JP6871325B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
もいう。)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは、集積回路(IC)や画
像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適
用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料と
して酸化物半導体が注目されている。
鉛(Zn)を含む酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照
。)。
が開示されている(特許文献2、特許文献3参照)。
優れたトランジスタを有する半導体装置を提供する。または、信頼性の高いトランジスタ
を有する半導体装置を提供する。
けられるデュアルゲート構造のトランジスタであって、トランジスタのチャネル幅方向に
おいて、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の側面はそれぞれ、酸化物半導体膜の側
面より外側に位置する半導体装置である。
けられるデュアルゲート構造のトランジスタであって、ストレス時間に対するトランジス
タのしきい値電圧の変動量を示す両対数グラフにおいて、横軸と縦軸の対数目盛の間隔が
等しく、ストレス時間に対するしきい値電圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変
動量が0Vの直線とがなす角度が30°未満であり、且つストレス時間が0.1時間のと
きのしきい値電圧の変動量が0.2V未満である半導体装置である。なお、ストレス時間
とは、トランジスタに、電圧、温度等の負荷を与える時間のことをいう。
けられるデュアルゲート構造のトランジスタであって、ストレス時間に対するトランジス
タのしきい値電圧の変動量を示す両対数グラフにおいて、横軸と縦軸の対数目盛の間隔が
等しく、しきい値電圧の変動量の累乗近似線の傾きが0.5以下であり、ストレス時間が
0.1時間のときのしきい値電圧の変動量が0.2V未満である半導体装置である。
ート電極と酸化物半導体膜との間に設けられたゲート絶縁膜を介して、酸化物半導体膜の
側面と対向してもよい。
して対向してもてよい。
た、酸化物半導体膜上において、一対の電極の間隔を、1μm以上4μm未満とすること
ができる。
)、及びZnを有する酸化物であり、Inの原子数比は、Mの原子数比以上であるスパッ
タリングターゲットで形成することができる。
)の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の
一態様により、信頼性の高いトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また
、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分または同様の機能を有する部
分には、同一の符号または同一のハッチパターンを異なる図面間で共通して用い、その繰
り返しの説明は省略する。
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。
めに付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を
「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「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。
の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。た
だし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差
のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多
い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし
、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
、フォトリソグラフィ工程で形成したマスクは除去するものとする。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置及びその作製方法について図面を
参照して説明する。
図を示す。図2に示すトランジスタ50は、チャネルエッチ型のトランジスタである。図
2(A)はトランジスタ50の上面図であり、図2(B)は、図2(A)の一点鎖線A−
B間の断面図であり、図2(C)は、図2(A)の一点鎖線C−D間の断面図である。な
お、図2(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート絶縁膜17、酸化物絶縁膜23、
酸化物絶縁膜24、窒化物絶縁膜25などを省略している。
電極15と、基板11及びゲート電極15上に形成されるゲート絶縁膜17と、ゲート絶
縁膜17を介して、ゲート電極15と重なる酸化物半導体膜18と、酸化物半導体膜18
に接する一対の電極21、22と、ゲート絶縁膜17、酸化物半導体膜18、及び一対の
電極21、22上の保護膜26と、保護膜26を介して酸化物半導体膜18と重なるゲー
ト電極29を有する。なお、保護膜26は、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜24、及び
窒化物絶縁膜25を有する。
に酸化物半導体膜18を有するデュアルゲート構造のトランジスタである。図2(C)に
示すチャネル幅方向において、酸化物半導体膜18の外側にゲート電極29の端部が位置
する。または、チャネル幅方向において、ゲート電極29は、保護膜26を介して酸化物
半導体膜18の側面と対向する。またはチャネル幅方向において、酸化物半導体膜18の
外側において、ゲート電極15及びゲート電極29は、ゲート絶縁膜17及び保護膜26
を介して対向する。
極15、酸化物半導体膜18、ゲート電極29の端部の位置について説明する。
部の距離をdとし、保護膜26の厚さをtとすると、酸化物半導体膜18の端部及びゲー
ト電極29の端部の距離dは、保護膜26の厚さt以下であることが好ましい。酸化物半
導体膜18の端部及びゲート電極29の端部の距離dは、保護膜26の厚さt以下とする
ことで、酸化物半導体膜18の端部に、ゲート電極29の電界を影響させることが可能で
あり、酸化物半導体膜18の端部を含む全体をチャネルとして機能させることができる。
より欠陥が形成される共に、不純物付着などにより汚染される。このため、電界などのス
トレスが与えられることによって、酸化物半導体膜の端部は、活性化しやすくなり、n型
(低抵抗)となりやすい。そのため、本実施の形態ではゲート電極15と重なる酸化物半
導体膜18の端部において、n型化しやすくなる。当該n型化された端部が、一対の電極
21、22の間に設けられると、該領域がキャリアのパスとなってしまい、寄生チャネル
が形成される。しかしながら、図2(C)に示すように、酸化物半導体膜18の外側にゲ
ート電極29の端部が位置することで、ゲート電極29の電界の影響により、酸化物半導
体膜18の側面またはその近傍における寄生チャネルの発生が抑制される。この結果、し
きい値電圧におけるドレイン電流の上昇が急峻である、電気特性の優れたトランジスタと
なる。
ゲート電極29を同電位とすることで、酸化物半導体膜18においてキャリアの流れる領
域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、ト
ランジスタ50のオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。
を遮蔽する機能を有するため、基板11及びゲート電極15の間、ゲート電極29上に設
けられる荷電粒子等の電荷が酸化物半導体膜18に影響しない。この結果、ストレス試験
(例えば、ゲートに負の電荷を印加する−GBT(Gate Bias−Tempera
ture)ストレス試験)の劣化が抑制されると共に、異なるドレイン電圧におけるオン
電流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。なお、この効果は、ゲート電極1
5及びゲート電極29が、同電位、または異なる電位の場合において生じる。
ジスタの特性変化(即ち、経年変化)を、短時間で評価することができる。特に、BTス
トレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための
重要な指標となる。BTストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど
、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
29を同電位とすることで、しきい値電圧の変動量が低減される。このため、複数のトラ
ンジスタにおける電気特性のバラつきも同時に低減される。
おけるしきい値電圧の変動量が小さい。
Tストレス試験の前後において、ストレス時間に対するしきい値電圧の変動量(ΔVth
)を表す累乗近似線L1を図1に示す。なお、試験時間(ストレス時間)としきい値電圧
の変動量をグラフにプロットすると、プロットされた値は累乗近似線で近似することがで
き、その累乗近似線は両対数グラフ上では直線となる。図1において、図1は両対数グラ
フであり、横軸はストレス時間の対数を表し、縦軸はしきい値電圧の変動量の対数を表す
。また、ストレス試験の条件としては、基板温度を60℃とし、測定環境を暗室下(da
rk環境下)において、ゲート電圧に+30Vを印加して、任意の時間、例えば、1時間
のストレスをトランジスタに与える条件である。
数目盛の間隔が等しい場合、本実施の形態に示すトランジスタ50における累乗近似線L
1と、ストレス時間に対してしきい値電圧の変動量が無い(ΔVthが0V)ときの直線
、即ち、図1の破線で示す傾き0の直線L2とのなす角度θは、30度未満、または25
度未満である。なお、横軸と縦軸の対数目盛の間隔が等しいとは、例えば、横軸において
ストレス時間が10倍となる0.01時間から0.1時間の間隔と、縦軸において、ΔV
thが10倍となる0.01Vから0.1Vの間隔が等しい、ということである。
信頼性の高いトランジスタである。
ができる。なお、b、Cは定数であり、bは、累乗近似線の傾きに相当する。
hr以下、または0.4V/hr以下であり、且つストレス時間が0.1時間のときのΔ
Vthが0.2V未満、または0.5V未満である。
信頼性の高いトランジスタである。また、ストレス時間が0.1時間のときのΔVthが
小さい程、動作初期時における信頼性が高いトランジスタである。この結果、累乗近似線
L1の傾きbが、0.5V/hr以下、または0.4V/hr以下であり、且つストレス
時間が0.1時間のときのΔVthが0.2V未満、または0.5V未満であるトランジ
スタは信頼性が高い。
物半導体膜18の幅が大きいが、図3(A)に示すトランジスタ51のように、チャネル
長方向あたりの酸化物半導体膜18の幅より、ゲート電極15の幅を大きくすることがで
きる。この結果、基板11側からの光の照射をゲート電極15で遮光することが可能であ
るため、トランジスタ51の電気特性の変動を抑制することができる。なお、図3(A)
は、トランジスタ51の上面図であり、図3(B)は、図3(A)の一点鎖線A−B間の
断面図であり、図3(C)は、図3(A)の一点鎖線C−D間の断面図である。
位であるが、ゲート電極15及びゲート電極29が接続されず、それぞれ異なる電位が印
加されてもよい。
耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サフ
ァイア基板等を、基板11として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単
結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、SO
I基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを
、基板11として用いてもよい。なお、基板11として、ガラス基板を用いる場合、第6
世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8
世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第1
0世代(2950mm×3400mm)等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置
を作製することができる。
形成してもよい。または、基板11とトランジスタ50の間に剥離層を設けてもよい。剥
離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板11より分離し、他
の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ50は耐熱性の劣る基
板や可撓性の基板にも転載できる。
グステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した
金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコ
ニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電
極15は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むア
ルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、窒化チタン
膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構
造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、
チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を
積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、
チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選
ばれた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加
したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、
上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属
酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−
k材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
、または50nm以上250nm以下とするとよい。
−M−Zn酸化物膜(MはAl、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNd)がある。
100atomic%としたとき、InとMの原子数比率は、Inが25atomic%
以上及びMが75atomic%未満、またはInが34atomic%以上及びMが6
6atomic%未満とする。
eV以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、
トランジスタ50のオフ電流を低減することができる。
、または3nm以上50nm以下とする。
e、またはNd)の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリング
ターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。この
ようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1
:1、In:M:Zn=3:1:2が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜18の
原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の
原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。なお、酸化物半導体膜18に含まれるI
nの含有量が多いと、トランジスタのオン電流が増大し、電界効果移動度が高まる。この
ため、酸化物半導体膜18として、金属元素の原子数比がIn:M:Zn=3:1:2の
In−M−Zn酸化物のスパッタリングターゲットを用いて形成することで、電気特性の
優れたトランジスタを作製することができる。
酸化物半導体膜18は、キャリア密度が1×1017個/cm3以下、1×1015個/
cm3以下、1×1013個/cm3以下、または1×1011個/cm3以下の酸化物
半導体膜を用いる。
果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とす
るトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜18のキャリア密度や不純物
濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとするこ
とが好ましい。
体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ
好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)こと
を高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性で
ある酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができ
る場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは
、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少
ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が1×10
6μmでチャネル長L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。
従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変
動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。なお、酸化物半導体膜のトラ
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酸化物半導体膜にチャネル
領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては
、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損
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することで、キャリアである電子を生成する場合がある。
従って、水素が含まれている酸化物半導体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。
体的には、酸化物半導体膜18において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secon
dary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、
5×1019atoms/cm3以下、1×1019atoms/cm3以下、5×10
18atoms/cm3以下、1×1018atoms/cm3以下、5×1017at
oms/cm3以下、または1×1016atoms/cm3以下とする。
、酸化物半導体膜18において酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、酸化物
半導体膜18におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度
)を、2×1018atoms/cm3以下、または2×1017atoms/cm3以
下とする。
