JP6330066B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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及び
特許文献2で開示されている。
よびドレイン領域と、ソース電極およびドレイン電極との間に、緩衝層として導電性の高
い窒素を含む酸化物半導体を設け、酸化物半導体と、ソース電極およびドレイン電極との
コンタクト抵抗を低減する技術が開示されている。
成したトップゲート構造の非晶質酸化物半導体トランジスタが開示されている。
いる。そこで本発明の一態様では、酸化物半導体を含み、高速動作が可能なトランジスタ
及びその作製方法を提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを含む信頼
性の高い半導体装置及びその作製方法を提供することを課題の一とする。
られ、チャネル形成領域よりも低抵抗な領域であるソース領域及びドレイン領域を含み、
チャネル形成領域、ソース領域及びドレイン領域はそれぞれ結晶性領域を含む酸化物半導
体層を有する半導体装置である。より具体的には、例えば以下の構成とすることができる
。
酸化物半導体層と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介
してチャネル形成領域上に設けられたゲート電極と、を有し、ソース領域及びドレイン領
域は、窒素を含む結晶性領域である半導体装置である。
結晶性酸化物半導体層と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁層と、ゲート絶縁
層を介してチャネル形成領域上に設けられたゲート電極と、開口部を有し、結晶性酸化物
半導体層及びゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層に設けられた開口部を介して、
ソース領域及びドレイン領域とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極と、を有し、
ソース領域及びドレイン領域は、窒素を含む結晶性領域である半導体装置である。
領域よりも結晶性が高くてもよい。
に第1の絶縁層を形成し、第1の絶縁層を介して結晶性酸化物半導体層上にゲート電極を
形成し、ゲート電極をマスクとして、第1の絶縁層をエッチングすることでゲート絶縁層
を形成し、結晶性酸化物半導体層においてゲート絶縁膜に覆われていない部分に窒素プラ
ズマ処理を行うことにより、結晶性酸化物半導体層に窒素を含む結晶性領域を形成する半
導体装置の作製方法である。
層を形成し、酸化物半導体層に熱処理を施して、結晶性酸化物半導体層とし、第1の絶縁
層を介して結晶性酸化物半導体層上にゲート電極を形成し、ゲート電極をマスクとして、
第1の絶縁層をエッチングすることでゲート絶縁層を形成し、結晶性酸化物半導体層にお
いてゲート絶縁膜に覆われていない部分に窒素プラズマ処理を行うことにより、結晶性酸
化物半導体層に窒素を含む結晶性領域を形成し、結晶性酸化物半導体層及びゲート電極を
覆う第2の絶縁層を形成し、第2の絶縁層において、ソース領域及びドレイン領域と重畳
する領域にそれぞれ開口部を形成し、第2の絶縁層上に、開口部を介してソース領域及び
ドレイン領域とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極を形成する半導体装置の作製
方法である。
導体層である。結晶性酸化物半導体層における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な状態
でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。
AC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide S
emiconductor)膜を形成することができる。
は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜であ
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。
ル又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軸及び
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。又、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。
C−OS膜の形成過程において、結晶性酸化物半導体層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。
ル又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
の断面形状又は表面の断面形状)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又
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、又は成膜後に
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。
によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすること
ができる。
を限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」との表現であれば、
ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、「下」
の用語についても同様である。
的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることが
あり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」という用語は、複数の「電
極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
製方法を提供することができる。
ができる。
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。したがって、本発明は以下の記載内容に限定して解釈されるものではな
い。なお、以下の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。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書等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、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一態様を図1及び図2を用い
て説明する。
)は平面図であり、図1(B)及び図1(C)は、図1(A)におけるA−B断面及びC
−D断面に係る断面図である。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510の構成要素の一部(例えば、絶縁層412など)を省略して図示してい
る。
と、ソース領域404a、ドレイン領域404b及びチャネル形成領域404cを含む結
晶性酸化物半導体層404と、ゲート絶縁層406と、ゲート電極410と、開口部を有
する絶縁層412と、絶縁層412の開口部を介してソース領域404aと接するソース
電極415aと、絶縁層412の開口部を介してドレイン領域404bと接するドレイン
電極415bとを含んで構成される。なお、下地絶縁層402及び絶縁層412は、必ず
しもトランジスタ510の構成要素としなくともよい。
ス領域404a及びドレイン領域404bは、窒素を含んで構成された結晶性酸化物半導
体層であり、チャネル形成領域404cと比較して低抵抗な領域である。
、窒素プラズマ処理によって窒素を意図的に含ませることにより形成される。よって、チ
ャネル形成領域404cと比較してキャリア密度が高い領域である。このようにキャリア
密度の高い領域において、金属で構成されるソース電極415aまたはドレイン電極41
5bと、結晶性酸化物半導体層404とがそれぞれ接することで、結晶性酸化物半導体層
404とソース電極415a又はドレイン電極415bとのコンタクトをオーミック性の
コンタクトとすることができ、また、そのコンタクト抵抗を低減させることができる。そ
れらの結果として、トランジスタ510のオン電流を増加させることができる。
半導体層は、n型の導電型を有し、n+層と表記することもある。
びチャネル形成領域404cは、それぞれ結晶を含む領域(結晶性領域ともいう)である
。結晶性酸化物半導体層における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な状態でも、一定の
配向性を有する状態であってもよい。
結晶性領域とすることで、ソース領域404aとチャネル形成領域404c、及びドレイ
ン領域404bとチャネル形成領域404cの接合状態を良好とすることができる。また
、ソース領域404a、ドレイン領域404b、及びチャネル形成領域404cをそれぞ
れ結晶性領域とすることで結晶性酸化物半導体層404におけるバンド内準位を低減させ
ることができる。したがって、トランジスタ特性を向上させることができる。また、トラ
ンジスタ510の信頼性を向上させることができる。
。
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、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、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板40
0として用いてもよい。
基板上に酸化物半導体膜を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸
化物半導体膜を含むトランジスタを作製し、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膜を含
むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
ン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウ
ム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を含む膜から選ばれた、単層
または積層構造とすることができる。但し、下地絶縁層402は、酸化物絶縁膜を含む単
層または積層構造として、該酸化物絶縁膜が後に形成される酸化物半導体層と接する構造
とするのが好ましい。本実施の形態においては、下地絶縁層402として、酸化シリコン
膜をプラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成する。
域とも表記する)を有すると、下地絶縁層402に含まれる過剰な酸素によって、後に形
成される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ため好ましい。下地絶縁
層402が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体層と接する層において酸素過剰領
域を有するのが好ましい。下地絶縁層402に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素
雰囲気下にて下地絶縁層402を成膜すればよい。または、成膜後の下地絶縁層402に
、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を注入し
て、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の注入方法としては、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注入法、プラズマ処理などを用いることができ
る。
30nm以下の酸化物半導体層を形成する。
性酸化物半導体としてもよい。但し、該酸化物半導体層を非晶質構造とする場合には、後
の作製工程(少なくとも窒素プラズマ処理工程の前まで)において、酸化物半導体層に熱
処理を行うことによって、結晶性酸化物半導体層を形成するものとする。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。
る(図2(A)参照)。
lar Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(At
omic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。
