JPWO2017033082A1 - Semiconductor device and electronic device having the semiconductor device - Google Patents
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Abstract
酸化物半導体膜を有し、近赤外線の発光を呈する発光装置を提供する。トランジスタを有する半導体装置である。トランジスタは、第1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の絶縁膜を介して第1のゲート電極と重畳する領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重畳する領域を有する第2のゲート電極と、酸化物半導体膜上及び第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、を有する。酸化物半導体膜は、第2の絶縁膜と接するチャネル領域を有し、チャネル領域は発光を呈する領域を有し、発光は近赤外光を含む。A light-emitting device that has an oxide semiconductor film and emits near-infrared light is provided. A semiconductor device including a transistor. The transistor includes a first gate electrode, a first insulating film over the first gate electrode, an oxide semiconductor film having a region overlapping with the first gate electrode with the first insulating film interposed therebetween, A second insulating film over the oxide semiconductor film, a second gate electrode having a region overlapping with the oxide semiconductor film with the second insulating film interposed therebetween, and over the oxide semiconductor film and the second gate electrode A third insulating film. The oxide semiconductor film includes a channel region in contact with the second insulating film, the channel region includes a region that emits light, and light emission includes near-infrared light.
Description
本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置、及び該半導体装置を有する電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including an oxide semiconductor film and an electronic device including the semiconductor device.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically includes a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a driving method thereof, or As an example, their production methods can be mentioned.
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of the semiconductor device. An imaging device, a display device, a liquid crystal display device, a light emitting device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like) and an electronic device may include a semiconductor device.
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ(薄膜トランジスタ(TFT)または電界効果トランジスタ(FET)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。 A technique for forming a transistor (also referred to as a thin film transistor (TFT) or a field effect transistor (FET)) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to an electronic device such as an integrated circuit (IC) or an image device (display device). As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a semiconductor material typified by silicon is widely known, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.
例えば、酸化物半導体として、In−Ga−Zn系酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1参照)。また、自己整列トップゲート構造を有する酸化物薄膜のトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献2参照)。 For example, a technique for manufacturing a transistor using an In—Ga—Zn-based oxide as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Document 1). In addition, a technique for manufacturing an oxide thin film transistor having a self-aligned top gate structure is disclosed (see Patent Document 2).
また、近年は情報を入力する機能を有する表示装置の技術開発が進められており、特許文献3には、赤外線を検出することで、入力データを読み取る光学式タッチパネルが開示されている。 In recent years, technical development of a display device having a function of inputting information has been advanced, and
また、脈拍、静脈、瞳孔のような生体情報を検出する機能を有する電子機器が注目されており、赤外線を用いた生体センサが開発されている(特許文献4)。 Further, electronic devices having a function of detecting biological information such as a pulse, a vein, and a pupil are attracting attention, and a biological sensor using infrared rays has been developed (Patent Document 4).
赤外線を呈する発光ダイオード(LED)を有する光学式タッチパネルにおいては、赤外線を検出するセンサを表示装置の表示面側に有し、赤外線を呈するLEDをバックライトとして有するため、赤外線を呈するLEDと、赤外線を検出するセンサと、の位置が離れている。そのため、検出環境の光や表示装置内の光がノイズとなり、赤外線の検出精度が低下してしまう。 In an optical touch panel having a light emitting diode (LED) that exhibits infrared light, a sensor that detects infrared light is provided on the display surface side of the display device, and the LED that exhibits infrared light is used as a backlight. The position of the sensor for detecting is separated. Therefore, the light in the detection environment and the light in the display device become noise, and the infrared detection accuracy is lowered.
また、生体情報等を読み取る電子機器において、赤外線を照射する発光素子としてLEDを用いる場合、LEDは、広範囲に赤外線を照射することが可能である一方、微細な領域に赤外線を照射することが難しい。そのため、微細な情報を検出するために赤外線を検出するセンサの精細度を高めるだけでは、検出精度や検出精細度を高めることが難しい。 In addition, when an LED is used as a light emitting element that emits infrared light in an electronic device that reads biological information or the like, the LED can irradiate infrared light over a wide range, but it is difficult to irradiate a minute region with infrared light. . Therefore, it is difficult to increase the detection accuracy and the detection definition only by increasing the definition of a sensor that detects infrared rays in order to detect minute information.
上記問題に鑑み、本発明の一態様では、赤外線を呈するトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、高精細に赤外線を呈する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、高精度に赤外線を検出可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、高精度に赤外線を検出可能な表示装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、高精度に赤外線を検出可能な電子機器を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、新規な半導体装置の作製方法を提供することを課題の一つとする。 In view of the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device including a transistor that emits infrared light. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that emits infrared light with high definition. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of detecting infrared light with high accuracy. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a display device capable of detecting infrared rays with high accuracy. Another object of one embodiment of the present invention is to provide an electronic device that can detect infrared light with high accuracy. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel method for manufacturing a semiconductor device.