属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、または2×
1016atoms/cm3以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物
半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大して
しまうことがある。このため、酸化物半導体膜18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。
リア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用い
たトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜におい
て、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法に
より得られる窒素濃度は、5×1018atoms/cm3以下にすることが好ましい。
、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline
Oxide Semiconductor)、多結晶構造、後述する微結晶構造、または
非晶質構造を含む。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く、CA
AC−OSは最も欠陥準位密度が低い。
例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜
は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい
。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAA
C−OSの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する場合がある。また
、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAA
C−OSの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合が
ある。
ム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、
またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコ
ンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、
タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウ
ム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングス
テン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜また
は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜
または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、その
モリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さ
らにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、
酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
、後に形成する酸化物絶縁膜24を形成する際の、酸化物半導体膜18へのダメージ緩和
膜としても機能する。
nm以下の酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。なお、本明細
書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い
膜を指す。
により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン
密度が3×1017spins/cm3以下であることが好ましい。これは、酸化物絶縁
膜23に含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、酸化物絶縁膜2
3における酸素の透過量が減少してしまうためである。
好ましく、代表的には、ESR測定により、酸化物半導体膜18の欠陥に由来するg=1
.93に現れる信号のスピン密度が1×1017spins/cm3以下、さらには検出
下限以下であることが好ましい。
化物絶縁膜23の外部に移動せず、酸化物絶縁膜23にとどまる酸素もある。また、酸化
物絶縁膜23に酸素が入ると共に、酸化物絶縁膜23に含まれる酸素が酸化物絶縁膜23
の外部へ移動することで、酸化物絶縁膜23において酸素の移動が生じる場合もある。
上に設けられる酸化物絶縁膜24から脱離する酸素を、酸化物絶縁膜23を介して酸化物
半導体膜18に移動させることができる。
4は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成す
る。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸
素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜
は、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms
/cm3以上、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物絶縁膜であ
る。
400nm以下の、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。
により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン
密度が1.5×1018spins/cm3未満、更には1×1018spins/cm
3以下であることが好ましい。なお、酸化物絶縁膜24は、酸化物絶縁膜23と比較して
酸化物半導体膜18から離れているため、酸化物絶縁膜23より、欠陥密度が多くともよ
い。
のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜25を設けることで、酸化物半導体膜18から
の酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜18への水素、水等の侵入を防ぐこと
ができる。窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニ
ウム膜、窒化酸化アルミニウム膜等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アル
カリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等
のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキ
ング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜
、酸化ガリウム膜、酸化窒化ガリウム膜、酸化イットリウム膜、酸化窒化イットリウム膜
、酸化ハフニウム膜、酸化窒化ハフニウム膜等がある。
膜の単層、または積層とすることができる。または、2層、4層等の積層構造を適宜用い
ることができる。
ゲート絶縁膜17を形成する。
着法等により導電膜を形成し、導電膜上に第1のフォトマスクを用いたフォトリソグラフ
ィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして
、ゲート電極15を形成する。この後、マスクを除去する。
ェット法等で形成してもよい。
、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜を
ドライエッチングして、ゲート電極15を形成する。
ン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体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。
l Organic Chemical Vapor Deposition)法を用い
て形成することができる。
mの酸化窒化シリコン膜を積層して形成する。窒化シリコン膜は、シラン、窒素、及びア
ンモニアを原料ガスとしたプラズマCVD法により形成する。酸化窒化シリコン膜は、シ
ラン及び一酸化二窒素を原料ガスとしたプラズマCVD法により形成する。
。
化物半導体膜18となる酸化物半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上に第2のフ
ォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用い
て酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図4(B)に示すような、素子分離さ
れた酸化物半導体膜18を形成する。この後、マスクを除去する。
レーザー蒸着法、レーザーアブレーション法等を用いて形成することができる。
装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。
酸素等を適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガ
ス比を高めることが好ましい。
。
ー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスと
して用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−40℃以下、−80℃以下、−100℃
以下、または−120℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水
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。
スパッタリングガスとして酸素を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜として
厚さ35nmのIn−Ga−Zn酸化物膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上にマスク
を形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜18
を形成する。
法、蒸着法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上に第3のフォトマスクを用いたフォ
トリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜をエッチン
グして、一対の電極21、22を形成する。この後、マスクを除去する。
さ200nmのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する。次に、チタン膜上にフ
ォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜、アル
ミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、一対の電極21、22を形成する。
酸化物絶縁膜23を形成する。次に、酸化物絶縁膜23上に酸化物絶縁膜24を形成する
。
4を形成することが好ましい。酸化物絶縁膜23を形成した後、大気開放せず、原料ガス
の流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁膜24を連続的
に形成することで、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜24における界面の大気成分由来
の不純物濃度を低減することができると共に、酸化物絶縁膜24に含まれる酸素を酸化物
半導体膜18に移動させることが可能であり、酸化物半導体膜18の酸素欠損量を低減す
ることができる。
℃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25
0Pa以下、または100Pa以上250Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に高
周波電力を供給する条件により、酸化物絶縁膜23として酸化シリコン膜または酸化窒化
シリコン膜を形成することができる。
いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素等がある。
することができる。また、酸化物絶縁膜23を設けることで、後に形成する酸化物絶縁膜
24の形成工程において、酸化物半導体膜18へのダメージ低減が可能である。
た基板を280℃以上400℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内にお
ける圧力を100Pa以上250Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力
を供給する条件により、酸化物絶縁膜23として、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコ
ン膜を形成することができる。
が強くなる。この結果、酸化物絶縁膜23として、酸素が透過し、緻密であり、且つ硬い
酸化物絶縁膜、代表的には、25℃において0.5重量%のフッ酸に対するエッチング速
度が10nm/分以下、または8nm/分以下である酸化シリコン膜または酸化窒化シリ
コン膜を形成することができる。
体膜18に含まれる水素、水等を脱離させることができる。酸化物半導体膜18に含まれ
る水素は、プラズマ中で発生した酸素ラジカルと結合し、水となる。酸化物絶縁膜23の
成膜工程において基板が加熱されているため、酸素及び水素の結合により生成された水は
、酸化物半導体膜から脱離する。即ち、プラズマCVD法によって酸化物絶縁膜23を形
成することで、酸化物半導体膜18に含まれる水及び水素の含有量を低減することができ
る。
露出された状態での加熱時間が少なく、加熱処理による酸化物半導体膜からの酸素の脱離
量を低減することができる。即ち、酸化物半導体膜中に含まれる酸素欠損量を低減するこ
とができる。
23に含まれる水の含有量が少なくなるため、トランジスタ50の電気特性のばらつきを
低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
を成膜する際に、酸化物半導体膜18へのダメージを低減することが可能であり、酸化物
半導体膜18に含まれる酸素欠損量を低減することができる。特に、酸化物絶縁膜23ま
たは後に形成される酸化物絶縁膜24の成膜温度を高くする、代表的には220℃より高
い温度とすることで、酸化物半導体膜18に含まれる酸素の一部が脱離し、酸素欠損が形
成されやすい。また、トランジスタの信頼性を高めるため、後に形成する酸化物絶縁膜2
4の欠陥量を低減するための成膜条件を用いると、酸素脱離量が低減しやすい。これらの
結果、酸化物半導体膜18の酸素欠損を低減することが困難な場合がある。しかしながら
、処理室の圧力を100Pa以上250Pa以下とし、酸化物絶縁膜23の成膜時におけ
る酸化物半導体膜18へのダメージを低減することで、酸化物絶縁膜24からの少ない酸
素脱離量でも酸化物半導体膜18中の酸素欠損を低減することが可能である。
酸化物絶縁膜23に含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、酸化物
半導体膜18に混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナ
スシフトを抑制することができる。
マCVD法により、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。当該条件により、酸
素が透過する酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
た基板を180℃以上280℃以下、または200℃以上240℃以下に保持し、処理室
に原料ガスを導入して処理室内における圧力を100Pa以上250Pa以下、または1
00Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0.17W/cm2以上
0.5W/cm2以下、または0.25W/cm2以上0.35W/cm2以下の高周波
電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素等がある。
波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増
加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜24中における酸素含有量が化学量論的
組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素
の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果
、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離す
る酸化物絶縁膜を形成することができる。また、酸化物半導体膜18上に酸化物絶縁膜2
3が設けられている。このため、酸化物絶縁膜24の形成工程において、酸化物絶縁膜2
3が酸化物半導体膜18の保護膜となる。この結果、酸化物半導体膜18へのダメージを
低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜24を形成することがで
きる。
性気体の流量を増加することで、酸化物絶縁膜24の欠陥量を低減することが可能である
。代表的には、ESR測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.0
01に現れる信号のスピン密度が6×1017spins/cm3未満、3×1017s
pins/cm3以下、または1.5×1017spins/cm3以下である欠陥量の
少ない酸化物絶縁膜を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めるこ
とができる。
マCVD法により、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。
、300℃以上400℃以下、または320℃以上370℃以下とする。
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。
または10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウム等)の雰囲気下で行
えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれない
ことが好ましい。
移動させ、酸化物半導体膜18に含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる。
等をブロッキングする機能を有する窒化物絶縁膜25を後に形成し、加熱処理を行うと、
酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜24に含まれる水、水素等が、酸化物半導体膜18に
移動し、酸化物半導体膜18に欠陥が生じてしまう。しかしながら、当該加熱により、酸
化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜24に含まれる水、水素等を脱離させることが可能であ
り、トランジスタ50の電気特性のばらつきを低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑
制することができる。
物半導体膜18に酸素を移動させ、酸化物半導体膜18に含まれる酸素欠損を低減するこ
とが可能であるため、当該加熱処理を行わなくともよい。
体膜18はダメージを受け、酸化物半導体膜18のバックチャネル(酸化物半導体膜18
において、ゲート電極15と対向する面と反対側の面)側に酸素欠損が生じる。しかし、
酸化物絶縁膜24に化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を
適用することで、加熱処理によって当該バックチャネル側に生じた酸素欠損を修復するこ
