JP6215430B2 - 酸化物膜、半導体装置 - Google Patents
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Description
む半導体装置およびその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイ
ス、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、発光素子を有する発光表示装置等を部品として搭
載した電子機器に関する。
全般を指し、電気光学装置、発光表示装置、および電子機器は全て半導体装置である。
ルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコン
を用いたトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応するこ
とができる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラ
ス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
する技術が注目されている。酸化物半導体として、例えば、酸化亜鉛、In−Ga−Zn
−O系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに
用いる技術が特許文献1および特許文献2で開示されている。
体膜と接する絶縁膜との界面の電子状態に影響されやすい。そのため、トランジスタの作
製中または作製後において、絶縁膜に接する酸化物半導体膜が非晶質状態であると、絶縁
膜と酸化物半導体膜との界面において欠陥状態密度が大きくなり、トランジスタの電気的
特性が不安定となりやすい。
特性が変化し、信頼性が低下するという問題がある。
、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。また、このような半導体装
置を実現する酸化物材料を提供することを課題の一とする。
ら見て少なくとも三角形状または六角形状の原子配列を有する、a軸またはb軸の向きが
異なる二種以上の結晶部分を含む酸化物材料である。
れ、c軸配向し、ab面、上面または被形成面に垂直な方向から見て少なくとも三角形状
または六角形状の原子配列を有する、a軸またはb軸の向きが異なる二種以上の結晶部分
を含む酸化物材料を形成しやすくなる。
よびアルミニウムから選ばれた二種以上の元素を含む。
法(PCVD法)、パルスレーザー堆積法(PLD法)、原子層堆積法(ALD法)また
は分子線エピタキシー法(MBE法)などによって形成することができる。
によって結晶化させることで、形成することができる。なお、酸化物材料の成膜条件によ
っては、積層後の加熱処理を行わなくても結晶化することもある。
酸化物層は、4配位の酸素原子(以下、4配位のO)を介して結合する酸化物材料である
。また、複数の金属層または金属酸化物層は、4配位の中心金属原子と、5配位の中心金
属原子と、5配位および6配位の両方をとりうる中心金属原子と、を有する酸化物材料で
ある。
料に用いることができる。なお、ゲート電極は、本発明の一態様に係る酸化物材料からな
る膜と金属膜との積層構造としてもよい。
電極およびドレイン電極の材料に用いることができる。なお、ソース電極およびドレイン
電極は、本発明の一態様に係る酸化物材料からなる膜と金属膜との積層構造としてもよい
。
領域に本発明の一態様に係る酸化物材料からなる膜を用いることができる。その場合、例
えば、トランジスタのソース電極およびドレイン電極として機能する導電膜と絶縁膜との
間に接して設ける。なお、該絶縁膜は、トランジスタのゲート絶縁膜、下地絶縁膜または
層間絶縁膜として機能する。
できる。また、このような半導体装置を実現する酸化物材料を提供することができる。
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更しうることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す
符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際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。
スタのソースとドレインは、一方をドレインと呼ぶとき他方をソースとする。すなわち、
電位の高低によって、それらを区別しない。したがって、本明細書において、ソースとさ
れている部分をドレインと読み替えることもできる。
位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位を言い換えることが可能で
ある。
、物理的な接続部分がなく、配線が延在している場合だけのこともある。
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。
本実施の形態では、それぞれ、c軸配向し、ab面、上面または被形成面に垂直な方向か
