JP6800092B2 - Transistors and display devices - Google Patents

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本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、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、金属酸化物、または当該金属酸化物の製造方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、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。 The present invention relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). In particular, one aspect of the present invention relates to a metal oxide or a method for producing the metal oxide. Alternatively, one aspect of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light emitting device, a power storage device, a storage device, a method for driving them, or a method for manufacturing them.

なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. A semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic unit, and a storage device are one aspect of a semiconductor device. An image pickup device, a display device, a liquid crystal display device, a light emitting device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin-film solar cell, an organic thin-film solar cell, etc.), and an electronic device may have a semiconductor device.

In−Zn−Ga−O系酸化物、In−Zn−Ga−Mg−O系酸化物、In−Zn−O系酸化物、In−Sn−O系酸化物、In−O系酸化物、In−Ga−O系酸化物、及びSn−In−Zn−O系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を有する電界効果型トランジスタが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In-Zn-Ga-O-based oxides, In-Zn-Ga-Mg-O-based oxides, In-Zn-O-based oxides, In-Sn-O-based oxides, In-O-based oxides, In An electric field effect transistor having an amorphous oxide which is either a −Ga—O oxide or a Sn—In—Zn—O oxide is disclosed (see, for example, Patent Document 1). ..

また、非特許文献1では、トランジスタの活性層として、In−Zn−O系酸化物と、In−Ga−Zn−O系酸化物との2層積層の金属酸化物を有する構造が検討されている。 Further, in Non-Patent Document 1, a structure having a two-layer laminated metal oxide of an In-Zn-O-based oxide and an In-Ga-Zn-O-based oxide as an active layer of a transistor has been studied. There is.

特許第5118810号公報Japanese Patent No. 5118810

John F. Wager、「Oxide TFTs:A Progress Report」、Information Display 1/16、SID 2016、 Jan/Feb 2016、Vol.32,No.1, p.16−21John F. Wager, "Oxide TFTs: A Progress Report", Information Display 1/16, SID 2016, Jan / Feb 2016, Vol. 32, No. 1, p. 16-21

特許文献1では、In−Zn−Ga−O系酸化物、In−Zn−Ga−Mg−O系酸化物、In−Zn−O系酸化物、In−Sn−O系酸化物、In−O系酸化物、In−Ga−O系酸化物、及びSn−In−Zn−O系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を用いて、トランジスタの活性層を形成している。言い換えると、トランジスタの活性層は、上記酸化物のいずれか1つ非晶質酸化物を有している。トランジスタの活性層が、上記非晶質酸化物のいずれか1つから構成された場合、トランジスタの電気特性の1つであるオン電流が低くなるといった問題がある。または、トランジスタの活性層が、上記非晶質酸化物のいずれか1つから構成された場合、トランジスタの信頼性が悪くなるといった問題がある。 In Patent Document 1, In-Zn-Ga-O-based oxide, In-Zn-Ga-Mg-O-based oxide, In-Zn-O-based oxide, In-Sn-O-based oxide, In-O The active layer of the transistor is formed by using an amorphous oxide which is one of a system oxide, an In—Ga—O system oxide, and a Sn—In—Zn—O system oxide. In other words, the active layer of the transistor has an amorphous oxide of any one of the above oxides. When the active layer of the transistor is composed of any one of the above amorphous oxides, there is a problem that the on-current, which is one of the electrical characteristics of the transistor, becomes low. Alternatively, when the active layer of the transistor is composed of any one of the above amorphous oxides, there is a problem that the reliability of the transistor deteriorates.

また、非特許文献1では、チャネル保護型のボトムゲート型のトランジスタにおいて、トランジスタの活性層として、In−Zn酸化物と、In−Ga−Zn酸化物との2層積層とし、チャネルが形成されるIn−Zn酸化物の膜厚を10nmとすることで、高い電界効果移動度(μ=62cm−1−1)を実現している。一方で、トランジスタ特性の一つであるS値(Subthreshold Swing、SSともいう)が0.41V/decadeと大きい。また、トランジスタ特性の一つである、しきい値電圧(Vthともいう)が−2.9Vであり、所謂ノーマリーオンのトランジスタ特性である。 Further, in Non-Patent Document 1, in a channel-protected bottom gate type transistor, a channel is formed by stacking two layers of In-Zn oxide and In-Ga-Zn oxide as the active layer of the transistor. By setting the thickness of the In-Zn oxide to 10 nm, high field effect mobility (μ = 62 cm 2 V -1 s -1 ) is realized. On the other hand, the S value (also referred to as Subthreshold Swing, SS), which is one of the transistor characteristics, is as large as 0.41 V / decade. Further, the threshold voltage (also referred to as Vth), which is one of the transistor characteristics, is -2.9V, which is a so-called normally-on transistor characteristic.

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な金属酸化物を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の表示装置を提供することを課題の一とする。 In view of the above problems, one aspect of the present invention is to provide a novel metal oxide. Alternatively, one aspect of the present invention is to impart good electrical characteristics to a semiconductor device. Alternatively, one of the issues is to provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, one of the issues is to provide a semiconductor device having a new configuration. Alternatively, one of the issues is to provide a display device having a new configuration.

なお、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。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。なお、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。 The description of these issues does not prevent the existence of other issues. It should be noted that one aspect of the present invention does not need to solve all of these problems. Issues other than these are naturally clarified from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract issues other than these from the description of the description, drawings, claims, etc. Is.

本発明の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多い金属酸化物である。 One aspect of the present invention is a metal oxide having a plurality of energy bandwidths, and the metal oxide has a region in which the lower end of the conduction band of the energy band is low and a region in which the lower end of the conduction band of the energy band is high. However, the region where the lower end of the conduction band is low is a metal oxide having more carriers than the region where the lower end of the conduction band is high.

本発明の他の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多く、伝導帯下端の高い領域は、伝導帯下端の低い領域よりも真性である金属酸化物である。 Another aspect of the present invention is a metal oxide having a plurality of energy bandwidths, wherein the metal oxide has a region where the lower end of the conduction band of the energy band is low and a region where the lower end of the conduction band of the energy band is high. The region where the lower end of the conduction band is low has more carriers than the region where the lower end of the conduction band is high, and the region where the lower end of the conduction band is high is a metal oxide which is more intrinsic than the region where the lower end of the conduction band is low.

本発明の他の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多く、伝導帯下端が低い領域と、伝導帯下端が高い領域とは、それぞれ異なる伝導帯を有する金属酸化物である。 Another aspect of the present invention is a metal oxide having a plurality of energy bandwidths, wherein the metal oxide has a region where the lower end of the conduction band of the energy band is low and a region where the lower end of the conduction band of the energy band is high. The region where the lower end of the conduction band is low has more carriers than the region where the lower end of the conduction band is high, and the region where the lower end of the conduction band is low and the region where the lower end of the conduction band is high have different conduction bands. Is.

上記態様において、伝導帯下端が高い領域は、In、Zn、Al、Ga、Si、B、Y、Ti、Fe、Ni、Ge、Zr、Mo、La、Ce、Nd、Hf、Ta、W、Mg、V、Be、またはCuの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を有すると好ましい。 In the above embodiment, the regions where the lower end of the conduction band is high are In, Zn, Al, Ga, Si, B, Y, Ti, Fe, Ni, Ge, Zr, Mo, La, Ce, Nd, Hf, Ta, W, It is preferable to have any one or more selected from Mg, V, Be, and Cu.

本発明の一態様により、新規な金属酸化物を提供することができる。または、本発明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の表示装置を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, a novel metal oxide can be provided. Alternatively, according to one aspect of the present invention, good electrical characteristics can be imparted to the semiconductor device. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, a semiconductor device having a new configuration can be provided. Alternatively, a display device having a new configuration can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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。 The description of these effects does not preclude the existence of other effects. It should be noted that one aspect of the present invention does not necessarily have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally clarified from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the effects other than these from the description of the description, drawings, claims, etc. Is.

金属酸化物の構成の概念図。Conceptual diagram of the composition of metal oxides. トランジスタ、および該トランジスタにおけるエネルギー準位の分布を説明する模式図。The transistor and the schematic diagram explaining the distribution of the energy level in the transistor. トランジスタにおける概略バンドダイアグラムのモデルを説明する図。The figure explaining the model of the schematic band diagram in a transistor. トランジスタにおける概略バンドダイアグラムのモデルを説明する図。The figure explaining the model of the schematic band diagram in a transistor. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。A cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。The cross-sectional view explaining the manufacturing method of the semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。The cross-sectional view explaining the manufacturing method of the semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。The cross-sectional view explaining the manufacturing method of the semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。Top view and sectional view explaining a semiconductor device. 本発明に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。The figure explaining the range of the atomic number ratio of the metal oxide which concerns on this invention. 表示パネルの構成例を説明する図。The figure explaining the configuration example of the display panel. 表示パネルの構成例を説明する図。The figure explaining the configuration example of the display panel. 実施例に係る試料のXRDスペクトルの測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result of the XRD spectrum of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料の断面TEM像、および電子線回折パターンを説明する図。The figure explaining the cross-sectional TEM image of the sample which concerns on an Example, and the electron beam diffraction pattern. 六角形の回転角を導出する方法を説明する図。The figure explaining the method of deriving the rotation angle of a hexagon. 実施例に係る試料の平面TEM像およびその画像解析像を説明する図。The figure explaining the plane TEM image and the image analysis image of the sample which concerns on Example. 実施例に係る試料のTEM像、およびEDXマッピングを説明する図。The figure explaining the TEM image of the sample which concerns on Example, and EDX mapping. 実施例に係る試料のTEM像、およびEDXマッピングを説明する図。The figure explaining the TEM image of the sample which concerns on Example, and EDX mapping. 実施例に係る試料のId−Vg特性のグラフ。The graph of the Id-Vg characteristic of the sample which concerns on an Example. トランジスタのId−Vg特性及びId−Vd特性を説明する図。The figure explaining the Id-Vg characteristic and the Id-Vd characteristic of a transistor. GCAから計算されたId−Vg特性と移動度曲線(線形・飽和)を説明する図。The figure explaining the Id-Vg characteristic and mobility curve (linear / saturation) calculated from GCA.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that the embodiments can be implemented in many different embodiments, and that the embodiments and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. .. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明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。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。 Also, in the drawings, the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

また、本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 In addition, the ordinal numbers "first", "second", and "third" used in the present specification are added to avoid confusion of the components, and are not limited numerically. I will add it.

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Further, in the present specification, terms indicating the arrangement such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between the configurations with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the configurations changes appropriately depending on the direction in which each configuration is depicted. Therefore, it is not limited to the words and phrases explained in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 Further, in the present specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. Then, a channel forming region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and between the source and drain via the channel forming region. It is possible to pass an electric current through. In the present specification and the like, the channel formation region means a region in which a current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 Further, the functions of the source and the drain may be interchanged when transistors having different polarities are adopted or when the direction of the current changes in the circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 Further, in the present specification and the like, "electrically connected" includes a case where they are connected via "something having some kind of electrical action". Here, the "thing having some kind of electrical action" is not particularly limited as long as it enables the exchange of electric signals between the connection targets. For example, "things having some kind of electrical action" include electrodes, wirings, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.

また、本明細書等において、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。 Further, in the present specification and the like, the silicon nitride film refers to a film having a higher oxygen content than nitrogen in its composition, and the silicon nitride film has a nitrogen content higher than oxygen in its composition. Refers to a film with a lot of oxygen.

また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。 Further, in the present specification and the like, when explaining the structure of the invention using drawings, reference numerals indicating the same may be commonly used between different drawings.

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置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。 Further, in the present specification and the like, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of −5 ° or more and 5 ° or less is also included. Further, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° or more and 30 ° or less. Further, "vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 ° or more and 95 ° or less is also included. Further, "substantially vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° or more and 120 ° or less.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 Further, in the present specification and the like, the term "membrane" and the term "layer" can be interchanged with each other in some cases. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive layer". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Even when the term "semiconductor" is used, for example, if the conductivity is sufficiently low, it may have characteristics as an "insulator". In addition, the boundary between "semiconductor" and "insulator" is ambiguous, and it may not be possible to strictly distinguish between them. Therefore, the "semiconductor" described in the present specification may be paraphrased as an "insulator". Similarly, the "insulator" described herein may be paraphrased as a "semiconductor."

なお、本明細書等において、ノーマリーオンとは、電源による電位の印加がない(0V)ときにオン状態であることをいう。例えば、ノーマリーオンの特性とは、トランジスタのゲートに与える電圧が0Vの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合がある。 In addition, in this specification and the like, normally-on means that it is in the on state when the electric potential is not applied by the power source (0V). For example, the normally-on characteristic may refer to an electrical characteristic in which the threshold voltage becomes negative when the voltage applied to the gate of the transistor is 0V.

なお、本明細書等について、In:Ga:Zn=4:2:3またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Inが4の場合、Gaが1以上3以下(1≦Ga≦3)であり、Znが2以上4以下(2≦Zn≦4)とする。また、In:Ga:Zn=5:1:6またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Inが5の場合、Gaが0.1より大きく2以下(0.1<Ga≦2)であり、Znが5以上7以下(5≦Zn≦7)とする。また、In:Ga:Zn=1:1:1またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Inが1の場合、Gaが0.1より大きく2以下(0.1<Ga≦2)であり、Znが0.1より大きく2以下(0.1<Zn≦2)とする。 In the present specification and the like, In: Ga: Zn = 4: 2: 3 or its vicinity means that when In is 4, Ga is 1 or more and 3 or less (1 ≦ Ga ≦) with respect to the total number of atoms. 3), and Zn is 2 or more and 4 or less (2 ≦ Zn ≦ 4). Further, In: Ga: Zn = 5: 1: 6 or its vicinity means that when In is 5, Ga is greater than 0.1 and 2 or less (0.1 <Ga ≦ 2) with respect to the total number of atoms. ), And Zn is 5 or more and 7 or less (5 ≦ Zn ≦ 7). Further, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or its vicinity means that when In is 1, Ga is greater than 0.1 and 2 or less (0.1 <Ga ≦ 2) with respect to the total number of atoms. ), And Zn is greater than 0.1 and 2 or less (0.1 <Zn ≦ 2).

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である金属酸化物について説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a metal oxide which is one aspect of the present invention will be described.

本発明の一態様の金属酸化物は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、元素M(元素Mは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)が含まれていてもよい。 The metal oxide of one aspect of the present invention preferably contains at least indium. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, element M (element M is gallium, aluminum, silicon, boron, yttrium, copper, vanadium, berylium, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium, hafnium, It may contain one or more selected from tantalum, tungsten, magnesium and the like.

また、本発明の一態様の金属酸化物は、窒素を有すると好ましい。具体的には、本発明の一態様の金属酸化物において、SIMSにより得られる窒素濃度が、1×1016atoms/cm以上、好ましくは1×1017atoms/cm以上2×1022atoms/cm以下とすればよい。なお、金属酸化物に窒素を添加すると、バンドギャップが狭くなり、導電性が向上する傾向がある。従って、本明細書等において、本発明の一態様である金属酸化物は、窒素などが添加された金属酸化物も含むものとする。また、窒素を有する金属酸化物を金属酸窒化物(Metal Oxynitride)と呼称してもよい。 Moreover, it is preferable that the metal oxide of one aspect of the present invention has nitrogen. Specifically, in the metal oxide of one aspect of the present invention, the nitrogen concentration obtained by SIMS is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more 2 × 10 22 atoms. / cm 3 it may be less. When nitrogen is added to the metal oxide, the band gap tends to be narrowed and the conductivity tends to be improved. Therefore, in the present specification and the like, the metal oxide according to one aspect of the present invention also includes a metal oxide to which nitrogen or the like is added. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

ここで、金属酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 Here, consider the case where the metal oxide has indium, the element M, and zinc. The terms of the atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide are [In], [M], and [Zn].

<金属酸化物の構成>
本発明におけるCAC(Cloud−Aligned composite)構成を有する金属酸化物の概念図を図1に示す。なお、本明細書において、本発明の一態様である金属酸化物が、半導体の機能を有する場合、CAC(Cloud−Alignedcomposite)−OS(OxideSemiconductor)と定義する。
<Composition of metal oxide>
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a metal oxide having a CAC (Cloud-Aligned composite) configuration in the present invention. In addition, in this specification, when the metal oxide which is one aspect of this invention has a function of a semiconductor, it is defined as CAC (Cloud-Elemented composite) -OS (Oxide Semiconductor).

CAC−OSとは、例えば、図1に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在することで、各元素を主成分とする領域001、および領域002を形成し、各領域が、混合し、モザイク状に形成される。つまり、金属酸化物を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。 In CAC-OS, for example, as shown in FIG. 1, the elements constituting the metal oxide are unevenly distributed to form a region 001 and a region 002 containing each element as a main component, and the regions are mixed. And it is formed in a mosaic shape. That is, the elements constituting the metal oxide are one composition of the material unevenly distributed in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or a size close thereto. In the following, in the metal oxide, one or more metal elements are unevenly distributed, and the region having the metal element is 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or a size in the vicinity thereof. The state of being mixed with is also called a mosaic shape or a patch shape.

例えば、CAC構成を有するIn−M−Zn酸化物とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、元素Mを含む酸化物などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2が、膜中に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, the In—M—Zn oxide having a CAC configuration is an indium oxide (hereinafter, InO X1 (X1 is a real number larger than 0)) or an indium zinc oxide (hereinafter, In X2 Zn Y2). O Z2 (X2, Y2, and Z2 are real numbers larger than 0) and oxides containing the element M are separated into a mosaic-like material, and the mosaic-like InO X1 or In X2 Zn Y2 O Z2 is distributed in the film (hereinafter, also referred to as cloud-like).

別言すると、本発明の一態様の金属酸化物は、In酸化物、In−M酸化物、M酸化物、MーZn酸化物、In−Zn酸化物、及びIn−M−Zn酸化物の中から選ばれた、少なくとも2以上の複数の酸化物または複数の材料を有する。 In other words, the metal oxide of one aspect of the present invention is of In oxide, In-M oxide, M oxide, M-Zn oxide, In-Zn oxide, and In-M-Zn oxide. It has at least two or more oxides or materials selected from among them.

代表的には、本発明の一態様の金属酸化物は、In酸化物、In−Zn酸化物、In−Al−Zn酸化物、In−Ga−Zn酸化物、In−Y−Zn酸化物、In−Cu−Zn酸化物、In−V−Zn酸化物、In−Be−Zn酸化物、In−B−Zn酸化物、In−Si−Zn酸化物、In−Ti−Zn酸化物、In−Fe−Zn酸化物、In−Ni−Zn酸化物、In−Ge−Zn酸化物、In−Zr−Zn酸化物、In−Mo−Zn酸化物、In−La−Zn酸化物、In−Ce−Zn酸化物、In−Nd−Zn酸化物、In−Hf−Zn酸化物、In−Ta−Zn酸化物、In−W−Zn酸化物、及びIn−Mg−Zn酸化物の中から選ばれた、少なくとも2以上を有する。すなわち、本発明の一態様の金属酸化物を、複数の材料または複数の成分を有する複合金属酸化物ともいえる。 Typically, the metal oxide of one aspect of the present invention is In oxide, In—Zn oxide, In—Al—Zn oxide, In—Ga—Zn oxide, In—Y—Zn oxide, In-Cu-Zn Oxide, In-V-Zn Oxide, In-Be-Zn Oxide, In-B-Zn Oxide, In-Si-Zn Oxide, In-Ti-Zn Oxide, In- Fe-Zn oxide, In-Ni-Zn oxide, In-Ge-Zn oxide, In-Zr-Zn oxide, In-Mo-Zn oxide, In-La-Zn oxide, In-Ce- Selected from Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide, In-Ta-Zn oxide, In-W-Zn oxide, and In-Mg-Zn oxide. , Have at least two or more. That is, the metal oxide of one aspect of the present invention can be said to be a composite metal oxide having a plurality of materials or a plurality of components.

ここで、図1に示す概念が、CAC構成を有するIn−M−Zn酸化物であると仮定する。その場合、領域001が元素Mを含む酸化物を主成分とする領域、また、領域002がInX2ZnY2Z2、またはInOX1を主成分とする領域であるといえる。このとき、元素Mを含む酸化物が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、少なくともZnを有する領域とは、周辺部が不明瞭である(ボケている)ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある。 Here, it is assumed that the concept shown in FIG. 1 is an In—M—Zn oxide having a CAC configuration. In that case, it can be said that the region 001 is a region containing an oxide containing the element M as a main component, and the region 002 is a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component. At this time, the peripheral portion is unclear between the region in which the oxide containing the element M is the main component, the region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component, and the region having at least Zn. Because it is (blurred), it may not be possible to observe clear boundaries.

つまり、CAC構成を有するIn−M−Zn酸化物は、元素Mを含む酸化物が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。従って、金属酸化物を複合金属酸化物と記載する場合がある。なお、本明細書において、例えば、領域002の元素Mに対するInの原子数比が、領域001の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、領域002は、領域001と比較して、Inの濃度が高いとする。 That is, in the In—M—Zn oxide having a CAC configuration, a region containing an oxide containing the element M as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 as a main component are mixed. It is a metal oxide. Therefore, the metal oxide may be described as a composite metal oxide. In the present specification, for example, the atomic number ratio of In to the element M in the region 002 is larger than the atomic number ratio of In to the element M in the region 001, that the region 002 is compared with the region 001. It is assumed that the concentration of In is high.

なお、CAC構成を有する金属酸化物とは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、元素Mを含む酸化物を主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 It should be noted that the metal oxide having a CAC structure does not include a laminated structure of two or more types of films having different compositions. For example, it does not include a structure consisting of two layers, a film containing In as a main component and a film containing an oxide containing an element M as a main component.

また、CAC構成において、結晶構造は副次的な要素である。従って、CAC構成を有するIn−M−Zn酸化物において、領域001、および領域002における結晶構造は、特に限定されない。また、領域001、および領域002は、それぞれ、異なる結晶構造を有していてもよい。 Also, in the CAC configuration, the crystal structure is a secondary element. Therefore, in the In—M—Zn oxide having a CAC configuration, the crystal structures in the regions 001 and 002 are not particularly limited. Further, the region 001 and the region 002 may have different crystal structures, respectively.

例えば、CAC構成を有するIn−M−Zn酸化物において、非単結晶構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。非単結晶構造として、例えば、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystallineoxidesemiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−likeOS:amorphous−likeoxidesemiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。 For example, in the In—M—Zn oxide having a CAC structure, an oxide semiconductor having a non-single crystal structure is preferable. Examples of the non-single crystal structure include CAAC-OS, polycrystalline oxide semiconductors, nc-OS (nanocrystallineoxidemeticonductor), pseudo-amorphous oxide semiconductors (a-likeOS: amorphous-likeoxidesemiconductor) and amorphous oxide semiconductors. is there.

なお、CAAC−OSは、CAAC構造を有する。CAAC構造とは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造の酸化物半導体である。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 The CAAC-OS has a CAAC structure. The CAAC structure is an oxide semiconductor having a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and has a strain. The strain refers to a region in which a plurality of nanocrystals are connected, in which the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。従って、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において、酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. In addition, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in distortion. Therefore, in CAAC-OS, a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS allows distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and that the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It is thought that it can be done.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上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は、異なるナノ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。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−likeOSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, nc-OS may be indistinguishable from a-like OS and amorphous oxide semiconductors depending on the analysis method.

a−likeOSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−likeOSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−likeOSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造である。 The a-likeOS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. a-likeOS has a void or low density region. That is, a-likeOS has an unstable structure as compared with nc-OS and CAAC-OS.

例えば、CAC−OSは、CAAC構造を有することが好ましい。CAAC構造は、領域001、または領域002を含む範囲で形成される場合がある。つまり、CAC−OSにおいて、CAAC−OSとなる領域は、数nmから数十nmの範囲で形成される。 For example, CAC-OS preferably has a CAAC structure. The CAAC structure may be formed in a range including region 001 or region 002. That is, in CAC-OS, the region that becomes CAAC-OS is formed in the range of several nm to several tens of nm.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。従って、CAAC−OSを有することで、金属酸化物としての物理的性質が安定するため、熱に強く、信頼性が高い金属酸化物を提供することができる。 CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. On the other hand, in CAAC-OS, since a clear crystal grain boundary cannot be confirmed, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. Therefore, by having CAAC-OS, the physical properties of the metal oxide are stabilized, so that it is possible to provide a metal oxide that is resistant to heat and has high reliability.

具体的には、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(なお、CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)について説明する。In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSは、InOX1、またはInX2ZnY2Z2と、インジウムガリウム亜鉛酸化物(以下、InGaZn(a、b、c、およびd0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2がクラウド状である金属酸化物である。 Specifically, CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (Note that, among CAC-OS, In-Ga-Zn oxide may be particularly referred to as CAC-IGZO) will be described. CAC-OS in In-Ga-Zn oxide is InO X1 , or In X2 Zn Y2 O Z2 , and indium gallium zinc oxide (hereinafter, In a Ga b Zn c O d (a, b, c, and d0). It is a metal oxide in which the material is separated into a mosaic-like shape, and the mosaic-like InO X1 or In X2 Zn Y2 O Z2 is a cloud-like metal oxide.

つまり、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSは、InGaZnが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。また、InGaZnが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とは、周辺部が不明瞭である(ボケている)ため、明確な境界が観察できない場合がある。 That is, the CAC-OS in the In-Ga-Zn oxide has a region in which In a Ga b Zn c Od is the main component and a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 is the main component. It is a composite metal oxide having a mixed composition. Further, the peripheral portion of the region containing In a Ga b Zn c Od as the main component and the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 as the main component is unclear (blurred). , Clear boundaries may not be observable.

例えば、図1に示す概念図において、領域001がInGaZnを主成分とする領域に相当し、領域002がInX2ZnY2Z2、またはInOX1を主成分とする領域に相当する。なお、InGaZnを主成分とする領域、及びInX2ZnY2Z2、またはInOX1を主成分とする領域を、それぞれナノ粒子と呼称してもよい。当該ナノ粒子は、粒子の径が0.5nm以上10nm以下、代表的には1nm以上2nm以下である。また、上記ナノ粒子は、周辺部が不明瞭である(ボケている)ため、明確な境界が観察できない場合がある。 For example, in the conceptual diagram shown in FIG. 1, the region 001 corresponds to the region containing In a Ga b Zn c Od as the main component, and the region 002 is the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 as the main component. Corresponds to. The region containing In a Ga b Zn c Od as a main component and the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 as a main component may be referred to as nanoparticles, respectively. The nanoparticles have a particle diameter of 0.5 nm or more and 10 nm or less, and typically 1 nm or more and 2 nm or less. Further, since the peripheral portion of the nanoparticles is unclear (blurred), a clear boundary may not be observed.