とができる。これにより、酸化物半導体膜18に含まれる欠陥を低減することができるた
め、トランジスタ50の信頼性を向上させることができる。
空排気された処理室内に載置された基板を300℃以上400℃以下、または320℃以
上370℃以下とすることで、緻密な窒化物絶縁膜を形成できるため好ましい。
コンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いることが好ましい。
原料ガスとして、窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモ
ニアが解離し、活性種が発生する。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれる
シリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素
の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコ
ン膜を形成することができる。一方、原料ガスにおいて、窒素に対するアンモニアの量が
多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素それぞれの分解が進まず、シリコン及び水素
結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。
これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を5以上50以下、
または10以上50以下とすることが好ましい。
厚さ100nmの窒化シリコン膜を形成する。
成される保護膜26を形成することができる。
0℃以下、300℃以上400℃以下、または320℃以上370℃以下とする。
絶縁膜17、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜24、及び窒化物絶縁膜25に開口部を形
成する。
法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等により導電膜を形成
し、導電膜上に第4のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成
する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極29を形成す
る。この後、マスクを除去する。
にゲート電極29の端部が位置するように、ゲート電極29を形成する。
と示す。)膜をスパッタリング法により形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により
マスクを形成し、当該マスクを用いて酸化シリコンを有するITO膜をウエットエッチン
グして、ゲート電極29を形成する。この後、加熱処理を行ってもよい。
ート構造のトランジスタであって、トランジスタのチャネル幅方向において、第1のゲー
ト電極及び第2のゲート電極の側面はそれぞれ、酸化物半導体膜の側面より外側に位置す
ることで、酸化物半導体膜18の端部に、ゲート電極29の電界を影響させることが可能
であり、酸化物半導体膜18の端部を含む全体をチャネルとして機能させることができる
。この結果、トランジスタのオン電流を増大させる共に、電界効果移動度を高めることが
可能である。
有するため、それぞれのゲート電極が外部からの電界を遮蔽することが可能である。この
結果、ストレス試験の劣化が抑制されると共に、異なるドレイン電圧におけるオン電流の
立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。この結果、電気特性の優れたトランジス
タを有する半導体装置を得ることができる。また、信頼性の高い半導体装置を得ることが
できる。
本実施の形態に示すトランジスタ50において、必要に応じて、基板11及びゲート電
極15の間に下地絶縁膜を設けることができる。下地絶縁膜の材料としては、酸化シリコ
ン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウ
ム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等がある。なお、下地
絶縁膜の材料として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム
、酸化アルミニウム等を用いることで、基板11から不純物、代表的にはアルカリ金属、
水、水素等の酸化物半導体膜18への拡散を抑制することができる。
本実施の形態に示すトランジスタ50において、必要に応じて、ゲート絶縁膜17を積
層構造とすることができる。ここでは、ゲート絶縁膜17の構成について、図5を用いて
説明する。
17bが、ゲート電極15側から順に積層される積層構造とすることができる。ゲート電
極15側に窒化物絶縁膜17aを設けることで、ゲート電極15からの不純物、代表的に
は、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等が酸化物半導体膜18に移動
することを防ぐことができる。
及び酸化物半導体膜18界面における欠陥準位密度を低減することが可能である。この結
果、電気特性の劣化の少ないトランジスタを得ることができる。なお、酸化物絶縁膜17
bとして、酸化物絶縁膜24と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を
含む酸化物絶縁膜を用いて形成すると、ゲート絶縁膜17及び酸化物半導体膜18界面に
おける欠陥準位密度をさらに低減することが可能であるため、さらに好ましい。
水素ブロッキング性の高い窒化物絶縁膜17dと、酸化物絶縁膜17bとが、ゲート電極
15側から順に積層される積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜17として、欠陥
の少ない窒化物絶縁膜17cを設けることで、ゲート絶縁膜17の絶縁耐圧を向上させる
ことができる。また、水素ブロッキング性の高い窒化物絶縁膜17dを設けることで、ゲ
ート電極15及び窒化物絶縁膜17cからの水素が酸化物半導体膜18に移動することを
防ぐことができる。
に、シラン、窒素、及びアンモニアの混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマCVD法
により、欠陥の少ない窒化シリコン膜を窒化物絶縁膜17cとして形成する。次に、原料
ガスを、シラン及び窒素の混合ガスに切り替えて、水素濃度が少なく、且つ水素をブロッ
キングすることが可能な窒化シリコン膜を窒化物絶縁膜17dとして成膜する。このよう
な形成方法により、欠陥が少なく、且つ水素のブロッキング性を有する窒化物絶縁膜が積
層されたゲート絶縁膜17を形成することができる。
絶縁膜17eと、欠陥の少ない窒化物絶縁膜17cと、水素ブロッキング性の高い窒化物
絶縁膜17dと、酸化物絶縁膜17bとが、ゲート電極15側から順に積層される積層構
造とすることができる。ゲート絶縁膜17として、不純物のブロッキング性が高い窒化物
絶縁膜17eを設けることで、ゲート電極15からの不純物、代表的には、水素、窒素、
アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等が酸化物半導体膜18に移動することを防ぐこ
とができる。
。はじめに、シラン、窒素、及びアンモニアの混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマ
CVD法により、不純物のブロッキング性が高い窒化シリコン膜を窒化物絶縁膜17eと
して形成する。次に、アンモニアの流量を増加させることで、欠陥の少ない窒化シリコン
膜を窒化物絶縁膜17cとして形成する。次に、原料ガスを、シラン及び窒素の混合ガス
に切り替えて、水素濃度が少なく、且つ水素をブロッキングすることが可能な窒化シリコ
ン膜を窒化物絶縁膜17dとして成膜する。このような形成方法により、欠陥が少なく、
且つ不純物のブロッキング性を有する窒化物絶縁膜が積層されたゲート絶縁膜17を形成
することができる。
本実施の形態に示すトランジスタ50に設けられる一対の電極21、22として、タン
グステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、またはタンタル単体若しく
は合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いることができる。この結果、酸化物半導体
膜18に含まれる酸素と一対の電極21、22に含まれる導電材料とが結合し、酸化物半
導体膜18において、酸素欠損領域が形成される。また、酸化物半導体膜18に一対の電
極21、22を形成する導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果
、図6に示すように、酸化物半導体膜18において、一対の電極21,22と接する領域
近傍に、低抵抗領域20a、20bが形成される。低抵抗領域20a、20bは、一対の
電極21、22に接し、且つゲート絶縁膜17と、一対の電極21、22の間に形成され
る。低抵抗領域20a、20bは、導電性が高いため、酸化物半導体膜18と一対の電極
21、22との接触抵抗を低減することが可能であり、トランジスタのオン電流を増大さ
せることが可能である。
化タンタル、ルテニウム等の酸素と結合しにくい導電材料との積層構造としてもよい。こ
のような積層構造とすることで、一対の電極21、22と酸化物絶縁膜23との界面にお
いて、一対の電極21、22の酸化を防ぐことが可能であり、一対の電極21、22の高
抵抗化を抑制することが可能である。
本実施の形態に示すトランジスタ50の作製方法において、一対の電極21、22を形
成した後、酸化物半導体膜18を酸素雰囲気で発生させたプラズマに曝し、酸化物半導体
膜18に酸素を供給することができる。酸化雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒
素、二酸化窒素等の雰囲気がある。さらに、当該プラズマ処理において、基板11側にバ
イアスを印加しない状態で発生したプラズマに酸化物半導体膜18を曝すことが好ましい
。この結果、酸化物半導体膜18にダメージを与えず、且つ酸素を供給することが可能で
あり、酸化物半導体膜18に含まれる酸素欠損量を低減することができる。また、エッチ
ング処理により酸化物半導体膜18の表面に残存する不純物、例えば、フッ素、塩素等の
ハロゲン等を除去することができる。また、当該プラズマ処理を300℃以上で加熱しな
がら行うことが好ましい。プラズマ中の酸素と酸化物半導体膜18に含まれる水素が結合
し、水となる。基板が加熱されているため、当該水は酸化物半導体膜18から脱離する。
この結果、酸化物半導体膜18に含まれる水素及び水の含有量を低減することができる。
本実施の形態に示すトランジスタ50は、基板を280℃以上400℃以下に保持しな
がら酸化物絶縁膜23を形成することで、酸化物半導体膜18に含まれる水素、水等を脱
離させることができる。一方、図4(B)に示す酸化物半導体膜18を形成した後、15
0℃以上基板歪み点未満、200℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下
の加熱処理を行った後、基板を180℃以上260℃以下に保持しながら、酸化物絶縁膜
23を形成してもよい。この結果、酸化物半導体膜18に含まれる水素、水等の含有量を
さらに低減することが可能であり、さらに電気特性の優れたトランジスタを作製すること
ができる。
及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1と比較して、酸化物半導体膜の欠陥量をさらに低減す
ることが可能なトランジスタを有する半導体装置について図面を参照して説明する。本実
施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態1と比較して、酸化物半導体膜が積層さ
れた多層膜を有する点が異なる。
はトランジスタ60の上面図であり、図7(B)は、図7(A)の一点鎖線A−B間の断
面図であり、図7(C)は、図7(A)の一点鎖線C−D間の断面図である。なお、図7
(A)では、明瞭化のため、基板11、ゲート絶縁膜17、酸化物絶縁膜23、酸化物絶
縁膜24、窒化物絶縁膜25などを省略している。
電極15と、ゲート絶縁膜17と、ゲート絶縁膜17を介して、ゲート電極15と重なる
多層膜20と、多層膜20に接する一対の電極21、22と、ゲート絶縁膜17、多層膜
20、及び一対の電極21、22上の保護膜26と、保護膜26上のゲート電極29と、
を有する。保護膜26は、酸化物絶縁膜23、酸化物絶縁膜24、及び窒化物絶縁膜25
を有する。保護膜26はゲート絶縁膜として機能する。
び酸化物半導体膜19を有する。即ち、多層膜20は2層構造である。また、酸化物半導
体膜18の一部がチャネル領域として機能する。また、多層膜20に接するように、酸化
物絶縁膜23が形成されている。酸化物半導体膜18と酸化物絶縁膜23との間に、酸化
物半導体膜19が設けられている。また、酸化物絶縁膜23に接するように酸化物絶縁膜
24が形成されている。
酸化物膜である。このため、酸化物半導体膜18と酸化物半導体膜19との界面において
、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないた
め、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
−M−Zn酸化物膜(MはAl、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNd)であり、且
つ酸化物半導体膜18よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、
酸化物半導体膜19の伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜18の伝導帯の下端
のエネルギーとの差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または
0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以
下である。即ち、酸化物半導体膜19の電子親和力と、酸化物半導体膜18の電子親和力
との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV
以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。
ため好ましい。
り高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。(1)酸化物半導体膜
19のエネルギーギャップを大きくする。(2)酸化物半導体膜19の電子親和力を小さ
くする。(3)外部からの不純物を遮蔽する。(4)酸化物半導体膜18と比較して、絶
縁性が高くなる。(5)Al、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNdは、酸素との結
合力が強い金属元素であるため、酸素欠損が生じにくくなる。
atomic%としたとき、InとMの原子数比率は、Inが50atomic%未満及
びMが50atomic%以上、または、Inが25atomic%未満及びMが75a
tomic%以上とする。
Al、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜18と比較し
て、酸化物半導体膜19に含まれるM(Al、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNd
)の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜18に含まれる上記原子と比較して
、1.5倍以上、2倍以上、または3倍以上高い原子数比である。
Al、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜19をIn:
M:Zn=x1:y1:z1[原子数比]、酸化物半導体膜18をIn:M:Zn=x2
:y2:z2[原子数比]とすると、y1/x1がy2/x2よりも大きく、または、y
1/x1がy2/x2よりも1.5倍以上である。または、y1/x1がy2/x2より
も2倍以上大きく、または、y1/x1がy2/x2よりも3倍以上大きい。このとき、
酸化物半導体膜において、y2がx2以上であると、当該酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。
Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜18を成膜するために用いるターゲットにお
いて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x1/y1は
、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3以上6以下
、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6以下とする
ことで、酸化物半導体膜18としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲット
の金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn
=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2等がある。
Ce、またはNd)の場合、酸化物半導体膜19を成膜するために用いるターゲットにお
いて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2とすると、x2/y2<
x1/y1であって、z2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であるこ
とが好ましい。なお、z2/y2を1以上6以下とすることで、酸化物半導体膜19とし
てCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例と
しては、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In:M:Zn=
1:3:6、In:M:Zn=1:3:8等がある。
上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。
膜18へのダメージ緩和膜としても機能する。
とする。
よい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS、多結晶構造、後述する微結晶
構造、または非晶質構造を含む。
例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜
は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、及び単結晶構造の領
域の二種以上を有する混合膜を構成してもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、
微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のいず
れか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構
造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の
領域のいずれか二種以上が積層した積層構造を有する場合がある。
けられている。このため、酸化物半導体膜19と酸化物絶縁膜23の間において、不純物
及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体膜18と
の間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜18を流れる電子がトラップ準位に捕
獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果
移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイ
ナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしま
う。しかしながら、酸化物半導体膜18とトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラ
ップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減す
ることができる。
部から酸化物半導体膜18へ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化
物半導体膜19は、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜18におけ
る不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
連続接合(ここでは特に伝導帯の下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化する構造)
が形成されるように作製する。すなわち、各膜の界面にトラップ中心や再結合中心のよう
な欠陥準位を形成する不純物が存在しないような積層構造とする。仮に、積層された酸化
物半導体膜18及び酸化物半導体膜19の間に不純物が混在していると、エネルギーバン
ドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップされ、あるいは再結合して、消滅してし
まう。
置(スパッタリング装置)を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層するこ
とが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって
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
プを用いて高真空排気(5×10−7Pa乃至1×10−4Pa程度まで)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。
4を有してもよい。
有する。即ち、多層膜34は3層構造である。また、酸化物半導体膜18がチャネル領域
として機能する。
酸化物半導体膜18との間に、酸化物半導体膜31が設けられている。
物絶縁膜23が接する。即ち、酸化物半導体膜18と酸化物絶縁膜23との間に、酸化物
半導体膜19が設けられている。
とができる。
体膜31の厚さを1nm以上5nm以下、または1nm以上3nm以下とすることで、ト
ランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。
、酸化物半導体膜19が設けられている。このため、酸化物半導体膜19と酸化物絶縁膜
23の間において、不純物及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準
位と酸化物半導体膜18との間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜18を流れ
る電子がトラップ準位に捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可
能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕
獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのし
きい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜18とトラップ準位との間
に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、し
きい値電圧の変動を低減することができる。
部から酸化物半導体膜18へ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化
物半導体膜19は、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜18におけ
る不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
れており、酸化物半導体膜18と酸化物絶縁膜23との間に、酸化物半導体膜19が設け
られているため、酸化物半導体膜31と酸化物半導体膜18との界面近傍におけるシリコ
ンや炭素の濃度、酸化物半導体膜18におけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物半導
体膜19と酸化物半導体膜18との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度を低減するこ
とができる。これらの結果、多層膜34において、一定光電流測定法で導出される吸収係
数は、1×10−3/cm未満、または1×10−4/cm未満となり、局在準位が極め
て少ない。
おいて欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性を向上させることが可能であり
、代表的には、オン電流の増大及び電界効果移動度の向上が可能である。また、ストレス
試験の一例であるBTストレス試験及び光BTストレス試験におけるしきい値電圧の変動
量が少なく、信頼性が高い。
次に、図7(A)に示すトランジスタ60に設けられる多層膜20、及び図7(D)に
示すトランジスタ65に設けられる多層膜34のバンド構造について、図8を用いて説明
する。
あるIn−Ga−Zn酸化物を用い、酸化物半導体膜19としてエネルギーギャップが3
.5eVであるIn−Ga−Zn酸化物を用いる。エネルギーギャップは、分光エリプソ
メータ(HORIBA JOBIN YVON社 UT−300)を用いて測定すること
ができる。
(イオン化ポテンシャルともいう。)は、それぞれ8eV及び8.2eVであった。なお
、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultr
aviolet Photoelectron Spectroscopy)装置(PH
I社 VersaProbe)を用いて測定することができる。
ネルギー差(電子親和力ともいう。)は、それぞれ4.85eV及び4.7eVである。
膜20に酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図8(A)に表す
EcI1は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜
18の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS2は酸化物半導体膜19の伝導帯下端のエ
ネルギーを示し、EcI2は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、E
cI1は、図7(B)において、ゲート絶縁膜17に相当し、EcI2は、図7(B)に
おいて、酸化物絶縁膜23に相当する。
帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化すると
もいうことができる。これは、多層膜20は、酸化物半導体膜18と共通の元素を含み、
酸化物半導体膜18及び酸化物半導体膜19の間で、酸素が相互に移動することで混合層
が形成されるためであるということができる。
0を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜18に形成されること
がわかる。なお、多層膜20は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、
酸化物半導体膜18と酸化物半導体膜19とが連続接合している、ともいえる。
傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物半導体膜1
9が設けられることにより、酸化物半導体膜18と該トラップ準位とを遠ざけることがで
きる。ただし、EcS1とEcS2とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体膜18
の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子
が捕獲されることで、酸化物絶縁膜界面にマイナスの電荷が生じ、トランジスタのしきい
値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、EcS1とEcS2とのエネルギ
ー差を、0.1eV以上、または0.15eV以上とすると、トランジスタのしきい値電
圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
すバンド構造の変形例である。ここでは、多層膜20に酸化シリコン膜を接して設けた場
合について説明する。なお、図8(B)に表すEcI1は酸化シリコン膜の伝導帯下端の
エネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜18の伝導帯下端のエネルギーを示し、E
cI2は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、EcI1は、図7(B
)において、ゲート絶縁膜17に相当し、EcI2は、図7(B)において、酸化物絶縁
膜23に相当する。
の上方、すなわち酸化物半導体膜19がエッチングされる場合がある。一方、酸化物半導
体膜18の上面は、酸化物半導体膜19の成膜時に酸化物半導体膜18と酸化物半導体膜
19の混合層が形成される場合がある。
Ga−Zn酸化物、またはIn:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]のIn−Ga−Z
n酸化物をスパッタリングターゲットに用いて成膜された酸化物半導体膜であり、酸化物
半導体膜19が、In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比]のIn−Ga−Zn酸化物
、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のIn−Ga−Zn酸化物、またはIn:
Ga:Zn=1:3:6[原子数比]のIn−Ga−Zn酸化物をスパッタリングターゲ
ットに用いて成膜された酸化物半導体膜である場合、酸化物半導体膜18よりも酸化物半
導体膜19のGaの含有量が多いため、酸化物半導体膜18の上面には、GaOx層また
は酸化物半導体膜18よりもGaを多く含む混合層が形成されうる。
I2側の伝導帯下端のエネルギーが高くなり、図8(B)に示すバンド構造のようになる
場合がある。
多層膜20は、酸化物半導体膜18のみと見かけ上観察される場合がある。しかしながら
、実質的には、酸化物半導体膜18上には、酸化物半導体膜18よりもGaを多く含む混
合層が形成されているため、該混合層を1.5層として、捉えることができる。なお、該
混合層は、例えば、EDX分析等によって、多層膜20に含有する元素を測定した場合、
酸化物半導体膜18の上方の組成を分析することで確認することができる。例えば、酸化
物半導体膜18の上方の組成が、酸化物半導体膜18中の組成よりもGaの含有量が多い
構成となることで確認することができる。
膜34に酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図8(C)に表す
EcI1は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜
18の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS2は酸化物半導体膜19の伝導帯下端のエ
ネルギーを示し、EcS3は酸化物半導体膜31の伝導帯下端のエネルギーを示し、Ec
I2は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、EcI1は、図7(D)
において、ゲート絶縁膜17に相当し、EcI2は、図7(D)において、酸化物絶縁膜
23に相当する。
体膜19において、伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言する
と、連続的に変化するともいうことができる。これは、多層膜34は、酸化物半導体膜1
8と共通の元素を含み、酸化物半導体膜18及び酸化物半導体膜31の間で、酸化物半導
体膜18及び酸化物半導体膜19の間で、酸素が相互に移動することで混合層が形成され
るためであるということができる。
4を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜18に形成されること
がわかる。なお、多層膜34は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、
酸化物半導体膜31と、酸化物半導体膜18と、酸化物半導体膜19とが連続接合してい
る、ともいえる。
、ゲート絶縁膜17との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され
得るものの、図8(C)に示すように、酸化物半導体膜19、31が設けられることによ
り、酸化物半導体膜18と該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、EcS1
とEcS2とのエネルギー差、及びEcS1とEcS3とのエネルギー差が小さい場合、
酸化物半導体膜18の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。
トラップ準位に電子が捕獲されることで、酸化物絶縁膜界面にマイナスの電荷が生じ、ト
ランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、EcS1とE
cS2とのエネルギー差、及びEcS1とEcS3とのエネルギー差を、0.1eV以上
、または0.15eV以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安
定した電気特性となるため好適である。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態2に示すデュアルゲート構造のトランジスタにおいて、
異なるゲート電極を接続し、同電位とした場合のトランジスタの電気特性について、図7
、及び図26乃至図31を用いて説明する。
せてゲート電圧を加えるような駆動方法を、Dual Gate駆動という。即ち、Du
al Gate駆動では、常にゲート電極15の電圧と、ゲート電極29の電圧とが等し
くなる。
タの構造を示す。なお、計算にはデバイスシミュレーションソフト Atlas(Sil
vaco社製)を用いた。
る。
3上に酸化物半導体膜205が形成される。絶縁膜203及び酸化物半導体膜205上に
一対の電極207、208が形成され、酸化物半導体膜205及び一対の電極207、2
08上に絶縁膜209が形成される。絶縁膜209上にゲート電極213が形成される。
また、ゲート電極201及びゲート電極213は、絶縁膜203及び絶縁膜209に形成
される開口部(図示しない。)において、接続される。
。
3上に酸化物半導体膜205が形成される。絶縁膜203及び酸化物半導体膜205上に
一対の電極207、208が形成され、酸化物半導体膜205及び一対の電極207、2
08上に絶縁膜209が形成される。
膜203を、誘電率が4.1である厚さ100nmの膜と設定した。酸化物半導体膜20
5としてはIn−Ga−Zn酸化物膜(In:Ga:Zn=1:1:1)単層を想定し、
In−Ga−Zn酸化物膜のバンドギャップEgを3.15eV、電子親和力χを4.6
eV、比誘電率を15、電子移動度を10cm2/Vsとし、ドナー密度Ndを3×10
17atoms/cm3と設定した。一対の電極207、208の仕事関数φsdを4.
6eVとし、酸化物半導体膜205とオーミック接合と設定した。絶縁膜209の比誘電
率を4.1とし、厚さを100nmと設定した。なお、酸化物半導体膜205における欠
陥準位や表面散乱などのモデルは考慮していない。また、トランジスタのチャネル長及び
チャネル幅をそれぞれ10μm及び100μmとした。
構造1に示すトランジスタのようにDual Gate駆動とすることで、初期特性の
バラつきを低減することができる。これは、Dual Gate駆動とすることで、Id
−Vg特性のしきい値電圧Vthの変動量が、構造2に示すトランジスタに比べて小さく
なることに起因する。
トについて説明する。
酸化物半導体膜205で形成される容量をCBottomとし、酸化物半導体膜205、
絶縁膜209、及びゲート電極213で形成される容量をCTopとする。このとき、構
造1に示すトランジスタのVthの変動量ΔVを数式(2)に示す。また、構造2に示す
トランジスタのVthの変動量ΔVを数式(3)に示す。
では、ドナーイオンとゲート電極の間の容量が、CBottom、及びCTopの和とな
るため、しきい値電圧の変動量が小さくなる。
び1Vのときの電流電圧曲線を計算した結果を図27に示す。なお、図27(A)は、構
造1に示すトランジスタの電流電圧曲線であり、図27(B)は、構造2に示すトランジ
スタの電流電圧曲線である。ドレイン電圧Vdが0.1Vのとき、構造1に示すトランジ
スタのしきい値電圧は−2.26Vであり、構造2に示すトランジスタのしきい値電圧は
−4.73Vであった。
電圧の変動量が低減される。このため、複数のトランジスタにおける電気特性のバラつき
も同時に低減される。
膜203及び絶縁膜209中の固定電荷、可動電荷、あるいは負の電荷(アクセプターラ
イクな準位にトラップされた電子など)によるしきい値電圧のプラスシフトも同様に抑制
されるため、バラつきが低減すると考えられる。
また、構造1に示すトランジスタのようにDual Gate駆動とすることで、−G
BTストレス試験の劣化を低減することができる。以下に、−GBTストレス試験の劣化
を低減することができる理由について説明する。
い点がある。図28(A)に、構造1のトランジスタにおいて、ゲート電極201及びゲ
ート電極213それぞれに−30Vを印加したときの、ポテンシャル等高線をプロットし
た図を示す。また、図28(B)に、図28(A)のA−B断面におけるポテンシャルを
示す。
加され、完全空乏化した時は、ゲート電極201、213の間には、一切の電荷が存在し
ない。この状態で、ゲート電極201及びゲート電極213を等電位にすると、図28(
B)に示すように、ゲート電極201及びゲート電極213の間は完全に等電位となる。
電位が等しいため、絶縁膜203、酸化物半導体膜205、及び絶縁膜209に静電スト
レスは生じない。この結果、可動イオンや、絶縁膜203及び絶縁膜209におけるキャ
リアのトラップ・デトラップなど、−GBTストレス試験の劣化の原因となる現象が発生
しない。
場が遮蔽されることである。ここでは、図26(A)に示す構造1のトランジスタ、及び
図26(B)に示す構造2のトランジスタそれぞれにおいて、絶縁膜209またはゲート
電極213上に空気中の荷電粒子が吸着するモデルを図29に示す。
に空気中の正の荷電粒子が吸着する。ゲート電極201に負の電圧が印加されると、正の
荷電粒子が絶縁膜209に吸着される。この結果、図29(B)の矢印で示すように、正
の荷電粒子の電場が酸化物半導体膜205の絶縁膜209の界面まで影響し、実質的に正
のバイアスが印加された状態となる。この結果、しきい値電圧が負にシフトすると考えら
れる。
213表面に、正の荷電粒子が付着したとしても、図29(A)の矢印で示すように、ゲ
ート電極213が正の荷電粒子の電場を遮蔽するため、トランジスタの電気特性に正の荷
電粒子が影響しない。即ち、ゲート電極213を有すると、外部からの電荷から、トラン
ジスタを電気的に保護することが可能であり、−GBTストレス試験の劣化が抑制される
。
トレス試験の劣化が抑制される。
ここで、構造2とした場合の、異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧
の変動、及びその原因について説明する。
ゲート絶縁膜233上に酸化物半導体膜235が設けられる。酸化物半導体膜235上に
一対の電極237、238が設けられ、ゲート絶縁膜233、酸化物半導体膜235、及
び一対の電極237、238上に、絶縁膜239が設けられる。
ト絶縁膜233を、誘電率が7.5である厚さ400nmの膜と、誘電率が4.1である
厚さ50nmの膜の積層構造と設定した。酸化物半導体膜235としてはIn−Ga−Z
n酸化物膜(In:Ga:Zn=1:1:1)単層を想定し、In−Ga−Zn酸化物膜
のバンドギャップEgを3.15eV、電子親和力χを4.6eV、比誘電率を15、電
子移動度を10cm2/Vsとし、ドナー密度Ndは1×1013/cm3と設定した。
一対の電極237、238の仕事関数φsdを4.6eVとし、酸化物半導体膜235と
オーミック接合と設定した。絶縁膜239の比誘電率を3.9とし、厚さを550nmと
