JP6542448B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
ン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特
に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、酸化物半導体膜を有する容量素
子、抵抗素子、またはトランジスタを備えた半導体装置およびその作製方法に関する。
れているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリ
コン半導体を用いたトランジスタは、集積回路(IC)などにも利用されている。
る技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物
半導体とよぶことにする。
自然数)が知られている(非特許文献1および非特許文献2参照。)。
Ga、またはAl、m=1以上50未満の整数)を用いた透明薄膜電界効果型トランジス
タが開示されている。
リングボンド等の欠陥が生じやすい。
、それぞれの酸化物半導体膜において結晶性が異なると、積層された酸化物半導体膜の界
面において欠陥が生じてしまう。
リアが生じてしまい、酸化物半導体膜の電気的特性が変化する恐れがある。また、酸化物
半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。こ
れらの結果、トランジスタの電気特性の不良に繋がると共に、経時変化やストレス試験(
例えば、BT(Bias−Temperature)ストレス試験、光BTストレス試験
等)において、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するこ
との原因となり、信頼性が低減してしまう。
題の一とする。または、発明の一態様は、不純物の濃度の少ない酸化物半導体膜を成膜す
ることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いた半導体装
置などにおいて、電気特性を向上させることを課題の一とする。または、本発明の一態様
は、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、信頼性を向上させることを課題の一と
する。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置などを提供することを課題の一とす
る。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。ま
た、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。また、これら以外の
課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書
、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が7
0%以上100%未満である領域を含む金属酸化物膜を有する容量素子または抵抗素子を
備えた半導体装置である。
度は、8×1019atoms/cm3以上であることが好ましい。
範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される
割合が70%以上100%未満である領域を含む酸化物半導体膜を有するトランジスタを
備えた半導体装置である。
ことが好ましい。
する半導体装置である。トランジスタは、絶縁表面上に設けられたゲート電極と、ゲート
電極と少なくとも一部が重なる酸化物半導体膜と、ゲート電極および酸化物半導体膜の間
に設けられるゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極とを有し、さらに、一
対の電極の少なくとも一部を覆う酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜とがトランジスタに設け
られる。また、容量素子は、ゲート絶縁膜と接する金属酸化物膜と、金属酸化物膜と少な
くとも一部が重なる透光性を有する導電膜と、金属酸化物膜および透光性を有する導電膜
の間に設けられる窒化物絶縁膜とを有する。酸化物半導体膜および金属酸化物膜において
、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲で観察箇所を変化させた
とき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される領域の割合が、70%以上1
00%未満である領域を含む。
する半導体装置である。トランジスタは、絶縁表面上に設けられた開口部を有する酸化物
絶縁膜と接する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸化物半導体
膜と接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と
、を有する。容量素子は、絶縁表面および開口部を有する酸化物絶縁膜の間に設けられた
窒化物絶縁膜と、開口部において窒化物絶縁膜に接する金属酸化物膜と、金属酸化物膜と
接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接する導電膜と、を有する。酸化物半導体膜およ
び金属酸化物膜において、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲
で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される領域
の割合が、70%以上100%未満である領域を含む。
する。
。または、発明の一態様は、不純物の濃度の少ない酸化物半導体膜を成膜することができ
る。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いた半導体装置などにおいて、
電気特性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を
用いた半導体装置において、信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様
により、新規な半導体装置などを提供することができる。
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略
平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態
をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、
二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
す。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置およびその作製方法について図面
を参照して説明する。
面図を示す。図1(A)はトランジスタ10の上面図であり、図1(B)は、図1(A)
の一点鎖線A−B間の断面図であり、図1(C)は、図1(A)の一点鎖線C−D間の断
面図である。なお、図1(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート絶縁膜15、酸化
物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27などを省略している。
スタであり、基板11上に設けられるゲート電極13と、基板11およびゲート電極13
上に形成されるゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15を介して、ゲート電極13と重な
る酸化物半導体膜17と、酸化物半導体膜17に接する一対の電極19、20とを有する
。また、ゲート絶縁膜15、酸化物半導体膜17、および一対の電極19、20上に、酸
化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27を有する。また、一対の電
極19、20の一方、ここでは電極20に接続する電極32が、窒化物絶縁膜27上に形
成される。なお、電極32は画素電極として機能する。
代表的には、In−Ga酸化物膜、In−Zn酸化物膜、In−M−Zn酸化物膜(Mは
、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)等で形成される。
てのInとMの原子数比率は、好ましくはInが25atomic%より多く、Mが75
atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より多く、Mが66a
tomic%未満とする。
n、La、Ce、またはNd)の場合、In−M−Zn酸化物膜を成膜するために用いる
スパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが
好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M
:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2が
好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜17の原子数比はそれぞれ、誤差として上記
のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変
動を含む。
、より好ましくは3eV以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導
体を用いることで、トランジスタ10のオフ電流を低減することができる。
ystalline Oxide Semiconductor)膜を用いて形成する。
また、酸化物半導体膜17は、後述するように、透過電子回折測定装置を用いて、一次元
的に300nmの範囲で観察箇所を変化させたとき、CAAC化率が、70%以上100
%未満、好ましくは80%以上100%未満、好ましくは90%以上100%未満、より
好ましくは95%以上98%以下である。このため、酸化物半導体膜17は、不純物濃度
が低く、欠陥準位密度が低い。
の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体膜の一つである。
oscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像
(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる
。一方、高分解能TEM像によっても、明確な結晶部(ペレットともいう。)同士の境界
、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのた
め、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる
。また、電気特性のばらつきを低減することが可能であるとともに、信頼性を改善するこ
とができる。
の断面の高分解能TEM像を観察する。ここでは、球面収差補正(Spherical
Aberration Corrector)機能を用いてTEM像を観察する。なお、
球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、以下では、特にCs補正高分解能TEM
像と呼ぶ。なお、Cs補正高分解能TEM像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子
分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって行うことができる。
。図41(B)より、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる
。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または
上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列
する。
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図41(B)および図41(C)
より、結晶部一つの大きさは1nm以上3nm以下程度であり、結晶部と結晶部との傾き
により生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。したがって、結晶部を
、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。
ト5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造と
なる(図41(D)参照。)。図41(C)で観察されたペレットとペレットとの間で傾
きが生じている箇所は、図41(D)に示す領域5161に相当する。
OS膜の平面のCs補正高分解能TEM像を観察する。図42(A)の領域(1)、領域
(2)および領域(3)を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図42(B)
、図42(C)および図42(D)に示す。図42(B)、図42(C)および図42(
D)より、結晶部は、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していること
を確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない
。
は、図2(A)において、破線で囲む領域bをさらに拡大した断面の高分解能TEM像で
あり、図2(C)は、図2(B)の断面の高分解能TEM像の理解を容易にするために、
原子配列を強調表示している図である。
m)の局所的なフーリエ変換像である。図2(D)より、各領域においてc軸配向性が確
認できる。また、A1−O間とO−A2間とでは、c軸の向きが異なるため、異なる結晶
部であることが示唆される。また、A1−O間では、c軸の角度が14.3°、16.6
°、26.4°と、少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、O−A2間で
は、c軸の角度が−18.3°、−17.6°、−15.9°と、少しずつ連続的に変化
していることがわかる。
領域を破線で囲む。破線で囲まれた領域は、領域bから少しずれている領域である。該領
域の近傍の表面は、湾曲している。また、破線で囲まれた領域をさらに拡大した断面の高
分解能TEM像を、図3(B)に示す。
の局所的なフーリエ変換像である。図3(C)より、各領域においてc軸配向性が確認で
きる。また、B1−B2間では、c軸の角度が−6.0°、−6.1°、−1.2°と、
少しずつ連続的に変化していることがわかる。
で囲む。破線で囲まれた領域は、領域bから少しずれている領域である。該領域の近傍の
表面は平坦である。また、破線で囲まれた領域をさらに拡大した断面TEM像を、図4(
B)に示す。
m)の局所的なフーリエ変換像である。図4(C)より、各領域においてc軸配向性が確
認できる。また、C1−O間では、c軸の角度が−7.9°、−5.6°、−4.1°と
、少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、O−C2間では、c軸の角度が
−10.0°、−10.0°、−6.8°と、少しずつ連続的に変化していることがわか
る。
観測される。例えば、CAAC−OS膜の上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の
電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測さ
れる(図5(A)参照。)。
部は配向性を有していることがわかる。
体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10
nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。た
だし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領
域を形成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm2以
上、5μm2以上または1000μm2以上となる結晶領域が観察される場合がある。
:X−Ray Diffraction)装置を用いてout−of−plane法によ
る構造解析を行うと、図43(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属される
ことから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概
略垂直な方向を向いていることが確認できる。
法による構造解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピーク
が現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸
配向性を有さない結晶、代表的にはスピネル構造の結晶が含まれることを示している。ス
ピネル構造の結晶と、他の領域との界面において、金属元素、代表的には銅元素が拡散し
やすくなるとともに、キャリアトラップとなる。これらのため、CAAC−OS膜にスピ
ネル構造の結晶が含まれないことが好ましく、CAAC−OS膜は、2θが31°近傍に
ピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
lane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは
、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OS膜の場合は、2
θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させなが
ら分析(φスキャン)を行っても、図43(B)に示すように明瞭なピークは現れない。
これに対し、InGaZnO4の単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定
してφスキャンした場合、図43(C)に示すように、(110)面と等価な結晶面に帰
属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC
−OS膜は、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。
らプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターン(制限視野透過電子
回折パターンともいう。)を図44(A)に示す。図44(A)より、例えば、InGa
ZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが確認される。したがって、電子回折
によっても、CAAC−OS膜に含まれる結晶部がc軸配向性を有し、c軸が被形成面ま
たは上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂
直な方向からプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図44
(B)に示す。図44(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、
電子回折によっても、CAAC−OS膜に含まれる結晶部のa軸およびb軸は配向性を有
さないことがわかる。なお、図44(B)における第1リングは、InGaZnO4の結
晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図44(B)
における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面の高分解能TEM観察で確認さ
れた層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
方向を向いていることから、CAAC−OS膜をCANC(C−Axis Aligne
d nanocrystals)を有する酸化物半導体膜と呼ぶこともできる。
。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長に
よって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶
部の割合が高くなることがある。また、不純物が添加されたCAAC−OS膜は、不純物
が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成され
ることもある。
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
具体的には、酸化物半導体膜17において、二次イオン質量分析法(SIMS:Seco
ndary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を
、5×1019atoms/cm3未満、より好ましくは1×1019atoms/cm
3未満、5×1018atoms/cm3未満、好ましくは1×1018atoms/c
m3未満、より好ましくは5×1017atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×
1016atoms/cm3未満とする。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧
がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。
れると、酸化物半導体膜17において酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、
酸化物半導体膜17におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られ
る濃度)を、2×1018atoms/cm3未満、好ましくは2×1017atoms
/cm3未満とする。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気
特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。
性の変動が小さい。
領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体
膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大
きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の
微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystal
line Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は
、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認することができない場合がある
。なお、ナノ結晶は、CAAC−OS膜におけるペレットと同じ起源を有する可能性があ
る。そのため、以下ではnc−OS膜の結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異な
る結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従
って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場
合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装
置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示
すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(
例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行う
と、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結
晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径(例えば、1nm以上30nm以下)
の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−O
S膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域
が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リン
グ状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある(図5(B)参照。)。
、nc−OS膜をRANC(Random Aligned nanocrystals
)を有する酸化物半導体膜と呼ぶこともできる。
のため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし
、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性がみられない。そのため、nc−
OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
lane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半
導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導
体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測
される。
有さない構造を完全な非晶質構造(completely amorphous str
ucture)と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第2近接原子間距離ま
で秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。した
がって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非
晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化
物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから
、例えば、CAAC−OSおよびnc−OSを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質
酸化物半導体と呼ぶことはできない。
する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導
体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semicon
ductor)と呼ぶ。
れる場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのでき
る領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
料もIn−Ga−Zn酸化物膜である。
料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
ら45箇所)の平均の大きさの変化を調査した例である。図45より、a−like O
S膜は、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には
、図45中に(1)で示すように、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大
きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×108e−/nm2に
おいては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OS膜お
よびCAAC−OS膜は、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/
nm2になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず結晶部の大きさに変化が見られな
いことがわかる。具体的には、図45中の(2)で示すように、TEMによる観察の経過
によらず、結晶部の大きさは1.4nm程度であることがわかる。また、図45中の(3
)で示すように、TEMによる観察の経過によらず、結晶部の大きさは2.1nm程度で
あることがわかる。
て、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OS膜、
およびCAAC−OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化
はほとんど見られないことがわかる。
TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnO4の結晶は層状構造を有し