ら見て少なくとも三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸においては、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、ab面(または上面または被
形成面)において、a軸またはb軸の向きが異なる二種以上の結晶部分を含む酸化物(C
AAC酸化物:C Axis Aligned Crystalline Oxideと
もいう。)材料について説明する。
、六角形、正三角形、または正六角形の原子配列を有し、かつ、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が層状に配列した相を含む材料をいう。
、CAAC酸化物は結晶化した部分(結晶部分)を含むが、1つの結晶部分と他の結晶部
分の境界を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron
Microscope)による観察像では明確に判別できない。
酸化物を構成する個々の結晶部分のc軸は一定の方向(例えば、上面または被形成面に垂
直な方向)に揃っていてもよい。または、CAAC酸化物を構成する個々の結晶部分のa
b面の法線は一定の方向(例えば、上面または被形成面に垂直な方向)を向いていてもよ
い。
あったりする。また、その組成等に応じて、可視光に対して透明であったり不透明であっ
たりする。
向から観察すると三角形、または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察す
ると金属原子、または金属原子と酸素原子(または窒素原子)の層状配列が認められる材
料を挙げることもできる。
りがない限り、図1は上方向をc軸方向とし、c軸と直交する面をab面とする。なお、
単に上半分、下半分という場合、ab面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、
図1において、丸で囲まれたOは4配位のOを示し、二重丸で囲まれたOは3配位のOを
示す。
のOと、を有する構造を示す。このような金属原子1個に対して、近接の酸素原子のみ示
した構造を、ここでは小グループと呼ぶ。図1(A)の構造は、八面体構造をとるが、簡
単のため平面構造で示している。なお、図1(A)の上半分および下半分にはそれぞれ3
個ずつ4配位のOがある。
の酸素原子(以下3配位のO)と、近接の2個の4配位のOと、を有する構造を示す。3
配位のOは、いずれもab面に存在する。図1(B)の上半分および下半分にはそれぞれ
1個ずつ4配位のOがある。
のOと、による構造を示す。図1(C)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分に
は3個の4配位のOがある。
配位のOが足して4個のときに結合する。例えば、6配位の金属原子M_1が上半分の4
配位のOを介して結合する場合、4配位のOが3個であるため、5配位の金属原子M_2
の上半分の4配位のO、5配位の金属原子M_2の下半分の4配位のOまたは4配位の金
属原子M_3の上半分の4配位のOのいずれかと結合することになる。
電荷が0となるように小グループ同士が結合して1グループを構成する。なお、小グルー
プのいくつかの集合体を1グループと呼ぶ。
。
例えば、In原子の上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがあることを丸
枠の3として示している。同様に、図1(D)において、Sn原子の上半分および下半分
にはそれぞれ1個ずつ4配位のOがあり、丸枠の1として示している。また、同様に、図
1(D)において、下半分には1個の4配位のOがあり、上半分には3個の4配位のOが
あるZn原子と、上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがあ
るZn原子とを示している。
順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるIn原子が、上半分に1個の4配位
のOがあるZn原子と結合し、そのZn原子の下半分の3個の4配位のOを介してSn原
子の上半分の1個の4配位のOが結合し、そのSn原子の下半分の1個の4配位のOを介
して4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるIn原子と結合し、そのIn原子が
、上半分に1個の4配位のOがあるZn原子と結合し、そのZn原子の下半分の3個の4
配位のOを介してZn原子と結合し、そのZn原子の下半分の1個の4配位のOを介して
In原子が結合している構成である。この1グループを複数結合して1周期分である1ユ
ニットを構成する。
67、−0.5と考えることができる。例えば、In(6配位または5配位)、Zn(4
配位)、Sn(5配位または6配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+4である。した
がって、Snからなる小グループは電荷が+1となる。そのため、Snを含む層構造を形
成するためには、電荷+1を打ち消す電荷−1が必要となる。電荷−1をとる構造として
、図1(D)に示すように、Znの小グループが二つ結合した構造が挙げられる。例えば