設定した。なお、酸化物半導体膜235における欠陥準位や表面散乱などのモデルは考慮
していない。また、トランジスタのチャネル長及びチャネル幅をそれぞれ3μm及び50
μmとした。
吸着したトランジスタのモデルを図30(B)及び図30(C)に示す。なお、図30(
B)においては、絶縁膜239の表面に正の固定電荷を一様に仮定した構造であり、図3
0(C)においては、絶縁膜239の表面に正の固定電荷を部分的に仮定した構造である
。
(A)乃至図31(C)に示す。
定電荷を仮定しない場合において、ドレイン電圧(Vd)が1V及び10V、それぞれの
立ち上がり電圧が略一致している。
正の固定電荷を一様に仮定した場合は、しきい値電圧がマイナスシフトしている。一方、
ドレイン電圧(Vd)が1V及び10V、それぞれの立ち上がり電圧が略一致している。
正の固定電荷を部分的に仮定した場合は、ドレイン電圧(Vd)が1V及び10V、それ
ぞれの立ち上がり電圧が異なっている。
、上記<−GBTストレス試験の劣化の抑制>で説明したように、ゲート電極213が外
部の荷電粒子の電場を遮蔽するため、トランジスタの電気特性に荷電粒子が影響しない。
即ち、ゲート電極213を有すると、外部からの電荷から、トランジスタを電気的に保護
することが可能であり、異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動を
抑制することができる。
で、−GBTストレス試験の劣化の抑制及び異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち
上がり電圧の変動の抑制が可能である。また、デュアルゲート構造とし、各ゲート電極に
同電位の電圧を印加することで、初期特性バラつきの低減、−GBTストレス試験の劣化
の抑制及び異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動の抑制が可能で
ある。
値電圧の変動量について>
図32に、構造1に示すトランジスタのチャネル幅方向の断面模式図を示す。なお、図
32に示すトランジスタの断面模式図における各構成は、図26(A)に示す構造1の各
構成と縮尺が異なる。
ート電極213が酸化物半導体膜205よりも、チャネル幅方向にt2だけはみ出してい
るものの、酸化物半導体膜205の側面に対向するゲート電極が無い構造を構造3とする
(図32(A)参照。)。
(C/m2)によるVthの変動量ΔV4は数式(4)のようになる。
体膜205の側面における電荷がVthのシフトを引き起こす主要因である場合に限る。
例えば、ゲート電極201あるいはゲート電極213が酸化物半導体膜205からチャネ
ル幅方向にはみ出していないときに、酸化物半導体膜205の側面おけるドナーイオンの
電荷により寄生チャネルが形成される場合がある。これに対し、構造3の場合は、数式(
4)にしたがって、電荷の影響が抑制される。
を想定したが、絶縁膜、絶縁膜界面、あるいは酸化物半導体膜における固定電荷、あるい
はトラップ準位に捉えられた電子やホールであっても、それらがVthのシフトを引き起
こす主要因である場合には同様の議論が成り立つ。
導体膜205よりも、チャネル幅方向にそれぞれXB、XTだけはみ出している構造4を
考える(図32(B)参照。)。このとき、CBottomとCTopは、それぞれ数式
(5)と数式(6)のように書き換えられる。
os、XT=t3+tosで数式(7)に示す最大値CBottom Maxと数式(8)
に示すCTop Maxを取る。
+tos、XT=t3+tosとすれば良い。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について、図面を用いて説明する
。なお、本実施の形態では、表示装置を例にして本発明の一態様である半導体装置を説明
する。
1と、走査線駆動回路104と、信号線駆動回路106と、各々が平行または略平行に配
設され、且つ走査線駆動回路104によって電位が制御されるm本の走査線107と、各
々が平行または略平行に配設され、且つ信号線駆動回路106によって電位が制御される
n本の信号線109と、を有する。さらに、画素部101はマトリクス状に配設された複
数の画素100を有する。また、信号線109に沿って、各々が平行または略平行に配設
された容量線115を有する。なお、容量線115は、走査線107に沿って、各々が平
行または略平行に配設されていてもよい。また、走査線駆動回路104及び信号線駆動回
路106をまとめて駆動回路部という場合がある。
ずれかの行に配設されたn個の画素100と電気的に接続される。また、各信号線109
は、m行n列に配設された画素100のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素10
0に電気的と接続される。m、nは、ともに1以上の整数である。また、各容量線115
は、m行n列に配設された画素100のうち、いずれかの行に配設されたn個の画素10
0と電気的に接続される。なお、容量線115が、信号線109に沿って、各々が平行ま
たは略平行に配設されている場合は、m行n列に配設された画素100のうち、いずれか
の列に配設されたm個の画素100に電気的と接続される。
回路構成の一例を示している。
105と、を有する。
る。液晶素子121は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。また、複数の
画素100のそれぞれが有する液晶素子121の一対の電極の一方に共通の電位(コモン
電位)を与えてもよい。また、各行の画素100毎の液晶素子121の一対の電極の一方
に異なる電位を与えてもよい。
する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界(横方向の電界、縦
方向の電界又は斜め方向の電界を含む)によって制御される。なお、液晶素子121とし
ては、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、サーモトロピック液晶
、ライオトロピック液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶等が挙げられる。
ド、ASM(Axially Symmetric Aligned Micro−ce
ll)モード、OCB(Optically Compensated Birefri
ngence)モード、MVAモード、PVA(Patterned Vertical
Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、またはTBA(Tran
sverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。ただし、こ
れに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。
により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、応答速度が1msec以下と
短く、光学的等方性であるため、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
レイン電極の一方は、信号線109に電気的に接続され、他方は液晶素子121の一対の
電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ103のゲート電極は、走査線1
07に電気的に接続される。トランジスタ103は、オン状態またはオフ状態になること
により、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
電位が供給される容量線115に電気的に接続され、他方は、液晶素子121の一対の電
極の他方に電気的に接続される。なお、容量線115の電位の値は、画素100の仕様に
応じて適宜設定される。容量素子105は、書き込まれたデータを保持する保持容量とし
ての機能を有する。
各行の画素100を順次選択し、トランジスタ103をオン状態にしてデータ信号のデー
タを書き込む。
状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
33と、画素の駆動を制御するトランジスタ103と、トランジスタ135と、容量素子
105と、発光素子131と、を有する。
信号線109に電気的に接続される。さらに、トランジスタ103のゲート電極は、ゲー
ト信号が与えられる走査線107に電気的に接続される。
タの書き込みを制御する機能を有する。
る配線137と電気的に接続され、トランジスタ103のソース電極及びドレイン電極の
他方は、発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。さらに、トランジスタ10
3のゲート電極は、トランジスタ133のソース電極及びドレイン電極の他方、及び容量
素子105の一方の電極に電気的に接続される。
流れる電流を制御する機能を有する。
れる配線139と接続され、トランジスタ135のソース電極及びドレイン電極の他方は
、発光素子131の一方の電極、及び容量素子105の他方の電極に電気的に接続される
。さらに、トランジスタ135のゲート電極は、ゲート信号が与えられる走査線107に
電気的に接続される。
、発光素子131が劣化等により、発光素子131の内部抵抗が上昇した場合、トランジ
スタ135のソース電極及びドレイン電極の一方が接続された配線139に流れる電流を
モニタリングすることで、発光素子131に流れる電流を補正することができる。配線1
39に与えられる電位としては、例えば、0Vとすることができる。
電極の他方、及びトランジスタ133のゲート電極と電気的に接続され、容量素子105
の一対の電極の他方は、トランジスタ135のソース電極及びドレイン電極の他方、及び
発光素子131の一方の電極に電気的に接続される。
を保持する保持容量としての機能を有する。
電極の他方、容量素子105の他方の電極、及びトランジスタ103のソース電極及びド
レイン電極の他方と電気的に接続される。また、発光素子131の一対の電極の他方は、
カソードとして機能する配線141に電気的に接続される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子131としては、これに限定されず
、無機材料からなる無機EL素子を用いても良い。
、低電源電位VSSが与えられる。図9(C)に示す構成においては、配線137に高電
源電位VDDを、配線141に低電源電位VSSを、それぞれ与える構成としている。
素100を順次選択し、トランジスタ102をオン状態にしてデータ信号のデータを書き
込む。
状態になる。さらに、トランジスタ103は、容量素子105と接続しているため、書き
込まれたデータを長時間保持することが可能となる。また、トランジスタ133により、
ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子131は、流れる電
流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
ここでは、図9(B)に示す画素100の上面図を図10に示す。なお、図10において
は、対向電極及び液晶素子を省略する。
図中左右方向)に延伸して設けられている。信号線として機能する導電膜310dは、走
査線に略直交する方向(図中上下方向)に延伸して設けられている。容量線として機能す
る導電膜310fは、信号線と平行方向に延伸して設けられている。なお、走査線として
機能する導電膜304cは、走査線駆動回路104(図9(A)を参照。)と電気的に接
続されており、信号線として機能する導電膜310d及び容量線として機能する導電膜3
10fは、信号線駆動回路106(図9(A)を参照。)に電気的に接続されている。
スタ103は、ゲート電極として機能する導電膜304c、ゲート絶縁膜(図10に図示
せず。)、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される酸化物半導体膜308
b、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜310d、310e、酸化物半導
体膜308b上に形成された保護膜(図10に図示せず。)、及びゲート電極として機能
する導電膜316cにより構成される。なお、導電膜304cは、走査線としても機能し
、酸化物半導体膜308bと重畳する領域がトランジスタ102のゲート電極として機能
する。また、導電膜310dは、信号線としても機能し、酸化物半導体膜308bと重畳
する領域がトランジスタ102のソース電極またはドレイン電極として機能する。また、
図10において、走査線は、上面形状において端部が酸化物半導体膜308bの端部より
外側に位置する。このため、走査線はバックライトなどの光源からの光を遮る遮光膜とし
て機能する。この結果、トランジスタに含まれる酸化物半導体膜308bに光が照射され
ず、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。また、ゲート電極として機
能する導電膜304c及びゲート電極として機能する導電膜316cは、開口部364c
において接続する。
有する導電膜316bと電気的に接続されている。
されている。また、容量素子105は、ゲート絶縁膜上に形成される導電性を有する膜3
08cと、トランジスタ103上に設けられる窒化物絶縁膜で形成される誘電体膜と、画
素電極として機能する透光性を有する導電膜316cと、で構成されている。導電性を有
する膜308cは透光性を有するため、容量素子105は透光性を有する。
きく(大面積に)形成することができる。従って、開口率を高めつつ、代表的には50%
以上、55%以上、または60%以上とすることが可能であると共に、電荷容量を増大さ
せた半導体装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、例えば液晶表示
装置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、解
像度の高い半導体装置において、容量素子に蓄積される電荷容量が小さくなる。しかしな
がら、本実施の形態に示す容量素子105は透光性を有するため、当該容量素子を画素に
設けることで、各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高めることができる。
代表的には、画素密度が200ppi以上、さらには300ppi以上、更には500p
pi以上である高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。
比較して走査線として機能する導電膜304cと平行な辺の方が長い形状であり、且つ容
量線として機能する導電膜310fが、信号線として機能する導電膜310dと平行な方
向に延伸して設けられている。この結果、画素100に占める導電膜310fの面積を低
減することが可能であるため、開口率を高めることができる。また、容量線として機能す
る導電膜310fが接続電極を用いず、直接導電性を有する膜308cと接するため、さ
らに開口率を高めることができる。
るため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電
力を低減することができる。
いて、走査線駆動回路104及び信号線駆動回路106を含む駆動回路部(上面図を省略
する。)の断面図をA−Bに示す。本実施の形態においては、縦電界方式の液晶表示装置
について説明する。
322が挟持されている。
御する膜(以下、配向膜318、352という)と、液晶層320と、導電膜350と、
を有する。なお、透光性を有する導電膜316bは、液晶素子322の一方の電極として
機能し、導電膜350は、液晶素子322の他方の電極として機能する。
装置は、複数の画素を駆動させる駆動回路等を含む。また、液晶表示装置は、別の基板上
に配置された制御回路、電源回路、信号生成回路及びバックライトモジュール等を含み、
液晶モジュールとよぶこともある。
機能する絶縁膜305及び絶縁膜306、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜30
8a、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜310a、310bによりトラ
ンジスタ102を構成する。酸化物半導体膜308aは、ゲート絶縁膜上に設けられる。
する絶縁膜305及び絶縁膜306、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成さ
れる酸化物半導体膜308b、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜310
d、310e、絶縁膜312、絶縁膜314、及びゲート電極として機能する導電膜31
6cによりトランジスタ103を構成する。酸化物半導体膜308bは、ゲート絶縁膜上
に設けられる。また、導電膜310d、310e上には、絶縁膜312、絶縁膜314が
保護膜として設けられている。
縁膜314に設けられた開口部において、導電膜310eと接続する。
絶縁膜314、他方の電極として機能する透光性を有する導電膜316bにより容量素子
105を構成する。導電性を有する膜308cは、ゲート絶縁膜上に設けられる。
4bと、導電膜310a、310b、310d、310eと同時に形成された導電膜31
0cとは、透光性を有する導電膜316bと同時に形成された透光性を有する導電膜31
6aで接続される。
に設けられた開口部において接続する。また、導電膜310cと透光性を有する導電膜3
16aは、絶縁膜312及び絶縁膜314に設けられた開口部において接続する。
04aは、駆動回路部のトランジスタのゲート電極としての機能を有する。また、導電膜
304cは、画素部101に形成され、画素部のトランジスタのゲート電極として機能す
る。また、導電膜304bは、走査線駆動回路104に形成され、導電膜310cと接続
する。
材料及び作製方法を適宜用いることができる。
306が形成されている。絶縁膜305、絶縁膜306は、駆動回路部のトランジスタの
ゲート絶縁膜、及び画素部101のトランジスタのゲート絶縁膜としての機能を有する。
を用いて形成することが好ましい。絶縁膜306としては、実施の形態1に示すゲート絶
縁膜17で説明した酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。
が形成されている。酸化物半導体膜308aは、導電膜304aと重畳する位置に形成さ
れ、駆動回路部のトランジスタのチャネル領域として機能する。また、酸化物半導体膜3
08bは、導電膜304cと重畳する位置に形成され、画素部のトランジスタのチャネル
領域として機能する。導電性を有する膜308cは、容量素子105の一方の電極として
機能する。
に示す酸化物半導体膜18の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
導体膜であり、且つ不純物が含まれていることを特徴とする。不純物としては、水素があ
る。なお、水素の代わりに不純物として、ホウ素、リン、スズ、アンチモン、希ガス元素
、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が含まれていてもよい。
縁膜上に形成されるが、不純物濃度が異なる。具体的には、酸化物半導体膜308a、3
08bと比較して、導電性を有する膜308cの不純物濃度が高い。例えば、酸化物半導
体膜308a、308bに含まれる水素濃度は、5×1019atoms/cm3以下、
5×1018atoms/cm3以下、1×1018atoms/cm3以下、5×10
17atoms/cm3以下、または1×1016atoms/cm3以下であり、導電
性を有する膜308cに含まれる水素濃度は、8×1019atoms/cm3以上、1
×1020atoms/cm3以上、または5×1020atoms/cm3以上である
。また、酸化物半導体膜308a、308bと比較して、導電性を有する膜308cに含
まれる水素濃度は2倍、または10倍以上である。
低い。導電性を有する膜308cの抵抗率が、酸化物半導体膜308a、308bの抵抗
率の1×10−8倍以上1×10−1倍以下で有ることが好ましく、代表的には1×10
−3Ωcm以上1×104Ωcm未満、または、抵抗率が1×10−3Ωcm以上1×1
0−1Ωcm未満であるとよい。
導体膜との界面特性を向上させることが可能な材料で形成される膜と接しているため、酸
化物半導体膜308a、308bは、半導体として機能し、酸化物半導体膜308a、3
08bを有するトランジスタは、優れた電気特性を有する。
縁膜314と接する。絶縁膜314は、外部からの不純物、例えば、水、アルカリ金属、