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、水酸基また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、および希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる
。
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、排気手
段としては、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、水素原子、水(H2O)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)等が排気されるため、当該成膜室で
成膜した結晶性酸化物半導体層401aに含まれる不純物の濃度を低減できる。
形成することが好ましい。下地絶縁層402と結晶性酸化物半導体層401aとを大気に
曝露せずに連続して形成すると、下地絶縁層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。
も、結晶性酸化物半導体層401a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)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZn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。
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。
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、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。
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G
aとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
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、In2SnO5
(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
a:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)の原子比の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。
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。
ら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上
げることができる。
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)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+
(c−C)2≦r2を満たすことを言う。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。
ば、酸素100%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど)で成膜して、酸
素を多く含む(好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸
素の含有量が過剰な領域が含まれている)膜とすることが好ましい。
比として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol比]の金属酸化物ター
ゲットを用い、In−Ga−Zn膜を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成に
限定されず、例えば、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol比]の金属
酸化物ターゲットを用いてもよい。
99.9%以下である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜し
た酸化物半導体層は緻密な膜とすることができる。
ゲットを用いてスパッタリング法によって成膜する。また、結晶性酸化物半導体層401
aを成膜する際の雰囲気を、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、ま
たは希ガスと酸素の混合雰囲気下とし、成膜温度を200℃以上450℃以下として成膜
を行うことで、結晶領域を有する酸化物半導体層である結晶性酸化物半導体層401aを
形成する。
る。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20
0℃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70
0℃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
目の膜厚を薄く成膜した後、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。
性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の
平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体
的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好ましくは
0.1nm以下の表面上に形成するとよい。
れている算術平均粗さを曲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」で表現でき、以下の式にて定義される
。
1)),(x1,y2,f(x1,y2)),(x2,y1,f(x2,y1)),(x
2,y2,f(x2,y2))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面に
投影した長方形の面積をS0、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZ0とする。Ra
は原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて測
定可能である。
域に、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 Polishi
ng: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。
タリングを行うことができる。
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、下地絶縁層402表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
れる過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための熱処理
を行うのが好ましい。熱処理の温度は、代表的には200℃以上基板400の歪み点未満
、好ましくは250℃以上450℃以下とする。
例えば、脱水化又は脱水素化処理後の結晶性酸化物半導体層401aに含まれる水素濃度
を、5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下とすることができ
る。
あって窒素プラズマ処理工程前であれば、トランジスタ510の作製工程においてどのタ
イミングで行ってもよい。ただし、脱水化又は脱水素化のための熱処理を結晶性酸化物半
導体層401aの島状への加工前に行うと、下地絶縁層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。
水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリ
ウム、ネオン、アルゴン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0.1p
pm以下)とすることが好ましい。
、高純度の一酸化二窒素ガス、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−5
5℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)を導入しても
よい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。
または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ま
しくは7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒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。酸素ガス又は一酸化二窒素ガス
の作用により、脱水化また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、結晶
性酸化物半導体層401aを高純度化及びi型(真性)化することができる。
化物半導体層401に加工する。なお、島状の結晶性酸化物半導体層401を形成するた
めのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェ
ット法で形成すると、フォトマスクを使用しないため、半導体装置の製造コストを低減す
ることができる。
等により、絶縁層403を形成する(図2(B)参照)。絶縁層403は、後の工程でパ
ターン形成されてゲート絶縁層として機能する層である。絶縁層403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。
ート(HfSixOyx>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(H
fSiOxNy(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(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。
は、酸化物絶縁膜が好ましい。本実施の形態では、絶縁層403として、結晶性酸化物半
導体層401に接する側から酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜とを積層させた絶縁層
を用いる。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効果(ブロック効果)が高く、結晶性酸化物半導体層401からの酸
素の放出を防止することができるため、好ましく用いることができる。
、結晶性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ため好ましい。絶縁層4
03に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層403を成膜すれば
よい。または、成膜後の絶縁層403に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、
酸素イオンのいずれかを含む)を注入して、酸素過剰領域を形成しても良い。
へ酸素を注入することで、結晶性酸化物半導体層401に酸素過剰領域を形成してもよい
。酸素の注入を、結晶性酸化物半導体層401に積層された膜越しに行うと、酸素の注入
深さ(注入領域)がより制御しやすくなるため、結晶性酸化物半導体層401中へ酸素を
効率よく注入できるという利点がある。一方で、結晶性酸化物半導体層401が露出した
状態で酸素の注入を行うと、結晶性酸化物半導体層401の表面の平坦性を向上させるこ
とができる。
、また通過させる絶縁層403の膜厚を適宜設定して制御すればよい。酸素注入処理によ
って結晶性酸化物半導体層401の酸素の含有量を、その化学量論的組成比を超える程度
とするのが好ましい。例えば、酸素注入処理によって導入された結晶性酸化物半導体層4
01における酸素濃度のピークを1×1018/cm3以上5×1021/cm3以下と
するのが好ましい。
有する場合、絶縁層403を成膜後に熱処理を行うのが好ましい。熱処理の温度は、例え
ば、250℃以上450℃以下とする。該熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気、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、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。
まう酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸素を含有する絶縁層(図
