JP6882403B2 - 半導体装置 - Google Patents
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-
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Description
を用いた表示装置に関する。
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及び
特許文献2参照)。
ンジスタまたは接続配線等を高密度に集積して駆動回路を形成し、該駆動回路と表示装置
を同一基板上に設ける駆動回路一体型の表示装置の要求が高まっている。
的に接続された電源線または信号線等の配線を高密度に集積した場合、該配線の接続部に
不良が生じる場合がある。
線間を接続する導電膜の断線や、配線間を接続する導電膜の被覆不良により接続部で正常
な導通を確保できない。このような接続部を有する半導体装置を、例えば表示装置に適用
した場合、該接続部の異常により表示装置の歩留まりの低下が発生していた。
あって、トランジスタ及び接続部が有する配線形状を特定の構造とすることで、電気特性
の優れたトランジスタ及び電気特性の優れた接続部を有する半導体装置を提供することを
課題の一つとする。
ることを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装
置の電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとす
る。または、本発明の一態様は、微細化に適した半導体装置を提供することを課題の一つ
とする。または、本発明の一態様は、生産性の優れた半導体装置を提供することを課題の
一つとする。
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。
タは、ゲート電極と、ゲート電極上に形成される第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上に形成
され、ゲート電極と重畳する位置に形成される酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気
的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、を有し、接続部は、ゲート電極と同一表
面上に形成される第1の配線と、ソース電極及びドレイン電極と同一表面上に形成される
第2の配線と、第1の配線と第2の配線を接続する第3の配線と、を有し、第2の配線の
端部は、ソース電極及びドレイン電極の端部よりも上端部と下端部の距離が長いことを特
徴とする半導体装置である。
長くすることによって、第2の配線に起因する段差を低減することができる。第2の配線
に起因する段差を低減することによって、該第2の配線の上方に形成される絶縁膜または
導電膜の被覆性を向上させることができる。これによって、電気特性の優れた、別言する
と導通不良が低減された接続部とすることができる。
よりも上端部と下端部の距離が短い。このような構造とすることで、該トランジスタに良
好な電気特性を付与することができる。例えば、該トランジスタがチャネルエッチ型のト
ランジスタ構造の場合、ソース電極及びドレイン電極の形成時において、半導体層である
酸化物半導体膜にソース電極及びドレイン電極の形成時のダメージが入り得る。しかしな
がら、ソース電極及びドレイン電極の形状を上述した構造とすることで、酸化物半導体膜
に入り得るダメージを最小限にすることができる。また、ソース電極及びドレイン電極の
端部の形状を上述した構造とすることで、チャネル領域として機能する酸化物半導体膜に
好適に電界を印加することが可能となる。
トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上に形成される第1の絶縁膜と、第1の絶縁
膜上に形成され、ゲート電極と重畳する位置に形成される酸化物半導体膜と、酸化物半導
体膜と電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、を有し、接続部は、ゲート電
極と同一表面上に形成される第1の配線と、第1の配線上の第1の絶縁膜と、第1の絶縁
膜に設けられる第1の開口と、ソース電極及びドレイン電極と同一表面上に形成される第
2の配線と、第2の配線上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜に設けられる第2の開口と、
第1の開口と第2の開口を覆うように形成され、且つ第1の配線と第2の配線を接続する
第3の配線と、を有し、第2の配線の端部は、ソース電極及びドレイン電極の端部よりも
上端部と下端部の距離が長いことを特徴とする半導体装置である。
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。
、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、本発明の一態様の半導体装置について、図1乃至図3を用いて説明
する。
図1(A)は、本発明の一態様の半導体装置の上面図であり、図1(B)は、図1(A
)の一点鎖線A−B間及び一点鎖線C−D間における切断面の断面図に相当する。なお、
図1(A)において、煩雑になることを避けるため、半導体装置の構成要素の一部(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。
する。
に形成される第1の絶縁膜108と、第1の絶縁膜108上に形成され、ゲート電極10
4aと重畳する位置に形成される酸化物半導体膜110と、酸化物半導体膜110と電気
的に接続されるソース電極112a及びドレイン電極112bとを有している。
2層の積層構造を例示している。なお、第1の絶縁膜108の構造はこれに限定されず、
例えば、単層構造または3層以上の積層構造としてもよい。
a、及びドレイン電極112b上に第2の絶縁膜120が形成されている。図1(B)に
おいては、第2の絶縁膜120として、絶縁膜114、116、118の3層の積層構造
を例示している。なお、第2の絶縁膜120の構造はこれに限定されず、例えば、単層構
造、2層の積層構造、または4層以上の積層構造としてもよい。
れている。また、第2の絶縁膜120上に開口142aを覆うように画素電極として機能
する導電膜122aが形成されている。なお、導電膜122aは、トランジスタ150の
ドレイン電極112bと接続される。
の絶縁膜108と、第1の絶縁膜108に設けられる開口142bと、第1の絶縁膜10
8上の第2の配線112cと、第2の配線112c上の第2の絶縁膜120と、第2の絶
縁膜120に設けられる開口140と、開口142b及び開口140を覆うように形成さ
れ、且つ第1の配線104bと第2の配線112cを接続する第3の配線として機能する
導電膜122bと、を有する。なお、図1(B)において、第1の配線104b上の開口
は、開口140と開口142bの2段階の開口形状について例示したが、これに限定され
ない。例えば、開口142bの工程で一括して開口し第1の配線104bに達する開口を
形成してもよい。
形成される。別言すると、第1の配線104bは、トランジスタ150のゲート電極10
4aと同一表面上に形成される。また、第2の配線112cは、トランジスタ150のソ
ース電極112a及びドレイン電極112bと同一工程で形成される。別言すると、第2
の配線112cは、トランジスタ150のソース電極112a及びドレイン電極112b
と同一表面上に形成される。
拡大した図を図2(A)、(B)に示す。図2(A)は、トランジスタ150のソース電
極112a及びドレイン電極112bの一部の拡大図を示し、図2(B)は、接続部16
0の第2の配線112cの一部の拡大図を示している。
12bの端部は、下端部α1と上端部α2を有している。なお、図2(A)において、ソ
ース電極112aにのみ下端部α1と上端部α2を図示しているが、ドレイン電極112
bも同様の構成である。
1と上端部β2を有している。なお、図2(B)において、第2の配線112cの端部の
一方のみ下端部β1と上端部β2を図示しているが、第2の配線112cの他方の端部も
同様の構成である。ただし、第2の配線112cの端部の形状は、図2(B)に示す構造
に限定されず、例えば、第2の配線112cのいずれか一方の端部のみ図2(B)に示す
構成と同様であればよい。
びドレイン電極112bの端部の距離(α1−α2間の距離)よりも、接続部160が有
する第2の配線112cが有する端部の距離(β1−β2間の距離)の方が長い。
も上端部と下端部の距離を長くすることによって、第2の配線112cに起因する段差を
低減することができる。第2の配線112cに起因する段差を低減することによって、第
2の配線112cの上方に形成される絶縁膜114、116、118及び/または第3の
配線として機能する導電膜122bの被覆性を向上させることができる。これによって、
第2の配線112cと第3の配線として機能する導電膜122bの接触不良を低減するこ
とができる。
部は、第2の配線112cの端部よりも上端部と下端部の距離が短い。このような構造と
することで、該トランジスタに良好な電気特性を付与することができる。図1(B)及び
図2(A)に示すようにトランジスタ150がチャネルエッチ型のトランジスタ構造の場
合、ソース電極112a及びドレイン電極112bの形成時において、酸化物半導体膜1
10にダメージが入り得る。
形成時において、エッチング条件を調整することによって、ソース電極112a及びドレ
イン電極112b、並びに第2の配線112cの各端部の形状を調整することが可能とな
るが、ソース電極112a及びドレイン電極112bの端部の形状を第2の配線112c
と同様の端部の形状とすることで、エッチング時間が長くなり酸化物半導体膜110にダ
メージが入り得る。したがって、ダメージが入った酸化物半導体膜110を有するトラン
ジスタ150は、安定した電気特性が得られない場合がある。また、ソース電極112a
及びドレイン電極112bの間の距離によって、トランジスタ150のチャネル長(L)
が決まるため、ソース電極112a及びドレイン電極112bの端部の形状を調整するこ
とで、基板面内でのチャネル長(L)がばらつく要因となる場合がある。
電極及びドレイン電極の端部の形状と、接続部が有する配線の端部の形状を異ならせるこ
とで、トランジスタの安定した電気特性と、接続部の良好な接触抵抗とを両方満たすこと
が可能となる。これは、本発明の一態様の半導体装置で得られる優れた効果である。
ン電極の形成と、接続部の配線の形成を同一のマスクを用いて、一括して形成することが
できる。したがって、生産性の優れた半導体装置を提供することができる。
て説明を行う。
形状が異なる。また、第2の配線112cの端部の形状の違いに伴い、上方に形成される
絶縁膜114、116、118の形状も異なる。
を有する。このように、第2の配線112cの端部の形状は、複数の角度を持った階段状
の形状としてもよい。このように複数の角度を持った階段状の形状とすることによって、
上方に形成される絶縁膜114、116、118の被覆性をさらに向上させることができ
る。
曲率を有する。このように、端部において曲率を有する構造とすることで、上方に形成さ
れる絶縁膜114、116、118の被覆性をさらに向上させることができる。
端部の形状が異なる。また、第2の配線112cの端部の形状の違いに伴い、上方に形成
される絶縁膜114、116、118の形状も異なる。
7、β8、β9、β10とを有する。例えば、第2の配線112cの積層構造が、図2(
D)に示すように、第2の配線112c_1、第2の配線112c_2、第2の配線11
2c_3の3層の積層構造とすることで、下端部β6と上端部β11の間に、中端部β7
、β8、β9、β10とを有する構造とすることができる。このように、第2の配線11
2cとしては、少なくとも2層以上の積層構造とすると好ましい。
少なくともトランジスタ150が有するソース電極112a及びドレイン電極112bの
上端部と下端部の距離(α1−α2の距離)よりも、接続部160が有する第2の配線1
12cの上端部と下端部の距離(β1−β2の距離、β3−β5の距離、またはβ6−β
