JP6006572B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

開示される発明の一態様は、半導体装置に関する。

近年、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、酸化物半導体として、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｚｎ（亜鉛）を含む酸化物（以下「ＩＧＺＯ」と呼ぶ）を用いてトランジスタを形成し、形成されたトランジスタを用いて表示装置を作製することが開示されている。

特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報

ＩＧＺＯは導電性が低いので、ＩＧＺＯを活性層とする酸化物半導体トランジスタは、例えば、オン電流が低いという恐れがある。

以上を鑑み、開示される発明の一様態では、導電性が高い酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタを提供することを課題の一とする。

開示される発明の一様態は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物（ＩＧＺＯ）及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するゲート電極と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域に重畳するソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。

開示される発明の一態様において、酸化物半導体層は、ＩＧＺＯを構成する一部のインジウムと酸素が結合し、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）の結晶体が粒子としてＩＧＺＯ中に存在する酸化物半導体層である。

酸化インジウムは、エネルギーギャップが２．８ｅＶであるような絶縁体に近い半導体である。ＩＧＺＯを構成する一部のインジウムと酸素から、絶縁体に近い酸化インジウムの粒子が形成されると、当該ＩＧＺＯに電荷の偏りが生じる。すなわち、ＩＧＺＯのうち、酸化インジウムの粒子は絶縁体に近く、酸化インジウムの粒子を形成するためインジウムと酸素が引き抜かれた部分は、他の部分と比べて導電性が高くなる。また酸化インジウムの粒子は、酸化物半導体層中に散在しているため、キャリアの移動を妨げない。以上から、酸化インジウムの粒子がＩＧＺＯ中に存在する酸化物半導体層は、高い導電性を有することとなる。

よってこのような高い導電性を有する酸化物半導体層を酸化物半導体トランジスタの酸化物半導体層として用いると、キャリアの移動度が向上し、酸化物半導体トランジスタのオン電流が高くなる。

開示される発明の一様態は、ゲート電極と、当該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで当該ゲート電極に重畳し、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。

開示される発明の一様態は、ゲート電極と、当該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該ゲート電極、並びに、当該ソース電極及びドレイン電極上に設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層とを有することを特徴とする半導体装置に関する。

開示される発明の一様態は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、当該酸化物半導体層、当該ソース電極及びドレイン電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。

開示される発明の一様態は、ソース電極及びドレイン電極と、当該ソース電極及びドレイン電極上に、ソース領域及びドレイン領域が重畳するように設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。

開示される発明の一様態により、導電性が高い酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタを提供することができる。

半導体装置の断面図。 半導体装置の断面図。 酸化物半導体層の断面ＴＥＭ写真。 酸化物半導体層をＴＥＭ−ＦＦＴで解析した結果を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。 酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す図。

以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本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、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置等を含む電気装置およびその電気装置を搭載した電子機器をその範疇とする。

なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、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。

図１及び図２に本実施の形態の酸化物半導体トランジスタの構成を示す。

図１（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ１０１は、基板１００上に下地絶縁膜１０２が設けられ、下地絶縁膜１０２上に形成されたゲート電極１０３と、下地絶縁膜１０２及びゲート電極１０３を覆うゲート絶縁膜１０４と、ゲート絶縁膜１０４を挟んでゲート電極１０３と重畳し、活性層として機能する酸化物半導体層１０５と、酸化物半導体層１０５のソース領域及びドレイン領域上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する電極１０６ａ及び電極１０６ｂとを有する。

図１（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ１０１は、ゲート電極１０３が酸化物半導体層１０５の下に形成されているボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極１０６ａ及び電極１０６ｂが酸化物半導体層１０５の上に形成されているトップコンタクト型である。

なお図１（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ１０１は、ゲート電極１０３上の酸化物半導体層１０５の領域（すなわちチャネル形成領域）が、エッチング等で他の領域より膜厚が薄くなっている。このようにチャネル形成領域の膜厚が薄いトランジスタを、チャネルエッチ型トランジスタと呼ぶこととする。図１（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ１０１は、チャネルエッチ型トランジスタだけでなく、チャネル形成領域上に保護絶縁膜を形成する、チャネル保護型トランジスタであってもよい。

図１（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ１１１は、基板１１０上に下地絶縁膜１１２が設けられ、下地絶縁膜１１２上に形成されたゲート電極１１３と、下地絶縁膜１１２及びゲート電極１１３を覆うゲート絶縁膜１１４と、ゲート絶縁膜１１４上に設けられソース電極及びドレイン電極として機能する電極１１６ａ及び電極１１６ｂと、ゲート絶縁膜１１４を挟んでゲート電極１１３上に設けられ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極１１６ａ及び電極１１６ｂ上に設けられ、活性層として機能する酸化物半導体層１１５とを有する。

なお図１（Ｂ）において、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極１１６ａ及び電極１１６ｂは、ゲート電極１１３と重畳していないが、必要であれば、電極１１６ａの一部及び電極１１６ｂの一部は、ゲート絶縁膜１１４を介して、それぞれゲート電極１１３に重畳していてもよい。