、Snからなる小グループが1個に対し、Znの小グループが二つ結合した構造が1個あ
れば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を0とすることができる。
示した1グループを繰り返す構造とすることで、In−Sn−Zn−O系の結晶(In2
SnZn3O8)を得ることができる。なお、得られるIn−Sn−Zn−O系の層構造
は、In2SnZn2O7(ZnO)m(mは0または自然数。)とする組成式で表すこ
とができる。なお、In−Sn−Zn−O系の結晶は、mの数が大きいと結晶性が向上す
るため、好ましい。
−O系酸化物半導体(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn−O系酸化物半導体、
Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−A
l−Zn−O系酸化物半導体や、In−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Zn−O系酸化
物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系酸化物半導体、Sn−Mg
−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体や、In−Ga−O系酸化物半導体
などを用いた場合も同様である。
PLD法、ALD法またはMBE法などによって成膜する。なお、成膜時に基板を加熱す
ることで、非晶質部分に対して結晶部分の占める割合の多い酸化物膜とすることができる
。例えば、基板温度が150℃以上450℃以下とすればよい。好ましくは、基板温度が
200℃以上350℃以下とする。
の多いCAAC酸化物膜を成膜することができる。
非晶質部分に対して結晶部分の割合の多い酸化物膜とすることができる。第1の加熱処理
は、例えば200℃以上基板の歪み点未満で行えばよい。好ましくは、250℃以上45
0℃以下とする。雰囲気は限定されないが、酸化性雰囲気、不活性雰囲気または減圧雰囲
気(10Pa以下)で行う。処理時間は3分〜24時間とする。処理時間を長くするほど
非晶質部分に対して結晶部分の割合の多い酸化物膜を形成することができるが、24時間
を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。ただし、24時間を超えて加
熱処理を行っても構わない。
亜酸化窒素などであって、水、水素などが含まれないことが好ましい。例えば、加熱処理
装置に導入する酸素、オゾン、亜酸化窒素の純度を、8N(99.999999%)以上
、好ましくは9N(99.9999999%)以上(不純物濃度が10ppb以下、好ま
しくは0.1ppb未満)とする。酸化性雰囲気は、酸化性ガスを不活性ガスと混合して
用いてもよい。その場合、酸化性ガスが少なくとも10ppm以上含まれるものとする。
キセノン)などの不活性ガスを主成分とする雰囲気である。具体的には、酸化性ガスなど
の反応性ガスが10ppm未満とする。
とができる。RTAを用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で加熱処理
を行うことができる。そのため、非晶質部分に対して結晶部分の割合の多い酸化物膜を形
成するための時間を短縮することができる。
2の酸化物膜は、第1の酸化物膜と同様の方法から選択して成膜すればよい。
晶に、第2の酸化物膜を結晶化させることができる。このとき、第1の酸化物膜と第2の
酸化物膜が同一の元素から構成されることをホモ成長という。または、第1の酸化物膜と
第2の酸化物膜とが、少なくとも一種以上異なる元素から構成されることをヘテロ成長と
いう。
、第1の加熱処理と同様の方法で行えばよい。第2の加熱処理を行うことによって、非晶
質部分に対して結晶部分の割合の多い酸化物積層体とすることができる。または、第2の
加熱処理を行うことによって、第1の酸化物膜を種結晶に、第2の酸化物膜を結晶化させ
ることができる。このとき、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜が同一の元素から構成され
るホモ成長としても構わない。または、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜とが、少なくと
も一種以上異なる元素から構成されるヘテロ成長としても構わない。
n−O系の材料が採る代表的な組成比は、In:Sn:Zn=2:1:3[原子数比]、
In:Sn:Zn=2:1:4[原子数比]などが挙げられ、その近傍の組成比とすると
好ましい。例えば、図2に示したIn:Sn:Zn=36.5:15:48.5[原子数
比]などとしてもよい。また、In−Sn−Zn−O系の材料をターゲットに用いて、ス
パッタリング法によってIn−Sn−Zn−O系酸化物膜を成膜する場合、Znが蒸発し
て失われやすいため、所望の組成比に対してZnの割合の高いターゲットを用いる。例え
ばZnを50原子%以上含ませると好ましい。なお、組成式InaSnbZncOxで表
される酸化物がIn2SnZn4Oxの近傍の組成比という場合、a、b、cが2つの方
