JP7341204B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
装置に関する。
の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロ
セス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に
関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装
置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。
装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶
装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電
気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、
半導体装置を有している場合がある。
ンジスタ(FET)、または薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)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
ンを代表とする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。
が開示されている(特許文献1参照)。
なる酸化物半導体層がインジウム及びガリウムを含み、且つインジウムの割合をガリウム
の割合よりも大きくすることで、電界効果移動度(単に移動度、またはμFEという場合
がある)を高めた半導体装置が開示されている(特許文献2参照)。
はトップゲート構造等が挙げられる。酸化物半導体膜を有するトランジスタを表示装置に
適用する場合、トップゲート構造のトランジスタよりもボトムゲート構造のトランジスタ
の方が、作製工程が比較的簡単であり製造コストを抑えられるため、利用される場合が多
い。
4k×2k(水平方向画素数=3840画素、垂直方向画素数=2160画素)または8
k×4k(水平方向画素数=7680画素、垂直方向画素数=4320画素)に代表され
る高精細な表示装置)が進むと、ボトムゲート構造のトランジスタでは、ゲート電極とソ
ース電極及びドレイン電極との間の寄生容量があるため、該寄生容量によって信号遅延等
が大きくなり、表示装置の画質が劣化するという問題があった。そこで、酸化物半導体膜
を有するトップゲート構造のトランジスタについて、安定した半導体特性及び高い信頼性
を有する構造の開発が望まれている。
気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることを課題の1つとする。または、
本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトップゲート構造のトランジスタを提供するこ
とを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するオン電流が大
きいトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化
物半導体を有するオフ電流が小さいトランジスタを提供することを課題の1つとする。ま
たは、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の1つ
とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の1つとす
る。
態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細
書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽
出することが可能である。
のゲート電極と、第1のゲート電極上の第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上の酸化物半導体
膜と、酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第2のゲート電極と、酸化
物半導体膜、及び第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、第
2のゲート電極と重なるチャネル領域と、第3の絶縁膜と接するソース領域と、第3の絶
縁膜と接するドレイン領域と、を有し、第1のゲート電極と第2のゲート電極とは、電気
的に接続され、トランジスタの飽和領域における電界効果移動度を測定した際に、電界効
果移動度の最小値と、電界効果移動度の最大値との差が15cm2/Vs以内である。
される電圧を3V以上10V以下の範囲とし、且つドレイン領域に印加される電圧を10
V以上20V以下の範囲とした際に測定されると好ましい。
はSn)と、Znと、を有すると好ましい。
:3近傍であり、Inが4の場合、Mが1.5以上2.5以下であり、且つZnが2以上
4以下であると好ましい。
子とを有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、該表示装置とタッチセンサ
とを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記各態様のいずれか
一つに記載の半導体装置、上記表示装置、または上記表示モジュールと、操作キーまたは
バッテリとを有する電子機器である。
を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、
酸化物半導体を有するトップゲート構造のトランジスタを提供することができる。または
、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオン電流が大きいトランジスタを提供す
ることができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオフ電流が小さ
いトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低
減された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、新規な半
導体装置を提供することができる。
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形
態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明
は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を
模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関
係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明し
た語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイ
ン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間
にチャネル領域を有しており、チャネル領域を介してソースとドレインとの間に電流を流
すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主と
して流れる領域をいう。
動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明
細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとす
る。
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。
度で配置されている状態をいう。したがって、-5°以上5°以下の場合も含まれる。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。
替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変
更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」
という用語に変更することが可能な場合がある。
状態(非導通状態、遮断状態、ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態と
は、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧V
gsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ゲートとソ
ースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル
型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vt
hよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
フ電流がI以下である、とは、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在
することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のVgsにおけるオフ状態
、所定の範囲内のVgsにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られ
るVgsにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
ン電流が1×10-9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10-1
3Aであり、Vgsが-0.5Vにおけるドレイン電流が1×10-19Aであり、Vg
sが-0.8Vにおけるドレイン電流が1×10-22Aであるようなnチャネル型トラ
ンジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Vgsが-0.5Vにおいて
、または、Vgsが-0.5V乃至-0.8Vの範囲において、1×10-19A以下で
あるから、当該トランジスタのオフ電流は1×10-19A以下である、と言う場合があ
る。当該トランジスタのドレイン電流が1×10-22A以下となるVgsが存在するた
め、当該トランジスタのオフ電流は1×10-22A以下である、と言う場合がある。
Wあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅(例えば1μm)あ
たりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流/長さの次
元を持つ単位(例えば、A/μm)で表される場合がある。
は、特に記載がない場合、室温、60℃、85℃、95℃、または125℃におけるオフ
電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保
証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例
えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。トラ
ンジスタのオフ電流がI以下である、とは、室温、60℃、85℃、95℃、125℃、
当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トラン
ジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一
の温度)、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを
指す場合がある。
。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vdsが0.1V、0.8V、
1V、1.2V、1.8V、2.5V,3V、3.3V、10V、12V、16V、また
は20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導
体装置等の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置
等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ
電流がI以下である、とは、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、
2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、20V、当該トランジスタが含ま
れる半導体装置の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導
体装置等において使用されるVds、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるV
gsの値が存在することを指す場合がある。
流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
た、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに
、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
ルが形成されたときのゲート電圧(Vg)を指す。具体的には、トランジスタのしきい値
電圧とは、ゲート電圧(Vg)を横軸に、ドレイン電流(Id)の平方根を縦軸にプロッ
トした曲線(Vg-√Id特性)において、最大傾きである接線を外挿したときの直線と
、ドレイン電流(Id)の平方根が0(Idが0A)との交点におけるゲート電圧(Vg
)を指す場合がある。あるいは、トランジスタのしきい値電圧とは、チャネル長をL、チ
ャネル幅をWとし、Id[A]×L[μm]/W[μm]の値が1×10-9[A]とな
るゲート電圧(Vg)を指す場合がある。
十分に低い場合は、「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「
絶縁体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書
等に記載の「半導体」は、「絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本
明細書等に記載の「絶縁体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。また
は、本明細書等に記載の「絶縁体」を「半絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある
。
十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「
導電体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書
等に記載の「半導体」は、「導電体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本
明細書等に記載の「導電体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。
う。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることによ
り、半導体にDOS(Density of States)が形成されることや、キャ
リア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が
酸化物半導体を有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族
元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特
に、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、
窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損
を形成する場合がある。また、半導体がシリコンを有する場合、半導体の特性を変化させ
る不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、
第15族元素などがある。
の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む
)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)
などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属
酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OS FETと記載する場合にお
いては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
ide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(me
tal oxynitride)と呼称してもよい。
l)、及びCAC(Cloud-Aligned Composite)と記載する場合
がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一
例を表す。
In-Ga-Zn酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])
を用いて、スパッタリング法にて成膜された酸化物半導体を一例として説明する。上記タ
ーゲットを用いて、基板温度を100℃以上130℃以下として、スパッタリング法によ
り形成した酸化物半導体をsIGZOと呼称し、上記ターゲットを用いて、基板温度を室
温(R.T.)として、スパッタリング法により形成した酸化物半導体をtIGZOと呼
称する。例えば、sIGZOは、nc(nano crystal)及びCAACのいず
れか一方または双方の結晶構造を有する。また、tIGZOは、ncの結晶構造を有する
。なお、ここでいう室温(R.T.)とは、基板を意図的に加熱しない場合の温度を含む
。
、材料の一部では導電体の機能と、材料の一部では誘電体(または絶縁体)の機能とを有
し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OSまたはCAC-m
etal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電体は、キャリアとな
る電子(またはホール)を流す機能を有し、誘電体は、キャリアとなる電子を流さない機
能を有する。導電体としての機能と、誘電体としての機能とを、それぞれ相補的に作用さ
せることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC-OSまたは
CAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OSまたはCAC-
metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最
大限に高めることができる。
導電体領域、及び誘電体領域を有する。導電体領域は、上述の導電体の機能を有し、誘電
体領域は、上述の誘電体の機能を有する。また、材料中において、導電体領域と、誘電体
領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電体領域と、誘電体領域
とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電体領域は、周辺がぼけてクラウ
ド状に連結して観察される場合がある。
材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal
matrix composite)と呼称することもできる。
誘電体領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3n
m以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
本実施の形態においては、本発明の一態様の半導体装置について、図1乃至図22を用
いて説明を行う。
のゲート電極と、第1のゲート電極上の第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上の酸化物半導体
膜と、酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第2のゲート電極と、酸化
物半導体膜、及び第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、第
2のゲート電極と重なるチャネル領域と、第3の絶縁膜と接するソース領域と、第3の絶
縁膜と接するドレイン領域と、を有し、第1のゲート電極と第2のゲート電極とは、電気
的に接続される。
動度の最大値との差が15cm2/Vs以内である。
体膜を有するトランジスタであって、当該トランジスタの飽和領域における、電界効果移
動度の変動が極めて少ない。このような半導体装置を、例えば有機ELディスプレイの画
素のトランジスタに用いることで、高い信頼性を付与することができる。
初めにトランジスタの一般的な特性について、図2及び図3を用いて説明を行う。
まず、トランジスタのドレイン電流-ゲート電圧特性(Id-Vg特性)について説明
する。図2(A)はトランジスタのId-Vg特性の一例を説明する図である。なお、図
2(A)において、理解を簡単にするためにトランジスタの活性層には、多結晶シリコン
を用いた場合を想定している。また、図2(A)において、縦軸がIdを横軸がVgをそ
れぞれ表す。
1つ目の領域をオフ領域(OFF region)と、2つ目の領域をサブスレッショル
ド領域(subthreshold region)と、3つ目の領域をオン領域(ON
rigion)と、それぞれ呼称する。また、サブスレッショルド領域とオン領域との
境界のゲート電圧をしきい値電圧(Vth)と呼称する。
いう)が低く、オン領域のドレイン電流(オン電流またはIonともいう)が高い方が望
ましい。なお、トランジスタのオン電流については、電界効果移動度を指標とする場合が
多い。電界効果移動度の詳細については後述する。
d-Vg特性の傾きが急峻である方が望ましい。サブスレッショルド領域のId-Vg特
性の変化の大きさを表わす指標として、SS(subthreshold swing)
またはS値などと呼称される。なお、S値は、以下の式(1)で表される。
ート電圧の変化量の最小値である。S値が小さいほど、オンとオフとのスイッチング動作
を急峻に行うことができる。
次に、トランジスタのドレイン電流-ドレイン電圧特性(Id-Vd特性)について説
明する。図2(B)はトランジスタのId-Vd特性の一例を説明する図である。また、
図2(B)において、縦軸がIdを横軸がVdをそれぞれ表す。
を線形領域(Linear region)と、2つ目の領域を飽和領域(Satura
tion region)と、それぞれ呼称する。線形領域は、ドレイン電流がドレイン
電圧の上昇に伴って放物線状に大きくなる。一方で飽和領域は、ドレイン電圧が変化して
もドレイン電流が大きく変化しない。なお、真空管に準じて、線形領域を3極管領域と、
飽和領域を5極管領域と、それぞれ呼称する場合がある。
。また、飽和領域とは、Vgに対してVdが大きい(Vg<Vd)状態を指す場合がある
。ただし、実際には、トランジスタのしきい値電圧を考慮する必要がある。よって、Vg
からトランジスタのしきい値電圧を差分した値がVdに対して大きい状態(Vd<Vg-
Vth)を線形領域とする場合がある。同様に、Vgからトランジスタのしきい値電圧を
差分した値がVdに対して小さい状態(Vg-Vth<Vd)を飽和領域とする場合があ
る。
「飽和性が良い」と表現する場合がある。トランジスタの飽和性の良さは、特に有機EL
ディスプレイへの応用で重要である。例えば、飽和性が良いトランジスタを有機ELディ
スプレイの画素のトランジスタに用いることで、ドレイン電圧が変化しても画素の明るさ
の変化を抑制することができる。
次に、ドレイン電流の解析モデルについて説明する。ドレイン電流の解析モデルとして
は、Gradual channel近似(GCA)に基づくドレイン電流の解析式が知
られている。GCAに基づくとトランジスタのドレイン電流は、以下の式(2)で表され
る。
おけるドレイン電流の式である。
次に、電界効果移動度について説明する。トランジスタの電流駆動力の指標として、電
界効果移動度が用いられる。上述したように、トランジスタのオン領域は線形領域と飽和
領域に分かれる。それぞれの領域の特性から、GCAに基づくドレイン電流の解析式に基