図１（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ１１１は、ゲート電極１１３が酸化物半導体層１１５の下に形成されているボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極１１６ａ及び電極１１６ｂが酸化物半導体層１１５の一部の下に形成されているボトムコンタクト型である。

図２（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ２０１は、基板２００上に下地絶縁膜２０２が設けられ、下地絶縁膜２０２上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層２０３と、酸化物半導体層２０３上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する電極２０４ａ及び電極２０４ｂと、酸化物半導体層２０３、電極２０４ａ及び電極２０４ｂ上のゲート絶縁膜２０６と、ゲート絶縁膜２０６を挟んで酸化物半導体層２０３のチャネル形成領域２０９上の重畳する位置に設けられたゲート電極２０７とを有する。

図２（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ２０１は、ゲート電極２０７が酸化物半導体層２０３の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極２０４ａ及び電極２０４ｂが酸化物半導体層２０３の上に形成されているトップコンタクト型である。

電極２０４ａ及び電極２０４ｂが酸化物半導体層２０３と重畳している領域２０８ａ及び領域２０８ｂは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。

また、チャネル形成領域２０９及び領域２０８ａとの間には領域２１１ａ、並びに、チャネル形成領域２０９及び領域２０８ｂとの間には領域２１１ｂが設けられており、オフセット領域として機能する。

図２（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２２１は、基板２２０上に下地絶縁膜２２２が設けられ、下地絶縁膜２２２上に形成された、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極２２４ａ及び電極２２４ｂと、活性層として機能し、電極２２４ａ及び電極２２４ｂそれぞれの上にソース領域及びドレイン領域が重畳するように設けられた酸化物半導体層２２３と、酸化物半導体層２２３、電極２２４ａ及び電極２２４ｂ上のゲート絶縁膜２２６と、ゲート絶縁膜２２６を挟んで酸化物半導体層２２３のチャネル形成領域２２９上の重畳する位置に設けられたゲート電極２２７を有する。

なお図２（Ｂ）において、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極２２４ａ及び電極２２４ｂは、ゲート電極２２７と重畳していないが、必要であれば、電極２２４ａの一部及び電極２２４ｂの一部は、酸化物半導体層２２３及びゲート絶縁膜２２６を介して、それぞれゲート電極２２７に重畳していてもよい。

図２（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２２１は、ゲート電極２２７が酸化物半導体層２２３の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極２２４ａ及び電極２２４ｂが酸化物半導体層２２３の下に形成されているボトムコンタクト型である。

電極２２４ａ及び電極２２４ｂそれぞれが酸化物半導体層２２３と重畳している領域２２８ａ及び領域２２８ｂは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。

また、チャネル形成領域２２９及び領域２２８ａとの間には領域２３１ａ、並びに、チャネル形成領域２２９及び領域２２８ｂとの間には領域２３１ｂが設けられており、オフセット領域として機能する。

図１（Ａ）の酸化物半導体トランジスタ１０１の酸化物半導体層１０５、図１（Ｂ）の酸化物半導体トランジスタ１１１の酸化物半導体層１１５、図２（Ａ）の酸化物半導体トランジスタ２０１の酸化物半導体層２０３、図２（Ｂ）の酸化物半導体トランジスタ２２１の酸化物半導体層２２３は、ＩＧＺＯ及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層である。

上述したように、ＩＧＺＯ及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層とは、ＩＧＺＯを構成する一部のインジウムと酸素が結合し、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）の結晶体が粒子としてＩＧＺＯ中に存在する酸化物半導体層である。

酸化インジウムは、エネルギーギャップが２．８ｅＶであるような絶縁体に近い半導体である。ＩＧＺＯを構成する一部のインジウムと酸素から、絶縁体に近い酸化インジウムの粒子が形成されると、当該ＩＧＺＯに電荷の偏りが生じる。すなわち、ＩＧＺＯのうち、酸化インジウムの粒子は絶縁体に近く、酸化インジウムの粒子を形成するためインジウムと酸素が引き抜かれた部分は、他の部分と比べて導電性が高い。また酸化インジウムの粒子は、酸化物半導体層に散在しているため、キャリアの移動を妨げない。以上から、酸化インジウムの粒子がＩＧＺＯ中に存在する酸化物半導体層は、高い導電性を有する。

そのため、ＩＧＺＯ及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタは、導電性が高い。導電性が高い酸化物半導体トランジスタは、例えばオン電流が高いという利点を有する。

図３は、本実施の形態に用いるＩＧＺＯ及び粒子を有する酸化物半導体層の断面ＴＥＭ写真である。

図３に示すＩＧＺＯ及び粒子を有する酸化物半導体層は、基板温度２５０℃、スパッタ法にて成膜した。

粒子をフーリエ変換透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ−Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＴＥＭ−ＦＦＴ）にて解析したところ、粒子は酸化インジウムであることが明らかになった。以下に粒子が酸化インジウムであることを説明する。

ＴＥＭ−ＦＦＴでは、得られた格子像のパターンをフーリエ変換することで、パターンのスポット位置を解析できる。これにより、結晶の面間隔や結晶面方位を解析することができる。