11の距離)の方が、長ければよい。
2b、並びに第2の配線112cにおいて、上端部は下端部よりも内側に設けられている
必要がある。
ここで、図1(A)に示す接続部160の上面形状の変形例について、図3を用いて説
明を行う。
る導電膜122bを介して接続している。
状を円形とすることもできる。また、図示しないが、円形以外にも楕円または多角形の形
状と直線とを組み合わせた上面形状としてもよい。
状を円形とすることで、半導体装置の作製工程中で生じうるゴミ(パーティクルともいう
)が端部に溜まることを抑制することが可能となる。したがって、第3の配線として機能
する第2の配線112cが開口140、142b、142cを良好に被覆することが可能
となる。
2cを互いに平行に延伸するような構成を例示していたが、図3(B)に示すように、第
1の配線104bと第2の配線112cを互いに対向するように配置してもよい。また、
図3(C)に示すように、第1の配線104bと第2の配線112cを互いに直角に対峙
するように配置してもよい。図3(A)、(B)、(C)に示すように第1の配線104
bと第2の配線112cの上面形状及び配置方法については、実施者が適宜最適な上面形
状及び配置とすればよい。
4a、及び領域144bを配置する構成を例示している。
部の上端部と下端部の距離がトランジスタ150が有するソース電極112a及びドレイ
ン電極112bの端部の上端部と下端部の距離よりも長くなる領域である。例えば、第2
の配線112c形成時において、フォトリソグラフィ工程により、グレートーンマスク等
の露光マスクを用いて、第2の配線112cを加工することによって、第2の配線112
cの端部の一部の形状を図1(B)、及び図2(B)、(C)、(D)に示す構造とする
ことができる。
体装置の作製方法にその詳細を記載する。
図1(A)、(B)に示す本発明の一態様の半導体装置の作製方法について、図4乃至
図6を用いて以下詳細に説明する。
ミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いる。量産する
上では、基板102は、第8世代(2160mm×2460mm)、第9世代(2400
mm×2800mm、または2450mm×3050mm)、第10世代(2950mm
×3400mm)等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度
が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して量産を行う場合
、作製工程の加熱処理は、好ましくは600℃以下、さらに好ましくは450℃以下、さ
らに好ましくは350℃以下とすることが望ましい。
ト電極104a、及び第1の配線104bを形成する。その後、基板102、ゲート電極
104a、及び第1の配線104b上に絶縁膜106及び絶縁膜107を含む第1の絶縁
膜108を形成する(図4(A)参照)。
ング工程となる。
ロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン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、ゲート電極104a及び第1の配線104bに用いる材料
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、アルミニウム膜上にチタ
ン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。また、
ゲート電極104a及び第1の配線104bに用いる材料としては、例えば、スパッタリ
ング法を用いて形成することができる。
ウム膜などを用いればよく、PE−CVD装置を用いて積層または単層で設ける。また、
絶縁膜106を積層構造とした場合、第1の窒化シリコン膜として、欠陥が少ない窒化シ
リコン膜とし、第1の窒化シリコン膜上に、第2の窒化シリコン膜として、水素放出量及
びアンモニア放出量の少ない窒化シリコン膜を設けると好適である。この結果、絶縁膜1
06に含まれる水素及び窒素が、後に形成される酸化物半導体膜110へ移動または拡散
することを抑制できる。
E−CVD装置を用いて積層または単層で設ける。
窒化シリコン膜を形成し、その後、絶縁膜107として、厚さ50nmの酸化窒化シリコ
ン膜を形成する積層構造を用いることができる。該窒化シリコン膜と、該酸化窒化シリコ
ン膜は、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。なお、ゲート電
極104aと重畳する位置の第1の絶縁膜108は、トランジスタ150のゲート絶縁膜
として機能する。また、窒化酸化シリコンとは、窒素の含有量が酸素の含有量より大きい
絶縁材料であり、他方、酸化窒化シリコンとは、酸素の含有量が窒素の含有量より大きな
絶縁材料のことをいう。
ことができる。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、同等の静
電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁膜を物理的に厚膜化することがで
きる。よって、トランジスタ150の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上さ
せて、トランジスタ150の静電破壊を抑制することができる。
域に加工することで、酸化物半導体膜110を形成する(図4(B)参照)。
(Al、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、CeまたはHf等の金属)を含むIn−M
−Zn酸化物で表記される膜を含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むこ
とが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減ら
すため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
ルミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザー
としては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(
Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム
(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビ
ウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等があ
る。
化物、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化
物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物
、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、
In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、I
n−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In
−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、
In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al
−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を
用いることができる。
る酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZ
n以外の金属元素が入っていてもよい。
Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomi
c Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。とくに、酸化
物半導体膜110を成膜する際、スパッタリング法を用いると緻密な膜が形成されるため
、好適である。
る水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタ
リング法を用いて成膜を行う場合には、成膜室内を高真空排気するのみならずスパッタガ
スの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点
が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下、より好まし
くは−120℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取
り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
オポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また
、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは
、例えば、水素分子、水(H2O)など水素原子を含む化合物、炭素原子を含む化合物等
の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した膜中に含まれ
る不純物の濃度を低減できる。
合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下
、好ましくは95%以上100%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用
いることにより、成膜される膜を緻密な膜とすることができる。
膜を形成することも、酸化物半導体膜中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効であ
る。基板102を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ま
しくは基板温度が200℃以上350℃以下とすればよい。
℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガス
を10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第1の加熱処理の雰
囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを
10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。第1の加熱処理によって、酸化物半導体膜1
10に用いる酸化物半導体の結晶性を高め、さらに第1の絶縁膜108及び酸化物半導体
膜110から水素や水などの不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜11
0を島状に加工する前に第1の加熱工程を行ってもよい。
ン電極112b、及び第2の配線112cとなる導電膜112を形成する(図4(C)参
照)。
できる導電膜112の材料としては、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イ
ットリウム、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ことがで
きる。とくに、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステ
ンの中から選択される一以上の元素を含むと好ましい。例えば、アルミニウム膜上にチタ
ン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン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。また、導電膜は、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。