づいてトランジスタの電界効果移動度を算出することができる。区別する必要のあるとき
は、それぞれ線形移動度(Linear mobility)、飽和移動度(Satur
ation mobility)と呼ばれる。線形移動度は、以下の式(3)で表され、
飽和移動度は、以下の式(4)で表される。
称する。図3に、GCAに基づくドレイン電流の解析式から計算した移動度曲線を示す。
なお、図3は、トランジスタのId-Vg特性に対して、線形移動度及び飽和移動度の移
動度曲線を、それぞれ重ねて示している。
いる。移動度曲線の形状は、トランジスタの内部の様子を理解するための手がかりとなる
。
子または正孔)は、ゲート電圧が増加することで、電界により加速されエネルギーを得る
。よって、キャリアは電界によって一定のエネルギーを得るため、飽和移動度は増加する
。ただし、キャリアは、電界によって無限に加速されることはなく、熱振動する格子間原
子、またはイオン化した不純物原子などに衝突することによってエネルギーを失うため、
飽和移動度が徐々に減少する。
次に、本発明の一態様のトランジスタの構造について説明を行い、その後当該トランジ
スタを作製し、トランジスタの電気特性を評価した結果について説明する。
図4(A)は、トランジスタ100Aの上面図であり、図4(B)は図4(A)の一点
鎖線X1-X2間の断面図であり、図4(C)は図4(A)の一点鎖線Y1-Y2間の断
面図である。なお、図4(A)では、明瞭化のため、絶縁膜110などの構成要素を省略
して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図4
(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線X1-
X2方向をチャネル長(L)方向、一点鎖線Y1-Y2方向をチャネル幅(W)方向と呼
称する場合がある。
と、導電膜106上の絶縁膜104と、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108と、酸化
物半導体膜108上の絶縁膜110と、絶縁膜110上の導電膜112と、絶縁膜104
、酸化物半導体膜108、及び導電膜112上の絶縁膜116と、を有する。なお、酸化
物半導体膜108は、導電膜112と重なるチャネル領域108iと、絶縁膜116と接
するソース領域108sと、絶縁膜116と接するドレイン領域108dと、を有する。
s及びドレイン領域108dと、が接することで、絶縁膜116中の窒素または水素がソ
ース領域108s及びドレイン領域108d中に添加される。ソース領域108s及びド
レイン領域108dは、窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高くなる。
18に設けられた開口部141aを介して、ソース領域108sに電気的に接続される導
電膜120aと、絶縁膜116、118に設けられた開口部141bを介して、ドレイン
領域108dに電気的に接続される導電膜120bと、を有していてもよい。また、絶縁
膜118、導電膜120a、及び導電膜120b上に絶縁膜122を有していてもよい。
なお、図4(B)(C)においては、絶縁膜122を設ける構成を例示したが、これに限
定されず、絶縁膜122を設けない構成としてもよい。
縁膜と、絶縁膜116を第3の絶縁膜と、絶縁膜118を第4の絶縁膜と、絶縁膜122
を第5の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、絶縁膜104は、第1のゲート
絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜110は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する
。また、絶縁膜116、118は保護絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜122は平坦化
絶縁膜としての機能を有する。
ことで、酸化物半導体膜108が有するチャネル領域108i中に過剰酸素を供給するこ
とができる。よって、チャネル領域108iに形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補
填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
8の下方に形成される絶縁膜104に過剰酸素を供給してもよい。この場合、絶縁膜10
4中に含まれる過剰酸素は、酸化物半導体膜108が有するソース領域108s、及びド
レイン領域108dにも供給されうる。ソース領域108s、及びドレイン領域108d
中に過剰酸素が供給されると、ソース領域108s、及びドレイン領域108dの抵抗が
高くなる場合がある。
成とすることで、チャネル領域108iにのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能
となる。あるいは、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域10
8dに過剰酸素を供給させたのち、ソース領域108s及びドレイン領域108dのキャ
リア密度を選択的に高めることで、ソース領域108s、及びドレイン領域108dの抵
抗が高くなることを抑制することができる。
、それぞれ、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を有すると好まし
い。当該酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素としては、代表的には
水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる
。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及び
キセノン等がある。上記酸素欠損を形成する元素が、絶縁膜116中に1つまたは複数含
まれる場合、絶縁膜116からソース領域108s、及びドレイン領域108dに拡散す
る。および/または、上記酸素欠損を形成する元素は、不純物添加処理によりソース領域
108s、及びドレイン領域108d中に添加される。
合が切断され、酸素欠損が形成される。または、不純物元素が酸化物半導体膜に添加され
ると、酸化物半導体膜中の金属元素と結合していた酸素が不純物元素と結合し、金属元素
から酸素が脱離され、酸素欠損が形成される。これらの結果、酸化物半導体膜においてキ
ャリア密度が増加し、導電性が高くなる。
のゲート電極としての機能を有し、導電膜120aは、ソース電極としての機能を有し、
導電膜120bは、ドレイン電極としての機能を有する。
。また、導電膜106は、開口部143を介して、導電膜112と、電気的に接続される
。よって、導電膜106と導電膜112には、同じ電位が与えられる。なお、開口部14
3を設けずに、導電膜106と、導電膜112と、に異なる電位を与えてもよい。または
、開口部143を設けずに、導電膜106を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜
106を遮光性の材料により形成することで、チャネル領域108iに照射される下方か
らの光を抑制することができる。
して機能する導電膜106と、第2のゲート電極として機能する導電膜112のそれぞれ
と対向するように位置し、2つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。
向の長さよりも長く、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向全体は、絶縁膜110を間
に挟んで導電膜112に覆われている。また、導電膜112と導電膜106とは、絶縁膜
104、及び絶縁膜110に設けられる開口部143において接続されるため、酸化物半
導体膜108のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜110を間に挟んで導電膜112
と対向している。
膜112は、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられる開口部143において接続す
ると共に、絶縁膜104、及び絶縁膜110を間に挟んで酸化物半導体膜108を取り囲
む構成である。
8を、第1のゲート電極として機能する導電膜106及び第2のゲート電極として機能す
る導電膜112の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ100Aの
ように、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成さ
れる酸化物半導体膜108を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をSurro
unded channel(S-channel)構造と呼ぶことができる。
導電膜112によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体膜108
に印加することができるため、トランジスタ100Aの電流駆動能力が向上し、高いオン
電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、ト
ランジスタ100Aを微細化することが可能となる。また、トランジスタ100Aは、酸
化物半導体膜108が、導電膜106、及び導電膜112によって取り囲まれた構造を有
するため、トランジスタ100Aの機械的強度を高めることができる。
部143が形成されていない側に、開口部143と異なる開口部を形成してもよい。
次に、上記説明したトランジスタ100Aに相当するトランジスタを作製し、当該トラ
ンジスタの電気特性を評価した。本実施の形態においては、以下に示す試料A1乃至A3
を作製した。
μmのトランジスタが形成された試料である。また、試料A1及び試料A2が比較用のト
ランジスタが形成された試料であり、試料A3が本発明の一態様のトランジスタが形成さ
れた試料である。なお、試料A1乃至試料A3は、それぞれ酸化物半導体膜の成膜条件を
変えて形成し、それ以外の工程については同じ作製方法とした。
まず、ガラス基板上に厚さ10nmのチタン膜と、厚さ100nmの銅膜とを、スパッ
タリング装置を用いて形成した。続いて当該導電膜をフォトリソグラフィ法により加工し
た。
相堆積(PECVD)装置を用いて、真空中で連続して形成した。絶縁膜は、下から厚さ
50nmの窒化シリコン膜、厚さ300nmの窒化シリコン膜、厚さ50nmの窒化シリ
コン膜、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜をそれぞれ用いた。
で、半導体層を形成した。酸化物半導体膜108としては、厚さ40nmの酸化物半導体
膜を形成した。なお、試料A1乃至A3において、酸化物半導体膜の成膜条件がそれぞれ
異なる。
ゴンガスと、流量60sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入
し、圧力を0.6Paとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ター
ゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])に、2.5kWの交流電力を
印加することで形成した。なお、成膜ガス全体に占める酸素の割合から、「酸素流量比」
と記載する場合がある。試料A1の酸化物半導体膜の成膜時における酸素流量比は30%
である。
ゴンガスと、流量20sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入
し、圧力を0.6Paとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ター
ゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])に、2.5kWの交流電力を
印加することで形成した。なお、試料A2の酸化物半導体膜の成膜時における酸素流量比
は10%である。
mのアルゴンガスと、流量20sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー
内に導入し、圧力を0.6Paとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸
化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])に、2.5kWの交
流電力を印加することで形成した。なお、試料A3の酸化物半導体膜の成膜時における酸
素流量比は10%である。
0nmの酸化窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。
50℃ 1時間の熱処理とした。
ッチング法を用いた。
酸化物半導体膜を島状に加工することで、導電膜を形成した。また、導電膜を形成後、続
けて、導電膜の下側に接する絶縁膜を加工することで、絶縁膜を形成した。
厚さ100nmの銅膜とを順に形成した。なお、酸化物半導体膜の成膜条件としては、基
板温度を170℃として、流量200sccmの酸素ガスをスパッタリング装置のチャン
バー内に導入し、圧力を0.6Paとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金
属酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])に、2.5kW
の交流電力を印加すること形成した。また、窒化チタン膜及び銅膜としては、スパッタリ
ング装置を用いて形成した。
マ処理としては、PECVD装置を用い、基板温度を220℃とし、アルゴンガスと窒素
ガスとの混合ガス雰囲気下で行った。
厚さ100nmの窒化シリコン膜及び厚さ300nmの酸化窒化シリコン膜を、PECV
D装置を用いて積層して形成した。
した。
、ソース電極及びドレイン電極なる導電膜を形成した。当該導電膜としては、厚さ10n
mのチタン膜と、厚さ100nmの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて、それぞれ形
成した。
アクリル系の感光性樹脂を用いた。
次に、上記作製した試料A1乃至試料A3のトランジスタのId-Vg特性を測定した
。なお、トランジスタのId-Vg特性の測定条件としては、第1のゲート電極として機
能する導電膜に印加する電圧(以下、ゲート電圧(Vg)ともいう)、及び第2のゲート
電極として機能する導電膜に印加する電圧(以下、バックゲート電圧(Vbg)ともいう
)を、-10Vから+10Vまで0.25Vのステップで印加した。また、ソース電極と
して機能する導電膜に印加する電圧(以下、ソース電圧(Vs)ともいう)を0V(co
mm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜に印加する電圧(以下、ドレイン電圧(
Vd)ともいう)を、0.1V及び20Vとした。
をそれぞれ示す。なお、図1(A)(B)(C)において、第1縦軸がId(A)を、第
2縦軸が電界効果移動度(μFE(cm2/Vs))を、横軸がVg(V)を、それぞれ
表す。なお、電界効果移動度については、Vdを20Vで測定した際の値である。
ランジスタのId-Vg特性に異なる傾向が確認される。特に、トランジスタの電界効果
移動度の移動度曲線の形状に差異が確認される。
ジスタの飽和領域における電界効果移動度の最小値、最大値、及び最大値から最小値を差
分した結果を算出した。なお、ここでは、トランジスタの飽和領域としては、Vgが3V
以上10V以下の範囲とした。当該範囲は、ディスプレイなどの用途において、よく用い
られるゲート電圧となる。
8cm2/Vsであり、最大値が28.3cm2/Vsであった。すなわち、試料A1の
トランジスタの飽和領域における、電界効果移動度の最小値と、電界効果移動度の最大値
との差が18.5cm2/Vsであった。また、試料A2においてはトランジスタの飽和
領域における、電界効果移動度の最小値が23.3cm2/Vsであり、最大値が51.
1cm2/Vsであった。すなわち、試料A2のトランジスタの飽和領域における、電界
効果移動度の最小値と、電界効果移動度の最大値との差が27.8cm2/Vsであった
。また、試料A3においてはトランジスタの飽和領域における、電界効果移動度の最小値
が55.8cm2/Vsであり、最大値が67.0cm2/Vsであった。すなわち、試
料A3のトランジスタの飽和領域における、電界効果移動度の最小値と、電界効果移動度
の最大値との差が11.2cm2/Vsであった。
、電界効果移動度の最大値に対し、概ね65.3%低い。また、試料A2は、トランジス
タの飽和領域における電界効果移動度の最小値が、電界効果移動度の最大値に対し、概ね
54.4%低い。また、試料A3は、トランジスタの飽和領域における電界効果移動度の
最小値が、電界効果移動度の最大値に対し、概ね16.7%低い。このように、本発明の
一態様のトランジスタが形成された試料A3は、トランジスタの飽和領域における電界効
果移動度の最小値が、電界効果移動度の最大値に対し、好ましくは30%以下、さらに好
ましくは20%以下の特性を有する。
飽和領域における電界効果移動度の最小値と、電界効果移動度の最大値との差が15cm
2/Vs以内と極めて少ない特性である。また、試料A3は、低Vg(例えば、Vgが0
Vを超えて5V以内)領域において、高い電界効果移動度を有する。このような特性のト
ランジスタを、例えば有機ELディスプレイの画素のトランジスタに用いることで、高い
電流駆動能力と、高い信頼性とを付与することができる。
次に、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタの電界効果移動度の移動度曲線の形
状に差異が確認されたため、移動度曲線の形状をデバイスシミュレーションにより評価し
た。
移動度の温度依存性、2.チャネル領域のドナー密度分布、3.酸化物半導体膜中の浅い
欠陥準位密度の3つの要因を仮定した。
酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、自己発熱により電界効果移動度が急激に上昇
する。酸化物半導体膜の電子移動度(μn)の温度依存性は、以下に示す数式(5)で表
される。
温度を、それぞれ表している。式(5)に示すように、酸化物半導体膜を用いたトランジ
スタの電界効果移動度は、温度Tの概略1.5乗に比例して上昇する。
上記作製した試料A1乃至A3のトランジスタは、酸化物半導体膜の成膜条件が異なる
ため、チャネル領域のドナー密度分布が異なる。別言すると、試料A1乃至A3のトラン
ジスタは、実効チャネル長が異なる。
て説明する。
、それぞれ表している。また、酸化物半導体膜中には、n型領域が形成されている。トラ
ンジスタの実効チャネル長(Leff)は、以下に示す式(6)で表される。
。
sion Line Model)解析から求めることができる。
領域にかけてドナー密度が徐々に減少するモデルを仮定した。つまり、ドナーがチャネル
領域に向かってガウス分布に従って減少する。試料A1乃至試料A3におけるドナー密度
を説明する模式図を図6(A)(B)(C)に示す。なお、図6(A)が試料A1のドナ
ー密度を、図6(B)が試料A2のドナー密度を、図6(C)が試料A3のドナー密度を
、それぞれ説明する図である。
が酸化物半導体膜を、それぞれ表す。また、図6(A)(B)(C)に示す酸化物半導体
膜において、ドナー密度が5×1018cm-3以上の領域を灰色で表し、ドナー密度が
1×1016cm-3以下の領域を黒色で表す。
積もられ、試料A2の実効チャネル長は1.2μmと見積もられ、試料A3の実効チャネ
ル長は0.8μmと見積もられた。別言すると、試料A1のΔLは0μmと見積もられ、
試料A2のΔLは0.4μmと見積もられ、試料A3のΔLは0.6μmと見積もられた
。
次に、酸化物半導体膜中の浅い欠陥準位密度(sDOSともいう)について説明を行う
。酸化物半導体膜のsDOSは、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性から見
積もることができる。以下ではトランジスタの界面準位の密度を評価し、その界面準位の
密度に加え、界面準位にトラップされる電子数Ntrapを考慮した場合において、サブ
スレッショルドリーク電流を予測する方法について説明する。
-ゲート電圧(Id-Vg)の実測と、ドレイン電流-ゲート電圧(Id-Vg)特性の
計算値とを比較することによって、評価することができる。
得られた理想的なId-Vg特性と、トランジスタにおける実測のId-Vg特性と、を
示す。なお、トランジスタの測定結果のうち、ドレイン電流Idの測定が容易な1×10
-13A以上の値のみプロットした。
gに対するドレイン電流Idの変化が緩やかとなる。これは、伝導帯下端のエネルギー(
Ecと表記する。)の近くに位置する浅い界面準位に電子がトラップされたためと考えら
れる。ここでは、フェルミ分布関数を用いて、浅い界面準位へトラップされる(単位面積
、単位エネルギーあたりの)電子数Ntrapを考慮することで、より厳密に界面準位の
密度Nitを見積もることができる。
電子数Ntrapの評価方法について説明する。破線は計算によって得られるトラップ準
位のない理想的なId-Vg特性を示す。また、破線において、ドレイン電流がId1か
らId2に変化するときのゲート電圧Vgの変化をΔVidとする。また、実線は、実測
のId-Vg特性を示す。実線において、ドレイン電流がId1からId2に変化すると
きのゲート電圧Vgの変化をΔVexとする。ドレイン電流がId1、Id2のときの着
目する界面における電位はそれぞれφit1、φit2とし、その変化量をΔφitとす
る。
きいことがわかる。このとき、ΔVexとΔVidの差が、浅い界面準位に電子をトラッ
プすることに要した電位差を表す。したがって、トラップされた電子による電荷の変化量
ΔQtrapは以下の式(7)で表すことができる。
ップされた(単位面積、単位エネルギーあたりの)電子数Ntrapを用いて、式(8)
で表すこともできる。なお、qは電気素量である。
できる。
面においてトラップされた電子数Ntrapを見積もることができる。なお、ドレイン電
流との界面における電位の関係については、上述のデバイスシミュレータを用いた計算に
よって求めることができる。
式(11)のような関係にある。
(11)でフィッティングすることで、Nitは決定される。このNitを設定したデバ
イスシミュレータを用いた計算により、Id<0.1pAを含む伝達特性を得ることがで
きる。
結果を図9に白丸印で示す。ここで、図9の縦軸は半導体の伝導帯下端Ecからのフェル
ミエネルギーEfである。破線を見るとEcのすぐ下の位置に極大値となっている。式(
11)のNitとして、式(12)のテール分布を仮定すると図9の破線のように非常に
良くNtrapをフィッティングでき、フィッティングパラメータとして、ピーク値Nt
a=1.67×1013cm-2eV-1、特性幅Wta=0.105eVが得られた。
にフィードバッグすることにより、Id-Vg特性を逆算した結果を図10に示す。図1
0(A)に、ドレイン電圧Vdが0.1Vおよび1.8Vの場合の計算によって得られた
Id-Vg特性と、ドレイン電圧Vdが0.1Vの場合及び1.8Vの場合のトランジス
タにおける実測のId-Vg特性とを示す。また、図10(B)は、図10(A)のドレ
イン電流Idを対数としたグラフである。
で高い再現性を有することが分かる。したがって、浅い欠陥準位密度を算出する方法とし
て、上記の方法が十分に妥当であることが分かる。
上述した酸化物半導体膜中のsDOSは、電界効果移動度の移動度曲線に影響を与える
。特に、しきい値電圧近傍では、sDOSに電子がトラップされ移動度曲線の形状が変わ
る。酸化物半導体膜中のsDOSは、式(12)中のNtaとWtaと、酸化物半導体膜
の厚さ(tOS)との積で表される。そこで、上述した式(12)を基に、移動度曲線の
計算を行った。計算に用いたパラメータを表1に示す。
た。Wtaの値を変えた場合の移動度曲線の形状を図11に示す。なお、図11において
、Nta=2.5×1019cm-3eV-1とし、ΔL=0とした。また、Wtaを0
.015eV、0.02eV、0.025eV、0.03eV、0.035eV、0.0
4eV、及び0.045eVの7つの条件とした。
ど、移動度曲線の立ち上がりが急峻となることがわかる。また、sDOSのエネルギー幅
が狭いほど、移動度曲線のピーク値が高Vg側から低Vg側にシフトし、且つピーク値が
低下していることが分かる。
1に示す移動度曲線の形状を基に、試料A1乃至試料A3に相当するモデルの移動度曲線
の形状について計算を行った。移動度曲線の計算結果を図12に示す。
お、試料A1では、Nta=3.0×1019cm-3eV-1とし、ΔL=0とし、W
taを0.045eVとした。また、試料A2では、Nta=3.0×1019cm-3
eV-1とし、ΔL=0.4μmとし、Wtaを0.035eVとした。試料A3では、
Nta=2.5×1019cm-3eV-1とし、ΔL=0.6μmとし、Wtaを0.