アルカリ土類金属等が、酸化物半導体膜へ拡散するのを防ぐ材料で形成される膜であり、
更には水素を含む。このため、絶縁膜314の水素が酸化物半導体膜308a、308b
と同時に形成された酸化物半導体膜に拡散すると、該酸化物半導体膜において水素は酸素
と結合し、キャリアである電子が生成される。また、絶縁膜314をプラズマCVD法ま
たはスパッタリング法で成膜すると、酸化物半導体膜がプラズマに曝され、酸素欠損が生
成される。当該酸素欠損に絶縁膜314に含まれる水素が入ることで、キャリアである電
子が生成される。これらの結果、酸化物半導体膜は、導電性が高くなり導体として機能す
る。即ち、導電性の高い酸化物半導体膜ともいえる。ここでは、酸化物半導体膜308a
、308bと同様の材料を主成分とし、且つ水素濃度が酸化物半導体膜308a、308
bより高いことにより、導電性が高められた金属酸化物を、導電性を有する膜308cと
よぶ。
は、場合によっては、絶縁膜314と接していないことも可能である。
、場合によっては、酸化物半導体膜308a、または、308bと別々の工程で形成され
てもよい。その場合には、導電性を有する膜308cは、酸化物半導体膜308a、30
8bと、異なる材質を有していても良い。例えば、導電性を有する膜308cは、ITO
、または、インジウム亜鉛酸化物等を用いて形成してもよい。
の一方となる電極を形成する。また、画素電極として機能する透光性を有する導電膜を容
量素子の他方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導
電膜を形成する工程が不要であり、半導体装置の作製工程を削減できる。また、容量素子
は、一対の電極が透光性を有する導電膜で形成されているため、透光性を有する。この結
果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率を高めることができる。
対の電極21、22の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
導電膜310a、310b、310c、310d、310e上には、絶縁膜312、絶縁
膜314が形成されている。絶縁膜312は、絶縁膜306と同様に、酸化物半導体膜と
の界面特性を向上させることが可能な材料を用いることが好ましく、少なくとも実施の形
態1に示す酸化物絶縁膜24と同様の材料及び作製方法を適宜用いることができる。また
、実施の形態1に示すように、酸化物絶縁膜23及び酸化物絶縁膜を積層して形成しても
よい。
属、アルカリ土類金属等が、酸化物半導体膜へ拡散するのを防ぐ材料を用いることが好ま
しく、実施の形態1に示す窒化物絶縁膜25の材料及び作製方法を適宜用いることができ
る。
として機能する導電膜316cが形成されている。透光性を有する導電膜316aは、開
口部364a(図14(C)参照。)において導電膜304bと電気的に接続され、開口
部364b(図14(C)参照。)において導電膜310cと電気的に接続される。即ち
、導電膜304b及び導電膜310cを接続する接続電極として機能する。透光性を有す
る導電膜316bは、開口部364c(図14(C)参照。)において導電膜310eと
電気的に接続され、画素の画素電極としての機能を有する。また、透光性を有する導電膜
316bは、容量素子の一対の電極の一方として機能することができる。導電膜316c
は、開口部364c(図10参照。)において導電膜304cと電気的に接続される。
10cを形成する前に、絶縁膜305、絶縁膜306に開口部を形成するためにパターニ
ングを行い、マスクを形成する必要があるが、図11の接続構造には、当該フォトマスク
が不要である。しかしながら、図11のように、透光性を有する導電膜316bにより、
導電膜304b及び導電膜310cを接続することで、導電膜304b及び導電膜310
cが直接接する接続部を作製する必要が無くなり、フォトマスクを1枚少なくすることが
できる。即ち、半導体装置の作製工程を削減することが可能である。
ンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタン
を含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、ITO、インジウム亜
鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を
用いることができる。
れている。有色膜346は、カラーフィルタとしての機能を有する。また、有色膜346
に隣接する遮光膜344が基板342上に形成される。遮光膜344は、ブラックマトリ
クスとして機能する。また、有色膜346は、必ずしも設ける必要はなく、例えば、表示
装置が白黒の場合等によって、有色膜346を設けない構成としてもよい。
赤色の波長帯域の光を透過する赤色(R)のカラーフィルタ、緑色の波長帯域の光を透過
する緑色(G)のカラーフィルタ、青色の波長帯域の光を透過する青色(B)のカラーフ
ィルタなどを用いることができる。
膜または黒色顔料等を含んだ有機絶縁膜などを用いることができる。
層としての機能、または有色膜346が含有しうる不純物を液晶素子側へ拡散するのを抑
制する機能を有する。
の液晶素子が有する一対の電極の他方としての機能を有する。なお、透光性を有する導電
膜316a、316b、及び導電膜350上には、配向膜としての機能を有する絶縁膜を
別途形成してもよい。
間には、液晶層320が形成されている。また液晶層320は、シール材(図示しない)
を用いて、基板302と基板342の間に封止されている。なお、シール材は、外部から
の水分等の入り込みを抑制するために、無機材料と接触する構成が好ましい。
間に液晶層320の厚さ(セルギャップともいう)を維持するスペーサを設けてもよい。
図12乃至図15を用いて説明する。
膜304a、304b、304cを形成する。なお、導電膜304a、304b、304
cの形成は、所望の領域に第1のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆
われていない領域をエッチングすることで形成することができる。(図12(A)参照)
。
、スパッタリング法、スピンコート法等を用いて形成することができる。
成し、絶縁膜305上に絶縁膜306を形成する(図12(A)参照)。
ができる。なお、絶縁膜305及び絶縁膜306は、真空中で連続して形成すると不純物
の混入が抑制され好ましい。
ーアブレーション法などを用いて形成することができる。
08a、308b、308dを形成する。なお、酸化物半導体膜308a、308b、3
08dの形成は、所望の領域に第2のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスク
に覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる。エッチングとして
は、ドライエッチング、ウエットエッチング、または双方を組み合わせたエッチングを用
いることができる(図12(C)参照)。
09を形成する(図13(A)参照)。
0c、310d、310eを形成する。なお、導電膜310a、310b、310c、3
10d、310eの形成は、所望の領域に第3のパターニングによるマスクの形成を行い
、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで、形成することができる(図1
3(B)参照)。
0a、310b、310c、310d、310e上を覆うように、絶縁膜311を形成す
る(図13(C)参照)。
同様の条件を用いて積層して形成することができる。実施の形態1に示すように、酸化物
絶縁膜23を加熱しながら形成することで、酸化物半導体膜308a、308b、308
d、に含まれる水素、水等を脱離させ、高純度化された酸化物半導体膜を形成することが
できる。
を形成する。なお、絶縁膜311、及び開口部362の形成は、所望の領域に第4のパタ
ーニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングするこ
とで、形成することができる。(図14(A)参照)。
口部362の形成方法としては、例えば、ドライエッチング法を用いることができる。た
だし、開口部362の形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、ま
たはドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。
一部を酸化物半導体膜308a、308bに酸素を移動させ、酸化物半導体膜308a、
308bに含まれる酸素欠損量を低減することができる。
(B)参照)。
アルカリ土類金属等が、酸化物半導体膜へ拡散するのを防ぐ材料を用いることが好ましく
、更には水素を含むことが好ましく、代表的には窒素を含む無機絶縁材料、例えば窒化物
絶縁膜を用いることができる。絶縁膜313としては、例えば、CVD法を用いて形成す
ることができる。
が、酸化物半導体膜へ拡散するのを防ぐ材料で形成される膜であり、更には水素を含む。
このため、絶縁膜314の水素が酸化物半導体膜308dに拡散すると、該酸化物半導体
膜308dにおいて水素は酸素と結合し、キャリアである電子が生成される。この結果、
酸化物半導体膜308dは、導電性が高くなり、導電性を有する膜308cとなる。
ましく、例えば基板温度100℃以上400℃以下、または300℃以上400℃以下の
温度で加熱して成膜することが好ましい。また高温で成膜する場合は、酸化物半導体膜3
08a、308bとして用いる酸化物半導体から酸素が脱離し、キャリア濃度が上昇する
現象が発生することがあるため、このような現象が発生しない温度とする。
a、364b、364c、364d(図10参照。)、を形成する。なお、絶縁膜314
、及び開口部364a、364b、364cは、所望の領域に第5のパターニングによる
マスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成するこ
とができる(図14(C)参照)。
口部364bは、導電膜310cが露出するように形成する。また、開口部364cは、
導電膜310eが露出するように形成する。また、開口部364dは、導電膜304cが
露出するように形成する。
ドライエッチング法を用いることができる。ただし、開口部364a、364b、364
c、364dの形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、またはド
ライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。
導電膜315を形成する(図15(A)参照)。
316b、導電膜316cを形成する。なお、透光性を有する導電膜316a、316b
、導電膜316cの形成は、所望の領域に第6のパターニングによるマスクの形成を行い
、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる(図15
(B)参照)。
ことができる。なお、本実施の形態に示す作製工程においては、第1乃至第6のパターニ
ング、すなわち6枚のマスクでトランジスタ、及び容量素子を同時に形成することができ
る。
散させて、酸化物半導体膜308dの導電性を高めたが、酸化物半導体膜308a、30
8bをマスクで覆い、酸化物半導体膜308dに不純物、代表的には、水素、ホウ素、リ
ン、スズ、アンチモン、希ガス元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属等を添加して、酸
化物半導体膜308dの導電性を高めてもよい。酸化物半導体膜308dに水素、ホウ素
、リン、スズ、アンチモン、希ガス元素等を添加する方法としては、イオンドーピング法
、イオン注入法等がある。一方、酸化物半導体膜308dにアルカリ金属、アルカリ土類
金属等を添加する方法としては、該不純物を含む溶液を酸化物半導体膜308dに曝す方
法がある。
説明を行う。
ことができる。次に、基板342上に遮光膜344、有色膜346を形成する(図16(
A)参照)。
フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ所望の位置に形成する。
照)。
縁膜を用いることができる。絶縁膜348を形成することによって、例えば、有色膜34
6中に含まれる不純物等を液晶層320側に拡散することを抑制することができる。ただ
し、絶縁膜348は、必ずしも設ける必要はなく、絶縁膜348を形成しない構造として
もよい。
としては、導電膜315に示す材料を援用することができる。
4、透光性を有する導電膜316a、316bと、基板342上に形成された導電膜35
0上に、それぞれ配向膜318と配向膜352を形成する。配向膜318、配向膜352
は、ラビング法、光配向法等を用いて形成することができる。その後、基板302と、基
板342との間に液晶層320を形成する。液晶層320の形成方法としては、ディスペ
ンサ法(滴下法)や、基板302と基板342とを貼り合わせてから毛細管現象を用いて
液晶を注入する注入法を用いることができる。
る。
画素100に液晶素子を用いた液晶表示装置の変形例について説明する。図11に示す
液晶表示装置において、導電性を有する膜308cは絶縁膜314と接しているが、絶縁
膜305と接する構造とすることができる。この場合、図14に示すような開口部362
を設ける必要が無いため、透光性を有する導電膜316a、316b表面の段差を低減す
ることが可能である。このため、液晶層320に含まれる液晶材料の配向乱れを低減する
ことが可能である。また、コントラストの高い半導体装置を作製することができる。
縁膜306を選択的にエッチングして、絶縁膜305の一部を露出させればよい。
本実施の形態及び変形例では、絶縁膜314、透光性を有する導電膜316a、316
b、または導電膜316cと、配向膜318との間に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポ
リイミド等の有機絶縁膜を設けてもよい。アクリル系樹脂等の有機絶縁膜は平坦性が高い
ため、透光性を有する導電膜316bの表面の段差を低減することが可能である。このた
め、液晶層320に含まれる液晶材料の配向乱れを低減することが可能である。また、コ
ントラストの高い半導体装置を作製することができる。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に含まれているトランジスタ
において、酸化物半導体膜に適用可能な一態様について説明する。
、多結晶構造の酸化物半導体(以下、多結晶酸化物半導体という。)、微結晶構造の酸化
物半導体(以下、微結晶酸化物半導体という。)、及び非晶質構造の酸化物半導体(以下
、非晶質酸化物半導体という。)の一以上で構成されてもよい。また、酸化物半導体膜は
、CAAC−OS膜で構成されていてもよい。また、酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半
導体及び結晶粒を有する酸化物半導体で構成されていてもよい。以下に、単結晶酸化物半
導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、及び非晶質酸化物半
導体について説明する。
単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損が少ない
)酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単
結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少
ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キ
ャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低い
と密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、CAAC−OS膜よりも密度が高い。また
、CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半
導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非
晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。
CAAC−OS膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。また、CA
AC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸配向性を有する。平面TEM像において、CAA
C−OS膜に含まれる結晶部の面積が2500nm2以上、5μm2以上、または100
0μm2以上である。また、断面TEM像において、該結晶部を50%以上、80%以上
、または95%以上有することで、単結晶に近い物性の薄膜となる。
tron Microscope)によって観察すると、結晶同士の明確な境界、即ち結
晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CA
AC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原
子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹
凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。な
お、本明細書において、「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。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。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。従っ
て、85°以上95°以下の場合も含まれる。
EM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列している
ことを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られ
ない。
が観測される。
ていることがわかる。
装置を用いて構造解析を行うと、CAAC−OS膜のout−of−plane法による
解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、I
nGaZn酸化物の結晶の(00x)面(xは整数)に帰属されることから、CAAC−
OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いて
いることが確認できる。
lane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピーク
は、InGaZn酸化物の結晶の(110)面に帰属される。InGaZn酸化物の単結
晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ
軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結
晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2
θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に
配列した金属原子の各層は、結晶のa−b面に平行な面である。
った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面また
は上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形
状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面
または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上
面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CA
AC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部
分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近
傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶部が含まれるこ