形成する(図4(D)参照)。
2上に形成した後、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて露光すること
で、第2の配線112cとなる領域のレジストマスク148cのみ階段状の形状とするこ
とができる。
に示すような領域144a、144bに位置する領域に適用することができる。
処理を行い、エッチング後にレジストマスク148a、148b、148cを除去するこ
とで、ソース電極112a、ドレイン電極112b、及び第2の配線112cを形成する
(図5(A)参照)。
る工程は、第3のパターニング工程となる。
同一の工程で形成し、且つソース電極112a及びドレイン電極112bと、第2の配線
112cの端部を異なる形状とすることができる。
を用いる。
を有する酸化物半導体膜110となる場合がある。
された段階で、トランジスタ150が形成される。
極112b、及び第2の配線112c上に絶縁膜114、116を形成する(図5(B)
参照)。
界面特性を向上させるため、酸素を含む無機絶縁材料を用いることができる。酸素を含む
無機絶縁材料としては、例えば酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜等が挙げられ
る。また、絶縁膜114、116としては、例えば、PE−CVD法を用いて形成するこ
とができる。
下、好ましくは10nm以上30nm以下とすることができる。絶縁膜116の厚さは、
30nm以上500nm以下、好ましくは150nm以上400nm以下とすることがで
きる。
膜114と絶縁膜116の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の
形態においては、絶縁膜114と絶縁膜116の界面は、破線で図示している。なお、本
実施の形態においては、絶縁膜114と絶縁膜116の2層構造について、説明したが、
これに限定されず、例えば、絶縁膜114の単層構造、絶縁膜116の単層構造、または
3層以上の積層構造としてもよい。
図5(C)参照)。
施の形態においては、開口140によって、絶縁膜107の表面の一部が露出している。
開口140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140の形成方法としては、これに限定されず、ウェットエッチング法、また
はドライエッチング法とウェ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。
118の形成によって、トランジスタ150上に絶縁膜114、116、118を含む第
2の絶縁膜120が形成される(図5(D)参照)。
が、酸化物半導体膜110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。
窒化酸化シリコン膜等を用いることができる。本実施の形態においては、絶縁膜118と
して、厚さ150nmの窒化シリコン膜を用いる。
されることが好ましく、例えば基板温度100℃以上基板の歪み点以下、より好ましくは
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110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
。
成してもよい。該絶縁膜としては、例えば、有機シランガスを用いたPE−CVD法によ
り形成した酸化シリコン膜を用いることができる。当該酸化シリコン膜は300nm以上
600nm以下で設けることができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS
:化学式Si(OC2H5)4)、テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH3)
4)、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(OC2H5)3)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)
3)などのシリコン含有化合物を用いることができる。また、上記酸化シリコン膜は、例
えば、有機シランガスと酸素を用い、基板温度を200℃以上550℃以下、好ましくは
220℃以上500℃以下、より好ましくは300℃以上450℃以下としたPE−CV
D法により形成することができる。
等に起因する凹凸を平坦化することが可能となる。また、上述した絶縁膜は無機材料によ
り形成されるため、有機材料を用いる平坦化樹脂膜等と比較し、酸化物半導体膜110に
影響を与える不純物が少ないので好適である。
142b、142cを形成する(図6(A)参照)。
となる。
、開口142bとしては、第1の配線104bの一部が露出するように形成する。また、
開口142cとしては、第2の配線112cの一部が露出するように形成する。なお、開
口142a、142b、142c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142a、142b、142cの形成方法としては、こ
れに限定されず、ウェットエッチング法、またはドライエッチング法とウェットエッチン
グ法を組み合わせた形成方法としてもよい。
し、該導電膜を所望の領域に加工することで画素電極として機能する導電膜122a、及
び第3の配線として機能する導電膜122bを形成する。なお、この段階で接続部160
が形成される(図6(B)参照)。
、トランジスタ150が有するソース電極112a及びドレイン電極112bの端部の上
端部と下端部との距離よりも長い。別言すると、第2の配線110cの端部の形状は、ソ
ース電極112a及びドレイン電極112bよりもテーパー角が小さい。ここで、テーパ
ー角とは、ソース電極112a、ドレイン電極112b、及び第2の配線112cを、そ
の断面に垂直な方向から観察した際に、ソース電極112a、ドレイン電極112b、及
び第2の配線112cの底面と側面がなす傾斜角を表す。また、例えば、側面が連続した
曲率を持った形状のテーパー角は、ソース電極、ドレイン電極、及び第2の配線の底面と
曲率を持った形状の任意の点がなす傾斜角を表す。
る導電膜122bの被覆性を向上させることができる。
線として機能する導電膜122bを介して接続される。
化物を用いればよい。例えば、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングス
テンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含
むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物(以下、ITOと示す。)、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。また、導電膜122a、122bに用いることのできる導電膜として
は、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。
上に6枚のマスク枚数(6回のパターニング工程)で作製することができる。したがって
、生産性の優れた半導体装置を提供することができる。
5(A)、(B)、(C)を用いて以下説明する。なお、図1(A)、(B)に示す同様
の箇所、または同様の機能を有する箇所については、同様の符号を付し、その繰り返しの
説明は省略する。
図15(A)は、本発明の一態様の半導体装置の上面図であり、図15(B)は、図1
5(A)の一点鎖線A−B間及び一点鎖線C−D間における切断面の断面図に相当する。
また、図15(C)は、図15(A)の一点鎖線E−F間における切断面の断面図に相当
する。なお、図15(A)において、煩雑になることを避けるため、半導体装置の構成要
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。
60とを有する。
に形成される第1の絶縁膜108と、第1の絶縁膜108上に形成され、ゲート電極10
4aと重畳する位置に形成される酸化物半導体膜410aと、酸化物半導体膜410aと
電気的に接続されるソース電極412a及びドレイン電極412bとを有している。
膜107の2層の積層構造を例示している。
2a、及びドレイン電極412b上に第2の絶縁膜120が形成されている。図15(B
)、(C)においては、第2の絶縁膜120として、絶縁膜114、116、118の3
層の積層構造を例示している。
れている。また、第2の絶縁膜120上に開口142aを覆うように画素電極として機能
する導電膜122aが形成されている。なお、導電膜122aは、トランジスタ450の
ドレイン電極412bと接続される。
の絶縁膜108と、第1の絶縁膜108に設けられる開口142bと、第1の絶縁膜10
8上の酸化物半導体膜410bと、酸化物半導体膜410b上の第2の配線412cと、
第2の配線412c上の第2の絶縁膜120と、第2の絶縁膜120に設けられる開口1
40と、開口142b及び開口140を覆うように形成され、且つ第1の配線104bと
第2の配線412cを接続する第3の配線として機能する導電膜122bと、を有する。
形成される。別言すると、第1の配線104bは、トランジスタ450のゲート電極10
4aと同一表面上に形成される。また、第2の配線412cは、トランジスタ450のソ
ース電極412a及びドレイン電極412bと同一工程で形成される。別言すると、第2
の配線412cは、トランジスタ450のソース電極412a及びドレイン電極412b
と同一表面上に形成される。
置と異なる構造としては、酸化物半導体膜410a、酸化物半導体膜410b、ソース電
極412a、ドレイン電極412b、及び第2の配線412cである。ただし、酸化物半
導体膜410a、410bに用いることのできる材料としては、図1(A)、(B)に示
す半導体装置の酸化物半導体膜110と同様の材料を援用することができる。また、ソー
ス電極412a、ドレイン電極412b、及び第2の配線412cに用いることのできる
材料としては、図1(A)、(B)に示す半導体装置のソース電極112a、ドレイン電
極112b、及び第2の配線112cに用いることのできる材料を援用することができる
。
、410bとなる酸化物半導体膜と、ソース電極412a、ドレイン電極412b、及び
第2の配線412cとなる導電膜を同一工程で形成することで、マスク枚数を減らし、製
造コストを低減させることができる。
図15(A)、(B)、(C)に示す本発明の一態様の半導体装置の作製方法について
、図16及び図17を用いて以下説明する。
ング工程により加工し、ゲート電極104a及び第1の配線104bを形成する。その後
、ゲート電極104a及び第1の配線104b上に絶縁膜106、107を含む第1の絶
縁膜108を形成する。なお、ここまでの工程は、図4(A)に示す工程と同様である。
)参照)。
図16(B)参照)。
した後、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて露光する。レジストマス
ク448a、448bを用いることで、チャネル形成領域となる酸化物半導体膜とソース
電極及びドレイン電極を同時に形成することができる。また、第2の配線412cとなる
領域のレジストマスク448bを階段状の形状とすることができる。なお、レジストマス
ク448a、448bについては、ネガ型またはポジ型の感光性の樹脂を用いることがで
きる。ただし、ポジ型の感光性の樹脂を用いる方が、微細な形状を得られるため好適であ
る。
レートーンマスクについて説明を行う。図18は、グレートーンマスクの上面の模式図を
表している。例えば、グレートーンマスクは、トランジスタ部470と接続部472を有
する。トランジスタ部470においては、領域474と、領域475と、領域476と、
を有し、接続部472においては領域474と、領域475と、領域478と、を有する
。
半透過領域とし、領域478を第2の半透過領域とする。また、光の透過率としては、領
域475>領域476>領域478>領域474とすることで、図16(B)に示すよう
なレジストマスク448a、448bを形成することができる。なお、レジストマスク4
48a、448bに照射する光としてはi線(波長365nm)、及び/又はg線(波長