025eVとした。
線の形状を概ね反映した結果であると考えられる。
影響が大きいことが示唆された。よって、先に説明した試料A1乃至A3は、酸化物半導
体膜中のsDOSの値が異なる可能性がある。
乃至試料B3を作製した。試料B1乃至B3は、トランジスタのサイズが異なるのみで、
それぞれ試料A1乃至A3と同じ作製方法とした。
ランジスタのサイズとしては、L/W=6/50μmとした。
Sが多い結果となった。すなわち、試料A1、試料A2、試料A3の順に酸化物半導体膜
中のsDOSが多い結果であり、先に示すデバイスシミュレーションの結果が妥当である
ことがわかる。
1012cm-2eV-1未満となり、sDOSが極めて低い試料であることがわかる。
なお、酸化物半導体膜中のsDOSのピーク値としては、好ましくは2.5×1012c
m-2eV-1未満、より好ましくは1.5×1012cm-2eV-1未満、さらに好
ましくは1.0×1012cm-2eV-1未満である。
を急峻にすることができる。また、酸化物半導体膜中のsDOSを低減することで、高V
g側の移動度曲線のピーク値を低Vg側にシフトさせ、ピーク値を小さくすることができ
る。すなわち、酸化物半導体膜中のsDOSを低減することで、酸化物半導体膜を有する
トランジスタの電界効果移動度の移動度曲線の立ち上がりを急峻にでき、且つ移動度曲線
の飽和性を高めることができる。
次に、図4(A)(B)(C)に示すトランジスタの構成要素の詳細について説明する
。
基板102としては、作製工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用い
ることができる。
石英またはサファイア等を用いることができる。また、無機絶縁膜を用いてもよい。当該
無機絶縁膜としては、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、
酸化アルミニウム膜等が挙げられる。
とすればよい。または、無アルカリガラスを研磨することで、上記の厚さとしてもよい。
(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代
(2400mm×2800mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等の面積
が大きなガラス基板を用いることができる。これにより、大型の表示装置を作製すること
ができる。
半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、SOI基板等を用いてもよい
。
は、ステンレススチールまたはアルミニウム等が挙げられる。
てもよい。当該樹脂フィルムとしては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナ
イロン、アラミド等)、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、アクリル樹脂、
エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(P
EN)、ポリエーテルサルフォン(PES)、またはシリコーンなどのシロキサン結合を
有する樹脂等が挙げられる。
い。当該複合材料としては、金属板または薄板状のガラス板と、樹脂フィルムとを貼り合
わせた材料、繊維状の金属、粒子状の金属、繊維状のガラス、または粒子状のガラスを樹
脂フィルムに分散した材料、もしくは繊維状の樹脂、粒子状の樹脂を無機材料に分散した
材料等が挙げられる。
るものであればよく、絶縁膜、半導体膜、導電膜のいずれか一つまたは複数であってもよ
い。
絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(
PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜104
としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成すること
ができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上させるため、絶縁膜104に
おいて少なくとも酸化物半導体膜108と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好
ましい。また、絶縁膜104として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いること
で、加熱処理により絶縁膜104に含まれる酸素を、酸化物半導体膜108に移動させる
ことが可能である。
は200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁膜104を厚くすることで
、絶縁膜104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜104と酸化物半
導体膜108との界面における界面準位、並びに酸化物半導体膜108のチャネル領域1
08iに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
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酸化物
などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜
104として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このよう
に、絶縁膜104を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化
シリコン膜を用いることで、酸化物半導体膜108中に効率よく酸素を導入することがで
きる。
酸化物半導体膜108としては、実施の形態2で詳細に説明を行う。
絶縁膜110は、酸化物半導体膜108、特にチャネル領域108iに酸素を供給する
機能を有する。例えば、絶縁膜110としては、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層
または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上
させるため、絶縁膜110において、酸化物半導体膜108と接する領域は、少なくとも
酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。絶縁膜110として、例えば酸化シリコ
ン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いればよい。
m以下、または10nm以上250nm以下とすることができる。
(ESR:Electron Spin Resonance)で観察されるシグナルが
少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、g値が2.001に観察される
E’センターが挙げられる。なお、E’センターは、シリコンのダングリングボンドに起
因する。絶縁膜110としては、E’センター起因のスピン密度が、3×1017spi
ns/cm3以下、好ましくは5×1016spins/cm3以下である酸化シリコン
膜、または酸化窒化シリコン膜を用いればよい。
ナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Nの核スピンにより3つのシグナルに分
裂しており、それぞれのg値が2.037以上2.039以下(第1のシグナルとする)
、g値が2.001以上2.003以下(第2のシグナルとする)、及びg値が1.96
4以上1.966以下(第3のシグナルとする)に観察される。
7spins/cm3以上1×1018spins/cm3未満である絶縁膜を用いると
好適である。
形成する。当該準位は、酸化物半導体膜108のエネルギーギャップ内に位置する。その
ため、窒素酸化物(NOx)が、絶縁膜110及び酸化物半導体膜108の界面に拡散す
ると、当該準位が絶縁膜110側において電子をトラップする場合がある。この結果、ト
ラップされた電子が、絶縁膜110及び酸化物半導体膜108界面近傍に留まるため、ト
ランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁膜11
0としては、窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧の
シフトを低減することができる。
を用いることができる。当該酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法(TDS:Th
ermal Desorption Spectroscopy)において、窒素酸化物
(NOx)の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放
出量が1×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である。なお、上記のアンモ
ニアの放出量は、TDSにおける加熱処理の温度が50℃以上650℃以下、または50
℃以上550℃以下の範囲での総量である。
モニアの放出量が多い絶縁膜を用いることで窒素酸化物(NOx)が低減される。
ms/cm3以下であると好ましい。
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)、酸化ハフニウムなどのhigh-k材料を用いてもよい。
当該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。
絶縁膜116は、窒素または水素を有する。また、絶縁膜116は、フッ素を有してい
てもよい。絶縁膜116としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜
としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化フッ化シリコン、
フッ化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜116に含まれる水素濃度
は、1×1022atoms/cm3以上であると好ましい。また、絶縁膜116は、酸
化物半導体膜108のソース領域108s、及びドレイン領域108dと接する。したが
って、絶縁膜116と接するソース領域108s、及びドレイン領域108d中の不純物
(窒素または水素)濃度が高くなり、ソース領域108s、及びドレイン領域108dの
キャリア密度を高めることができる。
絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜118とし
ては、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。絶縁膜118と
して、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、
酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa-Zn酸化物などを用いればよい。
ることが好ましい。
m以下とすることができる。
絶縁膜122としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成さ
れる。該無機材料としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜
、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材
料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げ
られる。
導電膜106、112、120a、120bとしては、スパッタリング法、真空蒸着法
、パルスレーザー堆積(PLD)法、熱CVD法等を用いて形成することができる。また
、導電膜106、112、120a、120bとしては、導電性を有する金属膜、可視光
を反射する機能を有する導電膜、または可視光を透過する機能を有する導電膜を用いれば
よい。
チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウムまたはマンガ
ンから選ばれた金属元素を含む材料を用いることができる。または、上述した金属元素を
含む合金を用いてもよい。
造、窒化チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、窒化タンタル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し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等を用い
ればよい。特に、銅元素を含む導電膜を用いることで、抵抗を低くすることが出来るため
好適である。また、銅元素を含む導電膜としては、または、銅とマンガンとを含む合金膜
が挙げられる。当該合金膜は、ウエットエッチング法を用いて加工できるため好適である
。
と好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅または水素に対して、高
いバリア性を有する。また、窒化タンタル膜は、さらに自身からの水素の放出が少ないた
め、酸化物半導体膜108と接する金属膜、または酸化物半導体膜108の近傍の金属膜
として、最も好適に用いることができる。
てもよい。
ジウムから選ばれた金属元素を含む材料を用いることができる。特に、銀元素を含む導電
膜を用いることで、可視光における反射率を高めることができるため好適である。
ガリウム、またはシリコンから選ばれた元素を含む材料を用いることができる。具体的に
は、In酸化物、Zn酸化物、In-Sn酸化物(ITOともいう)、In-Sn-Si
酸化物(ITSOともいう)、In-Zn酸化物、In-Ga-Zn酸化物等が挙げられ
る。
ァイトを含む膜を用いてもよい。グラフェンを含む膜としては、酸化グラフェンを含む膜
を形成し、酸化グラフェンを含む膜を還元することにより、グラフェンを含む膜を形成す
ることができる。還元する方法としては、熱を加える方法や還元剤を用いる方法等が挙げ
られる。
きる。当該無電解めっき法により形成できる材料としては、例えば、Cu、Ni、Al、
Au、Sn、Co、Ag、及びPdの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を用いるこ
とが可能である。特に、CuまたはAgを用いると、導電膜の抵抗を低くすることができ
るため、好適である。
散しないように、当該導電膜の下に、拡散防止膜を形成してもよい。また、当該拡散防止
膜と、当該導電膜との間に、導電膜を成長させることが出来るシード層を形成してもよい
。上記拡散防止膜としては、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。
また、当該拡散防止膜としては、例えば、窒化タンタル膜または窒化チタン膜を用いるこ
とができる。また、上記シード層としては、無電解めっき法により形成することができる
。また、当該シード層としては、無電解めっき法により形成することができる導電膜の材
料と同様の材料を用いることができる。
てよい。当該酸化物半導体は、絶縁膜116から窒素または水素が供給されることで、キ
ャリア密度が高くなる。別言すると、酸化物半導体は、酸化物導電体(OC:Oxide
Conductor)として機能する。したがって、酸化物半導体は、ゲート電極とし
て用いることができる。
、または酸化物導電体(OC)と、金属膜との積層構造等が挙げられる。
OC)と遮光性を有する金属膜との積層構造を用いる場合、導電膜112の下方に形成さ
れるチャネル領域108iを遮光することができるため、好適である。また、導電膜11
2として、酸化物半導体または酸化物導電体(OC)と、遮光性を有する金属膜との積層
構造を用いる場合、酸化物半導体または酸化物導電体(OC)上に、金属膜(例えば、チ
タン膜、タングステン膜など)を形成することで、金属膜中の構成元素が酸化物半導体ま
たは酸化物導電体(OC)側に拡散し低抵抗化する、金属膜の成膜時のダメージ(例えば
、スパッタリングダメージなど)により低抵抗化する、あるいは金属膜中に酸化物半導体
または酸化物導電体(OC)中の酸素が拡散することで、酸素欠損が形成され低抵抗化す
る。
以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。
次に、図4(A)(B)(C)に示すトランジスタと異なる構成について、図14乃至
図16を用いて説明する。
、トランジスタ100Cの断面図であり、図16(A)(B)は、トランジスタ100D
の断面図である。なお、トランジスタ100B、トランジスタ100C、及びトランジス
タ100Dの上面図としては、図4(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため
、ここでの説明は省略する。
112の形状、及び絶縁膜110の形状がトランジスタ100Aと異なる。
膜112_1上の導電膜112_2と、を有する。例えば、導電膜112_1として、酸
化物導電膜を用いることにより、絶縁膜110に過剰酸素を添加することができる。上記
酸化物導電膜としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて形成するこ
とができる。また、上記酸化物導電膜としては、例えば、インジウムと錫とを有する酸化
物、タングステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを
有する酸化物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有す
る酸化物、インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸
化物、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等が挙げられる。
膜106とが接続される。開口部143を形成する際に、導電膜112_1となる導電膜
を形成した後、開口部143を形成することで、図14(B)に示す形状とすることがで
きる。導電膜112_1に酸化物導電膜を適用した場合、導電膜112_2と、導電膜1
06とが接続される構成とすることで、導電膜112と導電膜106との接触抵抗を低く
することができる。
。より具体的には、導電膜112の下端部は、導電膜112の上端部よりも外側に形成さ
れる。また、絶縁膜110の下端部は、絶縁膜110の上端部よりも外側に形成される。
また、導電膜112の下端部は、絶縁膜110の上端部と概略同じ位置に形成される。
トランジスタ100Aの導電膜112及び絶縁膜110が矩形の場合と比較し、絶縁膜1
16の被覆性を高めることができるため好適である。
であり、同様の効果を奏する。
112の形状、及び絶縁膜110の形状がトランジスタ100Aと異なる。
膜112_1上の導電膜112_2と、を有する。また、導電膜112_1の下端部は、
導電膜112_2の上端部よりも外側に形成される。例えば、導電膜112_1と、導電
膜112_2と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、導電膜112_2をウエット
エッチング法で、導電膜112_1及び絶縁膜110をドライエッチング法で、それぞれ
加工することで、上記の構造とすることができる。
08fが形成される場合がある。領域108fは、チャネル領域108iとソース領域1
08sとの間、及びチャネル領域108iとドレイン領域108dとの間に形成される。
抗領域とは、チャネル領域108iと同等の抵抗を有し、ゲート電極として機能する導電
膜112が重畳しない領域である。領域108fが高抵抗領域の場合、領域108fは、
所謂オフセット領域として機能する。領域108fがオフセット領域として機能する場合
においては、トランジスタ100Cのオン電流の低下を抑制するために、チャネル長(L
)方向において、領域108fを1μm以下とすればよい。
8s及びドレイン領域108dよりも抵抗が高い領域である。領域108fが低抵抗領域
の場合、領域108fは、所謂、LDD(Lightly Doped Drain)領
域として機能する。領域108fがLDD領域として機能する場合においては、ドレイン
領域の電界緩和が可能となるため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい
値電圧の変動を低減することができる。
8fに窒素、水素、フッ素の1以上を供給する、あるいは、絶縁膜110及び導電膜11
2_1をマスクとして、導電膜112_1の上方から不純物元素を添加することで、当該
不純物が導電膜112_1及び絶縁膜110を通過して酸化物半導体膜108に添加され
ることで形成することができる。
膜106とが接続される。
であり、同様の効果を奏する。
112の形状、及び絶縁膜110の形状がトランジスタ100Aと異なる。
膜112_1上の導電膜112_2と、を有する。また、導電膜112_1の下端部は、
導電膜112_2の下端部よりも外側に形成される。また、絶縁膜110の下端部は、導
電膜112_1の下端部よりも外側に形成される。例えば、導電膜112_1と、導電膜
112_2と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、導電膜112_2及び導電膜1
12_1をウエットエッチング法で、絶縁膜110をドライエッチング法で、それぞれ加
工することで、上記の構造とすることができる。
08中に領域108fが形成される場合がある。領域108fは、チャネル領域108i
とソース領域108sとの間、及びチャネル領域108iとドレイン領域108dとの間
に形成される。
膜106とが接続される。
であり、同様の効果を奏する。
次に、図4(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Aと異なる構成について、図
17乃至図21を用いて説明する。
、トランジスタ100Fの断面図であり、図19(A)(B)は、トランジスタ100G
の断面図であり、図20(A)(B)は、トランジスタ100Hの断面図であり、図21
(A)(B)は、トランジスタ100Jの断面図である。なお、トランジスタ100E、
トランジスタ100F、トランジスタ100G、トランジスタ100H、及びトランジス
タ100Jの上面図としては、図4(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため
、ここでの説明は省略する。
100H、及びトランジスタ100Jは、先に示すトランジスタ100Aと酸化物半導体
膜108の構造が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Aと
同様の構成であり、同様の効果を奏する。
縁膜104上の酸化物半導体膜108_1と、酸化物半導体膜108_1上の酸化物半導
体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有す
る。また、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、
それぞれ、酸化物半導体膜108_1、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜
108_3の3層の積層構造である。
縁膜104上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導
体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108i、ソース領域108s、及び
ドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜1
08_3の2層の積層構造である。
縁膜104上の酸化物半導体膜108_1と、酸化物半導体膜108_1上の酸化物半導
体膜108_2と、を有する。また、チャネル領域108i、ソース領域108s、及び
ドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_1、及び酸化物半導体膜1
08_2の2層の積層構造である。
縁膜104上の酸化物半導体膜108_1と、酸化物半導体膜108_1上の酸化物半導
体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有す
る。また、チャネル領域108iは、酸化物半導体膜108_1、酸化物半導体膜108
_2、及び酸化物半導体膜108_3の3層の積層構造であり、ソース領域108s、及
びドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_1、及び酸化物半導体膜
108_2の2層の積層構造である。なお、トランジスタ100Hのチャネル幅(W)方
向の断面において、酸化物半導体膜108_3が、酸化物半導体膜108_1及び酸化物
半導体膜108_2の側面を覆う。
縁膜104上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導
体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108iは、酸化物半導体膜108_
2、及び酸化物半導体膜108_3の2層の積層構造であり、ソース領域108s、及び
ドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_2の単層構造である。なお
、トランジスタ100Jのチャネル幅(W)方向の断面において、酸化物半導体膜108
_3が、酸化物半導体膜108_2の側面を覆う。
におけるダメージにより欠陥(例えば、酸素欠損)が形成されやすい、あるいは不純物の
付着により汚染されやすい。そのため、チャネル領域108iが実質的に真性であっても
、電界などのストレスが印加されることによって、チャネル領域108iのチャネル幅(
W)方向の側面またはその近傍が活性化され、低抵抗(n型)領域となりやすい。また、
チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍がn型領域の場合、
当該n型領域がキャリアのパスとなるため、寄生チャネルが形成される場合がある。
108iを積層構造とし、チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面を、積層
構造の一方の層で覆う構成とする。当該構成とすることで、チャネル領域108iの側面
またはその近傍の欠陥を抑制する、あるいはチャネル領域108iの側面またはその近傍
への不純物の付着を低減することが可能となる。
ここで、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3、及び絶
縁膜110のバンド構造、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_2、108_3、及び
絶縁膜110のバンド構造、並びに絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、108_
2のバンド構造について、図22(A)(B)(C)を用いて説明する。なお、図22(
A)(B)(C)は、チャネル領域108iにおけるバンド構造である。
、及び絶縁膜110を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図2
2(B)は、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_2、108_3、及び絶縁膜110
を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図22(C)は、絶縁膜
104、酸化物半導体膜108_1、108_2、及び絶縁膜110を有する積層構造の
膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜
104、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3、及び絶縁膜110の伝導
帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。
導体膜108_1として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化
物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_2とし
て金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=4:2:4.1の金属酸化物ターゲットを用
いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_3として金属元素の原子
数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物
半導体膜を用いる構成のバンド図である。
導体膜108_2として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=4:2:4.1の金属
酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_3
として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用
いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
導体膜108_1として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化
物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_2とし
て金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=4:2:4.1の金属酸化物ターゲットを用
いて形成される酸化物半導体膜を用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド
図である。
いて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。また、図22(B)に示すよ
うに、酸化物半導体膜108_2、108_3において、伝導帯下端のエネルギー準位は
なだらかに変化する。また、図22(C)に示すように、酸化物半導体膜108_1、1
08_2において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連
続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するた
めには、酸化物半導体膜108_1と酸化物半導体膜108_2との界面、または酸化物
半導体膜108_2と酸化物半導体膜108_3との界面において、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とする。
ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置(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。
(井戸)となり、上記積層構造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108_2に形成されることがわかる。
半導体膜108_2より遠ざけることができる。
のエネルギー準位(Ec)より真空準位から遠くなることがあり、欠陥準位に電子が蓄積
しやすくなってしまう。欠陥準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり
、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、欠陥準位
が酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)より真空準位に近く
なるような構成にすると好ましい。このようにすることで、欠陥準位に電子が蓄積しにく
くなり、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と共に、電界効果移動度
を高めることができる。
導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜108_2の
伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜108_1、108_3の伝導帯下端の
エネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、
または1eV以下である。すなわち、酸化物半導体膜108_1、108_3の電子親和
力と、酸化物半導体膜108_2の電子親和力との差が、0.15eV以上、または0.