なお、領域001、および領域002のサイズは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:EnergyDispersiveX−rayspectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングで評価することができる。例えば、領域001は、断面写真のEDXマッピングにおいて、領域001の径が、0.5nm以上10nm以下、または1nm以上2nm以下で観察される場合がある。また、領域の中心部から周辺部にかけて、主成分である元素の密度は、徐々に小さくなる。例えば、EDXマッピングでカウントできる元素の個数(以下、存在量ともいう)が、中心部から周辺部に向けて傾斜すると、断面写真のEDXマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な(ボケた)状態で観察される。例えば、InGaZnが主成分である領域において、Ga原子は、中心部から周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、In原子、およびZn原子が増加することで、InX2ZnY2Z2が主成分である領域へと段階的に変化する。従って、EDXマッピングにおいて、InGaZnが主成分である領域の周辺部は不明瞭な(ボケた)状態で観察される。 The sizes of region 001 and region 002 can be evaluated by EDX mapping obtained by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-rayscopy). For example, region 001 may be observed when the diameter of region 001 is 0.5 nm or more and 10 nm or less, or 1 nm or more and 2 nm or less in EDX mapping of a cross-sectional photograph. Further, the density of the element as the main component gradually decreases from the central portion to the peripheral portion of the region. For example, when the number of elements that can be counted by EDX mapping (hereinafter, also referred to as abundance) is inclined from the central portion toward the peripheral portion, the peripheral portion of the region is unclear (blurred) in the EDX mapping of the cross-sectional photograph. Observed in the state. For example, in the region where In a Ga b Zn c Od is the main component, the Ga atom gradually decreases from the central part to the peripheral part, and instead, the In atom and the Zn atom increase, so that In X2 It gradually changes to the region where Zn Y2 O Z2 is the main component. Therefore, in the EDX mapping, the peripheral portion of the region in which In a Ga b Zn c Od is the main component is observed in an unclear (blurred) state.

なお、CAC構成を有するIn−Ga−Zn酸化物における結晶構造は、特に限定されない。また、領域001、および領域002は、それぞれ、異なる結晶構造を有していてもよい。 The crystal structure of the In-Ga-Zn oxide having a CAC structure is not particularly limited. Further, the region 001 and the region 002 may have different crystal structures, respectively.

ここで、In−Ga−Zn−O系の金属酸化物をIGZOと示す場合があるが、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。In−Ga−Zn−O系の金属酸化物の一例としては、結晶性の化合物が挙げられる。結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC(c−axisalignedcrystalline)構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した層状の結晶構造である。 Here, the In-Ga-Zn-O-based metal oxide may be referred to as IGZO, but IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. A crystalline compound is mentioned as an example of an In-Ga-Zn-O-based metal oxide. Crystalline compounds have a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC (c-axis identified crystalline) structure. The CAAC structure is a layered crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have a c-axis orientation and are connected without being oriented on the ab plane.

例えば、CAC構成を有するIn−Ga−Zn酸化物は、非単結晶構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。特に、CAC構成を有するIn−Ga−Zn酸化物は、CAAC−IGZOを有することが好ましい。また、CAAC−IGZOとなる範囲には、領域001を有することが好ましい。CAAC−IGZOを有することで、金属酸化物としての物理的性質が安定するため、熱に強く、信頼性が高いIn−Ga−Zn酸化物を提供することができる。 For example, the In-Ga-Zn oxide having a CAC structure is preferably an oxide semiconductor having a non-single crystal structure. In particular, the In-Ga-Zn oxide having a CAC configuration preferably has CAAC-IGZO. Further, it is preferable to have region 001 in the range of CAAC-IGZO. Since the possession of CAAC-IGZO stabilizes the physical properties of the metal oxide, it is possible to provide an In-Ga-Zn oxide that is resistant to heat and has high reliability.

なお、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSにおける結晶性は、電子線回折で評価することができる。例えば、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領域、およびリング状に輝度の高い領域内に、複数のスポットが観察される場合がある。 The crystallinity of In-Ga-Zn oxide in CAC-OS can be evaluated by electron diffraction. For example, in the electron diffraction pattern image, a plurality of spots may be observed in a ring-shaped high-luminance region and a ring-shaped high-brightness region.

ここで、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、InGaZnなどが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。なお、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、導電体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。 Here, the region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component is a region having higher conductivity than the region in which In a Ga b Zn c Od or the like is the main component. That is, the conductivity as an oxide semiconductor is exhibited by the carrier flowing through the region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component. Therefore, a high field effect mobility (μ) can be realized by distributing the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as the main component in the oxide semiconductor in a cloud shape. The region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component can be said to be a semiconductor region having properties similar to those of a conductor.

一方、InGaZnなどが主成分である領域は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、導電性が低い領域である。つまり、InGaZnなどが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。なお、InGaZnなどが主成分である領域は、絶縁体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。 On the other hand, the region in which In a Ga b Zn c Od or the like is the main component is a region having lower conductivity than the region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component. That is, the region in which In a Ga b Zn c Od or the like is the main component is distributed in the metal oxide, so that the leakage current can be suppressed and a good switching operation can be realized. It should be noted that the region in which In a Ga b Zn c Od or the like is the main component can be said to be a semiconductor region close to the properties of an insulator.

従って、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSを半導体素子に用いた場合、InGaZnなどに起因する性質と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、高い電界効果移動度(μ)、および、低いオフ電流(Ioff)を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS in In-Ga-Zn oxide is used for a semiconductor element, the property caused by In a Ga b Zn c Od and the like and the property caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1. By acting in a complementary manner, high on-current (I on ), high field-effect mobility (μ), and low off-current (I off ) can be realized.

また、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。 Further, the semiconductor device using CAC-OS in In-Ga-Zn oxide has high reliability. Therefore, CAC-OS in In-Ga-Zn oxide is most suitable for various semiconductor devices such as displays.

<金属酸化物を有するトランジスタ>
続いて、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with metal oxide>
Subsequently, a case where the metal oxide is used as a semiconductor in a transistor will be described.

なお、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いることで、電界効果移動度が高く、かつ、スイッチング特性が高いトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the metal oxide as a semiconductor in a transistor, it is possible to realize a transistor having high field effect mobility and high switching characteristics. Moreover, a highly reliable transistor can be realized.

図2(A)は、上記金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタの模式図である。図2(A)において、トランジスタは、ソースと、ドレインと、第1のゲートと、第2のゲートと、第1のゲート絶縁部と、第2のゲート絶縁部と、チャネル部と、を有する。トランジスタは、ゲートに印加する電位によって、チャネル部の抵抗を制御することができる。即ち、第1のゲート、または第2のゲートに印加する電位によって、ソースとドレインとの間の導通(トランジスタがオン状態)・非導通(トランジスタがオフ状態)を制御することができる。 FIG. 2A is a schematic view of a transistor using the metal oxide in the channel forming region. In FIG. 2A, the transistor has a source, a drain, a first gate, a second gate, a first gate insulating portion, a second gate insulating portion, and a channel portion. .. The transistor can control the resistance of the channel portion by the potential applied to the gate. That is, the continuity (transistor is on state) and non-conductivity (transistor is off state) between the source and the drain can be controlled by the potential applied to the first gate or the second gate.

ここで、チャネル部は、第1のバンドギャップを有する領域001と、第2のバンドギャップを有する領域002と、がクラウド状であるCAC−OSを有している。なお、第1のバンドギャップは、第2のバンドギャップよりも大きいものとする。 Here, the channel portion has a CAC-OS in which a region 001 having a first band gap and a region 002 having a second band gap are cloud-shaped. It is assumed that the first band gap is larger than the second band gap.

例えば、チャネル部のCAC−OSとして、CAC構成を有するIn−Ga−Zn酸化物を用いる場合について説明する。CAC構成を有するIn−Ga−Zn酸化物は、領域001として、領域002よりもGaの濃度が高いInGaZnを主成分とする領域と、領域002として、領域001よりもInの濃度が高いInX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、InOX1、またはInX2ZnY2Z2が、膜中に分布した構成(クラウド状)である。なお、InGaZnを主成分とする領域001は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域002よりも、大きなバンドギャップを有する。 For example, a case where an In-Ga-Zn oxide having a CAC configuration is used as the CAC-OS of the channel portion will be described. The In-Ga-Zn oxide having a CAC configuration has a region 001 containing In a Ga b Zn c Od having a higher concentration of Ga than the region 002 as a main component, and a region 002 as a region 002 than the region 001. In X2 Zn Y2 O Z2 with a high concentration of In, or a region containing In O X1 as the main component, becomes a mosaic when the material is separated, and In O X1 or In X2 Zn Y2 O Z2 is distributed in the film. It is a configuration (cloud type). The region 001 containing In a Ga b Zn c Od as a main component has a larger bandgap than the region 002 containing In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 as a main component.

ここで、CAC−OSをチャネル部に有する図2(A)に示すトランジスタの伝導モデルについて説明する。図2(B)は、図2(A)に示すトランジスタのソースとドレインとの間におけるエネルギー準位の分布を説明する模式図である。また、図2(C)は、図2(A)に示すトランジスタにおいて、X−X’で示す実線上における伝導バンド図である。なお、各伝導帯において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Eで示す一点破線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。また、ここでは、第1のゲート電圧として、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧を印加し、ソースとドレインとの間にドレイン電圧(V>0)を印加している。 Here, the conduction model of the transistor shown in FIG. 2A having the CAC-OS in the channel portion will be described. FIG. 2B is a schematic diagram illustrating the distribution of energy levels between the source and drain of the transistor shown in FIG. 2A. Further, FIG. 2C is a conduction band diagram on the solid line indicated by XX'in the transistor shown in FIG. 2A. In each conduction band, the solid line indicates the energy at the lower end of the conduction band. The alternate long and short dash line indicated by E f indicates the energy of the quasi-Fermi level of electrons. Further, here, as the first gate voltage, a negative voltage is applied between the gate and the source, and a drain voltage (V d > 0) is applied between the source and the drain.

図2(A)に示すトランジスタに、マイナスのゲート電圧を印加すると、図2(B)に示すように、ソースとドレインとの間に、領域001に由来する伝導帯CB001と、領域002に由来する伝導帯CB002と、が形成される。ここで、第1のバンドギャップは第2のバンドギャップよりも大きいため、伝導帯CB001におけるポテンシャル障壁は、伝導帯CB002のポテンシャル障壁よりも大きい。つまり、チャネル部におけるポテンシャル障壁の最大値は、領域001に起因する値をとる。従って、CAC−OSをチャネル部に用いることで、リーク電流を抑制し、スイッチング特性が高いトランジスタとすることができる。 When a negative gate voltage is applied to the transistor shown in FIG. 2 (A), as shown in FIG. 2 (B), the conduction band CB 001 derived from the region 001 and the region 002 are formed between the source and the drain. The conduction band CB 002 from which it is derived is formed. Here, since the first band gap is larger than the second band gap, the potential barrier in the conduction band CB 001 is larger than the potential barrier in the conduction band CB 002 . That is, the maximum value of the potential barrier in the channel portion takes a value due to the region 001. Therefore, by using CAC-OS for the channel portion, it is possible to suppress the leakage current and obtain a transistor having high switching characteristics.

また、図2(C)に示すように、第1のバンドギャップを有する領域001は、第2のバンドギャップを有する領域002より、バンドギャップが相対的に広いので、第1のバンドギャップを有する領域のEc端は、第2のバンドギャップを有する領域のEc端よりも相対的に高い位置に存在しうる。 Further, as shown in FIG. 2C, the region 001 having the first bandgap has the first bandgap because the bandgap is relatively wider than the region 002 having the second bandgap. The Ec end of the region can be located relatively higher than the Ec end of the region having the second bandgap.

例えば、第1のバンドギャップを有する領域001の成分が、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])であり、第2のバンドギャップを有する領域002の成分がIn−Zn酸化物(In:Zn=2:3[原子数比])である場合を仮定する。この場合、第1のバンドギャップは、3.3eV、またはその近傍であり、第2のバンドギャップは、2.4eV、またはその近傍となる。なお、バンドギャップの値は、各材料の単膜をエリプソメータで測定して得られる値を用いる。 For example, the component of region 001 having the first band gap is In-Ga-Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic number ratio]) and has a second band gap. It is assumed that the component of region 002 is an In-Zn oxide (In: Zn = 2: 3 [atomic number ratio]). In this case, the first bandgap is 3.3 eV or its vicinity, and the second bandgap is 2.4 eV or its vicinity. As the band gap value, a value obtained by measuring a single film of each material with an ellipsometer is used.

上記の仮定の場合、第1のバンドギャップと、第2のバンドギャップとの差は0.9eVである。本発明の一態様においては、第1のバンドギャップと、第2のバンドギャップとの差は、少なくとも0.1eV以上あればよい。ただし、第1のバンドギャップを有する領域001に由来する価電子帯VB001の位置と、第2のバンドギャップを有する領域002に由来する価電子帯VB002の位置が異なる場合があるので、第1のバンドギャップと、第2のバンドギャップとの差が、好ましくは0.3eV以上、さらに好ましくは0.4eV以上であるとよい。 In the case of the above assumption, the difference between the first bandgap and the second bandgap is 0.9 eV. In one aspect of the present invention, the difference between the first bandgap and the second bandgap may be at least 0.1 eV or more. However, the position of the valence band VB 001 derived from the region 001 having the first bandgap and the position of the valence band VB 002 derived from the region 002 having the second bandgap may be different. The difference between the band gap 1 and the band gap 2 is preferably 0.3 eV or more, more preferably 0.4 eV or more.

また、上記の仮定の場合、CAC−OS中にキャリアを流れる際に、第2のバンドギャップ、すなわちナローバンドであるIn−Zn酸化物に起因してキャリアが流れる。この際に、第2のバンドギャップから第1のバンドギャップ、すなわちワイドバンドであるIn−Ga−Zn酸化物側にキャリアが溢れる。別言すると、ナローバンドであるIn−Zn酸化物の方がキャリアを生成しやすく、当該キャリアは、ワイドバンドであるIn−Ga−Zn酸化物に移動する。 Further, in the above assumption, when the carriers flow through the CAC-OS, the carriers flow due to the second band gap, that is, the narrow band In—Zn oxide. At this time, carriers overflow from the second bandgap to the first bandgap, that is, the wide band In-Ga-Zn oxide side. In other words, the narrow band In-Zn oxide is more likely to generate carriers, and the carriers move to the wide band In-Ga-Zn oxide.

なお、チャネル部を形成する金属酸化物中において、領域001と、領域002とは、モザイク状であり、領域001、および領域002は不規則に偏在している。そのため、X−X’で示す実線上における伝導バンド図は一例である。 In the metal oxide forming the channel portion, the regions 001 and 002 are in a mosaic shape, and the regions 001 and 002 are irregularly distributed. Therefore, the conduction band diagram on the solid line indicated by XX'is an example.

基本的に、図3(A)に示すように、領域002が領域001に挟まれたバンドを形成していればよい。または、領域001が領域002に挟まれたバンドを形成していればよい。 Basically, as shown in FIG. 3A, the region 002 may form a band sandwiched between the regions 001. Alternatively, the region 001 may form a band sandwiched between the regions 002.

また、実際のCAC−OSでは、第1のバンドギャップを有する領域001と第2のバンドギャップを有する領域002との接合部は、領域の凝集形態や組成に揺らぎが生じていると考えられる。従って、図3(B)、および図3(C)に示すように、バンドは不連続ではなく、連続的に変化している場合がある。すなわち、CAC−OS中にキャリアが流れる際に、第1のバンドギャップと、第2のバンドギャップとが連動すると言い換えても良い。 Further, in an actual CAC-OS, it is considered that the agglutination form and composition of the region at the junction between the region 001 having the first bandgap and the region 002 having the second bandgap are fluctuating. Therefore, as shown in FIGS. 3 (B) and 3 (C), the bands may change continuously rather than discontinuously. That is, it may be said that the first bandgap and the second bandgap are linked when the carrier flows through the CAC-OS.

図4に、図2(A)に示すトランジスタおいて、X−X’で示す実線上における概略バンドダイアグラムのモデルを示す。なお、第1のゲート電極に電圧を印加する場合、第2のゲート電極にも同じ電圧を同時に印加している。図4(A)には、第1のゲート電圧Vとして、ゲートとソースとの間にプラスの電圧(V>0)を印加した状態(ONState)を示す。図4(B)には、第1のゲート電圧Vを印加しない(V=0)状態を示す。図4(C)には、第1のゲート電圧Vとして、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧(V<0)を印加した状態(OFFState)を示す。なお、各伝導帯において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Eで示す一点鎖線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。 FIG. 4 shows a model of a schematic band diagram on the solid line indicated by XX'in the transistor shown in FIG. 2 (A). When a voltage is applied to the first gate electrode, the same voltage is also applied to the second gate electrode at the same time. FIG. 4A shows a state (ONState) in which a positive voltage (V g > 0) is applied between the gate and the source as the first gate voltage V g . FIG. 4B shows a state in which the first gate voltage V g is not applied (V g = 0). FIG. 4C shows a state (OFFState) in which a negative voltage (V g <0) is applied between the gate and the source as the first gate voltage V g . In each conduction band, the solid line indicates the energy at the lower end of the conduction band. The alternate long and short dash line indicated by E f indicates the energy of the quasi-Fermi level of electrons.

CAC−OSをチャネル部に有するトランジスタは、第1のバンドギャップを有する領域001と第2のバンドギャップを有する領域002とが、電気的に相互作用を及ぼす。別言すると、第1のバンドギャップを有する領域001と第2のバンドギャップを有する領域002とが、相補的に機能する。 In the transistor having CAC-OS in the channel portion, the region 001 having the first band gap and the region 002 having the second band gap electrically interact with each other. In other words, the region 001 having the first bandgap and the region 002 having the second bandgap function complementarily.

図4(A)に示すように、トランジスタをオン状態にする方向の電位(V>0)が、第1のゲート電極に印加されると、Ec端の低い第2のバンドギャップを有する領域002が主な伝導経路となり、電子が流れると同時に、第1のバンドギャップを有する領域001にも電子が流れる。このためトランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流および高い電界効果移動度を得ることができる。 As shown in FIG. 4A, when a potential (V g > 0) in the direction of turning on the transistor is applied to the first gate electrode, a region having a second band gap with a low Ec end is applied. 002 is the main conduction path, and at the same time as the electrons flow, the electrons also flow in the region 001 having the first bandgap. Therefore, a high current driving force, that is, a large on-current and a high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.

一方、図4(B)、および図4(C)に示すように、第1のゲートにしきい値電圧未満の電圧(V≦0)を印加することで、第1バンドギャップを有する領域001は、誘電体(絶縁体)として振る舞うので、領域001中の伝導経路は遮断される。また、第2のバンドギャップを有する領域002は、第1のバンドギャップを有する領域001と接している。従って、第1のバンドギャップを有する領域001は、自らに加えて第2のバンドギャップを有する領域002へ電気的に相互作用を及ぼし、第2のバンドギャップを有する領域002中の伝導経路すらも遮断する。これでチャネル部全体が非導通状態となり、トランジスタはオフ状態となる。 On the other hand, as shown in FIGS. 4 (B) and 4 (C), by applying a voltage (V g ≤ 0) less than the threshold voltage to the first gate, the region 001 having the first band gap is applied. Behaves as a dielectric (insulator), so that the conduction path in region 001 is blocked. Further, the region 002 having the second bandgap is in contact with the region 001 having the first bandgap. Therefore, the region 001 having the first bandgap electrically interacts with the region 002 having the second bandgap in addition to itself, and even the conduction path in the region 002 having the second bandgap. Cut off. As a result, the entire channel portion is in a non-conducting state, and the transistor is turned off.

以上より、トランジスタにCAC−OSを用いることで、トランジスタの動作時、例えば、ゲートと、ソースまたはドレインとの間に電位差が生じた時に、ゲートと、ソースまたはドレインと、の間のリーク電流を低減または防止することができる。 From the above, by using CAC-OS for the transistor, the leakage current between the gate and the source or drain can be reduced when the transistor is operating, for example, when a potential difference occurs between the gate and the source or drain. Can be reduced or prevented.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い半導体を用いることが好ましい。高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、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。また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Further, it is preferable to use a semiconductor having a low carrier density for the transistor. Metal oxides of high purity or substantially high purity can have a low carrier density due to the small number of carrier sources. In addition, a metal oxide having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity may have a low trap level density because of its low defect level density.

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い金属酸化物にチャネル形成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。 In addition, the charge captured at the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in a metal oxide having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the concentration of impurities in the metal oxide. Further, in order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。 Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be described.

金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the metal oxide, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the metal oxide and the concentration of silicon and carbon near the interface with the metal oxide (concentration obtained by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)) are set to 2. × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下とする。 Further, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損(V)を形成する場合がある。該酸素欠損(V)に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 The hydrogen contained in the metal oxide is reacted with oxygen bonded to a metal atom to water, may form an oxygen vacancy (V o). By hydrogen enters oxygen vacancies (V o), there are cases where electrons serving as carriers are generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in metal oxides, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

なお、金属酸化物中の酸素欠損(V)は、酸素を金属酸化物に導入することで、低減することができる。つまり、金属酸化物中の酸素欠損(V)に、酸素が補填されることで、酸素欠損(V)は消失する。従って、金属酸化物中に、酸素を拡散させることで、トランジスタの酸素欠損(V)を低減し、信頼性を向上させることができる。 The oxygen deficiency in the metal oxide (V o) is oxygen by introducing the metal oxide can be reduced. In other words, the oxygen deficiency in the metal oxide (V o), that the oxygen is compensated, oxygen vacancy (V o) is lost. Therefore, in the metal oxide, to diffuse the oxygen, reducing the oxygen vacancies in the transistor (V o), thereby improving the reliability.

なお、酸素を金属酸化物に導入する方法として、例えば、金属酸化物に接して、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を設けることができる。つまり、酸化物には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタに金属酸化物を用いる場合、トランジスタ近傍の下地膜や、層間膜などに、過剰酸素領域を有する酸化物を設けることで、トランジスタの酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。 As a method for introducing oxygen into a metal oxide, for example, an oxide containing more oxygen than oxygen satisfying a stoichiometric composition can be provided in contact with the metal oxide. That is, it is preferable that the oxide has a region in which oxygen is excessively present (hereinafter, also referred to as an excess oxygen region) rather than the stoichiometric composition. In particular, when a metal oxide is used for the transistor, oxygen deficiency of the transistor can be reduced and reliability can be improved by providing an oxide having an excess oxygen region in the undercoat film or interlayer film in the vicinity of the transistor. it can.

不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 Stable electrical characteristics can be imparted by using a metal oxide in which impurities are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor.

<金属酸化物の成膜方法>
以下では、金属酸化物の一例について説明する。
<Metal oxide film formation method>
Hereinafter, an example of the metal oxide will be described.

金属酸化物を成膜する際の温度としては、100℃以上140℃未満とすることが好ましい。例えばG8等の大型基板は、そのサイズに応じて、基板温度の制限がある。従って、水の気化温度(100℃以上)より高く、かつ可能な範囲で装置のメンテナビリティー、スループットの良い温度を適宜選択すればよい。 The temperature at which the metal oxide is formed is preferably 100 ° C. or higher and lower than 140 ° C. For example, a large substrate such as G8 has a limitation of substrate temperature according to its size. Therefore, a temperature higher than the vaporization temperature of water (100 ° C. or higher) and having good maintainability and throughput of the apparatus may be appropriately selected within a possible range.

また、スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、0%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下とする。 Further, as the sputtering gas, a rare gas (typically argon), oxygen, a mixed gas of rare gas and oxygen is appropriately used. In the case of a mixed gas, the ratio of oxygen gas to the entire film-forming gas is 0% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less.

なお、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリング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金属酸化物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。 It is also necessary to purify the sputtering gas. For example, the oxygen gas or argon gas used as the sputtering gas is a gas whose dew point is -40 ° C or lower, preferably -80 ° C or lower, more preferably -100 ° C or lower, and more preferably -120 ° C or lower. By using it, it is possible to prevent water and the like from being taken into the metal oxide as much as possible.

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空(5×10−7Paから1×10−4Pa程度まで)排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。 When a metal oxide is formed by a sputtering method, the chamber in the sputtering apparatus uses an adsorption type vacuum exhaust pump such as a cryopump to remove water and the like which are impurities for the metal oxide as much as possible. It is preferable to exhaust a high vacuum (from 5 × 10 -7 Pa to about 1 × 10 -4 Pa). Alternatively, it is preferable to combine a turbo molecular pump and a cold trap to prevent gas, particularly a gas containing carbon or hydrogen, from flowing back from the exhaust system into the chamber.

また、ターゲットとして、In−Ga−Zn金属酸化物ターゲットを用いることができる。例えば、[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:4.1[原子数比]、または[In]:[Ga]:[Zn]=5:1:7[原子数比]、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。 Further, an In-Ga-Zn metal oxide target can be used as the target. For example, [In]: [Ga]: [Zn] = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio], or [In]: [Ga]: [Zn] = 5: 1: 7 [atomic number ratio]. It is preferable to use a metal oxide target which is an atomic number ratio of or close to that.

また、スパッタリング装置において、ターゲットを回転または移動させても構わない。成膜条件、例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または/及び左右に揺動させることによって、本発明の複合金属酸化物を形成することができる。例えば、ターゲットを、0.1Hz以上1kHz以下のビート(リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。)で回転または揺動させればよい。または、マグネットユニットを、0.1Hz以上1kHz以下のビートで揺動させればよい。 Further, in the sputtering apparatus, the target may be rotated or moved. The composite metal oxide of the present invention can be formed under film forming conditions, for example, by swinging the magnet unit up and down or / and left and right during film formation. For example, the target may be rotated or rocked with a beat of 0.1 Hz or more and 1 kHz or less (which may be paraphrased as a rhythm, a beat, a pulse, a frequency, a cycle, or a cycle). Alternatively, the magnet unit may be oscillated with a beat of 0.1 Hz or more and 1 kHz or less.

例えば、スパッタリングガスとして、酸素のガス比が10%程度の希ガス、および酸素の混合ガスを用い、基板温度を130℃とし、[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:4.1[原子数比]のIn−Ga−Zn金属酸化物ターゲットを揺動させながら成膜を行うことで、本発明の金属酸化物を形成することができる。 For example, a rare gas having an oxygen gas ratio of about 10% and a mixed gas of oxygen are used as the sputtering gas, the substrate temperature is set to 130 ° C., and [In]: [Ga]: [Zn] = 4: 2: 4 The metal oxide of the present invention can be formed by forming a film while swinging the In-Ga-Zn metal oxide target having an atomic number ratio.

以上、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。 As described above, the configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configurations shown in other embodiments or other examples as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図5乃至図14を参照して説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the semiconductor device according to one aspect of the present invention and the method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS. 5 to 14.

<2−1.半導体装置の構成例1>
図5(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図5(B)は、図5(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図5(C)は、図5(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図5(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ100の構成要素の一部(ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図5(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
<2-1. Configuration example of semiconductor device 1>
FIG. 5 (A) is a top view of the transistor 100 which is a semiconductor device according to one aspect of the present invention, and FIG. 5 (B) is a cross section of a cut surface between the alternate long and short dash lines X1-X2 shown in FIG. 5 (A). Corresponding to the figure, FIG. 5 (C) corresponds to a cross-sectional view of a cut surface between the alternate long and short dash lines Y1-Y2 shown in FIG. 5 (A). In FIG. 5A, a part of the components of the transistor 100 (an insulating film that functions as a gate insulating film, etc.) is omitted in order to avoid complication. Further, the alternate long and short dash line X1-X2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line Y1-Y2 direction may be referred to as the channel width direction. In the top view of the transistor, in the subsequent drawings, as in FIG. 5A, some of the components may be omitted.

図5(A)(B)(C)に示すトランジスタ100は、所謂トップゲート構造のトランジスタである。 The transistor 100 shown in FIGS. 5A, 5B and 5C is a transistor having a so-called top gate structure.

トランジスタ100は、基板102上の絶縁膜104と、絶縁膜104上の金属酸化物108と、金属酸化物108上の絶縁膜110と、絶縁膜110上の導電膜112と、絶縁膜104、金属酸化物108、及び導電膜112上の絶縁膜116と、を有する。 The transistor 100 includes an insulating film 104 on the substrate 102, a metal oxide 108 on the insulating film 104, an insulating film 110 on the metal oxide 108, a conductive film 112 on the insulating film 110, an insulating film 104, and a metal. It has an oxide 108 and an insulating film 116 on the conductive film 112.