436nm)等が挙げられる。なお、i線よりも短波長側の波長のArFエキシマレーザ
ー、KrFエキシマレーザー等を用いてもよい。
0のエッチング処理を行う。該エッチング処理中にレジストマスク448aが後退または
縮小し、レジストマスク448c、448dに分離される。また、レジストマスク448
bが後退または縮小し、レジストマスク448eとなる。なおこの段階で酸化物半導体膜
410が分離され酸化物半導体膜410a、410bが形成される(図16(C)参照)
。その後、続けて導電膜412のエッチング処理を行い、エッチング後にレジストマスク
448c、448d、448eを除去することで、ソース電極412a、ドレイン電極4
12b、及び第2の配線412cを形成する(図16(D)参照)。
b、及び第2の配線412cを形成する工程は、第2のパターニング工程となる。
412b、及び第2の配線412cを形成する際に、グレートーンマスクまたはハーフト
ーンマスクを用いてレジストを形成することで、マスク枚数を1枚削減することが可能と
なる。
ス電極412a及びドレイン電極412bと、第2の配線412cの端部の形状を異なる
形状とすることができる。
には、ドライエッチング法を用いる。
48aの膜厚または形状によっては、酸化物半導体膜410aの一部が消失し、凹部を有
する酸化物半導体膜410aとなる場合がある。
電極412b、及び第2の配線412c上に絶縁膜114、116を形成する(図16(
E)参照)。
図17(A)参照)。
118の形成によって、トランジスタ450上に絶縁膜114、116、118を含む第
2の絶縁膜120が形成される(図17(B)参照)。
142b、142cを形成する(図17(C)参照)。
となる。
し、該導電膜を所望の領域に加工することで画素電極として機能する導電膜122a、及
び第3の配線として機能する導電膜122bを形成する。なお、この段階で接続部460
が形成される(図17(D)参照)。
、トランジスタ450が有するソース電極412a及びドレイン電極412bの端部の上
端部と下端部との距離よりも長い。別言すると、第2の配線410cの端部の形状は、ソ
ース電極412a及びドレイン電極412bよりもテーパー角が小さい。
る導電膜122bの被覆性を向上させることができる。
線として機能する導電膜122bを介して接続される。
上に5枚のマスク枚数(5回のパターニング工程)で作製することができる。したがって
、生産性の優れた半導体装置を提供することができる。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について、図7乃至図9を用いて説明
する。なお、図1乃至図6で示した符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの
説明は省略する。
を接続した構成の一例である。
に形成される第1の絶縁膜108と、第1の絶縁膜108上に形成され、ゲート電極10
4aと重畳する位置に形成される酸化物半導体膜110と、酸化物半導体膜110と電気
的に接続されるソース電極112a及びドレイン電極112bとを有している。
a、及びドレイン電極112b上に第2の絶縁膜120が形成されている。図7において
は、第2の絶縁膜120は、絶縁膜114、116、118の3層の積層構造を例示して
いる。
れている。また、第2の絶縁膜120上に形成され、開口142aを覆うように画素電極
として機能する導電膜122aが形成されている。導電膜122aは、トランジスタ15
0のドレイン電極112bと接続される。
に重畳して形成される絶縁膜114、116と、絶縁膜116及び酸化物半導体膜110
a上に形成される絶縁膜118と、絶縁膜118上に形成される導電膜122aと、を有
している。
電極の一方として、酸化物半導体膜110aが導電膜として機能し、一対の電極の他方と
して、導電膜122aが機能する。酸化物半導体膜110aは、トランジスタ150の酸
化物半導体膜110と同一の工程、別言すると酸化物半導体膜110と同一表面上に形成
される。また、導電膜122aは、画素電極としての機能と容量素子の電極としての機能
を有する。また、容量素子170の誘電体膜としては、トランジスタ150の第2の絶縁
膜の一部として機能する絶縁膜118を用いる。
る。トランジスタ150に容量素子170を接続する構成とすることで、本発明の一態様
の半導体装置を、例えば液晶表示装置の画素部に用いることができる。
と容量素子170と同時に形成してもよい。
する酸化物半導体膜110a、一対の電極の他方として機能する導電膜122a、及び誘
電体膜として機能する絶縁膜118の構成が透光性を有する酸化物半導体膜、導電膜また
は絶縁膜で構成される。このように、容量素子170が透光性を有することによって、容
量素子170を大面積に形成することが可能となる。
。
の領域に加工することで、ゲート電極104aを形成する。その後、基板102、及びゲ
ート電極104a上に絶縁膜106及び絶縁膜107を含む第1の絶縁膜108を形成す
る。その後、第1の絶縁膜108上に酸化物半導体膜110及び酸化物半導体膜110a
を形成する(図8(A)参照)。
酸化物半導体膜110及び酸化物半導体膜110aを形成する工程は、第2のパターニン
グ工程となる。
導電膜を形成し、該導電膜を所望の領域に加工することで、ソース電極112a、及びド
レイン電極112bを形成する(図8(B)参照)。
ーニング工程となる。
された段階で、トランジスタ150が形成される。
電極112a、及びドレイン電極112b上に絶縁膜114、116を形成する(図8(
C)参照)。
(図8(D)参照)。
40aを形成する工程は、図5(C)に示す開口140の形成時と同時に行うことができ
る。
成する。本実施の形態においては、開口140aによって、酸化物半導体膜110aの表
面の一部が露出している。開口140a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140aの形成方法としては、これに限定されず
、ウェットエッチング法、またはドライエッチング法とウェ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。
膜118を形成する。絶縁膜118の形成によって、トランジスタ150上に第2の絶縁
膜120が形成される(図9(A)参照)。
が、酸化物半導体膜110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118の水素が酸化物半導体膜110aに拡散すると、酸化物半
導体膜110aにおいて水素は酸素と結合する、または水素は酸素欠損と結合しキャリア
である電子が生成される。この結果、酸化物半導体膜110aは、導電性が高くなり透光
性を有する導電膜となる。
水素を導入する方法について、例示したがこれに限定されない。例えば、トランジスタ1
50のチャネルとして機能する酸化物半導体膜110上にマスクを設け、該マスクに覆わ
れていない領域に、水素を導入してもよい。例えば、イオンドーピング装置等を用いて、
酸化物半導体膜110aに水素を導入することができる。
形成する(図9(B)参照)。
、開口142a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142aの形成方法としては、これに限定されず、ウェットエッチング法
、またはドライエッチング法とウェ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。
領域に加工することで画素電極及び容量素子の電極として機能する導電膜122aを形成
する。なお、この段階で容量素子170が形成される(図9(C)参照)。
板上に6枚のマスク枚数(6回のパターニング工程)で作製することができる。したがっ
て、生産性の優れた半導体装置を提供することができる。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置として、用いることのできるトラ
ンジスタの構造について、図10を用いて説明する。
50の酸化物半導体膜110を、酸化物半導体膜111a及び酸化物膜111bの積層構
造とした例である。したがって、その他の構成は、トランジスタ150と同じであり、先
の説明を参酌することができる。
金属酸化物を用いることが好ましい。または、酸化物半導体膜111aと酸化物膜111
bの構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。
Sn、La、CeまたはHf)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=5:5:6(1:1:1.2)、In:M:Zn=
3:1:2等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜111a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20%の変動を含む。
いてのInとMの原子数比率は、好ましくはInが25atomic%以上、Mが75a
tomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが66atom
ic%未満とする。
以上、より好ましくは3eV以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物
半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
100nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。
Zn酸化物(MはAl、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、CeまたはHf)であり、
且つ酸化物半導体膜111a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、酸化物膜111bの伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜111a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、酸化物膜111bの電子親和力と、酸化物半導体膜111a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。
有する場合がある。(1)酸化物膜111bのエネルギーギャップを大きくする。(2)
酸化物膜111b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111aと比較して、絶縁性が高くなる。また、元素Mは酸素との結合
力が強い金属元素であるため、MをInより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生
じにくくなる。
Mの原子数比率は、好ましくは、Inが50atomic%未満、Mが50atomic
%以上、さらに好ましくは、Inが25atomic%未満、Mが75atomic%以
上とする。
Al、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、CeまたはHf)の場合、酸化物半導体膜1
11aと比較して、酸化物膜111bに含まれるMの原子数比が大きく、代表的には、酸
化物半導体膜111aに含まれる上記原子と比較して、1.5倍以上、好ましくは2倍以
上、さらに好ましくは3倍以上高い原子数比である。
導体膜111aをIn:M:Zn=x2:y2:z2[原子数比]とすると、y1/x1
がy2/x2よりも大きく、好ましくは、y1/x1がy2/x2よりも1.5倍以上で
ある。さらに好ましくは、y1/x1がy2/x2よりも2倍以上大きく、より好ましく
は、y1/x1がy2/x2よりも3倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜111a
において、y2がx2以上であると、酸化物半導体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。ただし、y2がx2の3倍以上になると、酸化物半導体