、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnO4の結晶の単位格
子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に
層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面
の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29n
mと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間
隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がIn
GaZnO4の結晶のa−b面に対応する。
体の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、そ
の酸化物半導体の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、a−li
ke OS膜の密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶の密
度に対し、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は92.3%以上100%
未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が78%未満となる酸化物半導体は、成膜す
ること自体が困難である。
子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4
の密度は6.357g/cm3となる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OS膜の密度は5.0g/
cm3以上5.9g/cm3未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS
膜の密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。
る単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出すること
ができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対し
て、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶
を組み合わせて算出することが好ましい。
結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい
。
析が可能となる場合がある。
2の下の試料室314と、試料室314の下の光学系316と、光学系316の下の観察
室320と、観察室320に設置されたカメラ318と、観察室320の下のフィルム室
322と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ318は、観察室320内部に
向けて設置される。なお、フィルム室322を有さなくても構わない。
過電子回折測定装置内部では、電子銃室310に設置された電子銃から放出された電子が
、光学系312を介して試料室314に配置された物質328に照射される。物質328
を通過した電子は、光学系316を介して観察室320内部に設置された蛍光板332に
入射する。蛍光板332では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過
電子回折パターンを測定することができる。
ンを撮影することが可能である。カメラ318のレンズの中央、および蛍光板332の中
央を通る直線と、蛍光板332の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下
、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カ
メラ318で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ
該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能で
ある。なお、カメラ318をフィルム室322に設置しても構わない場合がある。例えば
、カメラ318をフィルム室322に、電子324の入射方向と対向するように設置して
もよい。この場合、蛍光板332の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影す
ることができる。
ホルダは、物質328を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例え
ば、物質328をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの
移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上
100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で
移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質328の構造によって最適な範囲
を設定すればよい。
る方法について説明する。
を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することが
できる。このとき、物質328がCAAC−OS膜であれば、図5(A)に示したような
回折パターンが観測される。または、物質328がnc−OS膜であれば、図5(B)に
示したような回折パターンが観測される。
どと同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、CAAC−OS膜の良否
は、CAAC化率で表すことができる場合がある。なお、CAAC化率とは、CAAC−
OS膜の回折パターンが観測される領域の割合、すなわち図5(A)に示すような、透過
電子回折測定において配向性を示すスポット(輝点)が見られる領域の割合をいう。本実
施の形態に示す酸化物半導体膜17は、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に30
0nmの範囲で観察箇所を変化させたとき、CAAC化率が、70%以上100%未満、
好ましくは80%以上100%未満、好ましくは90%以上100%未満、より好ましく
は95%以上98%以下となる領域を有する。即ち、本実施の形態に示す酸化物半導体膜
17は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。なお、一定の範
囲におけるCAAC−OS膜と異なる回折パターンが観測される領域の割合を、非CAA
C化率と表記する。
酸化物半導体膜17は、キャリア密度が1×1017個/cm3未満、好ましくは1×1
015個/cm3未満、さらに好ましくは1×1013個/cm3未満、より好ましくは
1×1011個/cm3未満の酸化物半導体膜を用いる。
用いることで、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。こ
こでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性
または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半
導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。CAAC
−OS膜およびnc−OS膜は、a−like OS膜および非晶質酸化物半導体膜より
も不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性
な酸化物半導体膜となりやすい。したがって、CAAC−OS膜またはnc−OS膜を用
いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう
。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導
体膜は、キャリアトラップが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である
酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレ
イン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザ
の測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。従って
、CAAC−OS膜またはnc−OS膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さ
く、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲
された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うこ
とがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル
領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
0nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。
耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サフ
ァイア基板等を、基板11として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどを用
いて形成される単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物
半導体基板、SOI基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が
設けられたものを、基板11として用いてもよい。なお、基板11として、ガラス基板を
用いる場合、第6世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×22
00mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×28
00mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等の大面積基板を用いることで
、大型の表示装置を作製することができる。
形成してもよい。または、基板11とトランジスタ10の間に剥離層を設けてもよい。剥
離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板11より分離し、他
の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ10は耐熱性の劣る基
板や可撓性の基板にも転載できる。
グステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した
金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコ
ニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電
極13は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むア
ルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、窒化チタン
膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構
造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、
チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を
積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、
チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選
ばれた元素の一または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
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、インジウム亜鉛
酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適
用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造
とすることもできる。
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属
酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−
k材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
300nm以下、より好ましくは50nm以上250nm以下とするとよい。
ム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、
またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコ
ンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、
タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウ
ム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングス
テン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜また
は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜
または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、その
モリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さ
らにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、
酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
3に接する酸化物絶縁膜25、酸化物絶縁膜25に接する窒化物絶縁膜27を有する。ゲ
ート絶縁膜28は、少なくとも、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸
化物絶縁膜を有することが好ましい。ここでは、酸化物絶縁膜23として、酸素を透過す
る酸化物絶縁膜を形成し、酸化物絶縁膜25として、化学量論的組成を満たす酸素よりも
多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を形成し、窒化物絶縁膜27として、水素および酸素をブ
ロックする窒化物絶縁膜を形成する。なお、ここでは、ゲート絶縁膜28を3層構造とし
たが、適宜1層、2層、または4層以上とすることができる。なお、これらの場合、少な
くとも、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を有すること
が好ましい。
3上に設けられる、酸化物絶縁膜25から脱離する酸素を、酸化物絶縁膜23を介して酸
化物半導体膜17に移動させることができる。また、酸化物絶縁膜23は、後に形成する
酸化物絶縁膜25を形成する際の、酸化物半導体膜17へのダメージ緩和膜としても機能
する。
50nm以下の酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。なお、本
明細書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量
が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が
多い膜を指す。
により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン
密度が3×1017spins/cm3未満であることが好ましい。これは、酸化物絶縁
膜23に含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、酸化物絶縁膜2
3における酸素の透過量が減少してしまうためである。
好ましく、代表的には、ESR測定により、酸化物半導体膜17の欠陥に由来するg値が
1.89以上1.96以下に現れる信号のスピン密度が1×1017spins/cm3
未満、さらには検出下限以下であることが好ましい。
化物絶縁膜23の外部に移動する場合がある。または、外部から酸化物絶縁膜23に入っ
た酸素の一部が、酸化物絶縁膜23にとどまる場合もある。また、外部から酸化物絶縁膜
23に酸素が入ると共に、酸化物絶縁膜23に含まれる酸素が酸化物絶縁膜23の外部へ
移動することで、酸化物絶縁膜23において酸素の移動が生じる場合もある。
5は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成す
る。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸
素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜
は、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析
において、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以
上、好ましくは3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物絶縁膜である。な
お、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または
100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
以上400nm以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン
密度が1.5×1018spins/cm3未満、更には1×1018spins/cm
3以下であることが好ましい。なお、酸化物絶縁膜25は、酸化物絶縁膜23と比較して
酸化物半導体膜17から離れているため、酸化物絶縁膜23より、欠陥密度が多くともよ
い。
に、好ましくは、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効
果を有する。ゲート絶縁膜28に窒化物絶縁膜27を設けることで、酸化物半導体膜17
からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜17への水素、水等の侵入を防ぐ
ことができる。
m以上200nm以下の、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
化アルミニウム等がある。
化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜
としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム
、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等が
ある。
酸化物、インジウム亜鉛酸化物、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、酸化ケイ素を含むインジウム錫酸化物等がある。
る。なお、図6乃至図8において、図1(A)のA−Bに示すチャネル長方向の断面図お
よびC−Dに示すチャネル幅方向の断面図を示す。
は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(
PLD)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することが
できる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法
が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属
化学堆積)法やALD(原子層成膜)法を使ってもよい。
ャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズ
マダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば
、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以上の原料
ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原料ガス
と同時またはその後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2の原
料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリア
ガスとなり、また、第2の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。ま
た、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第2
の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着して第1の単原子層を
成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の単原子層が第1の単原子層
上に積層されて薄膜が形成される。
性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数に
よって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを
作製する場合に適している。
成する。
CVD法等により形成する。
場合には、WF6ガスとB2H6ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成
し、その後、WF6ガスとH2ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、
B2H6ガスに代えてSiH4ガスを用いてもよい。
より形成する。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜12の一部をエッチングして、ゲート電極
13を形成する。この後、マスクを除去する(図6(B)参照。)。
チング法等があり、これらの一方または両方を用いることができる。
12をドライエッチングして、ゲート電極13を形成する。
ェット法等で形成してもよい。
縁膜15となる絶縁膜14を形成し、絶縁膜14上に、のちに酸化物半導体膜17となる
酸化物半導体膜16を形成する。
D)法、熱CVD法等で形成する。
形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体を用いる
ことが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリ
シラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二
酸化窒素等がある。
nic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成するこ
とができる。
フニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体(ハフニウム
アルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH))を
気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O3)の2種類のガスを用いる。なお、テ
トラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf[N(CH3)2]4である。また、
他の材料液としては、テトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどがある。
ルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体(トリメ
チルアルミニウムTMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種類の
ガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CH3)3である。また
、他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミ
ニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナ
ート)などがある。
リコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含
まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と
反応させる。
ション法、熱CVD法等を用いて形成することができる。
電源装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。
の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよび酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸
素のガス比を高めることが好ましい。
よい。
を120℃以上600℃未満、好ましくは150℃以上450℃未満、好ましくは150
℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上250℃未満としながら酸化物半導体膜1
6を形成することで、酸化物半導体膜16は、複数の結晶部が含まれる、CAAC−OS
膜となるため好ましい。
ンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガ
スとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−40℃以下、好ましくは−80℃以
下、より好ましくは−100℃以下、より好ましくは−120℃以下にまで高純度化した
ガスを用いることで酸化物半導体膜16に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐこ
とができる。
膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを順次繰り返し導入してInO
2層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスを同時に導入してGaO層を形
成し、更にその後Zn(CH3)2とO3ガスを同時に導入してZnO層を形成する。な
お、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてInGaO2層
やInZnO2層、GaInO層、ZnInO層、GaZnO層などの混合化合物層を形
成してもよい。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH
2Oガスを用いてもよいが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。また、In(
CH3)3ガスにかえて、In(C2H5)3ガスを用いてもよい。また、Ga(CH3
)3ガスにかえて、Ga(C2H5)3ガスを用いてもよい。また、Zn(CH3)2ガ
スを用いてもよい。
いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜16として厚さ35nmのIn−Ga−Z
n酸化物膜を形成する。なお、基板温度を170℃、50vol%の酸素を含むアルゴン
ガスをスパッタリングガスとして用いる。
によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜16の一部をエッチングす
ることで、素子分離された酸化物半導体膜17を形成する。この後、マスクを除去する(
図6(D)参照。)。
ライエッチング法等があり、これらの一方または両方を用いることができる。
半導体膜16をウエットエッチングして、酸化物半導体膜17を形成する。
処理を行う。この結果、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲で
観察箇所を変化させたとき、CAAC化率が、70%以上100%未満、好ましくは80
%以上100%未満、好ましくは90%以上100%未満、より好ましくは95%以上9