5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下である。
なわち、酸化物半導体膜108_2は、チャネル領域としての機能を有し、酸化物半導体
膜108_1、108_3は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、酸化物半導体
膜108_1、108_3は、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜108_2を構
成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜を用いると好ましい。このよう
な構成とすることで、酸化物半導体膜108_1と酸化物半導体膜108_2との界面、
または酸化物半導体膜108_2と酸化物半導体膜108_3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。
ことを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため、酸化物半
導体膜108_1、108_3を、その物性及び/または機能から、それぞれ酸化物絶縁
膜とも呼べる。または、酸化物半導体膜108_1、108_3には、電子親和力(真空
準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差)が酸化物半導体膜108_2よりも小さく、
伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端エネルギー準位と
差分(バンドオフセット)を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大き
さに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体膜108
_1、108_3の伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜108_2の伝導帯
下端のエネルギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、酸化物
半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜108_1、10
8_3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.2eV以上、好ましくは0.5eV
以上とすることが好ましい。
れないことが好ましい。酸化物半導体膜108_1、108_3の膜中にスピネル型の結
晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜120
a、120bの構成元素が酸化物半導体膜108_2へ拡散してしまう場合がある。なお
、酸化物半導体膜108_1、108_3が後述するCAAC-OSである場合、導電膜
120a、120bの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成さ
れる酸化物半導体膜を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸
化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比
]、In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比]、In:Ga:Zn=1:3:4[
原子数比]、In:Ga:Zn=1:3:6[原子数比]、In:Ga:Zn=1:4:
5[原子数比]、In:Ga:Zn=1:5:6[原子数比]、またはIn:Ga:Zn
=1:10:1[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜
を用いてもよい。あるいは、酸化物半導体膜108_1、108_3として、金属元素の
原子数比をGa:Zn=10:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導
体膜を用いてもよい。この場合、酸化物半導体膜108_2として金属元素の原子数比を
In:Ga:Zn=1:1:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体
膜を用い、酸化物半導体膜108_1、108_3として金属元素の原子数比をGa:Z
n=10:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いると、酸
化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜108_1、
108_3の伝導帯下端のエネルギー準位との差を0.6eV以上とすることができるた
め好適である。
[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜108_1、108
_3は、In:Ga:Zn=1:β1(0<β1≦2):β2(0<β2≦2)となる場
合がある。また、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1
:3:4[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜108_1
、108_3は、In:Ga:Zn=1:β3(1≦β3≦5):β4(2≦β4≦6)
となる場合がある。また、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:
Zn=1:3:6[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜1
08_1、108_3は、In:Ga:Zn=1:β5(1≦β5≦5):β6(4≦β
6≦8)となる場合がある。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、酸化物半導体膜の組
成、及び酸化物半導体膜の構造等について、図23乃至図38を参照して説明する。
まず、酸化物半導体膜の組成について説明する。
ジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム
、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン
、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウ
ム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ば
れた一種、または複数種が含まれていてもよい。
、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。元素Mに適
用可能なその他の元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウ
ム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル
、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組
み合わせても構わない。
る酸化物半導体膜が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲につい
て説明する。なお、図23には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半
導体膜が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[
M]、及び[Zn]とする。
:[Zn]=(1+α):(1-α):1の原子数比(-1≦α≦1)となるライン、[
In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):2の原子数比となるライン、[I
n]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):3の原子数比となるライン、[In
]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):4の原子数比となるライン、及び[I
n]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):5の原子数比となるラインを表す。
なるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In
]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn
]=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原
子数比となるライン、及び[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラ
インを表す。
数比(-1≦γ≦1)となるラインを表す。また、図23に示す、[In]:[M]:[
Zn]=0:2:1の原子数比またはその近傍値の酸化物半導体膜は、スピネル型の結晶
構造をとりやすい。
ジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
O4の結晶構造を示す。また、図24は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZ
nO4の結晶構造である。なお、図24に示すM、Zn、酸素を有する層(以下、(M,
Zn)層)における金属元素は、元素Mまたは亜鉛を表している。この場合、元素Mと亜
鉛の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則であ
る。
、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)が1に対し、元素M、亜鉛、およ
び酸素を有する(M,Zn)層が2となる。
素Mがインジウムと置換し、(In,M,Zn)層と表すこともできる。その場合、In
層が1に対し、(In,M,Zn)層が2である層状構造をとる。
し、(M,Zn)層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対し[
Zn]が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、In層に対する(M,Zn)層の割合
が増加する。
る場合、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が整数である層状構造を複数種有す
る場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、In
層が1に対し、(M,Zn)層が2である層状構造と、(M,Zn)層が3である層状構
造とが混在する層状構造となる場合がある。
れた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Z
n]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。
、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では、ス
ピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[M]
:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型
の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物中に複数の相が共存する場
合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が形成される
場合がある。
を高くすることができる。
なる。従って、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およびその近
傍値である原子数比(例えば図23(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。
構造となりやすい、図23(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。
.1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M
]:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する酸化物は、特
に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。
るために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧M
を満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比と
して、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn
=2:1:1.5、In:M:Zn=2:1:2.3、In:M:Zn=2:1:3、I
n:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1
:7等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜の原子数比はそれぞれ、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%程度変動
することがある。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Z
n=4:2:4.1を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜の原子数比は、In:Ga
:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。
マイナス1以内、さらに好ましくはプラス・マイナス0.5以内の範囲とすればよい。例
えば、酸化物半導体膜の組成がIn:Ga:Zn=4:2:3の近傍である場合、Gaが
1以上3以下(1≦Ga≦3)であり、且つZnが2以上4以下(2≦Zn≦4)、好ま
しくはGaが1.5以上2.5以下(1.5≦Ga≦2.5)であり、且つZnが2以上
4以下(2≦Zn≦4)であればよい。
らない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数
比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。
従って、図示する領域は、酸化物半導体膜が層状構造を有する原子数比を示す領域であり
、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。
次に、酸化物半導体膜のキャリア密度について、以下に説明を行う。
欠損(Vo)、または酸化物半導体膜中の不純物などが挙げられる。
Hともいう)した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体膜中の不純物が
多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体膜中
の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を制御することができ
る。
の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする方が好ま
しい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不
純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が
低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真
性の酸化物半導体膜のキャリア密度としては、8×1015cm-3未満、好ましくは1
×1011cm-3未満、さらに好ましくは1×1010cm-3未満であり、1×10
-9cm-3以上とすればよい。
を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする方が好ましい。
酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体膜の不純物濃度
をわずかに高める、または酸化物半導体膜の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。ある
いは、酸化物半導体膜のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタ
のId-Vg特性のオン/オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、ま
たは欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。また、電
子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起さ
れた電子(キャリア)の密度が増加した酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。な
お、より電子親和力が大きな酸化物半導体膜を用いた場合には、トランジスタのしきい値
電圧がより低くなる。
8cm-3未満が好ましく、1×107cm-3以上1×1017cm-3以下がより好
ましく、1×109cm-3以上5×1016cm-3以下がさらに好ましく、1×10
10cm-3以上1×1016cm-3以下がさらに好ましく、1×1011cm-3以
上1×1015cm-3以下がさらに好ましい。
向上する場合がある。ここで、図25を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いる
トランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図25は、酸化物半導体膜をチ
ャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
を、SDはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図25は、ゲー
ト電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極また
はドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
膜にIn-Ga-Zn酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されう
る欠陥の遷移レベル(εf)はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約3.1eV離れた位置に
形成されるものとし、ゲート電圧(Vg)が30Vの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコ
ン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位(Ef)はゲート絶縁膜の伝導帯下
端から約3.6eV離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェル
ミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化
物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位(Ef)
は低くなる。また、図25中の白丸は電子(キャリア)を表し、図25中のXは酸化シリ
コン膜中の欠陥準位を表す。
と、欠陥準位(図中X)にキャリアがトラップされ、プラス(“+”)からニュートラル
(“0”)に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位
(Ef)に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル(εf)よりも高く
なる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジ
スタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化
物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面近傍において、ゲート絶
縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準
位(図25中X)も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と酸化物半導体
膜のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることによ
り、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる。例えば、上述の酸化シリコン膜
中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱(Gate
Bias Temperature:GBTともいう)ストレスにおける、トランジス
タのしきい値電圧の変動を小さくできる。
散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現するこ
とができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
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、欠陥準位密度の高い酸化
物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合が
ある。
度を低減することが有効である。また、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減するために
は、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素
、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
化物半導体膜において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体膜におけるシリコ
ンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質
量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometr
y)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1
017atoms/cm3以下とする。
を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金
属が含まれている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特性となりやす
い。このため、酸化物半導体膜中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減す
ることが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体膜中のアルカリ金
属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは
2×1016atoms/cm3以下にする。
ため、酸素欠損を形成する場合がある。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して、
キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜
を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜中
の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜におい
て、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好まし
くは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/c
m3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。
ことで、安定した電気特性を付与することができる。
あると好ましい。
00nm以下、さらに好ましくは3nm以上60nm以下である。
次に、酸化物半導体の構造について説明する。
られる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC-OS(c-axis-aligne
d crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化
物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semicon
ductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-
like oxide semiconductor)、及び非晶質酸化物半導体などが
ある。
半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC
-OS、多結晶酸化物半導体、及びnc-OSなどがある。
置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さ
ない、などといわれている。
ous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において
周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a
-like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造で
ある。不安定であるという点では、a-like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体
に近い。
まずは、CAAC-OSについて説明する。
半導体の一種である。
混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥
(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。
属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列
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、酸化物半導体の原子配列
を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
次に、nc-OSについて説明する。
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。
、nc-OSは、a-like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くな
る。ただし、nc-OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのた
め、nc-OSは、CAAC-OSと比べて欠陥準位密度が高くなる場合がある。
a-like OSは、nc-OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物
半導体である。
するため、不安定な構造である。
て密度の低い構造である。具体的には、a-like OSの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc-OSの密度及びCAAC-
OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満である。単結晶の
密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3である。よ
って、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体におい
て、a-like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満である。ま
た、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、nc-OSの密度及びCAAC-OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3
未満である。
わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。
所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して
、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を
組み合わせて見積もることが好ましい。
なお、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体、a-like OS、
nc-OS、CAAC-OSのうち、二種以上が混在していてもよい。その場合の一例を
以下に示す。
ができる。すなわち、2種類の結晶部が混在している酸化物半導体膜である。結晶部の一
(第1の結晶部ともいう)は、膜の厚さ方向(膜面方向、膜の被形成面、または膜の表面
に垂直な方向ともいう)に配向性を有する、すなわちc軸配向性を有する結晶部である。
結晶部の他の一(第2の結晶部ともいう)は、c軸配向性を有さずに様々な向きに配向す
る結晶部である。
c軸配向性を有さない結晶部を第2の結晶部と分けて説明しているが、これらは結晶性や
結晶の大きさなどに違いがなく区別できない場合がある。すなわち、本発明の一態様の酸
化物半導体膜はこれらを区別せずに表現することもできる。
晶部のうち、少なくとも一の結晶部がc軸配向性を有していればよい。また、膜中に存在
する結晶部のうち、c軸配向性を有さない結晶部が、c軸配向性を有する結晶部よりも存
在割合を多くしてもよい。一例としては、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、その膜厚
方向の断面における透過型電子顕微鏡による観察像において、複数の結晶部が観察され、
当該複数の結晶部のうちc軸配向性を有さない第2の結晶部が、c軸配向性を有する第1
の結晶部よりも多く観察される場合がある。別言すると、本発明の一態様の酸化物半導体
膜は、c軸配向性を有さない第2の結晶部の存在割合が多い。
以下の優れた効果を奏する。
第2の結晶部は、酸素の拡散経路になりうる。よって、酸化物半導体膜の近傍に十分な酸
素供給源がある場合に、c軸配向性を有さない第2の結晶部を介して、c軸配向性を有す
る第1の結晶部に酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体膜の膜中の酸素欠
損量を低減することができる。このような酸化物半導体膜をトランジスタの半導体膜に適
用することで、高い信頼性を有し、且つ高い電界効果移動度を得ることが可能となる。
め、第1の結晶部を含む酸化物半導体膜について、膜の上面に概略垂直な方向に対するX
線回折(XRD:X-ray Diffraction)測定を行うと、所定の回折角(
2θ)に当該第1の結晶部に由来する回折ピークが確認される。一方で酸化物半導体膜が
第1の結晶部を有していても、支持基板によるX線の散乱、またはバックグラウンドの上
昇により、回折ピークが十分に確認されないこともある。なお、回折ピークの高さ(強度
)は、酸化物半導体膜中に含まれる第1の結晶部の存在割合に応じて大きくなり、酸化物
半導体膜の結晶性を推し量る指標にもなりえる。
えば、断面に対する電子線回折測定を行い、本発明の一態様の酸化物半導体膜の電子線回
折パターンを観測した場合、第1の結晶部に起因する回折スポットを有する第1の領域と
、第2の結晶部に起因する回折スポットを有する第2の領域とが観測される。
部に由来する。一方で第2の結晶部に起因する回折スポットを有する第2の領域は、配向
性を有さない結晶部、または、あらゆる向きに無秩序に配向する結晶部に由来する。その
ため電子線回折に用いる電子線のビーム径、すなわち観察する領域の面積によって、異な
るパターンが確認される場合がある。なお、本明細書等において、電子線のビーム径を1
nmΦ以上100nmΦ以下で測定する電子線回折を、ナノビーム電子線回折(NBED
:Nano Beam Electron Diffraction)と呼ぶ。
てもよい。酸化物半導体膜の結晶性の評価方法の一例としては、電子回折、X線回折、中
性子回折などが挙げられる。電子回折の中でも、先に示すNBEDの他に、透過型電子顕
微鏡(TEM:Transmission Electron Microscopy)
、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microsco
py)、収束電子回折(CBED:Convergent Beam Electron
Diffraction)、制限視野電子回折(SAED:Selected Are
a Electron Diffraction)などを好適に用いることができる。
上100nmΦ以下、または50nmΦ以上100nmΦ以下)のナノビーム電子線回折
パターンでは、リング状のパターンが確認される。また当該リング状のパターンは、動径
方向に輝度の分布を有する場合がある。一方、NBEDにおいて、電子線のビーム径を十
分に小さくした条件(例えば1nmΦ以上10nmΦ以下)の電子線回折パターンでは、
上記リング状のパターンの位置に、円周方向(θ方向ともいう)に分布した複数のスポッ
トが確認される場合がある。すなわち、電子線のビーム径を大きくした条件でみられるリ
ング状のパターンは、上記の複数のスポットの集合体により形成される。
以下では、条件の異なる3つの酸化物半導体膜が形成された試料(試料X1乃至試料X