また、金属酸化物108は、導電膜112が重畳する領域において、絶縁膜104上の金属酸化物108を有する。例えば、金属酸化物108は、Inと、M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有すると好ましい。 Further, the metal oxide 108 has the metal oxide 108 on the insulating film 104 in the region where the conductive film 112 is superimposed. For example, the metal oxide 108 preferably has In, M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.

また、金属酸化物108は、導電膜112が重畳せずに、且つ絶縁膜116が接する領域において、領域108nを有する。領域108nは、先に説明した金属酸化物108が、n型化した領域である。なお、領域108nは、絶縁膜116と接し、絶縁膜116は、窒素または水素を有する。そのため、絶縁膜116中の窒素または水素が領域108nに添加されることで、キャリア密度が高くなりn型となる。 Further, the metal oxide 108 has a region 108n in a region where the conductive film 112 does not overlap and the insulating film 116 is in contact with the conductive film 112. The region 108n is a region in which the metal oxide 108 described above is n-shaped. The region 108n is in contact with the insulating film 116, and the insulating film 116 has nitrogen or hydrogen. Therefore, when nitrogen or hydrogen in the insulating film 116 is added to the region 108n, the carrier density becomes high and the n-type is formed.

また、金属酸化物108は、Inの原子数比がMの原子数比より多い領域を有すると好ましい。一例としては、金属酸化物108のIn、M、及びZnの原子数の比を、In:M:Zn=4:2:3近傍とすると好ましい。 Further, the metal oxide 108 preferably has a region in which the atomic number ratio of In is larger than the atomic number ratio of M. As an example, it is preferable that the ratio of the atomic numbers of In, M, and Zn of the metal oxide 108 is in the vicinity of In: M: Zn = 4: 2: 3.

なお、金属酸化物108は、上記の組成に限定されない。例えば、金属酸化物108のIn、M、及びZnの原子数の比を、In:M:Zn=5:1:6近傍としてもよい。ここで近傍とは、Inが5の場合、Mが0.5以上1.5以下であり、且つZnが5以上7以下を含む。 The metal oxide 108 is not limited to the above composition. For example, the ratio of the atomic numbers of In, M, and Zn of the metal oxide 108 may be in the vicinity of In: M: Zn = 5: 1: 6. Here, the term “neighborhood” includes, when In is 5, M is 0.5 or more and 1.5 or less, and Zn is 5 or more and 7 or less.

金属酸化物108が、Inの原子数比がMの原子数比より多い領域を有することで、トランジスタ100の電界効果移動度を高くすることができる。具体的には、トランジスタ100の電界効果移動度が10cm/Vを超える、さらに好ましくはトランジスタ100の電界効果移動度が30cm/Vを超えることが可能となる。 Since the metal oxide 108 has a region in which the atomic number ratio of In is larger than the atomic number ratio of M, the field effect mobility of the transistor 100 can be increased. Specifically, the field effect mobility of the transistor 100 can exceed 10 cm 2 / V s , and more preferably the field effect mobility of the transistor 100 can exceed 30 cm 2 / V s .

例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバに用いることで、額縁幅の狭い(狭額縁ともいう)表示装置を提供することができる。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有する信号線からの信号の供給を行うソースドライバ(とくに、ソースドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ)に用いることで、表示装置に接続される配線数が少ない表示装置を提供することができる。 For example, by using the above-mentioned transistor having high field effect mobility as a gate driver for generating a gate signal, it is possible to provide a display device having a narrow frame width (also referred to as a narrow frame). Further, the above-mentioned transistor having high field effect mobility is used for a source driver (particularly, a demultiplexer connected to the output terminal of the shift register of the source driver) that supplies a signal from the signal line of the display device. Therefore, it is possible to provide a display device having a small number of wires connected to the display device.

一方で、金属酸化物108が、Inの原子数比がMの原子数比より多い領域を有していても、金属酸化物108の結晶性が高い場合、電界効果移動度が低くなる場合がある。 On the other hand, even if the metal oxide 108 has a region in which the atomic number ratio of In is larger than the atomic number ratio of M, if the metal oxide 108 has high crystallinity, the electric field effect mobility may be low. is there.

なお、金属酸化物108の結晶性としては、例えば、X線回折(XRD:X−RayDiffraction)を用いて分析する、あるいは、透過型電子顕微鏡(TEM:TransmissionElectronMicroscope)を用いて分析することで解析できる。 The crystallinity of the metal oxide 108 can be analyzed by, for example, analysis using X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) or analysis using a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). ..

まず、金属酸化物108中に形成されうる酸素欠損について説明を行う。 First, the oxygen deficiency that can be formed in the metal oxide 108 will be described.

金属酸化物108に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、金属酸化物108中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。金属酸化物108中にキャリア供給源が生成されると、金属酸化物108を有するトランジスタ100の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、金属酸化物108においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。 The oxygen deficiency formed in the metal oxide 108 affects the transistor characteristics, which is a problem. For example, when an oxygen deficiency is formed in the metal oxide 108, hydrogen is bonded to the oxygen deficiency and becomes a carrier supply source. When a carrier supply source is generated in the metal oxide 108, fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 100 having the metal oxide 108, typically a shift in the threshold voltage occur. Therefore, in the metal oxide 108, the smaller the oxygen deficiency, the more preferable.

そこで、本発明の一態様においては、金属酸化物108近傍の絶縁膜、具体的には、金属酸化物108の上方に形成される絶縁膜110及び金属酸化物108の下方に形成される絶縁膜104のいずれか一方または双方が、過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜104及び絶縁膜110のいずれか一方または双方から金属酸化物108へ酸素または過剰酸素を移動させることで、金属酸化物中の酸素欠損を低減することが可能となる。 Therefore, in one aspect of the present invention, the insulating film in the vicinity of the metal oxide 108, specifically, the insulating film 110 formed above the metal oxide 108 and the insulating film formed below the metal oxide 108. One or both of 104 are configured to contain excess oxygen. By moving oxygen or excess oxygen from either or both of the insulating film 104 and the insulating film 110 to the metal oxide 108, it is possible to reduce oxygen deficiency in the metal oxide.

金属酸化物108に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、金属酸化物108においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。 Impurities such as hydrogen or water mixed in the metal oxide 108 affect the transistor characteristics, which is a problem. Therefore, in the metal oxide 108, it is preferable that there are few impurities such as hydrogen and water.

なお、金属酸化物108としては、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い金属酸化物を用いることで、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金属酸化物は、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。従って、該金属酸化物にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、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金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が1×10μmでチャネル長が10μmの素子であっても、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。 As the metal oxide 108, it is preferable to use a metal oxide having a low impurity concentration and a low defect level density, because a transistor having excellent electrical characteristics can be produced. Here, a low impurity concentration and a low defect level density (less oxygen deficiency) is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. Metal oxides of high purity or substantially high purity can have a low carrier density due to the small number of carrier sources. Therefore, the transistor in which the channel formation region is formed in the metal oxide is unlikely to have an electrical characteristic (also referred to as normal on) in which the threshold voltage is negative. In addition, a metal oxide having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity may have a low trap level density because of its low defect level density. The metal oxide is a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic, the off current is extremely small, even the channel length a channel width of 1 × 10 6 μm is an element of 10 [mu] m, a source electrode and a drain electrode When the voltage between them (drain voltage) is in the range of 1 V to 10 V, the off current can be obtained in the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer or less, that is, 1 × 10 -13 A or less.

また、図5(A)(B)(C)に示すように、トランジスタ100は、絶縁膜116上の絶縁膜118と、絶縁膜116、118に設けられた開口部141aを介して、領域108nに電気的に接続される導電膜120aと、絶縁膜116、118に設けられた開口部141bを介して、領域108nに電気的に接続される導電膜120bと、を有していてもよい。 Further, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, the conductor 100 passes through the insulating film 118 on the insulating film 116 and the openings 141a provided in the insulating films 116, 118, and the region 108n. It may have a conductive film 120a electrically connected to the insulating film 116 and 118, and a conductive film 120b electrically connected to the region 108n via the openings 141b provided in the insulating films 116 and 118.

なお、本明細書等において、絶縁膜104を第1の絶縁膜と、絶縁膜110を第2の絶縁膜と、絶縁膜116を第3の絶縁膜と、絶縁膜118を第4の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、導電膜112は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜120aは、ソース電極としての機能を有し、導電膜120bは、ドレイン電極としての機能を有する。 In the present specification and the like, the insulating film 104 is the first insulating film, the insulating film 110 is the second insulating film, the insulating film 116 is the third insulating film, and the insulating film 118 is the fourth insulating film. , Each may be called. Further, the conductive film 112 has a function as a gate electrode, the conductive film 120a has a function as a source electrode, and the conductive film 120b has a function as a drain electrode.

また、絶縁膜110は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜110は、過剰酸素領域を有する。絶縁膜110が過剰酸素領域を有することで、金属酸化物108中に過剰酸素を供給することができる。よって、金属酸化物108中に形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, the insulating film 110 has a function as a gate insulating film. In addition, the insulating film 110 has an excess oxygen region. Since the insulating film 110 has an excess oxygen region, excess oxygen can be supplied into the metal oxide 108. Therefore, the oxygen deficiency that can be formed in the metal oxide 108 can be compensated by excess oxygen, so that a highly reliable semiconductor device can be provided.

なお、金属酸化物108中に過剰酸素を供給させるためには、金属酸化物108の下方に形成される絶縁膜104に過剰酸素を供給してもよい。この場合、絶縁膜104中に含まれる過剰酸素は、領域108nにも供給されうる。領域108n中に過剰酸素が供給されると、領域108n中の抵抗が高くなり、好ましくない。一方で、金属酸化物108の上方に形成される絶縁膜110に過剰酸素を有する構成とすることで、導電膜112と重畳する領域にのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。 In order to supply excess oxygen into the metal oxide 108, excess oxygen may be supplied to the insulating film 104 formed below the metal oxide 108. In this case, the excess oxygen contained in the insulating film 104 can also be supplied to the region 108n. If excess oxygen is supplied into the region 108n, the resistance in the region 108n becomes high, which is not preferable. On the other hand, by configuring the insulating film 110 formed above the metal oxide 108 to have excess oxygen, it is possible to selectively supply excess oxygen only to the region superimposing on the conductive film 112.

<2−2.半導体装置の構成要素>
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
<2-2. Components of semiconductor devices>
Next, the components included in the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail.

[基板]
基板102の材質など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102として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、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102として用いてもよい。なお、基板102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×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、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。
[substrate]
There are no major restrictions on the material of the substrate 102, but at least it must have heat resistance sufficient to withstand the subsequent heat treatment. For example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like may be used as the substrate 102. It is also possible to apply a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like, and a semiconductor element is provided on these substrates. May be used as the substrate 102. When a glass substrate is used as the substrate 102, the 6th generation (1500 mm × 1850 mm), the 7th generation (1870 mm × 2200 mm), the 8th generation (2200 mm × 2400 mm), the 9th generation (2400 mm × 2800 mm), and the 10th generation. By using a large-area substrate of a generation (2950 mm × 3400 mm) or the like, a large-sized display device can be manufactured.

また、基板102として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ100を形成してもよい。または、基板102とトランジスタ100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102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100は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate 102, and the transistor 100 may be formed directly on the flexible substrate. Alternatively, a release layer may be provided between the substrate 102 and the transistor 100. The release layer can be used for separating from the substrate 102 and reprinting it on another substrate after partially or completely completing the semiconductor device on the release layer. At that time, the transistor 100 can be reprinted on a substrate having poor heat resistance or a flexible substrate.

[第1の絶縁膜]
絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜104としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、金属酸化物108との界面特性を向上させるため、絶縁膜104において少なくとも金属酸化物108と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜104として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜104に含まれる酸素を、金属酸化物108に移動させることが可能である。
[First insulating film]
The insulating film 104 can be formed by appropriately using a sputtering method, a CVD method, a thin film deposition method, a pulse laser deposition (PLD) method, a printing method, a coating method, or the like. Further, as the insulating film 104, for example, an oxide insulating film or a nitride insulating film can be formed as a single layer or laminated. In order to improve the interface characteristics with the metal oxide 108, it is preferable that at least the region of the insulating film 104 in contact with the metal oxide 108 is formed of the oxide insulating film. Further, by using an oxide insulating film that releases oxygen by heating as the insulating film 104, oxygen contained in the insulating film 104 can be transferred to the metal oxide 108 by heat treatment.

絶縁膜104の厚さは、50nm以上、または100nm以上3000nm以下、または200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁膜104を厚くすることで、絶縁膜104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜104と金属酸化物108との界面における界面準位、並びに金属酸化物108に含まれる酸素欠損を低減することが可能である。 The thickness of the insulating film 104 can be 50 nm or more, 100 nm or more and 3000 nm or less, or 200 nm or more and 1000 nm or less. By thickening the insulating film 104, the amount of oxygen released from the insulating film 104 can be increased, the interface state at the interface between the insulating film 104 and the metal oxide 108, and the oxygen deficiency contained in the metal oxide 108. Can be reduced.

絶縁膜104として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜104として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁膜104を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、金属酸化物108中に効率よく酸素を導入することができる。 As the insulating film 104, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, Ga-Zn oxide, or the like may be used, and the insulating film 104 may be provided as a single layer or laminated. In the present embodiment, a laminated structure of a silicon nitride film and a silicon oxide film is used as the insulating film 104. As described above, by using the insulating film 104 as a laminated structure, using the silicon nitride film on the lower layer side, and using the silicon oxide nitride film on the upper layer side, oxygen can be efficiently introduced into the metal oxide 108.

[導電膜]
ゲート電極として機能する導電膜112、ソース電極として機能する導電膜120a、ドレイン電極として機能する導電膜120bとしては、クロム(Cr)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)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それぞれ形成することができる。
[Conducting film]
The conductive film 112 that functions as a gate electrode, the conductive film 120a that functions as a source electrode, and the conductive film 120b that functions as a drain electrode include chromium (Cr), copper (Cu), aluminum (Al), gold (Au), and silver. Select from (Ag), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co). It can be formed by using the above-mentioned metal element, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like.

また、導電膜112、120a、120bには、インジウムと錫とを有する酸化物(In−Sn酸化物)、インジウムとタングステンとを有する酸化物(In−W酸化物)、インジウムとタングステンと亜鉛とを有する酸化物(In−W−Zn酸化物)、インジウムとチタンとを有する酸化物(In−Ti酸化物)、インジウムとチタンと錫とを有する酸化物(In−Ti−Sn酸化物)、インジウムと亜鉛とを有する酸化物(In−Zn酸化物)、インジウムと錫とシリコンとを有する酸化物(In−Sn−Si酸化物)、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物(In−Ga−Zn酸化物)等の酸化物導電体または金属酸化物を適用することもできる。 Further, the conductive films 112, 120a and 120b include an oxide having indium and tin (In-Sn oxide), an oxide having indium and tungsten (In-W oxide), and indium, tungsten and zinc. Oxide having (In-W-Zn oxide), oxide having indium and titanium (In-Ti oxide), oxide having indium, titanium and tin (In-Ti-Sn oxide), Oxide having indium and zinc (In-Zn oxide), oxide having indium, tin and silicon (In-Sn-Si oxide), oxide having indium, gallium and zinc (In-Ga) Indium conductors such as −Zn oxide) or metal oxides can also be applied.

ここで、酸化物導電体について説明を行う。本明細書等において、酸化物導電体をOC(OxideConductor)と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、金属酸化物に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、金属酸化物は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された金属酸化物を、酸化物導電体ということができる。一般に、金属酸化物は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する金属酸化物である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して金属酸化物と同程度の透光性を有する。 Here, the oxide conductor will be described. In the present specification and the like, the oxide conductor may be referred to as OC (Oxide Controller). As the oxide conductor, for example, when an oxygen deficiency is formed in a metal oxide and hydrogen is added to the oxygen deficiency, a donor level is formed in the vicinity of the conduction band. As a result, the metal oxide becomes highly conductive and becomes a conductor. A metal oxide that has been made into a conductor can be called an oxide conductor. In general, metal oxides have a large energy gap and therefore have translucency with respect to visible light. On the other hand, the oxide conductor is a metal oxide having a donor level near the conduction band. Therefore, the oxide conductor is less affected by absorption by the donor level and has the same level of translucency as the metal oxide with respect to visible light.

特に、導電膜112に上述の酸化物導電体を用いると、絶縁膜110中に過剰酸素を添加することができるので好適である。 In particular, it is preferable to use the above-mentioned oxide conductor for the conductive film 112 because excess oxygen can be added to the insulating film 110.

また、導電膜112、120a、120bには、Cu−X合金膜(Xは、Mn、Ni、Cr、Fe、Co、Mo、Ta、またはTi)を適用してもよい。Cu−X合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。 Further, a Cu—X alloy film (X is Mn, Ni, Cr, Fe, Co, Mo, Ta, or Ti) may be applied to the conductive films 112, 120a, 120b. By using the Cu—X alloy film, it can be processed by a wet etching process, so that the manufacturing cost can be suppressed.

また、導電膜112、120a、120bには、上述の金属元素の中でも、特にチタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有すると好適である。特に、導電膜112、120a、120bとしては、窒化タンタル膜を用いると好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅または水素に対して、高いバリア性を有する。また、窒化タンタル膜は、さらに自身からの水素の放出が少ないため、金属酸化物108と接する導電膜、または金属酸化物108の近傍の導電膜として、好適に用いることができる。 Further, it is preferable that the conductive films 112, 120a and 120b have one or more of the above-mentioned metal elements, particularly selected from titanium, tungsten, tantalum and molybdenum. In particular, it is preferable to use a tantalum nitride film as the conductive films 112, 120a and 120b. The tantalum nitride film has conductivity and has a high barrier property against copper or hydrogen. Further, since the tantalum nitride film emits less hydrogen from itself, it can be suitably used as a conductive film in contact with the metal oxide 108 or a conductive film in the vicinity of the metal oxide 108.

また、導電膜112、120a、120bを、無電解めっき法により形成することができる。当該無電解めっき法により形成できる材料としては、例えば、Cu、Ni、Al、Au、Sn、Co、Ag、及びPdの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を用いることが可能である。特に、CuまたはAgを用いると、導電膜の抵抗を低くすることができるため、好適である。 Further, the conductive films 112, 120a and 120b can be formed by an electroless plating method. As the material that can be formed by the electroless plating method, for example, any one or a plurality selected from Cu, Ni, Al, Au, Sn, Co, Ag, and Pd can be used. In particular, Cu or Ag is preferable because the resistance of the conductive film can be lowered.

[第2の絶縁膜]
トランジスタ100のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜110としては、プラズマ化学気相堆積(PECVD:(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition))法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁膜110を、2層の積層構造または3層以上の積層構造としてもよい。
[Second insulating film]
The insulating film 110 that functions as the gate insulating film of the transistor 100 includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon nitride film, and silicon nitride by a plasma chemical vapor deposition (PECVD: (PlasmaEnchantedChemicalVaporDeposition)) method, a sputtering method, or the like. Use an insulating layer containing at least one film, aluminum oxide film, hafnium oxide film, yttrium oxide film, zirconium oxide film, gallium oxide film, tantalum oxide film, magnesium oxide film, lanthanum oxide film, cerium oxide film and neodymium oxide film. Can be done. The insulating film 110 may have a two-layer laminated structure or a three-layer or more laminated structure.

また、トランジスタ100のチャネル形成領域として機能する金属酸化物108と接する絶縁膜110は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域(過剰酸素領域)を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜110は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜110に過剰酸素領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜110を形成する、もしくは成膜後の絶縁膜110を酸素雰囲気下で熱処理すればよい。 Further, the insulating film 110 in contact with the metal oxide 108 that functions as the channel forming region of the transistor 100 is preferably an oxide insulating film, and is a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition (excess oxygen region). ) Is more preferable. In other words, the insulating film 110 is an insulating film capable of releasing oxygen. In order to provide the excess oxygen region in the insulating film 110, for example, the insulating film 110 may be formed in an oxygen atmosphere, or the insulating film 110 after film formation may be heat-treated in an oxygen atmosphere.

また、絶縁膜110として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜110の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。 Further, when hafnium oxide is used as the insulating film 110, the following effects are obtained. Hafnium oxide has a higher relative permittivity than silicon oxide and silicon nitride. Therefore, since the film thickness of the insulating film 110 can be increased as compared with the case where silicon oxide is used, the leakage current due to the tunnel current can be reduced. That is, a transistor having a small off-current can be realized. Further, hafnium oxide having a crystal structure has a higher relative permittivity than hafnium oxide having an amorphous structure. Therefore, in order to obtain a transistor having a small off-current, it is preferable to use hafnium oxide having a crystal structure. Examples of the crystal structure include a monoclinic system and a cubic system. However, one aspect of the present invention is not limited to these.

また、絶縁膜110は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法(ESR:ElectronSpinResonance)で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、g値が2.001に観察されるE’センターが挙げられる。なお、E’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁膜110としては、E’センター起因のスピン密度が、3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm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用いればよい。 Further, the insulating film 110 preferably has few defects, and typically, it is preferable that the insulating film 110 has few signals observed by an electron spin resonance method (ESR: Electron Spin Resolution). For example, the signal described above includes the E'center where the g value is observed at 2.001. The E'center is due to the dangling bond of silicon. As the insulating film 110, a silicon oxide film or a silicon nitride film having an E'center-induced spin density of 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less may be used. Good.

[金属酸化物]
金属酸化物108としては、先に示す金属酸化物を用いることができる。
[Metal oxide]
As the metal oxide 108, the metal oxide shown above can be used.

<原子数比>
以下に、図15(A)、図15(B)、および図15(C)を用いて、本発明に係る金属酸化物が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図15(A)、図15(B)、および図15(C)には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。
<Atomic number ratio>
Hereinafter, a preferable range of atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide according to the present invention will be described with reference to FIGS. 15 (A), 15 (B), and 15 (C). .. Note that FIGS. 15 (A), 15 (B), and 15 (C) do not describe the atomic number ratio of oxygen. Further, the respective terms of the atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide are [In], [M], and [Zn].

図15(A)、図15(B)、および図15(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。 In FIGS. 15 (A), 15 (B), and 15 (C), the broken line indicates the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line where (-1 ≤ α ≤ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): Line where the atomic number ratio is 2, [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): A line having an atomic number ratio of 3, [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): 4 atomic numbers It represents a line having a ratio and a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるラインを表す。 The one-point chain line is a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: β (β ≧ 0), [In]: [M]: [Zn] = 2: Line with an atomic number ratio of 1: β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: Line with an atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: A line with an atomic number ratio of 2: β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: a line with an atomic number ratio of β, and [In]: [M]: [Zn] = 1 : Represents a line having an atomic number ratio of 4: β.

また、図15(A)、図15(B)、および図15(C)に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。 Further, the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1 and its vicinity values shown in FIGS. 15 (A), 15 (B), and 15 (C). Metal oxides tend to have a spinel-type crystal structure.

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=1:0:0の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。 In addition, a plurality of phases may coexist in the metal oxide (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, when the atomic number ratio is a neighborhood value of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel-type crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. Further, when the atomic number ratio is a neighborhood value of [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, two phases of a big bite-type crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. When a plurality of phases coexist in a metal oxide, grain boundaries may be formed between different crystal structures.

図15(A)に示す領域Aは、金属酸化物が有する、インジウム、元素M、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 The region A shown in FIG. 15 (A) shows an example of a preferable range of atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide.

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。 By increasing the content of indium in the metal oxide, the carrier mobility (electron mobility) of the metal oxide can be increased. Therefore, a metal oxide having a high indium content has a higher carrier mobility than a metal oxide having a low indium content.

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、およびその近傍値である場合(例えば図15(C)に示す領域C)は、絶縁性が高くなる。 On the other hand, when the content of indium and zinc in the metal oxide is low, the carrier mobility is low. Therefore, when the atomic number ratio is [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and its neighboring values (for example, region C shown in FIG. 15C), the insulating property is high. ..

従って、本発明の一態様の金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図15(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。 Therefore, the metal oxide of one aspect of the present invention preferably has a high carrier mobility and an atomic number ratio shown in region A of FIG. 15 (A).

特に、図15(B)に示す領域Bでは、領域Aの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。 In particular, in the region B shown in FIG. 15B, an excellent metal oxide having high carrier mobility and high reliability can be obtained even in the region A.

なお、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。また、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=5:1:6、およびその近傍値、および[In]:[M]:[Zn]=5:1:7、およびその近傍値を含む。 The region B includes [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1, and values in the vicinity thereof. The neighborhood value includes, for example, [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. Further, the region B includes [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 6 and its neighboring values, and [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 7 and its vicinity. Includes neighborhood values.

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 The properties of metal oxides are not uniquely determined by the atomic number ratio. Even if the atomic number ratio is the same, the properties of the metal oxide may differ depending on the formation conditions. For example, when a metal oxide is formed by a sputtering apparatus, a film having an atomic number ratio deviating from the target atomic number ratio is formed. Further, depending on the substrate temperature at the time of film formation, the film [Zn] may be smaller than the target [Zn]. Therefore, the region shown is a region showing an atomic number ratio in which the metal oxide tends to have a specific property, and the boundary between the regions A and C is not strict.

また、金属酸化物108が、In−M−Zn酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のIn−M−Zn酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物108の原子数比は、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。例えば、金属酸化物108に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物108の組成は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の近傍となる場合がある。また、金属酸化物108に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=5:1:7[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物108の組成は、In:Ga:Zn=5:1:6[原子数比]の近傍となる場合がある。 When the metal oxide 108 is an In-M-Zn oxide, it is preferable to use a target containing a polycrystalline In-M-Zn oxide as the sputtering target. The atomic number ratio of the metal oxide 108 to be formed includes a variation of plus or minus 40% of the atomic number ratio of the metal element contained in the sputtering target. For example, when the composition of the sputtering target used for the metal oxide 108 is In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio], the composition of the metal oxide 108 to be formed is In: Ga :. It may be in the vicinity of Zn = 4: 2: 3 [atomic number ratio]. When the composition of the sputtering target used for the metal oxide 108 is In: Ga: Zn = 5: 1: 7 [atomic number ratio], the composition of the metal oxide 108 to be formed is In: Ga: Zn =. It may be in the vicinity of 5: 1: 6 [atomic number ratio].

また、金属酸化物108は、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上である。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタ100のオフ電流を低減することができる。 Further, the metal oxide 108 has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using the metal oxide having a wide energy gap, the off-current of the transistor 100 can be reduced.

また、金属酸化物108は、非単結晶構造であると好ましい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高い。 Further, the metal oxide 108 preferably has a non-single crystal structure. Non-single crystal structures include, for example, CAAC-OS, polycrystalline, microcrystalline, or amorphous structures described below. Among the non-single crystal structures, the amorphous structure has the highest defect level density.

[第3の絶縁膜]
絶縁膜116は、窒素または水素を有する。絶縁膜116としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜116に含まれる水素濃度は、1×1022atoms/cm以上であると好ましい。また、絶縁膜116は、金属酸化物108の領域108nと接する。したがって、絶縁膜116と接する領域108n中の不純物(窒素または水素)濃度が高くなり、領域108nのキャリア密度を高めることができる。
[Third insulating film]
The insulating film 116 has nitrogen or hydrogen. Examples of the insulating film 116 include a nitride insulating film. The nitride insulating film can be formed by using silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride nitride, or the like. The hydrogen concentration contained in the insulating film 116 is preferably 1 × 10 22 atoms / cm 3 or more. Further, the insulating film 116 is in contact with the region 108n of the metal oxide 108. Therefore, the concentration of impurities (nitrogen or hydrogen) in the region 108n in contact with the insulating film 116 increases, and the carrier density in the region 108n can be increased.