程式a+b+c=7、(a−2)2+(b−1)2+(c−4)2≦0.25を満たす。
スタの電気的特性が報告されており、電界効果移動度30cm2/Vsが得られている(
Eri Fukumoto, Toshiaki Arai, Narihiro Mo
rosawa, Kazuhiko Tokunaga, Yasuhiro Tera
i, Takashige Fujimori and Tatsuya Sasaok
a、 「High Mobility Oxide Semiconductor TF
T for Circuit Integration of AM−OLED」、 I
DW’10 p631−p634)。
本実施の形態では、実施の形態1で示したCAAC酸化物材料を用いたトランジスタにつ
いて、図3乃至図9を用いて説明する。
る。図3(A)にトランジスタの上面図を、図3(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面
A−Bを図3(B)に示す。
絶縁膜102の周辺に設けられた保護絶縁膜104と、下地絶縁膜102および保護絶縁
膜104上に設けられた高抵抗領域106aおよび低抵抗領域106bを有する酸化物半
導体膜106と、酸化物半導体膜106上に設けられたゲート絶縁膜108と、ゲート絶
縁膜108を介して高抵抗領域106aと重畳して設けられたゲート電極110と、ゲー
ト電極110の側面と接する側壁絶縁膜112と、少なくとも低抵抗領域106bおよび
側壁絶縁膜112と接する一対の電極114と、を有する。該トランジスタは、該トラン
ジスタを覆って設けられた層間絶縁膜116と、層間絶縁膜116に設けられた開口部を
介して一対の電極114と接続する配線118と、を有しても構わない。
化物半導体膜106に実施の形態1に示したCAAC酸化物膜を用いることで、電界効果
移動度が高く、かつ信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
化物半導体膜106の低抵抗領域106bを形成することができる。そのため、低抵抗領
域106b(および同時に形成される高抵抗領域106a)のためのフォトリソグラフィ
工程を省略することができる。また、低抵抗領域106bとゲート電極110との重なり
がほとんどないため、低抵抗領域106bおよびゲート電極110の重なりによる寄生容
量が生じず、トランジスタの高速動作が可能となる。なお、高抵抗領域106aは、ゲー
トにトランジスタのしきい値電圧以上の電圧が印加されたときにチャネルを形成する。
時には、低抵抗領域106bを介して、一対の電極114から高抵抗領域106aに電界
が印加されることになる。低抵抗領域106bを介することで、高抵抗領域106a端部
の電界集中が緩和され、チャネル長の小さい微細なトランジスタにおいてもホットキャリ
ア劣化などの劣化を抑制でき、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
半導体膜106と接する膜に加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いることで、酸化
物半導体膜106および酸化物半導体膜106の界面近傍に生じる酸素欠損を修復するこ
とができ、トランジスタの電気的特性の劣化を抑制できる。
有することが好ましい。具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.
3nm以下となるように下地絶縁膜102を設ける。なお、Raは、JIS B0601
で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであ
り、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、数式1にて定義
される。
1)(x2,y2)で表される4点によって囲まれる長方形の領域)の面積を指し、Z0
は測定面の平均高さを指す。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force
Microscope)にて評価可能である。
ン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イ
ットリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタルおよび酸化マグネシウムの一種
以上を選択して、単層または積層で用いればよい。
n Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて放出される酸素が酸素原
子に換算して1.0×1018atoms/cm3以上、または3.0×1020ato
ms/cm3以上であることをいう。
してこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
び絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量(NO2)は、数式2で求め
ることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるガスの全てが酸