3)を作製し結晶性の評価を行った。まず、試料X1乃至試料X3の作製方法について、
説明する。
試料X1は、ガラス基板上に厚さ約100nmの酸化物半導体膜が形成された試料であ
る。当該酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する。試料X1の酸
化物半導体膜の形成条件としては、基板を170℃に加熱し、流量140sccmのアル
ゴンガスと流量60sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し
、圧力を0.6Paとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲ
ット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])に、2.5kWの交流電力を印
加することで形成した。なお、試料X1の作製条件における酸素流量比は30%である。
試料X2は、ガラス基板上に厚さ約100nmの酸化物半導体膜が成膜された試料であ
る。試料X2の酸化物半導体膜の形成条件としては、基板を130℃に加熱し、流量18
0sccmのアルゴンガスと、流量20sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置のチ
ャンバー内に導入して形成した。試料X2の作製条件における酸素流量比は10%である
。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料X1と同様の条件
とした。
試料X3は、ガラス基板上に厚さ約100nmの酸化物半導体膜が成膜された試料であ
る。試料X3の酸化物半導体膜の形成条件としては、基板を室温(R.T.)とし、流量
180sccmのアルゴンガスと、流量20sccmの酸素ガスとをスパッタリング装置
のチャンバー内に導入して形成した。試料X3の作製条件における酸素流量比は10%で
ある。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料X1と同様の
条件とした。
いては、結晶性の評価として、断面TEM観察、XRD測定、及び電子線回折を行った。
図26乃至図28に、試料X1乃至試料X3の断面TEM観察結果を示す。なお、図2
6(A)(B)は試料X1の断面TEM像であり、図27(A)(B)は試料X2の断面
TEM像であり、図28(A)(B)は試料X3の断面TEM像である。
igh Resolution-TEM)像であり、図27(C)は試料X2の断面HR
-TEM像であり、図28(C)は試料X3の断面HR-TEM像である。なお、断面H
R-TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration
Corrector)機能を用いてもよい。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像
を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本
電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM-ARM200Fなどによって観察する
ことができる。
配列している結晶部が観察される。特に、HR-TEM像において、層状に配列している
結晶部が観察されやすい。また、図28に示すように、試料X3では原子が膜厚方向に層
状に配列している様子が確認され難い。
次に、各試料のXRD測定結果について説明する。
果を、図31(A)に試料X3のXRD測定結果を、それぞれ示す。
う。)を用いた。θ-2θ法は、X線の入射角を変化させるとともに、X線源に対向して
設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてX線回折強度を測定する方法である。なお
、X線を膜表面から約0.40°の角度から入射し、検出器の角度を変化させてX線回折
強度を測定するout-of-plane法の一種であるGIXRD(Grazing-
Incidence XRD)法(薄膜法またはSeemann-Bohlin法ともい
う。)を用いてもよい。図29(A)、図30(A)、及び図31(A)における縦軸は
回折強度を任意単位で示し、横軸は角度2θを示している。
=31°付近に回折強度のピークが確認される。一方で、図31(A)に示すように、試
料X3においては、2θ=31°付近の回折強度のピークが確認され難い、または2θ=
31°付近の回折強度のピークが極めて小さい、あるいは2θ=31°付近の回折強度の
ピークが無い。
nO4の構造モデルにおける(009)面の回折角と一致する。したがって、試料X1及
び試料X2において、上記ピークが観測されることから、c軸が膜厚方向に配向する結晶
部(以下、c軸配向性を有する結晶部、または第1の結晶部ともいう)が含まれているこ
とが確認できる。なお、試料X3については、XRD測定からでは、c軸配向性を有する
結晶部が含まれているかを判断するのが困難である。
次に、試料X1乃至試料X3について、電子線回折測定を行った結果について説明する
。電子線回折測定では、各試料の断面に対して電子線を垂直に入射したときの電子線回折
パターンを取得する。また電子線のビーム径を、1nmΦ及び100nmΦの2つとした
。
ほど、電子線回折パターンには、その奥行き方向の情報が現れることとなる。そのため、
電子線のビーム径を小さくするだけでなく、試料の奥行方向の厚さを薄くすることで、よ
り局所的な領域の情報を得ることができる。一方で、試料の奥行き方向の厚さが薄すぎる
場合(例えば試料の奥行き方向の厚さが5nm以下の場合)、極微細な領域の情報しか得
られない。そのため、極微細な領域に結晶が存在していた場合には、得られる電子線回折
パターンは、単結晶のものと同様のパターンとなる場合がある。極微細な領域を解析する
目的でない場合には、試料の奥行き方向の厚さを、例えば10nm以上100nm以下、
代表的には10nm以上50nm以下とすることが好ましい。
2の電子線回折パターンを、図31(B)(C)に試料X3の電子線回折パターンを、そ
れぞれ示す。
線回折パターンは、電子線回折パターンが明瞭になるようにコントラストが調整された画
像データである。また、図29(B)(C)、図30(B)(C)、及び図31(B)(
C)において、中央の最も明るい輝点は入射される電子線ビームによるものであり、電子
線回折パターンの中心(ダイレクトスポットまたは透過波ともいう)である。
、円周状に分布した複数のスポットがみられることから、酸化物半導体膜は、極めて微小
で且つ面方位があらゆる向きに配向した複数の結晶部が混在していることが分かる。また
、図29(C)に示すように、入射する電子線のビーム径を100nmΦとした場合に、
この複数の結晶部からの回折スポットが連なり、輝度が平均化されてリング状の回折パタ
ーンとなることが確認できる。また、図29(C)では、半径の異なる2つのリング状の
回折パターンが確認できる。ここで、径の小さいほうから第1のリング、第2のリングと
呼ぶこととする。第2のリングに比べて、第1のリングの方が輝度が高いことが確認でき
る。また、第1のリングと重なる位置に、輝度の高い2つのスポット(第1の領域)が確
認される。
おける(009)面の回折スポットの中心からの動径方向の距離とほぼ一致する。また、
第1の領域は、c軸配向性に起因する回折スポットである。
酸化物半導体膜中には、あらゆる向きに配向している結晶部(以下、c軸配向性を有さな
い結晶部、または第2の結晶部ともいう)が存在するとも言い換えることもできる。
度が同程度であることから、2回対称性を有することが推察される。また上述のように、
2つの第1の領域はc軸配向性に起因する回折スポットであることから、2つの第1の領
域と中心を通る線を結ぶ直線の方向が、結晶部のc軸の向きと一致する。図29(C)に
おいて上下方向が膜厚方向であることから、酸化物半導体膜中には、c軸が膜厚方向に配
向する結晶部が存在していることが分かる。
を有さない結晶部とが混在している膜であることが確認できる。
29(B)(C)に示す電子線回折パターンと概ね同じ結果である。ただし、c軸配向性
に起因する2つのスポット(第1の領域)の輝度は、試料X1、試料X2、試料X3の順
で明るく、c軸配向性を有する結晶部の存在割合が、この順で高いことが示唆される。
次に、図32乃至図34を用いて、酸化物半導体膜の結晶性の定量化方法の一例につい
て説明する。
mΦで測定した電子線回折パターンであり、図32(B)は、図32(A)に示す電子線
回折パターンを、コントラスト調整した後の電子線回折パターンである。
域)が観察されている。この2つのスポット(第1の領域)はInGaZnO4の構造モ
デルにおける(00l)に対応する回折スポット、すなわちc軸配向性を有する結晶部に
起因する。一方で、上記第1の領域とは別に、第1の領域とおおよそ同心円上に輝度の低
いリング状のパターン(第2の領域)が重なって見える。これは電子ビーム径を100n
mΦとしたことによって、c軸配向性を有さない結晶部(第2の結晶部)の構造に起因し
たスポットの輝度が平均化され、リング状になったものである。
有する第1の領域と、第2の結晶部に起因する回折スポットを有する第2の領域とが、重
なって観察される。よって、第1の領域を含むラインプロファイルと、第2の領域を含む
ラインプロファイルとを取得し比較することで、酸化物半導体膜の結晶性の定量化が可能
となる。
について、図33を用いて説明する。
射した際に得られる電子線回折のシミュレーションパターンに、領域A-A’、領域B-
B’、及び領域C-C’の補助線を付した図である。
スポットと、ダイレクトスポットとを通る直線を含む。また、図33に示す領域B-B’
及び領域C-C’は、c軸配向性を有する第1の結晶部に起因する回折スポットが観察さ
れない領域と、ダイレクトスポットとを通る直線を含む。なお、領域A-A’と領域B-
B’または領域C-C’とが交わる角度は、34°近傍、具体的には、30°以上38°
以下、好ましくは32°以上36°以下、さらに好ましくは33°以上35°以下とすれ
ばよい。
向を有する。図34は、各構造に対するラインプロファイルのイメージ図、相対輝度R、
及び電子線回折パターンで得られるc軸配向性に起因するスペクトルの半値幅(FWHM
:Full Width at Half Maximum)を説明する図である。
-B’における輝度の積分強度または領域C-C’における輝度の積分強度で割った値で
ある。なお、領域A-A’、領域B-B’、及び領域C-C’における輝度の積分強度と
しては、中央の位置に現れるダイレクトスポットに起因するバックグラウンドの輝度を除
去したものである。
る。例えば、図34に示すように、単結晶の酸化物半導体膜では、領域A-A’のc軸配
向性を有する第1の結晶部に起因する回折スポットのピーク強度が高く、領域B-B’及
び領域C-C’にはc軸配向性を有する第1の結晶部に起因する回折スポットが見られな
いため、相対輝度Rは、1を超えて極めて大きくなる。また、相対輝度Rは、単結晶、C
AAC(CAACの詳細については後述する)のみ、CAAC+Nanocrystal
、Nanocrystal、Amorphousの順で低くなる。特に、特定の配向性を
有さないNanocrystal、及びamorphousでは、相対輝度Rは1となる
。
クトルの強度は高くなり、当該スペクトルの半値幅も小さくなる。そのため、単結晶の半
値幅が最も小さく、CAACのみ、CAAC+Nanocrystal、Nanocry
stalの順に半値幅が大きくなり、amorphousでは、半値幅が非常に大きく、
ハローと呼ばれるプロファイルになる。
上述のように、第1の領域における輝度の積分強度と、第2の領域における輝度の積分
強度との強度比は、配向性を有する結晶部の存在割合を推し量る点で重要な情報である。
ルによる解析を行った。
のラインプロファイルによる解析結果を図35(B1)(B2)に、試料X3のラインプ
ロファイルによる解析結果を図35(C1)(C2)に、それぞれ示す。
域B-B’、及び領域C-C’を記載した電子線回折パターンであり、図35(B1)は
、図30(C)に示す電子線回折パターンに領域A-A’、領域B-B’、及び領域C-
C’を記載した電子線回折パターンであり、図35(C1)は、図31(C)に示す電子
線回折パターンに領域A-A’、領域B-B’、及び領域C-C’を記載した電子線回折
パターンである。
の中心位置に現れるダイレクトスポットの輝度で規格化することにより求めることができ
る。またこれにより、各試料間での相対的な比較を行うことができる。
成分を、バックグラウンドとして差し引くと、より精度の高い比較を行うことができる。
ここで非弾性散乱に起因する輝度の成分は、動径方向において極めてブロードなプロファ
イルを取るため、バックグラウンドの輝度を直線近似で算出してもよい。例えば、対象と
なるピークの両側の裾に沿って直線を引き、その直線よりも低輝度側に位置する領域をバ
ックグラウンドとして差し引くことができる。
、領域B-B’、及び領域C-C’における輝度の積分強度を算出した。そして、領域A
-A’における輝度の積分強度を、領域B-B’における輝度の積分強度、または領域C
-C’における輝度の積分強度で割った値を、相対輝度Rとして求めた。
(A2)、図35(B2)、及び図35(C2)に示す輝度のプロファイル中のダイレク
トスポットの左右に位置するスペクトルにおいて、領域A-A’における輝度の積分強度
を領域B-B’における輝度の積分強度で割った値、及び領域A-A’における輝度の積
分強度を領域C-C’における輝度の積分強度で割った値をそれぞれ求めた。
・試料X1の相対輝度R=25.00
・試料X2の相対輝度R=3.04
・試料X3の相対輝度R=1.05
なお、上述の相対輝度Rは、4つの位置での平均値とした。このように、相対輝度Rは、
試料X1、試料X2、試料X3の順で高い。
いる場合には、相対輝度Rが1を超えて40以下、好ましくは1を超えて10以下、さら
に好ましくは1を超えて3以下の強度比となる酸化物半導体膜を用いると好適である。こ
のような酸化物半導体膜を半導体膜に用いることで、電気特性の高い安定性と、ゲート電
圧が低い領域での高い電界効果移動度を両立することができる。
酸化物半導体膜中の結晶部の存在割合は、断面TEM像を解析することで見積もること
ができる。
れたTEM像に対して2次元高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier T
ransform)処理し、FFT像を取得する。得られたFFT像に対し、周期性を有
する範囲を残し、それ以外を除去するマスク処理を施す。そしてマスク処理したFFT像
を、2次元逆フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier T
ransform)処理し、FFTフィルタリング像を取得する。
の面積の割合から、結晶部の存在割合を見積もることができる。また、計算に用いた領域
(元の像の面積ともいう)の面積から、残存した面積を差し引くことにより、結晶部以外
の部分の存在割合を見積もることができる。
像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。また、図37(B1)に試料X2の
断面TEM像を、図37(B2)に試料X2の断面TEM像を画像解析した後に得られた
像を、それぞれ示す。また、図37(C1)に試料X3の断面TEM像を、図37(C2
)に試料X3の断面TEM像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。
向性を有する結晶部を含む領域に対応し、黒く表示されている領域が、配向性を有さない
結晶部、または様々な向きに配向する結晶部を含む領域に対応する。
除く面積の割合は約43.1%であった。また、図37(B2)に示す結果より、試料X
2における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約61.7%であった。
また、図37(C2)に示す結果より、試料X3における配向性を有する結晶部を含む領
域を除く面積の割合は約89.5%であった。
が、5%以上40%未満である場合、その酸化物半導体膜は極めて結晶性の高い膜であり
、酸素欠損を作り難く、電気特性が非常に安定であるため好ましい。一方で、酸化物半導
体膜中の配向性を有する結晶部を除く部分の割合が、40%以上100%未満、好ましく
は60%以上90%以下である場合、その酸化物半導体膜は配向性を有する結晶部と配向
性を有さない結晶部が適度な割合で混在し、電気特性の安定性と高移動度化を両立させる
ことができる。
る結晶部を除く領域のことを、Lateral Growth Buffer Regi
on(LGBR)と呼称することもできる。
次に、酸化物半導体膜への酸素の拡散のしやすさを評価した結果について説明する。
まず、ガラス基板上に、先に示す試料X1と同様の方法により、厚さ約50nmの酸化
物半導体膜を成膜した。続いて、酸化物半導体膜上に、厚さ約30nmの酸化窒化シリコ
ン膜、厚さ約100nmの酸化窒化シリコン膜、厚さ約20nmの酸化窒化シリコン膜を
、プラズマCVD法により積層して形成した。なお、以下の説明において、酸化物半導体
膜をOSと、酸化窒化シリコン膜をGIとしてそれぞれ記載する場合がある。
アッシング装置を用い、基板温度を40℃とし、流量150sccmの酸素ガス(16O
)と、流量100sccmの酸素ガス(18O)とをチャンバー内に導入し、圧力を15
Paとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平
板の電極間に4500WのRF電力を600sec供給して行った。なお、酸素ガス(1
8O)を用いた理由としては、酸化窒化シリコン膜中に酸素(16O)が主成分レベルで
含有されているため、酸素添加処理によって、添加される酸素を正確に測定するためであ
る。
試料Y2は、試料Y1の酸化物半導体膜の成膜条件を異ならせた試料である。試料Y2
は、先に示す試料X2と同様の方法により、厚さ約50nmの酸化物半導体膜を成膜した
。
試料Y3は、試料Y1の酸化物半導体膜の成膜条件を異ならせた試料である。試料Y3
は、先に示す試料X3と同様の方法により、厚さ約50nmの酸化物半導体膜を成膜した
。
試料Y1乃至試料Y3について、SIMS(Secondary Ion Mass
Spectrometry)分析により、18Oの濃度を測定した。なお、SIMS分析
においては、上記作製した試料Y1乃至試料Y3を、熱処理を行わず評価する条件と、試
料Y1乃至試料Y3を窒素雰囲気下にて350℃ 1時間の熱処理を行う条件と、試料Y
1乃至試料Y3を窒素雰囲気下にて450℃、1時間の熱処理を行う条件と、の3つの条
件とした。
1のSIMS測定結果であり、図38(B)が試料Y2のSIMS測定結果であり、図3
8(C)が試料Y3のSIMS測定結果である。
している。なお、図38(A)(B)(C)は、基板側からSIMS分析(SSDP(S
ubstrate Side Depth Profile)-SIMSともいう)した
結果である。
プロファイルであり、黒色の破線が350℃の熱処理を行った試料のプロファイルであり
、黒色の実線が450℃の熱処理を行った試料のプロファイルである。
OS中に18Oが拡散していることが確認できる。また、試料Y1、試料Y2、試料Y3
の順に、より深い位置まで18Oが拡散していることが確認できる。また、350℃及び
450℃の熱処理を行うことで、さらに深い位置まで18Oが拡散していることが確認で
きる。
性を有する結晶部の存在割合が低い酸化物半導体膜は、酸素が透過しやすい膜、言い換え
ると酸素が拡散しやすい膜であることが確認できる。また、350℃及び450℃の熱処
理を行うことで、GI膜中の酸素がOS中に拡散することが確認できる。
が拡散しにくく、当該密度が低いほど厚さ方向へ酸素が拡散しやすいことを示している。
酸化物半導体膜における酸素の拡散のしやすさについて、以下のように考察することがで
きる。
体膜において、断面観察像で明瞭に観察できる結晶部以外の領域(LGBR)は、酸素が
拡散しやすい領域、すなわち酸素の拡散経路になりうる。したがって、酸化物半導体膜の
近傍に十分な酸素供給源がある場合において、LGBRを介して配向性を有する結晶部に
も、酸素が供給されやすくなるため、膜中の酸素欠損量を低減することができると考えら
れる。
とにより、当該酸化膜から放出される酸素は、LGBRにより酸化物半導体膜の膜厚方向
に拡散する。そして、LGBRを経由して、配向性を有する結晶部に横方向から酸素が供
給されうる。これにより、酸化物半導体膜の配向性を有する結晶部、及びこれ以外の領域
に、十分に酸素が行き渡り、膜中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
と酸素原子が結合し、OHが形成され、固定化してしまう場合がある。そこで、成膜時に
低温で成膜することで酸化物半導体膜中に酸素欠損(Vo)に水素原子がトラップされた
状態(VoHと呼ぶ)を一定量(例えば1×1017cm-3程度)形成することで、O
Hが生成されることを抑制する。またVoHは、キャリアを生成するため、酸化物半導体
膜中にキャリアが一定量存在する状態となる。これにより、キャリア密度が高められた酸
化物半導体膜を形成できる。また成膜時には、酸素欠損も同時に形成されるが、当該酸素
欠損は、上述のようにLGBRを介して酸素を導入することにより低減することができる
。このような方法により、キャリア密度が比較的高く、且つ酸素欠損が十分に低減された
酸化物半導体膜を形成することができる。
晶部を構成するため、酸化物半導体膜には明瞭な結晶粒界は確認できない。また当該微細
な結晶部は、配向性を有する複数の結晶部の間に位置する。当該微細な結晶部は、成膜時
の熱により横方向に成長することで、隣接する配向性を有する結晶部と結合する。また当
該微細な結晶部はキャリアを発生する領域としても機能する。これにより、このような構
成を有する酸化物半導体膜は、トランジスタに適用することでその電界効果移動度を著し
く向上させることができると考えられる。
後に、酸素雰囲気でのプラズマ処理を行うことが好ましい。このような処理により、膜中
に酸素を供給すること以外に、水素濃度を低減することができる。例えば、プラズマ処理
中に、同時にチャンバー内に残存するフッ素も酸化物半導体膜中にドープされる場合があ
る。フッ素はマイナスの電荷を帯びたフッ素原子として存在し、プラスの電荷を帯びた水
素原子とクーロン力により結合し、HFが生成される。HFは当該プラズマ処理中に酸化
物半導体膜外へ放出され、その結果として、酸化物半導体膜中の水素濃度を低減すること
ができる。また、プラズマ処理において、酸素原子と水素原子とが結合してH2Oとして
膜外へ放出される場合もある。
成を考える。酸化シリコン膜中のフッ素は、膜中の水素と結合し、電気的に中性であるH
Fとして存在しうるため、酸化物半導体膜の電気特性に影響を与えない。なお、Si-F
結合が生じる場合もあるがこれも電気的に中性となる。また酸化シリコン膜中のHFは、
酸素の拡散に対して影響しないと考えられる。
金属原子と結合していない水素が低減されることにより、信頼性を高めることができると
考えられる。また酸化物半導体膜のキャリア密度が一定以上であることで、電気特性が向
上すると考えられる。
以下では、本発明の一態様の酸化物半導体膜の成膜方法について説明する。
て成膜することができる。
り好ましくは100℃以上150℃以下、代表的には130℃の温度とすることが好まし
い。基板の温度を上述の範囲とすることで、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない
結晶部との割合を制御することができる。
上30%以下、より好ましくは5%以上20%以下、さらに好ましくは5%以上15%以
下、代表的には10%とすることが好ましい。酸素流量を低減することにより、配向性を
有さない結晶部をより多く膜中に含ませることができる。
性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部とが混在した酸化物半導体膜を得ることが
できる。また、基板温度と酸素流量を上述の範囲内とすることにより、配向性を有する結
晶部と配向性を有さない結晶部の存在割合を制御することが可能となる。
Zn系酸化物に限られず、例えば、In-M-Zn系酸化物(Mは、Al、Ga、Y、ま
たはSn)を適用することができる。
酸化物半導体膜である結晶部を含む酸化物半導体膜を成膜すると、多結晶酸化物を含まな
いスパッタリングターゲットを用いた場合に比べて、結晶性を有する酸化物半導体膜が得
られやすい。
リング用ターゲットが複数の結晶粒を有し、且つ、その結晶粒が層状構造を有しており、
当該結晶粒に劈開しやすい界面が存在する場合、当該スパッタリング用ターゲットにイオ
ンを衝突させることで、結晶粒が劈開して、平板状又はペレット状のスパッタリング粒子
が得られることがある。該得られた平板状又はペレット状のスパッタリング粒子が、基板
上に堆積することでナノ結晶を含む酸化物半導体膜が成膜されると考えられる。また、基
板を加熱することにより、基板表面において当該ナノ結晶同士の結合、または再配列が進
むことにより、配向性を有する結晶部を含む酸化物半導体膜が形成されやすくなると考え
られる。
タリング法を用いることで、結晶性の制御が容易であるため好ましい。なお、スパッタリ
ング法以外に、例えばパルスレーザー堆積(PLD)法、プラズマ化学気相堆積(PEC
VD)法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、AL
D(Atomic Layer Deposition)法、真空蒸着法などを用いても
よい。熱CVD法の例としては、MOCVD(Metal Organic Chemi
cal Vapor Deposition)法が挙げられる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置の一例につい
て、図39乃至図46を用いて以下説明を行う。
の基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられたソースドラ
イバ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、画素部702、ソースドライバ回
路部704、及びゲートドライバ回路部706を囲むように配置されるシール材712と
、第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有する。なお、
第1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されている。すな
わち、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706は
、第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されている。なお
、図39には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間には表示素子が設
けられる。
領域とは異なる領域に、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライ
バ回路部706と、それぞれと電気的に接続されるFPC端子部708(FPC:Fle
xible printed circuit)が設けられる。また、FPC端子部70
8には、FPC716が接続され、FPC716によって画素部702、ソースドライバ
回路部704、及びゲートドライバ回路部706に各種信号等が供給される。また、画素
部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706、及びFPC端子
部708には、信号線710が各々接続されている。FPC716により供給される各種
信号等は、信号線710を介して、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲート
ドライバ回路部706、及びFPC端子部708に与えられる。
装置700としては、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を
画素部702と同じ第1の基板701に形成している例を示しているが、この構成に限定
されない。例えば、ゲートドライバ回路部706のみを第1の基板701に形成しても良
い、またはソースドライバ回路部704のみを第1の基板701に形成しても良い。この
場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板(例えば、単結
晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を、第1の基板701に形成す
る構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるも
のではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法など
を用いることができる。
ドライバ回路部706は、複数のトランジスタを有している。
例えば、エレクトロルミネッセンス(EL)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有
機EL素子、無機EL素子、LEDなど)、発光トランジスタ素子(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、電子インク素子、電気泳動素子、エレクト
ロウェッティング素子、プラズマディスプレイパネル(PDP)、MEMS(マイクロ・
エレクトロ・メカニカル・システム)ディスプレイ(例えば、グレーティングライトバル
ブ(GLV)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、デジタル・マイクロ・シャ
ッター(DMS)素子、インターフェロメトリック・モジュレーション(IMOD)素子
など)、圧電セラミックディスプレイなどが挙げられる。
放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FE
D)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface-conductio
n Electron-emitter Display)などがある。液晶素子を用い
た表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶
ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプ
レイ)などがある。電子インク素子又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、
電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを
実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するよ
うにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを
有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路
を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、R
GB(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、Rの画素とGの
画素とBの画素とW(白)の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配
列のように、RGBのうちの2色分で一つの色要素を構成し、色要素によって、異なる2
色を選択して構成してもよい。またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以
上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよ
い。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ
表示の表示装置に適用することもできる。
(W)を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層(カラーフィルタともい
う。)を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド(R)、グリーン(G)、ブルー(B
)、イエロー(Y)などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで
、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層
を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない
領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配
置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を2
割から3割程度低減できる場合がある。ただし、有機EL素子や無機EL素子などの自発
光素子を用いてフルカラー表示する場合、R、G、B、Y、Wを、それぞれの発光色を有
する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よ
りも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
すことで赤色、緑色、青色に変換する方式(カラーフィルタ方式)の他、赤色、緑色、青
色の発光をそれぞれ用いる方式(3色方式)、または青色発光からの発光の一部を赤色や
緑色に変換する方式(色変換方式、量子ドット方式)を適用してもよい。
、図40乃至図42を用いて説明する。なお、図40及び図41は、図39に示す一点鎖
線Q-Rにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図
42は、図39に示す一点鎖線Q-Rにおける断面図であり、表示素子としてEL素子を
用いた構成である。
て以下説明する。
図40乃至図42に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と
、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配
線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び
容量素子790を有する。また、ソースドライバ回路部704は、トランジスタ752を
