JP6987520B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の一態様のトランジスタ100について、図面を用いて説明する。
図1(A)は、トランジスタ100の平面図である。図1(B)は、図1(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図1(C)は、図1(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図2(A)は、図1(B)に示した部位131の拡大図である。図2(B)は、図1(C)に示した部位132の拡大図である。
電極102は、ゲート電極として機能できる。電極102に加えて電極121をトランジスタ100に設ける場合、電極121もゲート電極として機能できる。電極102または電極121の一方を、「ゲート電極」という場合、他方を「バックゲート電極」という。例えば、図6(A)または図6(C)に示すトランジスタ100において、電極102を「ゲート電極」と言う場合、電極121を「バックゲート電極」と言う。電極121を「ゲート電極」として用いる場合は、トランジスタ100をトップゲート型のトランジスタの一種と考えることができる。電極102および電極121のどちらか一方を、「第1のゲート電極」といい、他方を「第2のゲート電極」という場合がある。
基板101としては、ガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる程度の耐熱性を有する可撓性基板(フレキシブル基板)等を用いることができる。また、基板に透光性を要しない場合には、ステンレス合金等の金属の基板の表面に絶縁層を設けたものを用いてもよい。ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス若しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよい。他に、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。
絶縁層103乃至絶縁層105、絶縁層108、絶縁層109、絶縁層110、絶縁層111、絶縁層113は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
電極102、電極107a_1、電極107a_2、電極107a_3、電極107b_1、電極107b_2、電極107b_3、および電極121を形成するための導電性材料としては、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ベリリウム(Be)などから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
酸化物半導体層106として、酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体のバンドギャップは2eV以上あるため、酸化物半導体層106に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。また、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ(「OSトランジスタ」ともいう。)は、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧な半導体装置を提供することができる。
次に、酸化物半導体膜の区分について説明する。
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体膜の一種である。
nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。
a−like OS膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の構造を有する酸化物半導体膜である。
絶縁層、電極や配線を形成するための導電層、または半導体層などは、スパッタリング法、スピンコート法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法、高密度プラズマCVD(High density plasma CVD)法、LPCVD法(low pressure CVD)、APCVD法(atmospheric pressure CVD)等を含む)、ALD(Atomic Layer Deposition)法、または、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、または、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)を用いて形成することができる。
図1および図2に示すトランジスタ100の作製方法例について図7(A)乃至図7(D)、図8(A)乃至図8(C)、図9(A)乃至図9(C)および図10(A)乃至図10(C)を用いて説明する。図7(A)乃至図7(D)、図8(A)乃至図8(C)、図9(A)乃至図9(C)および図10(A)乃至図10(C)中のX1−X2断面は、図1(A)にX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面に相当する。
まず、基板101上に電極102を形成するための導電層181を形成する(図7(A)参照。)。本実施の形態では、基板101としてアルミノホウケイ酸ガラスを用いる。また、本実施の形態では、導電層181として厚さ50nmのチタン層と、厚さ200nmの銅層とを、それぞれ順にスパッタリング法により形成する。
次に、レジストマスクを形成する(図示せず。)。レジストマスクの形成は、フォトリソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクを印刷法やインクジェット法などで形成すると、フォトマスクを使用しないため製造コストを低減できる。
次に、絶縁層103、絶縁層104、および絶縁層105を順に形成する(図7(C)参照。)。本実施の形態では、絶縁層103として厚さ400nmの窒化シリコン層を形成し、絶縁層104として厚さ30nmの酸化アルミニウム層を形成し、絶縁層105として厚さ50nmの酸化窒化シリコン層を形成する。