[第4の絶縁膜]
絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。絶縁膜118として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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酸化物などを用いればよい。
[Fourth insulating film]
An oxide insulating film can be used as the insulating film 118. Further, as the insulating film 118, a laminated film of an oxide insulating film and a nitride insulating film can be used. As the insulating film 118, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, Ga-Zn oxide, or the like may be used.

また、絶縁膜118としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。 Further, the insulating film 118 is preferably a film that functions as a barrier film for hydrogen, water, etc. from the outside.

絶縁膜118の厚さは、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。 The thickness of the insulating film 118 can be 30 nm or more and 500 nm or less, or 100 nm or more and 400 nm or less.

<2−3.トランジスタの構成例2>
次に、図5(A)(B)(C)に示すトランジスタと異なる構成について、図6(A)(B)(C)を用いて説明する。
<2-3. Transistor configuration example 2>
Next, a configuration different from the transistors shown in FIGS. 5A, 5B, and 6C will be described with reference to FIGS. 6A, 6B, and 6C.

図6(A)は、トランジスタ150の上面図であり、図6(B)は図6(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図6(C)は図6(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 6 (A) is a top view of the transistor 150, FIG. 6 (B) is a cross-sectional view between the alternate long and short dash lines X1-X2 of FIG. 6 (A), and FIG. 6 (C) is FIG. 6 (A). It is sectional drawing between one-dot chain line Y1-Y2.

図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150は、基板102上の導電膜106と、導電膜106上の絶縁膜104と、絶縁膜104上の金属酸化物108と、金属酸化物108上の絶縁膜110と、絶縁膜110上の導電膜112と、絶縁膜104、金属酸化物108、及び導電膜112上の絶縁膜116と、を有する。 The transistors 150 shown in FIGS. 6 (A), (B) and (C) have a conductive film 106 on the substrate 102, an insulating film 104 on the conductive film 106, a metal oxide 108 on the insulating film 104, and a metal oxide. It has an insulating film 110 on the 108, a conductive film 112 on the insulating film 110, an insulating film 104, a metal oxide 108, and an insulating film 116 on the conductive film 112.

なお、金属酸化物108は、図5(A)(B)(C)に示すトランジスタ100と同様の構成である。図6(A)(B)(C)に示す、トランジスタ150は、先に示すトランジスタ100の構成に加え、導電膜106と、開口部143と、を有する。 The metal oxide 108 has the same configuration as the transistor 100 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C. The transistor 150 shown in FIGS. 6 (A), (B) and (C) has a conductive film 106 and an opening 143 in addition to the configuration of the transistor 100 shown above.

開口部143は、絶縁膜104、110に設けられる。また、導電膜106は、開口部143を介して、導電膜112と、電気的に接続される。よって、導電膜106と導電膜112には、同じ電位が与えられる。なお、開口部143を設けずに、導電膜106と、導電膜112と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部143を設けずに、導電膜106を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜106を遮光性の材料により形成することで、第2の領域108iに照射される下方からの光を抑制することができる。 The opening 143 is provided in the insulating films 104 and 110. Further, the conductive film 106 is electrically connected to the conductive film 112 via the opening 143. Therefore, the same potential is applied to the conductive film 106 and the conductive film 112. It should be noted that different potentials may be applied to the conductive film 106 and the conductive film 112 without providing the opening 143. Alternatively, the conductive film 106 may be used as a light-shielding film without providing the opening 143. For example, by forming the conductive film 106 with a light-shielding material, it is possible to suppress the light from below that irradiates the second region 108i.

また、トランジスタ150の構成とする場合、導電膜106は、第1のゲート電極(ボトムゲート電極ともいう)としての機能を有し、導電膜112は、第2のゲート電極(トップゲート電極ともいう)としての機能を有する。また、絶縁膜104は、第1のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜110は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 Further, in the case of the configuration of the transistor 150, the conductive film 106 has a function as a first gate electrode (also referred to as a bottom gate electrode), and the conductive film 112 has a second gate electrode (also referred to as a top gate electrode). ). Further, the insulating film 104 has a function as a first gate insulating film, and the insulating film 110 has a function as a second gate insulating film.

導電膜106としては、先に記載の導電膜112、120a、120bと同様の材料を用いることができる。特に導電膜106として、銅を含む材料により形成することで抵抗を低くすることができるため好適である。例えば、導電膜106を窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とし、導電膜120a、120bを窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とすると好適である。この場合、トランジスタ150を表示装置の画素トランジスタ及び駆動トランジスタのいずれか一方または双方に用いることで、導電膜106と導電膜120aとの間に生じる寄生容量、及び導電膜106と導電膜120bとの間に生じる寄生容量を低くすることができる。したがって、導電膜106、導電膜120a、及び導電膜120bを、トランジスタ150の第1のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として用いるのみならず、表示装置の電源供給用の配線、信号供給用の配線、または接続用の配線等に用いる事も可能となる。 As the conductive film 106, the same materials as those of the conductive films 112, 120a and 120b described above can be used. In particular, the conductive film 106 is preferably formed of a material containing copper because the resistance can be lowered. For example, the conductive film 106 has a laminated structure in which a copper film is provided on a titanium nitride film, a tantalum nitride film, or a tungsten film, and the conductive films 120a and 120b are provided with a copper film on a titanium nitride film, a tantalum nitride film, or a tungsten film. A laminated structure is preferable. In this case, by using the transistor 150 for either one or both of the pixel transistor and the drive transistor of the display device, the parasitic capacitance generated between the conductive film 106 and the conductive film 120a, and the conductive film 106 and the conductive film 120b The parasitic capacitance generated between them can be reduced. Therefore, the conductive film 106, the conductive film 120a, and the conductive film 120b are used not only as the first gate electrode, the source electrode, and the drain electrode of the transistor 150, but also for wiring for power supply of the display device and for signal supply. It can also be used for wiring or wiring for connection.

このように、図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150は、先に説明したトランジスタ100と異なり、金属酸化物108の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ150に示すように、本発明の一態様の半導体装置には、複数のゲート電極を設けてもよい。 As described above, the transistor 150 shown in FIGS. 6 (A), (B), and (C) has a structure having a conductive film that functions as a gate electrode above and below the metal oxide 108, unlike the transistor 100 described above. As shown in the transistor 150, the semiconductor device of one aspect of the present invention may be provided with a plurality of gate electrodes.

また、図6(B)(C)に示すように、金属酸化物108は、第1のゲート電極として機能する導電膜106と、第2のゲート電極として機能する導電膜112のそれぞれと対向するように位置し、2つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。 Further, as shown in FIGS. 6B and 6C, the metal oxide 108 faces each of the conductive film 106 that functions as the first gate electrode and the conductive film 112 that functions as the second gate electrode. It is sandwiched between two conductive films that function as gate electrodes.

また、導電膜112のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物108のチャネル幅方向の長さよりも長く、金属酸化物108のチャネル幅方向全体は、絶縁膜110を間に挟んで導電膜112に覆われている。また、導電膜112と導電膜106とは、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられる開口部143において接続されるため、金属酸化物108のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜110を間に挟んで導電膜112と対向している。 Further, the length of the conductive film 112 in the channel width direction is longer than the length of the metal oxide 108 in the channel width direction, and the entire length of the metal oxide 108 in the channel width direction sandwiches the insulating film 110 in between. It is covered with. Further, since the conductive film 112 and the conductive film 106 are connected by the insulating film 104 and the opening 143 provided in the insulating film 110, one of the side surfaces of the metal oxide 108 in the channel width direction has the insulating film 110. It faces the conductive film 112 with a gap between them.

別言すると、導電膜106及び導電膜112は、絶縁膜104、110に設けられる開口部143において接続され、且つ金属酸化物108の側端部よりも外側に位置する領域を有する。 In other words, the conductive film 106 and the conductive film 112 have a region connected at the opening 143 provided in the insulating films 104 and 110 and located outside the side end portion of the metal oxide 108.

このような構成を有することで、トランジスタ150に含まれる金属酸化物108を、第1のゲート電極として機能する導電膜106及び第2のゲート電極として機能する導電膜112の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ150のように、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域が形成される金属酸化物108を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をSurroundedchannel(S−channel)構造と呼ぶことができる。 With such a configuration, the metal oxide 108 contained in the transistor 150 is electrically surrounded by the electric fields of the conductive film 106 that functions as the first gate electrode and the conductive film 112 that functions as the second gate electrode. be able to. Like the transistor 150, the device structure of the transistor that electrically surrounds the metal oxide 108 in which the channel forming region is formed by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a Surrounded channel (S-channel) structure. Can be called.

トランジスタ150は、S−channel構造を有するため、導電膜106または導電膜112によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化物108に印加することができるため、トランジスタ150の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ150を微細化することが可能となる。また、トランジスタ150の金属酸化物108は、導電膜106、及び導電膜112によって取り囲まれた構造を有するため、トランジスタ150の機械的強度を高めることができる。 Since the transistor 150 has an S-channel structure, an electric field for inducing a channel by the conductive film 106 or the conductive film 112 can be effectively applied to the metal oxide 108, so that the current driving capability of the transistor 150 can be increased. It is possible to improve and obtain high on-current characteristics. Further, since the on-current can be increased, the transistor 150 can be miniaturized. Further, since the metal oxide 108 of the transistor 150 has a structure surrounded by the conductive film 106 and the conductive film 112, the mechanical strength of the transistor 150 can be increased.

なお、トランジスタ150のチャネル幅方向において、金属酸化物108の開口部143が形成されていない側に、開口部143と異なる開口部を形成してもよい。 In the channel width direction of the transistor 150, an opening different from the opening 143 may be formed on the side where the opening 143 of the metal oxide 108 is not formed.

また、トランジスタ150に示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には信号Bが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Vaが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。 Further, as shown in the transistor 150, when the transistor has a pair of gate electrodes existing with a semiconductor film in between, a signal A is sent to one gate electrode and a fixed potential is attached to the other gate electrode. Vb may be given. Further, a signal A may be given to one gate electrode and a signal B may be given to the other gate electrode. Further, a fixed potential Va may be given to one gate electrode, and a fixed potential Vb may be given to the other gate electrode.

信号Aは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Aは、電位V1、または電位V2(V1>V2とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V1を高電源電位とし、電位V2を低電源電位とすることができる。信号Aは、アナログ信号であってもよい。 The signal A is, for example, a signal for controlling a conductive state or a non-conducting state. The signal A may be a digital signal having two types of potentials, the potential V1 and the potential V2 (V1> V2). For example, the potential V1 can be a high power supply potential and the potential V2 can be a low power supply potential. The signal A may be an analog signal.

固定電位Vbは、例えば、トランジスタのしきい値電圧VthAを制御するための電位である。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2であってもよい。この場合、固定電位Vbを生成するための電位発生回路を、別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2と異なる電位であってもよい。固定電位Vbを低くすることで、しきい値電圧VthAを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Vgsが0Vのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で、固定電位Vbを高くすることで、しきい値電圧VthAを低くできる場合がある。その結果、ゲート−ソース間電圧Vgsが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも高くしてもよい。 The fixed potential Vb is, for example, a potential for controlling the threshold voltage VthA of the transistor. The fixed potential Vb may be the potential V1 or the potential V2. In this case, it is not necessary to separately provide a potential generation circuit for generating a fixed potential Vb, which is preferable. The fixed potential Vb may be a potential different from the potential V1 or the potential V2. By lowering the fixed potential Vb, the threshold voltage VthA may be increased. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is 0V may be reduced, and the leakage current of the circuit having the transistor may be reduced. For example, the fixed potential Vb may be lower than the low power supply potential. On the other hand, the threshold voltage VthA may be lowered by increasing the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is a high power supply potential can be improved, and the operating speed of the circuit having a transistor may be improved. For example, the fixed potential Vb may be higher than the low power supply potential.

信号Bは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Bは、電位V3、または電位V4(V3>V4とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V3を高電源電位とし、電位V4を低電源電位とすることができる。信号Bは、アナログ信号であってもよい。 The signal B is, for example, a signal for controlling a conductive state or a non-conducting state. The signal B may be a digital signal having two types of potentials, the potential V3 or the potential V4 (V3> V4). For example, the potential V3 can be a high power supply potential and the potential V4 can be a low power supply potential. The signal B may be an analog signal.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Aにおける電位V1及び電位V2は、信号Bにおける電位V3及び電位V4と、異なっていても良い。例えば、信号Bが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜が、信号Aが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜よりも厚い場合、信号Bの電位振幅(V3−V4)を、信号Aの電位振幅(V1−V2)より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非導通状態に対して、信号Aが与える影響と、信号Bが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having the same digital value as the signal A. In this case, the on-current of the transistor may be improved, and the operating speed of the circuit having the transistor may be improved. At this time, the potentials V1 and V2 in the signal A may be different from the potentials V3 and V4 in the signal B. For example, when the gate insulating film corresponding to the gate to which the signal B is input is thicker than the gate insulating film corresponding to the gate to which the signal A is input, the potential amplitude (V3-V4) of the signal B is set to the signal A. It may be larger than the potential amplitude (V1-V2). By doing so, the influence of the signal A and the influence of the signal B on the conducting state or the non-conducting state of the transistor may be made comparable.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、信号Aが電位V1であり、かつ、信号Bが電位V3である場合のみ導通状態となる場合や、信号Aが電位V2であり、かつ、信号Bが電位V4である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでNAND回路やNOR回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Bは、しきい値電圧VthAを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Bは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Bは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Bは信号Aほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having a digital value different from that of the signal A. In this case, the transistor can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized. For example, when the transistor is an n-channel type, the conduction state is obtained only when the signal A has the potential V1 and the signal B has the potential V3, or the signal A has the potential V2 and the signal B has the potential V2. When the non-conducting state occurs only when the potential is V4, it may be possible to realize functions such as a NAND circuit and a NOR circuit with one transistor. Further, the signal B may be a signal for controlling the threshold voltage VthA. For example, the signal B may be a signal having different potentials depending on the period during which the circuit having the transistor is operating and the period during which the circuit is not operating. The signal B may be a signal having a different potential according to the operation mode of the circuit. In this case, the potential of the signal B may not switch as frequently as the signal A.

信号Aと信号Bが共にアナログ信号である場合、信号Bは、信号Aと同じ電位のアナログ信号、信号Aの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Aの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Bは、信号Aと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。 When both signal A and signal B are analog signals, signal B is an analog signal having the same potential as signal A, an analog signal obtained by multiplying the potential of signal A by a constant, or the potential of signal A added or subtracted by a constant. It may be an analog signal or the like. In this case, the on-current of the transistor may be improved, and the operating speed of the circuit having the transistor may be improved. The signal B may be an analog signal different from the signal A. In this case, the transistor can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized.

信号Aがデジタル信号であり、信号Bがアナログ信号であってもよい。または信号Aがアナログ信号であり、信号Bがデジタル信号であってもよい。 The signal A may be a digital signal and the signal B may be an analog signal. Alternatively, the signal A may be an analog signal and the signal B may be a digital signal.

トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。 When a fixed potential is applied to both gate electrodes of a transistor, the transistor may be able to function as an element equivalent to a resistance element. For example, when the transistor is an n-channel type, the effective resistance of the transistor may be lowered (high) by raising (lowering) the fixed potential Va or the fixed potential Vb. By increasing (lowering) both the fixed potential Va and the fixed potential Vb, an effective resistance lower (higher) than the effective resistance obtained by a transistor having only one gate may be obtained.

なお、トランジスタ150のその他の構成は、先に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。 The other configurations of the transistor 150 are the same as those of the transistor 100 shown above, and the same effect is obtained.

また、トランジスタ150上にさらに、絶縁膜を形成してもよい。図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150は、導電膜120a、120b、及び絶縁膜118上に絶縁膜122を有する。 Further, an insulating film may be further formed on the transistor 150. The transistor 150 shown in FIGS. 6A, 6B, and C has an insulating film 122 on the conductive films 120a, 120b, and the insulating film 118.

絶縁膜122は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜122としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。 The insulating film 122 has a function of flattening irregularities and the like caused by transistors and the like. The insulating film 122 may be insulating, and is formed by using an inorganic material or an organic material. Examples of the inorganic material include a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon nitride film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, and an aluminum nitride film. Examples of the organic material include a photosensitive resin material such as an acrylic resin or a polyimide resin.

<2−4.トランジスタの構成例3>
次に、図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150と異なる構成について、図7を用いて説明する。
<2-4. Transistor configuration example 3>
Next, a configuration different from the transistor 150 shown in FIGS. 6 (A), (B), and (C) will be described with reference to FIG. 7.

図7(A)(B)は、トランジスタ160の断面図である。なお、トランジスタ160の上面図としては、図6(A)に示すトランジスタ150と同様であるため、ここでの説明は省略する。 7 (A) and 7 (B) are cross-sectional views of the transistor 160. Since the top view of the transistor 160 is the same as that of the transistor 150 shown in FIG. 6A, the description thereof is omitted here.

図7(A)(B)に示すトランジスタ160は、導電膜112の積層構造、導電膜112の形状、及び絶縁膜110の形状がトランジスタ150と異なる。 The transistor 160 shown in FIGS. 7A and 7B is different from the transistor 150 in the laminated structure of the conductive film 112, the shape of the conductive film 112, and the shape of the insulating film 110.

トランジスタ160の導電膜112は、絶縁膜110上の導電膜112_1と、導電膜112_1上の導電膜112_2と、を有する。例えば、導電膜112_1として、酸化物導電膜を用いることにより、絶縁膜110に過剰酸素を添加することができる。上記酸化物導電膜としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて形成すればよい。また、上記酸化物導電膜としては、例えば、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等が挙げられる。 The conductive film 112 of the transistor 160 has a conductive film 112_1 on the insulating film 110 and a conductive film 112_2 on the conductive film 112_1. For example, by using an oxide conductive film as the conductive film 112_1, excess oxygen can be added to the insulating film 110. The oxide conductive film may be formed in an atmosphere containing oxygen gas by using a sputtering method. Examples of the oxide conductive film include an oxide having indium and tin, an oxide having tungsten and indium, an oxide having tungsten, indium and zinc, and an oxide having titanium and indium. Examples thereof include oxides having titanium, indium and tin, oxides having indium and zinc, oxides having silicon, indium and tin, and oxides having indium, gallium and zinc.

また、図7(B)に示すように、開口部143において、導電膜112_2と、導電膜106とが接続される。開口部143を形成する際に、導電膜112_1となる導電膜を形成した後、開口部143を形成することで、図7(B)に示す形状とすることができる。導電膜112_1に酸化物導電膜を適用した場合、導電膜112_2と、導電膜106とが接続される構成とすることで、導電膜112と導電膜106との接続抵抗を低くすることができる。 Further, as shown in FIG. 7B, the conductive film 112_2 and the conductive film 106 are connected at the opening 143. When the opening 143 is formed, the shape shown in FIG. 7B can be obtained by forming the conductive film to be the conductive film 112_1 and then forming the opening 143. When the oxide conductive film is applied to the conductive film 112_1, the connection resistance between the conductive film 112 and the conductive film 106 can be lowered by configuring the conductive film 112_2 and the conductive film 106 to be connected to each other.

また、トランジスタ160の導電膜112及び絶縁膜110は、テーパー形状である。より具体的には、導電膜112の下端部は、導電膜112の上端部よりも外側に形成される。また、絶縁膜110の下端部は、絶縁膜110の上端部よりも外側に形成される。また、導電膜112の下端部は、絶縁膜110の上端部と概略同じ位置に形成される。 Further, the conductive film 112 and the insulating film 110 of the transistor 160 have a tapered shape. More specifically, the lower end portion of the conductive film 112 is formed outside the upper end portion of the conductive film 112. Further, the lower end portion of the insulating film 110 is formed outside the upper end portion of the insulating film 110. Further, the lower end portion of the conductive film 112 is formed at substantially the same position as the upper end portion of the insulating film 110.

トランジスタ160の導電膜112及び絶縁膜110をテーパー形状とすることで、トランジスタ160の導電膜112及び絶縁膜110が矩形の場合と比較し、絶縁膜116の被覆性を高めることができるため好適である。 By forming the conductive film 112 and the insulating film 110 of the transistor 160 into a tapered shape, the coverage of the insulating film 116 can be improved as compared with the case where the conductive film 112 and the insulating film 110 of the transistor 160 are rectangular, which is preferable. is there.

なお、トランジスタ160のその他の構成は、先に示すトランジスタ150と同様であり、同様の効果を奏する。 The other configurations of the transistor 160 are the same as those of the transistor 150 shown above, and the same effect is obtained.

<2−5.半導体装置の作製方法>
次に、図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150の作製方法の一例について、図8乃至図10を用いて説明する。なお、図8乃至図10は、トランジスタ150の作製方法を説明するチャネル長方向、及びチャネル幅方向の断面図である。
<2-5. Manufacturing method of semiconductor device>
Next, an example of the method for manufacturing the transistor 150 shown in FIGS. 6 (A), (B), and (C) will be described with reference to FIGS. 8 to 10. 8 to 10 are cross-sectional views in the channel length direction and the channel width direction for explaining the method for manufacturing the transistor 150.

まず、基板102上に導電膜106を形成する。次に、基板102、及び導電膜106上に絶縁膜104を形成し、絶縁膜104上に金属酸化物膜を形成する。その後、金属酸化物膜を島状に加工することで、金属酸化物108aを形成する(図8(A)参照)。 First, the conductive film 106 is formed on the substrate 102. Next, the insulating film 104 is formed on the substrate 102 and the conductive film 106, and the metal oxide film is formed on the insulating film 104. Then, the metal oxide film is processed into an island shape to form the metal oxide 108a (see FIG. 8 (A)).

導電膜106としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜106として、スパッタリング装置を用い、厚さ50nmのタングステン膜と、厚さ400nmの銅膜との積層膜を形成する。 The conductive film 106 can be formed by selecting the material described above. In the present embodiment, a sputtering device is used as the conductive film 106 to form a laminated film of a tungsten film having a thickness of 50 nm and a copper film having a thickness of 400 nm.

なお、導電膜106となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜106を形成する。 As a method for processing the conductive film to be the conductive film 106, either one or both of the wet etching method and the dry etching method may be used. In the present embodiment, the copper film is etched by the wet etching method, and then the tungsten film is etched by the dry etching method to process the conductive film to form the conductive film 106.

絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態においては、絶縁膜104として、PECVD装置を用い、厚さ400nmの窒化シリコン膜と、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜とを形成する。 The insulating film 104 can be formed by appropriately using a sputtering method, a CVD method, a thin film deposition method, a pulse laser deposition (PLD) method, a printing method, a coating method, or the like. In the present embodiment, a PECVD apparatus is used as the insulating film 104 to form a silicon nitride film having a thickness of 400 nm and a silicon oxide film having a thickness of 50 nm.

また、絶縁膜104を形成した後、絶縁膜104に酸素を添加してもよい。絶縁膜104に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜104に酸素を添加してもよい。 Further, oxygen may be added to the insulating film 104 after the insulating film 104 is formed. Examples of oxygen added to the insulating film 104 include oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atom ions, oxygen molecule ions and the like. Further, as the addition method, there are an ion doping method, an ion implantation method, a plasma treatment method and the like. Further, after forming a film that suppresses the desorption of oxygen on the insulating film, oxygen may be added to the insulating film 104 via the film.

上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングステンの1以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。 As the film that suppresses the desorption of oxygen, a conductive film or semiconductor film having one or more of indium, zinc, gallium, tin, aluminum, chromium, tantalum, titanium, molybdenum, nickel, iron, cobalt, or tungsten is used. Can be formed.

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜104への酸素添加量を増加させることができる。 Further, when oxygen is added by plasma treatment, the amount of oxygen added to the insulating film 104 can be increased by exciting oxygen with microwaves to generate high-density oxygen plasma.

また、金属酸化物108aを形成する際に、酸素ガスの他に、不活性ガス(例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど)を混合させてもよい。なお、金属酸化物108aを形成する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合(以下、酸素流量比ともいう)としては、0%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下である。 Further, when forming the metal oxide 108a, an inert gas (for example, helium gas, argon gas, xenon gas, etc.) may be mixed in addition to the oxygen gas. The ratio of oxygen gas to the total film-forming gas when forming the metal oxide 108a (hereinafter, also referred to as oxygen flow rate ratio) is 0% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less. ..

また、金属酸化物108aの形成条件としては、基板温度を室温以上180℃以下、好ましくは基板温度を室温以上140℃以下とすればよい。金属酸化物108aの形成時の基板温度を、例えば、室温以上140℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。 Further, as the formation condition of the metal oxide 108a, the substrate temperature may be room temperature or more and 180 ° C. or less, and preferably the substrate temperature may be room temperature or more and 140 ° C. or less. It is preferable that the substrate temperature at the time of forming the metal oxide 108a is, for example, room temperature or more and less than 140 ° C., because the productivity is high.

また、金属酸化物108aの厚さとしては、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上60nm以下とすればよい。 The thickness of the metal oxide 108a may be 3 nm or more and 200 nm or less, preferably 3 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 60 nm or less.

なお、基板102として、大型のガラス基板(例えば、第6世代乃至第10世代)を用いる場合、金属酸化物108aを成膜する際の基板温度を200℃以上300℃以下とした場合、基板102が変形する(歪むまたは反る)場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、金属酸化物108aの成膜する際の基板温度を室温以上200℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。 When a large glass substrate (for example, 6th to 10th generation) is used as the substrate 102, and the substrate temperature at the time of forming the metal oxide 108a is 200 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, the substrate 102 May be deformed (distorted or warped). Therefore, when a large glass substrate is used, deformation of the glass substrate can be suppressed by setting the substrate temperature at the time of forming the metal oxide 108a to room temperature or higher and lower than 200 ° C.

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリング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金属酸化物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。 It is also necessary to purify the sputtering gas. For example, the oxygen gas or argon gas used as the sputtering gas is a gas whose dew point is -40 ° C or lower, preferably -80 ° C or lower, more preferably -100 ° C or lower, and more preferably -120 ° C or lower. By using it, it is possible to prevent water and the like from being taken into the metal oxide as much as possible.

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空(5×10−7Paから1×10−4Pa程度まで)に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、チャンバー内のHOに相当するガス分子(m/z=18に相当するガス分子)の分圧を1×10−4Pa以下、好ましく5×10−5Pa以下とすることが好ましい。 When a metal oxide is formed by a sputtering method, the chamber in the sputtering apparatus uses an adsorption type vacuum exhaust pump such as a cryopump to remove water and the like which are impurities for the metal oxide as much as possible. , It is preferable to exhaust to a high vacuum (from 5 × 10 -7 Pa to about 1 × 10 -4 Pa). In particular, the partial pressure of gas molecules (gas molecules corresponding to m / z = 18) corresponding to H 2 O in the chamber during standby of the sputtering apparatus is 1 × 10 -4 Pa or less, preferably 5 × 10 -5. It is preferably Pa or less.

本実施の形態においては、金属酸化物108aの形成条件を以下とする。 In the present embodiment, the formation conditions of the metal oxide 108a are as follows.

金属酸化物108aの形成条件を、In−Ga−Zn金属酸化物ターゲットを用いて、スパッタリング法により形成する。また、金属酸化物108aの形成時の基板温度と、酸素流量比は、適宜、設定することができる。また、チャンバー内の圧力を0.6Paとし、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに2500WのAC電力を供給することで、酸化物を成膜する。 The formation conditions of the metal oxide 108a are formed by a sputtering method using an In-Ga-Zn metal oxide target. Further, the substrate temperature at the time of forming the metal oxide 108a and the oxygen flow rate ratio can be appropriately set. Further, the pressure in the chamber is set to 0.6 Pa, and 2500 W of AC power is supplied to the metal oxide target installed in the sputtering apparatus to form an oxide film.