とを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°
近傍にピークを示さないことが好ましい。
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによっ
てキャリア発生源となることがある。
は実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体
膜は、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、当
該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノ
ーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度
真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体
膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる
。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する
時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高
く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定とな
る場合がある。
性の変動が小さい。
多結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像で、結晶粒を確認することができる。多
結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、TEMによる観察像で、2nm以上3
00nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であるこ
とが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像で、結晶粒界を確認でき
る場合がある。
位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜は、例えばXRD装置を用い
てout−of−plane法による分析を行うと、単一または複数のピークが現れる場
合がある。例えば多結晶のIGZO膜では、配向を示す2θが31°近傍のピーク、また
は複数種の配向を示す複数のピークが現れる場合がある。
る。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有す
る。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結
晶酸化物半導体膜の粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、粒界がキャリア発
生源、トラップ準位となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタ
は、CAAC−OS膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性
の低いトランジスタとなる場合がある。
微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することがで
きない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以
下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10n
m以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrys
tal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline O
xide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、T
EMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異な
る結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。
従って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない
場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD
装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を
示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径(例えば
50nm以上)の電子線を用いる電子線回折(制限視野電子線回折ともいう。)を行うと
、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結晶
部の大きさと近いか結晶部より小さい径(例えば1nm以上30nm以下)の電子線を用
いる電子線回折(ナノビーム電子線回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される。
また、nc−OS膜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。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線
回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
を行った例である。ここでは、試料を、nc−OS膜の被形成面に垂直な方向に切断し、
厚さが10nm以下となるように薄片化する。また、ここでは、径が1nmの電子線を、
試料の切断面に垂直な方向から入射させる。図17より、nc−OS膜を有する試料に対
し、ナノビーム電子線回折を行うと、結晶面を示す回折パターンが得られるが、特定方向
の結晶面への配向性は見られないことがわかった。
のため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし
、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−
OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
上記実施の形態で開示された酸化物半導体膜はスパッタリングにより形成することがで
きるが、他の方法、例えば、熱CVD法により形成してもよい。熱CVD法の例としてM
OCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposi
tion)法やALD(Atomic Layer Deposition)法を使って
も良い。
成されることが無いという利点を有する。
または減圧下とし、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
行ってもよい。
順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい
。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以
上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の
原料ガスと同時またはその後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、
第2の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスは
キャリアガスとなり、また、第2の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入しても
よい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した
後、第2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着して第1の層
を成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の層が第1の層上に積層さ
れて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り
返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入
順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、
微細なFETを作製する場合に適している。
た金属膜、酸化物半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、I
nGaZnO膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及び
ジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、In(CH3)3であ
る。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ga(CH3)3である。また、ジメチル亜
鉛の化学式は、Zn(CH3)2である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリ
メチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(化学式Ga(C2H5)3)を用いること
もでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(化学式Zn(C2H5)2)を用いること
もできる。
O膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを順次繰り返し導入してIn
−O層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスを同時に導入してGaO層を
形成し、更にその後Zn(CH3)2とO3ガスを同時に導入してZnO層を形成する。
なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜて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
、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH2Oガスを用いても
良いが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。また、In(CH3)3ガスにか
えて、In(C2H5)3ガスを用いても良い。また、Ga(CH3)3ガスにかえて、
Ga(C2H5)3ガスを用いても良い。また、In(CH3)3ガスにかえて、In(
C2H5)3ガスを用いても良い。また、Zn(CH3)2ガスを用いても良い。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
について説明する。
た。まず、試料1の作製工程について説明する。本発明の一態様である試料1乃至試料3
については図18を参照して、比較用の試料4乃至6については図19を参照して、それ
ぞれ説明を行う。
試料1は、基板511と、基板511上のゲート電極515と、基板511及びゲート
電極515上のゲート絶縁膜517と、ゲート絶縁膜517上に設けられ、且つゲート電
極515と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜518と、ゲート絶縁膜517及び
酸化物半導体膜518上の一対の電極521、522と、酸化物半導体膜518及び一対
の電極521、522上の保護膜526と、保護膜526上に設けられ、且つゲート電極
515と重畳する領域に設けられたバックゲート電極527と、を有する(図18参照)
。
525の3層の積層構造で形成した。また、バックゲート電極527の両端部は、図18
(B)に示すように、ゲート電極515の両端部と概略一致している。また、バックゲー
ト電極527は、図18(C)に示すように、保護膜526を介して酸化物半導体膜51
8を覆うように形成した。
た。
し、フォトリソグラフィ工程により該タングステン膜上にマスクを形成し、該マスクを用
いて該タングステン膜の一部をエッチングして形成した。
窒化シリコン膜を積層して形成した。
窒化シリコン膜の3層積層構造とした。
の窒素、及び流量100sccmのアンモニアガスを原料ガスとしてプラズマCVD装置
の処理室に供給し、処理室内の圧力を100Paに制御し、27.12MHzの高周波電
源を用いて2000Wの電力を供給して、厚さが50nmとなるように形成した。第2の
窒化シリコン膜としては、流量200sccmのシラン、流量2000sccmの窒素、
及び流量2000sccmのアンモニアガスを原料ガスとしてプラズマCVD装置の処理
室に供給し、処理室内の圧力を100Paに制御し、27.12MHzの高周波電源を用
いて2000Wの電力を供給して、厚さが300nmとなるように形成した。第3の窒化
シリコン膜としては、流量200sccmのシラン、及び流量5000sccmの窒素を
原料ガスとしてプラズマCVD装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を100Paに制
御し、27.12MHzの高周波電源を用いて2000Wの電力を供給して、厚さが50
nmとなるように形成した。なお、第1の窒化シリコン膜、第2の窒化シリコン膜、及び
第3の窒化シリコン膜形成時の基板温度は350℃とした。
酸化二窒素を原料ガスとしてプラズマCVD装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を4
0Paに制御し、27.12MHzの高周波電源を用いて100Wの電力を供給して、酸
化窒化シリコン膜を形成した。なお、酸化窒化シリコン膜形成時の基板温度は350℃と
した。
形成した。
で形成した。
数比)のターゲットとし、流量100sccmの酸素をスパッタリングガスとしてスパッ
タリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を0.6Paに制御し、5kWの直流
電力を供給して形成した。なお、酸化物半導体膜を形成する際の基板温度を170℃とし
た。
電膜として、厚さ50nmのタングステン膜上に厚さ400nmのアルミニウム膜を形成
し、該アルミニウム膜上に厚さ200nmのチタン膜を形成した。次に、フォトリソグラ
フィ工程により該導電膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該導電膜の一部をエッチ
ングし、一対の電極521、522を形成した。
上部電極に27.12MHzの高周波電源を用いて150Wの高周波電力を供給して、一
酸化二窒素雰囲気で発生させた酸素プラズマに酸化物半導体膜518を曝した。
た。ここでは、保護膜526として、酸化物絶縁膜523、酸化物絶縁膜524、及び窒
化物絶縁膜525を形成した。
及び酸化物絶縁膜524を形成した。酸化物絶縁膜523として厚さ50nmの酸化窒化
シリコン膜を形成し、酸化物絶縁膜524として厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜を
形成した。
二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を200Pa、基板温度を350℃とし、100W
の高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法により形成した。
化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を200Pa、基板温度を220℃とし、150
0Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法により形成した。当該条件
により、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が
脱離する酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
素等を脱離させると共に、酸化物絶縁膜524に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜5
18へ供給した。ここでは、窒素及び酸素雰囲気で、350℃、1時間の加熱処理を行っ
た。
物絶縁膜525は、流量50sccmのシラン、流量5000sccmの窒素、及び流量
100sccmのアンモニアガスを原料ガスとし、処理室の圧力を100Pa、基板温度
を350℃とし、1000Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法に
より形成した。
0sccmの有機シランガスである珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC2H5)4
)と、流量10000sccmの酸素を原料ガスとし、処理室の圧力175Pa、基板温
度を350℃とし、3300Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法
により形成した。
は、バックゲート電極527として、スパッタリング法により厚さ100nmの酸化イン
ジウム−酸化スズ化合物(ITO−SiO2)の導電膜を形成した。なお、該導電膜に用
いたターゲットの組成は、In2O3:SnO2:SiO2=85:10:5[重量%]
とした。この後、窒素雰囲気で、250℃、1時間の加熱処理を行った。
試料2は、試料1と比較し酸化物半導体膜518の構造が異なる。具体的には、試料2
の酸化物半導体膜518を、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の積層構造と
した。
1:2(原子数比)のターゲットとし、流量100sccmの酸素をスパッタリングガス
としてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を0.6Paに制御し、
5kWの直流電力を供給して形成した。
第2の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=1:3:2(
原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccmのアルゴ
ンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力
を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。なお、第1の酸化物半導
体膜及び第2の酸化物半導体膜を形成する際の基板温度を170℃とした。
、試料1の記載を援用することで形成することができる。
試料3は、試料1と比較し酸化物半導体膜518の構造が異なる。具体的には、試料3
の酸化物半導体膜518は、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜と第3の酸化
物半導体膜の積層構造とした。
3:2(原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccm
のアルゴンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室
内の圧力を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。
第2の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=3:1:2(
原子数比)のターゲットとし、流量100sccmの酸素及び流量100sccmのアル
ゴンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧
力を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。
第3の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=1:3:2(
原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccmのアルゴ
ンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力
