533 導電層
540 発光素子
541 電極層
542 電界発光層
543 電極層
601 基板
602 フォトダイオード
606a 半導体膜
606b 半導体膜
606c 半導体膜
608 接着層
613 基板
631 絶縁層
632 絶縁層
633 層間絶縁層
634 層間絶縁層
640 トランジスタ
641a 電極層
641b 電極層
642 電極層
643 導電層
645 導電層
656 トランジスタ
658 フォトダイオードリセット信号線
659 ゲート信号線
671 フォトセンサ出力信号線
672 フォトセンサ基準信号線
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4015 接続端子電極
4016 端子電極
4018 FPC
4019 異方性導電層
4020a ゲート絶縁層
4020b ゲート絶縁層
4021 絶縁層
4030 絶縁層
4031 電極層
4032 絶縁層
4033 絶縁層
4034 電極層
4035 スペーサ
4038 絶縁層
4040 トランジスタ
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
9000 テーブル
9001 筐体
9002 脚部
9003 表示部
9004 表示ボタン
9005 電源コード
9033 留め具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9100 テレビジョン装置
9101 筐体
9103 表示部
9105 スタンド
9107 表示部
9109 操作キー
9110 リモコン操作機
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
400 Substrate 401 Gate electrode layer 402 Gate insulating layer 402a Gate insulating layer 402b Gate insulating layer 403 Oxide semiconductor layer 405a Source electrode layer 405b Drain electrode layer 407 Interlayer insulating layer 407a Interlayer insulating layer 407b Interlayer insulating layer 412 Gate insulating layer 412a Gate insulating layer Layer 412b gate insulating layer 417 interlayer insulating layer 417a interlayer insulating layer 417b interlayer insulating layer 420 transistor 422b gate insulating layer 427a interlayer insulating layer 430 transistor 440 transistor 452 oxygen 454 oxygen 500 substrate 502 gate insulating layer 504 interlayer insulating layer 505 color filter layer 506 Insulating layer 507 Partition 510 Transistor 511a Gate electrode layer 511b Gate electrode layer 512 Oxide semiconductor layer 513a Conductive layer 513b Conductive layer 520 Capacitance element 521a Conduction Layer 521b conductive layer 522 oxide semiconductor layer 523 conductive layer 524 insulating layer 525 insulating layer 530 wiring layer intersection 533 conductive layer 540 light emitting element 541 electrode layer 542 electroluminescent layer 543 electrode layer 601 substrate 602 photodiode 606a semiconductor film 606b semiconductor film 606c Semiconductor film 608 Adhesive layer 613 Substrate 631 Insulating layer 632 Insulating layer 633 Interlayer insulating layer 634 Interlayer insulating layer 640 Transistor 641a Electrode layer 641b Electrode layer 642 Electrode layer 643 Conductive layer 645 Conductive layer 656 Transistor 658 Photodiode reset signal line 659 Gate signal Line 671 Photosensor output signal line 672 Photosensor reference signal line 4001 Substrate 4002 Pixel portion 4003 Signal line driver circuit 4004 Scan line driver circuit 4005 Seal material 4006 Substrate 4008 Liquid crystal layer 4 10 4011 transistor 4013 liquid crystal element 4015 connection terminal electrode 4016 terminal electrodes 4018 FPC
4019 Anisotropic conductive layer 4020a Gate insulating layer 4020b Gate insulating layer 4021 Insulating layer 4030 Insulating layer 4031 Electrode layer 4032 Insulating layer 4033 Insulating layer 4034 Electrode layer 4035 Spacer 4038 Insulating layer 4040 Transistor 4510 Partition 4511 Electroluminescent layer 4513 Light emitting element 4514 Filling Material 9000 Table 9001 Housing 9002 Leg 9003 Display 9004 Display button 9005 Power cord 9033 Fastener 9034 Switch 9035 Power switch 9036 Switch 9038 Operation switch 9100 Television apparatus 9101 Housing 9103 Display unit 9105 Stand 9107 Display unit 9109 Operation key 9110 Remote controller 9201 Main body 9202 Case 9203 Display unit 9204 Keyboard 9205 External connection port 9206 Port Inting device 9630 Enclosure 9631 Display unit 9631a Display unit 9631b Display unit 9632a Region 9632b Region 9633 Solar cell 9634 Charge / discharge control circuit 9635 Battery 9636 DCDC converter 9637 Converter 9638 Operation key 9639 Button

Claims (1)

ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上方に、ゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上方に、前記ゲート電極層と重なる領域を有するように、非単結晶であって、且つ、被形成面に対して85°以上95°以下の範囲でc軸が配向した領域を有する酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成し、
前記ソース電極層上方及び前記ドレイン電極層上方に、前記酸化物半導体層と重なる領域を有する絶縁層を形成し、
前記絶縁層に、窒素を添加した後、酸素を添加し、
熱を加え、前記絶縁層中の酸素を前記酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a gate electrode layer;
Forming a gate insulating layer above the gate electrode layer;
A region that is non-single-crystal and has a c-axis oriented in a range of 85 ° to 95 ° with respect to a formation surface so as to have a region overlapping with the gate electrode layer above the gate insulating layer. Forming an oxide semiconductor layer having,
Forming a source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the oxide semiconductor layer;
An insulating layer having a region overlapping with the oxide semiconductor layer is formed above the source electrode layer and the drain electrode layer;
After adding nitrogen to the insulating layer, oxygen is added,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein heat is applied to supply oxygen in the insulating layer to the oxide semiconductor layer.
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