なお、成膜した金属酸化物を、金属酸化物108aに加工するには、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。 In order to process the formed metal oxide into the metal oxide 108a, either one or both of the wet etching method and the dry etching method may be used.

また、金属酸化物108aを形成した後、加熱処理を行い、金属酸化物108aの脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板の歪み点未満、または250℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下である。 Further, after forming the metal oxide 108a, heat treatment may be performed to dehydrogenate or dehydrate the metal oxide 108a. The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or higher and lower than the strain point of the substrate, 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, or 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性雰囲気で行うことができる。または、不活性雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は3分以上24時間以下とすればよい。 The heat treatment can be carried out in an inert atmosphere containing a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, krypton, or nitrogen. Alternatively, after heating in an inert atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere. It is preferable that the inert atmosphere and the oxygen atmosphere do not contain hydrogen, water or the like. The processing time may be 3 minutes or more and 24 hours or less.

該加熱処理は、電気炉、RTA装置等を用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で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。 An electric furnace, an RTA device, or the like can be used for the heat treatment. By using the RTA device, the heat treatment can be performed at a temperature equal to or higher than the strain point of the substrate for a short time. Therefore, the heat treatment time can be shortened.

金属酸化物を加熱しながら成膜する、または金属酸化物を形成した後、加熱処理を行うことで、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を5×1019atoms/cm以下、または1×1019atoms/cm以下、5×1018atoms/cm以下、または1×1018atoms/cm以下、または5×1017atoms/cm以下、または1×1016atoms/cm以下とすることができる。 By forming a film while heating the metal oxide, or by performing heat treatment after forming the metal oxide, the hydrogen concentration obtained by SIMS in the metal oxide is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 16 atoms / cm It can be 3 or less.

次に、絶縁膜104及び金属酸化物108a上に絶縁膜110_0を形成する。(図8(B)参照)。 Next, the insulating film 110_0 is formed on the insulating film 104 and the metal oxide 108a. (See FIG. 8 (B)).

絶縁膜110_0としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、プラズマ化学気相堆積装置(PECVD装置、または単にプラズマCVD装置という)を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及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。 As the insulating film 110_0, a silicon oxide film or a silicon nitride nitride film can be formed by using a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD apparatus, or simply referred to as a plasma CVD apparatus). In this case, it is preferable to use a sedimentary gas containing silicon and an oxidizing gas as the raw material gas. Typical examples of the sedimentary gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, fluorinated silane and the like. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, nitrous oxide, nitrogen dioxide and the like.

また、絶縁膜110_0として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を20倍より大きく100倍未満、または40倍以上80倍以下とし、処理室内の圧力を100Pa未満、または50Pa以下とするPECVD装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。 Further, as the insulating film 110_0, PECVD is such that the flow rate of the oxidizing gas is greater than 20 times and less than 100 times, or 40 times or more and 80 times or less with respect to the flow rate of the deposited gas, and the pressure in the processing chamber is less than 100 Pa or 50 Pa or less. By using the apparatus, a silicon nitride film having a small amount of defects can be formed.

また、絶縁膜110_0として、PECVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を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、絶縁膜110_0として、緻密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。 Further, as the insulating film 110_0, the substrate placed in the vacuum-exhausted processing chamber of the PECVD apparatus is held at 280 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the raw material gas is introduced into the processing chamber to increase the pressure in the treatment chamber at 20 Pa or higher and 250 Pa or higher. Hereinafter, more preferably, it is set to 100 Pa or more and 250 Pa or less, and a dense silicon oxide film or silicon nitride film can be formed as the insulating film 110_0 under the condition of supplying high frequency power to the electrodes provided in the processing chamber.

また、絶縁膜110_0を、マイクロ波を用いたPECVD法を用いて形成してもよい。マイクロ波とは300MHzから300GHzの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ(高密度プラズマ)を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜110_0を形成することができる。 Further, the insulating film 110_0 may be formed by using the PECVD method using microwaves. Microwave refers to the frequency range of 300 MHz to 300 GHz. Microwaves have low electron temperature and low electron energy. In addition, in the supplied power, the ratio used for accelerating electrons is small, it can be used for dissociation and ionization of more molecules, and it is possible to excite a high-density plasma (high-density plasma). .. Therefore, it is possible to form the insulating film 110_0 with less plasma damage to the surface to be filmed and deposits and less defects.

また、絶縁膜110_0を、有機シランガスを用いたCVD法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC)、テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH)などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたCVD法を用いることで、被覆性の高い絶縁膜110_0を形成することができる。 Further, the insulating film 110_0 can be formed by using a CVD method using an organic silane gas. As the organosilane gas, tetraethoxysilane (TEOS: Si (OC 2 H 5) 4 ), tetramethylsilane (TMS: chemical formula Si (CH 3) 4), tetramethylcyclotetrasiloxane (TMCTS), octamethylcyclotetrasiloxane Silicon-containing compounds such as (OMCTS), hexamethyldisilazane (HMDS), triethoxysilane (SiH (OC 2 H 5 ) 3 ), and trisdimethylaminosilane (SiH (N (CH 3 ) 2 ) 3 ) can be used. it can. By using the CVD method using an organic silane gas, an insulating film 110_0 having a high coating property can be formed.

本実施の形態では絶縁膜110_0として、PECVD装置を用い、厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。 In the present embodiment, a PECVD apparatus is used as the insulating film 110_0 to form a silicon oxide film having a thickness of 100 nm.

次に、絶縁膜110_0上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜110_0、及び絶縁膜104の一部をエッチングすることで、導電膜106に達する開口部143を形成する(図8(C)参照)。 Next, a mask is formed at a desired position on the insulating film 110_0 by lithography, and then the insulating film 110_0 and a part of the insulating film 104 are etched to form an opening 143 reaching the conductive film 106 (. (See FIG. 8C).

開口部143の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、開口部143を形成する。 As a method for forming the opening 143, either one or both of the wet etching method and the dry etching method may be used. In the present embodiment, the dry etching method is used to form the opening 143.

次に、開口部143を覆うように、導電膜106及び絶縁膜110_0上に導電膜112_0を形成する。また、導電膜112_0として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導電膜112_0の形成時に絶縁膜110_0中に酸素が添加される場合がある(図8(D)参照)。 Next, the conductive film 112_0 is formed on the conductive film 106 and the insulating film 110_0 so as to cover the opening 143. Further, when a metal oxide film is used as the conductive film 112_0, oxygen may be added to the insulating film 110_0 when the conductive film 112_0 is formed (see FIG. 8D).

なお、図8(D)において、絶縁膜110_0中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、開口部143を覆うように、導電膜112_0を形成することで、導電膜106と、導電膜112_0とが電気的に接続される。 In FIG. 8D, the oxygen added to the insulating film 110_0 is schematically represented by an arrow. Further, by forming the conductive film 112_0 so as to cover the opening 143, the conductive film 106 and the conductive film 112_0 are electrically connected.

導電膜112_0として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜112_0の形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜112_0を形成することで、絶縁膜110_0中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜112_0の形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばALD法を用いてもよい。 When a metal oxide film is used as the conductive film 112_0, it is preferable to use a sputtering method as a method for forming the conductive film 112_0 and to form the conductive film 112_0 in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. By forming the conductive film 112_0 in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation, oxygen can be suitably added to the insulating film 110_0. The method for forming the conductive film 112_0 is not limited to the sputtering method, and other methods, for example, the ALD method may be used.

本実施の形態においては、導電膜112_0として、スパッタリング法を用いて、膜厚が100nmのIn−Ga−Zn酸化物であるIGZO膜(In:Ga:Zn=4:2:4.1(原子数比)を成膜する。また、導電膜112_0の形成前、または導電膜112_0の形成後に、絶縁膜110_0中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の方法としては、絶縁膜104の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすればよい。 In the present embodiment, the conductive film 112_0 is an IGZO film (In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 (atomic)) which is an In-Ga-Zn oxide having a film thickness of 100 nm by using a sputtering method. Further, an oxygen addition treatment may be performed in the insulating film 110_0 before the formation of the conductive film 112_0 or after the formation of the conductive film 112_0. As a method of the oxygen addition treatment, the insulating film may be formed. It may be the same as the oxygen addition treatment that can be performed after the formation of 104.

次に、導電膜112_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図9(A)参照)。 Next, a mask 140 is formed at a desired position on the conductive film 112_0 by a lithography process (see FIG. 9A).

次に、マスク140上から、エッチングを行い、導電膜112_0、及び絶縁膜110_0を加工する。また、導電膜112_0及び絶縁膜110_0の加工後に、マスク140を除去する。導電膜112_0、及び絶縁膜110_0を加工することで、島状の導電膜112、及び島状の絶縁膜110が形成される(図9(B)参照)。 Next, etching is performed on the mask 140 to process the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0. Further, the mask 140 is removed after processing the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0. By processing the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0, the island-shaped conductive film 112 and the island-shaped insulating film 110 are formed (see FIG. 9B).

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜112_0、及び絶縁膜110_0を加工する。 In the present embodiment, the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0 are processed by using a dry etching method.

なお、導電膜112、及び絶縁膜110の加工の際に、導電膜112が重畳しない領域の金属酸化物108aの膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜112、及び絶縁膜110の加工の際に、金属酸化物108aが重畳しない領域の絶縁膜104の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜112_0、及び絶縁膜110_0の加工の際に、エッチャントまたはエッチングガス(例えば、塩素など)が金属酸化物108a中に添加される、あるいは導電膜112_0、または絶縁膜110_0の構成元素が金属酸化物108中に添加される場合がある。 When the conductive film 112 and the insulating film 110 are processed, the film thickness of the metal oxide 108a in the region where the conductive film 112 does not overlap may be reduced. Alternatively, when the conductive film 112 and the insulating film 110 are processed, the film thickness of the insulating film 104 in the region where the metal oxide 108a does not overlap may be reduced. Further, when the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0 are processed, an etchant or an etching gas (for example, chlorine) is added to the metal oxide 108a, or the conductive film 112_0 or the constituent elements of the insulating film 110_0 are added. It may be added in the metal oxide 108.

次に、絶縁膜104、金属酸化物108、及び導電膜112上に絶縁膜116を形成する。なお、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116と接する金属酸化物108aの一部は、領域108nとなる。ここで、導電膜112と重畳する金属酸化物108aは、金属酸化物108とする。(図9(C)参照)。 Next, the insulating film 116 is formed on the insulating film 104, the metal oxide 108, and the conductive film 112. By forming the insulating film 116, a part of the metal oxide 108a in contact with the insulating film 116 becomes a region 108n. Here, the metal oxide 108a superimposed on the conductive film 112 is a metal oxide 108. (See FIG. 9 (C)).

絶縁膜116としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜116として、PECVD装置を用い、厚さ100nmの窒化酸化シリコン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、成膜処理との2つのステップを220℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜前に流量100sccmのアルゴンガスと、流量1000sccmの窒素ガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を40Paとし、RF電源(27.12MHz)に1000Wの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量50sccmのシランガスと、流量5000sccmの窒素ガスと、流量100sccmのアンモニアガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を100Paとし、RF電源(27.12MHz)に1000Wの電力を供給する。 The insulating film 116 can be formed by selecting the material described above. In the present embodiment, a PECVD apparatus is used as the insulating film 116 to form a silicon nitride film having a thickness of 100 nm. Further, at the time of forming the silicon nitride film, two steps of plasma treatment and film formation treatment are performed at a temperature of 220 ° C. In the plasma treatment, an argon gas having a flow rate of 100 sccm and a nitrogen gas having a flow rate of 1000 sccm are introduced into the chamber before the film formation, the pressure in the chamber is set to 40 Pa, and the power of 1000 W is supplied to the RF power supply (27.12 MHz). To supply. Further, as the film forming process, a silane gas having a flow rate of 50 sccm, a nitrogen gas having a flow rate of 5000 sccm, and an ammonia gas having a flow rate of 100 sccm are introduced into the chamber, the pressure in the chamber is set to 100 Pa, and an RF power source (27.12 MHz) is used. Is supplied with 1000 W of power.

絶縁膜116として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜116に接する領域108nに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁膜116の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜110に含まれる過剰酸素が外部に放出されるのを抑制することができる。 By using the silicon nitride film as the insulating film 116, nitrogen or hydrogen in the silicon nitride film can be supplied to the region 108n in contact with the insulating film 116. Further, by setting the temperature at the time of forming the insulating film 116 to the above-mentioned temperature, it is possible to suppress the excess oxygen contained in the insulating film 110 from being released to the outside.

次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成する(図10(A)参照)。 Next, the insulating film 118 is formed on the insulating film 116 (see FIG. 10 (A)).

絶縁膜118としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜118として、PECVD装置を用い、厚さ300nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。 The insulating film 118 can be formed by selecting the material described above. In the present embodiment, a PECVD apparatus is used as the insulating film 118 to form a silicon oxide film having a thickness of 300 nm.

次に、絶縁膜118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜118及び絶縁膜116の一部をエッチングすることで、領域108nに達する開口部141a、141bを形成する(図10(B)参照)。 Next, a mask is formed at a desired position of the insulating film 118 by lithography, and then a part of the insulating film 118 and the insulating film 116 is etched to form openings 141a and 141b reaching the region 108n (FIG. FIG. 10 (B)).

絶縁膜118及び絶縁膜116をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜118、及び絶縁膜116を加工する。 As a method for etching the insulating film 118 and the insulating film 116, either one or both of the wet etching method and the dry etching method may be used. In the present embodiment, the insulating film 118 and the insulating film 116 are processed by using a dry etching method.

次に、開口部141a、141bを覆うように、領域108n及び絶縁膜118上に導電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜120a、120bを形成する(図10(C)参照)。 Next, a conductive film is formed on the region 108n and the insulating film 118 so as to cover the openings 141a and 141b, and the conductive film is processed into a desired shape to form the conductive films 120a and 120b (FIG. 10). (C)).

導電膜120a、120bとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜120a、120bとして、スパッタリング装置を用い、厚さ50nmのタングステン膜と、厚さ400nmの銅膜との積層膜を形成する。 The conductive films 120a and 120b can be formed by selecting the materials described above. In the present embodiment, as the conductive films 120a and 120b, a sputtering apparatus is used to form a laminated film of a tungsten film having a thickness of 50 nm and a copper film having a thickness of 400 nm.

なお、導電膜120a、120bとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜120a、120bを形成する。 As a method for processing the conductive film to be the conductive film 120a and 120b, either one or both of the wet etching method and the dry etching method may be used. In the present embodiment, the copper film is etched by the wet etching method, and then the tungsten film is etched by the dry etching method to process the conductive film to form the conductive films 120a and 120b.

続いて、導電膜120a、120b、及び絶縁膜118を覆って絶縁膜122を形成する。 Subsequently, the insulating film 122 is formed by covering the conductive films 120a and 120b and the insulating film 118.

以上の工程により、図6(A)(B)(C)に示すトランジスタ150を作製することができる。 Through the above steps, the transistors 150 shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C can be manufactured.

なお、トランジスタ150を構成する膜(絶縁膜、金属酸化物膜、導電膜等)としては、上述の形成方法の他、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、ALD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、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法が挙げられる。 As the film (insulating film, metal oxide film, conductive film, etc.) constituting the transistor 150, in addition to the above-mentioned forming method, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vacuum deposition method, a pulse laser deposition, etc. It can be formed by using the (PLD) method or the ALD method. Alternatively, it can be formed by a coating method or a printing method. As a film forming method, a sputtering method and a plasma chemical vapor deposition (PECVD) method are typical, but a thermal CVD method may also be used. An example of a thermal CVD method is the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、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。 In the thermal CVD method, the inside of the chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, the raw material gas and the oxidizing agent are sent into the chamber at the same time, reacted in the vicinity of the substrate or on the substrate, and deposited on the substrate to form a film. As described above, since the thermal CVD method is a film forming method that does not generate plasma, it has an advantage that defects are not generated due to plasma damage.

MOCVD法などの熱CVD法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、金属酸化物膜などの膜を形成することができる。 A thermal CVD method such as the MOCVD method can form a film such as the conductive film, an insulating film, or a metal oxide film described above.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化ハ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を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH、Hf[N(CH)やテトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O)の2種類のガスを用いる。 For example, when a hafnium oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor (hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDHA, Hf [N (CH 3 ) 2 ] 2 ] 4 ) and and tetrakis (ethylmethylamido) material gases hafnium amide) is vaporized, such as hafnium, using two types of gas ozone (O 3) as an oxidizing agent.

また、ALDを利用する成膜装置により酸化ア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を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてHOの2種類のガスを用いる。他の材料としては、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。 In addition, when an aluminum oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and an aluminum precursor (trimethylaluminum (TMA, Al (CH 3 ) 3 ), etc.) is vaporized with a raw material gas. , using two types of gases H 2 O as the oxidizing agent. Other materials include tris (dimethylamide) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanetone) and the like.

また、ALDを利用する成膜装置により酸化シ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、酸化性ガス(O、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。 In the case of forming the silicon oxide film using a deposition apparatus employing ALD is hexachlorodisilane adsorbed on the film-forming surface, and supplying radicals for oxidizing gas (O 2, dinitrogen monoxide) adsorption React with things.

また、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WFガスとBガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WFガスとHガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Bガスに代えてSiHガスを用いてもよい。 When a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, WF 6 gas and B 2 H 6 gas are sequentially introduced to form an initial tungsten film, and then WF 6 gas and H 2 gas are formed. To form a tungsten film using. In addition, SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

また、ALDを利用する成膜装置により金属酸化物、例えばIn−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを用いてIn−O層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスとを用いてGaO層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスとを用いて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、これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Oガスに代えてAr等の不活性ガスで水をバブリングして得られたHOガスを用いても良いが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。 Further, when a metal oxide, for example, an In-Ga-Zn-O film is formed by a film forming apparatus using ALD, the In-O layer is formed by using In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas. After that, a GaO layer is formed using Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas, and then a ZnO layer is formed using Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas. The order of these layers is not limited to this example. Further, these gases may be used to form a mixed compound layer such as an In—Ga—O layer, an In—Zn—O layer, and a Ga—Zn—O layer. Instead of the O 3 gas, an H 2 O gas obtained by bubbling water with an inert gas such as Ar may be used, but it is preferable to use an O 3 gas containing no H.

<2−5.トランジスタの構成例4>
図11(A)は、トランジスタ300Aの上面図であり、図11(B)は、図11(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図11(C)は、図11(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図11(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ300Aの構成要素の一部(ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図11(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
<2-5. Transistor configuration example 4>
11 (A) is a top view of the transistor 300A, and FIG. 11 (B) corresponds to a cross-sectional view of a cut surface between the alternate long and short dash lines X1-X2 shown in FIG. 11 (A). Corresponds to the cross-sectional view of the cut surface between the alternate long and short dash lines Y1-Y2 shown in FIG. 11 (A). Note that, in FIG. 11A, in order to avoid complication, a part of the components of the transistor 300A (an insulating film that functions as a gate insulating film, etc.) is omitted. Further, the alternate long and short dash line X1-X2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line Y1-Y2 direction may be referred to as the channel width direction. In the top view of the transistor, in the subsequent drawings, as in FIG. 11A, some of the components may be omitted.

図11に示すトランジスタ300Aは、基板302上の導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の金属酸化物308と、金属酸化物308上の導電膜312aと、金属酸化物308上の導電膜312bと、を有する。また、トランジスタ300A上、より詳しくは、導電膜312a、312b及び金属酸化物308上には絶縁膜314、316、及び絶縁膜318が設けられる。 The transistor 300A shown in FIG. 11 includes a conductive film 304 on the substrate 302, an insulating film 306 on the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 on the insulating film 306, and a metal oxide 308 on the insulating film 307. , The conductive film 312a on the metal oxide 308 and the conductive film 312b on the metal oxide 308. Further, the insulating films 314 and 316 and the insulating film 318 are provided on the transistor 300A, more specifically, on the conductive films 312a and 312b and the metal oxide 308.

なお、トランジスタ300Aにおいて、絶縁膜306、307は、トランジスタ300Aのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜314、316、318は、トランジスタ300Aの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ300Aにおいて、導電膜304は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜312aは、ソース電極としての機能を有し、導電膜312bは、ドレイン電極としての機能を有する。 In the transistor 300A, the insulating films 306 and 307 have a function as a gate insulating film of the transistor 300A, and the insulating films 314, 316 and 318 have a function as a protective insulating film of the transistor 300A. Further, in the transistor 300A, the conductive film 304 has a function as a gate electrode, the conductive film 312a has a function as a source electrode, and the conductive film 312b has a function as a drain electrode.

なお、本明細書等において、絶縁膜306、307を第1の絶縁膜と、絶縁膜314、316を第2の絶縁膜と、絶縁膜318を第3の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。 In the present specification and the like, the insulating films 306 and 307 may be referred to as a first insulating film, the insulating films 314 and 316 may be referred to as a second insulating film, and the insulating film 318 may be referred to as a third insulating film. is there.

図11に示すトランジスタ300Aは、チャネルエッチ型のトランジスタ構造である。本発明の一態様の金属酸化物は、チャネルエッチ型のトランジスタに好適に用いることができる。 The transistor 300A shown in FIG. 11 has a channel-etched transistor structure. The metal oxide of one aspect of the present invention can be suitably used for a channel etch type transistor.

<2−6.トランジスタの構成例5>
図12(A)は、トランジスタ300Bの上面図であり、図12(B)は、図12(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図12(C)は、図12(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
<2-6. Transistor configuration example 5>
12 (A) is a top view of the transistor 300B, and FIG. 12 (B) corresponds to a cross-sectional view of a cut surface between the alternate long and short dash lines X1-X2 shown in FIG. 12 (A). Corresponds to the cross-sectional view of the cut surface between the alternate long and short dash lines Y1-Y2 shown in FIG. 12 (A).

図12に示すトランジスタ300Bは、基板302上の導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の金属酸化物308と、金属酸化物308上の絶縁膜314と、絶縁膜314上の絶縁膜316と、絶縁膜314及び絶縁膜316に設けられる開口部341aを介して金属酸化物308に電気的に接続される導電膜312aと、絶縁膜314及び絶縁膜316に設けられる開口部341bを介して金属酸化物308に電気的に接続される導電膜312bとを有する。また、トランジスタ300B上、より詳しくは、導電膜312a、312b、及び絶縁膜316上には絶縁膜318が設けられる。 The transistor 300B shown in FIG. 12 includes a conductive film 304 on the substrate 302, an insulating film 306 on the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 on the insulating film 306, and a metal oxide 308 on the insulating film 307. , Conductivity electrically connected to the metal oxide 308 via the insulating film 314 on the metal oxide 308, the insulating film 316 on the insulating film 314, and the openings 341a provided in the insulating film 314 and the insulating film 316. It has a film 312a and a conductive film 312b that is electrically connected to the metal oxide 308 via an opening 341b provided in the insulating film 314 and the insulating film 316. Further, an insulating film 318 is provided on the transistor 300B, more specifically, on the conductive films 312a and 312b, and on the insulating film 316.

なお、トランジスタ300Bにおいて、絶縁膜306、307は、トランジスタ300Bのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜314、316は、金属酸化物308の保護絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜318は、トランジスタ300Bの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ300Bにおいて、導電膜304は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜312aは、ソース電極としての機能を有し、導電膜312bは、ドレイン電極としての機能を有する。 In the transistor 300B, the insulating films 306 and 307 have a function as a gate insulating film of the transistor 300B, and the insulating films 314 and 316 have a function as a protective insulating film of the metal oxide 308. 318 has a function as a protective insulating film of the transistor 300B. Further, in the transistor 300B, the conductive film 304 has a function as a gate electrode, the conductive film 312a has a function as a source electrode, and the conductive film 312b has a function as a drain electrode.

図11に示すトランジスタ300Aにおいては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図12(A)(B)(C)に示すトランジスタ300Bは、チャネル保護型の構造である。本発明の一態様の金属酸化物は、チャネル保護型のトランジスタにも好適に用いることができる。 The transistor 300A shown in FIG. 11 has a channel-etched structure, whereas the transistor 300B shown in FIGS. 12 (A), (B), and (C) has a channel-protected structure. The metal oxide of one aspect of the present invention can also be suitably used for a channel protection type transistor.

<2−7.トランジスタの構成例6>
図13(A)は、トランジスタ300Cの上面図であり、図13(B)は、図13(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図13(C)は、図13(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
<2-7. Transistor configuration example 6>
13 (A) is a top view of the transistor 300C, and FIG. 13 (B) corresponds to a cross-sectional view of a cut surface between the alternate long and short dash lines X1-X2 shown in FIG. 13 (A). Corresponds to the cross-sectional view of the cut surface between the alternate long and short dash lines Y1-Y2 shown in FIG. 13 (A).

図13に示すトランジスタ300Cは、図12(A)(B)(C)に示すトランジスタ300Bと絶縁膜314、316の形状が相違する。具体的には、トランジスタ300Cの絶縁膜314、316は、金属酸化物308のチャネル形成領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ300Bと同様である。 The transistor 300C shown in FIG. 13 is different in the shape of the insulating films 314 and 316 from the transistor 300B shown in FIGS. 12 (A), (B) and (C). Specifically, the insulating films 314 and 316 of the transistor 300C are provided in an island shape on the channel forming region of the metal oxide 308. Other configurations are the same as those of the transistor 300B.

<2−8.トランジスタの構成例7>
図14(A)は、トランジスタ300Dの上面図であり、図14(B)は、図14(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図14(C)は、図14(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
<2-8. Transistor configuration example 7>
14 (A) is a top view of the transistor 300D, and FIG. 14 (B) corresponds to a cross-sectional view of a cut surface between the alternate long and short dash lines X1-X2 shown in FIG. 14 (A). Corresponds to the cross-sectional view of the cut surface between the alternate long and short dash lines Y1-Y2 shown in FIG. 14 (A).

図14に示すトランジスタ300Dは、基板302上の導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の金属酸化物308と、金属酸化物308上の導電膜312aと、金属酸化物308上の導電膜312bと、金属酸化物308、及び導電膜312a、312b上の絶縁膜314と、絶縁膜314上の絶縁膜316と、絶縁膜316上の絶縁膜318と、絶縁膜318上の導電膜320a、320bと、を有する。 The transistor 300D shown in FIG. 14 includes a conductive film 304 on the substrate 302, an insulating film 306 on the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 on the insulating film 306, and a metal oxide 308 on the insulating film 307. , The conductive film 312a on the metal oxide 308, the conductive film 312b on the metal oxide 308, the metal oxide 308, the insulating film 314 on the conductive film 312a, 312b, and the insulating film 316 on the insulating film 314. It has an insulating film 318 on the insulating film 316 and conductive films 320a and 320b on the insulating film 318.

なお、トランジスタ300Dにおいて、絶縁膜306、307は、トランジスタ300Dの第1のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜314、316、318は、トランジスタ300Dの第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ300Dにおいて、導電膜304は、第1のゲート電極としての機能を有し、導電膜320aは、第2のゲート電極としての機能を有し、導電膜320bは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電膜312aは、ソース電極としての機能を有し、導電膜312bは、ドレイン電極としての機能を有する。 In the transistor 300D, the insulating films 306 and 307 have a function as the first gate insulating film of the transistor 300D, and the insulating films 314, 316 and 318 have a function as the second gate insulating film of the transistor 300D. Has. Further, in the transistor 300D, the conductive film 304 has a function as a first gate electrode, the conductive film 320a has a function as a second gate electrode, and the conductive film 320b is a pixel used in a display device. It has a function as an electrode. Further, the conductive film 312a has a function as a source electrode, and the conductive film 312b has a function as a drain electrode.