次に、酸化物半導体層182と酸化物半導体層183を順に形成する(図7(D)参照。)。なお、酸化物半導体層182を形成する前に、酸素ガスを供給してプラズマを発生させてもよい。このことにより、酸化物半導体層182の被形成面となる絶縁層105中に酸素を添加できる。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、酸化物半導体層182および酸化物半導体層183の一部を選択的に除去して、島状の酸化物半導体層106_1および島状の酸化物半導体層106_2を形成する(図8(A)参照。)。
次に、導電層184および導電層185を順に形成する(図8(B)参照。)。導電層184は、酸化物半導体層106と接するため、加熱処理により水素を吸収する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電層184にこのような材料を用いることで、後の加熱処理によって、酸化物半導体層106中の水素濃度を低減することができる。水素を吸収する機能を有する導電性材料の一例として、チタン、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物などがある。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層185の一部を選択的に除去して、電極107a_2および電極107b_2を形成する(図8(C)参照。)。
次に、導電層186を形成する(図9(A)参照。)。本実施の形態では、導電層186として厚さ10nmのチタン層を形成する。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層184および導電層186の一部を選択的に除去して、電極107a_1、電極107a_3、電極107b_1、および電極107b_3を形成する(図9(B)参照。)。このようにして電極107aおよび電極107bが形成される。
次に、絶縁層108と絶縁層109を順に形成する(図9(C)参照。)。絶縁層108と絶縁層109は、途中で大気に曝すことなく連続して形成することが好ましい。
次に、不活性雰囲気下で加熱処理を行ない、絶縁層108および絶縁層109中に含まれる水素や水分などの不純物を低減する。なお、不活性ガスなどのガス供給を行なわず、減圧下で加熱処理を行なってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理をおこなう(図10(A)参照。)。
続けて、酸化性雰囲気中で加熱処理を行なう。本実施の形態では、酸素雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理をおこなう(図10(B)参照。)。工程11および工程12において、絶縁層108および/または絶縁層109に含まれる酸素の一部を酸化物半導体層106に移動させ、酸化物半導体層106に含まれる酸素欠損を低減することができる。なお、工程11または工程12の一方を省略してもよい。
次に、絶縁層110を形成する(図10(C)参照。)。前述した通り、絶縁層110は、不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。また、絶縁層110は、酸素が拡散しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。絶縁層110の厚さは5nm乃至40nmであればよい。
トランジスタ100の変形例について図面を用いて説明する。
図11(A)は、トランジスタ100Aの平面図である。図11(B)は、図11(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図11(C)は、図11(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。
図12(A)は、トランジスタ100Bの平面図である。図12(B)は、図12(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図12(C)は、図12(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図13(A)は、図12(B)に示した部位131Bの拡大図である。図13(B)は、図12(C)に示した部位132Bの拡大図である。
図14(A)は、トランジスタ100Cの平面図である。図14(B)は、図14(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図15(A)は、図14(B)に示した部位131Cの拡大図である。図15(B)は、図14(C)に示した部位132Cの拡大図である。
図16(A)は、トランジスタ100Dの平面図である。図16(B)は、図16(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図16(C)は、図16(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図17(A)は、図16(B)に示した部位131Dの拡大図である。図17(B)は、図16(C)に示した部位132Dの拡大図である。
本発明の一態様のトランジスタ200について、図面を用いて説明する。
図19(A)は、トランジスタ200の平面図である。図19(B)は、図19(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図19(C)は、図19(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図20は、図19(B)に示した部位231の拡大図である。
トランジスタ200の作製方法例について図23(A)乃至図26(C)を用いて説明する。図23(A)乃至図26(C)中のX1−X2断面は、図19(A)にX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面に相当する。
まず、基板101上に電極102を形成するための導電層181を形成する(図23(A)参照。)。本実施の形態では、基板101としてアルミノホウケイ酸ガラスを用いる。また、本実施の形態では、導電層181として厚さ50nmのチタン層と、厚さ200nmの銅層とを、それぞれ順にスパッタリング法により形成する。
次に、レジストマスクを形成する(図示せず。)。レジストマスクの形成は、フォトリソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクを印刷法やインクジェット法などで形成すると、フォトマスクを使用しないため製造コストを低減できる。