2(B)では絶縁層403)より結晶性酸化物半導体層401へ供給することができる。
これによって、結晶性酸化物半導体層401を高純度化及びi型(真性)化することがで
きる。また、結晶性酸化物半導体層401に酸素過剰領域を形成することで、酸素欠損を
補填することができるため、結晶性酸化物半導体層401中の電荷捕獲中心を低減するこ
とができる。なお、熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されない。
に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。よって、脱
水化又は脱水素化処理を行った結晶性酸化物半導体層404に、酸素を供給することによ
り、膜中の酸素欠損を補填することができるため、好ましい。このような結晶性酸化物半
導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧
Vthのばらつき、しきい値電圧のシフト(変動)を低減することができる。また、しき
い値電圧をプラスシフトさせ、トランジスタをノーマリーオフ化することもできる。
れる結晶構造が乱されて非晶質化することがあるが、上述の酸素欠陥の補填を目的とした
熱処理を行うことによって、再度結晶化することが可能である。
なる導電膜を成膜し、これを加工してゲート電極410を形成する。ゲート電極410は
、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、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、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成
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410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410は、単層構造としてもよいし
積層構造としてもよい。
406を形成すると共に、結晶性酸化物半導体層401の一部の領域(ゲート電極410
と重畳しない領域)を露出させる(図2(C)参照)。
この窒素プラズマ処理によって、当該露出した領域である結晶性酸化物半導体層404の
一部が窒化されることにより、n型化したソース領域404a及びドレイン領域404b
と、チャネル形成領域404cとを有する結晶性酸化物半導体層404が形成される(図
2(D)参照)。ここで、ソース領域404a及びドレイン領域404bに挟まれた領域
であるチャネル形成領域404cは、窒素プラズマ421へ曝露されないため、i型又は
実質的にi型化した結晶性の酸化物半導体層である。
プラズマ処理装置を用いた窒素プラズマ処理の一例を以下に説明する。プラズマ処理室に
窒素及び希ガスの混合ガスを供給した後、マイクロ波をプラズマ処理室に導入することで
、窒素及び希ガスの混合ガスのプラズマが生成される。このプラズマ中では、導入された
マイクロ波によって希ガスが励起されて希ガスラジカルが生成され、この希ガスラジカル
と窒素分子とが衝突することにより、窒素ラジカルが生成される。そして、プラズマ中で
生成された窒素ラジカルと、結晶性酸化物半導体層の露出した領域に含まれる金属元素ま
たは酸素とが反応することにより当該領域の結晶性酸化物半導体層が窒化される。
水素及び希ガスの混合ガス、又は、NH3と希ガスの混合ガス等を適宜用いることができ
る。これらの混合ガスのプラズマ中には、窒素ラジカル及びNHラジカルが生成され、こ
れらのラジカルによって結晶性酸化物半導体層の一部が窒化される。
とができる。但し、窒素プラズマ処理の加熱温度が比較的高温(例えば、450℃以上)
であると、ソース領域404a及びドレイン領域404bをより低抵抗化することが可能
であるため、好ましい。
中性原子または中性分子が結晶性酸化物半導体層に含まれる金属元素と結合する処理であ
る。窒素プラズマ処理により、結晶性酸化物半導体層の結晶性を向上させることが可能で
ある。よって、当該処理によって形成されるソース領域404a及びドレイン領域404
b(少なくともそれらの領域の表面近傍)としては、結晶性酸窒化半導体層、又は結晶性
窒化半導体層が形成され、且つこれらの領域は、チャネル形成領域404cよりも結晶性
の高い領域である。なお、窒素プラズマ処理によって、ゲート電極410の表面も窒化さ
れうる。
素プラズマ処理を行うことで、In−Ga−Zn−O膜の表面近傍(例えば、表面から5
nm程度)において、Zn及び/または酸素が窒素と置換されて、In−Ga−Zn−O
−N膜が形成される。
性酸化物半導体層401に窒素を添加することで形成できる。ゲート電極410をマスク
にしてソース領域404a及びドレイン領域404bを形成することよって、ソース領域
404a及びドレイン領域404bと、ゲート電極410との重なりが生じない。よって
、余分な寄生容量を低減することができるため、作製されるトランジスタ510を高速動
作させることができる。
、該絶縁層412においてソース領域404a及びドレイン領域404bと重畳する領域
にそれぞれ開口部(コンタクトホールとも表記する)を設ける。その後、当該コンタクト
ホールを介してソース領域404a又はドレイン領域404bとそれぞれ接するソース電
極415a及びドレイン電極415bを形成する(図2(E))。これによって、トラン
ジスタ510を形成することができる。
一部(ソース領域404a、ドレイン領域404bの一部)がエッチングされて、凹部を
有する結晶性酸化物半導体層404となる場合がある。
コン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムを単層または積層させて用いることができ、
スパッタリング法、CVD法などで成膜すればよい。このとき、加熱により酸素を放出し
にくい材料を用いることが好ましい。これは、ソース領域404a及びドレイン領域40
4bの導電率を低下させないためである。具体的には、例えば、CVD法により、シラン
ガスを主材料とし、酸化窒素ガス、窒素ガス、水素ガスおよび希ガスから適切な原料ガス
を混合して成膜すればよい。また、基板温度を300℃以上550℃以下とすればよい。
CVD法を用いることで、加熱により酸素を放出しにくい材料とすることができる。また
、シランガスを主材料とすることで膜中に水素が残留し、該水素が拡散することでソース
領域404a及びドレイン領域404bの導電率をさらに高めることができる。絶縁層4
12中の水素濃度は、0.1原子%以上25原子%以下とすればよい。
リング法等により、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、
ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層
または積層で形成することができる。
ス電極415a又はドレイン電極415bと接する領域に、ソース領域404a又はドレ
イン領域404bをそれぞれ有する。これによって、結晶性酸化物半導体層404とソー
ス電極415a又はドレイン電極415bとのコンタクトをオーミック性のコンタクトと
することができ、ショットキー接合と比較して熱的にも安定な動作が可能となる。また、
そのコンタクト抵抗を低減させることができる。それらの結果として、トランジスタ51
0のオン電流を増加させることができる。
て吸収する(ドレイン側)、またはソース電極(またはドレイン電極)との界面に抵抗成
分が形成されるのを抑制するためにもソース領域404a及びドレイン領域404bを設
けることは重要である。また、n+層を設けることで、高いドレイン電圧でも良好な移動
度を保持することができる。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる本発明の一態様の半導体装置及びその作製方
法について、図3乃至図5を用いて説明する。なお、実施の形態1と同一部分又は同様な
機能を有する部分、及び工程は、実施の形態1と同様に行うことができ、繰り返しの説明
は省略する。
示すトランジスタ520は、絶縁表面を有する基板400上に、下地絶縁層402と、ソ
ース領域404a、ドレイン領域404b及びチャネル形成領域404cを含む結晶性酸
化物半導体層404と、ゲート絶縁層406と、ゲート電極410と、ソース領域404
aにおいて結晶性酸化物半導体層404と接するソース電極405aと、ドレイン領域4
04bにおいて結晶性酸化物半導体層404と接するドレイン電極405bと、ソース電
極405a、ドレイン電極405b及び結晶性酸化物半導体層404を覆う絶縁層414
と、を含んで構成される。なお、下地絶縁層402及び絶縁層414は、必ずしもトラン
ジスタ520の構成要素としなくともよい。
3(B)に示すトランジスタ530は、絶縁表面を有する基板400上に、ゲート電極4
10と、ゲート絶縁層406と、ソース領域404a、ドレイン領域404b及びチャネ
ル形成領域404cを含む結晶性酸化物半導体層404と、チャネル形成領域404c上
に設けられたチャネル保護層416と、ソース領域404aにおいて結晶性酸化物半導体
層404と接するソース電極405aと、ドレイン領域404bにおいて結晶性酸化物半
導体層404と接するドレイン電極405bと、ソース電極405a、ドレイン電極40
5b及びチャネル保護層416を覆う絶縁層414と、を含んで構成される。なお、チャ
ネル保護層416及び絶縁層414は、必ずしもトランジスタ530の構成要素としなく
ともよい。
。
絶縁層402と、下地絶縁層402上に設けられ、ソース領域404a、ドレイン領域4
04b及びチャネル形成領域404cを含む結晶性酸化物半導体層404と、チャネル形
成領域404c上に接して設けられたゲート絶縁層406と、ゲート絶縁層406を介し
てチャネル形成領域404c上に設けられたゲート電極410と、を形成する。
びドレイン電極405b(これと同じ層で形成される配線も含む)となる導電膜405を
成膜する(図4(A)参照)。
法を用いて形成することができる。
びドレイン電極405bを形成する。なお、導電膜405を加工するためのレジストマス
クをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成する
と、フォトマスクを使用しないため、半導体装置の製造コストを低減することができる。
ないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調整する。但し、エッチング条件に
よっては、結晶性酸化物半導体層404の露出した領域(ゲート電極410、ソース電極
405a又はドレイン電極405bのいずれとも重畳しない領域)が一部エッチングされ
ることで、溝部(凹部)が形成されることもある。
覆う絶縁層414を形成する。これによって、トランジスタ520を形成することができ
る(図4(B)参照)。
。
。
含む)となる導電膜を成膜し、これを加工してゲート電極410を形成する。次いで、ゲ
ート電極410を覆うゲート絶縁層406を形成する。ゲート絶縁層406は酸素過剰領
域を有することが好ましい。
参照)。なお、ゲート絶縁層406と結晶性酸化物半導体層401aとを大気に解放せず
に連続的に形成することが好ましい。ゲート絶縁層406と結晶性酸化物半導体層401
aとを大気に曝露せずに連続して形成すると、ゲート絶縁層406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。
れる過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための熱処理
を行うのが好ましい。なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、結晶性酸化物半導体
層401aの形成後であって窒素プラズマ処理工程前であれば、トランジスタ530の作
製工程においてどのタイミングで行ってもよい。ただし、脱水化又は脱水素化のための熱
処理を結晶性酸化物半導体層401aの島状への加工前に行うと、ゲート絶縁層406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。
、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エアを導入してもよい。酸素ガス又は一酸化二
窒素ガスの作用により、脱水化また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、酸化物半導体膜を高純度化及びi型(真性)化することができる。
化物半導体層401に加工する。その後、島状の結晶性酸化物半導体層401上に、絶縁
層416aを成膜する(図5(B)参照)。絶縁層416aは、後の工程でパターン形成
されてチャネル保護層416として機能する層である。
る。但し、絶縁層416aは、酸化物絶縁膜を含む単層または積層構造として、該酸化物
絶縁膜が結晶性酸化物半導体層401と接する構造とするのが好ましい。