また、図14(C)に示すように導電膜320aは、絶縁膜306、307、314、316、318に設けられる開口部342b、342cにおいて、導電膜304に接続される。よって、導電膜320aと導電膜304とは、同じ電位が与えられる。 Further, as shown in FIG. 14C, the conductive film 320a is connected to the conductive film 304 at the openings 342b and 342c provided in the insulating films 306, 307, 314, 316 and 318. Therefore, the same potential is applied to the conductive film 320a and the conductive film 304.

なお、トランジスタ300Dにおいては、開口部342b、342cを設け、導電膜320aと導電膜304を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部342bまたは開口部342cのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜320aと導電膜304を接続する構成、または開口部342b及び開口部342cを設けずに、導電膜320aと導電膜304を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜320aと導電膜304とを接続しない構成の場合、導電膜320aと導電膜304には、それぞれ異なる電位を与えることができる。 In the transistor 300D, the configuration in which the openings 342b and 342c are provided and the conductive film 320a and the conductive film 304 are connected has been illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, a configuration in which only one of the openings 342b and 342c is formed to connect the conductive film 320a and the conductive film 304, or the conductive film 320a and the conductive film 320a are not provided without the opening 342b and the opening 342c. The conductive film 304 may not be connected. When the conductive film 320a and the conductive film 304 are not connected, different potentials can be applied to the conductive film 320a and the conductive film 304.

また、導電膜320bは、絶縁膜314、316、318に設けられる開口部342aを介して、導電膜312bと接続される。 Further, the conductive film 320b is connected to the conductive film 312b via the openings 342a provided in the insulating films 314, 316 and 318.

なお、トランジスタ300Dは、先に説明のS−channel構造を有する。 The transistor 300D has the S-channel structure described above.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in combination with at least a part thereof as appropriate with other embodiments described in the present specification.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いることのできる表示パネルの一例について、図16及び図17を用いて説明する。以下で例示する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射モードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。なお、本発明の一態様の金属酸化物、及び当該金属酸化物を有するトランジスタは、表示装置の画素のトランジスタ、または表示装置を駆動させるドライバ、あるいは表示装置にデータを供給するLSI等に好適に用いることができる。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, an example of a display panel that can be used as a display unit or the like of a display device using the semiconductor device of one aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 and 17. The display panel illustrated below is a display panel that has both a reflective liquid crystal element and a light emitting element and can display both a transmission mode and a reflection mode. The metal oxide of one aspect of the present invention and the transistor having the metal oxide are suitable for a transistor of pixels of a display device, a driver for driving the display device, an LSI for supplying data to the display device, and the like. Can be used.

<表示パネルの構成例>
図16は、本発明の一態様の表示パネル600の斜視概略図である。表示パネル600は、基板651と基板661とが貼り合わされた構成を有する。図16では、基板661を破線で明示している。
<Display panel configuration example>
FIG. 16 is a schematic perspective view of a display panel 600 according to an aspect of the present invention. The display panel 600 has a configuration in which a substrate 651 and a substrate 661 are bonded together. In FIG. 16, the substrate 661 is clearly indicated by a broken line.

表示パネル600は、表示部662、回路659、配線666等を有する。基板651には、例えば回路659、配線666、及び画素電極として機能する導電膜663等が設けられる。また図16では基板651上にIC673とFPC672が実装されている例を示している。そのため、図16に示す構成は、表示パネル600とFPC672及びIC673を有する表示モジュールと言うこともできる。 The display panel 600 has a display unit 662, a circuit 659, wiring 666, and the like. The substrate 651 is provided with, for example, a circuit 659, wiring 666, and a conductive film 663 that functions as a pixel electrode. Further, FIG. 16 shows an example in which IC673 and FPC672 are mounted on the substrate 651. Therefore, the configuration shown in FIG. 16 can be said to be a display module having a display panel 600, an FPC 672, and an IC 673.

回路659は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。 As the circuit 659, for example, a circuit that functions as a scanning line drive circuit can be used.

配線666は、表示部や回路659に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電力は、FPC672を介して外部、またはIC673から配線666に入力される。 The wiring 666 has a function of supplying signals and electric power to the display unit and the circuit 659. The signal or electric power is input to the wiring 666 from the outside or IC673 via FPC672.

また、図16では、COG(ChipOnGlass)方式等により、基板651にIC673が設けられている例を示している。IC673は、例えば走査線駆動回路、または信号線駆動回路などとしての機能を有するICを適用できる。なお表示パネル600が走査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、FPC672を介して表示パネル600を駆動するための信号を入力する場合などでは、IC673を設けない構成としてもよい。また、IC673を、COF(ChipOnFilm)方式等により、FPC672に実装してもよい。 Further, FIG. 16 shows an example in which the IC673 is provided on the substrate 651 by the COG (ChipOnGlass) method or the like. As the IC 673, an IC having a function as, for example, a scanning line drive circuit or a signal line drive circuit can be applied. When the display panel 600 is provided with a circuit that functions as a scanning line drive circuit and a signal line drive circuit, or if a circuit that functions as a scanning line drive circuit or a signal line drive circuit is provided externally, the display panel 600 is driven via the FPC 672. In the case of inputting a signal for this purpose, the IC673 may not be provided. Further, the IC673 may be mounted on the FPC672 by a COF (ChipOnFilm) method or the like.

図16には、表示部662の一部の拡大図を示している。表示部662には、複数の表示素子が有する導電膜663がマトリクス状に配置されている。導電膜663は、可視光を反射する機能を有し、後述する液晶素子640の反射電極として機能する。 FIG. 16 shows an enlarged view of a part of the display unit 662. The conductive film 663 of the plurality of display elements is arranged in a matrix on the display unit 662. The conductive film 663 has a function of reflecting visible light and functions as a reflecting electrode of the liquid crystal element 640 described later.

また、図16に示すように、導電膜663は開口を有する。さらに導電膜663よりも基板651側に、発光素子660を有する。発光素子660からの光は、導電膜663の開口を介して基板661側に射出される。 Further, as shown in FIG. 16, the conductive film 663 has an opening. Further, the light emitting element 660 is provided on the substrate 651 side of the conductive film 663. The light from the light emitting element 660 is emitted to the substrate 661 side through the opening of the conductive film 663.

<断面構成例>
図17に、図16で例示した表示パネルの、FPC672を含む領域の一部、回路659を含む領域の一部、及び表示部662を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面の一例を示す。
<Cross-section configuration example>
FIG. 17 shows an example of a cross section of the display panel illustrated in FIG. 16 when a part of the area including the FPC 672, a part of the area including the circuit 659, and a part of the area including the display unit 662 are cut. Shown.

表示パネルは、基板651と基板661の間に、絶縁膜620を有する。また基板651と絶縁膜620の間に、発光素子660、トランジスタ601、トランジスタ605、トランジスタ606、着色層634等を有する。また絶縁膜620と基板661の間に、液晶素子640、着色層631等を有する。また基板661と絶縁膜620は接着層641を介して接着され、基板651と絶縁膜620は接着層642を介して接着されている。 The display panel has an insulating film 620 between the substrate 651 and the substrate 661. Further, a light emitting element 660, a transistor 601 and a transistor 605, a transistor 606, a colored layer 634 and the like are provided between the substrate 651 and the insulating film 620. Further, a liquid crystal element 640, a colored layer 631 and the like are provided between the insulating film 620 and the substrate 661. Further, the substrate 661 and the insulating film 620 are adhered to each other via the adhesive layer 641, and the substrate 651 and the insulating film 620 are adhered to each other via the adhesive layer 642.

トランジスタ606は、液晶素子640と電気的に接続し、トランジスタ605は、発光素子660と電気的に接続する。トランジスタ605とトランジスタ606は、いずれも絶縁膜620の基板651側の面上に形成されているため、これらを同一の工程を用いて作製することができる。 The transistor 606 is electrically connected to the liquid crystal element 640, and the transistor 605 is electrically connected to the light emitting element 660. Since both the transistor 605 and the transistor 606 are formed on the surface of the insulating film 620 on the substrate 651 side, they can be manufactured by using the same process.

基板661には、着色層631、遮光膜632、絶縁膜621、及び液晶素子640の共通電極として機能する導電膜613、配向膜633b、絶縁膜617等が設けられている。絶縁膜617は、液晶素子640のセルギャップを保持するためのスペーサとして機能する。 The substrate 661 is provided with a colored layer 631, a light-shielding film 632, an insulating film 621, a conductive film 613 that functions as a common electrode of the liquid crystal element 640, an alignment film 633b, an insulating film 617, and the like. The insulating film 617 functions as a spacer for holding the cell gap of the liquid crystal element 640.

絶縁膜620の基板651側には、絶縁膜681、絶縁膜682、絶縁膜683、絶縁膜684、絶縁膜685等の絶縁層が設けられている。絶縁膜681は、その一部が各トランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁膜682、絶縁膜683、及び絶縁膜684は、各トランジスタを覆って設けられている。また絶縁膜684を覆って絶縁膜685が設けられている。絶縁膜684及び絶縁膜685は、平坦化層としての機能を有する。なお、ここではトランジスタ等を覆う絶縁層として、絶縁膜682、絶縁膜683、絶縁膜684の3層を有する場合について示しているが、これに限られず4層以上であってもよいし、単層、または2層であってもよい。また平坦化層として機能する絶縁膜684は、不要であれば設けなくてもよい。 Insulating layers such as an insulating film 681, an insulating film 682, an insulating film 683, an insulating film 684, and an insulating film 685 are provided on the substrate 651 side of the insulating film 620. A part of the insulating film 681 functions as a gate insulating layer of each transistor. The insulating film 682, the insulating film 683, and the insulating film 684 are provided so as to cover each transistor. Further, an insulating film 685 is provided so as to cover the insulating film 684. The insulating film 684 and the insulating film 685 have a function as a flattening layer. Although the case where three layers of the insulating film 682, the insulating film 683, and the insulating film 684 are provided as the insulating layer covering the transistor and the like is shown here, the case is not limited to this, and four or more layers may be used. It may be a layer or two layers. Further, the insulating film 684 that functions as a flattening layer may not be provided if it is unnecessary.

また、トランジスタ601、トランジスタ605、及びトランジスタ606は、一部がゲートとして機能する導電膜654、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜652、半導体膜653を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に、同じハッチングパターンを付している。 Further, the transistor 601 and the transistor 605 and the transistor 606 have a conductive film 654 partially functioning as a gate, a conductive film 652 partially functioning as a source or drain, and a semiconductor film 653. Here, the same hatching pattern is attached to a plurality of layers obtained by processing the same conductive film.

液晶素子640は反射型の液晶素子である。液晶素子640は、導電膜635、液晶層612、導電膜613が積層された積層構造を有する。また導電膜635の基板651側に接して、可視光を反射する導電膜663が設けられている。導電膜663は開口655を有する。また導電膜635及び導電膜613は可視光を透過する材料を含む。また液晶層612と導電膜635の間に配向膜633aが設けられ、液晶層612と導電膜613の間に配向膜633bが設けられている。また、基板661の外側の面には、偏光板656を有する。 The liquid crystal element 640 is a reflective liquid crystal element. The liquid crystal element 640 has a laminated structure in which the conductive film 635, the liquid crystal layer 612, and the conductive film 613 are laminated. Further, a conductive film 663 that reflects visible light is provided in contact with the substrate 651 side of the conductive film 635. The conductive film 663 has an opening 655. Further, the conductive film 635 and the conductive film 613 include a material that transmits visible light. Further, an alignment film 633a is provided between the liquid crystal layer 612 and the conductive film 635, and an alignment film 633b is provided between the liquid crystal layer 612 and the conductive film 613. Further, a polarizing plate 656 is provided on the outer surface of the substrate 661.

液晶素子640において、導電膜663は可視光を反射する機能を有し、導電膜613は可視光を透過する機能を有する。基板661側から入射した光は、偏光板656により偏光され、導電膜613、液晶層612を透過し、導電膜663で反射する。そして液晶層612及び導電膜613を再度透過して、偏光板656に達する。このとき、導電膜663と導電膜613の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板656を介して射出される光の強度を制御することができる。また光は着色層631によって特定の波長領域以外の光が吸収されることにより、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。 In the liquid crystal element 640, the conductive film 663 has a function of reflecting visible light, and the conductive film 613 has a function of transmitting visible light. The light incident from the substrate 661 side is polarized by the polarizing plate 656, passes through the conductive film 613 and the liquid crystal layer 612, and is reflected by the conductive film 663. Then, it passes through the liquid crystal layer 612 and the conductive film 613 again and reaches the polarizing plate 656. At this time, the orientation of the liquid crystal can be controlled by the voltage applied between the conductive film 663 and the conductive film 613, and the optical modulation of light can be controlled. That is, the intensity of the light emitted through the polarizing plate 656 can be controlled. Further, the light is absorbed by the colored layer 631 in a wavelength region other than the specific wavelength region, so that the extracted light becomes, for example, red light.

発光素子660は、ボトムエミッション型の発光素子である。発光素子660は、絶縁膜620側から導電膜643、EL層644、及び導電膜645bの順に積層された積層構造を有する。また導電膜645bを覆って導電膜645aが設けられている。導電膜645bは可視光を反射する材料を含み、導電膜643及び導電膜645aは可視光を透過する材料を含む。発光素子660が発する光は、着色層634、絶縁膜620、開口655、導電膜613等を介して、基板661側に射出される。 The light emitting element 660 is a bottom emission type light emitting element. The light emitting element 660 has a laminated structure in which the conductive film 643, the EL layer 644, and the conductive film 645b are laminated in this order from the insulating film 620 side. Further, the conductive film 645a is provided so as to cover the conductive film 645b. The conductive film 645b includes a material that reflects visible light, and the conductive film 643 and the conductive film 645a include a material that transmits visible light. The light emitted by the light emitting element 660 is emitted to the substrate 661 side via the colored layer 634, the insulating film 620, the opening 655, the conductive film 613, and the like.

ここで、図17に示すように、開口655には可視光を透過する導電膜635が設けられていることが好ましい。これにより、開口655と重なる領域においてもそれ以外の領域と同様に液晶層612が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、意図しない光が漏れてしまうことを抑制できる。 Here, as shown in FIG. 17, it is preferable that the opening 655 is provided with a conductive film 635 that transmits visible light. As a result, the liquid crystal layer 612 is oriented in the region overlapping the opening 655 as in the other regions, so that it is possible to prevent unintended light leakage due to poor alignment of the liquid crystal at the boundary between these regions. ..

ここで、基板661の外側の面に配置する偏光板656として直線偏光板を用いてもよいが、円偏光板を用いることもできる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と1/4波長位相差板を積層したものを用いることができる。これにより、外光反射を抑制することができる。また、偏光板の種類に応じて、液晶素子640に用いる液晶素子のセルギャップ、配向、駆動電圧等を調整することで、所望のコントラストが実現されるようにすればよい。 Here, a linear polarizing plate may be used as the polarizing plate 656 arranged on the outer surface of the substrate 661, but a circular polarizing plate may also be used. As the circular polarizing plate, for example, a linear polarizing plate and a 1/4 wavelength retardation plate laminated can be used. Thereby, the reflection of external light can be suppressed. Further, the desired contrast may be realized by adjusting the cell gap, orientation, driving voltage, etc. of the liquid crystal element used for the liquid crystal element 640 according to the type of the polarizing plate.

また導電膜643の端部を覆う絶縁膜646上には、絶縁膜647が設けられている。絶縁膜647は、絶縁膜620と基板651が必要以上に接近することを抑制するスペーサとしての機能を有する。またEL層644や導電膜645aを遮蔽マスク(メタルマスク)を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制する機能を有していてもよい。なお、絶縁膜647は不要であれば設けなくてもよい。 An insulating film 647 is provided on the insulating film 646 that covers the end of the conductive film 643. The insulating film 647 has a function as a spacer that prevents the insulating film 620 and the substrate 651 from coming closer to each other than necessary. Further, when the EL layer 644 or the conductive film 645a is formed by using a shielding mask (metal mask), it may have a function of suppressing the shielding mask from coming into contact with the surface to be formed. The insulating film 647 may not be provided if it is unnecessary.

トランジスタ605のソース又はドレインの一方は、導電膜648を介して発光素子660の導電膜643と電気的に接続されている。 One of the source and drain of the transistor 605 is electrically connected to the conductive film 643 of the light emitting element 660 via the conductive film 648.

トランジスタ606のソース又はドレインの一方は、接続部607を介して導電膜663と電気的に接続されている。導電膜663と導電膜635は接して設けられ、これらは電気的に接続されている。ここで、接続部607は、絶縁膜620に設けられた開口を介して、絶縁膜620の両面に設けられる導電層同士を接続する部分である。 One of the source and drain of the transistor 606 is electrically connected to the conductive film 663 via the connecting portion 607. The conductive film 663 and the conductive film 635 are provided in contact with each other, and they are electrically connected to each other. Here, the connecting portion 607 is a portion that connects the conductive layers provided on both sides of the insulating film 620 via the openings provided in the insulating film 620.

基板651と基板661とが重ならない領域には、接続部604が設けられている。接続部604は、接続層649を介してFPC672と電気的に接続されている。接続部604は接続部607と同様の構成を有している。接続部604の上面は、導電膜635と同一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部604とFPC672とを接続層649を介して電気的に接続することができる。 A connecting portion 604 is provided in a region where the substrate 651 and the substrate 661 do not overlap. The connection portion 604 is electrically connected to the FPC 672 via the connection layer 649. The connection unit 604 has the same configuration as the connection unit 607. On the upper surface of the connecting portion 604, a conductive layer obtained by processing the same conductive film as the conductive film 635 is exposed. As a result, the connection portion 604 and the FPC 672 can be electrically connected via the connection layer 649.

接着層641が設けられる一部の領域には、接続部687が設けられている。接続部687において、導電膜635と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜613の一部が、接続体686により電気的に接続されている。したがって、基板661側に形成された導電膜613に、基板651側に接続されたFPC672から入力される信号または電位を、接続部687を介して供給することができる。 A connecting portion 687 is provided in a part of the region where the adhesive layer 641 is provided. In the connecting portion 687, the conductive layer obtained by processing the same conductive film as the conductive film 635 and a part of the conductive film 613 are electrically connected by the connecting body 686. Therefore, the signal or potential input from the FPC 672 connected to the substrate 651 side can be supplied to the conductive film 613 formed on the substrate 661 side via the connecting portion 687.

接続体686としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子としては、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることができる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。またニッケルをさらに金で被覆するなど、2種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を用いることが好ましい。また接続体686として、弾性変形、または塑性変形する材料を用いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体686は、図17に示すように上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体686と、これと電気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良などの不具合の発生を抑制することができる。 As the connecting body 686, for example, conductive particles can be used. As the conductive particles, those obtained by coating the surface of particles such as organic resin or silica with a metal material can be used. It is preferable to use nickel or gold as the metal material because the contact resistance can be reduced. Further, it is preferable to use particles in which two or more kinds of metal materials are coated in layers, such as by further coating nickel with gold. Further, it is preferable to use a material that is elastically deformed or plastically deformed as the connecting body 686. At this time, the connecting body 686, which is a conductive particle, may have a shape that is crushed in the vertical direction as shown in FIG. By doing so, the contact area between the connecting body 686 and the conductive layer electrically connected to the connecting body 686 can be increased, the contact resistance can be reduced, and the occurrence of defects such as poor connection can be suppressed.

接続体686は、接着層641に覆われるように配置することが好ましい。例えば、硬化前の接着層641に、接続体686を分散させておけばよい。 The connecting body 686 is preferably arranged so as to be covered with the adhesive layer 641. For example, the connecting body 686 may be dispersed in the adhesive layer 641 before curing.

図17では、回路659の例としてトランジスタ601が設けられている例を示している。 FIG. 17 shows an example in which the transistor 601 is provided as an example of the circuit 659.

図17では、トランジスタ601及びトランジスタ605の例として、チャネルが形成される半導体膜653を2つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは導電膜654により、他方のゲートは絶縁膜682を介して半導体膜653と重なる導電膜623により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。このとき、2つのゲートを接続し、これらに同一の信号を供給することによりトランジスタを駆動してもよい。このようなトランジスタは他のトランジスタと比較して電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させることができる。その結果、高速駆動が可能な回路を作製することができる。さらには、回路部の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用することで、表示パネルを大型化、または高精細化したときに配線数が増大したとしても、各配線における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することができる。 In FIG. 17, as an example of the transistor 601 and the transistor 605, a configuration in which the semiconductor film 653 on which the channel is formed is sandwiched between two gates is applied. One gate is composed of a conductive film 654, and the other gate is composed of a conductive film 623 that overlaps the semiconductor film 653 via an insulating film 682. With such a configuration, the threshold voltage of the transistor can be controlled. At this time, the transistor may be driven by connecting two gates and supplying the same signal to them. Such a transistor can increase the field effect mobility as compared with other transistors, and can increase the on-current. As a result, a circuit capable of high-speed driving can be manufactured. Further, the occupied area of the circuit unit can be reduced. By applying a transistor with a large on-current, it is possible to reduce the signal delay in each wiring even if the number of wirings increases when the display panel is enlarged or the definition is increased, and display unevenness is suppressed. can do.

なお、回路659が有するトランジスタと、表示部662が有するトランジスタは、同じ構造であってもよい。また回路659が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。また、表示部662が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。 The transistor included in the circuit 659 and the transistor included in the display unit 662 may have the same structure. Further, the plurality of transistors included in the circuit 659 may all have the same structure, or transistors having different structures may be used in combination. Further, the plurality of transistors included in the display unit 662 may all have the same structure, or transistors having different structures may be used in combination.

各トランジスタを覆う絶縁膜682、絶縁膜683のうち少なくとも一方は、水や水素などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。すなわち、絶縁膜682または絶縁膜683はバリア膜として機能させることができる。このような構成とすることで、トランジスタに対して外部から不純物が拡散することを効果的に抑制することが可能となり、信頼性の高い表示パネルを実現できる。 For at least one of the insulating film 682 and the insulating film 683 covering each transistor, it is preferable to use a material in which impurities such as water and hydrogen are difficult to diffuse. That is, the insulating film 682 or the insulating film 683 can function as a barrier film. With such a configuration, it is possible to effectively suppress the diffusion of impurities from the outside to the transistor, and a highly reliable display panel can be realized.

基板661側において、着色層631、遮光膜632を覆って絶縁膜621が設けられている。絶縁膜621は、平坦化層としての機能を有していてもよい。絶縁膜621により、導電膜613の表面を概略平坦にできるため、液晶層612の配向状態を均一にできる。 On the substrate 661 side, an insulating film 621 is provided so as to cover the colored layer 631 and the light-shielding film 632. The insulating film 621 may have a function as a flattening layer. Since the surface of the conductive film 613 can be made substantially flat by the insulating film 621, the orientation state of the liquid crystal layer 612 can be made uniform.

表示パネル600を作製する方法の一例について説明する。例えば剥離層を有する支持基材上に、導電膜635、導電膜663、絶縁膜620を順に形成し、その後、トランジスタ605、トランジスタ606、発光素子660等を形成した後、接着層642を用いて基板651と支持基材を貼り合せる。その後、剥離層と絶縁膜620、及び剥離層と導電膜635のそれぞれの界面で剥離することにより、支持基材及び剥離層を除去する。またこれとは別に、着色層631、遮光膜632、導電膜613等をあらかじめ形成した基板661を準備する。そして基板651または基板661に液晶を滴下し、接着層641により基板651と基板661を貼り合せることで、表示パネル600を作製することができる。 An example of a method for manufacturing the display panel 600 will be described. For example, a conductive film 635, a conductive film 663, and an insulating film 620 are formed in this order on a supporting substrate having a release layer, and then a transistor 605, a transistor 606, a light emitting element 660, and the like are formed, and then an adhesive layer 642 is used. The substrate 651 and the supporting base material are bonded together. Then, the supporting base material and the peeling layer are removed by peeling at the respective interfaces of the peeling layer and the insulating film 620, and the peeling layer and the conductive film 635. Separately from this, a substrate 661 on which a colored layer 631, a light-shielding film 632, a conductive film 613, and the like are previously formed is prepared. Then, the liquid crystal is dropped on the substrate 651 or the substrate 661, and the substrate 651 and the substrate 661 are bonded to each other by the adhesive layer 641, so that the display panel 600 can be manufactured.

剥離層としては、絶縁膜620及び導電膜635との界面で剥離が生じる材料を適宜選択することができる。特に、剥離層としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁膜620として、窒化シリコンや酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を複数積層した層を用いることが好ましい。剥離層に高融点金属材料を用いると、これよりも後に形成する層の形成温度を高めることが可能で、不純物の濃度が低減され、信頼性の高い表示パネルを実現できる。 As the release layer, a material that causes release at the interface between the insulating film 620 and the conductive film 635 can be appropriately selected. In particular, a layer containing a refractory metal material such as tungsten and a layer containing an oxide of the metal material are laminated and used as the release layer, and silicon nitride, silicon oxide, and silicon nitride are used as the insulating film 620 on the release layer. It is preferable to use a layer in which a plurality of such layers are laminated. When a refractory metal material is used for the release layer, it is possible to raise the formation temperature of the layer to be formed later, reduce the concentration of impurities, and realize a highly reliable display panel.

導電膜635としては、金属酸化物、または金属窒化物等の酸化物または窒化物を用いることが好ましい。金属酸化物を用いる場合には、水素、ボロン、リン、窒素、及びその他の不純物の濃度、並びに酸素欠損量の少なくとも一が、トランジスタに用いる半導体層に比べて高められた材料を、導電膜635に用いればよい。 As the conductive film 635, it is preferable to use a metal oxide or an oxide or a nitride such as a metal nitride. When a metal oxide is used, a material in which at least one of the concentrations of hydrogen, boron, phosphorus, nitrogen, and other impurities and the amount of oxygen deficiency is higher than that of the semiconductor layer used for the transistor is used as the conductive film 635. It may be used for.

<各構成要素について>
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。なお、先の実施の形態に示す機能と同様の機能を有する構成についての説明は省略する。
<About each component>
In the following, each component shown above will be described. The description of the configuration having the same function as the function shown in the previous embodiment will be omitted.

〔接着層〕
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミド樹脂、PVC(ポリビニルクロライド)樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート)樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性が低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を用いてもよい。
[Adhesive layer]
As the adhesive layer, various curable adhesives such as a photocurable adhesive such as an ultraviolet curable type, a reaction curable type adhesive, a thermosetting type adhesive, and an anaerobic type adhesive can be used. Examples of these adhesives include epoxy resin, acrylic resin, silicone resin, phenol resin, polyimide resin, imide resin, PVC (polyvinyl chloride) resin, PVB (polyvinyl butyral) resin, EVA (ethylene vinyl acetate) resin and the like. In particular, a material having low moisture permeability such as an epoxy resin is preferable. Further, a two-component mixed type resin may be used. Moreover, you may use an adhesive sheet or the like.

また、上記樹脂に乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物(酸化カルシウムや酸化バリウム等)のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用いることができる。または、ゼオライトやシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を吸着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分などの不純物が素子に侵入することを抑制でき、表示パネルの信頼性が向上するため好ましい。 Further, the resin may contain a desiccant. For example, a substance that adsorbs water by chemisorption, such as an oxide of an alkaline earth metal (calcium oxide, barium oxide, etc.), can be used. Alternatively, a substance that adsorbs water by physical adsorption, such as zeolite or silica gel, may be used. When a desiccant is contained, impurities such as water can be suppressed from entering the element, and the reliability of the display panel is improved, which is preferable.