8%以下である酸化物半導体膜17を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低
減された酸化物半導体膜17を得ることが可能である。すなわち、不純物濃度が低く、欠
陥準位密度の低い酸化物半導体膜を形成することができる。
スクを用いたフォトリソグラフィ工程の前に行ってもよい。
する。
CVD法等で形成する。
リング法により積層し、導電膜18を形成する。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜18をエッチングして、一対の電極19、
20を形成する。この後、マスクを除去する(図7(B)参照。)。
該マスクを用いてタングステン膜および銅膜をドライエッチングして、一対の電極19、
20を形成する。なお、はじめに、ウエットエッチング法を用いて銅膜をエッチングし、
次に、SF6を用いたドライエッチング法により、タングステン膜をエッチングすること
で、該エッチングにおいて、銅膜の表面にフッ化物が形成される。該フッ化物により、銅
膜からの銅元素の拡散が低減され、酸化物半導体膜17における銅濃度を低減することが
できる。
、後に酸化物絶縁膜23となる酸化物絶縁膜22、および後に酸化物絶縁膜25となる酸
化物絶縁膜24を形成する。
4を形成することが好ましい。酸化物絶縁膜22を形成した後、大気開放せず、原料ガス
の流量、圧力、高周波電力および基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁膜24を連続
的に形成することで、酸化物絶縁膜22および酸化物絶縁膜24における界面の大気成分
由来の不純物濃度を低減することができると共に、酸化物絶縁膜24に含まれる酸素を酸
化物半導体膜17に移動させることが可能であり、酸化物半導体膜17の酸素欠損量を低
減することができる。
た基板を280℃以上400℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内にお
ける圧力を20Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは100Pa以上250Pa以
下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜
または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン
、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒
素、二酸化窒素等がある。
することができる。また、酸化物絶縁膜22を設けることで、後に形成する酸化物絶縁膜
25の形成工程において、酸化物半導体膜17へのダメージ低減が可能である。
た基板を280℃以上400℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内にお
ける圧力を20Pa以上250Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を
供給する条件により、酸化物絶縁膜22として、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン
膜を形成することができる。
力が強くなる。この結果、酸化物絶縁膜22として、酸素が透過し、緻密であり、且つ硬
い酸化物絶縁膜、代表的には、25℃において0.5重量%のフッ酸を用いた場合のエッ
チング速度が10nm/分以下、好ましくは8nm/分以下である酸化シリコン膜または
酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
水等が含まれる場合、当該工程において酸化物半導体膜17に含まれる水素、水等を脱離
させることができる。酸化物半導体膜17に含まれる水素は、プラズマ中で発生した酸素
ラジカルと結合し、水となる。酸化物絶縁膜22の成膜工程において基板が加熱されてい
るため、酸素および水素の結合により生成された水は、酸化物半導体膜17から脱離する
。即ち、プラズマCVD法によって酸化物絶縁膜22を形成することで、酸化物半導体膜
17に含まれる水および水素の含有量を低減することができる。
露出された状態での加熱時間が少なく、加熱処理による酸化物半導体膜からの酸素の脱離
量を低減することができる。即ち、酸化物半導体膜17中に含まれる酸素欠損量を低減す
ることができる。
を成膜する際に、酸化物半導体膜17へのダメージを低減することが可能であり、酸化物
半導体膜17に含まれる酸素欠損量を低減することができる。特に、酸化物絶縁膜22ま
たは後に形成される酸化物絶縁膜24の成膜温度を高くする、代表的には220℃より高
い温度とすることで、酸化物半導体膜17に含まれる酸素の一部が脱離し、酸素欠損が形
成されやすい。また、トランジスタの信頼性を高めるため、後に形成する酸化物絶縁膜2
4の欠陥量を低減するための成膜条件を用いると、酸素脱離量が低減しやすい。これらの
結果、酸化物半導体膜17の酸素欠損を低減することが困難な場合がある。しかしながら
、処理室の圧力を100Pa以上250Pa以下とし、酸化物絶縁膜22の成膜時におけ
る酸化物半導体膜17へのダメージを低減することで、酸化物絶縁膜24からの少ない酸
素脱離量でも酸化物半導体膜17中の酸素欠損を低減することが可能である。
酸化物絶縁膜22に含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、酸化物
半導体膜17に混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナ
スシフトを抑制することができる。
ccmの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を200Pa、基板温度を220℃
とし、27.12MHzの高周波電源を用いて150Wの高周波電力を平行平板電極に供
給したプラズマCVD法により、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。当該条
件により、酸素が透過する酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
た基板を180℃以上280℃以下、さらに好ましくは200℃以上240℃以下に保持
し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を100Pa以上250Pa以下
、さらに好ましくは100Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0
.17W/cm2以上0.5W/cm2以下、さらに好ましくは0.25W/cm2以上
0.35W/cm2以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化
窒化シリコン膜を形成する。
用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン
、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒
素、二酸化窒素等がある。
波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増
加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜24中における酸素含有量が化学量論的
組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素
の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果
、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離す
る酸化物絶縁膜を形成することができる。また、酸化物半導体膜17上に酸化物絶縁膜2
2が設けられている。このため、酸化物絶縁膜24の形成工程において、酸化物絶縁膜2
2が酸化物半導体膜17の保護膜となる。この結果、酸化物半導体膜17へのダメージを
低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜24を形成することがで
きる。
sccmの一酸化二窒素を原料ガスとし、反応室の圧力を200Pa、基板温度を220
℃とし、27.12MHzの高周波電源を用いて1500Wの高周波電力を平行平板電極
に供給したプラズマCVD法により、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。
なお、プラズマCVD装置は電極面積が6000cm2である平行平板型のプラズマCV
D装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力(電力密度)に換算すると0.25
W/cm2である。
、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下とする。
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。
pm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウム等)
の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水
等が含まれないことが好ましい。
移動させ、酸化物半導体膜17に含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる。
素等をブロッキングする機能を有する窒化物絶縁膜26を形成した後で加熱処理を行うと
、酸化物絶縁膜22および酸化物絶縁膜24に含まれる水、水素等が、酸化物半導体膜1
7に移動し、酸化物半導体膜17に欠陥が生じてしまう。しかしながら、当該加熱処理を
窒化物絶縁膜26の形成前に行うことにより、酸化物絶縁膜22および酸化物絶縁膜24
に含まれる水、水素等を脱離させることが可能であり、トランジスタ10の電気特性のば
らつきを低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
物半導体膜17に酸素を移動させ、酸化物半導体膜17に含まれる酸素欠損を低減するこ
とが可能であるため、当該加熱処理を行わなくともよい。
体膜17はダメージを受け、酸化物半導体膜17のバックチャネル(酸化物半導体膜17
において、ゲート電極13と対向する面と反対側の面)側に酸素欠損が生じる。しかし、
酸化物絶縁膜24に化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を
適用することで、加熱処理によって当該バックチャネル側に生じた酸素欠損を低減するこ
とができる。これによりトランジスタ10の信頼性を向上させることができる。
PLD)法等により、のちに窒化物絶縁膜27となる窒化物絶縁膜26を形成する。
空排気された処理室内に載置された基板を300℃以上400℃以下、さらに好ましくは
320℃以上370℃以下にとすることで、緻密な窒化物絶縁膜を形成できるため好まし
い。
コンを含む堆積性気体、窒素、およびアンモニアを原料ガスとして用いることが好ましい
。原料ガスとして、窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアン
モニアが解離し、活性種が発生する。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれ
るシリコンおよび水素の結合、および窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコンお
よび窒素の結合が促進され、シリコンおよび水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な
窒化シリコン膜を形成することができる。一方、原料ガスにおいて、窒素に対するアンモ
ニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体および窒素それぞれの分解が進まず、シリ
コンおよび水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成
されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を5
以上50以下、好ましくは10以上50以下とすることが好ましい。
sccmの窒素、および流量100sccmのアンモニアを原料ガスとし、処理室の圧力
を100Pa、基板温度を350℃とし、27.12MHzの高周波電源を用いて100
0Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法により、窒化物絶縁膜26
として、厚さ50nmの窒化シリコン膜を形成する。なお、プラズマCVD装置は電極面
積が6000cm2である平行平板型のプラズマCVD装置であり、供給した電力を単位
面積あたりの電力(電力密度)に換算すると1.7×10−1W/cm2である。
形成することができる。
0℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下
とする。
りマスクを形成した後、該マスクを用いて、酸化物絶縁膜22、酸化物絶縁膜24、およ
び窒化物絶縁膜26のそれぞれ一部をエッチングして、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜
25、および窒化物絶縁膜27を形成する。なお、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25
、および窒化物絶縁膜27は、図8(B)のA−Bに示すように、開口部41を有する。
する。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜30の一部をエッチングして、電極32を
形成する。この後、マスクを除去する。
CAAC化率の高い酸化物半導体膜を有するため、電気特性が優れている。また、信頼性
が高い。
トランジスタ10の作製方法において、一対の電極19、20および酸化物半導体膜1
7を、ハーフトーンマスク(または、グレートーンマスク、位相差マスクなど)を用いて
形成することによって、マスク数及びプロセス工程数を減らすことができる。この場合、
酸化物半導体膜17を形成するためのレジストマスクをアッシングすることなどにより、
一対の電極19、20を形成するためのレジストマスクを形成する。したがって、一対の
電極19、20の下には、必ず、酸化物半導体膜17が設けられる。図1に示すトランジ
スタ10を、ハーフトーンを用いて作製したトランジスタの平面図を図38(A)に示し
、断面図を図38(B)および図38(C)に示す。なお、他の実施の形態においても、
ハーフトーンを用いて、酸化物半導体膜および一対の電極を作製することが可能である。
トランジスタ10の作製方法において、酸化物半導体膜17と、一対の電極19、20
との間に、絶縁膜29があってもよい。この場合は、図39に示すように、開口部44、
開口部45において、酸化物半導体膜17と、一対の電極19、20とが接続される。絶
縁膜29は、ゲート絶縁膜15、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27のいずれかと同様
の材料を用いて形成することができる。なお、絶縁膜29は、酸化物半導体膜17のチャ
ネル領域の上にのみ、設けられていてもよい。
本実施の形態のトランジスタ10において、酸化物半導体膜17および一対の電極19
、20と異なる形態について、説明する。なお、他のトランジスタに適宜本実施の形態を
適用することができる。
ミニウム、銅、モリブデン、クロム、またはタンタル単体もしくは合金等の酸素と結合し
やすい導電材料を用いることができる。この結果、酸化物半導体膜17に含まれる酸素と
一対の電極19、20に含まれる導電材料とが結合し、酸化物半導体膜17において、酸
素欠損領域が形成される。また、酸化物半導体膜17に一対の電極19、20を形成する
導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果、酸化物半導体膜17に
おいて、一対の電極19、20と接する領域近傍に、低抵抗領域が形成される。低抵抗領
域は、一対の電極19、20に接し、且つゲート絶縁膜15と、一対の電極19、20の
間に形成される。低抵抗領域は、導電性が高いため、酸化物半導体膜17と一対の電極1
9、20との接触抵抗を低減することが可能であり、トランジスタのオン電流を増大させ
ることが可能である。
もよい。または、一対の電極19、20の端部より内側に低抵抗領域の端部が位置しても
よい。酸化物半導体膜17において、低抵抗領域が形成される場合、チャネル長は酸化物
半導体膜17とゲート絶縁膜28の界面における低抵抗領域の間の距離となる。
化タンタル、ルテニウム等の酸素と結合しにくい導電材料との積層構造としてもよい。こ
のような積層構造とすることで、一対の電極19、20と酸化物絶縁膜23との界面にお
いて、一対の電極19、20の酸化を防ぐことが可能であり、一対の電極19、20の高
抵抗化を抑制することが可能である。
以下では、CAAC−OS膜およびnc−OS膜の成膜モデルの一例について説明する
。
成膜室内の模式図である。
介してターゲット5130と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複
数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高め
るスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
明する。図47(A)に、ターゲット5130に含まれるInGaZnO4の結晶の構造
を示す。なお、図47(A)は、c軸を上向きとし、b軸に平行な方向からInGaZn
O4の結晶を観察した場合の構造である。
酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有
することにより、近接する二つのGa−Zn−O層は互いに反発する。その結果、InG
aZnO4の結晶は、近接する二つのGa−Zn−O層の間に劈開面を有する。
ターゲット−基板間距離(T−S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ま
しくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、
酸素、アルゴン、または酸素を5体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.0
1Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。ここ
で、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが
確認される。なお、ターゲット5130の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が
形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101
が生じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O+)やアルゴンの陽イオン(
Ar+)などである。
5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であ
るペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、叩き出される。なお、ペレッ
ト5100aおよびペレット5100bは、イオン5101の衝突の衝撃によって、構造
に歪みが生じる場合がある。
状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面
を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよ
びペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット
5100と呼ぶ。ペレット5100の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例
えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形(例えば、正三
角形)が2個合わさった四角形(例えば、ひし形)となる場合もある。
、ペレット5100の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みの
ないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレ
ット5100は、厚さを0.4nm以上1nm以下、好ましくは0.6nm以上0.8n
m以下とする。また、例えば、ペレット5100は、幅を1nm以上3nm以下、好まし
くは1.2nm以上2.5nm以下とする。ペレット5100は、上述の図45中の(1
)で説明した初期核に相当する。例えば、In−Ga−Zn酸化物を有するターゲット5
130にイオン5101を衝突させる場合、図47(B)に示すように、Ga−Zn−O
層、In−O層およびGa−Zn−O層の3層を有するペレット5100が飛び出してく
る。なお、図47(C)は、ペレット5100をc軸に平行な方向から観察した場合の構
造である。したがって、ペレット5100は、二つのGa−Zn−O層と、In−O層と
、を有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
正に帯電する場合がある。ペレット5100は、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が
負に帯電する可能性がある。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電
荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、CAAC−O
S膜が、In−Ga−Zn酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に
帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合し
た酸素原子が負に帯電する可能性がある。また、ペレット5100は、プラズマを通過す
る際にインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成
長する場合がある。上述の図45中の(2)と(1)の大きさの違いが、プラズマ中での
成長分に相当する。ここで、基板5120が室温程度である場合、ペレット5100がこ
れ以上成長しないためnc−OS膜となる(図46(B)参照。)。成膜可能な温度が室
温程度であることから、基板5120が大面積である場合でもnc−OS膜の成膜は可能
である。なお、ペレット5100をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法
における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット5
100の構造を安定にすることができる。
マ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板5120上まで舞い上がっていく。ペレット5
100は電荷を帯びているため、ほかのペレット5100が既に堆積している領域が近づ
くと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面では、基板5120の上面に平行な向
きの磁場(水平磁場ともいう。)が生じている。また、基板5120およびターゲット5
130間には、電位差が与えられているため、基板5120からターゲット5130に向
けて電流が流れている。したがって、ペレット5100は、基板5120の上面において
、磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。このことは、フレミン
グの左手の法則によって理解できる。
面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが
磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット5100に与える
力を大きくするためには、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向
きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好ましくは30G以上、より好ま
しくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基板5120の上面において、基
板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の上面に垂直な向きの磁場の1.
5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以上と
なる領域を設けるとよい。
することによって、基板5120の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したが
って、基板5120の上面において、ペレット5100は、様々な方向への力を受け、様
々な方向へ移動することができる。
0と基板5120との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペ
レット5100は、基板5120の上面を滑空するように移動する。ペレット5100の
移動は、平板面を基板5120に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかの
ペレット5100の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット51
00の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、CAAC−OS膜中
の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いCAAC−OS膜となる。なお
、基板5120の上面の温度は、例えば、100℃以上500℃未満、150℃以上45
0℃未満、または170℃以上400℃未満とすればよい。即ち、基板5120が大面積
である場合でもCAAC−OS膜の成膜は可能である。
イオン5101の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット51
00は、ほぼ単結晶となる。ペレット5100がほぼ単結晶となることにより、ペレット
5100同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット5100自体の伸縮はほとん
ど起こり得ない。したがって、ペレット5100間の隙間が広がることで結晶粒界などの
欠陥を形成し、クレバス化することがない。
く、ペレット5100(ナノ結晶)の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったよう
な配列をしている。また、その間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成
膜後の加熱または曲げなどで、CAAC−OS膜に縮みなどの変形が生じた場合でも、局
部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可とう性を有す
る半導体装置に適した構造である。なお、nc−OSは、ペレット5100(ナノ結晶)
が無秩序に積み重なったような配列となる。
す場合がある。酸化亜鉛はペレットよりも軽量であるため、先に基板5120の上面に到
達する。そして、0.1nm以上10nm以下、0.2nm以上5nm以下、または0.
5nm以上2nm以下の酸化亜鉛層5102を形成する。図48に断面模式図を示す。
ト5105bと、が堆積する。ここで、ペレット5105aとペレット5105bとは、
互いに側面が接するように配置している。また、ペレット5105cは、ペレット510
5b上に堆積した後、ペレット5105b上を滑るように移動する。また、ペレット51
05aの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子51
03が基板5120の加熱により結晶化し、領域5105a1を形成する。なお、複数の
粒子5103は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
し、ペレット5105a2となる。また、ペレット5105cは、その側面がペレット5
105bの別の側面と接するように配置する。
上およびペレット5105b上に堆積した後、ペレット5105a2上およびペレット5
105b上を滑るように移動する。また、ペレット5105cの別の側面に向けて、さら
にペレット5105eが酸化亜鉛層5102上を滑るように移動する。
05a2の側面と接するように配置する。また、ペレット5105eは、その側面がペレ
ット5105cの別の側面と接するように配置する。また、ペレット5105dの別の側
面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子5103が基板51