素分子由来と仮定する。質量数32のガスとしてほかにCH3OHがあるが、存在する可
能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の
酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比
率が極微量であるため考慮しない。
料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、N
H2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析したときのイオン強度の積分値であ
る。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式2の詳細に関して
は、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子
科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として
1×1016atoms/cm3の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。
の放出量の2倍となる。
iOX(X>2))であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン(SiOX(X>2))
とは、シリコン原子数の2倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位
体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定し
た値である。
106と下地絶縁膜102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、酸化物半導体膜106と下地絶縁膜102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、電気的特性の劣化の少ないトランジスタを得ることが
できる。
化物半導体膜の酸素欠損は、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。そこで、下地絶縁
膜102から酸化物半導体膜106に酸素が十分に供給されることにより、しきい値電圧
がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体膜106の酸素欠損を低減するこ
とができる。
の温度範囲において、例えば1時間の加熱処理を行っても酸素を透過しない性質を有する
と好ましい。
ることで、下地絶縁膜102から加熱処理によって放出された酸素が、トランジスタの外
方へ拡散していくことを抑制できる。そのため、下地絶縁膜102に酸素が保持され、ト
ランジスタの電気的特性および信頼性を高めることができる。
ニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セ
シウム、酸化タンタルおよび酸化マグネシウムの一種以上を選択して、単層または積層で
用いればよい。
直接的にトランジスタを作製する。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法と
しては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可と
う性基板である基板100に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトラ
ンジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
aおよびW、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一種以上選択し、単層でまたは積
層で用いればよい。なお、実施の形態1で示したCAAC酸化物膜を用いても構わない。
ればよい。
ばよい。
ばよい。
。
純物が含まれないようにすると好ましい。例えば、基板100などの表面に付着している
不純物も膜に取り込まれてしまう。そのため、各層の成膜前に減圧雰囲気または酸化性雰
囲気にて加熱処理を行い、基板100などの表面に付着している不純物を除去しておくこ
とが好ましい。また、成膜室に存在する不純物も問題となるため、あらかじめ除去してお
くと好ましい。具体的には、成膜室をベーキングすることで成膜室内部からの脱ガスを促
し、排気しておくことが好ましい。また、各層の成膜前(または成膜室の大気開放後)に
は、5分程度のダミー成膜をダミー基板100枚程度に対し行っておくと好ましい。なお
、ダミー成膜を1枚行うごとに成膜室の排気を行うとより好ましい。ここで、ダミー成膜
とは、ダミー基板に対してスパッタリングなどによる成膜を行うことをいう。ダミー成膜
によって、ダミー基板及び成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物及び成膜室内壁
に存在する吸着物を膜中に閉じこめることができる。ダミー基板は、放出ガスの少ない材
料が好ましく、例えば基板100と同様の材料を用いてもよい。ダミー成膜を行うことで