また、上記樹脂に屈折率の高いフィラーや光散乱部材を混合することにより、光取り出し効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジルコニウム等を用いることができる。 Further, the light extraction efficiency can be improved by mixing the resin with a filler having a high refractive index or a light scattering member. For example, titanium oxide, barium oxide, zeolite, zirconium and the like can be used.

〔接続層〕
接続層としては、異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic ConductiveFilm)や、異方性導電ペースト(ACP:Anisotropic ConductivePaste)などを用いることができる。
[Connection layer]
As the connecting layer, an anisotropic conductive film (ACF: Anisotropic Conducive Film), an anisotropic conductive paste (ACP: Anisotropic Conducive Paste), or the like can be used.

〔着色層〕
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料などが挙げられる。
[Colored layer]
Examples of the material that can be used for the colored layer include a metal material, a resin material, a resin material containing a pigment or a dye, and the like.

〔遮光層〕
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。また、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。
[Shading layer]
Examples of the material that can be used as the light-shielding layer include carbon black, titanium black, metal, metal oxide, and composite oxide containing a solid solution of a plurality of metal oxides. The light-shielding layer may be a film containing a resin material or a thin film of an inorganic material such as metal. Further, as the light-shielding layer, a laminated film of a film containing a material of a colored layer can also be used. For example, a laminated structure of a film containing a material used for a colored layer that transmits light of a certain color and a film containing a material used for a colored layer that transmits light of another color can be used. By using the same material for the colored layer and the light-shielding layer, it is preferable because the device can be shared and the process can be simplified.

以上が各構成要素についての説明である。 The above is a description of each component.

<作製方法例>
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。
<Example of manufacturing method>
Here, an example of a method for manufacturing a display panel using a flexible substrate will be described.

ここでは、表示素子、回路、配線、電極、着色層や遮光層などの光学部材、及び絶縁層等が含まれる層をまとめて素子層と呼ぶこととする。例えば、素子層は表示素子を含み、表示素子の他に表示素子と電気的に接続する配線、画素や回路に用いるトランジスタなどの素子を備えていてもよい。 Here, a layer including a display element, a circuit, a wiring, an electrode, an optical member such as a coloring layer or a light-shielding layer, and an insulating layer is collectively referred to as an element layer. For example, the element layer includes a display element, and may include elements such as wiring, pixels, and transistors used in circuits, which are electrically connected to the display element, in addition to the display element.

また、ここでは、表示素子が完成した(作製工程が終了した)段階において、素子層を支持し、可撓性を有する部材のことを、基板と呼ぶこととする。例えば、基板には、厚さが10nm以上300μm以下の、極めて薄いフィルム等も含まれる。 Further, here, a member that supports the element layer and has flexibility at the stage when the display element is completed (the manufacturing process is completed) is referred to as a substrate. For example, the substrate also includes an extremely thin film having a thickness of 10 nm or more and 300 μm or less.

可撓性を有し、絶縁表面を備える基板上に素子層を形成する方法としては、代表的には以下に挙げる2つの方法がある。一つは、基板上に直接、素子層を形成する方法である。もう一つは、基板とは異なる支持基材上に素子層を形成した後、素子層と支持基材を剥離し、素子層を基板に転置する方法である。なお、ここでは詳細に説明しないが、上記2つの方法に加え、可撓性を有さない基板上に素子層を形成し、当該基板を研磨等により薄くすることで可撓性を持たせる方法もある。 As a method of forming an element layer on a substrate having flexibility and having an insulating surface, there are typically the following two methods. One is a method of forming an element layer directly on the substrate. The other is a method in which the element layer is formed on a support base material different from the substrate, the element layer and the support base material are peeled off, and the element layer is transposed to the substrate. Although not described in detail here, in addition to the above two methods, a method of forming an element layer on a non-flexible substrate and thinning the substrate by polishing or the like to give flexibility. There is also.

基板を構成する材料が、素子層の形成工程にかかる熱に対して耐熱性を有する場合には、基板上に直接、素子層を形成すると、工程が簡略化されるため好ましい。このとき、基板を支持基材に固定した状態で素子層を形成すると、装置内、及び装置間における搬送が容易になるため好ましい。 When the material constituting the substrate has heat resistance to the heat applied to the element layer forming process, it is preferable to form the element layer directly on the substrate because the process is simplified. At this time, it is preferable to form the element layer in a state where the substrate is fixed to the supporting base material because it is easy to carry the element layer in and between the devices.

また、素子層を支持基材上に形成した後に、基板に転置する方法を用いる場合、まず支持基材上に剥離層と絶縁層を積層し、当該絶縁層上に素子層を形成する。続いて、支持基材と素子層の間で剥離し、素子層を基板に転置する。このとき、支持基材と剥離層の界面、剥離層と絶縁層の界面、または剥離層中で剥離が生じるような材料を選択すればよい。この方法では、支持基材や剥離層に耐熱性の高い材料を用いることで、素子層を形成する際にかかる温度の上限を高めることができ、より信頼性の高い素子を有する素子層を形成できるため、好ましい。 Further, when the method of transferring the element layer to the substrate after forming the element layer on the support base material is used, first, the release layer and the insulating layer are laminated on the support base material, and the element layer is formed on the insulating layer. Subsequently, it is peeled off between the support base material and the element layer, and the element layer is transposed to the substrate. At this time, a material that causes peeling at the interface between the support base material and the release layer, the interface between the release layer and the insulating layer, or the release layer may be selected. In this method, by using a material having high heat resistance for the supporting base material and the release layer, the upper limit of the temperature applied when forming the element layer can be raised, and the element layer having a more reliable element is formed. It is preferable because it can be done.

例えば剥離層として、タングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁層として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを複数積層した層を用いることが好ましい。 For example, as the release layer, a layer containing a refractory metal material such as tungsten and a layer containing an oxide of the metal material are laminated and used, and as an insulating layer on the release layer, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, It is preferable to use a layer in which a plurality of layers such as silicon nitride are laminated.

素子層と支持基材とを剥離する方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエッチングすること、または剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられる。または、剥離界面を形成する2層の熱膨張係数の違いを利用し、加熱または冷却することにより剥離を行ってもよい。 Examples of the method of peeling the element layer and the supporting base material include applying a mechanical force, etching the peeling layer, and infiltrating a liquid into the peeling interface. Alternatively, the peeling may be performed by heating or cooling by utilizing the difference in the coefficient of thermal expansion of the two layers forming the peeling interface.

また、支持基材と絶縁層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。 Further, if peeling is possible at the interface between the supporting base material and the insulating layer, the peeling layer may not be provided.

例えば、支持基材としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用いることができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、または鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離の起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂としては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適である。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光であることが好ましい。例えば波長が200nm以上400nm以下の光、好ましくは波長が250nm以上350nm以下の光を用いることができる。特に、波長308nmのエキシマレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Nd:YAGレーザの第三高調波である波長355nmのUVレーザなどの固体UVレーザ(半導体UVレーザともいう)を用いてもよい。 For example, glass can be used as the supporting base material, and an organic resin such as polyimide can be used as the insulating layer. At this time, a part of the organic resin is locally heated by using a laser beam or the like, or a part of the organic resin is physically cut or penetrated by a sharp member to form a starting point of peeling. Peeling may be performed at the interface between the glass and the organic resin. Further, as the above-mentioned organic resin, it is preferable to use a photosensitive material because it is easy to form a shape such as an opening. Further, the laser light is preferably light in the wavelength range from visible light to ultraviolet light, for example. For example, light having a wavelength of 200 nm or more and 400 nm or less, preferably light having a wavelength of 250 nm or more and 350 nm or less can be used. In particular, it is preferable to use an excimer laser having a wavelength of 308 nm because it is excellent in productivity. Further, a solid-state UV laser (also referred to as a semiconductor UV laser) such as a UV laser having a wavelength of 355 nm, which is the third harmonic of the Nd: YAG laser, may be used.

または、支持基材と有機樹脂からなる絶縁層の間に発熱層を設け、当該発熱層を加熱することにより、当該発熱層と絶縁層の界面で剥離を行ってもよい。発熱層としては、電流を流すことにより発熱する材料、光を吸収することにより発熱する材料、磁場を印加することにより発熱する材料など、様々な材料を用いることができる。例えば発熱層としては、半導体、金属、絶縁体から選択して用いることができる。 Alternatively, a heat generating layer may be provided between the supporting base material and the insulating layer made of an organic resin, and the heat generating layer may be heated to perform peeling at the interface between the heat generating layer and the insulating layer. As the heat generating layer, various materials such as a material that generates heat by passing an electric current, a material that generates heat by absorbing light, and a material that generates heat by applying a magnetic field can be used. For example, the heat generating layer can be selected from semiconductors, metals, and insulators.

なお、上述した方法において、有機樹脂からなる絶縁層は、剥離後に基板として用いることができる。 In the above method, the insulating layer made of an organic resin can be used as a substrate after peeling.

以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。 The above is the description of the method for producing a flexible display panel.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in combination with at least a part thereof as appropriate with other embodiments described in the present specification.

本実施例では、各種測定方法を用い、基板上に成膜した本発明の一態様である金属酸化物について測定を行った結果について説明する。なお、本実施例においては、試料1Aを作製した。 In this example, the result of measuring the metal oxide which is one aspect of the present invention formed on the substrate by using various measuring methods will be described. In this example, sample 1A was prepared.

<試料の構成と作製方法>
以下では、本発明の一態様に係る試料1Aについて説明する。試料1Aは、基板と、基板上の金属酸化物と、を有する。
<Sample composition and preparation method>
Hereinafter, the sample 1A according to one aspect of the present invention will be described. Sample 1A has a substrate and a metal oxide on the substrate.

次に、試料1Aの作製方法について、説明する。 Next, a method for producing sample 1A will be described.

まず、基板として、ガラス基板を用いた。続いて、スパッタリング装置を用いて、基板上に金属酸化物として、厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を形成した。成膜条件は、基板温度を130℃とし、スパッタガスとして酸素(O)流量を30sccm、およびアルゴン(Ar)流量を270sccmとすることで、酸素流量比を10%とした。また、チャンバー内の圧力を0.6Paとし、ターゲットには、金属酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いた。また、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに2500WのAC電力を供給することで、金属酸化物を成膜した。 First, a glass substrate was used as the substrate. Subsequently, using a sputtering apparatus, an In-Ga-Zn oxide having a thickness of 100 nm was formed as a metal oxide on the substrate. The film forming conditions were such that the substrate temperature was 130 ° C., the oxygen (O 2 ) flow rate as the sputter gas was 30 sccm, and the argon (Ar) flow rate was 270 sccm, so that the oxygen flow rate ratio was 10%. The pressure in the chamber was 0.6 Pa, and a metal oxide target (In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio]) was used as the target. Further, a metal oxide was formed by supplying 2500 W of AC power to the metal oxide target installed in the sputtering apparatus.

以上の工程により、本実施例の試料1Aを作製した。 By the above steps, sample 1A of this example was prepared.

<X線回折による解析>
本項目では、ガラス基板上の金属酸化物を、X線回折(XRD:X−raydiffraction)測定を行った結果について説明する。なお、XRD装置として、Bruker社製D8ADVANCEを用いた。また、条件は、Out−of−plane法によるθ/2θスキャンにて、走査範囲を15deg.乃至50deg.、ステップ幅を0.02deg.、走査速度を3.0deg./分とした。
<Analysis by X-ray diffraction>
In this item, the result of performing X-ray diffraction (XRD) measurement on the metal oxide on the glass substrate will be described. As the XRD apparatus, D8ADVANCE manufactured by Bruker was used. In addition, the condition was a θ / 2θ scan by the Out-of-plane method, and the scanning range was set to 15 deg. To 50 deg. , Step width is 0.02 deg. , Scanning speed is 3.0 deg. / Minute.

図18に、Out−of−plane法を用いてXRDスペクトルを測定した結果を示す。 FIG. 18 shows the results of measuring the XRD spectrum using the Out-of-plane method.

図18に示すXRDスペクトルは、わずかに2θ=31°付近のピーク強度が検出された。なお、2θ=31°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してc軸に配向した結晶性In−Ga−Zn酸化物(CAAC−IGZOともいう。)であることに由来することが分かっている。 In the XRD spectrum shown in FIG. 18, a peak intensity near 2θ = 31 ° was detected. The peak near 2θ = 31 ° is derived from the crystalline In-Ga-Zn oxide (also referred to as CAAC-IGZO) oriented in the c-axis in the direction substantially perpendicular to the surface to be formed or the upper surface. I know I will.

従って、試料1Aは、CAAC−IGZOとなる領域を有することが確認できた。 Therefore, it was confirmed that sample 1A has a region that becomes CAAC-IGZO.

<TEM像および電子線回折>
本項目では、試料1Aを、HAADF(High−AngleAnnularDarkField)−STEM(ScanningTransmissionElectronMicroscope)によって観察、および解析した結果について説明する(以下、HAADF−STEMによって取得した像は、TEM像ともいう。)。
<TEM image and electron diffraction>
In this item, the result of observing and analyzing Sample 1A by HAADF (High-AngleAnnularDarkField) -STEM (ScanningTransmission Electron Microscope) will be described (hereinafter, the image acquired by HAADF-STEM is also referred to as a TEM image).

なお、TEM像は、球面収差補正機能を用いて観察した。また、HAADF−STEM像の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いて、加速電圧200kV、ビーム径約0.1nmφの電子線を照射して行った。 The TEM image was observed using the spherical aberration correction function. The HAADF-STEM image was photographed by irradiating an electron beam with an accelerating voltage of 200 kV and a beam diameter of about 0.1 nmφ using an atomic resolution analysis electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

また、本項目では、試料1Aをプローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで、電子線回折パターンを取得した結果について説明する。 Further, in this item, the result of acquiring an electron beam diffraction pattern by irradiating the sample 1A with an electron beam having a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam) will be described.

また、電子線回折パターンの観察は、電子線を照射しながら0秒の位置から35秒の位置まで一定の速度で移動させながら行った。 In addition, the electron diffraction pattern was observed while irradiating the electron beam and moving the electron beam from the position of 0 seconds to the position of 35 seconds at a constant speed.

図19(A)に試料1Aの断面におけるTEM像(以下、断面TEMともいう)を示す。 FIG. 19A shows a TEM image of the cross section of the sample 1A (hereinafter, also referred to as a cross section TEM).

ここで、例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られることが分かっている。つまり、CAAC−OSは、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、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、CAAC−OSは、a軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。 Here, for example, when an electron beam having a probe diameter of 300 nm is incident on CAAC-OS having a crystal of InGaZnO 4 in parallel with the sample surface, a spot caused by the (009) plane of the crystal of InGaZnO 4 is included. It is known that a diffraction pattern can be seen. That is, it can be seen that CAAC-OS has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the surface to be formed or the upper surface. On the other hand, when an electron beam having a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. That is, it can be seen that the CAAC-OS has no orientation on the a-axis and the b-axis.

また、微結晶を有する金属酸化物(特に、半導体と同等の機能を有する場合に、nanocrystallineoxidesemiconductorとする。以下、nc−OSという。)に対し、大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。また、微結晶を有する金属酸化物に対し、小さいプローブ径の電子線(例えば50nm未満)を用いるナノビーム電子線回折を行うと、輝点(スポット)が観測される。また、微結晶を有する金属酸化物に対しナノビーム電子線回折を行うと、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。さらに、リング状の領域に複数の輝点が観測される場合がある。 Further, an electron beam having a large probe diameter (for example, 50 nm or more) is used for a metal oxide having microcrystals (particularly, when it has a function equivalent to that of a semiconductor, it is referred to as a nanodiffraction linear diffraction; hereinafter referred to as nc-OS). When electron diffraction is performed, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on a metal oxide having microcrystals using an electron beam having a small probe diameter (for example, less than 50 nm), a bright spot is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on a metal oxide having microcrystals, a region having high brightness (in a ring shape) may be observed in a circular motion. Furthermore, a plurality of bright spots may be observed in the ring-shaped region.

試料1Aは、図19(A)に示すように、断面TEM観察結果より、CAAC構造、および微結晶(nanocrystal。以下、ncともいう)が観察された。また、図19(B)に示すように、試料1Aに対する電子解析パターンの結果は、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測できた。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できた。また、(009)面に起因するスポットが含まれる回折パターンもわずかに見られた。 As shown in FIG. 19A, the sample 1A had a CAAC structure and microcrystals (nanocrystal, also referred to as nc) observed from the cross-sectional TEM observation results. Further, as shown in FIG. 19B, as a result of the electronic analysis pattern for the sample 1A, a region having high brightness could be observed in a circular motion (ring shape). In addition, multiple spots could be observed in the ring-shaped region. In addition, a few diffraction patterns including spots due to the (009) plane were also observed.

なお、上述したような断面TEM像および平面TEM像において観察される特徴は、金属酸化物の構造を一面的に捉えたものである。 The features observed in the cross-sectional TEM image and the planar TEM image as described above are one-sided captures of the structure of the metal oxide.

従って、試料1Aは、nc構造とCAAC構造との少なくとも二種の結晶構造を有する複合材であり、アモルファス構造の金属酸化物とも、単結晶構造の金属酸化物とも明確に異なる性質を有することが分かった。 Therefore, sample 1A is a composite material having at least two types of crystal structures, an nc structure and a CAAC structure, and may have properties that are clearly different from those of an amorphous metal oxide and a single crystal metal oxide. Do you get it.

以上より、試料1Aの電子線回折パターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点を有する。従って、試料1Aは、電子線回折パターンが、微結晶、およびCAAC構造を有する金属酸化物になり、平面方向、および断面方向において、配向性は有さないことが分かった。 From the above, the electron diffraction pattern of sample 1A has a ring-shaped region having high brightness and a plurality of bright spots in the ring region. Therefore, it was found that the electron diffraction pattern of Sample 1A was microcrystals and metal oxides having a CAAC structure, and had no orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.

<TEM像の画像解析>
本項目では、試料1Aを、HAADF−STEMによって観察、および解析した結果について、図21を用いて説明する。
<Image analysis of TEM image>
In this item, the results of observing and analyzing sample 1A by HAADF-STEM will be described with reference to FIG.

以下では、平面におけるTEM像(以下、平面TEMともいう)の画像解析を行った結果について説明する。図21(A)には、試料1Aの平面TEM像を、図21(B)には、平面TEM像を画像処理した像を示す。 Hereinafter, the results of image analysis of a TEM image on a plane (hereinafter, also referred to as a plane TEM) will be described. FIG. 21 (A) shows a flat TEM image of the sample 1A, and FIG. 21 (B) shows an image of the flat TEM image processed.

画像処理、および画像解析の方法について説明する。まず、画像処理として、図21に示す平面TEM像を高速フーリエ変換(FFT:FastFourierTransform)処理することでFFT像を取得した。次に、取得したFFT像を、2.8nm−1から5.0nm−1の範囲を残してマスク処理を行った。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:InverseFastFourierTransform)処理することでFFTフィルタリング像を取得した。 The method of image processing and image analysis will be described. First, as image processing, an FFT image was obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on the planar TEM image shown in FIG. 21. Next, an FFT image obtained was subjected to mask processing, leaving the scope of 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the masked FFT image was subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an FFT filtering image.

画像解析として、まず、FFTフィルタリング像から格子点を抽出した。格子点の抽出は、以下の手順で行った。まず、FFTフィルタリング像のノイズを除去する処理を行った。ノイズを除去する処理として、半径0.05nmの範囲における輝度を下式によって平滑化した。 As an image analysis, first, grid points were extracted from the FFT filtering image. The grid points were extracted according to the following procedure. First, a process of removing noise from the FFT filtering image was performed. As a process for removing noise, the brightness in a radius of 0.05 nm was smoothed by the following equation.

ここで、S_Int(x,y)は座標(x,y)における平滑化された輝度を示し、rは座標(x,y)と座標(x’,y’)との距離を示し、Int(x’,y’)は、座標(x’,y’)における輝度を示す。なお、rが0のときは、rを1として計算した。 Here, S_Int (x, y) indicates the smoothed brightness at the coordinates (x, y), r indicates the distance between the coordinates (x, y) and the coordinates (x', y'), and Int ( x', y') indicates the brightness at the coordinates (x', y'). When r was 0, r was set to 1 for calculation.

次に、格子点の探索を行った。格子点の条件は、半径0.22nm内の全ての格子点候補よりも輝度が高い座標とした。ここでは、格子点候補が抽出された。なお、半径0.22nm内であれば、ノイズによる格子点の誤検出の頻度を小さくすることができる。また、TEM像では格子点間に一定の距離があるため、半径0.22nm内には二つ以上の格子点が含まれる可能性は低い。 Next, the grid points were searched. The grid point conditions were coordinates with higher brightness than all grid point candidates within a radius of 0.22 nm. Here, grid point candidates were extracted. If the radius is within 0.22 nm, the frequency of false detection of grid points due to noise can be reduced. Further, since there is a certain distance between the grid points in the TEM image, it is unlikely that two or more grid points are included in the radius of 0.22 nm.

次に、抽出された格子点候補を中心に、半径0.22nm内で最も輝度の高い座標を抽出し、格子点候補を更新した。格子点候補の抽出を繰り返し、新たな格子点候補が現れなくなったときの座標を格子点として認定した。同様に、認定された格子点から0.22nmよりも離れた位置において、新たな格子点の認定を行うことで、全ての範囲で格子点を認定した。得られた複数の格子点は、まとめて格子点群と呼ぶ。 Next, the coordinates with the highest brightness within a radius of 0.22 nm were extracted centering on the extracted grid point candidates, and the grid point candidates were updated. The extraction of grid point candidates was repeated, and the coordinates when new grid point candidates did not appear were recognized as grid points. Similarly, at a position more than 0.22 nm away from the certified grid points, the grid points were certified in the entire range by performing the certification of new grid points. The obtained plurality of grid points are collectively referred to as a grid point group.

次に、抽出した格子点群から六角形格子の角度を導出する方法について、図20(A)、図20(B)および図20(C)に示す模式図、ならびに図20(D)に示すフローチャートを用いて説明する。まず、基準格子点を定め、その最近接である6点の近接格子点を結び、六角形格子を形成した(図20(A)、図20(D)ステップS101参照。)。その後、該六角形格子の中心点である基準格子点から頂点である各格子点までの距離の平均値Rを導出した。算出したRを各頂点までの距離とし、基準格子点を中心点とした正六角形を形成した(図20(D)ステップS102参照。)。このとき、正六角形の各頂点と、それぞれに最も近い近接格子点との距離を距離d1、距離d2、距離d3、距離d4、距離d5および距離d6とする(図20(D)ステップS103参照。)。次に、正六角形を、中心点を基準に0.1°刻みで0°から60°まで回転させ、回転した正六角形と六角形格子との平均のずれ[D=(d1+d2+d3+d4+d5+d6)/6]を算出した(図20(D)ステップS104参照。)。そして、平均のずれDが最小となるときの正六角形の回転角度θを求め、六角形格子の角度とした(図20(D)ステップS105)。 Next, the method of deriving the angle of the hexagonal grid from the extracted grid point cloud is shown in FIGS. 20 (A), 20 (B), 20 (C), and 20 (D). This will be described using a flowchart. First, a reference grid point was determined, and the six closest grid points were connected to form a hexagonal grid (see steps S101 in FIGS. 20 (A) and 20 (D)). Then, the average value R of the distances from the reference lattice point, which is the center point of the hexagonal lattice, to each lattice point, which is the apex, was derived. The calculated R was used as the distance to each vertex, and a regular hexagon centered on the reference grid point was formed (see step S102 in FIG. 20 (D)). At this time, the distances between the vertices of the regular hexagon and the nearest grid points closest to each are set to distance d1, distance d2, distance d3, distance d4, distance d5, and distance d6 (see step S103 in FIG. 20 (D)). ). Next, the regular hexagon is rotated from 0 ° to 60 ° in 0.1 ° increments with respect to the center point, and the average deviation [D = (d1 + d2 + d3 + d4 + d5 + d6) / 6] between the rotated regular hexagon and the hexagonal grid is calculated. Calculated (see step S104 in FIG. 20 (D)). Then, the rotation angle θ of the regular hexagon when the average deviation D is minimized was obtained and used as the angle of the hexagonal grid (step S105 in FIG. 20D).

次に、平面TEM像の観察範囲において、六角形格子の角度が30°となる割合が最も高くなるように調整した。ここで、半径1nmの範囲において、六角形格子の角度の平均値を算出した。続いて、画像処理を経て得られた平面TEM像を、領域が有する六角形格子の角度に応じ、色、または濃淡で表示した。図21に示す平面TEM像を画像処理した像は、図21に示す平面TEM像を上述の方法により画像解析し、六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。つまり平面TEM像を画像処理した像は、平面TEM像のFFTフィルタリング像において、特定波数領域を色分けすることにより、各特定波数領域の格子点の向きを抽出した画像である。 Next, in the observation range of the plane TEM image, the ratio of the hexagonal lattice angle to 30 ° was adjusted to be the highest. Here, the average value of the angles of the hexagonal lattice was calculated in the range of a radius of 1 nm. Subsequently, the planar TEM image obtained through the image processing was displayed in color or shade according to the angle of the hexagonal lattice of the region. The image of the planar TEM image shown in FIG. 21 is an image obtained by image-analyzing the planar TEM image shown in FIG. 21 by the above-mentioned method and showing shading according to the angle of the hexagonal lattice. That is, the image processed from the planar TEM image is an image obtained by extracting the orientation of the grid points of each specific frequency domain by color-coding the specific frequency domain in the FFT filtering image of the planar TEM image.

図21(A)より、試料1Aは、ncが観察された。また、図21(B)より、数nmから数十nmの広範囲にわたり六角形の向きが同じ向きを示す領域(CAAC−OS)と、六角形の向きがランダムであり、モザイク状に分布している領域(nc−OS)とを有することがわかった。 From FIG. 21 (A), nc was observed in sample 1A. Further, from FIG. 21 (B), a region (CAAC-OS) in which the directions of the hexagons show the same direction over a wide range of several nm to several tens of nm and the directions of the hexagons are random and distributed in a mosaic pattern. It was found to have a region (nc-OS).

<元素分析>
本項目では、エネルギー分散型X線分光法(EDX:EnergyDispersiveX−rayspectroscopy)を用い、EDXマッピングを取得し、評価することによって、試料1Aの元素分析を行った結果について説明する。なお、EDX測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型X線分析装置JED−2300Tを用いる。なお、試料から放出されたX線の検出にはSiドリフト検出器を用いる。
<Elemental analysis>
In this section, the result of elemental analysis of sample 1A will be described by acquiring and evaluating EDX mapping using Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). For the EDX measurement, an energy dispersive X-ray analyzer JED-2300T manufactured by JEOL Ltd. is used as an elemental analyzer. A Si drift detector is used to detect the X-rays emitted from the sample.

EDX測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試料の特性X線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するEDXスペクトルを得る。本実施例では、各点のEDXスペクトルのピークを、In原子のL殻への電子遷移、Ga原子のK殻への電子遷移、Zn原子のK殻への電子遷移及びO原子のK殻への電子遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象領域について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたEDXマッピングを得ることができる。 In the EDX measurement, electron beam irradiation is performed at each point in the analysis target region of the sample, and the energy and the number of generations of the characteristic X-ray of the sample generated by this are measured to obtain the EDX spectrum corresponding to each point. In this embodiment, the peak of the EDX spectrum at each point is transferred to the electron transition of the In atom to the L shell, the electron transition of the Ga atom to the K shell, the electron transition of the Zn atom to the K shell, and the electron transition of the O atom to the K shell. It is attributed to the electron transition of, and the ratio of each atom at each point is calculated. By doing this for the analysis target region of the sample, EDX mapping showing the distribution of the ratio of each atom can be obtained.