を用いたトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、y2はx2の3倍未満で
あると好ましい。
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、M>In、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:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=1:
3:3、In:Ga:Zn=1:3:4、In:Ga:Zn=1:3:5、In:Ga:
Zn=1:3:6、In:Ga:Zn=1:3:7、In:Ga:Zn=1:3:8、I
n:Ga:Zn=1:3:9、In:Ga:Zn=1:3:10、In:Ga:Zn=1
:6:4、In:Ga:Zn=1:6:5、In:Ga:Zn=1:6:6、In:Ga
:Zn=1:6:7、In:Ga:Zn=1:6:8、In:Ga:Zn=1:6:9、
In:Ga:Zn=1:6:10が好ましい。なお、上記スパッタリングターゲットを用
いて成膜された酸化物半導体膜111a及び酸化物膜111bに含まれる金属元素の原子
数比はそれぞれ、誤差として上記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20%の変動を含む。
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111a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。
酸化物半導体膜111aへのダメージ緩和膜としても機能する。酸化物膜111bの厚さ
は、3nm以上100nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下とする。
ると、酸化物半導体膜111a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111aにおけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物膜111bと、
酸化物半導体膜111a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に
より得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017
atoms/cm3以下とする。
リ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好まし
くは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111a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。
キャリア密度が増加し、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、酸化物半導体膜111
a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。
く連続接合(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、各膜の界面において、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ような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111a及び酸化物膜111b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〜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
。
を用いて説明する。
る。ここでは、絶縁膜107及び絶縁膜114として酸化シリコン膜を設けた場合につい
て説明する。なお、図10(B)に表すEcI1は絶縁膜107として用いる酸化シリコ
ン層の伝導帯下端のエネルギーを示し、EcS1は酸化物半導体膜111aの伝導帯下端
のエネルギーを示し、EcS2は酸化物膜111bの伝導帯下端のエネルギーを示し、E
cI2は絶縁膜114として用いる酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。
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、酸化物半導体膜111aと酸化物膜111bが共通の
元素を含み、酸化物半導体膜111a及び酸化物膜111b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。
酸化物半導体膜111aに形成されることがわかる。なお、酸化物半導体膜111a及び
酸化物膜111b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111aと酸化物膜111bが連続接合している、ともいえる。
は、絶縁膜114の構成元素であるシリコンまたは炭素等の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、酸化物膜111bが設けられることにより、酸化物半導
体膜111a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111aの電子が該エネルギー差を超え
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、絶縁膜界
面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトして
しまう。したがって、EcS1とEcS2とのエネルギー差を、0.1eV以上、好まし
くは0.15eV以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定し
た電気特性となるため好適である。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置として、用いることのできるトラ
ンジスタの構造について、図11を用いて説明する。
び断面図を示す。図11(A)はトランジスタ151の上面図であり、図11(B)は、
図11(A)の一点鎖線A−B間の切断面の断面図に相当し、図11(C)は、図11(
A)の一点鎖線C−D間の切断面の断面図に相当する。なお、図11(A)では、明瞭化
のため、構成要素の一部を省略して図示している。
ンジスタであり、基板102上に設けられるゲート電極104aと、基板102及びゲー
ト電極104a上に形成される絶縁膜106及び絶縁膜107を含む第1の絶縁膜108
と、第1の絶縁膜108を介して、ゲート電極104aと重なる酸化物半導体膜110と
、酸化物半導体膜110に接するソース電極112a及びドレイン電極112bとを有す
る。また、第1の絶縁膜108、酸化物半導体膜110、ソース電極112a及びドレイ
ン電極112b上に、絶縁膜114、116、118を含む第2の絶縁膜120と、第2
の絶縁膜120上に形成されるゲート電極122cとを有する。ゲート電極122cは、
第1の絶縁膜108及び第2の絶縁膜120に設けられる開口142d、142eにおい
て、ゲート電極104aと接続する。
、第2の絶縁膜120は、トランジスタ151の第2のゲート絶縁膜として機能する。ま
た、導電膜122aは、画素電極として機能する。
cの間に、第1の絶縁膜108及び第2の絶縁膜120を介して酸化物半導体膜110が
設けられている。また、ゲート電極104aは図11(A)に示すように、上面形状にお
いて、第1の絶縁膜108を介して酸化物半導体膜110の側面と重なる。
11(B)に示すように、ドレイン電極112bの一部が露出する開口142aを有する
。また、図11(C)に示すように、チャネル幅方向において、酸化物半導体膜110を
挟む開口142d、142eを有する。すなわち、酸化物半導体膜110の側面の外側に
開口142d、142eを有する。開口142aにおいて、ドレイン電極112bと導電
膜122aが接続する。また、開口142d、142eにおいて、ゲート電極104a及
びゲート電極122cが接続する。すなわち、チャネル幅方向において、ゲート電極10
4a及びゲート電極122cは、第1の絶縁膜108及び第2の絶縁膜120を介して酸
化物半導体膜110を囲む。また、開口142d、142eの側面において、ゲート電極
122cは酸化物半導体膜110の側面と対向する。
ト電極122cを同電位とし、且つ酸化物半導体膜110の側面がゲート電極122cと
対向することで、さらには、チャネル幅方向において、ゲート電極104a及びゲート電
極122cが、第1の絶縁膜108及び第2の絶縁膜120を介して酸化物半導体膜11
0を囲むことで、酸化物半導体膜110においてキャリアの流れる領域が、第1の絶縁膜
108と酸化物半導体膜110との界面、及び第2の絶縁膜120と酸化物半導体膜11
0との界面のみでなく、酸化物半導体膜110の広い範囲においてキャリアが流れるため
、トランジスタ151におけるキャリアの移動量が増加する。
り、代表的には電界効果移動度が10cm2/V・s以上、さらには20cm2/V・s
以上となる。なお、ここでの電界効果移動度は、酸化物半導体膜の物性値としての移動度
の近似値ではなく、トランジスタの飽和領域における電流駆動力の指標であり、見かけ上
の電界効果移動度である。なお、トランジスタのチャネル長(L長ともいう。)を0.5
μm以上6.5μm以下、好ましくは1μmより大きく6μm未満、より好ましくは1μ
mより大きく4μm以下、より好ましくは1μmより大きく3.5μm以下、より好まし
くは1μmより大きく2.5μm以下とすることで、電界効果移動度の増加が顕著である
。また、チャネル長が0.5μm以上6.5μm以下のように小さいことで、チャネル幅
も小さくすることが可能である。
ても、トランジスタ151の面積を縮小することが可能である。
るダメージにより欠陥が形成されると共に、不純物付着などにより汚染される。このため
、トランジスタ151においてゲート電極104a及びゲート電極122cの一方のみ形
成される場合、酸化物半導体膜110が真性または実質的に真性であっても、電界などの
ストレスが与えられることによって酸化物半導体膜110の端部は活性化され、n型(低
抵抗領域)となりやすい。
ると、n型の領域がキャリアのパスとなってしまい、寄生チャネルが形成される。この結
果、しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が段階的であり、且つしきい値電圧がマイ
ナスシフトしたトランジスタとなってしまう。しかしながら、図11(C)に示すように
、同電位であるゲート電極104a及びゲート電極122cを有し、チャネル幅方向にお
いて、ゲート電極122cが、第2の絶縁膜120の側面において、酸化物半導体膜11
0の側面と対向することで、ゲート電極122cの電界が酸化物半導体膜110の側面か
らも影響する。この結果、酸化物半導体膜110の側面、または側面及びその近傍を含む
端部における寄生チャネルの発生が抑制される。この結果、しきい値電圧におけるドレイ
ン電流の上昇が急峻である、電気特性の優れたトランジスタとなる。
らの電界を遮蔽する機能を有するため、基板102及びゲート電極104aの間、ゲート
電極122c上に設けられる荷電粒子等の電荷が、酸化物半導体膜110に影響しない。
この結果、ストレス試験(例えば、ゲート電極にマイナスの電位を印加する−GBT(G
ate Bias−Temperature)ストレス試験)の劣化が抑制されると共に
、異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる
。
ジスタの特性変化(即ち、経年変化)を、短時間で評価することができる。特に、BTス
トレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための
重要な指標となる。BTストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど
、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