、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。
スを用いることが好ましい。スパッタリング法を用いる場合、例えば、純度が9Nである
アルゴンガス(露点−121℃、水0.1ppb、水素0.5ppb)および純度が8N
の酸素(露点−112℃、水1ppb、水素1ppb)のガスを用いればよい。
はMBE法などを用いて、下地絶縁膜102として示した材料から選択し、下地絶縁膜1
52を成膜する(図5(A)参照。)。
2を形成する(図5(B)参照。)。
を用いて、保護絶縁膜104として示した材料から選択し、保護絶縁膜154を成膜する
(図5(C)参照。)。
ing)処理によって、下地絶縁膜102と上面の揃った保護絶縁膜104を形成する(
図5(D)参照。)。なお、下地絶縁膜102と保護絶縁膜104とは、概略上面の高さ
が一致していればよい。
ソグラフィ工程などによって加工して酸化物半導体膜156を形成する(図5(E)参照
。)。このとき行われる加熱処理によって、下地絶縁膜102から酸化物半導体膜へ酸素
が供給される。
法は、いずれもスパッタリング法、蒸着法、PCVD法、PLD法、ALD法またはMB
E法などを用いて、それぞれゲート絶縁膜108、ゲート電極110で示した材料から選
択して成膜すればよい。
形成する(図6(A)参照。)。
抵抗値を低減する不純物120を添加し、高抵抗領域106aおよび低抵抗領域106b
を有する酸化物半導体膜106を形成する(図6(B)参照。)。なお、不純物120は
、リン、窒素またはホウ素などを用いればよい。不純物120の添加後に250℃以上6
50℃以下の温度で加熱処理を行ってもよい。なお、不純物120は、イオン注入法を用
いて添加すると、イオンドーピング法を用いて不純物120を添加した場合と比べ、酸化
物半導体膜106中への水素の添加が少なくなるため好ましい。ただし、イオンドーピン
グ法を除外するものではない。
に不純物120の添加する際に生じるダメージを低減することができる。
はMBE法などを用いて、側壁絶縁膜112として示した材料から選択し、成膜する(図
6(C)参照。)。
ングは、異方性の高いエッチングであり、側壁絶縁膜112は、絶縁膜162に異方性の
高いエッチング工程を行うことで自己整合的に形成することができる。ここで、異方性の
高いエッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、エッチングガスとして
、トリフルオロメタン(CHF3)、オクタフルオロシクロブタン(C4F8)、テトラ
フルオロメタン(CF4)などのフッ素を含むガスを用いることができ、ヘリウム(He
)やアルゴン(Ar)などの希ガスまたは水素(H2)を添加しても良い。さらに、ドラ
イエッチングとして、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング法(RIE
法)を用いるのが好ましい。
成することができる(図6(D)参照。)
E法などを用いて成膜し、フォトリソグラフィ工程などによって該導電膜を加工し、一対
の電極114を形成する(図7(A)参照。)。
またはMBE法などを用いて成膜し、一対の電極114を露出する開口部を設ける。次に
、導電膜をスパッタリング法、蒸着法、PCVD法、PLD法、ALD法またはMBE法
などを用いて成膜し、フォトリソグラフィ工程などによって、該導電膜を加工して、一対
の電極114のそれぞれと接する配線118を形成する(図7(B)参照。)。なお、層
間絶縁膜116として、少なくとも一部に20nm以上、好ましくは50nm以上、さら
に好ましくは100nm以上の厚さを有する酸化アルミニウム膜を用いると好ましい。酸
化アルミニウム膜を用いることによって、トランジスタの外部から水素または水などのト
ランジスタの電気的特性に悪影響を及ぼす不純物の侵入を抑制できる。また、下地絶縁膜
102から放出された酸素がトランジスタから外方拡散することを抑制できる。これらの
効果は、酸化アルミニウム膜の膜質にもよるが、ある程度の厚さが必要とされる。ただし
、あまりに酸化アルミニウム膜を厚くしすぎると生産性が低下してしまうため、適切な厚
さを選択するとよい。
る。図4(A)にトランジスタの上面図を、図4(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面
A−Bを図4(B)に示す。
絶縁膜103の溝部に設けられた一対の電極115と、下地絶縁膜103および一対の電
極115上に設けられた高抵抗領域106aおよび低抵抗領域106bを有する酸化物半
導体膜106と、酸化物半導体膜106上に設けられたゲート絶縁膜109と、ゲート絶
縁膜109を介して高抵抗領域106aと重畳して設けられたゲート電極111と、を有
する。該トランジスタは、該トランジスタを覆って設けられた層間絶縁膜117と、層間
絶縁膜117、ゲート絶縁膜109および酸化物半導体膜106に設けられた開口部を介
して一対の電極115と接続する配線119と、を有しても構わない。
層間絶縁膜117および配線119は、それぞれ下地絶縁膜102、ゲート絶縁膜108
、ゲート電極110、一対の電極114、層間絶縁膜116および配線118と同様の材
料および同様の方法で形成すればよい。