本実施の形態では、酸化物半導体層中の粒子をＴＥＭ−ＦＦＴにて解析したところ、結晶の面間隔を得た。酸化物半導体層中の粒子のｄ値として、Ａ：０．５０１ｎｍ、Ｂ：０．２６５ｎｍ、Ｃ：０．３０２ｎｍが得られた（図４参照）。酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）のｄ値は、Ａ：０．５０６ｎｍ、Ｂ：０．２７０ｎｍ、Ｃ：０．３２０ｎｍであるので、粒子の成分が酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）であることが示唆された。

図５乃至図１２に本実施の形態の酸化物半導体層を用いた酸化物半導体トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の関係を示す。

図５乃至図１２で用いた酸化物半導体トランジスタは、図１（Ａ）で示したボトムゲート・トップコンタクト型の酸化物半導体トランジスタ１０１である。図５で用いた酸化物半導体トランジスタ１０１において、下地絶縁膜１０２は、窒化珪素膜膜厚１００ｎｍに酸窒化珪素膜膜厚１５０ｎｍを積層したものを用いた。ゲート電極１０３は、タングステン（Ｗ）膜膜厚１００ｎｍを用いた。ゲート絶縁膜１０４は、酸素を含む窒化珪素膜膜厚１００ｎｍを用いた。

酸化物半導体層１０５は、膜厚３５ｎｍ、成膜圧力０．３Ｐａ、成膜パワー９ｋＷ（ＡＣ）、アルゴンに対する酸素（Ｏ_２）流量比＝５０％、基板温度１５０℃で成膜した。また上記条件で成膜後、窒素雰囲気中３５０℃で１時間焼成後、窒素及び酸素雰囲気中３５０℃で１時間焼成した酸化物半導体層（図５、図７、図９、図１１）、並びに、窒素雰囲気中４５０℃で１時間焼成後、窒素及び酸素雰囲気中４５０℃で１時間焼成した酸化物半導体層（図６、図８、図１０、図１２）を酸化物半導体層１０５とした。

電極１０６ａ及び電極１０６ｂは、チタン膜膜厚１００ｎｍ、アルミニウム膜膜厚４００ｎｍ、チタン膜膜厚１００ｎｍの積層した積層膜を用いて形成した。

また、チャネル長Ｌ及びチャネル幅Ｗが、３μｍ及び３μｍ（図５及び図６）、３μｍ及び５０μｍ（図７及び図８）、６μｍ及び５０μｍ（図９及び図１０）、並びに、１０μｍ及び５０μｍ（図１１及び図１２）の酸化物半導体トランジスタを作製した。

層間絶縁膜（図示しない）として、酸化珪素膜４００ｎｍ、及び感光性アクリル樹脂膜１５００ｎｍで酸化物半導体トランジスタ１０１を覆うように形成した。

また最後に窒素雰囲気中２５０℃で１時間焼成を行った。

図５乃至図１２に示すように、図５乃至図１２の酸化物半導体トランジスタは、オン電流に多少バラツキのあるものの、それぞれ高いオン電流を示した。よって本実施の形態により、オン電流の高い良好な酸化物半導体トランジスタを得ることができた。

１００ 基板
１０１ 酸化物半導体トランジスタ
１０２ 下地絶縁膜
１０３ ゲート電極
１０４ ゲート絶縁膜
１０５ 酸化物半導体層
１０６ａ 電極
１０６ｂ 電極
１１０ 基板
１１１ 酸化物半導体トランジスタ
１１２ 下地絶縁膜
１１３ ゲート電極
１１４ ゲート絶縁膜
１１５ 酸化物半導体層
１１６ａ 電極
１１６ｂ 電極
２００ 基板
２０１ 酸化物半導体トランジスタ
２０２ 下地絶縁膜
２０３ 酸化物半導体層
２０４ａ 電極
２０４ｂ 電極
２０６ ゲート絶縁膜
２０７ ゲート電極
２０８ａ 領域
２０８ｂ 領域
２０９ チャネル形成領域
２１１ａ 領域
２１１ｂ 領域
２２０ 基板
２２１ 酸化物半導体トランジスタ
２２２ 下地絶縁膜
２２３ 酸化物半導体層
２２４ａ 電極
２２４ｂ 電極
２２６ ゲート絶縁膜
２２７ ゲート電極
２２８ａ 領域
２２８ｂ 領域
２２９ チャネル形成領域
２３１ａ 領域
２３１ｂ 領域

Claims (1)

1. 酸化物半導体層と、
   前記酸化物半導体層と、ゲート絶縁膜を介して、重なる領域を有するゲート電極と、
   前記酸化物半導体層と電気的に接続された、ソース電極と、
   前記酸化物半導体層と電気的に接続された、ドレイン電極と、を有し、
   前記酸化物半導体層は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を有し、
   前記酸化物半導体層は、粒子を有し、
   前記粒子は、酸化インジウムを有し、
   前記酸化物半導体層は、インジウムと酸素とが引き抜かれた部分を有し、
   前記粒子は、前記酸化物半導体層に散在していることを特徴とする半導体装置。