20の加熱により結晶化し、領域5105d1を形成する。
成長が起こることで、基板5120上にCAAC−OS膜が形成される。したがって、C
AAC−OS膜は、nc−OS膜よりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図45
中の(3)と(2)の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。
成される場合がある。大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、大きなペレット
の大きさが、上面から見て10nm以上200nm以下、15nm以上100nm以下、
または20nm以上50nm以下となる場合がある。したがって、トランジスタのチャネ
ル形成領域が、大きなペレットよりも小さい場合、チャネル形成領域として単結晶構造を
有する領域を用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、トランジスタの
チャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として単結晶構造を有する領域を用い
ることができる場合がある。
されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
られる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場
合においても、CAAC−OS膜の成膜が可能であることがわかる。例えば、基板512
0の上面(被形成面)の構造が非晶質構造(例えば非晶質酸化シリコン)であっても、C
AAC−OS膜を成膜することは可能である。
、その形状に沿ってペレット5100が配列することがわかる。例えば、基板5120の
上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット5100はab面と平行な平面である平板面を
下に向けて並置する。ペレット5100の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、か
つ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がn段(nは自然数。)積み重な
ることで、CAAC−OS膜を得ることができる。
100が凹凸に沿って並置した層がn段(nは自然数。)積み重なった構造となる。基板
5120が凹凸を有するため、CAAC−OS膜は、ペレット5100間に隙間が生じや
すい場合がある。ただし、ペレット5100間で分子間力が働き、凹凸があってもペレッ
ト間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶
性を有するCAAC−OS膜とすることができる。
どであっても均一な成膜が可能である。
ないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である
場合、基板5120上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場
合がある。
性を有するCAAC−OS膜を得ることができる。
法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置およびその作製方法について図面
を参照して説明する。なお、本実施の形態に示すトランジスタは、実施の形態1に示すト
ランジスタと比較して、酸化物半導体膜を介して2つのゲート電極を有する点が異なる。
面図を示す。図9(A)はトランジスタ40の上面図であり、図9(B)は、図9(A)
の一点鎖線A−B間の断面図であり、図9(C)は、図9(A)の一点鎖線C−D間の断
面図である。なお、図9(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート絶縁膜15、酸化
物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27などを省略している。
スタであり、基板11上に設けられるゲート電極13と、基板11およびゲート電極13
上に形成されるゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15を介して、ゲート電極13と重な
る酸化物半導体膜17と、酸化物半導体膜17に接する一対の電極19、20とを有する
。また、ゲート絶縁膜15、酸化物半導体膜17、および一対の電極19、20上に、酸
化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27で構成されるゲート絶縁膜
28と、ゲート絶縁膜28上に形成されるゲート電極31とを有する。ゲート電極31は
、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28に設けられた開口部42、43においてゲー
ト電極13と接続する。また、一対の電極19、20の一方、ここでは電極20に接続す
る電極32が、窒化物絶縁膜27上に形成される。なお、電極32は画素電極として機能
する。
よびゲート電極31の間に、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28を介して酸化物半
導体膜17が設けられている。また、ゲート電極31は図9(A)に示すように、上面か
らみて、ゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17の端部と重なる。また、チャネル
長が0.5μm以上6.5μm以下、より好ましくは1μmより大きく2.5μm以下で
あることが好ましい。
9(B)に示すように、一対の電極19、20の一方を露出する開口部41を有する。ま
た、図9(C)に示すように、チャネル幅方向において、酸化物半導体膜17を挟む開口
部42、43を有する。即ち、酸化物半導体膜17の側面の外側に開口部42、43を有
する。開口部41において、一対の電極19、20の一方、ここでは電極20と電極32
が接続する。また、開口部42、43において、ゲート電極13およびゲート電極31が
接続する。即ち、チャネル幅方向において、ゲート電極13およびゲート電極31は、ゲ
ート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17を囲む。また、チャ
ネル幅方向において、ゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17の側面と開口部42
、43に設けられたゲート電極31が位置する。
1を同電位とし、且つ酸化物半導体膜17の側面がゲート電極31と対向することで、さ
らには、チャネル幅方向において、ゲート電極13およびゲート電極31が、ゲート絶縁
膜15およびゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17を囲むことで、酸化物半導体
膜17においてキャリアが、ゲート絶縁膜15、28と酸化物半導体膜17との界面のみ
でなく、酸化物半導体膜17の広い範囲において流れるため、トランジスタ40における
キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ40のオン電流が大きくなる共に
、電界効果移動度が高くなり、代表的には電界効果移動度が10cm2/V・s以上、さ
らには20cm2/V・s以上となる。なお、ここでの電界効果移動度は、酸化物半導体
膜の物性値としての移動度の近似値ではなく、トランジスタの飽和領域における電流駆動
力の指標であり、見かけ上の電界効果移動度である。なお、トランジスタのチャネル長(
L長ともいう。)を0.5μm以上6.5μm以下、より好ましくは1μmより大きく2
.5μm以下とすることで、電界効果移動度の増加が顕著である。また、チャネル長が0
.5μm以上6.5μm以下のように小さいことで、チャネル幅も小さくすることが可能
である。このため、ゲート電極13およびゲート電極31の接続部を複数有しても、トラ
ンジスタの面積を縮小することが可能である。
ダメージにより欠陥が形成される共に、不純物付着などにより汚染される。このため、ト
ランジスタにおいてゲート電極13およびゲート電極31の一方のみ形成される場合、酸
化物半導体膜17が真性または実質的に真性であっても、電界などのストレスが与えられ
ることによって酸化物半導体膜17の端部は活性化され、n型(低抵抗領域)となりやす
い。また、当該n型の端部が、図9(A)の破線33、34のように、一対の電極19、
20の間に設けられると、n型の領域がキャリアのパスとなってしまい、寄生チャネルが
形成される。この結果、ドレイン電流はしきい値電圧近傍で段階的に上昇し、且つしきい
値電圧がマイナスシフトしたトランジスタとなってしまう。しかしながら、図9(C)に
示すように、同電位であるゲート電極13およびゲート電極31を有し、チャネル幅方向
において、ゲート電極31がゲート絶縁膜28を介して、ゲート電極31と酸化物半導体
膜17の側面が位置するトランジスタにおいて、ゲート電極31の電界が酸化物半導体膜
17の側面にも影響する。この結果、酸化物半導体膜17の端部における寄生チャネルの
発生が抑制される。この結果、ドレイン電流が、しきい値電圧近傍で段階的に上昇するこ
とのない、電気特性の優れたトランジスタとなる。
界を遮蔽する機能を有するため、基板11およびゲート電極13の間、ゲート電極31上
に存在する固定電荷が酸化物半導体膜17に影響しない。この結果、ストレス試験(例え
ば、ゲート電極にマイナスの電位を印加する−GBT(Gate Bias−Tempe
rature)ストレス試験)の劣化が抑制されると共に、異なるドレイン電圧における
オン電流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。
ジスタの特性変化(即ち、経年変化)を、短時間で評価することができる。特に、BTス
トレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための
重要な指標となる。BTストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど
、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
に形成することができる。
を用いて説明する。なお、図6乃至図8、および図10において、図9(A)のA−Bに
示すチャネル長方向の断面図およびC−Dに示すチャネル幅方向の断面図を示す。
13、絶縁膜14、酸化物半導体膜17、一対の電極19、20、酸化物絶縁膜22、酸
化物絶縁膜24、および窒化物絶縁膜26を形成する。なお、図6乃至図8(A)の工程
において、第1のフォトマスク乃至第3のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程
を行っている。
0℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下
とする。
りマスクを形成した後、該マスクを用いて、絶縁膜14、酸化物絶縁膜22、酸化物絶縁
膜24、および窒化物絶縁膜26のそれぞれ一部をエッチングして、ゲート絶縁膜15と
、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27で構成されるゲート絶
縁膜28とを形成する。なお、ゲート絶縁膜28には、図10(A)のA−Bに示すよう
に、開口部41を有する。また、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28には、図10
(A)のC−Dに示すように、開口部42、43を有する。
0を形成する。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜30の一部をエッチングして、ゲート電極
31および電極32を形成する。この後、マスクを除去する。
ゲート絶縁膜28に設けられる開口部に設けられるゲート電極31と酸化物半導体膜17
の側面が、ゲート絶縁膜28を介して位置するように、ゲート電極31を形成する。
ート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28に設けられる開口部42、43において、酸化物
半導体膜17の側面と対向することで、ゲート電極31の電界が酸化物半導体膜17の端
部に影響し、酸化物半導体膜17の端部における寄生チャネルの発生が抑制される。この
結果、しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が急峻である、電気特性の優れたトラン
ジスタとなる。また、酸化物半導体膜17の側面においても、ゲート電極31の電界の影
響を受け、酸化物半導体膜17の広い範囲においてキャリアが流れるため、トランジスタ
の電界効果移動度が上昇すると共に、オン電流が増大する。
の優れた半導体装置を得ることができる。また、酸化物半導体膜を有するトランジスタを
備えた半導体装置において、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
法などと適宜組み合わせて用いることができる。
図1および図9と異なる構造のトランジスタについて、図11を用いて説明する。図1
1に示すトランジスタ50は、チャネル幅方向において、酸化物半導体膜17の一方の側
面の外側において、ゲート電極13およびゲート電極51が接続するが、酸化物半導体膜
17の他方の側面の外側において、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28を介して、
ゲート電極13およびゲート電極51が対向する点が、実施の形態2に示す他のトランジ
スタと異なる。
び断面図を示す。図11(A)はトランジスタ50の上面図であり、図11(B)は、図
11(A)の一点鎖線A−B間の断面図であり、図11(C)は、図11(A)の一点鎖
線C−D間の断面図である。なお、図11(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート
絶縁膜15、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27などを省略してい
る。
ジスタであり、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27は、ゲー
ト絶縁膜28として機能する。また、窒化物絶縁膜27上に形成されるゲート電極51を
有する。ゲート電極51は、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28に設けられた開口
部42においてゲート電極13に接続する。また、一対の電極19、20の一方、ここで
は電極20に接続する電極32がゲート絶縁膜28上に形成される。なお、電極32は画
素電極として機能する。
ることができる。
酸化物半導体膜17が設けられている。また、ゲート電極51は図11(A)に示すよう
に、上面から見て、ゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17の端部と重なる。
、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜28に設けられた開口部42において、ゲート電
極51はゲート電極13と接続する。また、ゲート電極51は開口部42に設けられるゲ
ート電極51と酸化物半導体膜17の側面がゲート絶縁膜28を介して位置する。また、
酸化物半導体膜17の他方の側面の外側においては、ゲート電極51はゲート電極13と
接続しない。また、ゲート電極51端部は、酸化物半導体膜17の側面の外側に位置する
。
半導体膜17、一対の電極19、20、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜24、および窒
化物絶縁膜26を形成する。なお、当該工程においては、第1のフォトマスク乃至第3の
フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を行う。
にマスクを形成した後、絶縁膜14、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜24、および窒化
物絶縁膜26の一部をエッチングして、図11(A)および図11(B)に示す開口部4
1、さらにゲート絶縁膜15もエッチングして図11(A)および図11(C)に示す開
口部42を形成する。
マスクを用いたフォトリソグラフィ工程により導電膜30上にマスクを形成した後、導電
膜30の一部をエッチングして、図11(A)乃至図11(C)に示すゲート電極51お
よび電極32を形成する。
図1、図9、および図11と異なる構造のトランジスタについて、図12を用いて説明
する。図12に示すトランジスタ60は、ゲート電極13およびゲート電極64が、導電
膜62を介して接続している点が、実施の形態1および実施の形態2に示す他のトランジ
スタと異なる。
び断面図を示す。図12(A)はトランジスタ60の上面図であり、図12(B)は、図
12(A)の一点鎖線A−B間の断面図であり、図12(C)は、図12(A)の一点鎖
線C−D間の断面図である。なお、図12(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート
絶縁膜15、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27などを省略してい
る。
ンジスタであり、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27はゲー
ト絶縁膜28として機能する。また、窒化物絶縁膜27上に形成されるゲート電極64を
有する。ゲート電極64は、導電膜62を介して、ゲート電極13に接続する。また、一
対の電極19、20の一方、ここでは電極20に接続する電極32がゲート絶縁膜28上
に形成される。なお、電極32は画素電極として機能する。
を適宜用いて形成することができる。また、導電膜62は、一対の電極19、20と同時
に形成される。ゲート電極64は、実施の形態1に示す電極32と同様の材料を用い、同
時に形成することができる。
酸化物半導体膜17が設けられている。また、ゲート電極64は図12(A)に示すよう
に、上面から見て、ゲート絶縁膜28を介して酸化物半導体膜17の端部と重なる。
、導電膜62がゲート電極13と接続する。また、ゲート絶縁膜28に設けられた開口部
63において、ゲート電極64は導電膜62と接続する。即ち、導電膜62を介してゲー
ト電極13およびゲート電極64は電気的に接続する。また、ゲート電極13およびゲー
ト電極64と同電位である導電膜62は酸化物半導体膜17の側面と対向する。
物半導体膜17の一方の側面の外側のみにおいて、ゲート電極13およびゲート電極64
が導電膜62を介して接続するが、酸化物半導体膜17の両方の側面の外側において、ゲ
ート電極13およびゲート電極64が導電膜62を介して接続してもよい。
膜17を形成する。当該工程においては、第1のフォトマスクおよび第2のフォトマスク
を用いたフォトリソグラフィ工程を行う。
クを形成した後、絶縁膜14の一部をエッチングして、図12(A)および図12(C)
に示す開口部61を形成する。
フォトリソグラフィ工程により導電膜18上にマスクを形成した後、導電膜18の一部を
エッチングして、一対の電極19、20、および導電膜62を形成する。
窒化物絶縁膜26を形成する。次に、第5のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工
程により窒化物絶縁膜26上にマスクを形成した後、窒化物絶縁膜26の一部をエッチン
グして、図12(A)および図12(C)に示す開口部41、63を形成する。
マスクを用いたフォトリソグラフィ工程により導電膜30上にマスクを形成した後、導電
膜30の一部をエッチングして、図12(A)乃至図12(C)に示すゲート電極64お
よび電極32を形成する。
図1、図9、図11、および図12と異なる構造のトランジスタについて、図13を用
いて説明する。図13に示すトランジスタ80は、一対の電極19、20の一方に接続す
る電極92が窒化物絶縁膜87上に形成される。また、酸化物半導体膜17および一対の
電極19、20上に、トランジスタごとに分離された酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁
膜85を有する点が、実施の形態1および実施の形態2に示す他のトランジスタと異なる
。
び断面図を示す。図13(A)はトランジスタ80の上面図であり、図13(B)は、図
13(A)の一点鎖線A−B間の断面図であり、図13(C)は、図13(A)の一点鎖
線C−D間の断面図である。なお、図13(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート
絶縁膜15、酸化物絶縁膜83、酸化物絶縁膜85、窒化物絶縁膜87などを省略してい
る。
ンジスタであり、基板11上に設けられるゲート電極13と、基板11およびゲート電極
13上に形成されるゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15を介して、ゲート電極13と
重なる酸化物半導体膜17と、酸化物半導体膜17に接する一対の電極19、20とを有
する。また、ゲート絶縁膜15、酸化物半導体膜17、および一対の電極19、20上に
、酸化物絶縁膜83、酸化物絶縁膜85、および窒化物絶縁膜87で構成されるゲート絶
縁膜88と、ゲート絶縁膜88上に形成されるゲート電極91とを有する。ゲート電極9
1は、ゲート絶縁膜15および窒化物絶縁膜87に設けられた開口部94においてゲート
電極13と接続する。また、一対の電極19、20の一方、ここでは電極20に接続する
電極92が、窒化物絶縁膜87上に形成される。電極92は窒化物絶縁膜87に設けられ
た開口部93において、電極20と接続する。なお、電極92は画素電極として機能する
。
る。酸化物絶縁膜15bは、酸化物半導体膜17、一対の電極19、20、および酸化物
絶縁膜83と重複する領域に形成される。
5bは、実施の形態1に示すゲート絶縁膜15において列挙した酸化物を適宜用いること
ができる。また、窒化物絶縁膜15aおよび酸化物絶縁膜15bはそれぞれ、絶縁膜14
に列挙した作製方法を適宜用いることができる。また、酸化物絶縁膜83は、実施の形態
1に示す酸化物絶縁膜23と同様の材料および作製方法を適宜用いて形成することができ
る。また、酸化物絶縁膜85は、実施の形態1に示す酸化物絶縁膜25と同様の材料およ
び作製方法を適宜用いて形成することができる。窒化物絶縁膜87は、実施の形態1に示
す窒化物絶縁膜27と同様の材料および作製方法を適宜用いて形成することができる。ま
た、ゲート電極91および電極92は、実施の形態1に示すゲート電極31および電極3
2と同様の材料および作製方法を適宜用いて形成することができる。
り、且つ酸化物半導体膜17と重畳する。具体的には、図13(B)に示すチャネル長方
向において、一対の電極19、20上に酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の端部
が位置し、図13(C)に示すチャネル幅方向において、酸化物半導体膜17の外側に酸
化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の端部が位置する。また、窒化物絶縁膜87は、
酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の上面および側面を覆うように形成され、窒化
物絶縁膜15aと接する。なお、酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の端部は、チ
ャネル長方向において、一対の電極19、20に設けられず、窒化物絶縁膜15a上に設
けられてもよい。
縁膜85の側面を介して、ゲート電極91と酸化物半導体膜17の側面が位置する。
よびゲート電極91の間に、ゲート絶縁膜15およびゲート絶縁膜88を介して酸化物半
導体膜17が設けられている。また、ゲート電極91は図13(A)に示すように、上面
からみて、ゲート絶縁膜88を介して酸化物半導体膜17の端部と重なる。
ト絶縁膜15および窒化物絶縁膜87に設けられた開口部94において、ゲート電極91
はゲート電極13と接続する。また、酸化物絶縁膜83、85および窒化物絶縁膜87の
側面を介して、ゲート電極91と酸化物半導体膜17の側面とが位置する。また、酸化物
半導体膜17の他方の側面の外側においては、ゲート電極91はゲート電極13と接続し
ない。また、ゲート電極91端部は、酸化物半導体膜17の側面の外側に位置する。
物半導体膜17の一方の側面の外側のみにおいて、ゲート電極13およびゲート電極91
が接続するが、酸化物半導体膜17の両方の側面の外側において、ゲート電極13および
ゲート電極91が接続してもよい。
膜85は、窒化物絶縁膜15a及び窒化物絶縁膜87により、周囲を囲まれている。窒化
物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87は、酸素の拡散係数が低く、酸素に対するバリア
性を有するため、酸化物絶縁膜85に含まれる酸素の一部を効率よく酸化物半導体膜17
に移動させることが可能であり、酸化物半導体膜17の酸素欠損量を減らすことが可能で
ある。また、窒化物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87は、水、水素等の拡散係数が低
く、水、水素等に対するバリア性を有するため、外部から酸化物半導体膜17への水、水
素等の拡散を防ぐことが可能である。これらの結果、トランジスタ80は、信頼性の高い
トランジスタとなる。
ゲート電極13、窒化物絶縁膜14a、酸化物絶縁膜14b、酸化物半導体膜17、一対
の電極19、20を形成する。当該工程においては、第1のフォトマスク乃至第3のフォ
トマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を行う。
る。次に、加熱処理を行って、酸化物絶縁膜24に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜
17に移動させ、酸化物半導体膜17に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
上にマスクを形成した後、酸化物絶縁膜22および酸化物絶縁膜24の一部をエッチング
して、トランジスタごとに分離された酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85を形成す
る。なお、酸化物絶縁膜83のエッチングと共に、酸化物絶縁膜14bの一部もエッチン
グされる。この結果、図14(B)に示すように、エッチングされた酸化物絶縁膜15b
が形成される。即ち、後に段差を有するゲート絶縁膜15が形成される。
示すチャネル幅方向において、窒化物絶縁膜14aおよび窒化物絶縁膜86が接する。即
ち、酸化物半導体膜17および酸化物絶縁膜85は、窒化物絶縁膜15a及び窒化物絶縁
膜86により周囲を囲まれている。
上にマスクを形成した後、窒化物絶縁膜86の一部をエッチングして、開口部93を形成
する。また、窒化物絶縁膜14aおよび窒化物絶縁膜86の一部をエッチングして、開口
部94を形成すると共に、窒化物絶縁膜15a及び窒化物絶縁膜87を形成する(図14
(D)参照)。
90を形成する。導電膜90は、実施の形態1に示す導電膜30と同様に形成することが
できる。
クを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜90の一部をエッチングして、ゲート電極
91および電極92を形成する。この後、マスクを除去する(図15(B)参照。)。
化物絶縁膜83及び酸化物絶縁膜85及び窒化物絶縁膜87との側面を介して位置するよ
うに、ゲート電極91を形成する。
よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜で形成される。また、窒化物絶縁膜15aおよび窒
化物絶縁膜87は酸素に対するバリア性が高い。これらのため、当該加熱処理において、
酸化物絶縁膜85に含まれる酸素の外部への拡散を低減することができる。また、酸化物
半導体膜17に含まれる酸素の外部への拡散を低減することができる。この結果、酸化物
半導体膜17の酸素欠損を低減することができる。さらに、窒化物絶縁膜15aおよび窒
化物絶縁膜87は、水素、水等に対するバリア性が高く、外部からの酸化物半導体膜17
への水素、水等の拡散を低減することができる。このため、酸化物半導体膜17の水素、
水等を低減することができる。この結果、信頼性の高いトランジスタを作製することがで
きる。
本実施の形態に示すトランジスタにおいて、図38に示すトランジスタと同様に、一対
の電極19、20および酸化物半導体膜17の作製方法において、一対の電極19、20
および酸化物半導体膜17を、ハーフトーンマスク(または、グレートーンマスク、位相
差マスクなど)を用いて形成することによって、マスク数及びプロセス工程数を減らすこ
とができる。図9において、ハーフトーンを用いて作製したトランジスタの平面図を図4
0(A)に示し、断面図を図40(B)および図40(C)に示す。
本実施の形態では、先の実施の形態とは異なる構成を有する本発明の一態様である半導
体装置について、図16を参照して説明する。
および断面図を示す。図16(A)はトランジスタ450の上面図であり、図16(B)
は、図16(A)の一点鎖線A−B間、および一点鎖線C−D間の断面図である。なお、