なお、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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。 Note that the description of the above problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of these problems. Problems other than those described above are naturally apparent from the description of the specification and the like, and it is possible to extract problems other than the above from the description of the specification and the like.
本発明の一態様は、効率良く赤外線を呈することが可能な、酸化物半導体膜を有する半導体装置である。または、高精細に赤外線を呈することが可能な、酸化物半導体膜を有する半導体装置である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including an oxide semiconductor film that can efficiently exhibit infrared rays. Alternatively, the semiconductor device has an oxide semiconductor film and can exhibit infrared rays with high definition.
したがって、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第1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の絶縁膜を介して第1のゲート電極と重畳する領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重畳する領域を有する第2のゲート電極と、酸化物半導体膜上及び第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の絶縁膜と接するチャネル領域と、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、チャネル領域は、発光を呈する領域を有し、発光は、近赤外光を含む、半導体装置である。 Accordingly, one embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor, the transistor including the first gate electrode, the first insulating film over the first gate electrode, and the first insulating film. An oxide semiconductor film having a region overlapping with the first gate electrode, a second insulating film over the oxide semiconductor film, and a second region having a region overlapping with the oxide semiconductor film with the second insulating film interposed therebetween And a third insulating film over the oxide semiconductor film and the second gate electrode. The oxide semiconductor film includes a channel region in contact with the second insulating film, and a third insulating film. The semiconductor device includes a source region in contact with the film and a drain region in contact with the third insulating film, the channel region includes a region that emits light, and the light emission includes near infrared light.
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第1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の絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と重畳する領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重畳する領域を有する第2のゲート電極と、酸化物半導体膜上及び第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の絶縁膜と接するチャネル領域と、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、チャネル領域は、発光を呈する機能を有し、発光は、900nm以上1550nm以下の波長領域の光を含む、半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor. The transistor includes a first gate electrode, a first insulating film over the first gate electrode, and a first insulating film. An oxide semiconductor film having a region overlapping with the first gate electrode, a second insulating film over the oxide semiconductor film, and a region overlapping with the oxide semiconductor film with the second insulating film interposed therebetween A second gate electrode, and a third insulating film over the oxide semiconductor film and the second gate electrode, the oxide semiconductor film including a channel region in contact with the second insulating film, 3 has a source region in contact with the third insulating film and a drain region in contact with the third insulating film, the channel region has a function of emitting light, and the light emission is in a wavelength region of 900 nm to 1550 nm. Including a semiconductor device.
また、上記各構成において、トランジスタは、さらに、第3の絶縁膜に設けられた第1の開口部を介して、ソース領域において酸化物半導体膜に電気的に接続するソース電極と、第3の絶縁膜に設けられた第2の開口部を介して、ドレイン領域において酸化物半導体膜に電気的に接続するドレイン電極と、を有する半導体装置である。 In each of the above structures, the transistor further includes a source electrode electrically connected to the oxide semiconductor film in the source region through the first opening provided in the third insulating film; A drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film in the drain region through a second opening provided in the insulating film is a semiconductor device.
また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、Inと、Znと、M(Mは、Al、Ga、Y、またはSn)と、を有すると好ましい。また、酸化物半導体膜は、Inの含有量が、Mの含有量以上である領域を有すると好ましい。また、酸化物半導体膜は、結晶部を有し、結晶部は、c軸配向性を有すると好ましい。 In each of the above structures, the oxide semiconductor film preferably includes In, Zn, and M (M is Al, Ga, Y, or Sn). The oxide semiconductor film preferably includes a region where the In content is greater than or equal to the M content. The oxide semiconductor film preferably includes a crystal part, and the crystal part preferably has c-axis alignment.
また、上記各構成において、第2のゲート電極は、Inと、Znと、M(Mは、Al、Ga、Y、またはSn)と、を有すると好ましい。また、第2のゲート電極は、Inの含有量が、Mの含有量以上である領域を有すると好ましい。また、第2のゲート電極は、酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高いと好ましい。 In each of the above structures, the second gate electrode preferably includes In, Zn, and M (M is Al, Ga, Y, or Sn). The second gate electrode preferably includes a region where the In content is equal to or higher than the M content. The second gate electrode preferably has a higher carrier density than the oxide semiconductor film.
また、上記各構成において、第3の絶縁膜は、窒素および水素の少なくとも一方を有すると好ましい。 In each of the above structures, the third insulating film preferably includes at least one of nitrogen and hydrogen.
また、本発明の他の一態様は、上記各態様の半導体装置と表示素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、上記態様の半導体装置とセンサとを有する電子機器である。 Another embodiment of the present invention is a display device including the semiconductor device of any of the above embodiments and a display element. Another embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device of the above embodiment and a sensor.
本発明の一態様により、赤外線を呈するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高精細に赤外線を呈する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高精度に赤外線を検出可能な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、高精度に赤外線を検出可能な表示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、高精度に赤外線を検出可能な電子機器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。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置の作製方法を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device including a transistor exhibiting infrared light can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device exhibiting infrared rays with high definition can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of detecting infrared light with high accuracy can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a display device capable of detecting infrared light with high accuracy can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, an electronic device that can detect infrared light with high accuracy can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel method for manufacturing a semiconductor device can be provided.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
以下、本発明の実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることが可能である。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and various changes can be made in form and details without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。 Note that the position, size, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, or the like for easy understanding. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, or the like disclosed in the drawings and the like.