有する。
の構成である。なお、トランジスタ750及びトランジスタ752の構成については、先
の実施の形態に示す、その他のトランジスタを用いてもよい。
半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ電流を低くすることができる。よって、画像
信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長
く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電
力を抑制する効果を奏する。
め、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表
示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するド
ライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路とし
て、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置
の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトラン
ジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
同一の導電膜を加工する工程を経て形成される下部電極と、トランジスタ750が有する
ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同一の導電膜を加工する工程を経て
形成される上部電極と、を有する。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ
750が有する第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜と同一の絶縁膜を形成する工程
を経て形成される絶縁膜と、トランジスタ750の保護絶縁膜として機能する絶縁膜と同
一の絶縁膜を形成する工程を経て形成される絶縁膜とが設けられる。すなわち、容量素子
790は、一対の電極間に誘電体膜として機能する絶縁膜が挟持された積層型の構造であ
る。
量素子790上に平坦化絶縁膜770が設けられている。
ースドライバ回路部704が有するトランジスタ752と、を同じ構造のトランジスタを
用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、画素部702と、ソース
ドライバ回路部704とは、異なるトランジスタを用いてもよい。具体的には、画素部7
02にトップゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部704にボトムゲー
ト型のトランジスタを用いる構成、あるいは画素部702にボトムゲート型のトランジス
タを用い、ソースドライバ回路部704にトップゲート型のトランジスタを用いる構成な
どが挙げられる。なお、上記のソースドライバ回路部704を、ゲートドライバ回路部と
読み替えてもよい。
して機能する導電膜と同じ工程を経て形成される。信号線710として、例えば、銅元素
を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可
能となる。
6を有する。なお、接続電極760は、トランジスタ750、752のソース電極及びド
レイン電極として機能する導電膜と同じ工程を経て形成される。また、接続電極760は
、FPC716が有する端子と異方性導電膜780を介して、電気的に接続される。
とができる。また、第1の基板701及び第2の基板705として、可撓性を有する基板
を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられ
る。
造体778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、
第1の基板701と第2の基板705の間の距離(セルギャップ)を制御するために設け
られる。なお、構造体778として、球状のスペーサを用いていても良い。
カラーフィルタとして機能する着色膜736と、遮光膜738及び着色膜736に接する
絶縁膜734が設けられる。
図40に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電膜
772、導電膜774、及び液晶層776を有する。導電膜774は、第2の基板705
側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図40に示す表示装置700は、導電膜
772と導電膜774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わること
によって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
て機能する導電膜と電気的に接続される。導電膜772は、平坦化絶縁膜770上に形成
され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。
射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、
例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材
料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム
、または銀を含む材料を用いるとよい。
反射型の液晶表示装置となる。また、導電膜772に可視光において透光性のある導電膜
を用いる場合、表示装置700は、透過型の液晶表示装置となる。
る。この場合の一例を図41に示す。また、図41に示す表示装置700は、液晶素子の
駆動方式として横電界方式(例えば、FFSモード)を用いる構成の一例である。図41
に示す構成の場合、導電膜772上に絶縁膜773が設けられ、絶縁膜773上に導電膜
774が設けられる。この場合、導電膜774は、共通電極(コモン電極ともいう)とし
ての機能を有し、絶縁膜773を介して、導電膜772と導電膜774との間に生じる電
界によって、液晶層776の配向状態を制御することができる。
ずれか一方または双方に、液晶層776と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成とし
てもよい。また、図40及び図41において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位
相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトな
どを用いてもよい。
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリ
ック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発
現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組
成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速
度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要である。また配向膜を設けなくてもよ
いのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を
防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。
また、ブルー相を示す液晶材料は、視野角依存性が小さい。
)モード、IPS(In-Plane-Switching)モード、FFS(Frin
ge Field Switching)モード、ASM(Axially Symme
tric aligned Micro-cell)モード、OCB(Optical
Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroe
lectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerr
oelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる
。
た透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが
、例えば、MVA(Multi-Domain Vertical Alignment
)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モー
ド、ASVモードなどを用いることができる。
図42に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、導電膜
772、EL層786、及び導電膜788を有する。図42に示す表示装置700は、発
光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示することができ
る。なお、EL層786は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
げられる。また、量子ドットに用いることのできる材料としては、コロイド状量子ドット
材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料、
などが挙げられる。また、12族と16族、13族と15族、または14族と16族の元
素グループを含む材料を用いてもよい。または、カドミウム(Cd)、セレン(Se)、
亜鉛(Zn)、硫黄(S)、リン(P)、インジウム(In)、テルル(Te)、鉛(P
b)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、アルミニウム(Al)、等の元素を有する量子
ドット材料を用いてもよい。
む)、液滴吐出法(インクジェット法ともいう)、塗布法、グラビア印刷法等の方法を用
いて形成することができる。また、EL層786としては、低分子材料、中分子材料(オ
リゴマー、デンドリマーを含む)、または高分子材料を含んでも良い。
明する。図43(A)乃至図43(D)は、EL層786の作製方法を説明する断面図で
ある。
うに絶縁膜730が形成される(図43(A)参照)。
滴784を吐出し、組成物を含む層785を形成する。液滴784は、溶媒を含む組成物
であり、導電膜772上に付着する(図43(B)参照)。
形成する(図43(C)参照)。
D)参照)。
るため、材料のロスを削減することができる。また、形状を加工するためのリソグラフィ
工程なども必要ないために工程も簡略化することができ、低コスト化が達成できる。
は複数のノズルを有するヘッド等の液滴を吐出する手段を有するものの総称とする。
、液滴吐出装置1400を説明する概念図である。
3は、ヘッド1405と、ヘッド1412とを有する。
ータ1410で制御することにより予めプログラミングされたパターンに描画することが
できる。
411を基準に行えば良い。あるいは、基板1402の外縁を基準にして基準点を確定さ
せても良い。ここでは、マーカー1411を撮像手段1404で検出し、画像処理手段1
409にてデジタル信号に変換したものをコンピュータ1410で認識して制御信号を発
生させて制御手段1407に送る。
CMOS)を利用したイメージセンサなどを用いることができる。なお、基板1402上
に形成されるべきパターンの情報は記憶媒体1408に格納されたものであり、この情報
を基にして制御手段1407に制御信号を送り、液滴吐出手段1403の個々のヘッド1
405、ヘッド1412を個別に制御することができる。吐出する材料は、材料供給源1
413、材料供給源1414より配管を通してヘッド1405、ヘッド1412にそれぞ
れ供給される。
出口であるノズルを有する構造となっている。図示しないが、ヘッド1412もヘッド1
405と同様な内部構造を有する。ヘッド1405とヘッド1412のノズルを異なるサ
イズで設けると、異なる材料を異なる幅で同時に描画することができる。一つのヘッドで
、複数種の発光材料などをそれぞれ吐出し、描画することができ、広領域に描画する場合
は、スループットを向上させるため複数のノズルより同材料を同時に吐出し、描画するこ
とができる。大型基板を用いる場合、ヘッド1405、ヘッド1412は基板上を、図4
4中に示すX、Y、Zの矢印の方向に自在に走査し、描画する領域を自由に設定すること
ができ、同じパターンを一枚の基板に複数描画することができる。
てもよい。組成物を吐出後、乾燥と焼成の一方又は両方の工程を行う。乾燥と焼成の工程
は、両工程とも加熱処理の工程であるが、その目的、温度と時間が異なるものである。乾
燥の工程、焼成の工程は、常圧下又は減圧下で、レーザ光の照射や瞬間熱アニール、加熱
炉などにより行う。なお、この加熱処理を行うタイミング、加熱処理の回数は特に限定さ
れない。乾燥と焼成の工程を良好に行うためには、そのときの温度は、基板の材質及び組
成物の性質に依存する。
縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電膜772の一部を覆う。なお、発光素子
782はトップエミッション構造である。したがって、導電膜788は透光性を有し、E
L層786が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション
構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜772側に光を射出す
るボトムエミッション構造や、導電膜772及び導電膜788の双方に光を射出するデュ
アルエミッション構造にも適用することができる。
る位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設け
られている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。ま
た、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図42
に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色
膜736を設けない構成としてもよい。
また、図41及び図42に示す表示装置700に入出力装置を設けてもよい。当該入出
力装置としては、例えば、タッチパネル等が挙げられる。
示す表示装置700にタッチパネル791を設ける構成を図46に、それぞれ示す。
り、図46は図42に示す表示装置700にタッチパネル791を設ける構成の断面図で
ある。
けられる、所謂インセル型のタッチパネルである。タッチパネル791は、遮光膜738
、及び着色膜736を形成する前に、基板705側に形成すればよい。
794と、絶縁膜795と、電極796と、絶縁膜797と、を有する。例えば、指やス
タイラスなどの被検知体が近接することで、電極793と、電極794との相互容量の変
化を検知することができる。
電極794との交差部を明示している。電極796は、絶縁膜795に設けられた開口部
を介して、電極794を挟む2つの電極793と電気的に接続されている。なお、図45
及び図46においては、電極796が設けられる領域を画素部702に設ける構成を例示
したが、これに限定されず、例えば、ソースドライバ回路部704に形成してもよい。
に示すように、電極793は、発光素子782と重ならないように設けられると好ましい
。また、図46に示すように、電極793は、液晶素子775と重ならないように設けら
れると好ましい。別言すると、電極793は、発光素子782及び液晶素子775と重な
る領域に開口部を有する。すなわち、電極793はメッシュ形状を有する。このような構
成とすることで、電極793は、発光素子782が射出する光を遮らない構成とすること
ができる。または、電極793は、液晶素子775を透過する光を遮らない構成とするこ
とができる。したがって、タッチパネル791を配置することによる輝度の低下が極めて
少ないため、視認性が高く、且つ消費電力が低減された表示装置を実現できる。なお、電
極794も同様の構成とすればよい。
電極794には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。または、電極7
93及び電極794が液晶素子775と重ならないため、電極793及び電極794には
、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。
電極794の抵抗を低くすることが可能となり、タッチパネルのセンサ感度を向上させる
ことができる。
ナノワイヤは、直径の平均値が1nm以上100nm以下、好ましくは5nm以上50n
m以下、より好ましくは5nm以上25nm以下の大きさとすればよい。また、上記ナノ
ワイヤとしては、Agナノワイヤ、Cuナノワイヤ、またはAlナノワイヤ等の金属ナノ
ワイヤ、あるいは、カーボンナノチューブなどを用いればよい。例えば、電極664、6
65、667のいずれか一つあるいは全部にAgナノワイヤを用いる場合、可視光におけ
る光透過率を89%以上、シート抵抗値を40Ω/□以上100Ω/□以下とすることが
できる。
たが、これに限定されない。例えば、表示装置700上に形成する、所謂オンセル型のタ
ッチパネルや、表示装置700に貼り合わせて用いる、所謂アウトセル型のタッチパネル
としてもよい。
用いることができる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の一例について説明する。本実施の形
態で示すトランジスタは、微細化に適したトランジスタである。
図47には、トランジスタ200の一例を示す。図47(A)はトランジスタ200の
上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図47(A)において一部の膜は省略されている
。また、図47(B)は、図47(A)に示す一点鎖線X1-X2に対応する断面図であ
り、図47(C)はY1-Y2に対応する断面図である。
よび導電体205b)、および導電体260(導電体260aおよび導電体260b)と
、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁
体250と、チャネルが形成される領域を有する酸化物半導体230(酸化物半導体23
0a、酸化物半導体230b、および酸化物半導体230c)と、ソースまたはドレイン
の一方として機能する導電体240aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導
電体240bと、過剰酸素を有する絶縁体280と、を有する。
化物半導体230bと、酸化物半導体230b上の酸化物半導体230cと、を有する。
なお、トランジスタ200をオンさせると、主として酸化物半導体230bに電流が流れ
る(チャネルが形成される)。一方、酸化物半導体230aおよび酸化物半導体230c
は、酸化物半導体230bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流
れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
よび導電体260bを有する積層構造である。また、ゲート電極として機能する導電体2
60上に絶縁体270を有する。
クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を
成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等で
ある。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タン
グステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタン
を含むインジウム錫酸化物、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
酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
ンタル等を用い、導電体205bとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。
当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物半導体23
0への水素の拡散を抑制することができる。なお、図47では、導電体205a、および
導電体205bの2層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも3層以上の積層
構造でもよい。
酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体224として過剰酸素を含む(化
学量論的組成よりも過剰に酸素を含む)絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰
酸素を含む絶縁体を、トランジスタ200を構成する酸化物に接して設けることにより、
酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体220と絶縁体224とは、
必ずしも同じ材料を用いて形成しなくともよい。
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3
(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。またはこれらの絶縁
体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリ
コン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加して
もよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸
化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
ことで、特定の条件で絶縁体222が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることがで
きる。つまり、絶縁体222が負に帯電する場合がある。
、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を
用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度(例えば、125
℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、導電体205の電
位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、10ミリ秒以上、代表的には1分
以上維持することで、トランジスタ200を構成する酸化物から導電体205に向かって
、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体222の電子捕獲準位に捕獲
される。
電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体205の電圧の制御によって電子の捕獲する
量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成
を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ
状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
ランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは
、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ
後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
い値電圧を制御することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタ
を提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供すること
ができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サ
ブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信
頼性の高いトランジスタを提供することができる。
-M-Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)等の金属酸化物で形成される。ま
た、酸化物半導体230として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3
(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体
に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコ
ン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加しても
よい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化
窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
も多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶
縁体を酸化物半導体230に接して設けることにより、酸化物半導体230中の酸素欠損
を低減することができる。
化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化
ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いるこ
とができる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物半導体230からの酸素の放
出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
層構造を有していてもよい。絶縁体250が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させ
た絶縁体を有することで、トランジスタ200は、しきい値電圧をプラス側にシフトする
ことができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであ
っても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
絶縁体250の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物半導体230cにバリア
性があるものを用いてもよい。
包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的
組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物半導体230への水
素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
ドレイン電極として機能する。
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など
の金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を
示したが、2層以上の積層構造としてもよい。
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
る二層構造としてもよい。
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。
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、または上述した金
属を成分とする合金か、上述した金属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を用いて
もよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体
、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。
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
造としてもよい。
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一または複数の金属を組
み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
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、上記金属の積層構造とすることもできる。
、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて
形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対するプラ
ズマによるダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため
、導電体260aをALD法等により形成することが好ましい。従って、信頼性が高いト
ランジスタ200を提供することができる。
高い材料を用いて形成する。
する酸化物材料を用いる場合、導電体260が、脱離した酸素により酸化することを防止
するため、絶縁体270は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。
。また絶縁体270は、導電体260の酸化を防止する程度に設けられていればよい。例
えば、絶縁体270の膜厚は、1nm以上10nm以下、好ましくは3nm以上7nm以
下として設ける。
化物半導体230へと供給することができる。
的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶
縁体280には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域
ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体
を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、酸素過剰領域を有する絶縁体を
設けることで、トランジスタ200の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させるこ
とができる。
化物材料を用いることが好ましい。
ることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中におい
て、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、
窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
化膜として機能してもよい。
以下では、異なる組成のトランジスタを積層して用いる場合の例について説明する。
素子410を有している。
ジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置(記憶
装置)に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、
リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半
導体装置(記憶装置)とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することがで
きる。
子410を有する。トランジスタ200はトランジスタ400の上方に設けられ、容量素
子410はトランジスタ400、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
401の一部からなる半導体領域402、およびソース領域またはドレイン領域として機
能する低抵抗領域408a、および低抵抗領域408bを有する。
ドレイン領域となる低抵抗領域408a、および低抵抗領域408bなどにおいて、シリ
コン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい
。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリ
ウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成しても
よい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコン
を用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジ
スタ400をHEMT(High Electron Mobility Transi
stor)としてもよい。
導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp
型の導電性を付与する元素を含む。
元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材
料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる
。
できる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ま
しい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウム
などの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐
熱性の点で好ましい。
成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
縁体426が順に積層して設けられている。
化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、
酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