図16(B)では、明瞭化のため、基板400、絶縁膜402、絶縁膜414などを省略
している。
有する絶縁膜402と、絶縁膜402の凸部上の酸化物半導体膜406と、酸化物半導体
膜406の側面および上面に接する一対の電極408a、408bと、一対の電極408
a、408b上において酸化物半導体膜406と接するゲート絶縁膜410と、ゲート絶
縁膜410の上面に接し、酸化物半導体膜406の側面および上面に対向するゲート電極
412と、を有する。なお、一対の電極408a、408bおよびゲート電極412上の
絶縁膜414をトランジスタ450の要素に含めてもよい。
8bは、チャネルが形成される酸化物半導体膜406の側面と接する。また、チャネル幅
方向の断面において、ゲート電極412は酸化物半導体膜406の上面および側面と対向
して設けられており、ゲート電極412の電界によって酸化物半導体膜406を電気的に
取り囲むことができる。ここで、ゲート電極412の電界によってチャネル(またはチャ
ネルが形成される酸化物半導体膜406)を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、s
urrounded channel(s−channel)構造とよぶ。トランジスタ
450は、s−channel構造を有することで、酸化物半導体膜406の全体(バル
ク)にチャネルを形成することが可能となる。s−channel構造では、トランジス
タのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、高いオン電流を得ることができる。
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタのチャネル長を、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下とし、かつ、トランジスタのチャネル幅を、好ましくは4
0nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とする。
る、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電
極)との距離をいう。すなわち、図16(A)では、チャネル長は、酸化物半導体膜40
6とゲート電極412とが重なる領域における、一対の電極408a、408b間の距離
となる。チャネル幅とは、半導体膜とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレ
インとが平行に向かい合っている領域の長さをいう。すなわち、図16(A)では、チャ
ネル幅は、酸化物半導体膜406とゲート電極412とが重なる領域における、一対の電
極408a、408bがそれぞれ平行に向かい合っている長さをいう。
タ450に含まれる、基板400、酸化物半導体膜406、ゲート絶縁膜410およびゲ
ート電極412は、それぞれ先の基板11、酸化物半導体膜17、ゲート絶縁膜15およ
びゲート電極13についての説明を参酌することができるため、詳細な説明は省略する。
酸化物半導体膜406は、透過電子回折測定を用いて、一次元的に300nmの範囲で観
察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合(即
ち、CAAC化率)が、70%以上100%未満、好ましくは80%以上100%未満で
ある領域を有する。
クとして自己整合的に加工されている場合を例に示している。ただし、本発明の実施の形
態はこれに限られず、ゲート絶縁膜410によって一対の電極408a、408bの上面
を覆う構成としてもよい。
シウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリ
ウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネ
オジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用い
ればよい。ただし、絶縁膜402は、基板400からの不純物の拡散を防止する役割を有
するほか、チャネルが形成される酸化物半導体膜406に酸素を供給する役割を担うこと
ができる。したがって、絶縁膜402としては、酸素を含む絶縁膜を適用することが好ま
しく、化学量論的組成よりも多い酸素を含む絶縁膜を適用することがより好ましい。なお
、絶縁膜402が積層構造の場合には、少なくとも酸化物半導体膜406と接する領域に
おいて、酸素を含む絶縁膜を適用することが好ましい。例えば、絶縁膜402を窒化シリ
コン膜および酸化窒化シリコン膜の積層構造として、酸化窒化シリコン膜において酸化物
半導体膜406と接する構成とすればよい。
膜としての機能も有する。その場合、絶縁膜402の表面が平坦化されていてもよい。例
えば、絶縁膜402にCMP(Chemical Mechanical Polish
ing)法等で平坦化処理を行えばよい。
加工するためのエッチング工程において、該島状の酸化物半導体膜406から露出した絶
縁膜402がエッチングされて、当該領域の絶縁膜402の膜厚が減少して形成される。
ただし、酸化物半導体膜406のエッチング条件によっては、絶縁膜402は凸部を有さ
ない場合がある。
導電膜を用いると好ましい。例えば、酸化物半導体膜から酸素を引き抜く性質を有する導
電膜として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、モリブデン、タンタル、タング
ステンなどを含む導電膜が挙げられる。
406中の酸素が脱離し、酸化物半導体膜中に酸素欠損を形成する場合がある。酸素の引
き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつ
かの加熱工程があることから、酸化物半導体膜406の一対の電極408a、408bと
接触した近傍の領域には酸素欠損が形成される可能性が高い。また、加熱により該酸素欠
損のサイトに水素が入りこみ、酸化物半導体膜406がn型化する場合がある。したがっ
て、一対の電極408a、408bの作用により、酸化物半導体膜406と、一対の電極
408a、408bと、が接する領域を低抵抗化させ、トランジスタ450のオン抵抗を
低減することができる。
スタを作製する場合、n型化領域の形成によってソース−ドレイン間が短絡してしまうこ
とがある。そのため、チャネル長が小さいトランジスタを形成する場合は、ソース電極お
よびドレイン電極に酸化物半導体膜406から適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜
を用いればよい。適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜としては、例えば、ニッケル
、モリブデンまたはタングステンを含む導電膜などがある。
作製する場合、一対の電極408a、408bとして、酸化物半導体膜406からほとん
ど酸素を引き抜くことのない導電膜を用いればよい。酸化物半導体膜406からほとんど
酸素を引き抜くことのない導電膜としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、または
ルテニウムを含む導電膜などがある。なお、複数種の導電膜を積層しても構わない。
って形成される一対の電極408a、408bの端部が丸みを帯びる(曲面を有する)場
合がある。また、導電膜をエッチングする際、一対の電極408a、408bから露出し
た絶縁膜402がエッチングされて、当該領域の絶縁膜402の膜厚が減少することがあ
る。
びゲート絶縁膜410よりも酸素に対する透過性が低い(酸素に対するバリア性を有する
)絶縁膜を設けることが好ましい。ゲート絶縁膜410に接して酸素に対するバリア性を
有する絶縁膜414を設けることで、ゲート絶縁膜410およびそれに接する酸化物半導
体膜406からの酸素の脱離を抑制することができる。このような絶縁膜として、例えば
、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜を設けることができる
。
る水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁膜414に含まれる水素濃度は
、5×1019atoms/cm3未満とすることが好ましく、5×1018atoms
/cm3未満とすることがより好ましい。また、酸化アルミニウム膜は、酸素に対するバ
リア性に加えて水素に対するバリア性を有する膜である。よって、絶縁膜414として酸
化アルミニウム膜を適用することは好適である。また、絶縁膜414は積層構造としても
よい。絶縁膜414を積層構造とする場合には、一対の電極408a、408bおよびゲ
ート電極412に接する酸素に対するバリア性を有する絶縁膜を含んでなる構成とするこ
とが好ましい。
組み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乃至実施の形態3と比較して、酸化物半導体膜の欠陥
量をさらに低減することが可能なトランジスタを有する半導体装置について図面を参照し
て説明する。本実施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態1乃至実施の形態3と
比較して、酸化物半導体膜を複数備えた多層膜を有する点が異なる。
よび断面図を示す。図17(A)はトランジスタ95aの上面図であり、図17(B)は
、図17(A)の一点鎖線A−B間の断面図であり、図17(C)は、図17(A)の一
点鎖線C−D間の断面図である。なお、図17(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲ
ート絶縁膜15、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜25、窒化物絶縁膜27などを省略し
ている。
3と重なる多層膜96と、多層膜96に接する一対の電極19、20とを有する。また、
ゲート絶縁膜15、多層膜96、および一対の電極19、20上には、酸化物絶縁膜23
、酸化物絶縁膜25、および窒化物絶縁膜27が形成される。
および酸化物半導体膜97を有する。即ち、多層膜96は2層構造である。また、酸化物
半導体膜17の一部がチャネル領域として機能する。また、多層膜96に接するように、
酸化物絶縁膜23が形成されており、酸化物絶縁膜23に接するように酸化物絶縁膜25
が形成されている。即ち、酸化物半導体膜17と酸化物絶縁膜23との間に、酸化物半導
体膜97が設けられている。
酸化物半導体膜である。このため、酸化物半導体膜17と酸化物半導体膜97との界面に
おいて、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害され
ないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
代表的には、In−Ga酸化物膜、In−Zn酸化物膜、In−M−Zn酸化物膜(Mは
Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)であり、且つ酸化物半導
体膜17よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体
膜97の伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜17の伝導帯の下端のエネルギー
との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV
以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即
ち、酸化物半導体膜97の電子親和力と、酸化物半導体膜17の電子親和力との差が、0
.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2
eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。
ため好ましい。
NdをInより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。(1)酸
化物半導体膜97のエネルギーギャップを大きくする。(2)酸化物半導体膜97の電子
親和力を小さくする。(3)外部からの不純物の拡散を低減する。(4)酸化物半導体膜
17と比較して、絶縁性が高くなる。(5)、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La
、Ce、またはNdは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、酸素欠損が生じにく
くなる。
とMの原子数比率は、Inが50atomic%未満、Mが50atomic%より多く
、さらに好ましくは、Inが25atomic%未満、Mが75atomic%より多い
とする。
はAl、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体
膜17と比較して、酸化物半導体膜97に含まれるM(MはAl、Ti、Ga、Y、Zr
、Sn、La、Ce、またはNd)の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜1
7に含まれる上記原子と比較して、1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましく
は3倍以上高い原子数比である。
Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜
97をIn:M:Zn=x1:y1:z1[原子数比]、酸化物半導体膜17をIn:M
:Zn=x2:y2:z2[原子数比]とすると、y1/x1がy2/x2よりも大きく
、好ましくは、y1/x1がy2/x2よりも1.5倍以上である。さらに好ましくは、
y1/x1がy2/x2よりも2倍以上大きく、より好ましくは、y1/x1がy2/x
2よりも3倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜において、y2がx2以上であると
、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好まし
い。
n、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜17を成膜するために用いるター
ゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x
1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3
以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6
以下とすることで、酸化物半導体膜17としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。
ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In
:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2等がある。
n、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜97を成膜するために用いるター
ゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2とすると、x
2/y2<x1/y1であって、z2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以
下であることが好ましい。なお、z2/y2を1以上6以下とすることで、酸化物半導体
膜97としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比
の代表例としては、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In:
M:Zn=1:3:6、In:M:Zn=1:3:8、In:M:Zn=1:4:4、I
n:M:Zn=1:4:5、In:M:Zn=1:4:6等がある。
て上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。
膜17へのダメージ緩和膜としても機能する。このため、酸化物絶縁膜23を設けず、酸
化物半導体膜97上に酸化物絶縁膜25を形成してもよい。
nm以下とする。
よい。非単結晶構造は、例えば、CAAC−OS(C Axis Aligned−Cr
ystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、後述す
る微結晶構造、または非晶質構造を含む。また、酸化物半導体膜97は、実施の形態1に
示す酸化物半導体膜17と同様に、CAAC化率の高い酸化物半導体膜を用いることが好
ましい。CAAC化率の高い酸化物半導体膜は、不純物濃度および欠陥準位密度が低いた
め、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、CAAC化率
の高い酸化物半導体膜は、結晶粒界が確認されず、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成
面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いている。この結果、酸化物半導体膜97
としてCAAC化率の高い酸化物半導体膜を用いることで、一対の電極19、20に含ま
れる金属元素が酸化物半導体膜17に拡散することを防ぐことが可能である。
例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜
は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域の二種以
上を有する混合膜を構成してもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造
の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以
上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、
微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいず
れか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある。
膜98を有してもよい。
が順に積層されている。即ち、多層膜98は3層構造である。また、酸化物半導体膜17
がチャネル領域として機能する。
と酸化物半導体膜17との間に、酸化物半導体膜99が設けられている。
7と酸化物絶縁膜23との間に、酸化物半導体膜97が設けられている。
ことができる。
体膜99の厚さを1nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上3nm以下とすることで
、トランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。
7は、後に形成する酸化物絶縁膜25を形成する際の、酸化物半導体膜17へのダメージ
緩和膜としても機能する。このため、酸化物絶縁膜23を設けず、酸化物半導体膜97上
に酸化物絶縁膜25を形成してもよい。
に、酸化物半導体膜97が設けられている。このため、酸化物半導体膜97と酸化物絶縁
膜23の間において、不純物および欠陥によりキャリアトラップが形成されても、当該キ
ャリアトラップが形成される領域と酸化物半導体膜17との間には隔たりがある。この結
果、酸化物半導体膜17を流れる電子がキャリアトラップに捕獲されにくく、トランジス
タのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができ
る。また、キャリアトラップに電子が捕獲されると、該電子が負の固定電荷として振る舞
う。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半
導体膜17とキャリアトラップが形成される領域との間に隔たりがあるため、キャリアト
ラップにおける電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減する
ことができる。
部から酸化物半導体膜17へ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化
物半導体膜97は、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜17におけ
る不純物濃度および酸素欠損量を低減することが可能である。
れており、酸化物半導体膜17と酸化物絶縁膜23との間に、酸化物半導体膜97が設け
られているため、酸化物半導体膜99と酸化物半導体膜17との界面近傍におけるシリコ
ンや炭素の濃度、酸化物半導体膜17におけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物半導
体膜97と酸化物半導体膜17との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度を低減するこ
とができる。
において欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性を向上させることが可能であ
り、代表的には、オン電流の増大および電界効果移動度の向上が可能である。また、スト
レス試験の一例であるBTストレス試験および光BTストレス試験におけるしきい値電圧
の変動量が少なく、信頼性が高い。
次に、図17(A)乃至図17(C)に示すトランジスタ95aに設けられる多層膜9
6、および図17(D)に示すトランジスタ95bに設けられる多層膜98のバンド構造
について、図18を用いて説明する。
あるIn−Ga−Zn酸化物を用い、酸化物半導体膜97としてエネルギーギャップが3
.5eVであるIn−Ga−Zn酸化物を用いる。エネルギーギャップは、分光エリプソ
メータ(HORIBA JOBIN YVON社 UT−300)を用いて測定すること
ができる。
差(イオン化ポテンシャルともいう。)は、それぞれ8eVおよび8.2eVであった。
なお、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ul
traviolet Photoelectron Spectroscopy)装置(
PHI社 VersaProbe)を用いて測定することができる。
エネルギー差(電子親和力ともいう。)は、それぞれ4.85eVおよび4.7eVであ
る。
ート絶縁膜15および酸化物絶縁膜23を酸化シリコン膜とし、多層膜96と酸化シリコ
ン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図18(A)に表すEcI1は酸化シ
リコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜17の伝導帯下端
のエネルギーを示し、EcS2は酸化物半導体膜97の伝導帯下端のエネルギーを示し、
EcI2は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、EcI1は、図17
(B)に示すゲート絶縁膜15に相当し、EcI2は、図17(B)示す酸化物絶縁膜2
3に相当する。
伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化す
るともいうことができる。これは、多層膜96は、酸化物半導体膜17と共通の元素を含
み、酸化物半導体膜17および酸化物半導体膜97の間で、酸素が相互に移動することで
混合層が形成されるためであるということができる。
96を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜17に形成されるこ
とがわかる。なお、多層膜96は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため
、酸化物半導体膜17と酸化物半導体膜97とが連続接合している、ともいえる。
近傍には、不純物や欠陥に起因したキャリアトラップが形成され得るものの、酸化物半導
体膜97が設けられることにより、酸化物半導体膜17と該キャリアトラップとを遠ざけ
ることができる。ただし、EcS1とEcS2とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半
導体膜17の電子が該エネルギー差を越えてキャリアトラップに達することがある。キャ
リアトラップに電子が捕獲されることで、絶縁膜表面にマイナスの固定電荷が生じ、トラ
ンジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、EcS1とEc
S2とのエネルギー差を、0.1eV以上、好ましくは0.15eV以上とすると、トラ
ンジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
ート絶縁膜15および酸化物絶縁膜23を酸化シリコン膜とし、多層膜98と酸化シリコ
ン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図18(B)に表すEcI1は酸化シ
リコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜17の伝導帯下端
のエネルギーを示し、EcS2は酸化物半導体膜97の伝導帯下端のエネルギーを示し、
EcS3は酸化物半導体膜99の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcI2は酸化シリコ
ン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、EcI1は、図17(D)に示すゲート絶
縁膜15に相当し、EcI2は、図17(D)に示す酸化物絶縁膜23に相当する。
半導体膜97において、伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言
すると、連続的に変化するともいうことができる。これは、多層膜98は、酸化物半導体
膜17と共通の元素を含み、酸化物半導体膜17および酸化物半導体膜99の間で、並び
に酸化物半導体膜17および酸化物半導体膜97の間で、酸素が相互に移動することで混
合層が形成されるためであるということができる。
98を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜17に形成されるこ
とがわかる。なお、多層膜98は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため
、酸化物半導体膜99と、酸化物半導体膜17と、酸化物半導体膜97とが連続接合して
いる、ともいえる。
5との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したキャリアトラップが形成され得るものの、
図18(B)に示すように、酸化物半導体膜97、99が設けられることにより、酸化物
半導体膜17と該キャリアトラップが形成される領域とを遠ざけることができる。ただし
、EcS1とEcS2とのエネルギー差、およびEcS1とEcS3とのエネルギー差が
小さい場合、酸化物半導体膜17の電子が該エネルギー差を越えてキャリアトラップに達
することがある。キャリアトラップに電子が捕獲されることで、絶縁膜表面にマイナスの
固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したが
って、EcS1とEcS2とのエネルギー差、およびEcS1とEcS3とのエネルギー
差を、0.1eV以上、好ましくは0.15eV以上とすると、トランジスタのしきい値
電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
実施の形態4に示すトランジスタ95a、95bにおいて、酸化物半導体膜97の代わ
りに、In−M酸化物(Mは、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Ndま
たはHf)で表される金属酸化物を用いることができる。ただし、酸化物半導体膜97が
チャネル形成領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を
用いるものとする。または、酸化物半導体膜97には、電子親和力(真空準位と伝導帯下
端のエネルギー差)が酸化物半導体膜17よりも小さく、伝導帯下端のエネルギーが酸化
物半導体膜17の伝導帯下端エネルギーと差分(バンドオフセット)を有する材料を用い
るものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差(ヒステリシス
)が生じることを抑制するためには、金属酸化物膜の伝導帯下端のエネルギーが、酸化物
半導体膜17の伝導帯下端のエネルギーよりも0.2eVより真空準位に近い材料、好ま
しくは0.5eV以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。
ップを大きくし、電子親和力を小さくすることができる。よって、酸化物半導体膜17と
の間に伝導帯のバンドオフセットを形成し、金属酸化物膜にチャネルが形成されることを
抑制するためには、金属酸化物膜は、In:M=x:y[原子数比]とすると、y/(x
+y)を、0.75以上1以下、好ましくは、0.78以上1以下、より好ましくは0.