また、本明細書等において、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 In the present specification and the like, the ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.
また、本明細書において、「上に」「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Further, in this specification, terms indicating arrangements such as “above” and “below” are used for convenience in describing the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.
また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。 Further, in this specification and the like, in describing the structure of the invention with reference to the drawings, the same reference numerals are used in different drawings.
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「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。 In this specification and the like, even when expressed as “semiconductor”, for example, when the conductivity is sufficiently low, the semiconductor device may have characteristics as an “insulator”. Further, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous, and there is a case where it cannot be strictly distinguished. Therefore, the “semiconductor” in this specification and the like can be called an “insulator” in some cases. Similarly, an “insulator” in this specification and the like can be called a “semiconductor” in some cases. Alternatively, the “insulator” in this specification and the like can be referred to as a “semi-insulator” in some cases.
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「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。 In this specification and the like, even when expressed as “semiconductor”, for example, when the conductivity is sufficiently high, the semiconductor device may have characteristics as a “conductor”. Further, the boundary between the “semiconductor” and the “conductor” is ambiguous, and there are cases where it cannot be strictly distinguished. Therefore, a “semiconductor” in this specification and the like can be called a “conductor” in some cases. Similarly, a “conductor” in this specification and the like can be called a “semiconductor” in some cases.
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して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。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done. Note that in this specification and the like, a channel region refers to a region through which a current mainly flows.
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the source and drain may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書等では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification and the like, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書等では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification and the like, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets. For example, “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.
また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。そのため、電圧を電位と言い換えることが可能である。 In many cases, the voltage indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Therefore, a voltage can be rephrased as a potential.
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be interchanged with each other. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.
また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 Further, in this specification, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.
(実施の形態1)
本実施の形態においては、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法の一例について、図1乃至図13を用いて以下説明する。(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a method for manufacturing the semiconductor device will be described below with reference to FIGS.
<1−1.半導体装置の構成例1>
図1(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図である。また、図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図1(C)は、図1(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図1(A)においては明瞭化のため、トランジスタ100の構成要素の一部(基板102及び絶縁膜等)を省略して図示している。<1-1. Configuration Example 1 of Semiconductor Device>
FIG. 1A is a top view of a
また、図1(A)における一点鎖線X1−X2方向をトランジスタ100のチャネル長(L)方向、一点鎖線Y1−Y2方向をトランジスタ100のチャネル幅(W)方向と呼称する場合がある。 In addition, the dashed-dotted line X1-X2 direction in FIG. 1A may be referred to as a channel length (L) direction of the
トランジスタ100は、基板102上の第1のゲート電極(ボトムゲート電極ともいう)として機能する導電膜106と、基板102及び導電膜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上の第2のゲート電極(トップゲート電極ともいう)として機能する導電膜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。また、酸化物半導体膜108は、導電膜112が重畳し、且つ絶縁膜110と接するチャネル領域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。 The