図22には、試料1Aの断面TEM像、およびEDXマッピングを示す。また、図23には、試料1Aの平面TEM像、およびEDXマッピングを示す。なお、EDXマッピングは、範囲において、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くなるように、明暗で元素の割合を示した。また、図23に示すEDXマッピングの倍率は720万倍とした。 FIG. 22 shows a cross-sectional TEM image of sample 1A and EDX mapping. Further, FIG. 23 shows a planar TEM image of sample 1A and EDX mapping. In the EDX mapping, the ratio of elements was shown in light and dark so that the more the measurement element was, the brighter the image was, and the less the measurement element was, the darker the image. The magnification of the EDX mapping shown in FIG. 23 was set to 7.2 million times.

図22(A)は断面TEM像、図23(A)は平面TEM像である。 22 (A) is a cross-sectional TEM image, and FIG. 23 (A) is a flat TEM image.

図22(B)は断面におけるO原子のEDXマッピング、図23(B)は平面におけるO原子のEDXマッピングである。なお、図22(B)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するO原子の比率は、32.76乃至73.08[atomic%]の範囲とした。図23(B)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するO原子の比率は、21.57乃至61.56[atomic%]の範囲とした。 FIG. 22B is an EDX mapping of O atoms in a cross section, and FIG. 23B is an EDX mapping of O atoms in a plane. The ratio of O atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 22 (B) was in the range of 32.76 to 73.08 [atomic%]. The ratio of O atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 23 (B) was in the range of 21.57 to 61.56 [atomic%].

図22(C)は断面におけるZn原子のEDXマッピング、図23(C)は平面におけるZn原子のEDXマッピングである。なお、図22(C)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するZn原子の比率は、6.13乃至28.45[atomic%]の範囲とした。図23(C)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するZn原子の比率は、7.5乃至31.90[atomic%]の範囲とした。 FIG. 22C is an EDX mapping of Zn atoms in a cross section, and FIG. 23C is an EDX mapping of Zn atoms in a plane. The ratio of Zn atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 22C was in the range of 6.13 to 28.45 [atomic%]. The ratio of Zn atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 23 (C) was in the range of 7.5 to 31.90 [atomic%].

図22(D)は断面におけるGa原子のEDXマッピング、図23(D)は平面におけるGa原子のEDXマッピングである。なお、図22(D)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するGa原子の比率は、0.00乃至21.14[atomic%]の範囲とした。図23(D)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するGa原子の比率は、1.28乃至23.63[atomic%]の範囲とした。 FIG. 22 (D) is an EDX mapping of Ga atoms in a cross section, and FIG. 23 (D) is an EDX mapping of Ga atoms in a plane. The ratio of Ga atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 22 (D) was in the range of 0.00 to 21.14 [atomic%]. The ratio of Ga atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 23 (D) was in the range of 1.28 to 23.63 [atomic%].

図22(E)は断面におけるIn原子のEDXマッピング、図23(E)は平面におけるIn原子のEDXマッピングである。なお、図22(E)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するIn原子の比率は、9.61乃至40.10[atomic%]の範囲とした。図23(E)に示すEDXマッピングにおける全原子に対するIn原子の比率は、13.83乃至45.10[atomic%]の範囲とした。 FIG. 22 (E) is an EDX mapping of In atoms in a cross section, and FIG. 23 (E) is an EDX mapping of In atoms in a plane. The ratio of In atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 22 (E) was in the range of 9.61 to 40.10 [atomic%]. The ratio of In atoms to all atoms in the EDX mapping shown in FIG. 23 (E) was in the range of 13.83 to 45.10 [atomic%].

図22(A)、図22(B)、図22(C)、図22(D)、図23(A)、図23(B)、および図23(D)に示すEDXマッピングでは、画像に相対的な明暗の分布が見られ、試料1Aにおいて、各原子が分布を持って存在している様子が確認できた。 In the EDX mapping shown in FIGS. 22 (A), 22 (B), 22 (C), 22 (D), 23 (A), 23 (B), and 23 (D), the image is shown. A relative light-dark distribution was observed, and it was confirmed that each atom had a distribution in sample 1A.

また、図22(A)、図22(B)、図22(C)、図22(D)、図23(A)、図23(B)、および図23(D)において各原子が偏在している領域のサイズは、0.5nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下で観察された。 Further, the atoms are unevenly distributed in FIGS. 22 (A), 22 (B), 22 (C), 22 (D), 23 (A), 23 (B), and 23 (D). The size of the region was observed at 0.5 nm or more and 10 nm or less, or 1 nm or more and 3 nm or less.

以上より、CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有することが分かった。つまり、CAC−OSは、InGaZnなどが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有することが確認できた。 From the above, it was found that CAC-OS has a structure different from that of the IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has properties different from those of the IGZO compound. That is, the CAC-OS is phase-separated into a region in which In a Ga b Zn c Od or the like is the main component and a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 is the main component, and each element is separated from each other. It was confirmed that the region mainly composed of zinc has a mosaic-like structure.

従って、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、InGaZnなどに起因する性質と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、高い電界効果移動度(μ)、および低いオフ電流(Ioff)を実現することが期待できる。また、CAC−IGZOを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、CAC−OSは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。 Therefore, when CAC-OS is used for a semiconductor element, the properties caused by In a Ga b Zn c Od and the like and the properties caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or In O X1 act in a complementary manner. This can be expected to achieve high on-current (I on ), high field-effect mobility (μ), and low off-current (I off ). Further, the semiconductor element using CAC-IGZO has high reliability. Therefore, CAC-OS is most suitable for various semiconductor devices such as displays.

本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、または他の実施例と適宜組み合わせて実施することができる。 This example can be carried out at least in part in combination with other embodiments described herein or in combination with other examples as appropriate.

本実施例では、本発明の一態様である、金属酸化物108を有するトランジスタ150を作製し、電気特性および信頼性試験を行った。なお、本実施例においては、金属酸化物108を有するトランジスタ150として、試料2Aを作製した。 In this example, a transistor 150 having a metal oxide 108, which is one aspect of the present invention, was produced and tested for electrical characteristics and reliability. In this example, sample 2A was prepared as the transistor 150 having the metal oxide 108.

<試料の構成と作製方法>
以下では、本発明の一態様に係る試料2Aについて説明する。試料2Aとして、実施の形態2、および図9乃至図11で説明した作成方法により、図6の構造を有するトランジスタ150を作製した。
<Sample composition and preparation method>
Hereinafter, the sample 2A according to one aspect of the present invention will be described. As sample 2A, a transistor 150 having the structure of FIG. 6 was produced by the production method described in the second embodiment and FIGS. 9 to 11.

なお、試料2Aは、実施の形態2にて説明した作製方法により作製した。また、金属酸化物108の成膜工程において、成膜条件は、基板温度を130℃とし、スパッタガスとして酸素(O)流量を30sccm、およびアルゴン(Ar)流量を270sccmとすることで、酸素流量比を10%とした。また、チャンバー内の圧力を0.6Paとし、ターゲットには、金属酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いた。また、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに2500WのAC電力を供給した。 The sample 2A was prepared by the production method described in the second embodiment. Further, in the film forming process of the metal oxide 108, the film forming conditions are such that the substrate temperature is 130 ° C., the oxygen (O 2 ) flow rate as the sputter gas is 30 sccm, and the argon (Ar) flow rate is 270 sccm. The flow rate ratio was set to 10%. The pressure in the chamber was 0.6 Pa, and a metal oxide target (In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio]) was used as the target. Further, 2500 W of AC power was supplied to the metal oxide target installed in the sputtering apparatus.

なお、トランジスタ150のチャネル長は2μm、チャネル幅は3μm(以下、L/W=2/3μmともいう)、またはチャネル長は2μm、チャネル幅は50μm(以下、L/W=2/50μmともいう)とした。 The channel length of the transistor 150 is 2 μm and the channel width is 3 μm (hereinafter, also referred to as L / W = 2/3 μm), or the channel length is 2 μm and the channel width is 50 μm (hereinafter, also referred to as L / W = 2/50 μm). ).

<トランジスタの電気特性>
次に、上記作製した試料2Aのトランジスタ(L/W=2/3μm)の電気特性を測定した。測定結果を図24に示す。
<Electrical characteristics of transistors>
Next, the electrical characteristics of the transistor (L / W = 2/3 μm) of the prepared sample 2A were measured. The measurement result is shown in FIG.

なお、トランジスタのId−Vg特性の測定条件としては、第1のゲート電極として機能する導電膜112に印加する電圧(以下、ゲート電圧(Vg)ともいう)、及び第2のゲート電極として機能する導電膜106に印加する電圧(Vbg)ともいう)を、−10Vから+10Vまで0.25Vのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜120aに印加する電圧(以下、ソース電圧(V)ともいう)を0V(comm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜120bに印加する電圧(以下、ドレイン電圧(Vd)ともいう)を、0.1V及び20Vとした。 As the measurement conditions for the Id-Vg characteristic of the transistor, the voltage applied to the conductive film 112 that functions as the first gate electrode (hereinafter, also referred to as the gate voltage (Vg)) and the function as the second gate electrode. The voltage (also referred to as Vbg) applied to the conductive film 106 was applied in steps of 0.25 V from −10 V to + 10 V. Further, the voltage applied to the conductive film 120a functioning as a source electrode (hereinafter, a source voltage (referred to V s) and also) and 0V (comm), the voltage applied to the conductive film 120b functioning as a drain electrode (hereinafter, the drain voltage (Also referred to as (Vd)) was 0.1 V and 20 V.

[トランジスタのId−Vg特性]
ここで、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性(Id−Vg特性)について説明する。図25(A)はトランジスタのId−Vg特性の一例を説明する図である。なお、図25(A)において、理解を簡単にするためにトランジスタの活性層には、多結晶シリコンを用いた場合を想定している。また、図25(A)において、縦軸がIdを横軸がVgをそれぞれ表す。
[Transistor Id-Vg characteristics]
Here, the drain current-gate voltage characteristic (Id-Vg characteristic) of the transistor will be described. FIG. 25A is a diagram illustrating an example of the Id-Vg characteristic of the transistor. In FIG. 25A, it is assumed that polycrystalline silicon is used as the active layer of the transistor for the sake of simplicity. Further, in FIG. 25A, the vertical axis represents Id and the horizontal axis represents Vg.

図25(A)に示すように、Id−Vg特性は、大きく分けて3つの領域に分けられる。1つ目の領域をオフ領域(OFFregion)と、2つ目の領域をサブスレッショルド領域(subthresholdregion)と、3つ目の領域をオン領域(ONrigion)と、それぞれ呼称する。また、サブスレッショルド領域とオン領域との境界のゲート電圧をしきい値電圧(Vth)と呼称する。 As shown in FIG. 25 (A), the Id-Vg characteristic can be roughly divided into three regions. The first region is referred to as an OFF region, the second region is referred to as a subthreshold region, and the third region is referred to as an ON region. Further, the gate voltage at the boundary between the subthreshold region and the on region is referred to as a threshold voltage (Vth).

トランジスタの特性としては、オフ領域のドレイン電流(オフ電流またはIoffともいう)が低く、オン領域のドレイン電流(オン電流またはIonともいう)が高い方が望ましい。なお、トランジスタのオン電流については、電界効果移動度を指標とする場合が多い。電界効果移動度の詳細については後述する。 As the characteristics of the transistor, it is desirable that the drain current in the off region (also referred to as off current or If) is low and the drain current in the on region (also referred to as on current or Ion) is high. The field-effect mobility is often used as an index for the on-current of the transistor. The details of the field effect mobility will be described later.

また、トランジスタを低い電圧で駆動させるためには、サブスレッショルド領域でのId−Vg特性の傾きが急峻である方が望ましい。サブスレッショルド領域のId−Vg特性の変化の大きさを表わす指標として、SS(subthresholdswing)またはS値などと呼称される。なお、S値は、以下の式(1)で表される。 Further, in order to drive the transistor at a low voltage, it is desirable that the slope of the Id-Vg characteristic in the subthreshold region is steep. As an index showing the magnitude of the change in the Id-Vg characteristic of the subthreshold region, it is called SS (subthresholdswing) or S value. The S value is represented by the following equation (1).

S値は、サブスレッショルド領域において、ドレイン電流が1桁変化するのに必要なゲート電圧の変化量の最小値である。S値が小さいほど、オンとオフとのスイッチング動作を急峻に行うことができる。 The S value is the minimum value of the amount of change in the gate voltage required for the drain current to change by an order of magnitude in the subthreshold region. The smaller the S value, the steeper the switching operation between on and off can be performed.

[トランジスタのId−Vd特性]
次に、トランジスタのドレイン電流−ドレイン電圧特性(Id−Vd特性)について説明する。図25(B)はトランジスタのId−Vd特性の一例を説明する図である。また、図25(B)において、縦軸がIdを横軸がVdをそれぞれ表す。
[Transistor Id-Vd characteristics]
Next, the drain current-drain voltage characteristic (Id-Vd characteristic) of the transistor will be described. FIG. 25B is a diagram illustrating an example of the Id-Vd characteristic of the transistor. Further, in FIG. 25B, the vertical axis represents Id and the horizontal axis represents Vd.

図25(B)に示すように、オン領域は、さらに2つの領域に分けられる。1つ目の領域を線形領域(Linearregion)と、2つ目の領域を飽和領域(Satureationregion)と、それぞれ呼称する。線形領域は、ドレイン電流がドレイン電圧の上昇に伴って放物線状に大きくなる。一方で飽和領域は、ドレイン電圧が変化してもドレイン電流が大きく変化しない。なお、真空管に準じて、線形領域を3極管領域と、飽和領域を5極管領域と、それぞれ呼称する場合がある。 As shown in FIG. 25 (B), the on region is further divided into two regions. The first region is referred to as a linear region, and the second region is referred to as a saturation region. In the linear region, the drain current increases in a parabolic manner as the drain voltage rises. On the other hand, in the saturated region, the drain current does not change significantly even if the drain voltage changes. According to the vacuum tube, the linear region may be referred to as a triode region and the saturated region may be referred to as a pentode region.

また、線形領域とは、Vdに対してVgが大きい(Vd<Vg)状態を指す場合がある。また、飽和領域とは、Vgに対してVdが大きい(Vg<Vd)状態を指す場合がある。ただし、実際には、トランジスタのしきい値電圧を考慮する必要がある。よって、トランジスタのしきい値電圧を差分した値(Vd<Vg−Vth)を線形領域とする場合がある。同様に、トランジスタのしきい値電圧を差分した値(Vg−Vth<Vd)を飽和領域とする場合がある。 Further, the linear region may refer to a state in which Vg is larger than Vd (Vd <Vg). Further, the saturation region may refer to a state in which Vd is larger than Vg (Vg <Vd). However, in practice, it is necessary to consider the threshold voltage of the transistor. Therefore, the value obtained by subtracting the threshold voltage of the transistor (Vd <Vg-Vth) may be set as the linear region. Similarly, the saturation region may be a value obtained by subtracting the threshold voltage of the transistor (Vg-Vth <Vd).

トランジスタのId−Vd特性において、飽和領域の電流が一定であるような特性を、「飽和性が良い」と表現する場合がある。トランジスタの飽和性の良さは、特に有機ELディスプレイへの応用で重要である。例えば、飽和性が良いトランジスタを有機ELディスプレイの画素のトランジスタに用いることで、ドレイン電圧が変化しても画素の明るさの変化を抑制することができる。 In the Id-Vd characteristic of a transistor, a characteristic in which the current in the saturation region is constant may be expressed as "good saturation". Good transistor saturation is especially important in applications to organic EL displays. For example, by using a transistor having good saturation as a transistor of a pixel of an organic EL display, it is possible to suppress a change in the brightness of the pixel even if the drain voltage changes.

[ドレイン電流の解析モデル]
次に、ドレイン電流の解析モデルについて説明する。ドレイン電流の解析モデルとしては、Gradualchannel近似(GCA)に基づくドレイン電流の解析式が知られている。GCAに基づくとトランジスタのドレイン電流は、以下の式(2)で表される。
[Drain current analysis model]
Next, an analysis model of the drain current will be described. As an analysis model of the drain current, an analysis formula of the drain current based on the Global channel approximation (GCA) is known. Based on GCA, the drain current of the transistor is represented by the following equation (2).

数式(2)において、上が線形領域におけるドレイン電流の式であり、下が飽和領域におけるドレイン電流の式である。数式(2)において、Idはドレイン電流、μは活性層の移動度、Lはトランジスタのチャネル長、Wはトランジスタのチャネル幅、Coxはゲート容量、Vgはゲート電圧、Vdはドレイン電圧、Vthはトランジスタのしきい値電圧を、それぞれ表す。 In the formula (2), the upper part is the formula of the drain current in the linear region, and the lower part is the formula of the drain current in the saturated region. In formula (2), Id is the drain current, μ is the mobility of the active layer, L is the transistor channel length, W is the transistor channel width, Cox is the gate capacitance, Vg is the gate voltage, Vd is the drain voltage, and Vth is. Represents the threshold voltage of each transistor.

[電界効果移動度]
次に、電界効果移動度について説明する。トランジスタの電流駆動力の指標として、電界効果移動度が用いられる。上述したように、トランジスタのオン領域は線形領域と飽和領域に分かれる。それぞれの領域の特性から、GCAに基づくドレイン電流の解析式に基づいてトランジスタの電界効果移動度を算出することができる。区別する必要のあるときは、それぞれ線形移動度(Linearmobility)、飽和移動度(Saturationmobility)と呼ばれる。線形移動度は、以下の式(3)で表され、飽和移動度は、以下の式(4)で表される。
[Electric field effect mobility]
Next, the electric field effect mobility will be described. The field effect mobility is used as an index of the current driving force of the transistor. As described above, the on region of the transistor is divided into a linear region and a saturated region. From the characteristics of each region, the field effect mobility of the transistor can be calculated based on the analysis formula of the drain current based on GCA. When it is necessary to distinguish between them, they are called linear mobility and saturation mobility, respectively. The linear mobility is represented by the following equation (3), and the saturated mobility is represented by the following equation (4).

本明細書等においては、式(3)及び式(4)から算出される曲線を、移動度曲線と呼称する。図26に、GCAに基づくドレイン電流の解析式から計算した移動度曲線を示す。なお、図26では、GCAが有効であるとした場合のVd=10VのId−Vg特性と、線形移動度及び飽和移動度の移動度曲線とを、それぞれ重ねて示している。 In the present specification and the like, the curves calculated from the equations (3) and (4) are referred to as mobility curves. FIG. 26 shows the mobility curve calculated from the analysis formula of the drain current based on GCA. In FIG. 26, the Id-Vg characteristic of Vd = 10V when GCA is effective and the mobility curves of the linear mobility and the saturation mobility are shown in an overlapping manner.

図26においては、GCAに基づくドレイン電流の解析式からId−Vg特性を計算している。移動度曲線の形状は、トランジスタの内部の様子を理解するための手がかりとなる。 In FIG. 26, the Id-Vg characteristic is calculated from the analysis formula of the drain current based on GCA. The shape of the mobility curve is a clue to understand the inside of the transistor.

図24に、試料2AのId−Vg特性結果、および電界効果移動度を示す。実線はVdが20Vの時のId、一点鎖線は、Vdが0.1Vの時のIdを示す。また、破線は、電界効果移動度を示す。なお、図24において、第1縦軸がId[A]を、第2縦軸が電界効果移動度(μFE[cm/V])を、横軸がVg[V]を、それぞれ表す。また、電界効果移動度については、Vdを20Vとして測定した値から算出した。 FIG. 24 shows the Id-Vg characteristic result of sample 2A and the field effect mobility. The solid line shows Id when Vd is 20V, and the alternate long and short dash line shows Id when Vd is 0.1V. The broken line indicates the electric field effect mobility. In FIG. 24, the first vertical axis represents Id [A], the second vertical axis represents field effect mobility (μFE [cm 2 / V s ]), and the horizontal axis represents Vg [V]. The field effect mobility was calculated from the value measured with Vd set to 20V.

図24より、試料2Aは、0V付近の立ち上がりがよく、高いオン電流(Ion)を示すことがわかった。また、高い電界効果移動度を有することが分かった。 From FIG. 24, it was found that the sample 2A had a good rise near 0 V and exhibited a high on-current (I on ). It was also found to have high field effect mobility.

従って、本発明の一態様の金属酸化物を、トランジスタに用いることで、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度を有することが分かった。これは、金属酸化物中のキャリア密度が高いことに起因すると推測できる。 Therefore, it was found that the use of the metal oxide of one aspect of the present invention in a transistor has a high on-current ( Ion ) and a high field effect mobility. It can be inferred that this is due to the high carrier density in the metal oxide.

本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、または他の実施例と適宜組み合わせて実施することができる。 This example can be carried out at least in part in combination with other embodiments described herein or in combination with other examples as appropriate.

001領域
002領域
100トランジスタ
102基板
104絶縁膜
106導電膜
108金属酸化物
108a金属酸化物
108i領域
108n領域
110絶縁膜
110_0絶縁膜
112導電膜
112_0導電膜
112_1導電膜
112_2導電膜
116絶縁膜
118絶縁膜
120a導電膜
120b導電膜
122絶縁膜
140マスク
141a開口部
141b開口部
143開口部
150トランジスタ
160トランジスタ
300Aトランジスタ
300Bトランジスタ
300Cトランジスタ
300Dトランジスタ
302基板
304導電膜
306絶縁膜
307絶縁膜
308金属酸化物
312a導電膜
312b導電膜
314絶縁膜
316絶縁膜
318絶縁膜
320a導電膜
320b導電膜
341a開口部
341b開口部
342a開口部
342b開口部
342c開口部
600表示パネル
601トランジスタ
604接続部
605トランジスタ
606トランジスタ
607接続部
612液晶層
613導電膜
617絶縁膜
620絶縁膜
621絶縁膜
623導電膜
631着色層
632遮光膜
633a配向膜
633b配向膜
634着色層
635導電膜
640液晶素子
641接着層
642接着層
643導電膜
644EL層
645a導電膜
645b導電膜
646絶縁膜
647絶縁膜
648導電膜
649接続層
651基板
652導電膜
653半導体膜
654導電膜
655開口
656偏光板
659回路
660発光素子
661基板
662表示部
663導電膜
666配線
672FPC
673IC
681絶縁膜
682絶縁膜
683絶縁膜
684絶縁膜
685絶縁膜
686接続体
687接続部
001 region 002 region 100 transistor 102 substrate 104 insulating film 106 conductive film 108 metal oxide 108a metal oxide 108i region 108n region 110 insulating film 110_0 insulating film 112 conductive film 112_0 conductive film 112_1 conductive film 112_2 conductive film 116 insulating film 118 insulating film 120a Conductive 120b Conductive 122 Insulating film 140 Mask 141a Opening 141b Opening 143 Opening 150 Transistor 160 Transistor 300A Transistor 300B Transistor 300C Transistor 300D Transistor 302 Substrate 304 Conductive 306 Insulating film 307 Insulating film 308 Metal oxide 312a Conductive 312b Conductive 314 Insulating film 316 Insulating film 318 Insulating film 320a Conductive 320b Conductive 341a Opening 341b Opening 342a Opening 342b Opening 342c Opening 600 Display panel 601 Transistor 604 Connection 605 Transistor 606 Transistor 607 Connection 612 Liquid crystal Layer 613 Conductive 617 Insulating film 620 Insulating film 621 Insulating film 623 Conductive 631 Colored layer 632 Light shielding film 633a Alignment film 633b Alignment film 634 Colored layer 635 Conductive 640 Liquid crystal element 641 Adhesive layer 642 Adhesive layer 643 Conductive 644 EL layer 645a Conductive Film 645b Conductive 646 Insulating film 647 Insulating film 648 Conductive 649 Connection layer 651 Substrate 652 Conductive 653 Semiconductor film 654 Conductive 655 Opening 656 Plate plate 659 Circuit 660 Light emitting element 661 Board 662 Display 663 Conductive 666 Wiring 672 FPC
673IC
681 Insulation film 682 Insulation film 683 Insulation film 684 Insulation film 685 Insulation film 686 Connection body 687 Connection part

Claims (7)

金属酸化物をチャネル領域に有するトランジスタであって、
前記金属酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、を有し、
前記第1の領域は、In、Ga及びZnを有し、
前記第2の領域は、In、Ga及びZnを有し、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりエネルギーバンドの伝導帯下端が低く、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりもキャリアが多い、トランジスタ。(但し、前記第1の領域と前記第2の領域とが、それぞれ膜であり、且つ積層されている場合を除く。)
A transistor having a metal oxide in the channel region
The metal oxide has a first region and a second region.
The first region has In, Ga and Zn and has
The second region has In, Ga and Zn and has
The lower end of the conduction band of the energy band of the first region is lower than that of the second region.
The first region is a transistor having more carriers than the second region. (However, this excludes the case where the first region and the second region are films and are laminated.)
金属酸化物をチャネル領域に有するトランジスタであって、
前記金属酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、を有し、
前記第1の領域は、In、Ga及びZnを有し、
前記第2の領域は、In、Ga及びZnを有し、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりエネルギーバンドの伝導帯下端が低く、
前記第1の領域は、前記伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多く、
前記第1の領域と前記第2の領域は、それぞれの価電子帯の位置が異なる、トランジスタ。(但し、前記第1の領域と前記第2の領域とが、それぞれ膜であり、且つ積層されている場合を除く。)
A transistor having a metal oxide in the channel region
The metal oxide has a first region and a second region.
The first region has In, Ga and Zn and has
The second region has In, Ga and Zn and has
The lower end of the conduction band of the energy band of the first region is lower than that of the second region.
The first region has more carriers than the region where the lower end of the conduction band is high.
A transistor in which the position of each valence band is different between the first region and the second region. (However, this excludes the case where the first region and the second region are films and are laminated.)
請求項1又は請求項2において、
前記第2の領域は、前記第1の領域よりものGaの濃度が高く、前記第1の領域は、前記第2の領域よりもInの濃度が高い、トランジスタ。
In claim 1 or 2,
A transistor in which the second region has a higher concentration of Ga than the first region, and the first region has a higher concentration of In than the second region.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記金属酸化物は、0.5nm以上10nm以下の径の粒子を有する、トランジスタ。
In any one of claims 1 to 3,
The metal oxide is a transistor having particles having a diameter of 0.5 nm or more and 10 nm or less.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
前記表示装置は、基板上に表示部と、前記表示部を駆動させるドライバと、を有し、
前記ドライバは前記トランジスタを有する、表示装置。
A display device having the transistor according to any one of claims 1 to 4.
The display device has a display unit and a driver for driving the display unit on a substrate.
The driver is a display device having the transistor.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
前記表示装置は、基板上に走査線駆動回路と、表示部と、を有し、
前記走査線駆動回路は前記トランジスタを有する、表示装置。
A display device having the transistor according to any one of claims 1 to 4.
The display device has a scanning line drive circuit and a display unit on the substrate.
The scanning line drive circuit is a display device having the transistor.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
前記表示装置は、基板上に信号線駆動回路と、表示部と、を有し、
前記信号線駆動回路は前記トランジスタを有する、表示装置。
A display device having the transistor according to any one of claims 1 to 4.
The display device has a signal line drive circuit and a display unit on the substrate.
The signal line drive circuit is a display device having the transistor.
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