によって、結晶性酸化物半導体層401の酸素欠損を補填することが可能であるため好ま
しい。絶縁層416aが積層構造の場合は、少なくとも結晶性酸化物半導体層401と接
する層において酸素過剰領域を有するのが好ましい。絶縁層416aに酸素過剰領域を設
けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層416aを成膜すればよい。または、成膜後
の絶縁層416aに、酸素を注入して、酸素過剰領域を形成しても良い。
01へ酸素を注入することで、結晶性酸化物半導体層401に酸素過剰領域を形成しても
よい。
域を有する場合、絶縁層416aを成膜後に熱処理を行うのが好ましい。この熱処理によ
って、脱水化又は脱水素化を目的とした熱処理によって同時に減少してしまう酸化物半導
体を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸素を含有する絶縁層(図5(B)では絶
縁層416a)より結晶性酸化物半導体層401へ供給することができる。これによって
、結晶性酸化物半導体層401を高純度化及びi型(真性)化することができる。また、
結晶性酸化物半導体層401に酸素過剰領域を形成することで、酸素欠損を直ちに補填す
ることができるため、結晶性酸化物半導体層401中の電荷捕獲中心を低減することがで
きる。なお、熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されない。
に含まれる結晶構造が乱されて非晶質化することがあるが、上述の酸素欠陥の補填を目的
とした熱処理を行うことによって、再度結晶化することが可能である。
を形成する。なお、チャネル保護層416を形成するためのレジストマスクをインクジェ
ット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマス
クを使用しないため、半導体装置の製造コストを低減することができる。
領域に窒素プラズマ421を照射する。この窒素プラズマ処理によって、当該露出した領
域である結晶性酸化物半導体層404の一部が窒化されることにより、n型化したソース
領域404a及びドレイン領域404bと、チャネル形成領域404cとを有する結晶性
酸化物半導体層404が形成される(図5(C)参照)。ここで、ソース領域404a及
びドレイン領域404bに挟まれた領域であるチャネル形成領域404cは、窒素プラズ
マ421へ曝露されないため、i型又は実質的にi型化した結晶性の酸化物半導体層であ
る。
404bは、チャネル保護層416をマスクにして、結晶性酸化物半導体層401に窒素
プラズマを照射することで形成できる。チャネル保護層416は、結晶性酸化物半導体層
404のバックチャネル部分を保護する機能を有する。但し、ソース領域404a及びド
レイン領域404bを形成後にチャネル保護層416を除去してもよい。
a及びドレイン電極405b(これと同じ層で形成される配線も含む)となる導電膜を成
膜し、これを加工してソース電極405a及びドレイン電極405bを形成する。ソース
電極405a及びドレイン電極405bは、ソース電極415a及びドレイン電極415
bと同様の材料及び作製方法を用いて形成することができる。
縁層414を形成する。これによって、トランジスタ530を形成することができる(図
5(D)参照)。
。
層404において、ソース電極405a又はドレイン電極405bと接する領域に、ソー
ス領域404a又はドレイン領域404bをそれぞれ有する。これによって、結晶性酸化
物半導体層404とソース電極405a又はドレイン電極405bとのコンタクトをオー
ミック性のコンタクトとすることができ、ショットキー接合と比較して熱的にも安定な動
作が可能となる。また、そのコンタクト抵抗を低減させることができる。それらの結果と
して、トランジスタ520及びトランジスタ530のオン電流を増加させることができる
。
て吸収する(ドレイン側)、またはソース電極(またはドレイン電極)との界面に抵抗成
分が形成されるのを抑制するためにもソース領域404a及びドレイン領域404bを設
けることは重要である。また、n+層を設けることで、高いドレイン電圧でも良好な移動
度を保持することができる。
04a、ドレイン領域404b、及びチャネル形成領域404cをそれぞれ結晶性領域と
することで、ソース領域404a、チャネル形成領域404c及びドレイン領域404b
の接合状態を良好とすることができる。また、ソース領域404a、ドレイン領域404
b、及びチャネル形成領域404cをそれぞれ結晶性領域とすることで結晶性酸化物半導
体層404におけるバンド内準位を低減させることができる。よって、トランジスタ特性
を向上させることができる。トランジスタ520及びトランジスタ530の信頼性を向上
させることができる。
合わせて用いることができる。
実施の形態1または2で一例を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
部または全体を、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。
て、シール材4005が設けられ、第2の基板4006によって封止されている。図6(
A)においては、第1の基板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、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。また信号線駆動
回路4003と走査線駆動回路4004を通して画素部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。
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の上に第2の基板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、第1の基板4001とシール材4
005と第2の基板4006とによって、表示素子と共に封止されている。図6(B)(
C)においては、第1の基板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、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)(C)においては、信号線駆動
回路4003と走査線駆動回路4004を通して画素部4002に与えられる各種信号及
び電位は、FPC4018から供給されている。
001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また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。
ip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape A
utomated Bonding)方法などを用いることができる。図6(A)は、C
OG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。
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。
は光源(照明装置含む)を指す。また、表示素子が封止された状態にあるパネルだけでな
く、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、または
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。
おり、実施の形態1又は2で一例を示したトランジスタを適用することができる。
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、電流または電圧によって
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、電子インク表示装置(電子
ペーパー)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。
−Nにおける断面図に相当する。
有しており、接続端子電極4015及び端子電極4016はFPC4018が有する端子
と異方性導電膜4019を介して、電気的に接続されている。
016は、トランジスタ4010、4011のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導
電膜で形成されている。
トランジスタを複数有しており、図6及び図7では、画素部4002に含まれるトランジ
スタ4010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7(A)では、トランジスタ4010、4011上には絶縁層4020が設けら
れ、図7(B)ではさらに、絶縁層4021が設けられている。なお、絶縁層4023は
下地膜として機能する絶縁層である。
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2で示したト
ランジスタ520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。
挟んでソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域(以下、単に低抵抗領域と
も表記する)を含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トラン
ジスタ4010及びトランジスタ4011は、オン特性(例えば、オン電流及び電界効果
移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能である。また、微細化も達成できる。
体装置を提供することができる。
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。
いて、液晶素子4013は、第1の電極層4030、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4
032及び絶縁層4033が設けられている。第2の電極層4031は第2の基板400
6側に設けられ、第1の電極層4030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。
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。
電性液晶等を用いることができる。これらの液晶は低分子化合物でも高分子でもよい。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。
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリ
ック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は、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。
Ω・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。
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結晶
性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。
流値(オフ電流値)を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間
を長くすることができ、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。
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。また、画素部においても
、このよう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。よっ
て、半導体装置として高信頼化も達成できる。
lane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Swit
ching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned
Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated B
irefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqui
d Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liq
uid Crystal)モードなどを用いることができる。
透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、