また、トランジスタ100は、絶縁膜116上の絶縁膜118と、絶縁膜116、及び絶縁膜118に設けられた開口部141sを介して、ソース領域108sにおいて酸化物半導体膜108に電気的に接続される導電膜120sと、絶縁膜116、及び絶縁膜118に設けられた開口部141dを介して、ドレイン領域108dにおいて酸化物半導体膜108に電気的に接続される導電膜120dと、有する。 In addition, the
なお、本明細書等において、絶縁膜104を第1の絶縁膜と、絶縁膜110を第2の絶縁膜と、絶縁膜116を第3の絶縁膜と、絶縁膜118を第4の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、トランジスタ100において、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。そのため、本明細書等において、絶縁膜104を第1のゲート絶縁膜と、絶縁膜110を第2のゲート絶縁膜と呼称する場合がある。また、導電膜120sは、ソース電極としての機能を有し、導電膜120dは、ドレイン電極としての機能を有する。 Note that in this specification and the like, the insulating
また、トランジスタ100において、絶縁膜110の側端部と、導電膜112の側端部とが、揃う領域を有すると好ましい。別言すると、トランジスタ100において、絶縁膜110の上端部と、導電膜112の下端部が概略揃う構成である。例えば、導電膜112をマスクとして絶縁膜110を加工することで、上記構造とすることができる。 In the
また、トランジスタ100は、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられた開口部143を介して、導電膜106と導電膜112とが電気的に接続される。そのため、導電膜106と導電膜112には、同じ電位が与えられる。 In the
このように、トランジスタ100は、酸化物半導体膜108の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構成である。 As described above, the
≪s−channel構造≫
酸化物半導体膜108は、第1のゲート絶縁膜と、第2のゲート絶縁膜とを介して、導電膜106と、導電膜112とに挟持される。導電膜106のチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向の長さよりも長い。また、導電膜112のチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向の長さよりも長い。また、導電膜106と導電膜112とは、絶縁膜104及び絶縁膜110に設けられる開口部143において電気的に接続されているため、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向の側面の少なくとも一方は、絶縁膜110を介して導電膜112と対向している。すなわち、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向全体は、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜を介して導電膜106及び導電膜112に覆われている。≪s-channel structure≫
The
別言すると、トランジスタ100のチャネル幅方向において、導電膜106及び導電膜112は、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜108を囲む構成である。 In other words, the
このような構成とすることで、トランジスタ100が有する酸化物半導体膜108を、第1のゲート電極として機能する導電膜106及び第2のゲート電極として機能する導電膜112の電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ100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を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をsurrounded channel(s−channel)構造と呼ぶことができる。 With such a structure, the
トランジスタ100は、s−channel構造を有するため、導電膜106及び導電膜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。したがって、トランジスタ100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100を微細化することが可能となる。また、トランジスタ100は、導電膜106及び導電膜112によって囲まれた構造を有するため、トランジスタ100の機械的強度を高めることができる。 Since the
また、上記構成とすることによって、酸化物半導体膜108においてキャリアの流れる領域が、酸化物半導体膜108の絶縁膜104側と、及び酸化物半導体膜108の絶縁膜110側と、さらに酸化物半導体膜108の膜中の広い範囲となるため、トランジスタ100はキャリアの移動量が増加する。その結果、トランジスタ100のオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が大きくなり、具体的には電界効果移動度が10cm2/V・s以上となる。なお、ここでの電界効果移動度は、酸化物半導体膜の物性値としての移動度の近似値ではなく、トランジスタの飽和領域における電流駆動力の指標であり、見かけの電界効果移動度である。With the above structure, the carrier flow region in the
なお、図1(C)(トランジスタ100のチャネル幅方向)において、開口部143が形成されている箇所と酸化物半導体膜108を挟んだ反対側に、開口部143と異なる開口部を形成してもよい。 Note that in FIG. 1C (in the channel width direction of the transistor 100), an opening which is different from the
また、開口部143を設けずに、導電膜106と、導電膜112と、に異なる電位を与えてもよい。すなわち、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には信号Bが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Vaが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。 Alternatively, different potentials may be applied to the
また、トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。 In addition, when a fixed potential is applied to both gate electrodes of a transistor, the transistor may function as an element equivalent to a resistance element. For example, in the case where the transistor is an n-channel transistor, the effective resistance of the transistor can be decreased (increased) by increasing (decreasing) the fixed potential Va or the fixed potential Vb in some cases. By making both the fixed potential Va and the fixed potential Vb higher (lower), an effective resistance lower (higher) than that obtained by a transistor having only one gate may be obtained.
このように、トランジスタ100は、s−channel構造を有するため、高いオン電流特性を得ることが可能となるが、酸化物半導体膜108におけるチャネル領域108iに電流を流したとき、その電気エネルギーの一部がジュール熱として熱に変換される場合がある。また、トランジスタ100は、第2のゲート電極として機能する導電膜112上に、さらに絶縁膜116及び絶縁膜118を有する。したがって、酸化物半導体膜108におけるチャネル領域108iは、導電膜106、絶縁膜104、絶縁膜110、導電膜112、絶縁膜116、及び絶縁膜118に挟持される構造を有する。そのため、保温効果に優れ、トランジスタ100に電流を流した際に発生する熱が放熱されにくい。すなわち、トランジスタ100は、電流を流したときに高温になりやすく、熱によって発生する赤外線を発光しやすい構造である。特に、高温によって波長が短い赤外線を強く発光することが可能であり、赤外線の中でも780nm乃至2500nmの波長領域である近赤外線を発光しやすく、中でも900nm以上1550nm以下の波長領域の近赤外線を発光しやすい。 Thus, since the
なお、より高いオン電流特性を得るためには、トランジスタ100のチャネル幅は、大きい方が好ましく、具体的には、好ましくは50μm以上、より好ましくは100μm以上である。 Note that in order to obtain higher on-state current characteristics, the channel width of the
また、酸化物半導体膜108から、導電膜120s及び導電膜120dへ熱が伝搬しにくいよう、チャネル幅方向における酸化物半導体膜108の大きさ(diw)は、酸化物半導体膜108と重畳する領域における導電膜120sのチャネル幅方向の大きさ(dsw)及び導電膜120dのチャネル幅方向の大きさ(ddw)と、同程度の大きさである領域を有すると好ましい。もしくは、diwがdsw及びddwより大きい領域を有すると好ましい。すなわち、トランジスタ100は、diw≧dsw及びdiw≧ddwである領域を有すると好ましい。In addition, the size (d iw ) of the