を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。なお、第1の酸化物半導
体膜、第2の酸化物半導体膜、及び第3の酸化物半導体膜を形成する際の基板温度を17
0℃とした。
、試料1の記載を援用することで形成することができる。
試料4は、基板511と、基板511上のゲート電極515と、基板511及びゲート
電極515上のゲート絶縁膜517と、ゲート絶縁膜517上に設けられ、且つゲート電
極515と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜518と、ゲート絶縁膜517及び
酸化物半導体膜518上の一対の電極521、522と、酸化物半導体膜518及び一対
の電極521、522上の保護膜526と、保護膜526上に設けられ、且つゲート電極
515と重畳する領域に設けられたバックゲート電極528と、を有する(図19参照)
。
525の3層の積層構造で形成した。また、バックゲート電極528は、図19(B)に
示すように、酸化物半導体膜518の両端部よりも内側に位置するように形成した。また
、バックゲート電極528は、図19(C)に示すように、保護膜526を介して酸化物
半導体膜518の内側に位置するように形成した。ただし、図19(C)において、バッ
クゲート電極528の1つの端部は、酸化物半導体膜518よりも外側にはみ出すように
形成している。
0sccmの有機シランガスである珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC2H5)4
)と、流量10000sccmの酸素を原料ガスとし、処理室の圧力175Pa、基板温
度を350℃とし、3300Wの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマCVD法
により形成した。
は、バックゲート電極527として、スパッタリング法により厚さ100nmの酸化イン
ジウム−酸化スズ化合物(ITO−SiO2)の導電膜を形成した。なお、該導電膜に用
いたターゲットの組成は、In2O3:SnO2:SiO2=85:10:5[重量%]
とした。この後、窒素雰囲気で、250℃、1時間の加熱処理を行った。
試料5は、試料4と比較し酸化物半導体膜518の構造が異なる。具体的には、試料5
の酸化物半導体膜518は、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の積層構造と
した。
1:2(原子数比)のターゲットとし、流量100sccmの酸素及び流量100scc
mのアルゴンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理
室内の圧力を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。
第2の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=1:3:2(
原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccmのアルゴ
ンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力
を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。なお、第1の酸化物半導
体膜及び第2の酸化物半導体膜を形成する際の基板温度を170℃とした。
、試料4の記載を援用することで形成することができる。
試料6は、試料4と比較し酸化物半導体膜518の構造が異なる。具体的には、試料6
の酸化物半導体膜518は、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜と第3の酸化
物半導体膜の積層構造とした。
3:2(原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccm
のアルゴンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室
内の圧力を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。
第2の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=3:1:2(
原子数比)のターゲットとし、流量100sccmの酸素及び流量100sccmのアル
ゴンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧
力を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。
第3の酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn=1:3:2(
原子数比)のターゲットとし、流量30sccmの酸素及び流量270sccmのアルゴ
ンをスパッタリングガスとしてスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力
を0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。なお、第1の酸化物半導
体膜、第2の酸化物半導体膜、及び第3の酸化物半導体膜を形成する際の基板温度を17
0℃とした。
、試料4の記載を援用することで形成することができる。
)が50μmのトランジスタである。
次に、試料1乃至試料6のトランジスタの初期特性としてVg−Id特性を測定した。
ここでは、基板温度を25℃とし、ソース−ドレイン間の電位差(以下、ドレイン電圧と
いう。)を1V、10Vとし、ソース−ゲート電極間の電位差(以下、ゲート電圧という
。)を−15V乃至+20Vまで変化させたときのソース−ドレイン間に流れる電流(以
下、ドレイン電流という。)の変化特性、すなわちVg−Id特性を測定した。
次に、初期特性の測定が終了した試料1乃至試料6のゲートBTストレス試験(以下、
GBT試験)を行った。ここでは、GBT試験条件としては、基板温度を60℃とし、測
定環境を暗室下(dark環境下)において、ゲート電圧として+30Vを印加して1時
間のストレスを試料1乃至試料6に与えた。GBT試験は加速試験の一種であり、長期間
の使用によって起こるトランジスタの特性変化(即ち、経時変化)を短時間で評価するこ
とができる。GBT試験前後におけるトランジスタの特性の変動量を調べることは、信頼
性を調べるための重要な指標となる。
−Id特性を示す。なお、図20(A)は試料1の初期特性及びGBT後の特性結果を、
図20(B)は試料2の初期特性及びGBT後の特性結果を、図20(C)は試料3の初
期特性及びGBT後の特性結果を、図21(A)は試料4の初期特性及びGBT後の特性
結果を、図21(B)は試料5の初期特性及びGBT後の特性結果を、図21(C)は試
料6の初期特性及びGBT後の特性結果を、それぞれ表す。
軸はドレイン電流Idを、第2の縦軸は電界効果移動度μFEを、それぞれ表す。
V、10Vのときの初期特性のVg−Id特性と、ゲート電圧Vgを10Vとしたときの
ゲート電圧に対する初期特性の電界効果移動度を表す。また、破線は、ドレイン電圧Vd
が1V、10VのときのGBT試験後のVg−Id特性と、ゲート電圧Vgを10Vとし
たときのゲート電圧に対するGBT試験後の電界効果移動度を表す。なお、当該電界効果
移動度は各試料の飽和領域での結果である。
て、図20及び図21に示すグラフにおいては、20個のトランジスタのデータを重ねて
示している。
良好なスイッチング特性が得られていることが分かる。一方で、破線で示すGBT試験後
の特性においては、試料1乃至試料3においては、初期特性に対して概ね変動がない、ま
たは変動が極めて少ない(破線が実線と概ね重なって図示されている)。しかしながら、
図21に示す試料4乃至試料6においては、実線で示す初期特性に対して、破線で示すG
BT試験後の特性において、大きな変動が確認される。具体的には、GBT試験後におい
て立ち上がりの電圧がマイナス方向にシフトしている。また、ゲート電圧(Vg)をマイ
ナス方向からプラス方向に変化させた際に段階的に変化する2つのピークを有している。
違いとして、バックゲート電極(バックゲート電極527及びバックゲート電極528)
の形状が異なる。本発明の一態様である試料1乃至試料3においては、バックゲート電極
527の形状が酸化物半導体膜518を覆い、且つゲート電極515と端部と重畳してい
る。別言すると、酸化物半導体膜518のチャネル部の側面を上下のゲート電極(ゲート
電極515及びバックゲート電極527)によって、覆われた構造といえる。また、別言
すると、酸化物半導体膜518のチャネル部側面の外周部で上下のゲート電極(ゲート電
極515及びバックゲート電極527)が誘電体(ゲート絶縁膜517及び保護膜526
)を介して対向している構造ともいえる。
化物半導体膜518よりも内側に形成されている。
生チャネルが形成されやすい。しかしながら、本発明の一態様の試料1乃至試料3は、酸
化物半導体膜518のチャネル部側面の外周部を、上下のゲート電極(ゲート電極515
及びバックゲート電極527)によって覆われた構造である。したがって、上下のゲート
電極によって、酸化物半導体膜518のチャネル部側面の外周部に発生しうる寄生チャネ
ルを無くす、または寄生チャネルの影響を低減することができる。
。
例として用いた。本発明の一態様である試料7については図22を参照して、比較用の試
料8乃至10については図23及び図24を参照して、それぞれ説明を行う。
試料7は、基板511と、基板511上のゲート電極515と、基板511及びゲート
電極515上のゲート絶縁膜517と、ゲート絶縁膜517上に設けられ、且つゲート電
極515と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜518と、ゲート絶縁膜517及び
酸化物半導体膜518上の一対の電極521、522と、酸化物半導体膜518及び一対
の電極521、522上の保護膜526と、保護膜526上に設けられ、且つゲート電極
515と重畳する領域に設けられたバックゲート電極527と、を有する(図22参照)
。
525の3層の積層構造で形成した。また、バックゲート電極527の両端部は、図22
(B)に示すように、ゲート電極515の両端部と概略一致している。また、バックゲー
ト電極527は、図22(C)に示すように、保護膜526を介して酸化物半導体膜51
8を覆うように形成した。
法である。したがって、試料7は、試料1に記載の作製方法を援用することで形成するこ
とができる。
試料8は、基板511と、基板511上のゲート電極515と、基板511及びゲート
電極515上のゲート絶縁膜517と、ゲート絶縁膜517上に設けられ、且つゲート電
極515と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜518と、酸化物半導体膜518上
に設けられ、且つ酸化物半導体膜518に達する一対の開口部550、552を有する保
護膜540と、保護膜540上に設けられ、且つ酸化物半導体膜518に接する一対の電
極521、522と、保護膜540及び一対の電極521、522上の保護膜542と、
保護膜542上に設けられ、且つゲート電極515と重畳する領域に設けられたバックゲ
ート電極544と、を有する(図23参照)。
5の両端部よりも内側に位置する。また、バックゲート電極544は、図23(C)に示
すように、保護膜540、542を介して酸化物半導体膜518を覆う。
−Ti膜と厚さ315nmのCu膜の積層膜である。
nmの窒化シリコン膜と、厚さ400nmの酸化シリコン膜の積層膜である。
さ50nmのIGZO膜である。
膜540は、厚さ100nmの酸化シリコン膜である。
る。電極521、522は、厚さ30nmのMo−Ti膜と、厚さ425nmのCu膜の
積層膜である。
さ325nmの酸化シリコン膜である。
30nmのMo−Ti膜と、厚さ10nmのITO膜の積層膜である。
試料9は、基板511と、基板511上のゲート電極515と、基板511及びゲート
電極515上のゲート絶縁膜517と、ゲート絶縁膜517上に設けられ、且つゲート電
極515と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜518と、ゲート絶縁膜517及び
酸化物半導体膜518上の一対の電極521、522と、酸化物半導体膜518、及び一
対の電極521、522上の保護膜526と、を有する(図24参照)。
525の3層の積層構造で形成した。
mのタングステン膜を用いた。
ては、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を積層し
て形成した。
8としては、厚さ35nmのIGZO膜を用いた。該IGZO膜は、In:Ga:Zn=
1:1:1(原子数比)のターゲットを用いた。
22としては、厚さ50nmのタングステン膜と、厚さ400nmのアルミニウム膜と、
厚さ200nmのチタン膜と、の積層膜を用いた。
護膜526としては、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜と、厚さ400nmの酸化窒化
シリコン膜と、厚さ100nmの窒化シリコン膜を用いた。なお、厚さ50nmの酸化窒
化シリコン膜は、基板温度を350℃として成膜した。また、厚さ400nmの酸化窒化
シリコン膜及び厚さ100nmの窒化シリコン膜は基板温度220℃として成膜した。
試料10は、先に記載した試料9と酸化物半導体膜518及び酸化物半導体膜518形
成後の熱処理が異なる。
2の酸化物半導体膜の積層構造とした。第1の酸化物半導体膜としては、厚さ35nmの
IGZO膜を用いた。なお、第1の酸化物半導体膜は、In:Ga:Zn=1:1:1(
原子数比)のターゲットを用いた。また、第2の酸化物半導体膜としては、厚さ20nm
のIGZO膜を用いた。なお、第2の酸化物半導体膜は、In:Ga:Zn=1:3:2
(原子数比)のターゲットを用いた。
熱処理を行った。
記載の試料9と同様のため、先の記載を援用することで試料10を作製することができる
。
チャネル幅(W)が50μmである。また、試料8のトランジスタは、チャネル長(L)
が10.2μm、チャネル幅(W)が82.6μmである。
次に、上記作製した試料7乃至10のプラスGBT試験を行った。ここでは、ゲートB
Tストレス試験条件としては、基板温度を60℃とし、測定環境を暗室下(dark環境
下)において、ゲート電圧として+30Vを印加してストレス時間を条件振りした。
00秒、500秒、1500秒、2000秒、3600秒として、しきい値電圧の変動量
を測定した。また、試料8については、ストレス時間を100秒、300秒、600秒、
1000秒、1800秒、3600秒として、しきい値電圧の変動量を測定した。
動量から得た近似曲線を示す。なお、図25に示す近似曲線は、全て累乗近似線とした。
また、図25は両対数グラフであり、図25において、横軸は対数で表したストレス時間
を示し、縦軸は対数で表したしきい値電圧の変動量(ΔVth)を示す。また、図25に
示す両対数グラフは、横軸と縦軸の対数目盛の間隔が等しい。
する、対数で表したしきい値電圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変動量が0V
の直線とがなす角度が17°近傍であることがわかる。また、ストレス時間が0.1時間
のときのしきい値電圧の変動量が0.06V近傍であることがわかる。また、試料7の累
乗近似線の傾きは、0.3119V/hrであった。
圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変動量が0Vの直線とがなす角度が31°近
傍であることがわかる。また、ストレス時間が0.1時間のときのしきい値電圧の変動量
が0.05V近傍であることがわかる。また、試料8の累乗近似線の傾きは、0.599
3V/hrであった。
圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変動量が0Vの直線とがなす角度が24°近
傍であることがわかる。また、ストレス時間が0.1時間のときのしきい値電圧の変動量
が0.4V近傍であることがわかる。また、試料9の累乗近似線の傾きは、0.41V/
hrであった。
電圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変動量が0Vの直線とがなす角度が27°
近傍であることがわかる。また、ストレス時間が0.1時間のときのしきい値電圧の変動
量が0.02V近傍であることがわかる。また、試料10の累乗近似線の傾きは、0.4
153V/hrであった。
、対数で表したしきい値電圧の変動量の累乗近似線と、しきい値電圧の変動量が0Vの直
線とがなす角度が30°以下であり、ストレス時間が0.1時間のときのしきい値電圧の
変動量が0.2V未満である。このような関係を用いた半導体装置は、しきい値電圧の変
動量が小さい。本発明の一態様の試料7は、酸化物半導体膜のチャネル形成領域の側面を
上下のゲート電極によって覆うことで、トランジスタ特性の変動量を低減できることが分
かった。
Claims (2)
- 絶縁表面上の第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、
前記第1のゲート電極及び前記酸化物半導体膜の間の第1のゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜に接する一対の電極と、
前記第1のゲート絶縁膜と異なる面で前記酸化物半導体膜と接する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜を介して、前記酸化物半導体膜と重なる第2のゲート電極と、
を有するトランジスタを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含み、
前記トランジスタのチャネル幅方向において、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の側面はそれぞれ、前記酸化物半導体膜の側面より外側に位置し、
基板温度を60℃とし、暗室下において前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極に+30Vを印加して、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極に負荷を与えたときに、前記負荷を与える時間が0.1時間のときのしきい値電圧の変動量が0.2V未満であり、
前記酸化物半導体膜は、電子線のプローブ径を1nmに収束させたナノビーム電子線回折における回折パターンにおいて、円周状に配置された複数のスポットが観察される第1の領域を有し、
前記第1の領域は、ナノ結晶を有する半導体装置。 - 絶縁表面上の第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、
前記第1のゲート電極及び前記酸化物半導体膜の間の第1のゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続された一対の電極と、
前記酸化物半導体膜を挟んで、前記第1のゲート絶縁膜とは反対側に位置する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜を介して、前記酸化物半導体膜と重なる第2のゲート電極と、
を有するトランジスタを有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含み、
前記トランジスタのチャネル幅方向において、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の側面はそれぞれ、前記酸化物半導体膜の側面より外側に位置し、
基板温度を60℃とし、暗室下において前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極に+30Vを印加して、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極に負荷を与えたときに、前記負荷を与える時間が0.1時間のときのしきい値電圧の変動量が0.2V未満であり、
前記酸化物半導体膜は、電子線のプローブ径を1nmに収束させたナノビーム電子線回折における回折パターンにおいて、円周状に配置された複数のスポットが観察される第1の領域を有し、
前記第1の領域は、ナノ結晶を有する半導体装置。
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