の工程、つまり開口142aと同時に形成することができる。また、ゲート電極122c
は、画素電極としての機能を有する導電膜122aと同一の工程、つまり導電膜122a
と同時に形成することができる。
形態1のトランジスタ150の作製方法と同様であるため、ここでの説明は省略する。
特性の優れた半導体装置を得ることができる。また、酸化物半導体膜を有するトランジス
タを有する半導体装置において、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
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のトランジスタ150に適用可能な酸化物半導体膜の
一例について説明する。
非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Cry
stalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体
膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−
OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体
内に収まる大きさの場合も含まれる。
tron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち
結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、C
AAC−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。
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。
ていることがわかる。
装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有する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、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属され
ることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
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、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4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、2θ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ab面に平行な面である。
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
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。
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶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。
す。
、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。
性の変動が小さい。
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プローブ径
(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プローブ径(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。
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。
AAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲット
を用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオン
が衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面から劈開し、
a−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離す
ることがある。この場合、当該平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が、結晶状
態を維持したまま基板に到達することで、CAAC−OS膜を成膜することができる。
当径が3nm以上10nm以下、厚さ(a−b面に垂直な方向の長さ)が0.7nm以上
1nm未満である。なお、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子は、a−b面に
平行な面が正三角形または正六角形であってもよい。ここで、面の円相当径とは、面の面
積と等しい正円の直径をいう。
ンが起こる。具体的には、基板温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以
上500℃以下として成膜する。成膜時の基板温度を高めることで、平板状またはペレッ
ト状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。このとき、スパッタリング粒子が正に
帯電することで、スパッタリング粒子同士が反発しながら基板に付着するため、スパッタ
リング粒子が偏って不均一に重なることがなく、厚さの均一なCAAC−OS膜を成膜す
ることができる。
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素及び窒素など)を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100
体積%とする。
物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜する。具体的には、基板温度を100℃以上
500℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を30
体積%以上、好ましくは100体積%として成膜する。
とする。加熱処理の温度は、350℃以上740℃以下、好ましくは450℃以上650
℃以下とする。また、加熱処理の時間は1分以上24時間以下、好ましくは6分以上4時
間以下とする。また、加熱処理は、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ま
しくは、不活性雰囲気で加熱処理を行った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰
囲気での加熱処理により、第1の酸化物半導体膜の不純物濃度を短時間で低減することが
できる。一方、不活性雰囲気での加熱処理により第1の酸化物半導体膜に酸素欠損が生成
されることがある。その場合、酸化性雰囲気での加熱処理によって該酸素欠損を低減する
ことができる。なお、加熱処理は1000Pa以下、100Pa以下、10Pa以下また
は1Pa以下の減圧下で行ってもよい。減圧下では、第1の酸化物半導体膜の不純物濃度
をさらに短時間で低減することができる。
0nm以上である場合と比べ、加熱処理によって容易に結晶化させることができる。
0nm以下の厚さで成膜する。第2の酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜す
る。具体的には、基板温度を100℃以上500℃以下、好ましくは150℃以上450
℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を30体積%以上、好ましくは100体積%として成
膜する。
させることで、結晶性の高い第2のCAAC−OS膜とする。加熱処理の温度は、350
℃以上740℃以下、好ましくは450℃以上650℃以下とする。また、加熱処理の時
間は1分以上24時間以下、好ましくは6分以上4時間以下とする。また、加熱処理は、
不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ましくは、不活性雰囲気で加熱処理を
行った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰囲気での加熱処理により、第2の酸
化物半導体膜の不純物濃度を短時間で低減することができる。一方、不活性雰囲気での加
熱処理により第2の酸化物半導体膜に酸素欠損が生成されることがある。その場合、酸化
性雰囲気での加熱処理によって該酸素欠損を低減することができる。なお、加熱処理は1
000Pa以下、100Pa以下、10Pa以下または1Pa以下の減圧下で行ってもよ
い。減圧下では、第2の酸化物半導体膜の不純物濃度をさらに短時間で低減することがで
きる。
ができる。当該CAAC−OS膜を、酸化物積層における酸化物半導体膜として好適に用
いることができる。
、100℃未満、70℃未満または室温(20℃〜25℃)程度)である場合の酸化物膜
の形成方法について説明する。
、例えば、マイグレーションをしないため、既に他のスパッタ粒子が堆積している領域も
含め、無秩序に堆積していく。即ち、堆積して得られる酸化物膜は、例えば、厚さが均一
でなく、結晶の配向も無秩序になる場合がある。このようにして得られた酸化物膜は、ス
パッタ粒子の結晶性を、ある程度維持するため、結晶部(ナノ結晶)を有する。
の粒子(原子、分子、イオン、ラジカルなど)と衝突する頻度が高まる。スパッタ粒子は
、飛翔中に他の粒子と衝突する(再スパッタされる)ことで、結晶構造が崩れる場合があ
る。例えば、スパッタ粒子は、他の粒子と衝突することで、平板状またはペレット状の形
状を維持することができず、細分化(例えば各原子に分かれた状態)される場合がある。
このとき、スパッタ粒子から分かれた各原子が被形成面に堆積していくことで、非晶質酸
化物膜が形成される場合がある。
液体を用いて成膜する方法の場合、またはターゲットなどの固体を気体化することで成膜
する方法の場合、各原子に分かれた状態で飛翔して被形成面に堆積するため、非晶質酸化
物膜が形成される場合がある。また、例えば、レーザアブレーション法では、ターゲット
から放出された原子、分子、イオン、ラジカル、クラスターなどが飛翔して被形成面に堆
積するため、非晶質酸化物膜が形成される場合がある。
れの結晶状態の酸化物半導体膜を適用してもよい。また、積層構造の酸化物半導体膜を含
む場合、各酸化物半導体膜の結晶状態が異なっていてもよい。但し、トランジスタのチャ
ネルとして機能する酸化物半導体膜には、CAAC−OS膜を適用することが好ましい。
また、抵抗素子に含まれる酸化物半導体膜は、トランジスタに含まれる酸化物半導体膜よ
りも不純物濃度が高いため、結晶性が低減する場合がある。
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を表示装置に適用した一例につい
て、図面を用いて説明する。なお、先の実施の形態に示す符号と同様の箇所、または同様
の機能を有する部分については、同様の符号を付し、その詳細の説明は省略する。
0と、走査線駆動回路204と、信号線駆動回路206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204によって電位が制御されるm本の走査線207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206によって電位が制御される
n本の信号線209と、を有する。さらに、画素部200はマトリクス状に配設された複
数の画素301を有する。また、走査線207に沿って、各々が平行または略平行に配設
された容量線215を有する。なお、容量線215は、信号線209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204及び信号線駆動回