また、導電膜120sは、酸化物半導体膜108と重畳しない領域におけるチャネル幅方向の大きさ(dsw’)が、酸化物半導体膜108と重畳する領域におけるチャネル幅方向の大きさ(dsw)より、小さい(dsw>dsw’)領域を有すると好ましい。また、導電膜120dは、酸化物半導体膜108と重畳しない領域におけるチャネル幅方向の大きさ(ddw’)が、酸化物半導体膜108と重畳する領域におけるチャネル幅方向の大きさ(ddw)より、小さい(ddw>ddw’)領域を有すると好ましい。In addition, the
また、酸化物半導体膜108におけるチャネル領域108iと、開口部141sにおいて酸化物半導体膜108が導電膜120sと接続する領域との距離(dsi)、及びチャネル領域108iと、開口部141dにおいて酸化物半導体膜108が導電膜120dと接続する領域との距離(ddi)を、それぞれ大きくすることで、チャネル領域108iで発生した熱を導電膜120s及び導電膜120dへ伝搬させにくくすることが可能であるため好ましく、具体的には、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上である。In addition, the distance (d si ) between the
また、開口部141s及び開口部141dの大きさを小さくすることで、チャネル領域108iで発生した熱を導電膜120s及び導電膜120dへ伝搬させにくくすることが可能であるため好ましい。 In addition, it is preferable to reduce the size of the
また、酸化物半導体膜108と接続する導電膜である導電膜120s及び導電膜120dは、熱伝導率が低い物質であることが好ましい。 The
上記構成とすることで、トランジスタ100を近赤外線が発光しやすいトランジスタとすることが可能となる。 With the above structure, the
<1−2.半導体装置の構成要素>
以下に本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。<1-2. Components of Semiconductor Device>
Hereinafter, components included in the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail.
≪酸化物半導体膜≫
本発明の一態様であるトランジスタ100における酸化物半導体膜108は、金属酸化物を有し、該金属酸化物は少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を有すると好ましい。≪Oxide semiconductor film≫
The
酸化物半導体膜がInを有すると、例えばキャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物半導体膜がZnを有すると、酸化物半導体膜の結晶化が起こり易い。 When the oxide semiconductor film contains In, for example, carrier mobility (electron mobility) increases. In addition, when the oxide semiconductor film contains Zn, the oxide semiconductor film is likely to be crystallized.
また、酸化物半導体膜がスタビライザーとしての機能を有する元素Mを有すると、例えば酸化物半導体膜のエネルギーギャップ(Eg)が大きくなる。本発明の一態様に好適な酸化物半導体膜としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である。このように、エネルギーギャップの大きい金属酸化物を酸化物半導体膜108に用いることで、トランジスタ100のオフ電流を低減することができる。なお、元素Mは、酸素との結合エネルギーが高い元素であり、酸素との結合エネルギーがInよりも高い。 In addition, when the oxide semiconductor film includes the element M having a function as a stabilizer, for example, the energy gap (Eg) of the oxide semiconductor film is increased. An oxide semiconductor film suitable for one embodiment of the present invention has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more. In this manner, the off-state current of the
本発明の一態様の半導体装置に好適な酸化物半導体膜としては、代表的には、In−Zn酸化物、In−M酸化物、In−M−Zn酸化物を用いることができる。中でもIn−M−Zn酸化物(Mはアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、またはスズ(Sn)を表す)を用いることが好ましい。特に、MをGaとする、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOと呼ぶ場合がある。)を用いることが好ましい。 As an oxide semiconductor film suitable for the semiconductor device of one embodiment of the present invention, typically, an In—Zn oxide, an In—M oxide, or an In—M—Zn oxide can be used. Among these, an In-M-Zn oxide (M represents aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y), or tin (Sn)) is preferably used. In particular, an In—Ga—Zn oxide (hereinafter sometimes referred to as IGZO) in which M is Ga is preferably used.
なお、酸化物半導体膜108がIn−M−Zn酸化物の場合、InとMの原子数比率は、In及びMの和を100atomic%としたときInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、またはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。特に、酸化物半導体膜108は、Inの原子数比がMの原子数比以上である領域を有すると好ましい。 Note that in the case where the
酸化物半導体膜108が、Inの原子数比がMの原子数比以上である領域を有することで、トランジスタ100の電界効果移動度(単に移動度、またはμFEという場合がある)を高くすることができる。具体的には、トランジスタ100の電界効果移動度が10cm2/V・sより大きくなる、さらに好ましくはトランジスタ100の電界力果移動度が30cm2/V・sより大きくなることが可能となる。The
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタはチャネル幅を小さくすることができるため、当該トランジスタを、ゲート信号を生成する走査線駆動回路(ゲートドライバともいう)、または走査線駆動回路が有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサに用いることで、走査線駆動回路のサイズを小さくすることができ、額縁幅の狭い(狭額縁ともいう)半導体装置または表示装置を提供することができる。あるいは、当該回路に用いるトランジスタのゲート電圧を低減することが可能となるため、表示装置の消費電力を低減することができる。なお、走査線駆動回路の詳細については、後述する。 For example, since the above-described transistor with high field-effect mobility can have a small channel width, the transistor has a shift included in a scan line driver circuit (also referred to as a gate driver) that generates a gate signal or a scan line driver circuit. By using the demultiplexer connected to the output terminal of the register, the size of the scan line driver circuit can be reduced, and a semiconductor device or a display device with a narrow frame width (also referred to as a narrow frame) can be provided. Alternatively, since the gate voltage of a transistor used in the circuit can be reduced, power consumption of the display device can be reduced. Note that details of the scanning line driving circuit will be described later.