次に、絶縁層103、絶縁層104、および絶縁層105を順に形成する(図23(C)参照。)。本実施の形態では、絶縁層103として厚さ400nmの窒化シリコン層を形成し、絶縁層104として厚さ30nmの酸化アルミニウム層を形成し、絶縁層105として厚さ50nmの酸化窒化シリコン層を形成する。
次に、酸化物半導体層182を形成する(図23(D)参照。)。なお、酸化物半導体層182を形成する前に、酸素ガスを供給してプラズマを発生させてもよい。このことにより、酸化物半導体層182の被形成面となる絶縁層105中に酸素を添加できる。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、酸化物半導体層182の一部を選択的に除去して、島状の酸化物半導体層106を形成する(図24(A)参照。)。
次に、絶縁層108と絶縁層109を順に形成する(図24(B)参照。)。絶縁層108と絶縁層109は、途中で大気に曝すことなく連続して形成することが好ましい。
絶縁層109上に電極112を形成するための導電層185を形成する(図24(C)参照。)。本実施の形態では、導電層185としてインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いる。より具体的には、導電層185としてインジウムガリウム亜鉛酸化物の二層積層を用いる。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層185の一部を選択的に除去して、電極112を形成する。この時、電極112をマスクとして用いて、絶縁層108と絶縁層109の一部も選択的に除去する(図24(D)参照。)。工程8により、酸化物半導体層106の一部が露出する。
次に、酸化物半導体層106の工程8で露出した領域に不純物を導入する(図25(A)参照。)。不純物の導入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などで行うことができる。当該領域に窒素などの不純物を導入することにより、当該領域の抵抗値を低下させることができる。
次に、不活性雰囲気下で加熱処理を行ない、酸化物半導体層106、絶縁層108および絶縁層109中に含まれる水素や水分などを低減する。また、工程9の後に加熱処理を行うことで、酸化物半導体層106のソース領域とドレイン領域の抵抗値が低下する場合がある。なお、加熱処理は不活性ガスなどのガス供給を行なわず、減圧下で行なってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理をおこなう。
続けて、酸化性雰囲気中で加熱処理を行なってもよい。本実施の形態では、酸素雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理をおこなう。例えば、工程8で酸化物半導体層106に窒素を導入した場合、酸素雰囲気中で加熱処理を行うことで、ソース領域およびドレイン領域のNOXが増加し、抵抗値が低下する場合がある。なお、工程10または工程11の一方を省略してもよい。
次に、絶縁層110を形成する(図25(B)参照。)。前述した通り、絶縁層110は、不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。また、絶縁層110は、酸素が拡散しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。絶縁層110の厚さは5nm乃至40nmであればよい。
次に、絶縁層113を形成する(図25(C)参照。)。本実施の形態では、絶縁層113として厚さ1.5μmのアクリル樹脂層を形成する。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、絶縁層113および絶縁層110それぞれの一部を選択的に除去して、開口188を形成する(図26(A)参照。)。この時、酸化物半導体層106の一部が露出する。
次に、導電層186と導電層187を順に形成する(図26(B)参照。)。特に導電層186は、酸化物半導体層106と接するため、加熱処理により水素を吸収する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電層186にこのような材料を用いることで、後の加熱処理によって、酸化物半導体層106中の水素濃度を低減することができる。水素を吸収する機能を有する導電性材料の一例として、チタン、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物などがある。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層186の一部を選択的に除去して、電極114a_1および電極114b_1を形成する(図26(C)参照。)。同時に導電層187の一部を選択的に除去して、電極114a_2および電極114b_2を形成する。
トランジスタ200の変形例について図面を用いて説明する。
図27(A)は、トランジスタ200Aの平面図である。図27(B)は、図27(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図27(C)は、図27(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。
図28(A)は、トランジスタ200Bの平面図である。図28(B)は、図28(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図28(C)は、図28(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図29(A)は、図28(B)に示した部位231Bの拡大図である。図29(B)は、図28(C)に示した部位232Bの拡大図である。
図30(A)は、トランジスタ200Cの平面図である。図30(B)は、図30(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図30(C)は、図30(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。
図31(A)は、トランジスタ200Dの平面図である。図31(B)は、図31(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図31(C)は、図31(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。