路206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301と電気的に接続される。また、各信号線209
は、m行n列に配設された画素301のうち、いずれかの列に配設されたm個の画素30
1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215
は、m行n列に配設された画素301のうち、いずれかの行に配設されたn個の画素30
1と電気的に接続される。なお、容量線215が、信号線209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301のうち、いずれか
の列に配設されたm個の画素301に電気的と接続される。
04、及び信号線駆動回路206に用いることができる。とくに、走査線駆動回路204
、及び信号線駆動回路206の接続部においては、実施の形態1に示す接続部160を有
する構成とすると好適である。また、画素301においては、実施の形態2に示すトラン
ジスタ150、及び容量素子170を適用すると好適である。
る回路構成の一例を示している。
子170とを有する。
る。液晶素子322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301のそれぞれが有する液晶素子322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301毎の液晶素子322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322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、ディスコチック液晶、
サーモトロピック液晶、ライオトロピック液晶、リオトロピック液晶、低分子液晶、高分
子液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶、主鎖型液晶、側鎖型高分子液晶、バナナ型液晶等が
挙げられる。
ード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned M
icro−cell)モード、OCB(Optically Compensated
Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqu
id Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Li
quid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Ve
rtical Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、またはTB
A(Transverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい
。また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ECB(Electri
cally Controlled Birefringence)モード、PDLC(
Polymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNL
C(Polymer Network Liquid Crystal)モード、ゲスト
ホストモードなどがある。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。
ドレイン電極の一方は、信号線209に電気的に接続され、他方は液晶素子322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150のゲート電極は、走査線
207に電気的に接続される。トランジスタ150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215に電気的に接続され、他方は、液晶素子322の一対の
電極の他方に電気的に接続される。なお、容量線215の電位の値は、画素301の仕様
に応じて適宜設定される。容量素子170は、書き込まれたデータを保持する保持容量と
しての機能を有する。
り各行の画素301を順次選択し、トランジスタ150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。
適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュール及び電子機
器について、図13及び図14を用いて説明を行う。
の間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続され
た表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリー8011を有する。
8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基
板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル8
006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
7の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレ
ーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であって
も良いし、別途設けたバッテリー8011による電源であってもよい。バッテリー801
1は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
追加して設けてもよい。
体5000、表示部5001、スピーカ5003、LEDランプ5004、操作キー50
05(電源スイッチ、又は操作スイッチを含む)、接続端子5006、センサ5007(
力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質
、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、にお
い又は赤外線を測定する機能を含むもの)、マイクロフォン5008、等を有することが
できる。
、赤外線ポート5010、等を有することができる。図14(B)は記録媒体を備えた携
帯型の画像再生装置(たとえば、DVD再生装置)であり、上述したものの他に、第2表
示部5002、記録媒体読込部5011、等を有することができる。図14(C)はゴー
グル型ディスプレイであり、上述したものの他に、第2表示部5002、支持部5012
、イヤホン5013、等を有することができる。図14(D)は携帯型遊技機であり、上
述したものの他に、記録媒体読込部5011、等を有することができる。図14(E)は
テレビ受像機能付きデジタルカメラであり、上述したものの他に、アンテナ5014、シ
ャッターボタン5015、受像部5016、等を有することができる。図14(F)は携
帯型遊技機であり、上述したものの他に、第2表示部5002、記録媒体読込部5011
、等を有することができる。図14(G)はテレビ受像器であり、上述したものの他に、
チューナ、画像処理部、等を有することができる。図14(H)は持ち運び型テレビ受像
器であり、上述したものの他に、信号の送受信が可能な充電器5017、等を有すること
ができる。
例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッ
チパネル機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プ
ログラム)によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコ
ンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信又は
受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に
表示する機能、等を有することができる。さらに、複数の表示部を有する電子機器におい
ては、一つの表示部を主として画像情報を表示し、別の一つの表示部を主として文字情報
を表示する機能、または、複数の表示部に視差を考慮した画像を表示することで立体的な
画像を表示する機能、等を有することができる。さらに、受像部を有する電子機器におい
ては、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補
正する機能、撮影した画像を記録媒体(外部又はカメラに内蔵)に保存する機能、撮影し
た画像を表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図14(A)乃至図1
4(H)に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を
有することができる。
ができる。
の断面の観察を行った。また、比較用の半導体装置として試料2を作製し、試料2の断面
観察を行った。まず、試料1及び試料2について、以下説明を行う。
図19(A)に示す半導体装置は、トランジスタ550と、接続部560とを有する。
に形成される第1の絶縁膜508と、第1の絶縁膜508上に形成され、ゲート電極50
4aと重畳する位置に形成される酸化物半導体膜510と、酸化物半導体膜510と電気
的に接続されるソース電極512a及びドレイン電極512bとを有する。
a、及びドレイン電極512b上に第2の絶縁膜520を形成した。第2の絶縁膜520
としては、絶縁膜514、516、518の3層の積層構造とした。
た。また、第2の絶縁膜520上に開口542aを覆うように画素電極として機能する導
電膜522aを形成した。なお、導電膜522aは、トランジスタ550のドレイン電極
512bと接続される。
の絶縁膜508と、第1の絶縁膜508に設けられる開口542bと、第1の絶縁膜50
8上の第2の配線512cと、第2の配線512c上の第2の絶縁膜520と、第2の絶
縁膜520に設けられる開口540と、開口542b及び開口540を覆うように形成さ
れ、且つ第1の配線504bと第2の配線512cを接続する第3の配線として機能する
導電膜522bと、を有する。
形成した。また、第2の配線512cは、トランジスタ550のソース電極512a及び
ドレイン電極512bと同一工程で形成した。
図19(B)に示す半導体装置は、トランジスタ550と、接続部570とを有する。
の絶縁膜508と、第1の絶縁膜508に設けられる開口542bと、第1の絶縁膜50
8上の第2の配線512dと、第2の配線512d上の第2の絶縁膜520と、第2の絶
縁膜520に設けられる開口540と、開口542b及び開口540を覆うように形成さ
れ、且つ第1の配線504bと第2の配線512dを接続する第3の配線として機能する
導電膜522bと、を有する。
)の違いとしては、第2の配線512c及び第2の配線512dの形成方法、及び断面形
状が異なる。試料1及び試料2の作製方法について、以下説明を行う。なお、試料1と試
料2の作製方法は、第2の配線512c及び第2の配線512d以外の作製方法は同じで
あるため、共通の作製方法は同様に説明し、その繰り返しの説明は省略する。
まず、基板502を準備した。基板502としては、ガラス基板を用いた。その後、基
板502上にゲート電極504a及び第1の配線504bとなる導電膜を形成した。該導
電膜としては、スパッタリング法によりタングステン膜(W)を200nm形成した。そ
の後、第1のパターニング工程及びエッチング工程を行い、ゲート電極504a及び第1
の配線504bを形成した。
507を形成した。絶縁膜506としては、厚さ400nmの窒化シリコン膜を形成した
。絶縁膜507としては、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜(SiON(1))を形成
した。なお、窒化シリコン膜は、第1の窒化シリコン膜(SiN(1))、第2の窒化シ
リコン膜(SiN(2))、及び第3の窒化シリコン膜(SiN(3))の3層積層構造