また、トランジスタの電界効果移動度を高めることで、表示装置を高精細にすることができる。例えば、4K×2K(水平方向画素数=3840、垂直方向画素数=2160)または8K×4K(水平方向画素数=7680、垂直方向画素数=4320)に代表される高精細な表示装置の画素回路または駆動回路のトランジスタとして、上記トランジスタは好適である。 In addition, the display device can have high definition by increasing the field-effect mobility of the transistor. For example, a pixel of a high-definition display device typified by 4K × 2K (the number of horizontal pixels = 3840, the number of vertical pixels = 2160) or 8K × 4K (the number of horizontal pixels = 7680, the number of vertical pixels = 4320) The transistor is suitable as a transistor of a circuit or a driver circuit.
酸化物半導体膜108の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上60nm以下である。 The thickness of the
酸化物半導体膜108がIn−M−Zn酸化物で形成される場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、InはM以上、ZnはM以上を満たすことが好ましい。あるいは、スパッタリングターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=xb:yb:zb[原子数比]とすると、xb/ybは、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、zb/ybは、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、zb/ybを1以上6以下とすることで、酸化物半導体膜108として後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜が形成されやすくなる。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、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:7等、及びその近傍が好ましい。In the case where the
なお、酸化物半導体膜108の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。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:Zn=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。または、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1.2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=1:1:1近傍となる場合がある。または、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=5:1:7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=5:1:6近傍となる場合がある。 Note that the atomic ratio of the
また、酸化物半導体膜108中のチャネル領域108iに混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、酸化物半導体膜108中のチャネル領域108iにおいては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。 Further, an impurity such as hydrogen or moisture mixed in the
酸化物半導体膜108に含まれる水素は金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、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、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオン特性ともいう)となりやすい。 Hydrogen contained in the
このため、酸化物半導体膜108のチャネル領域108iは、水素が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108において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/cm3未満、好ましくは1×1018atoms/cm3以下、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以下とする。その結果、トランジスタのしきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう)を有する。Therefore, the
また、酸化物半導体膜108において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型となる場合がある。このため、酸化物半導体膜108、特にチャネル領域108iにおいて、シリコンあるいは炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、または2×1017atoms/cm3以下とすることができる。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。In the case where the
また、チャネル領域108iにおいて、二次イオン質量分析法により得られる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、または2×1016atoms/cm3以下とすることができる。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、チャネル領域108i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。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。In the
また、チャネル領域108iに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型となる場合がある。この結果、窒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。従って、チャネル領域108iにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度を、5×1018atoms/cm3以下とすればよい。In addition, when nitrogen is contained in the
また、チャネル領域108iにおいて、不純物元素を低減することで、酸化物半導体膜108のキャリア密度を低減することができる。このため、チャネル領域108iにおいては、キャリア密度を1×1017/cm3以下、または1×1015/cm3以下、または1×1013/cm3以下、または1×1011/cm3以下とすることができる。In addition, the carrier density of the
チャネル領域108iとして、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜108を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。あるいは、真性、または実質的に真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)になりやすい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さい特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。 When the
なお、半導体の不純物とは、半導体膜を構成する主成分以外をいう。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 State)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。 Note that a semiconductor impurity refers to a component other than the main component included in the semiconductor film. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% is an impurity. By including impurities, DOS (Density of State) may be formed in the semiconductor, carrier mobility may be reduced, and crystallinity may be reduced. In the case where the semiconductor includes an oxide semiconductor, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう)になりやすい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, a transistor in which a channel region is formed in a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film tends to have electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive. In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, and thus may have a low density of trap states.
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が1×106μmでチャネル長Lが10μmの半導体素子であっても、ソース電極とドレイン電極との間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10V範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。したがって、酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。In addition, a transistor including a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film is a semiconductor element with extremely small off-state current, a channel width of 1 × 10 6 μm, and a channel length L of 10 μm. However, when the voltage between the source electrode and the drain electrode (drain voltage) is in the range of 1 V to 10 V, the off current can be obtained to be less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1 × 10 −13 A or less. . Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor film has little change in electrical characteristics and has high reliability.
また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(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Vgs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Vthよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。 In this specification and the like, unless otherwise specified, off-state current refers to drain current when a transistor is off (also referred to as a non-conduction state or a cutoff state). The off state is a state where the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel transistor, and the voltage Vgs between the gate and the source in the p-channel transistor unless otherwise specified. Is higher than the threshold voltage Vth. For example, the off-state current of an n-channel transistor sometimes refers to a drain current when the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth.
トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流が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。 The off-state current of the transistor may depend on Vgs. Therefore, the off-state current of the transistor being I or less sometimes means that there exists a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is I or less. The off-state current of a transistor may refer to an off-state current in an off state at a predetermined Vgs, an off state in a Vgs within a predetermined range, or an off state in Vgs at which a sufficiently reduced off current is obtained.
一例として、しきい値電圧Vthが0.5Vであり、Vgsが0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10−13Aであり、Vgsが−0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−19Aであり、Vgsがー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。As an example, the threshold voltage Vth is 0.5V, Vgs is the drain current is 1 × 10 -9 A in 0.5V, the drain current Vgs is at 0.1V is located at 1 × 10- 13 A Assume that an n-channel transistor has a drain current of 1 × 10 −19 A when Vgs is −0.5 V and a drain current of 1 × 10 −22 A when Vgs is −0.8 V. Since the drain current of the transistor is 1 × 10 −19 A or less when Vgs is −0.5 V or Vgs is in the range of −0.5 V to −0.8 V, the off-state current of the transistor is 1 It may be said that it is below x10 <-19> A. Since there is Vgs at which the drain current of the transistor is 1 × 10 −22 A or less, the off-state current of the transistor may be 1 × 10 −22 A or less.
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、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。 The off-state current of a transistor may depend on temperature. In this specification, off-state current may represent off-state current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C. unless otherwise specified. Alternatively, at a temperature at which reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or a temperature at which the semiconductor device or the like including the transistor is used (for example, any one temperature of 5 ° C. to 35 ° C.). May represent off-state current. The off-state current of a transistor is I or less means that room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., 125 ° C., a temperature at which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or the transistor includes In some cases, there is a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is equal to or lower than I at a temperature (for example, any one temperature of 5 ° C. to 35 ° C.) at which the semiconductor device or the like is used.
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Vdsに依存する場合がある。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。 The off-state current of the transistor may depend on the voltage Vds between the drain and the source. In this specification, the off-state current is Vds of 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V unless otherwise specified. Or an off-current at 20V. Alternatively, Vds in which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or an off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor may be represented. The off-state current of the transistor is equal to or less than I. Vds is 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V, 20V Vds for which the reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or there is a value of Vgs at which the off-state current of the transistor at Vds used in the semiconductor device including the transistor is I or less. May be pointed to.
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、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。 In the description of the off-state current, the drain may be read as the source. That is, the off-state current sometimes refers to a current that flows through the source when the transistor is off.
また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、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。 In this specification and the like, the term “leakage current” may be used in the same meaning as off-state current. In this specification and the like, off-state current may refer to current that flows between a source and a drain when a transistor is off, for example.
なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定になる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。 Note that the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor film takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor film with a high trap state density may have unstable electrical characteristics. Examples of impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, and alkaline earth metals.
また、酸化物半導体膜108中のチャネル領域108iに形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜108のチャネル領域108i中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜108のチャネル領域108i中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜108を有するトランジスタ100の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、酸化物半導体膜108のチャネル領域108iにおいては、酸素欠損が少ないほど好ましい。 Further, oxygen vacancies formed in the
そこで、本発明の一態様においては、酸化物半導体膜に接する絶縁膜、具体的には、酸化物半導体膜108の下方に形成される絶縁膜104、及び酸化物半導体膜108の上方に形成される絶縁膜110が過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜104、及び絶縁膜110から酸化物半導体膜108へ酸素または過剰酸素を移動させることで、酸化物半導体膜108中の酸素欠損を低減することが可能となる。よって、トランジスタ100の電気特性の変動、特に光照射におけるトランジスタ100の電気特性の変動を抑制することが可能となる。 Therefore, in one embodiment of the present invention, the insulating film in contact with the oxide semiconductor film, specifically, the insulating
また、本発明の一態様においては、絶縁膜104、及び絶縁膜110に過剰酸素を含有させるために、作製工程の増加がない、または作製工程の増加が極めて少ない作製方法を用いる。よって、トランジスタ100の歩留まりを高くすることが可能である。 In one embodiment of the present invention, a manufacturing method in which there is no increase in manufacturing steps or in which the number of manufacturing steps is extremely small is used in order to contain excess oxygen in the insulating
具体的には、酸化物半導体膜108を形成する工程において、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて酸化物半導体膜108を形成することで、酸化物半導体膜108の被形成面となる絶縁膜104に酸素または過剰酸素を添加する。 Specifically, in the step of forming the
このような構造を有するトランジスタ100は、酸化物半導体膜108におけるチャネル領域108iの欠陥が極めて少ないため、電気特性が向上する。代表的には、トランジスタ100のオン電流の増大および電界効果移動度の向上が可能である。また、トランジスタ100は、ストレス試験の一例であるBTストレス試験及び光BTストレス試験におけるしきい値電圧の変動量が少なく、信頼性が高い。なお、BTストレス試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化(即ち、経年変化)を、短時間で評価することができる。特に、BTストレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための重要な指標となる。BTストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど、信頼性が高いトランジスタであるといえる。 In the