例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignment)
モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード
、ASV(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。
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。
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。
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E
L素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。
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。
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。
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。
、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。なお図7
(B)に示した発光素子4513の構成は、第1の電極層4030、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45
13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。
材料を用い、第1の電極層4030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。
されていてもどちらでもよい。
4031及び隔壁4510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。また、第1の基板400
1、第2の基板4006、及びシール材4005によって封止された空間には充填材45
14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。
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)、アクリル樹脂、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)またはEVA
(エチレンビニルアセテート共重合体)を用いることができる。
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。
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)とも呼ばれており、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。
、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の粒子または第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。
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。
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の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。
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(Fiberglas
s−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また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。
、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。
水分などの不純物の結晶性酸化物半導体層への混入、及び結晶性酸化物半導体層からの酸
素の放出を防止する保護膜として機能する。
ゾシクロブテン系樹脂、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、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BP
SG(リンボロンガラス)等の低誘電率材料(low−k材料)を用いることができる。
なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層4021を形成
してもよい。
OG法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法等)、
スクリーン印刷、オフセット印刷、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。
部に設けられる基板、絶縁層、導電膜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。
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。
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(ITO)、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。
(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(N
b)、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。
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、ポリアニリンま
たはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、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。
することが好ましい。
な機能を有する半導体装置を提供することができる。
実施の形態1または2で一例を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。
トセンサの等価回路であり、図8(B)はフォトセンサの一部を示す断面図である。
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。
明確に判明できるように、結晶性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8(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または2で一例を示したトランジスタが適用でき、結晶性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2で示したトランジスタ520
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。
示す断面図であり、絶縁表面を有する基板601(TFT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。
634が設けられている。フォトダイオード602は、層間絶縁膜633上に設けられ、
層間絶縁膜633上に形成した電極層641と、層間絶縁膜634上に設けられた電極層
642との間に、層間絶縁膜633側から順に第1半導体膜606a、第2半導体膜60
6b、及び第3半導体膜606cを積層した構造を有している。
642は電極層641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。
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。
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(SiH4)を用いればよい。または、S
i2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4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5
0nm以下となるよう形成することが好ましい。
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
(SiH4)を用いればよい。または、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、S
iCl4、SiF4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2
00nm以上1000nm以下となるように形成することが好ましい。
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(SiH4)を用いればよい。または、Si2H6、
SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4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。
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。
状態に属するものである。すなわち、熱力学的に安定な第3の状態を有する半導体であっ
て、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方
向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクト
ルが単結晶シリコンを示す520cm−1よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単
結晶シリコンを示す520cm−1とアモルファスシリコンを示す480cm−1の間に
微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手(ダングリングボン
ド)を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも1原子%またはそれ以上含ませてい
る。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子
歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
たは周波数が1GHz以上のマイクロ波プラズマCVD装置により形成することができる
。代表的には、SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、S
iF4などの珪素を含む化合物を水素で希釈して形成することができる。また、水素に加
え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元
素で水素化珪素を希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの珪素
を含む化合物(例えば水素化珪素)に対して水素の流量比を5倍以上200倍以下、好ま
しくは50倍以上150倍以下、更に好ましくは100倍とする。さらには、シリコンを
含む気体中に、CH4、C2H6等の炭化水素気体、GeH4、GeF4等のゲルマニウ
ム化気体、F2等を混入させてもよい。
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、p
in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膜を用
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。
の材料に応じて、スパッタリング法、プラズマCVD法、SOG法、スピンコート、ディ
ップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法等)、印刷法(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
ー等を用いて形成することができる。
パッタリング法やプラズマCVD法によって形成することができる。
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。
水分などの不純物の結晶性酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分
材料である酸素の結晶性酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層、窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物