80以上1以下とすることが好ましい。ただし、金属酸化物膜は、主成分であるインジウ
ム、Mおよび酸素以外の元素が不純物として混入していてもよい。その際の不純物の割合
は、0.1%以下が好ましい。
法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について、図面を用いて説明する
。なお、本実施の形態では、表示装置を例にして本発明の一態様である半導体装置を説明
する。
101と、走査線駆動回路104と、信号線駆動回路106と、各々が平行または略平行
に配設され、且つ走査線駆動回路104によって電位が制御されるm本の走査線107と
、各々が平行または略平行に配設され、且つ信号線駆動回路106によって電位が制御さ
れるn本の信号線109と、を有する。さらに、画素部101はマトリクス状に配設され
た複数の画素103を有する。また、信号線109に沿って、各々が平行または略平行に
配設された容量線115を有する。なお、容量線115は、走査線107に沿って、各々
が平行または略平行に配設されていてもよい。また、走査線駆動回路104および信号線
駆動回路106をまとめて駆動回路部という場合がある。
ずれかの行に配設されたn個の画素103と電気的に接続される。また、各信号線109
は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素10
3に電気的と接続される。m、nは、ともに1以上の整数である。また、各容量線115
は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれかの行に配設されたn個の画素10
3と電気的に接続される。なお、容量線115が、信号線109に沿って、各々が平行ま
たは略平行に配設されている場合は、m行n列に配設された画素103のうち、いずれか
の列に配設されたm個の画素103に電気的と接続される。
きる回路構成の一例を示している。
子105と、を有する。
る。液晶素子121は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。また、複数の
画素103のそれぞれが有する液晶素子121の一対の電極の一方に共通の電位(コモン
電位)を与えてもよい。また、各行の画素103毎の液晶素子121の一対の電極の一方
に異なる電位を与えてもよい。
する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界(横方向の電界、縦
方向の電界または斜め方向の電界を含む)によって制御される。なお、液晶素子121と
しては、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、サーモトロピック液
晶、ライオトロピック液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶等が挙げられる。
ド、ASM(Axially Symmetric Aligned Micro−ce
ll)モード、OCB(Optically Compensated Birefri
ngence)モード、MVAモード、PVA(Patterned Vertical
Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、またはTBA(Tran
sverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。ただし、こ
れに限定されず、液晶素子およびその駆動方式として様々なものを用いることができる。
により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、応答速度が1msec以下と
短く、光学的等方性であるため、配向処理が不要であり、且つ視野角依存性が小さい。
びドレイン電極の一方は、信号線109に電気的に接続され、他方は液晶素子121の一
対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ102のゲート電極は、走査
線107に電気的に接続される。トランジスタ102は、オン状態またはオフ状態になる
ことにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。なお、トランジス
タ102は、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかに示すトランジスタを用いること
ができる。
、電位が供給される容量線115に電気的に接続され、他方は、液晶素子121の一対の
電極の他方に電気的に接続される。なお、容量線115の電位の値は、画素103の仕様
に応じて適宜設定される。容量素子105は、書き込まれたデータを保持する保持容量と
しての機能を有する。
り各行の画素103を順次選択し、トランジスタ102をオン状態にしてデータ信号のデ
ータを書き込む。
状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
133と、画素の駆動を制御するトランジスタ102と、トランジスタ135と、容量素
子105と、発光素子131と、を有する。
る信号線109に電気的に接続される。さらに、トランジスタ133のゲート電極は、ゲ
ート信号が与えられる走査線107に電気的に接続される。
タの書き込みを制御する機能を有する。
する配線137と電気的に接続され、トランジスタ102のソース電極およびドレイン電
極の他方は、発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。さらに、トランジスタ
102のゲート電極は、トランジスタ133のソース電極およびドレイン電極の他方、お
よび容量素子105の一方の電極に電気的に接続される。
流れる電流を制御する機能を有する。なお、トランジスタ102は、実施の形態1乃至実
施の形態4のいずれかに示すトランジスタを用いることができる。
られる配線139と接続され、トランジスタ135のソース電極およびドレイン電極の他
方は、発光素子131の一方の電極、および容量素子105の他方の電極に電気的に接続
される。さらに、トランジスタ135のゲート電極は、ゲート信号が与えられる走査線1
07に電気的に接続される。
、発光素子131が劣化等により、発光素子131の内部抵抗が上昇した場合、トランジ
スタ135のソース電極およびドレイン電極の一方が接続された配線139に流れる電流
をモニタリングすることで、発光素子131に流れる電流を補正することができる。配線
139に与えられる電位としては、例えば、0Vとすることができる。
ン電極の他方、およびトランジスタ102のゲート電極と電気的に接続され、容量素子1
05の一対の電極の他方は、トランジスタ135のソース電極およびドレイン電極の他方
、および発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。
タを保持する保持容量としての機能を有する。
ン電極の他方、容量素子105の他方、およびトランジスタ102のソース電極およびド
レイン電極の他方と電気的に接続される。また、発光素子131の一対の電極の他方は、
カソードとして機能する配線141に電気的に接続される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子131としては、これに限定されず
、無機材料からなる無機EL素子を用いてもよい。
は、低電源電位VSSが与えられる。図19(C)に示す構成においては、配線137に
高電源電位VDDを、配線141に低電源電位VSSを、それぞれ与える構成としている
。
画素103を順次選択し、トランジスタ133をオン状態にしてデータ信号のデータを書
き込む。
状態になる。さらに、トランジスタ133は、容量素子105と接続しているため、書き
込まれたデータを長時間保持することが可能となる。また、トランジスタ133により、
トランジスタ102のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素
子131は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、
画像を表示できる。
103に液晶素子を用いた液晶表示装置の具体的な例について説明する。ここでは、図1
9(B)に示す画素103の上面図を図20に示す。
、走査線107は、信号線109に略直交する方向に延伸して設けられている。容量線1
15は、信号線109と平行方向に延伸して設けられている。なお、走査線107は、走
査線駆動回路104(図19を参照。)と電気的に接続されており、信号線109および
容量線115は、信号線駆動回路106(図19を参照。)に電気的に接続されている。
いる。トランジスタ102は、実施の形態2に示すトランジスタ80と同様の構造のトラ
ンジスタを用いることができる。なお、走査線107において、酸化物半導体膜17aと
重畳する領域がトランジスタ102のゲート電極として機能し、図21乃至図23におい
て、ゲート電極13と示す。また、信号線109において、酸化物半導体膜17aと重畳
する領域がトランジスタ102のソース電極またはドレイン電極として機能し、図21乃
至図23において、電極19と示す。また、図20において、走査線107は、上面から
みて、端部が酸化物半導体膜17aの端部より外側に位置する。このため、走査線107
はバックライトなどの光源からの光を遮る遮光膜として機能する。この結果、トランジス
タに含まれる酸化物半導体膜17aに光が照射されず、トランジスタの電気特性の変動を
抑制することができる。
有する導電膜で形成されており、画素電極として機能する。
絶縁膜上に形成される金属酸化物膜17bと、トランジスタ102上に設けられる誘電体
膜と、電極92とで構成されている。誘電体膜は、窒化物絶縁膜で形成される。金属酸化
物膜17b、窒化物絶縁膜、および電極92はそれぞれ透光性を有するため、容量素子1
05は透光性を有する。
きく(大面積に)形成することができる。従って、開口率を高めつつ、代表的には50%
以上、好ましくは55%以上、好ましくは60%以上とすることが可能であると共に、電
荷容量を増大させた半導体装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、
例えば液晶表示装置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる
。このため、解像度の高い半導体装置において、容量素子に蓄積される電荷容量が小さく
なる。しかしながら、本実施の形態に示す容量素子105は透光性を有するため、当該容
量素子を画素に設けることで、各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高める
ことができる。代表的には、画素密度が200ppi以上、さらには300ppi以上、
更には500ppi以上である高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。
るため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電
力を低減することができる。
破線A−Bは、トランジスタ102のチャネル長方向、トランジスタ102と画素電極と
して機能する電極92の接続部、および容量素子105の断面図であり、C−Dにおける
断面図は、トランジスタ102のチャネル幅方向の断面図、およびゲート電極13および
ゲート電極91の接続部における断面図である。
1上に設けられるゲート電極13と、基板11およびゲート電極13上に形成されるゲー
ト絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15を介して、ゲート電極13と重なる酸化物半導体膜1
7aと、酸化物半導体膜17aに接する、一対の電極19、20とを有する。また、ゲー
ト絶縁膜15、酸化物半導体膜17a、および一対の電極19、20上には、酸化物絶縁
膜83が形成され、酸化物絶縁膜83上には酸化物絶縁膜85が形成される。ゲート絶縁
膜15、酸化物半導体膜17a、酸化物絶縁膜83、酸化物絶縁膜85、電極19、20
上には窒化物絶縁膜87が形成される。また、一対の電極19、20の一方、ここでは電
極20に接続する電極92、およびゲート電極91が窒化物絶縁膜87上に形成される。
なお、電極92は画素電極として機能する。
る。酸化物絶縁膜15bは、酸化物半導体膜17a、一対の電極19、20、および酸化
物絶縁膜83と重複する領域に形成される。
けられる開口部94において、ゲート電極91は、ゲート電極13と接続する。即ち、ゲ
ート電極13およびゲート電極91は同電位である。
絶縁膜83、85が形成される。分離された酸化物絶縁膜83、85が酸化物半導体膜1
7aと重畳する。また、C−Dに示すチャネル幅方向の断面図において、酸化物半導体膜
17aの外側に酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の端部が位置する。また、チャ
ネル幅方向において、酸化物半導体膜17aの一方の側面および他方の側面それぞれの外
側において、ゲート電極91は、酸化物絶縁膜83、酸化物絶縁膜85、および窒化物絶
縁膜87を介して酸化物半導体膜17aの側面と位置する。また、窒化物絶縁膜87は、
酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の上面および側面を覆うように形成され、窒化
物絶縁膜15aと接する。
85が、窒化物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87により、周囲を囲まれている。窒化
物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87は、酸素の拡散係数が低く、酸素に対するバリア
性を有するため、酸化物絶縁膜85に含まれる酸素の一部を効率よく酸化物半導体膜17
aに移動させることが可能であり、酸化物半導体膜17aの酸素欠損量を減らすことが可
能である。また、窒化物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87は、水、水素等の拡散係数
が低く、水、水素等に対するバリア性を有するため、外部から酸化物半導体膜17aへの
水、水素等の拡散を防ぐことが可能である。これらの結果、トランジスタ102は、信頼
性の高いトランジスタとなる。
縁膜87と、電極92とで構成されている。容量素子105において、金属酸化物膜17
bは、酸化物半導体膜17aと同時に形成された膜であり、且つ不純物を含むことにより
導電性が高められた膜である。または、金属酸化物膜17bは、酸化物半導体膜17aと
同時に形成された膜であり、且つ不純物を含むと共に、プラズマダメージ等により酸素欠
損が形成され、導電性が高められた膜である。
酸化物半導体膜17aおよび金属酸化物膜17bは共に、ゲート絶縁膜15上に形成され
るが、不純物濃度が異なる。具体的には、酸化物半導体膜17aと比較して、金属酸化物
膜17bの不純物濃度が高い。例えば、酸化物半導体膜17aに含まれる水素濃度は、5
×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、
好ましくは1×1018atoms/cm3未満、より好ましくは5×1017atom
s/cm3未満、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3未満であり、金属酸
化物膜17bに含まれる水素濃度は、8×1019atoms/cm3以上、好ましくは
1×1020atoms/cm3以上、より好ましくは5×1020atoms/cm3
以上である。また、酸化物半導体膜17aと比較して、金属酸化物膜17bに含まれる水
素濃度は2倍、好ましくは10倍以上である。
により、酸化物半導体膜にダメージを与え、酸素欠損を形成することができる。例えば、
酸化物半導体膜上に、プラズマCVD法またはスパッタリング法で膜を成膜すると、酸化
物半導体膜がプラズマに曝され、酸素欠損が生成される。または、酸化物絶縁膜83およ
び酸化物絶縁膜85を形成するためのエッチング処理において酸化物半導体膜がプラズマ
に曝されることで、酸素欠損が生成される。または、酸化物半導体膜が水素、希ガス、ア
ンモニア、酸素および水素の混合ガス等のプラズマに曝されることで、酸素欠損が生成さ
れる。この結果、酸化物半導体膜は導電性が高くなり、金属酸化物膜17bとなる。
化物膜17bは、導電性の高い金属酸化物膜ともいえる。
ある。また、窒化物絶縁膜87としては、窒化物絶縁膜87中に含まれる水素濃度が、1
×1022atoms/cm3以上であると好ましい。窒化物絶縁膜87の水素が酸化物
半導体膜17aと同時に形成された酸化物半導体膜に拡散すると、該酸化物半導体膜にお
いて水素は酸素と結合し、キャリアである電子が生成される。また、窒化物絶縁膜87を
プラズマCVD法またはスパッタリング法で成膜すると、酸化物半導体膜がプラズマに曝
され、酸素欠損が生成される。当該酸素欠損に、窒化物絶縁膜87に含まれる水素が入る
ことで、キャリアである電子が生成される。これらの結果、酸化物半導体膜は導電性が高
くなり、金属酸化物膜17bとなる。
の抵抗率が、酸化物半導体膜17aの抵抗率の1×10−8倍以上1×10−1倍未満で
あることが好ましく、代表的には1×10−3Ωcm以上1×104Ωcm未満、さらに
好ましくは、抵抗率が1×10−3Ωcm以上1×10−1Ωcm未満であるとよい。
、容量素子の一方となる電極が形成される。また、画素電極として機能する導電膜を容量
素子の他方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電
膜を形成する工程が不要であり、作製工程を削減できる。また、一対の電極が透光性を有
するため、容量素子は透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、
画素の開口率を高めることができる。
22および図23を用いて説明する。
は、第1のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて形成することができる
。
る窒化物絶縁膜14aと、後に酸化物絶縁膜15bとなる酸化物絶縁膜14bを形成する
。次に、酸化物絶縁膜14b上に、酸化物半導体膜17a、後に金属酸化物膜17bとな
る酸化物半導体膜17cを形成する。酸化物半導体膜17a、17cは、第2のフォトマ
スクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて形成することができる。
熱処理を行う。この結果、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲
で観察箇所を変化させたとき、CAAC化率が、70%以上100%未満、好ましくは8
0%以上100%未満、好ましくは90%以上100%未満、より好ましくは95%以上
98%以下である酸化物半導体膜17a、17cを得ることができる。また、水素、水等
の含有量が低減された酸化物半導体膜17a、17cを得ることが可能である。すなわち
、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を形成することができる。
導電膜21cとを形成する。一対の電極19、20、および導電膜21cは、第3のフォ
トマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて形成することができる。
る。酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85は、第4のフォトマスクを用いたフォトリ
ソグラフィ工程を用いて形成することができる。
の両側面の外側に酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85の端部が位置するように、分
離された酸化物絶縁膜83および酸化物絶縁膜85を形成する。また、酸化物絶縁膜83
のエッチングと共に、酸化物絶縁膜14bの一部もエッチングされ、酸化物絶縁膜15b
が形成される。この結果、窒化物絶縁膜14aが露出する。また、当該エッチング工程に
おいて、酸化物半導体膜17cはプラズマのダメージを受け、酸化物半導体膜17cに酸
素欠損が形成される。
、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下とする。
に移動させ、酸化物半導体膜17aに含まれる酸素欠損を補填することが可能である。こ
の結果、酸化物半導体膜17aに含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる。
成する。
6をスパッタリング法、CVD法等により形成することで、酸化物半導体膜17cがプラ
ズマに曝されるため、酸化物半導体膜17cの酸素欠損を増加させることができる。
を内側に設けて、窒化物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜26が接する。また、酸化物半
導体膜17cが、金属酸化物膜17bとなる。なお、窒化物絶縁膜26として、プラズマ
CVD法により窒化シリコン膜を形成すると、窒化シリコン膜に含まれる水素が酸化物半
導体膜17cに拡散するため、導電性がより高まる。
0℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下
とする。なお、当該加熱処理において、酸化物半導体膜17a、酸化物絶縁膜83、およ
び酸化物絶縁膜85は、窒化物絶縁膜15aおよび窒化物絶縁膜87が接する領域内に設
けられているため、酸化物半導体膜17a、酸化物絶縁膜83、および酸化物絶縁膜85
から外部への酸素の拡散を防ぐことができる。この結果、しきい値電圧のマイナスシフト
を低減することができる。また、しきい値電圧の変動量を低減することができる。
りマスクを形成した後、該マスクを用いて、窒化物絶縁膜14aおよび窒化物絶縁膜26
をエッチングして、図23(B)に示すように、開口部93および開口部94を有する窒
化物絶縁膜87、並びに開口部94を有する窒化物絶縁膜15aを形成する。
92を形成する。ゲート電極91および画素電極として機能する電極92は、第6のフォ
トマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて形成することができる。この結果、開
口部93において、電極20と電極92が接続する。また、開口部94において、ゲート
電極13およびゲート電極91が接続する。
ことができる。
、容量素子の一方となる電極が形成される。また、画素電極として機能する導電膜を容量
素子の他方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電
膜を形成する工程が不要であり、作製工程を削減できる。また、一対の電極が透光性を有
するため、容量素子は透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、
画素の開口率を高めることができる。
を得ることができる。
本実施の形態に示す半導体装置において、図24に示すように、トランジスタ102と
して、実施の形態1に示すトランジスタ10を用い、且つ窒化物絶縁膜87上に平坦化膜
89を設けてもよい。また、容量素子105aは、金属酸化物膜17b、窒化物絶縁膜8
7、平坦化膜89、及び電極92aを有する。この結果、電極92aの表面を平坦にする
ことが可能であり、液晶層に含まれる液晶分子の配向むらを低減することができる。
本実施の形態に示す半導体装置は、FFSモードの液晶表示装置とすることができる。
FFSモードの液晶表示装置の構造について、図25を用いて説明する。
では、金属酸化物膜17bが画素電極として機能する。また、窒化物絶縁膜87上にコモ
ン電極92bを有する。コモン電極92bは、本実施の形態に示す電極92と同様に形成
することができる。なお、コモン電極92bには、スリットが設けられている。なお、ス
リットを有するコモン電極92bの代わりに、縞状のコモン電極を設けてもよい。
が容量素子105bとして機能する。また、金属酸化物膜17bに電圧が印加されると、
金属酸化物膜17bおよびコモン電極92bの間において、放物線状の電界が発生する。
この結果、液晶層に含まれる液晶分子を配向させることができる。FFSモードの液晶表
示装置は、高開口率であり、広い視野角を得ることができると共に画像コントラストを改
善できる。
窒化物絶縁膜87、およびコモン電極92bが容量素子として機能し、金属酸化物膜17
bの電位を保持することができる。
法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について、図26乃至図28を用いて
説明を行う。
と、ダイオード接続されたトランジスタ116と、を有している。
ンジスタ116に流れる電流値の制御、またはトランジスタ116自身の保護抵抗として
機能することができる。
回される配線に相当する。また、配線112は、例えば、ゲートドライバ、またはソース
ドライバに電源を供給するための電源線の電位(VDD、VSSまたはGND)が与えら
れる配線に相当する。または、配線112は、共通電位(コモン電位)が与えられる配線
(コモン線)に相当する。
い電位を供給する配線と接続される構成が好適である。なぜなら、ゲート信号線は、殆ど
の期間において、低い電位となっている。したがって、配線112の電位も低い電位とな
っていると、通常の動作時において、ゲート信号線から配線112へ漏れてしまう電流を
低減することが出来るからである。
、図27を用いて説明を行う。
す一点鎖線A−Bの切断面に相当する断面図を示し、図27(C)は、図27(A)に示
す一点鎖線A−Bの切断面に相当する断面図を示している。なお、図27(A)において
、煩雑になることを避けるために、一部の構成要素を省略して図示している。
、窒化物絶縁膜205上の酸化物絶縁膜206と、酸化物絶縁膜206上の金属酸化物膜
208と、金属酸化物膜208と電気的に接続された導電膜210aと、金属酸化物膜2
08と電気的に接続された導電膜210bと、導電膜210a、および導電膜210b上
の酸化物絶縁膜212と、酸化物絶縁膜212上の窒化物絶縁膜214と、を有する。
2に開口部209を有するが、図27(C)に示す抵抗素子は、開口部を有さない。開口
部209の有無の違いにより、金属酸化物膜208の下側、または上側と接触する絶縁膜
の構成を変えることができる。
することで、任意の抵抗値を有する抵抗素子とすることができる。
スタの作製工程と同時に形成することができる。ここでは、実施の形態5を代表例として
用いて説明する。
された酸化物絶縁膜206と、酸化物絶縁膜206上に形成された金属酸化物膜208と
、金属酸化物膜208上に形成された窒化物絶縁膜214と、を有する。一方、図27(
C)に示す抵抗素子は、窒化物絶縁膜205と、窒化物絶縁膜205上に形成された金属
酸化物膜208と、金属酸化物膜208上に形成された酸化物絶縁膜212と、酸化物絶
縁膜212上に形成された窒化物絶縁膜214と、を有する。
ことによって、金属酸化物膜208の抵抗を制御することができる。具体的には、例えば
、金属酸化物膜208に用いる材料として、酸化物半導体を用いた場合、該酸化物半導体
中の酸素欠損、または酸化物半導体中の不純物(水素、水等)によって、酸化物半導体の
抵抗を制御することができる。金属酸化物膜208の抵抗としては、抵抗率が好ましくは
、1×10−3Ωcm以上1×104Ωcm未満、さらに好ましくは、1×10−3Ωc
m以上1×10−1Ωcm未満であるとよい。
a、87と同様に、水素を含む絶縁膜、換言すると水素放出することが可能な絶縁膜、代
表的には窒化シリコン膜を用いることによって、金属酸化物膜208に水素を供給するこ
とができる。また、窒化物絶縁膜としては、窒化物絶縁膜中に含まれる水素濃度が、1×
1022atoms/cm3以上であると好ましい。このような絶縁膜を用いることで、
金属酸化物膜208に水素を供給することができる。金属酸化物膜208に水素を供給す
ることによって、金属酸化物膜208は、不純物が導入され低抵抗化する。また、酸化物
絶縁膜206、212としては、実施の形態5に示す酸化物絶縁膜15b、83,85と
同様に、酸素を含む絶縁膜、換言すると酸素を放出することが可能な酸化物絶縁膜、代表
的には酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いることによって、金属酸化物膜
208に酸素を供給することができる。金属酸化物膜208に酸素を供給することによっ
て、金属酸化物膜208は、酸素欠損量が低減され高抵抗化する。
膜15aおよび酸化物絶縁膜15bと同時に形成することができる。金属酸化物膜208
は、実施の形態5に示す金属酸化物膜17bと同時に形成することができる。導電膜21
0a、210bは、実施の形態5に示す一対の電極19、20、および容量配線として機
能する導電膜21cと同時に形成することができる。酸化物絶縁膜212は、実施の形態
5に示す酸化物絶縁膜83、85と同時に形成することができる。窒化物絶縁膜214は
、実施の形態5に示す窒化物絶縁膜87と同時に形成することができる。
タと直列に接続する場合において、例示したがこれに限定されず、ダイオード接続された
トランジスタと並列に接続することもできる。
合わせて、表示装置に設けてもよい。具体的には、図28に示す構成とすることができる
。
と、抵抗素子171、172、173と、を有する。また、保護回路部196_1は、走
査線駆動回路、信号線駆動回路、および画素部のいずれか一以上と接続される配線181
、182、183の間に設けられる。また、トランジスタ151は、ソース電極としての
機能を有する第1端子と、ゲート電極としての機能を有する第2端子と、が接続され、ド
レイン電極としての機能を有する第3端子と、配線183と、が接続されている。トラン
ジスタ152は、ソース電極としての機能を有する第1端子と、ゲート電極としての機能
を有する第2端子と、が接続され、ドレイン電極としての機能を有する第3端子と、トラ
ンジスタ151の第1端子と、が接続されている。トランジスタ153は、ソース電極と
しての機能を有する第1端子と、ゲート電極としての機能を有する第2端子と、が接続さ
れ、ドレイン電極としての機能を有する第3端子と、トランジスタ152の第1端子と、
が接続されている。トランジスタ154は、ソース電極としての機能を有する第1端子と
、ゲート電極としての機能を有する第2端子と、が接続され、ドレイン電極としての機能
を有する第3端子と、トランジスタ153の第1の端子とが接続されている。また、トラ
ンジスタ154の第1端子と、配線183及び配線181が接続されている。また、抵抗
素子171、173は、配線183に設けられている。また、抵抗素子172は、配線1
82と、トランジスタ152の第1端子およびトランジスタ153の第3端子との間に設
けられている。
ができる。また、配線182は、例えば、コモン線として用いることができる。また、配
線183は、例えば、高電源電位VDDが与えられる電源線として用いることができる。
用することができる。
複数の抵抗素子により、構成されている。すなわち、保護回路部196_1は、ダイオー
ド接続されたトランジスタと抵抗素子を並列に組み合わせて用いることができる。
過電流に対する耐性を高めることができる。したがって、信頼性を向上しうる半導体装置
を提供することができる。
ことから、保護回路部として用いるダイオード接続されたトランジスタ等も保護すること
が可能となる。
ができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない
状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶
装置)の一例を図29を用いて説明する。
)に示す半導体装置は、第1の半導体を用いたトランジスタ470と、第2の半導体を用
いたトランジスタ452と、容量素子490と、配線BLと、配線WLと、配線CLと、
配線SLと、を有している。なお、第2の半導体を用いたトランジスタ452としては、
実施の形態1乃至3で例示したトランジスタを用いることができる。本実施の形態では、
実施の形態3で示したトランジスタ450と同様の構成を有するトランジスタを第2の半
導体を用いたトランジスタ452として適用する場合を例に説明する。
、ドレインの他方が容量素子490の一方の電極と電気的に接続し、ゲートが配線WLに
電気的に接続する。また、容量素子490の他方の電極は、配線CLと電気的に接続する
。なお、トランジスタ452のソース、ドレインの他方と、容量素子490の一方の電極
の間のノードをノードFNと呼ぶ。また、トランジスタ470は、ソース、ドレインの一
方が配線BLと電気的に接続し、ソース、ドレインの他方が配線SLと電気的に接続し、
ゲートがノードFNと電気的に接続する。
線BLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ452が非導通
状態のときにノードFNの電位を保持する機能を有する。即ち、図29(A)に示す半導
体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。
制御することができる。トランジスタ452として、オフ電流の小さいトランジスタを用
いることによって、非導通状態におけるノードFNの電位を長期間に渡って保持すること
ができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を低減することができるため、消
費電力の小さい半導体装置を実現することができる。なお、オフ電流の低いトランジスタ
の一例として、酸化物半導体を用いたトランジスタが挙げられる。
によって、トランジスタ470の見かけ上のしきい値電圧が変動する。見かけ上のしきい
値電圧の変動により、トランジスタ470の導通状態、非導通状態が変化することで、デ
ータを読み出すことができる。
セルアレイ)を構成することができる。
および容量素子490が設けられている。トランジスタ452において、ゲート絶縁膜と
して機能する絶縁膜420は一対の電極を覆う態様で設けられており、絶縁膜420は容
量素子490の誘電体膜としても機能する。なお、トランジスタ452は、ゲート絶縁膜
として機能する絶縁膜420が一対の電極を覆う態様で設けられる点以外は、先に示した
トランジスタ450と同じ構成を有する。絶縁膜420は、ゲート絶縁膜410と同様の
材料を用いて形成することが可能である。
1と接する金属酸化物膜405と、誘電体膜として機能する絶縁膜420と、金属酸化物
膜405と少なくとも一部が重なる導電膜411と、を含んで構成される。容量素子49
0に含まれる金属酸化物膜405は、トランジスタ452の酸化物半導体膜406と同一
工程によって作製することが可能である。トランジスタ450において酸化物半導体膜4
06と接する絶縁膜402は、金属酸化物膜405と重なる領域が選択的に除去されるよ
うに設けられている。これによって、金属酸化物膜405が、絶縁膜402の下層に設け
られた窒化物絶縁膜401と接する。窒化物絶縁膜401は、水素を含む絶縁膜、換言す
ると水素を放出することが可能な絶縁膜であるため、金属酸化物膜405と接する態様と
することで、金属酸化物膜405に水素が供給される。よって、図29(B)に示す構成
とすることで、金属酸化物膜405を低抵抗化させ、容量素子490の電極の一方として
機能させることが可能となる。また、容量素子490に含まれる他方の電極である導電膜
411は、トランジスタ452のゲート電極と同一の工程で作製することが可能である。
。トランジスタ470は、半導体基板440の凸部と、凸部内の不純物領域466と、凸
部の上面および側面と接する領域を有する絶縁膜462と、絶縁膜462を介して凸部の
上面および側面と面する導電膜464と、導電膜464の側壁に接する絶縁膜460と、
を有する。なお、導電膜464は、トランジスタ470のゲート電極として機能する。ま
た、不純物領域466は、トランジスタ470のソース領域およびドレイン領域として機
能する。なお、トランジスタ470は、絶縁膜460を有さなくてもよい。トランジスタ
470は、半導体基板440の凸部を利用していることから、FIN(フィン)型トラン
ジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上には、絶縁膜を有してもよい。該絶縁膜は、半導体
基板440に凸部を形成する際、マスクとして機能するものである。
導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸型の半導体を形成
しても構わない。
て適切なトランジスタを用いる。
もよい。例えば、半導体基板440として酸化物半導体以外の半導体材料でなる基板を用
いればよい。半導体基板として単結晶シリコンを用いた場合は、高速動作をすることが可
能なトランジスタ470とすることができる。
ンジスタ452および容量素子490を有する。また、トランジスタ470とトランジス
タ452との間には、配線として機能する複数の導電膜が配置されている。また各種絶縁
膜に埋め込まれた複数の導電膜により、上層と下層にそれぞれ配置された配線や電極が電
気的に接続されている。
度を高めることができる。
絶縁膜の水素濃度が高いことが好ましい。該水素により、シリコンのダングリングボンド
を終端させることで、トランジスタ470の信頼性を向上させることができる。一方、ト
ランジスタ452に含まれる酸化物半導体膜の近傍の絶縁膜の水素濃度は低いことが好ま
しい。該水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、酸化物半
導体膜の近傍の絶縁膜の水素濃度が高いとトランジスタ452の信頼性を低下させる要因
となる場合があるためである。したがって、単結晶シリコンを用いたトランジスタ470
、および酸化物半導体を用いたトランジスタ452を積層する場合、これらの間に水素の
ブロックする機能を有する絶縁膜403を配置することは両トランジスタの信頼性を高め
るために有効である。
ム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸
化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、窒化シリコンなどを含む絶
縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
ブロックする機能を有する絶縁膜を形成することが好ましい。なお、絶縁膜414として
、酸化アルミニウム膜を設けることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分など
の不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断効果が高いため、トランジスタ
452を覆う絶縁膜414として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ45
2に含まれる酸化物半導体からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体への水お
よび水素の混入を防止することができる。
ランジスタとすることができる。例えば、プレーナ型のトランジスタなどとすることがで
きる。
このとき、トランジスタ470として、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジス
タを適用してもよい。また、トランジスタ452をトランジスタ470と同一表面上に作
製する場合、それぞれのトランジスタに含まれる構成要素を同一工程を経て形成すること
ができる。即ち、トランジスタ452およびトランジスタ470を異なる工程を経て作製
した場合と比べて、半導体装置の作製工程数を少なくすることができ、半導体装置の生産
性を高めることができる。
て構成する場合を例に示したが、本実施の形態の構成はこれに限られない。図30に本実
施の形態の変形例を示す。図30に示す半導体装置は、図29に示す半導体装置における
トランジスタ452に代えて、実施の形態3で示したトランジスタ450を有し、且つ、
図29に示す構成における容量素子490に代えて、トランジスタ450に含まれるソー
ス電極またはドレイン電極として機能する一対の電極の一方である電極408aを、一方
の電極として用いた容量素子491を有する。
ジスタ450のゲート絶縁膜410と同じ工程で形成されており、それぞれの絶縁膜は導
電膜411およびゲート電極412をマスクとして自己整合的にエッチング加工されてい
る。さらに、絶縁膜417およびゲート絶縁膜410への加工の際に、絶縁膜402も同
時にエッチングすることで、トランジスタ450および容量素子491の外周部において
、絶縁膜419と絶縁膜414とが接する構成を有する。換言すると、図30に示す半導
体装置において、トランジスタ450および容量素子491は、絶縁膜419および絶縁
膜414によって囲まれた構成を有する。
絶縁膜414、419によって覆う構成であるため、絶縁膜419および絶縁膜414と
して、酸化アルミニウム膜等の酸素および水素に対するブロッキング性を有する絶縁膜を
用いることが好ましい。これによって、酸化物半導体膜に接する絶縁膜402およびゲー
ト絶縁膜410からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素
の混入を防止することができる。さらに、絶縁膜402および/またはゲート絶縁膜41
0として、酸素を過剰に含有する絶縁膜を設けることで、該絶縁膜に含まれる酸素を効果
的に酸化物半導体膜へ供給することができるため好ましい。なお、絶縁膜419として、
水素をブロックする機能を有する絶縁膜(例えば、酸化アルミニウム膜)を設けた場合、
絶縁膜403は必ずしも形成しなくともよい。
組み合わせて用いることができる。
以下では、酸化物半導体膜に適用可能な酸化物の一例として、In−Sn−Zn酸化物
およびIn−Ga−Zn酸化物の結晶構造を示し、各結晶構造に対応する電子および正孔
の有効質量を計算により算出した結果を示す。
子数比を示す。また、実際のIn−Sn−Zn酸化物の結晶構造は、図31(A)乃至図
31(C)に示す結晶構造と異なる場合がある。
に示すとおりである。
におけるバンド端を二次関数でフィッティングすることで導出した。結果を下表3に示す
。
a−Zn酸化物において、電子の有効質量に対して、正孔の有効質量は非常に大きいこと
がわかる。即ち、酸化物中で正孔が動きにくいことが示唆される。
ンネルすることで流れるリーク電流が生じにくい。即ち、該トランジスタはオフ電流が小
さいトランジスタであることがわかる。
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態4に示すトランジスタを有する半導体
装置について説明する。ここでは、半導体装置の一形態として、RFIDタグおよびCP
Uを用いて説明する。
以下では、上述したトランジスタ、抵抗素子、容量素子を含むRFIDタグについて、
図32を用いて説明する。
ば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFID
タグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムな
どに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには高い信頼性が要求さ
れる。
例を示すブロック図である。
どともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアン
テナ804を有する。またRFIDタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、
復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有
している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタには、逆方向電
流を十分に抑制することが可能なトランジスタ、例えば実施の形態1乃至実施の形態4に
示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、逆方向電流に起因する整流作
用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入