とした。第1の窒化シリコン膜(SiN(1))としては、流量200sccmのシラン
、流量2000sccm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装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を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(SiN(2))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装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を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30
0nmとなるように形成した。第3の窒化シリコン膜(SiN(3))としては、流量2
00sccmのシラン、及び流量5000sccmの窒素を原料ガスとしてプラズマCV
D装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を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。
なお、第1の窒化シリコン膜(SiN(1))、第2の窒化シリコン膜(SiN(2))
、及び第3の窒化シリコン膜(SiN(3))形成時の基板温度は350℃とした。
sccmのシラン、流量3000sccmの一酸化二窒素を原料ガスとしてプラズマCV
D装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を40Pa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(SiON(1))を形
成した。なお、酸化窒化シリコン膜(SiON(1))形成時の基板温度は350℃とし
た。
膜510を形成した。ここでは、絶縁膜507上に厚さ35nmの酸化物半導体膜をスパ
ッタリング法で形成した。なお、酸化物半導体膜510として、第2のパターニング工程
及びエッチング工程により形状を加工した。
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反応室内に供給し、反応室内の圧力を
0.6Paに制御し、2.5kWの交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。
形成した。また、絶縁膜507上に第2の配線512cを形成した。なお、ソース電極5
12a、ドレイン電極512b、及び第2の配線512cとして、第3のパターニング工
程及びエッチング工程により形状を加工した。また、第3のパターニング工程の際に、ソ
ース電極512a及びドレイン電極512bとしては、図4(D)に示すレジストマスク
148a、148bと同様の形状のレジストマスクを用いた。また、第2の配線512c
としては、図4(D)に示したレジストマスク148cと同様の形状のレジストマスクを
用いた。なお、第2の配線512cの領域のレジストマスクについては、グレートーンマ
スクを用いた。
0nmのタングステン膜(W)上に厚さ400nmのアルミニウム膜(Al)を形成し、
アルミニウム膜(Al)上に厚さ200nmのチタン膜(Ti)を形成した。なお、タン
グステン膜(W)、アルミニウム膜(Al)、及びチタン膜(Ti)については、それぞ
れスパッタリング法を用いて形成した。
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510を曝した。
の配線512cを覆うように絶縁膜514、516を形成した。絶縁膜514として、第
1の酸化物絶縁膜を形成した。絶縁膜516として、第2の酸化物絶縁膜を形成した。
及び第2の酸化物絶縁膜を形成した。第1の酸化物絶縁膜として厚さ50nmの酸化窒化
シリコン膜(SiON(2))を形成し、第2の酸化物絶縁膜として厚さ400nmの酸
化窒化シリコン膜(SiON(3))を形成した。なお、断面形状において、酸化窒化シ
リコン膜(SiON(2))と、酸化窒化シリコン膜(SiON(3))については、同
種の成膜ガスにより形成しているため、その界面が明確にわからない場合がある。
二窒素を原料ガスとし、反応室の圧力を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、反応室の圧力を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、第2の酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜5
10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。
の形成としては、第4のパターニング工程及びエッチング工程により形状を加工した。ま
た、開口540の形成方法としては、ドライエッチング法を用いた。
518としては、厚さ100nmの窒化物絶縁膜を形成した。窒化物絶縁膜は、流量50
sccm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、反応室の圧力を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。
、絶縁膜506、507に第1の配線504bに達する開口542bと、絶縁膜514、
516、518に第2の配線512cに達する開口542cとを同時に形成した。なお、
開口542a、542b、542cの形成としては、第5のパターニング工程及びエッチ
ング工程により形状を加工した。また、開口542a、542b、542cの形成方法と
しては、ドライエッチング法を用いた。
、絶縁膜518上に、開口542b、542cを覆うように第3の配線として機能する導
電膜522bを形成した。なお、導電膜522a、522bとしては、第6のパターニン
グ工程及びエッチング工程により形状を加工した。
酸化シリコンを含む酸化インジウム−酸化スズ化合物(ITO−SiO2、以下ITSO
)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:Sn
O2:SiO2=85:10:5[重量%]とした。また、導電膜522a、522bの
形成方法としては、ウエットエッチング法を用いた。
試料2の作製方法としては、試料1の作製方法と比較して、以下の点のみ異なる。
a及びドレイン電極512bを形成した。また、絶縁膜507上に第2の配線512dを
形成した。なお、ソース電極512a、ドレイン電極512b、及び第2の配線512d
として、第3のパターニング工程及びエッチング工程により形状を加工した。また、ソー
ス電極512a、ドレイン電極512b、第2の配線512dは通常のマスクを用いた。
0について、断面観察を行った。なお、図20(A)、(B)に示す断面観察結果は、S
TEM(Scanning Transmission Electron Micro
scopy)法によって観測した結果である。なお、図20(A)、(B)において、図
中のCは、STEM観察時に使用した炭素(C)コーティングを表し、図中のPtは、S
TEM観察時に使用したプラチナ(Pt)コーティングを表す。
W)、アルミニウム膜(Al)、チタン膜(Ti)の断面形状のテーパー角が小さいこと
が分かる。なお、本実施例において、テーパー角とは、試料を、断面(基板の表面と直行
する面)方向から観察した際に、SiON(1)の上面とアルミニウム膜(Al)、また
はチタン膜(Ti)の側面がなす角度を示す。また、アルミニウム膜(Al)よりもチタ
ン膜(Ti)が後退していることが分かる。第2の配線512cの断面形状を図20(A
)に示すような形状とすることで、第2の配線512cの上方に形成される膜、図20(
A)においては、SiON(2)、SiON(3)、SiN(4)、ITSOの被覆性が
良好であることが確認できる。
ン膜(W)、アルミニウム膜(Al)、チタン膜(Ti)の断面形状のテーパー角が試料
1よりも大きいことが分かる。第2の配線512dの断面形状を図20(B)に示すよう
な形状とすることで、第2の配線512dの上方に形成される膜、図20(B)において
は、SiON(2)、SiON(3)、SiN(4)、ITSOの被覆性が悪く、特にS
iN(4)、及びITSOに関しては、逆テーパー形状の領域に被覆されている。
104a ゲート電極
104b 配線
106 絶縁膜
107 絶縁膜
108 絶縁膜
110 酸化物半導体膜
110a 酸化物半導体膜
110c 配線
111a 酸化物半導体膜
111b 酸化物膜
112 導電膜
112_2 配線
112_3 配線
112a ソース電極
112b ドレイン電極
112c 配線
112c_1 配線
114 絶縁膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
120 絶縁膜
122a 導電膜
122b 導電膜
122c ゲート電極
140 開口
140a 開口
142a 開口
142b 開口
142c 開口
142d 開口
142e 開口
144a 領域
144b 領域
148a レジストマスク
148b レジストマスク
148c レジストマスク
150 トランジスタ
151 トランジスタ
160 接続部
170 容量素子
200 画素部
202 画素
204 走査線駆動回路
206 信号線駆動回路
207 走査線
209 信号線
215 容量線
301 画素
322 液晶素子
410 酸化物半導体膜
410a 酸化物半導体膜
410b 酸化物半導体膜
410c 配線
412 導電膜
412a ソース電極
412b ドレイン電極
412c 配線
448a レジストマスク
448b レジストマスク
448c レジストマスク
448d レジストマスク
448e レジストマスク
450 トランジスタ
470 トランジスタ部
472 接続部
474 領域
475 領域
476 領域
478 領域
460 接続部
502 基板
504a ゲート電極
504b 配線
506 絶縁膜
507 絶縁膜
508 絶縁膜
510 酸化物半導体膜
512a ソース電極
512b ドレイン電極
512c 配線
512d 配線
514 絶縁膜
516 絶縁膜
518 絶縁膜
520 絶縁膜
522a 導電膜
522b 導電膜
540 開口
542a 開口
542b 開口
542c 開口
550 トランジスタ
560 接続部
570 接続部
5000 筐体
5001 表示部
5002 表示部
5003 スピーカ
5004 LEDランプ
5005 操作キー
5006 接続端子
5007 センサ
5008 マイクロフォン
5009 スイッチ
5010 赤外線ポート
5011 記録媒体読込部
5012 支持部
5013 イヤホン
5014 アンテナ
5015 シャッターボタン
5016 受像部
5017 充電器
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
Claims (1)
- 基板と、
前記基板の上方のゲート電極と、
前記基板の上方の第1の導電膜と、
ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の上方の第2の導電膜と、
前記酸化物半導体膜及び前記第2の導電膜の上方の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第3の導電膜と、を有し、
前記第1の絶縁膜は、前記第1の導電膜と重なる領域に第1の開口を有し、
前記第2の絶縁膜は、前記第1の導電膜と重なる領域に第2の開口を有し、
前記第1の絶縁膜の下面は、前記酸化物半導体膜に形成されたチャネル形成領域の上面と接する領域を有し、
前記第1の開口において、前記第2の絶縁膜の下面は、前記第1の絶縁膜の側面と接する領域を有し、
前記第1の導電膜は、チタンと銅との積層であり、
前記第2の導電膜は、前記第1の導電膜と同じ金属元素を含み、
前記第3の導電膜は、前記第1及び第2の開口を介して前記第1の導電膜と接する領域を有し、
前記第3の導電膜は、透光性を有する半導体装置。
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