している点で図3(B)に示すトランジスタと異なる。このような構造とすることで、一
対の電極115を形成する際に、同時に酸化物半導体膜106の一部がプラズマや薬液な
どに曝されることがないため、酸化物半導体膜106を薄く形成する場合(例えば、5n
m以下の厚さで形成する場合)などに好ましい構造である。
(図8(D)参照。)。
56の抵抗値を低減する不純物120を添加し、高抵抗領域106aおよび低抵抗領域1
06bを有する酸化物半導体膜106を形成する(図9(B)参照。)。
導電膜を成膜し、該導電膜を加工して、一対の電極115のそれぞれと接する配線119
を形成する(図9(C)参照。)。
用いているため、電界効果移動度が高く、かつ信頼性の高いトランジスタを得ることがで
きる。
本実施の形態では、実施の形態2に示したトランジスタを用いて作製した液晶表示装置に
ついて説明する。なお、本実施の形態では液晶表示装置に本発明の一態様を適用した例に
ついて説明するが、これに限定されるものではない。例えば、EL(Electrolu
minescence)表示装置に本発明の一態様を適用することも、当業者であれば容
易に想到しうるものである。
、ソース線SL_1乃至SL_a、ゲート線GL_1乃至GL_b、および複数の画素2
00を有する。画素200は、トランジスタ230と、キャパシタ220と、液晶素子2
10と、を含む。こうした画素200をマトリクス状に配置することで液晶表示装置の画
素部を構成する。なお、単にソース線またはゲート線を指す場合には、ソース線SLまた
はゲート線GLと記載する。
実施の形態2で示したトランジスタを用いることで、消費電力が小さく、電気的特性が良
好かつ信頼性の高い液晶表示装置を得ることができる。なお、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタとそのほかのトランジスタとを区別するために、トランジスタ230で示す記号
を用いる。
0のソースと接続し、トランジスタ230のドレインは、キャパシタ220の一方の容量
電極と、液晶素子210の一方の画素電極と、それぞれ接続する。キャパシタ220の他
方の容量電極および液晶素子210の他方の画素電極は、共通電極と接続する。なお、共
通電極はゲート線GLと同一層かつ同一材料で設けてもよい。
に示したトランジスタを含んでもよい。該トランジスタはオフ電流を小さくでき、またオ
ンのための電圧を小さくすることができる。そのため、消費電力を低減することができる
。
に示したトランジスタを含んでもよい。該トランジスタはオフ電流を小さくでき、またオ
ンのための電圧を小さくすることができる。そのため、消費電力を低減することができる
。
板上に形成し、COG(Chip On Glass)、ワイヤボンディング、またはT
AB(Tape Automated Bonding)などの方法を用いて接続しても
よい。
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。
ソース線SLから供給された電荷がトランジスタ230のドレイン電流となってキャパシ
タ220に電荷が蓄積される。一行分の充電後、該行にあるトランジスタ230はオフ状
態となり、ソース線SLから電圧が印加されなくなるが、キャパシタ220に蓄積された
電荷によって必要な電圧を維持することができる。その後、次の行のキャパシタ220の
充電を行う。このようにして、1行〜b行の充電を行う。
に保持された電荷が抜けにくく、キャパシタ220の容量を小さくすることが可能となる
ため、充電に必要な消費電力を低減することができる。
ンジスタなど)を用いる場合、電圧を維持する期間を長くすることができる。この効果に
よって、動きの少ない画像(静止画を含む。)では、表示の書き換え周波数を低減でき、
さらなる消費電力の低減が可能となる。また、キャパシタ220の容量をさらに小さくす
ることが可能となるため、充電に必要な消費電力を低減することができる。
、消費電力の小さい液晶表示装置を得ることができる。
本実施の形態では、実施の形態2に示したトランジスタを用いて、半導体記憶装置を作製
する例について説明する。
てキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶するDRAM(Dynamic Ra
ndom Access Memory)、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内
容を保持するSRAM(Static Random Access Memory)が
ある。
域との間にフローティングゲートを有し、当該フローティングゲートに電荷を保持するこ
とで記憶を行うフラッシュメモリがある。
スタを適用することができる。
について図11を用いて説明する。
タTrと、キャパシタCと、を有する(図11(A)参照。)。
(B)に示すように徐々に低減していくことが知られている。当初V0からV1まで充電
された電位は、時間が経過するとdata1を読み出す限界点であるVAまで低減する。
この期間を保持期間T_1とする。即ち、2値メモリセルの場合、保持期間T_1の間に
リフレッシュをする必要がある。