力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、
一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によ
って交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。RF
IDタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
ンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路
805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整
流、例えば、半波2倍圧整流し、後段の容量素子により、整流された信号を平滑化するこ
とで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側
には、リミッタ回路を有してもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、
内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御
するための回路である。
の回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していても
よい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路8
09のリセット信号を生成するための回路である。
するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに
応じて変調をおこなうための回路である。
、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域など
を有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を
行うための回路である。
実施の形態7で説明した記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できる
ため、RFIDタグに好適である。さらに実施の形態7で説明した記憶装置は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて低いため、データの読み
出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データ
の書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができ
る。
あるため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811
にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないよう
にしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷する
ことで、作製したRFIDタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する
良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続に
なることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
以下では、本発明の一態様に係るRFIDタグの使用例について図33を用いて説明す
る。RFIDタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債
券類、証書類(運転免許証や住民票等、図33(A)参照。)、包装用容器類(包装紙や
ボトル等、図33(C)参照。)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図33(B)参
照。)、乗り物類(自転車等、図33(D)参照。)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品
類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機
器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、もし
くは各物品に取り付ける荷札(図33(E)および図33(F)参照。)等に設けて使用
することができる。
り、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージ
であれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るR
FIDタグ4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品
自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、
または証書類等に本発明の一態様に係るRFIDタグ4000固定することにより、認証
機能を付与することができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。
また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機
器等に本発明の一態様に係るRFIDタグ4000を取り付けることにより、検品システ
ム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態
様に係るRFIDタグ4000を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ
性を高めることができる。
ことができる。
以下では、上述したトランジスタ、抵抗素子、容量素子などを含むCPUについて説明
する。
である。
tic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラ
クションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントロー
ラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース
1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフ
ェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI
基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189
は、別チップに設けてもよい。もちろん、図34に示すCPUは、その構成を簡略化して
示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例
えば、図34に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数
含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演
算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、6
4ビットなどとすることができる。
ンデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、イン
タラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントロー
ラ1195に入力される。
ーラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御す
るための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログ
ラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマス
ク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のア
ドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう
。
92、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およ
びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えば
タイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信
号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上
記各種回路に供給する。
タ1196のメモリセルとして、実施の形態7で説明した記憶装置などを用いることがで
きる。
の指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1
196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容
量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持
が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われ
る。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換
えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができ
る。
は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子120
8によって保持することができる。
物半導体膜を有するトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形
成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをト
ランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給され
ない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶
素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能
である。
りに、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI
、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF−
ID(Radio Frequency Identification)にも、上述し
たトランジスタ、抵抗素子、容量素子を用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置が適用された電子機器の構成例につい
て説明する。また、本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジ
ュールについて、図35を用いて説明を行う。
の間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続され
た表示パネル8006、バックライトユニット8007、フレーム8009、プリント基
板8010、バッテリー8011を有する。なお、バックライトユニット8007、バッ
テリー8011、タッチパネル8004などは、設けられない場合もある。
ネル8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基
板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、表示パネル
8006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
または、表示パネル8006の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、容量型式のタッチ
パネルとすることも可能である。
トユニット8007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレ
ーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっ
ても良いし、別途設けたバッテリー8011による電源であってもよい。バッテリー80
11は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
追加して設けてもよい。
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。
03a、1003bなどによって構成されている。表示部1003bはタッチパネルとな
っており、表示部1003bに表示されるキーボードボタン1004を触れることで画面
操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部1003aをタッチパネルとして構
成してもよい。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネ
ルや有機発光パネルを作製して表示部1003a、1003bに適用することにより、信
頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
ど)を表示する機能、カレンダー、日付または時刻などを表示部に表示する機能、表示部
に表示した情報を操作または編集する機能、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。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
。
もよい。無線により、電子書籍サーバから、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。
に装着するための固定部1022と、スピーカー、操作ボタン1024、外部メモリスロ
ット1025等が設けられている。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング
素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1023に適用することにより
、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフ
リーでの会話も可能である。
成されている。筐体1031には、表示パネル1032、スピーカー1033、マイクロ
フォン1034、ポインティングデバイス1036、カメラ1037、外部接続端子10
38などを備えている。また、筐体1030には、携帯電話の充電を行う太陽電池104
0、外部メモリスロット1041などを備えている。また、アンテナは筐体1031内部
に内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示パネル1032に適用
することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
れている複数の操作キー1035を点線で示している。なお、太陽電池1040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。
ル1032と同一面上にカメラ1037を備えているため、テレビ電話が可能である。ス
ピーカー1033およびマイクロフォン1034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1030と筐体1031は、スライドし、図36
(C)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。
可能であり、充電およ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1041に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に
対応できる。
もよい。
、筐体1051に表示部1053が組み込まれている。表示部1053により、映像を表
示することが可能である。また、筐体1051を支持するスタンド1055にCPUが内
蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示部1053およびCPUに
適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。
モートコントローラ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。
により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線
による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方
向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である
。
052、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子1054は、USBケーブルな
どの各種ケーブルと接続可能であり、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。記憶媒体再生録画部1052では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に
記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモ
リスロットに差し込まれた外部メモリ1056にデータ保存されている画像や映像などを
表示部1053に映し出すことも可能である。
、当該トランジスタを外部メモリ1056やCPUに適用することにより、消費電力が十
分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。
とができる。
囲気における450℃加熱処理後のCAAC−OS膜を有する各試料の上面に対し、スキ
ャンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、5nm/秒の速度で60秒間
スキャンしながら回折パターンを観測した。即ち、ナノビーム電子線の照射位置を一次元
的に300nmの範囲で変化させながら、回折パターンを観測した。次に、観測された回
折パターンを0.5秒ごとに静止画に変換することで、CAAC化率を導出した。なお、
電子線としては、プローブ径が1nmのナノビーム電子線を用いた。なお、同様の測定は
6試料に対して行った。そしてCAAC化率の算出には、6試料における平均値を用いた
。
AAC化率は75.7%(非CAAC化率は24.3%)であった。また、450℃加熱
処理後のCAAC−OS膜のCAAC化率は85.3%(非CAAC化率は14.7%)
であった。成膜直後と比べて、450℃加熱処理後のCAAC化率が高いことがわかる。
即ち、高い温度(例えば400℃以上)における加熱処理によって、非CAAC化率が低
くなる(CAAC化率が高くなる)ことがわかる。また、500℃未満の加熱処理におい
ても高いCAAC化率を有するCAAC−OS膜が得られることがわかる。
折パターンであった。また、測定領域において非晶質酸化物半導体膜は、確認することが
できなかった。したがって、加熱処理によって、nc−OS膜と同様の構造を有する領域
が、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、CAAC化していることが示唆される
。
OS膜の平面の高分解能TEM像である。図37(B)と図37(C)とを比較すること
により、450℃加熱処理後のCAAC−OS膜は、膜質がより均質であることがわかる
。即ち、高い温度における加熱処理によって、CAAC−OS膜の膜質が向上することが
わかる。
となる場合がある。
Claims (4)
- 絶縁表面上に設けられた金属酸化物膜と、
前記金属酸化物膜に接する窒化物絶縁膜と、を有する抵抗素子を備え、
前記金属酸化物膜において、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が80%以上100%未満である領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 絶縁表面上に設けられた金属酸化物膜と、
前記金属酸化物膜と、少なくとも一部が重なる導電膜と、
前記金属酸化物膜及び前記導電膜の間に設けられる窒化物絶縁膜と、を有する容量素子を備え、
前記金属酸化物膜において、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が80%以上100%未満である領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 窒化物絶縁膜と、
前記窒化物絶縁膜に接する金属酸化物膜と、
前記金属酸化物膜と少なくとも一部が重なる導電膜と、
前記金属酸化物膜と前記導電膜との間に設けられる絶縁膜と、を有する容量素子を備え、
前記金属酸化物膜において、透過電子回折測定装置を用いて、一次元的に300nmの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が80%以上100%未満である領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記金属酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、c軸配向性を有することを特徴とする半導体装置。
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