絶縁層の単層、又は積層を用いることができる。
る絶縁層が好ましい。層間絶縁膜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、シロキサン系樹脂、PSG
(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等の低誘電率材料(low−k材料)の
単層、又は積層を用いることができる。
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。
形成領域を挟んで低抵抗領域を含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、オン
特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能である
。また、微細化も達成できる。よって、該トランジスタを用いることで高性能及び高信頼
性の半導体装置を提供することができる。
である。
実施の形態1または2で一例を示したトランジスタは、複数のトランジスタを積層する集
積回路を有する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の形態では、半導体装置
の一例として、記憶媒体(メモリ素子)の例を示す。
140と絶縁層を介してトランジスタ140の上方に半導体膜を用いて作製された第2の
トランジスタであるトランジスタ162を含む半導体装置を作製する。実施の形態1また
は2で一例を示したトランジスタは、トランジスタ162に好適に用いることができる。
本実施の形態では、トランジスタ162として実施の形態2で示したトランジスタ520
と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
よいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体(メモリ素子)の回路に好適な
材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例である。
B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図9(A)は、図9(B)のC
1−C2およびD1−D2における断面に相当する。また、図9(C)には、上記半導体
装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図9(A)および図9(B)
に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ140を有し、
上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有する。本実施の形態では、第1
の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第2の半導体材料を酸化物半導体と
する。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリ
コンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半
導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導
体材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いた
トランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
れたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むように設けられた不純物
領域120と、不純物領域120に接する金属化合物領域124と、チャネル形成領域1
16上に設けられたゲート絶縁層108と、ゲート絶縁層108上に設けられたゲート電
極110とを有する。
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
ることができる。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設け
られた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料か
らなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「SOI基板」が有する半導体
膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁
基板上に絶縁層を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠
陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成
長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体膜
を形成する方法等を用いることができる。
面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板上
のどちらか一方に絶縁層を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁層を挟んで重
ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離する
熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体膜として単結晶半導体膜を素子基板上に形成
する。上記方法を用いて作製されたSOI基板も好適に用いることができる。
る。なお、高集積化を実現するためには、図9に示すようにトランジスタ140がサイド
ウォールとなる側壁絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ
140の特性を重視する場合には、ゲート電極110の側面にサイドウォールとなる側壁
絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域120を設けてもよい。
該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速
に行うことができる。トランジスタ140を覆うように絶縁層を2層形成する。トランジ
スタ162および容量素子164の形成前の処理として、該絶縁層2層にCMP処理を施
して、平坦化した絶縁層128、絶縁層130を形成し、同時にゲート電極110の上面
を露出させる。
アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化
酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁層を用いることができる。絶縁
層128、絶縁層130は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成する
ことができる。
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)等を用いること
ができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層
128、絶縁層130を形成してもよい。
シリコン膜を形成し、絶縁層130としてスパッタリング法により膜厚550nmの酸化
シリコン膜を形成する。
では、半導体膜としてIn−Ga−Zn系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法に
より結晶性酸化物半導体層を形成する。
を形成する。結晶性酸化物半導体層144上にソース電極またはドレイン電極142a、
ソース電極またはドレイン電極142bを形成する。
ート電極148は、導電層を形成した後に、当該導電層を選択的にエッチングすることに
よって形成することができる。ゲート絶縁層146はゲート電極148をマスクとして絶
縁層をエッチングして形成する。
リコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウ
ム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハ
フニウム膜、又は酸化ガリウム膜を形成することができる。
電極142bに用いることのできる導電層は、スパッタリング法をはじめとするPVD法
や、プラズマCVD法などのCVD法を用いて形成することができる。また、導電層の材
料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素や、上述した元
素を成分とする合金等を用いることができる。Mn、Mg、Zr、Be、Nd、Scのい
ずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
ン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウ
ム膜上にチタン膜が積層された2層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された2層構
造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された3層構造などが挙げられる。な
お、導電層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有す
るソース電極またはドレイン電極142a、およびソース電極またはドレイン電極142
bへの加工が容易であるというメリットがある。
し、該エッチング処理によって露出した結晶性酸化物半導体層144へ窒化プラズマ処理
を行う。これによって、チャネル形成領域を挟んで、窒素を含む結晶性の低抵抗領域を含
む結晶性酸化物半導体層144を有するトランジスタ162を作製することができる。
4を有することにより、該トランジスタ162はオン特性(例えば、オン電流及び電界効
果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
を設けることによって、低抵抗領域の間に形成されるチャネル形成領域に加わる電界を緩
和させることができる。また、低抵抗領域において結晶性酸化物半導体層144とソース
電極またはドレイン電極142a、およびソース電極またはドレイン電極142bとを電
気的に接続させることによって、結晶性酸化物半導体層144とソース電極またはドレイ
ン電極142a、およびソース電極またはドレイン電極142bとの接触抵抗を低減する
ことができる。
造としてもよい。絶縁層150としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用
いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒
化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウ
ム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜を用いることができる。
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)が高い。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、変動要因となる水素、水分などの不純物の結晶性酸化物半導体層144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結晶性酸化物半導体層144か
らの放出を防止する保護膜として機能する。
層153を形成する。
2は、スパッタリング法やCVD法などを用いて形成することができる。また、酸化シリ
コン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無機絶
縁材料を含む材料を用いて形成することができる。
イン電極142bにまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた
選択的なエッチングにより行われる。
る。なお、図9にはソース電極またはドレイン電極142bと配線156との接続箇所は
図示していない。
VD法を用いて導電層を形成した後、当該導電層をエッチング加工することによって形成
される。また、導電層の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選
ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Mn、Mg、Z
r、Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい
。詳細は、ソース電極またはドレイン電極142aなどと同様である。