平坦化する平坦化膜として機能する。絶縁体422の上面は、平坦性を高めるために化学
機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法
等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
ジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜
を用いることが好ましい。
コンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導
体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、
トランジスタ200と、トランジスタ400との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いる
ことが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜と
する。
縁体426の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体
424の比誘電率は、絶縁体426の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下
がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低
減することができる。
410、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体428、および導電体43
0等が埋め込まれている。なお、導電体428、および導電体430はプラグ、または配
線として機能を有する。なお、後述するが、プラグまたは配線として機能を有する導電体
は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において
、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体
の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もあ
る。
材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また
は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンな
どの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または
、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材
料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体424が有する開口部
に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ
400とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ4
00からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
るとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線とし
ての導電性を保持したまま、トランジスタ400からの水素の拡散を抑制することができ
る。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性
を有する絶縁体424と接する構造であることが好ましい。
8において、絶縁体450、絶縁体452、及び絶縁体454が順に積層して設けられて
いる。また、絶縁体450、絶縁体452、及び絶縁体454には、導電体456が形成
されている。導電体456は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体45
6は、導電体428、および導電体430と同様の材料を用いて設けることができる。
ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。なお、導電
体456に銅を用いる場合、銅の拡散を抑制する導電体と積層して設けることが好ましい
。銅の拡散を抑制する導電体として、例えばタンタル、窒化タンタル等のタンタルを含む
合金、ルテニウム、およびルテニウムを含む合金等を用いるとよい。
するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。例えば、銅の拡散を抑制する膜の
一例として、窒化シリコンを用いることができる。従って、絶縁体424と同様の材料を
用いることができる。
電体を設け、銅の拡散を抑制する導電体上に銅を積層して設けることが好ましい。当該構
成により、配線の周辺に銅が拡散することを抑制することができる。
4が、順に積層して設けられている。絶縁体458、絶縁体210、絶縁体212、およ
び絶縁体214のいずれかまたは全部を、銅の拡散を抑制する、または酸素や水素に対し
てバリア性のある物質を用いることが好ましい。
00を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、銅の拡散を抑制する、
または、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
従って、絶縁体424と同様の材料を用いることができる。
縁体210として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
などの金属酸化物を用いることが好ましい。
素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、
酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分など
の不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ2
00を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジス
タ200に対する保護膜として用いることに適している。
材料を用いることができる。例えば、絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シ
リコン膜などを用いることができる。
には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体205等が埋め込まれて
いる。なお、導電体218は、容量素子410、またはトランジスタ400と電気的に接
続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体428、およ
び導電体430と同様の材料を用いて設けることができる。
は、銅の拡散を抑制する、または、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電
体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ400とトランジスタ200と
は、銅の拡散を抑制する、または、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で
、完全により分離することができる。つまり、導電体456からの銅の拡散を抑制し、ト
ランジスタ400からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
。また、図48に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構
成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
て設けられている。また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体280、
絶縁体282、絶縁体284、および絶縁体470には、導電体244等が埋め込まれて
いる。また、トランジスタ200が有する導電体240aおよび導電体240b等の導電
体上に、上層の導電体と接続する導電体245等が設けられる。なお、導電体244は、
容量素子410、トランジスタ200、またはトランジスタ400と電気的に接続するプ
ラグ、または配線として機能を有する。導電体244は、導電体428、および導電体4
30と同様の材料を用いて設けることができる。
してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体282には、絶縁体2
14と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体284には、絶縁体212と同様
の材料を用いることができる。
金属酸化物を用いることが好ましい。
素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、
酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分など
の不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ2
00を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジス
タ200に対する保護膜として用いることに適している。
域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従
って、絶縁体424と同様の材料を用いることができる。
コンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導
体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、
トランジスタ200と、トランジスタ400との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いる
ことが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜と
する。
0、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、及び絶縁体284
の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体210、絶縁体212、絶
縁体214、絶縁体282、及び絶縁体284は、酸素、または、水素、および水などの
不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
たはトランジスタ400が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。ま
たは、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、お
よび水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。
るチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、ト
ランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成
されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形
成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることが
できる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上
させることができる。
量素子410は、絶縁体470上に設けられ、導電体462と、絶縁体480、絶縁体4
82、および絶縁体484と、導電体466とを有する。なお、導電体474は、容量素
子410、トランジスタ200、またはトランジスタ400と電気的に接続するプラグ、
または配線として機能を有する。
ることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料
を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体など
の他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料である銅やアルミニウム等を用いれ
ばよい。
いて設けることができる。
484を設ける。絶縁体480、絶縁体482、および絶縁体484には例えば酸化シリ
コン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒
化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化
ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよい。なお、図では3
層構造としたが、単層、2層、または4層以上の積層構造としてもよい。
大きい材料を用い、絶縁体484には、酸化アルミニウムなどの高誘電率(high-k
)材料と、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いて、積層構造を設けるこ
とが好ましい。当該構成により、容量素子410は、高誘電率(high-k)の絶縁体
を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁
耐力が向上し、容量素子410の静電破壊を抑制することができる。
体466を設ける。なお、導電体466は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料
などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリ
ブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ま
しい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料である銅や
アルミニウム等を用いればよい。
導電体462の上面および側面を覆うように設ける。さらに、導電体466を、絶縁体4
80、絶縁体482、および絶縁体484を介して、導電体462の上面および側面を覆
うように設ける。
積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、
微細化が可能となる。
60は、絶縁体420と同様の材料を用いて設けることができる。また、容量素子410
を覆う絶縁体460は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図49を
用いて説明を行う。
図49(A)に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域(以下、画素部502と
いう)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(
以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路50
6という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成とし
てもよい。
ことが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部504
の一部、または全部が、画素部502と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回
路部504の一部、または全部は、COGやTAB(Tape Automated B
onding)によって、実装することができる。
た複数の表示素子を駆動するための回路(以下、画素回路501という)を有し、駆動回
路部504は、画素を選択する信号(走査信号)を出力する回路(以下、ゲートドライバ
504aという)、画素の表示素子を駆動するための信号(データ信号)を供給するため
の回路(以下、ソースドライバ504b)などの駆動回路を有する。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力す
る。例えば、ゲートドライバ504aは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力さ
れ、パルス信号を出力する。ゲートドライバ504aは、走査信号が与えられる配線(以
下、走査線GL_1乃至GL_Xという)の電位を制御する機能を有する。なお、ゲート
ドライバ504aを複数設け、複数のゲートドライバ504aにより、走査線GL_1乃
至GL_Xを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ504aは、初期化信号
を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ50
4aは、別の信号を供給することも可能である。
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元とな
る信号(画像信号)が入力される。ソースドライバ504bは、画像信号を元に画素回路
501に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ504bは
、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信
号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、データ信号が与え
られる配線(以下、データ線DL_1乃至DL_Yという)の電位を制御する機能を有す
る。または、ソースドライバ504bは、初期化信号を供給することができる機能を有す
る。ただし、これに限定されず、ソースドライバ504bは、別の信号を供給することも
可能である。
ソースドライバ504bは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、
画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを
用いてソースドライバ504bを構成してもよい。
介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線DLの一つを介し
てデータ信号が入力される。また、複数の画素回路501のそれぞれは、ゲートドライバ
504aによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、m行n列
目の画素回路501は、走査線GL_m(mはX以下の自然数)を介してゲートドライバ
504aからパルス信号が入力され、走査線GL_mの電位に応じてデータ線DL_n(
nはY以下の自然数)を介してソースドライバ504bからデータ信号が入力される。
01の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドラ
イバ504bと画素回路501の間の配線であるデータ線DLに接続される。または、保
護回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することが
できる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配
線に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び
制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
6を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:
静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。
ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに
保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続
した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成
とすることもできる。
よって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例
えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成
された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実
装する構成としても良い。
とすることができる。
量素子560と、を有する。トランジスタ550に先の実施の形態に示すトランジスタを
適用することができる。
される。液晶素子570は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複
数の画素回路501のそれぞれが有する液晶素子570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、各行の画素回路501の液晶素子570の一対の
電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
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、又はTBA
(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(Electric
ally Controlled Birefringence)モード、PDLC(P
olymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNLC
(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。
ン電極の一方は、データ線DL_nに電気的に接続され、他方は液晶素子570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550のゲート電極は、走査線G
L_mに電気的に接続される。トランジスタ550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。
)に電気的に接続され、他方は、液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続され
る。なお、電位供給線VLの電位の値は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される
。容量素子560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。
に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ
550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
とすることができる。
子562と、発光素子572と、を有する。トランジスタ552及びトランジスタ554
のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる
。
配線(以下、信号線DL_nという)に電気的に接続される。さらに、トランジスタ55
2のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線(以下、走査線GL_mという)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。
_aという)に電気的に接続され、他方は、トランジスタ552のソース電極及びドレイ
ン電極の他方に電気的に接続される。
気的に接続される。さらに、トランジスタ554のゲート電極は、トランジスタ552の
ソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
され、他方は、トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続
される。
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子572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。
えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。
ートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552を
オン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ554の
ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子572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。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したトランジスタの適用可能な回路構成の
一例について、図50乃至図53を用いて説明する。
図50(A)には、駆動回路が有するシフトレジスタやバッファ等に適用することがで
きるインバータの回路図を示す。インバータ800は、入力端子INに与える信号の論理
を反転した信号を出力端子OUTに出力する。インバータ800は、複数のOSトランジ
スタを有する。信号SBGは、OSトランジスタの電気特性を切り替えることができる信
号である。
スタ810、およびOSトランジスタ820を有する。インバータ800は、nチャネル
型トランジスタのみで作製することができるため、CMOS(Complementar
y Metal Oxide Semiconductor)でインバータ(CMOSイ
ンバータ)を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。
CMOS上に配置することもできる。インバータ800は、CMOSの回路に重ねて配置
できるため、インバータ800を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。
ックゲートとして機能する第2ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第
1端子と、ソースまたはドレインの他方として機能する第2端子とを有する。
10の第2ゲートは、信号SBGを供給する配線に接続される。OSトランジスタ810
の第1端子は、電圧VDDを与える配線に接続される。OSトランジスタ810の第2端
子は、出力端子OUTに接続される。
タ820の第2ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ820の第1端
子は、出力端子OUTに接続される。OSトランジスタ820の第2端子は、電圧VSS
を与える配線に接続される。
。図50(C)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの
信号波形、信号SBGの信号波形、およびOSトランジスタ810のしきい値電圧の変化
について示している。
810のしきい値電圧を制御することができる。
電圧をプラスシフトさせるための電圧VBG_Bを有する。第2ゲートに電圧VBG_A
を与えることで、OSトランジスタ810はしきい値電圧VTH_Aにマイナスシフトさ
せることができる。また、第2ゲートに電圧VBG_Bを与えることで、OSトランジス
タ810は、しきい値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることができる。
ある、Id-Vgカーブを示す。
ように大きくすることで、図51(A)中の破線840で表される曲線にシフトさせるこ
とができる。また、上述したOSトランジスタ810の電気特性は、第2ゲートの電圧を
電圧VBG_Bのように小さくすることで、図51(A)中の実線841で表される曲線
にシフトさせることができる。図51(A)に示すように、OSトランジスタ810は、
信号SBGを電圧VBG_Aあるいは電圧VBG_Bというように切り替えることで、し
きい値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。
タ810は電流が流れにくい状態とすることができる。図51(B)には、この状態を可
視化して示す。
さくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトラン
ジスタ820はオン状態(ON)のとき、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させること
ができる。
態とすることができるため、図50(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の
信号波形831を急峻に変化させることができる。電圧VDDを与える配線と、電圧VS
Sを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での
動作を行うことができる。
ランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができる。図51(C)には、この
状態を可視化して示す。図51(C)に図示するように、このとき流れる電流IAを少な
くとも電流IBよりも大きくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号が
ローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態(OFF)のとき、出力端子OUTの電
圧を急峻に上昇させることができる。図51(C)に図示したように、OSトランジスタ
810に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図50(C)に示すタイ
ミングチャートにおける出力端子の信号波形832を急峻に変化させることができる。
ジスタ820の状態が切り替わる以前、すなわち時刻T1やT2よりも前に行うことが好
ましい。例えば、図50(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がハイレベ
ルに切り替わる時刻T1よりも前に、しきい値電圧VTH_Aから、しきい値電圧VTH
_BにOSトランジスタ810のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。また、図5
0(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がローレベルに切り替わる時刻T
2よりも前に、しきい値電圧VTH_Bからしきい値電圧VTH_AにOSトランジスタ
810のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。
号SBGを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。例えば、しきい値電圧を
制御するための電圧は、フローティング状態としたOSトランジスタ810の第2ゲート
に保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図52
(A)に示す。
を有する。OSトランジスタ850の第1端子は、OSトランジスタ810の第2ゲート
に接続される。またOSトランジスタ850の第2端子は、電圧VBG_B(あるいは電
圧VBG_A)を与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第1ゲートは、信
号SFを与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第2ゲートは、電圧VBG
_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。
る信号がハイレベルに切り替わる時刻T3よりも前に、OSトランジスタ810の第2ゲ
ートに与える構成とする。信号SFをハイレベルとしてOSトランジスタ850をオン状
態とし、ノードNBGにしきい値電圧を制御するための電圧VBG_Bを与える。
る。OSトランジスタ850は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けること
で、一旦ノードNBGに保持させたしきい値電圧VBG_Bを保持することができる。そ
のため、OSトランジスタ850の第2ゲートに電圧VBG_Bを与える動作の回数が減
るため、電圧VBG_Bの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。
ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成と
してもよい。例えば、しきい値電圧を制御するための電圧を、入力端子INに与える信号
を基に生成し、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成としてもよい。当該構
成を実現可能な回路構成の一例について、図53(A)に示す。
ンジスタ810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ860を有する。CMOSイン
バータ860の入力端子は、入力端子INに接続される。CMOSインバータ860の出
力端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。
図53(B)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信
号波形、CMOSインバータ860の出力波形IN_B、及びOSトランジスタ810の
しきい値電圧の変化について示している。
ンジスタ810のしきい値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図51
(A)乃至図51(C)で説明したように、OSトランジスタ810のしきい値電圧を制
御できる。例えば、図53(B)における時刻T4となるとき、入力端子INに与える信
号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態となる。このとき、出力波形IN_
Bはローレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とす
ることができ、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させることができる。
ベルでOSトランジスタ820はオフ状態となる。このとき、出力波形IN_Bはハイレ
ベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることがで
き、出力端子OUTの電圧を急峻に上昇させることができる。
おける、バックゲートの電圧を入力端子INの信号の論理にしたがって切り替える。当該
構成とすることで、OSトランジスタのしきい値電圧を制御することができる。入力端子
INに与える信号によってOSトランジスタのしきい値電圧を制御することで、出力端子
OUTの電圧を急峻に変化させることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電
流を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体を有するトランジスタ(
OSトランジスタ)を、複数の回路に用いる半導体装置の一例について、図54乃至図5
7を用いて説明する。
図54(A)は、半導体装置900のブロック図である。半導体装置900は、電源回
路901、回路902、電圧生成回路903、回路904、電圧生成回路905および回
路906を有する。
単一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧VORGは、半導体装置900の外部か
ら与えられる電圧V0を基に生成することができる。半導体装置900は、外部から与え
られる単一の電源電圧を基に電圧VORGを生成できる。そのため半導体装置900は、
外部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。
路902の電源電圧は、電圧VORGと電圧VSS(VORG>VSS)とを基に印加さ
れる電圧である。また、例えば回路904の電源電圧は、電圧VPOGと電圧VSS(V
POG>VORG)とを基に印加される電圧である。また、例えば回路906の電源電圧
は、電圧VORGと電圧VSSと電圧VNEG(VORG>VSS>VNEG)とを基に
印加される電圧である。なお電圧VSSは、グラウンド電位(GND)と等電位とすれば
、電源回路901で生成する電圧の種類を削減できる。
電源回路901から与えられる電圧VORGを基に電圧VPOGを生成できる。そのため
、回路904を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動
作することができる。
電源回路901から与えられる電圧VORGを基に電圧VNEGを生成できる。そのため
、回路906を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動
作することができる。
を動作させるための信号の波形の一例である。
与える信号は、例えば、電圧VPOGと電圧VSSを基に生成される。当該信号は、トラ
ンジスタ911を導通状態とする動作時に電圧VPOG、非導通状態とする動作時に電圧
VSSとする。電圧VPOGは、図54(C)に図示するように、電圧VORGより大き
い。そのため、トランジスタ911は、ソース(S)とドレイン(D)との間をより確実
に導通状態にできる。その結果、回路904は、誤動作が低減された回路とすることがで
きる。
を動作させるための信号の波形の一例である。
スタ912のゲートに与える信号は、例えば、電圧VORGと電圧VSSを基にして生成
される。当該信号は、トランジスタ912を導通状態とする動作時に電圧VORG、非導
通状態とする動作時に電圧VSSを基に形成される。また、トランジスタ912のバック
ゲートに与える信号は、電圧VNEGを基に生成される。電圧VNEGは、図54(E)
に図示するように、電圧VSS(GND)より小さい。そのため、トランジスタ912の
閾値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ9
12をより確実に非導通状態とすることができ、ソース(S)とドレイン(D)との間を
流れる電流を小さくできる。その結果、回路906は、誤動作が低減され、且つ低消費電
力化が図られた回路とすることができる。
よい。あるいは、電圧VORGと電圧VNEGを基に、トランジスタ912のゲートに与
える信号を生成し、当該信号をトランジスタ912のバックゲートに与える構成としても
よい。
路921によって導通状態が制御できるトランジスタ922を示す。トランジスタ922
は、nチャネル型のOSトランジスタとする。制御回路921が出力する制御信号SBG
は、トランジスタ922の導通状態を制御する信号である。また回路906が有するトラ
ンジスタ912A、912Bは、トランジスタ922と同じOSトランジスタである。
ジスタ912A、912Bのバックゲートの電位の状態をノードNBGの電位の変化で示
す。制御信号SBGがハイレベルのときにトランジスタ922が導通状態となり、ノード
NBGが電圧VNEGとなる。その後、制御信号SBGがローレベルのときにノードNB
Gが電気的にフローティングとなる。トランジスタ922は、OSトランジスタであるた
め、オフ電流が小さい。そのため、ノードNBGが電気的にフローティングであっても、
一旦与えた電圧VNEGを保持することができる。
示す。図56(A)に示す電圧生成回路903は、ダイオードD1乃至D5、キャパシタ
C1乃至C5、およびインバータINVを有する5段のチャージポンプである。クロック
信号CLKは、キャパシタC1乃至C5に直接、あるいはインバータINVを介して与え
られる。インバータINVの電源電圧を、電圧VORGと電圧VSSとを基に印加される
電圧とすると、クロック信号CLKを与えることによって、電圧VORGの5倍の正電圧
に昇圧された電圧VPOGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至D5の順方向
電圧は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧VP
OGを得ることができる。
示す。図56(B)に示す電圧生成回路905は、ダイオードD1乃至D5、キャパシタ
C1乃至C5、およびインバータINVを有する4段のチャージポンプである。クロック
信号CLKは、キャパシタC1乃至C5に直接、あるいはインバータINVを介して与え
られる。インバータINVの電源電圧を、電圧VORGと電圧VSSとを基に印加される
電圧とすると、クロック信号CLKを与えることによって、グラウンド、すなわち電圧V
SSから電圧VORGの4倍の負電圧に降圧された電圧VNEGを得ることができる。な
お、ダイオードD1乃至D5の順方向電圧は0Vとしている。また、チャージポンプの段
数を変更することで、所望の電圧VNEGを得ることができる。
限らない。例えば、電圧生成回路903の変形例を図57(A)乃至図57(C)に示す
。なお、電圧生成回路903の変形例は、図57(A)乃至図57(C)に示す電圧生成
回路903A乃至903Cにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子
の配置を変更することで実現可能である。
タC11乃至C14、およびインバータINV1を有する。クロック信号CLKは、トラ
ンジスタM1乃至M10のゲートに直接、あるいはインバータINV1を介して与えられ
る。クロック信号CLKを与えることによって、電圧VORGの4倍の正電圧に昇圧され
た電圧VPOGを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧VPOG
を得ることができる。図57(A)に示す電圧生成回路903Aは、トランジスタM1乃
至M10をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタC11乃至
C14に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧VORGから電圧V
POGへの昇圧を図ることができる。
キャパシタC15、C16、およびインバータINV2を有する。クロック信号CLKは
、トランジスタM11乃至M14のゲートに直接、あるいはインバータINV2を介して
与えられる。クロック信号CLKを与えることによって、電圧VORGの2倍の正電圧に
昇圧された電圧VPOGを得ることができる。図57(B)に示す電圧生成回路903B
は、トランジスタM11乃至M14をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくで
き、キャパシタC15、C16に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に
電圧VORGから電圧VPOGへの昇圧を図ることができる。
タM15、ダイオードD6、およびキャパシタC17を有する。トランジスタM15は、
制御信号ENによって、導通状態が制御される。制御信号ENによって、電圧VORGが
昇圧された電圧VPOGを得ることができる。図57(C)に示す電圧生成回路903C
は、インダクタInd1を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行
うことができる。
内部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電圧の数を削
減できる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器
について、図58乃至図61を用いて説明を行う。
図58に示す表示モジュール7000は、上部カバー7001と下部カバー7002と
の間に、FPC7003に接続されたタッチパネル7004、FPC7005に接続され
た表示パネル7006、バックライト7007、フレーム7009、プリント基板701
0、バッテリ7011を有する。
7006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。
7006に重畳して用いることができる。また、表示パネル7006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7
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。
ト7007上に光源7008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例
えば、バックライト7007の端部に光源7008を配置し、さらに光拡散板を用いる構
成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射
型パネル等の場合においては、バックライト7007を設けない構成としてもよい。
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7009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7011による電源であってもよい。バッテリ7011は
、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
加して設けてもよい。
次に、図59(A)乃至図59(E)に電子機器の一例を示す。
す図である。
ボタン8004等を有する。またカメラ8000には、着脱可能なレンズ8006が取り
付けられている。
ることが可能な構成としたが、レンズ8006と筐体が一体となっていてもよい。
る。また、表示部8002はタッチパネルとしての機能を有し、表示部8002をタッチ
することにより撮像することも可能である。
0のほか、ストロボ装置等を接続することができる。
。
ンダー8100をカメラ8000に取り付けることができる。また当該マウントには電極
を有し、当該電極を介してカメラ8000から受信した映像等を表示部8102に表示さ
せることができる。
8102の表示のオン・オフを切り替えることができる。
発明の一態様の表示装置を適用することができる。
し、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ8000の筐体8001に、表示装置を備
えるファインダーが内蔵されていてもよい。
03、表示部8204、ケーブル8205等を有している。また装着部8201には、バ
ッテリ8206が内蔵されている。
03は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部8204に表示さ
せることができる。また、本体8203に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動
きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を
入力手段として用いることができる。
。本体8203は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、
使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知す
ることにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部820
1には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使
用者の生体情報を表示部8204に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭
部の動きなどを検出し、表示部8204に表示する映像をその動きに合わせて変化させて
もよい。
ある。ヘッドマウントディスプレイ8300は、筐体8301と、表示部8302と、バ
ンド状の固定具8304と、一対のレンズ8305と、を有する。
なお、表示部8302を湾曲して配置させると好適である。表示部8302を湾曲して配
置することで、使用者が高い臨場感を感じることができる。なお、本実施の形態において
は、表示部8302を1つ設ける構成について例示したが、これに限定されず、例えば、
表示部8302を2つ設ける構成としてもよい。この場合、使用者の片方の目に1つの表
示部が配置されるような構成とすると、視差を用いた3次元表示等を行うことも可能とな
る。
の一態様の半導体装置を有する表示装置は、極めて精細度が高いため、図59(E)のよ
うにレンズ8305を用いて拡大したとしても、使用者に画素が視認されることなく、よ
り現実感の高い映像を表示することができる。
次に、図59(A)乃至図59(E)に示す電子機器と、異なる電子機器の一例を図6
0(A)乃至図60(G)に示す。
ピーカ9003、操作キー9005(電源スイッチ、又は操作スイッチを含む)、接続端
子9006、センサ9007(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9008、等を有する。
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、日付また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または受信を行
う機能、記録媒体に記録されているプログラムまた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。なお、図60(A)乃至図60(G)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。ま
た、図60(A)乃至図60(G)には図示していないが、電子機器には、複数の表示部
を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮影する機能
、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体(外部またはカメラに内蔵)に保存する
機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
100は、表示部9001を大画面、例えば、50インチ以上、または100インチ以上
の表示部9001を組み込むことが可能である。
、例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具
体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末9101は、
スピーカ9003、接続端子9006、センサ9007等を設けてもよい。また、携帯情
報端末9101は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、3
つの操作ボタン9050(操作アイコンまたは単にアイコンともいう)を表示部9001
の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報9051を表示部900
1の他の面に表示することができる。なお、情報9051の一例としては、電子メールや
SNS(ソーシャル・ネットワーキング・サービス)や電話などの着信を知らせる表示、
電子メールやSNSなどの題名、電子メールやSNSなどの送信者名、日時、時刻、バッ
テリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報9051が表示されている位
置に、情報9051の代わりに、操作ボタン9050などを表示してもよい。
、表示部9001の3面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報9052、
情報9053、情報9054がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携
帯情報端末9102の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末9102を収納した状
態で、その表示(ここでは情報9053)を確認することができる。具体的には、着信し
た電話の発信者の電話番号又は氏名等を、携帯情報端末9102の上方から観察できる位
置に表示する。使用者は、携帯情報端末9102をポケットから取り出すことなく、表示
を確認し、電話を受けるか否かを判断できる。
9200は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信
、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表
示部9001はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うこと
ができる。また、携帯情報端末9200は、通信規格された近距離無線通信を実行するこ
とが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハン
ズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末9200は、接続端子9006を
有し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。ま
た接続端子9006を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子900
6を介さずに無線給電により行ってもよい。
る。また、図60(E)が携帯情報端末9201を展開した状態の斜視図であり、図60
(F)が携帯情報端末9201を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に変
化する途中の状態の斜視図であり、図60(G)が携帯情報端末9201を折り畳んだ状
態の斜視図である。携帯情報端末9201は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開し
た状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末92
01が有する表示部9001は、ヒンジ9055によって連結された3つの筐体9000
に支持されている。ヒンジ9055を介して2つの筐体9000間を屈曲させることによ
り、携帯情報端末9201を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させるこ
とができる。例えば、携帯情報端末9201は、曲率半径1mm以上150mm以下で曲
げることができる。
G)に示す電子機器と異なる電子機器の一例を図61(A)(B)に示す。図61(A)
(B)は、複数の表示パネルを有する表示装置の斜視図である。なお、図61(A)は、
複数の表示パネルが巻き取られた形態の斜視図であり、図61(B)は、複数の表示パネ
ルが展開された状態の斜視図である。
511と、軸受部9512と、を有する。また、複数の表示パネル9501は、表示領域
9502と、透光性を有する領域9503と、を有する。
ル9501は、それらの一部が互いに重なるように設けられる。例えば、隣接する2つの
表示パネル9501の透光性を有する領域9503を重ね合わせることができる。複数の
表示パネル9501を用いることで、大画面の表示装置とすることができる。また、使用
状況に応じて、表示パネル9501を巻き取ることが可能であるため、汎用性に優れた表
示装置とすることができる。
1で離間する状態を図示しているが、これに限定されず、例えば、隣接する表示パネル9
501の表示領域9502を隙間なく重ねあわせることで、連続した表示領域9502と
してもよい。
ることを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機
器にも適用することができる。
み合わせて実施することができる。
1、及び試料E1)を作製し、当該トランジスタの電気特性について評価を行った。
試料C1乃至試料C4は、チャネル領域に酸化物半導体膜を用いた試料であり、試料D
1は、チャネル領域にn型のLTPS(Low Temparature Poly S
ilicon)を用いた試料であり、試料E1は、チャネル領域にp型のLTPSを用い
た試料である。すなわち、試料C1乃至試料C4は、本発明の一態様の試料であり、試料
D1及び試料E1は、比較用の試料である。
方法は同じである。
イズをL/W=3/3μmとし、試料C3のトランジスタサイズをL/W=6/3μmと
し、試料C4のトランジスタサイズをL/W=10/3μmとした。
た。
まず、試料C1乃至試料C4の作製方法について、説明を行う。
形成した。
試料D1及び試料E1としては、半導体層にLTPSを用いた試料であり、トランジス
タの作製方法としては、試料C1乃至試料C4と同様とした。
試料C1に形成されたトランジスタのId-Vg特性を図62に、試料C2に形成され
たトランジスタのId-Vg特性を図63に、試料C3に形成されたトランジスタのId
-Vg特性を図64に、試料C4に形成されたトランジスタのId-Vg特性を図65に
、それぞれ示す。また、試料D1に形成されたトランジスタのId-Vg特性を図66に
、試料E1に形成されたトランジスタのId-Vg特性を図67に、それぞれ示す。
能する導電膜に印加する電圧(以下、ゲート電圧(Vg)ともいう)、及び第2のゲート
電極として機能する導電膜に印加する電圧(以下、バックゲート電圧(Vbg)ともいう
)を、-10Vから+10Vまで0.25Vのステップで印加した。また、ソース電極と
して機能する導電膜に印加する電圧(以下、ソース電圧(Vs)ともいう)を0V(co
mm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜に印加する電圧(以下、ドレイン電圧(
Vd)ともいう)を、各試料によって変えて測定した。
d)の測定条件としては、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、及び10Vとし
た。また、試料D1及び試料E1に形成されたトランジスタのId-Vg特性のドレイン
電圧(Vd)の測定条件としては、5V、10V、15V、及び20Vとした。
7V、8V、9V、及び10Vの測定結果を、それぞれ重ねて示している。また、図66
及び図67においては、ドレイン電圧(Vd)が5V、10V、15V、及び20Vの測
定結果を、それぞれ重ねて示している。
度(μFE(cm2/Vs))を、横軸がVg(V)を、それぞれ表す。
飽和領域での移動度曲線の飽和性が良いのが確認できる。そこで、図62乃至図65に示
す試料C1乃至試料C4の移動度曲線における、Vgが3V以上10V以下の範囲におい
て、電界効果移動度の最大値、最小値、及び最大値から最小値を差分した結果をまとめた
。まとめた結果を表3に示す。
線の飽和性がよく、飽和領域において電界効果移動度の最大値と、最小値との差が15c
m2/Vs以内であることが確認された。一方で、比較用の試料である試料D1及び試料
E1においては、図66及び図67に示すように、電界効果移動度の最大値と、最小値と
の差が大きいことが確認された。
。このような特性のトランジスタを、例えば有機ELディスプレイの画素のトランジスタ
に用いることで、高い信頼性を付与することができる。あるいは、上述のトランジスタを
センサなどに用いると安定した出力特性を得ることができる。なお、上述の特性としては
、トランジスタの半導体層としてLTPSを用いた場合においては、なし得ない効果であ
り、トランジスタの半導体層として本発明の一態様の酸化物半導体膜を用いることで得ら
れる優れた効果である。
トランジスタのしきい値電圧(Vth)としては、定電流法で算出した。なお、定電流法
とは、Id-Vg特性の結果から、L/W=1となるようにIdを規格化して、一定電流
(ここでは、1nA)が流れる場合のVgをしきい値電圧(Vth)とする方法である。
定であることが分かる。したがって、本発明の一態様の試料C1乃至試料C4は、安定し
た電気特性を有する。
とができる。
100B トランジスタ
100C トランジスタ
100D トランジスタ
100E トランジスタ
100F トランジスタ
100G トランジスタ
100H トランジスタ
100J トランジスタ
102 基板
104 絶縁膜
106 導電膜
108 酸化物半導体膜
108_1 酸化物半導体膜
108_2 酸化物半導体膜
108_3 酸化物半導体膜
108d ドレイン領域
108f 領域
108i チャネル領域
108s ソース領域
110 絶縁膜
112 導電膜
112_1 導電膜
112_2 導電膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
120a 導電膜
120b 導電膜
122 絶縁膜
141a 開口部
141b 開口部
143 開口部
200 トランジスタ
205 導電体
205a 導電体
205b 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物半導体
230a 酸化物半導体
230b 酸化物半導体
230c 酸化物半導体
240a 導電体
240b 導電体
244 導電体
245 導電体
250 絶縁体
260 導電体
260a 導電体
260b 導電体
270 絶縁体
280 絶縁体
282 絶縁体
284 絶縁体
400 トランジスタ
401 基板
402 半導体領域
404 絶縁体
406 導電体
408a 低抵抗領域
408b 低抵抗領域
410 容量素子
420 絶縁体
422 絶縁体
424 絶縁体
426 絶縁体
428 導電体
430 導電体
450 絶縁体
452 絶縁体
454 絶縁体
456 導電体
458 絶縁体
460 絶縁体
462 導電体
466 導電体
470 絶縁体
474 導電体
480 絶縁体
482 絶縁体
484 絶縁体
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
664 電極
665 電極
667 電極
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
770 平坦化絶縁膜
772 導電膜
773 絶縁膜
774 導電膜
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電膜
782 発光素子
783 液滴吐出装置
784 液滴
785 層
786 EL層
788 導電膜
790 容量素子
791 タッチパネル
792 絶縁膜
793 電極
794 電極
795 絶縁膜
796 電極
797 絶縁膜
800 インバータ
810 OSトランジスタ
820 OSトランジスタ
831 信号波形
832 信号波形
840 破線
841 実線
850 OSトランジスタ
860 CMOSインバータ
900 半導体装置
901 電源回路
902 回路
903 電圧生成回路
903A 電圧生成回路
903B 電圧生成回路
903C 電圧生成回路
904 回路
905 電圧生成回路
906 回路
911 トランジスタ
912 トランジスタ
912A トランジスタ
912B トランジスタ
921 制御回路
922 トランジスタ
1400 液滴吐出装置
1402 基板
1403 液滴吐出手段
1404 撮像手段
1405 ヘッド
1406 点線
1407 制御手段
1408 記憶媒体
1409 画像処理手段
1410 コンピュータ
1411 マーカー
1412 ヘッド
1413 材料供給源
1414 材料供給源
7000 表示モジュール
7001 上部カバー
7002 下部カバー
7003 FPC
7004 タッチパネル
7005 FPC
7006 表示パネル
7007 バックライト
7008 光源
7009 フレーム
7010 プリント基板
7011 バッテリ
8000 カメラ
8001 筐体
8002 表示部
8003 操作ボタン
8004 シャッターボタン
8006 レンズ
8100 ファインダー
8101 筐体
8102 表示部
8103 ボタン
8200 ヘッドマウントディスプレイ
8201 装着部
8202 レンズ
8203 本体
8204 表示部
8205 ケーブル
8206 バッテリ
8300 ヘッドマウントディスプレイ
8301 筐体
8302 表示部
8304 固定具
8305 レンズ
9000 筐体
9001 表示部
9003 スピーカ
9005 操作キー
9006 接続端子
9007 センサ
9008 マイクロフォン
9050 操作ボタン
9051 情報
9052 情報
9053 情報
9054 情報
9055 ヒンジ
9100 テレビジョン装置
9101 携帯情報端末
9102 携帯情報端末
9200 携帯情報端末
9201 携帯情報端末
9500 表示装置
9501 表示パネル
9502 表示領域
9503 領域
9511 軸部
9512 軸受部
Claims (7)
- 酸化物半導体膜を有するトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の導電膜と、
前記第1の導電膜上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の前記酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の上面に接する領域を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第2の導電膜と、
前記第2の導電膜上に位置する領域と、前記酸化物半導体膜の上面に接する領域と、を有する第3の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、Inと、Gaと、Znと、を含み、かつc軸配向した結晶を含み、
前記第2の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第1の導電膜と重なる領域を有し、かつ前記第1の導電膜と電気的に接続されており、
前記トランジスタの飽和領域における電界効果移動度を測定した際に、前記電界効果移動度の最小値と、前記電界効果移動度の最大値との差が15cm2/Vs以内である、半導体装置。 - 酸化物半導体膜を有するトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の導電膜と、
前記第1の導電膜上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の前記酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の上面に接する領域を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第2の導電膜と、
前記第2の導電膜上に位置する領域と、前記酸化物半導体膜の上面に接する領域と、を有する第3の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、Inと、Gaと、Znと、を含み、かつナノクリスタルを含み、
前記第2の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第1の導電膜と重なる領域を有し、かつ前記第1の導電膜と電気的に接続されており、
前記トランジスタの飽和領域における電界効果移動度を測定した際に、前記電界効果移動度の最小値と、前記電界効果移動度の最大値との差が15cm2/Vs以内である、半導体装置。 - 請求項1又は請求項2において、
前記電界効果移動度は、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜に印加される電圧を3V以上10V以下の範囲とし、且つ前記酸化物半導体膜のドレイン領域に印加される電圧を10V以上20V以下の範囲とした際に測定される、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記In、前記Ga、及び前記Znの原子数比は、
In:Ga:Zn=4:2:3近傍であり、
前記Inが4の場合、前記Gaが1.5以上2.5以下であり、且つ前記Znが2以上4以下である、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、第1の酸化物半導体膜と、前記第1の酸化物半導体膜上の第2の酸化物半導体膜と、を有する、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜の上面と接する領域を有する、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記第3の絶縁膜は、窒化シリコンを有する、半導体装置。
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