図32(A)は、トランジスタ200Eの平面図である。図32(B)は、図32(A)に記したX1−X2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図32(C)は、図32(A)に記したY1−Y2の一点鎖線で示す部位の断面図である。図33は、図32(B)に示した部位231Eの拡大図である。
本実施の形態では、本明細書等に開示したトランジスタを用いた半導体装置の一例として、表示装置および表示モジュールについて説明する。
上述したトランジスタを用いることができる表示装置の一例を説明する。図34(A)は、表示装置500の構成例を説明するブロック図である。
表示装置500は、様々な形態を用いること、または様々な表示素子を有することが出来る。表示素子の一例としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機EL素子、無機EL素子、または、有機物及び無機物を含むEL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェロメトリック・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子、など、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有するものがある。また、表示素子として量子ドットを用いてもよい。
図34(B)に示す画素回路534は、トランジスタ461と、容量素子463と、トランジスタ468と、トランジスタ464と、を有する。また、図34(B)に示す画素回路534は、表示素子として機能できる発光素子469と電気的に接続されている。
図34(C)に示す画素回路534は、トランジスタ461と、容量素子463と、を有する。また、図34(C)に示す画素回路534は、表示素子として機能できる液晶素子462と電気的に接続されている。トランジスタ461にOSトランジスタを用いることが好ましい。
図36(A)に駆動回路511の構成例を示す。駆動回路511は、シフトレジスタ512、ラッチ回路513、およびバッファ514を有する。また、図36(B)に駆動回路521aの構成例を示す。駆動回路521aは、シフトレジスタ522、およびバッファ523を有する。駆動回路521bも駆動回路521aと同様の構成とすることができる。
上記実施の形態に示したトランジスタを用いて、シフトレジスタを含む駆動回路の一部または全体を画素部と同じ基板上に一体形成して、システムオンパネルを形成することができる。
上述したトランジスタを使用した半導体装置の一例として、表示モジュールについて説明する。図40に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との間に、FPC6003に接続されたタッチセンサ6004、FPC6005に接続された表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板6010、バッテリ6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテリ6011、タッチセンサ6004などは、設けられない場合もある。
本発明の一態様に係るトランジスタおよび/または半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図41および図42に、本発明の一態様に係るトランジスタおよび/または半導体装置を用いた電子機器の例を示す。
101 基板
102 電極
103 絶縁層
104 絶縁層
105 絶縁層
106 酸化物半導体層
108 絶縁層
109 絶縁層
110 絶縁層
113 絶縁層
121 電極
131 部位
132 部位
181 導電層
182 酸化物半導体層
183 酸化物半導体層
184 導電層
185 導電層
186 導電層
200 トランジスタ
461 トランジスタ
462 液晶素子
463 容量素子
464 トランジスタ
465 ノード
466 ノード
467 ノード
468 トランジスタ
469 発光素子
500 表示装置
511 駆動回路
Claims (3)
- 第1乃至第3の電極と、第1乃至第5の絶縁層と、第1の酸化物半導体層および第2の酸化物半導体層と、を有し、
前記第1の絶縁層は、前記第1の電極の上にあり、
前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層の上にあり、
前記第3の絶縁層は、前記第2の絶縁層の上にあり、
前記第1の酸化物半導体層は、前記第3の絶縁層の上にあり、
前記第2の酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層の上にあり、
前記第1の電極、前記第1の絶縁層、前記第2の絶縁層、前記第3の絶縁層、前記第1の酸化物半導体層、および前記第2の酸化物半導体層は、それぞれが互いに重なる領域を有し、
前記第2の電極は、前記第2の酸化物半導体層上で前記第2の酸化物半導体層と重なる領域と、前記第2の絶縁層上で前記第2の絶縁層と重なる領域と、を有し、
前記第3の電極は、前記第2の酸化物半導体層上で前記第2の酸化物半導体層と重なる領域と、前記第2の絶縁層上で前記第2の絶縁層と重なる領域と、を有し、
前記第4の絶縁層は、前記第2の酸化物半導体層と重なる領域を有し、
前記第5の絶縁層は、前記第4の絶縁層の上にあり、
前記第2の酸化物半導体層は結晶性を有し、
前記第2の電極は、第1の導電層と、前記第1の導電層の上にある第3の導電層と、前記第1の導電層及び前記第3の導電層により覆われた、銅を含む第2の導電層と、を有し、
前記第3の電極は、第4の導電層と、前記第4の導電層の上にある第6の導電層と、前記第4の導電層及び前記第6の導電層により覆われた、銅を含む第5の導電層と、を有し、
前記第2の絶縁層は、前記第3の絶縁層及び前記第4の絶縁層に設けられた開口を介して、前記第5の絶縁層と接する第1の領域を有し、
前記第1の酸化物半導体層及び前記第2の酸化物半導体層を平面図で見た場合に、前記第1の領域は、前記第1の酸化物半導体層及び前記第2の酸化物半導体層の外側を囲んでいる半導体装置。 - 請求項1において、
前記第2の絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化シリコンを有する半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第5の絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化シリコンを有する半導体装置。
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