が低いため、保持期間T_1を長くすることができる。即ち、リフレッシュの頻度を少な
くすることが可能となるため、消費電力を低減することができる。
さらに長くすることが可能となるため、さらに消費電力を低減することができる。例えば
、オフ電流が1×10−21A以下、好ましくは1×10−24A以下となった実施の形
態2で示したトランジスタでメモリセルを構成すると、電力を供給せずに数日間〜数十年
間に渡ってデータを保持することが可能となる。
置を得ることができる。
あるメモリセルについて図12を用いて説明する。
トランジスタTr_1のゲートと接続するゲート線GL_1と、トランジスタTr_1の
ソースと接続するソース線SL_1と、トランジスタTr_2と、トランジスタTr_2
のソースと接続するソース線SL_2と、トランジスタTr_2のドレインと接続するド
レイン線DL_2と、キャパシタCと、キャパシタCの一端と接続する容量線CLと、キ
ャパシタCの他端、トランジスタTr_1のドレインおよびトランジスタTr_2のゲー
トと接続するフローティングゲートFGと、を有する。
ランジスタTr_2のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図1
2(B)は容量線CLの電位VCLと、トランジスタTr_2を流れるドレイン電流ID
_2との関係を説明する図である。
ことができる。例えば、ソース線SL_1の電位をVDDとする。このとき、ゲート線G
L_1の電位をトランジスタTr_1のしきい値電圧VthにVDDを加えた電位以上と
することで、フローティングゲートFGの電位をHIGHにすることができる。また、ゲ
ート線GL_1の電位をトランジスタTr_1のしきい値電圧Vth以下とすることで、
フローティングゲートFGの電位をLOWにすることができる。
CL−ID_2カーブのいずれかを得ることができる。即ち、FG=LOWでは、VCL
=0Vにてドレイン電流ID_2が小さいため、データ0となる。また、FG=HIGH
では、VCL=0Vにてドレイン電流ID_2が大きいため、データ1となる。このよう
にして、データを記憶することができる。
り、該トランジスタのオフ電流を極めて小さくすることができるため、フローティングゲ
ートFGに蓄積された電荷がトランジスタTr_1を通して意図せずにリークすることを
抑制できる。そのため、長期間に渡ってデータを保持することができる。
い。
体記憶装置を得ることができる。
本実施の形態では、実施の形態2乃至4を適用した電子機器の例について説明する。
マイクロフォン302と、表示部303と、スピーカ304と、カメラ305と、を具備
し、携帯型電話機としての機能を有してもよい。実施の形態3に示した表示装置を、表示
部303およびカメラ305に適用することができる。また、図示しないが、筐体300
内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に、実施の形態4に示した半導体記憶装置
を適用することもできる。
、を具備する。実施の形態3に係る表示装置を、表示部311に適用することができる。
また、本発明の一態様に係るトランジスタを用いることで、表示部311のサイズを大き
くしたときにも消費電力が小さく、表示品位の高いディスプレイとすることができる。
、ボタン321と、マイクロフォン322と、表示部323と、を具備する。実施の形態
3に示した表示装置を、表示部323に適用することができる。また、図示しないが、筐
体320内部に含まれる記憶回路またはイメージセンサに実施の形態4に示した半導体記
憶装置を適用することもできる。
器を提供することができる。
102 下地絶縁膜
103 下地絶縁膜
104 保護絶縁膜
106 酸化物半導体膜
108 ゲート絶縁膜
109 ゲート絶縁膜
110 ゲート電極
111 ゲート電極
112 側壁絶縁膜
114 一対の電極
115 一対の電極
116 層間絶縁膜
117 層間絶縁膜
118 配線
119 配線
120 不純物
152 下地絶縁膜
153 下地絶縁膜
154 保護絶縁膜
156 酸化物半導体膜
158 絶縁膜
160 導電膜
161 導電膜
162 絶縁膜
165 導電膜
200 画素
210 液晶素子
220 キャパシタ
230 トランジスタ
300 筐体
301 ボタン
302 マイクロフォン
303 表示部
304 スピーカ
305 カメラ
310 筐体
311 表示部
320 筐体
321 ボタン
322 マイクロフォン
323 表示部
Claims (2)
- In2SnZn2O7(ZnO)m(mは0または自然数。)で表される酸化物膜であって、
前記酸化物膜は、非単結晶であり、
前記酸化物膜は、結晶を有し、
前記結晶は、前記酸化物膜の表面に垂直な方向に沿うc軸を有することを特徴とする酸化物膜。 - 酸化物半導体膜をトランジスタのチャネルとして有し、
前記酸化物半導体膜はIn2SnZn2O7(ZnO)m(mは0または自然数。)で表され、
前記酸化物半導体膜は、非単結晶であり、
前記酸化物半導体膜は、結晶を有し、
前記結晶は、前記酸化物半導体膜の表面に垂直な方向に沿うc軸を有することを特徴とする半導体装置。
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