、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層144を有す
るトランジスタである。よって、トランジスタ162は、電気的特性変動が抑制されてお
り、電気的に安定である。容量素子164は、ソース電極またはドレイン電極142a、
結晶性酸化物半導体層144、ゲート絶縁層146、および電極層153、で構成される
。
46を積層させることにより、ソース電極またはドレイン電極142aと、電極層153
との間の絶縁性を十分に確保することができる。もちろん、十分な容量を確保するために
、結晶性酸化物半導体層144を有しない構成の容量素子164を採用してもよい。また
、絶縁層を有する構成の容量素子164を採用してもよい。さらに、容量が不要の場合は
、容量素子164を設けない構成とすることも可能である。
図9(C)において、トランジスタ162のソース電極またはドレイン電極の一方と、容
量素子164の電極の一方と、トランジスタ140のゲート電極と、は電気的に接続され
ている。また、第1の配線(1st Line:ソース線とも呼ぶ)とトランジスタ14
0のソース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビット線とも
呼ぶ)とトランジスタ140のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3
の配線(3rd Line:第1の信号線とも呼ぶ)とトランジスタ162のソース電極
またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line:第
2の信号線とも呼ぶ)と、トランジスタ162のゲート電極とは、電気的に接続されてい
る。そして、第5の配線(5th Line:ワード線とも呼ぶ)と、容量素子164の
電極の他方は電気的に接続されている。
ているため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、トランジスタ162のソース
電極またはドレイン電極の一方と、容量素子164の電極の一方と、トランジスタ140
のゲート電極とが電気的に接続されたノード(以下、ノードFG)の電位を極めて長時間
にわたって保持することが可能である。そして、容量素子164を有することにより、ノ
ードFGに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易
になる。
ジスタ162がオン状態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これ
により、第3の配線の電位が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄積
される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、ロー(Low)レベル
電荷、ハイ(High)レベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後
、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位にして、トランジスタ
162をオフ状態とすることにより、ノードFGが浮遊状態となるため、ノードFGには
所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードFGに所定量の電荷を
蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフ
レッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減すること
ができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持する
ことが可能である。
えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、ノードFGに保持さ
れた電荷量に応じて、トランジスタ140は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ1
40をnチャネル型とすると、ノードFGにHighレベル電荷が保持されている場合の
トランジスタ140の見かけのしきい値Vth_Hは、ノードFGにLowレベル電荷が
保持されている場合のトランジスタ140の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるた
めである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ140を「オン状態」とするた
めに必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth
_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードFGに保持された電荷を判別
できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第
5の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ140は「オン状態」と
なる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(<Vth
_L)となっても、トランジスタ140は「オフ状態」のままである。このため、第5の
配線の電位を制御して、トランジスタ140のオン状態またはオフ状態を読み出す(第2
の配線の電位を読み出す)ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
荷を保持したノードFGに、新たな電位を供給することで、ノードFGに新たな情報に係
る電荷を保持させる。具体的には、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオン状態
となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、第3の配線の電
位(新たな情報に係る電位)が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄
積される。その後、第4の配線の電位をトランジスタ162がオフ状態となる電位にして
、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、ノードFGには、新たな情報に係る
電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードFGに第1の書き込みによって所定量の
電荷が保持された状態で、第1の書き込みと同様の動作(第2の書き込み)を行うことで
、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
過剰に含む結晶性酸化物半導体層を用いることで、トランジスタ162のオフ電流を十分
に低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期
にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
物半導体層を有するトランジスタは、オフ電流が低く、オン特性(例えば、オン電流及び
電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能である。また、微細化も達成できる
。よって、該トランジスタを用いることで高性能及び高信頼性の半導体装置を提供するこ
とができる。
宜組み合わせて用いることができる。
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、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン
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
ラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう
)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機など
が挙げられる。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について説
明する。
2、表示部3003、キーボード3004などによって構成されている。上記実施の形態
で示した半導体装置を表示部3003に適用することにより、高性能及び高信頼性なノー
ト型のパーソナルコンピュータとすることができる。
外部インターフェイス3025と、操作ボタン3024等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス3022がある。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装
置を表示部3023に適用することにより、より高性能及び高信頼性な携帯情報端末(P
DA)とすることができる。
び筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701および筐体2703は、軸
部2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉動作を行うことがで
きる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
込まれている。表示部2705および表示部2707は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部(図10(C)では表示部2705)に文章を表示し、左側の
表示部(図10(C)では表示部2707)に画像を表示することができる。上記実施の
形態のいずれかで示した半導体装置を表示部2705、表示部2707に適用することに
より、高性能及び高信頼性な電子書籍とすることができる。表示部2705として半透過
型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想される
ため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行えるようにし
てもよい。なおバッテリーとしては、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。
筐体2701において、電源2721、操作キー2723、スピーカ2725などを備え
ている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面
にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏
面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部などを
備える構成としてもよい。さらに、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成と
してもよい。
サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能で
ある。
れている。筐体2801には、表示パネル2802、スピーカ2803、マイクロフォン
2804、ポインティングデバイス2806、カメラ用レンズ2807、外部接続端子2
808などを備えている。また、筐体2800には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル
2810、外部メモリスロット2811などを備えている。また、アンテナは筐体280
1内部に内蔵されている。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示パネル2
802に適用することにより、高性能及び高信頼性な携帯電話とすることができる。
ている複数の操作キー2805を点線で示している。なお、太陽電池セル2810で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
2802と同一面上にカメラ用レンズ2807を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカ2803及びマイクロフォン2804は音声通話に限らず、テレビ電話、録
音、再生などが可能である。さらに、筐体2800と筐体2801は、スライドし、図1
0(D)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適し
た小型化が可能である。
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット2811に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
よい。
接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056な
どによって構成されている。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部(A
)3057、表示部(B)3055に適用することにより、高性能及び高信頼性なデジタ
ルビデオカメラとすることができる。
筐体9601に表示部9603が組み込まれている。表示部9603により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、スタンド9605により筐体9601を支持し
た構成を示している。上記実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部9603に
適用することにより、高性能及び高信頼性なテレビジョン装置9600とすることができ
る。
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向
(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
である。
及び結晶性の評価結果を、比較例を用いて示す。
を以下に示す。
00nm形成し、酸化シリコン膜表面を逆スパッタリング法によって平坦化し、平坦化処
理後の酸化シリコン膜上に、In−Ga−Zn−O膜を膜厚20nm形成し、熱処理を施
した比較試料1と、該熱処理後、窒素プラズマ処理を行った実施例試料1を作製した。ま
た、比較試料1において、逆スパッタリング法に代えてCMP法を用いて平坦化処理を行
うことにより比較試料2を作製し、比較試料2に窒素プラズマ処理を行うことにより実施
例試料2を作製した。
膜条件は、ターゲットとして酸化シリコン(SiO2)ターゲットを用い、ガラス基板と
ターゲットの間の距離を60mm、圧力0.4Pa、RF電源1.5kW、アルゴン及び
酸素(アルゴン流量25sccm:酸素流量25sccm)雰囲気下、基板温度100℃
とした。
Zn−O膜の成膜条件は、組成比としてIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[
mol比]の酸化物ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの間の距離を60mm
、圧力0.4Pa、RF電源0.5kW、アルゴン及び酸素(アルゴン流量30sccm
:酸素流量15sccm)雰囲気下、基板温度300℃とした。
O膜形成後、窒素雰囲気下450℃にて1時間熱処理を行い脱水化または脱水素化処理を
行った後、同じ炉に高純度の酸素ガスを導入することによって、脱水化または脱水素化処
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した。
圧力0.6Pa、出力200Wとし、10分間逆スパッタリング法で処理した。なお、実
施例試料1及び比較試料1において、酸化シリコン膜の成膜、逆スパッタリング及びIn
−Ga−Zn−O膜の成膜は、大気に解放せずに連続的に処理を行った。
し、ガラス基板を60rpm、研磨布を56rpmで回転させ、研磨圧は0.001MP
aとしてCMP処理した。また、このCMP処理によって酸化シリコン膜を30nm研磨
し、表面を平坦化した。
度プラズマにより窒化処理した。高密度プラズマ処理は、アルゴン及び窒素(アルゴン流
量1000sccm:窒素流量500sccm)雰囲気下、基板温度450℃、反応圧力
6Pa、マイクロ波電源出力3000W、マイクロ波周波数2.45GHzとし、300
秒処理した。
ト抵抗を測定した。一試料あたり面内5箇所の測定を行った結果を図11に示す。なお、
測定には、エヌピイエス株式会社製の抵抗率測定器(商品名:Σ−10)を用いた。
ト抵抗値は、共に抵抗率測定器の測定限界値(5.0×106Ω/□)以上であった。一
方、窒化プラズマ処理を行った実施例試料1のシート抵抗の平均値は、1.4×105Ω
/□程度であり、実施例試料2のシート抵抗の平均値は、2.4×105Ω/□程度であ
った。
減する、すなわち、導電性が高くなることが確認された。
Zn−O膜のX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)測定を行った。
out−of−plane法を用いてXRDスペクトルを測定した結果を図12に示す。
図12(A)は、実施例試料1及び比較試料1のXRDスペクトルの測定結果であり、図
12(B)は、実施例試料2及び比較試料2のXRDスペクトルの測定結果である。図1
2において、縦軸はX線回折強度(任意単位)であり、横軸は回転角2θ(deg.)で
ある。なお、XRDスペクトルの測定は、Bruker AXS社製X線回折装置D8
ADVANCEを用いた。
認され、また、図12(B)より、実施例試料2では、2θ=33deg.近傍に結晶由
来のピークが確認された。
ない場合には、明確なピークが観察されない場合がある。しかしながら、図12より、窒
素プラズマ処理を行った実施例試料1及び実施例試料2においては、結晶由来のピークを
確認することができることから、窒化プラズマ処理が結晶性の向上に対して有効な処理で
あることが示された。
、比較例を用いて示す。
示す。
00nm形成し、酸化シリコン膜上に、In−Ga−Zn−O膜を膜厚20nm形成した
。
)ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットの間の距離を60mm、圧力0.4Pa、
RF電源1.5kW、アルゴン及び酸素(アルゴン流量25sccm:酸素流量25sc
cm)雰囲気下、基板温度100℃とした。
nO=1:1:2[mol比]の酸化物ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの
間の距離を60mm、圧力0.4Pa、RF電源0.5kW、アルゴン及び酸素(アルゴ
ン流量30sccm:酸素流量15sccm)雰囲気下、基板温度250℃とした。
より、実施例試料3及び実施例試料4を作製した。高密度プラズマ処理は、アルゴン及び
窒素(アルゴン流量1000sccm:窒素流量200sccm)雰囲気下、反応圧力4
0Pa、マイクロ波電源出力3000W、マイクロ波周波数2.45GHzとし、300
秒処理した。実施例試料3においては、基板温度を350℃とし、実施例試料4において
は、基板温度を450℃とした。
り酸化処理を行うことにより、比較試料3及び比較試料4を作製した。比較試料3及び比
較試料4において高密度プラズマ処理は、アルゴン及び酸素(アルゴン流量900scc
m:窒素流量5sccm)雰囲気下、反応圧力106Pa、マイクロ波電源出力3800
W、マイクロ波周波数2.45GHzとし、300秒処理した。比較試料3においては、
基板温度を350℃とし、比較試料4においては、基板温度を450℃とした。
料5とした。
−Zn−O膜表面の組成をX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelec
tron Spectroscopy)分析によって定量化して評価した。
料3及び比較試料4では、In−Ga−Zn−Oの組成比に有意な差は確認できない。一
方、窒素プラズマ処理を行った実施例試料3及び実施例試料4では、組成比としてZn及
びOの減少と、Ga及びNの増加が確認された。またその減少または増加は、窒素プラズ
マ処理を高温で行った実施例試料4においてより顕著に見られた。
N−1sの結合エネルギーを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。XPS分析のスペクト
ルピーク位置は、元素の電子状態によって決まるため、ピーク位置は結合状態に依存する
。図13に示すN−1sのXPSスペクトルにより、Nの結合状態を確認することができ
る。
元素との結合に由来するピークが確認された。また、窒素プラズマ処理を高温で行った実
施例試料4においてより強いピークが見られた。
Ga−Zn−O膜表面が窒化されることが示された。また、窒素プラズマ処理の処理温度
が高い程、窒化が促進されることが確認された。
108 ゲート絶縁層
110 ゲート電極
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
124 金属化合物領域
128 絶縁層
130 絶縁層
140 トランジスタ
142a ドレイン電極
142b ドレイン電極
144 結晶性酸化物半導体層
146 ゲート絶縁層
148 ゲート電極
150 絶縁層
152 絶縁層
153 電極層
156 配線
162 トランジスタ
164 容量素子
185 基板
400 基板
401 結晶性酸化物半導体層
401a 結晶性酸化物半導体層
402 下地絶縁層
403 絶縁層
404 結晶性酸化物半導体層
404a ソース領域
404b ドレイン領域
404c チャネル形成領域
405 導電膜
405a ソース電極
405b ドレイン電極
406 ゲート絶縁層
410 ゲート電極
412 絶縁層
414 絶縁層
415a ソース電極
415b ドレイン電極
416 チャネル保護層
416a 絶縁層
421 窒素プラズマ
510 トランジスタ
520 トランジスタ
530 トランジスタ
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 層間絶縁膜
634 層間絶縁膜
640 トランジスタ
641 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
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2707 表示部
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカ
2800 筐体
2801 筐体
2802 表示パネル
2803 スピーカ
2804 マイクロフォン
2805 操作キー
2806 ポインティングデバイス
2807 カメラ用レンズ
2808 外部接続端子
2810 太陽電池セル
2811 外部メモリスロット
3001 本体
3002 筐体
3003 表示部
3004 キーボード
3021 本体
3022 スタイラス
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部インターフェイス
3051 本体
3053 接眼部
3054 操作スイッチ
3055 表示部(B)
3056 バッテリー
3057 表示部(A)
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 異方性導電膜
4020 絶縁層
4021 絶縁層
4023 絶縁層
4030 電極層
4031 電極層
4032 絶縁層
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
Claims (3)
- 酸化物層と、ゲート絶縁層と、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、を有し、
前記酸化物層は、窒素を含む第1の領域と、窒素を含む第2の領域と、前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極と重なる第3の領域を有し、
前記第3の領域は、前記第1の領域と前記第2の領域との間に位置し、
前記第1の領域は、前記ソース電極と電気的に接続され、
前記第2の領域は、前記ドレイン電極と電気的に接続され、
前記第1の領域乃至前記第3の領域は、結晶部を有し、
前記第1の領域は、前記第3の領域よりも結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。 - 酸化物層と、
前記酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物層と重なるゲート電極と、
前記ゲート電極上の絶縁層と、
前記絶縁層上のソース電極及びドレイン電極と、を有し、
前記酸化物層は、前記絶縁層と接し、窒素を含む第1の領域と、前記絶縁層と接し、窒素を含む第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域の間に位置し、且つ前記ゲート絶縁層と接する第3の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記ソース電極と電気的に接続され、
前記第2の領域は、前記ドレイン電極と電気的に接続され、
前記第3の領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、
前記第1の領域乃至前記第3の領域は、結晶部を有し、
前記第1の領域は、前記第3の領域よりも結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2において、前記絶縁層は、窒素を含むことを特徴とする半導体装置。
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