一方で、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、絶縁膜116と接する。ソース領域108s、及びドレイン領域108dが絶縁膜116と接することで、絶縁膜116からソース領域108s、及びドレイン領域108dに水素及び窒素のいずれか一方または双方が添加されるため、キャリア密度が高くなる。 On the other hand, the
なお、酸化物半導体膜108としては、上記の構造に限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 Note that the
また、酸化物半導体膜108は、非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、後述する微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 The
なお、酸化物半導体膜108が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、及び単結晶構造の領域の二種以上を有する単層膜、あるいはこの膜が積層された構造であってもよい。 Note that the
なお、酸化物半導体膜108において、チャネル領域108iと、ソース領域108s及びドレイン領域108dとの結晶性が異なる場合がある。具体的には、酸化物半導体膜108において、チャネル領域108iよりもソース領域108s及びドレイン領域108dの方が、結晶性が低い場合がある。これは、ソース領域108s及びドレイン領域108dに不純物元素が添加された際に、ソース領域108s及びドレイン領域108dにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。 Note that in the
また、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は、それぞれ、酸素欠損を形成する元素を有していてもよい。上記酸素欠損を形成する元素(不純物元素ともいう)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、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。 The
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酸素の結合が切断され、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。 When the impurity element is added to the oxide semiconductor film, the bond between the metal element and oxygen in the oxide semiconductor film is cut, so that an oxygen vacancy is formed. Alternatively, when an impurity element is added to the oxide semiconductor film, oxygen bonded to the metal element in the oxide semiconductor film is bonded to the impurity element, so that oxygen is released from the metal element and oxygen vacancies are formed. The As a result, the carrier density in the oxide semiconductor film is increased and the conductivity is increased.
≪基板≫
基板102としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板またはシリコン基板)、SOI基板、ガラス基板、石英基板、セラミック基板、サファイア基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、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(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。<< Board >>
Various substrates can be used as the
なお、基板102として、ガラス基板を用いる場合、第6世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。 When a glass substrate is used as the
また、基板102として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板102とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板102より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタを耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成、または基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。 Alternatively, a flexible substrate may be used as the
トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。 Examples of a substrate on which a transistor is transferred include a paper substrate, a cellophane substrate, an aramid film substrate, a polyimide film substrate, a stone substrate, a wood substrate, a cloth substrate (natural fiber) in addition to the above-described substrate capable of forming a transistor. (Silk, cotton, hemp), synthetic fibers (including nylon, polyurethane, polyester) or recycled fibers (including acetate, cupra, rayon, recycled polyester), leather substrates, rubber substrates, and the like. By using these substrates, it is possible to form a transistor with good characteristics, a transistor with low power consumption, manufacture a device that is not easily broken, impart heat resistance, reduce weight, or reduce thickness.
≪第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜≫
絶縁膜104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は、例えば、酸化物絶縁膜および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。<< Insulating film functioning as first gate insulating film >>
The insulating
絶縁膜104の厚さは、50nm以上、または100nm以上3000nm以下、または200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁膜104を厚くすることで、絶縁膜104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜104と酸化物半導体膜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108iに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。 The thickness of the insulating
絶縁膜104として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜104として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁膜104を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、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。 The insulating
なお、本明細書等において、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ものを指し、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の範囲で含まれるものをいう。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ものを指し、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。 Note that in this specification and the like, silicon oxynitride refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen, preferably oxygen is 55 atomic% or more and 65 atomic% or less, and nitrogen is 1 atomic% or more. The term includes 20 atomic% or less, silicon in a range of 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen in a range of 0.1 atomic% to 10 atomic%. Silicon nitride oxide refers to a composition having a nitrogen content higher than that of oxygen. Preferably, nitrogen is 55 atomic% to 65 atomic%, oxygen is 1 atomic% to 20 atomic%, and silicon is 25 This means that the concentration is in the range of atomic% to 35 atomic% and hydrogen in the concentration range of 0.1 atomic% to 10 atomic%.
なお、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、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域(酸素過剰領域)を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜104は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜104に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜104を形成すればよい。または、成膜後の絶縁膜104に酸素を添加してもよい。成膜後の絶縁膜104に酸素を添加する方法については後述する。 Note that at least a region in contact with the
また、絶縁膜104として、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を好適に用いることができる。該ハフニウムやイットリウムを有する材料は、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、絶縁膜104に上記high−k材料を用いることで、酸化シリコン膜を用いる場合と比べて膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。As the insulating
なお、本実施の形態では、絶縁膜104として導電膜106側に窒化シリコン膜を、酸化物半導体膜108側に酸化シリコン膜を、積層して形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きい。そのため、トランジスタ100の第1のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで、第1のゲート絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ100の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ100の静電破壊を抑制することができる。 Note that in this embodiment, the insulating
≪第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜≫
絶縁膜110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、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。<< Insulating film functioning as second gate insulating film >>
The insulating
また、絶縁膜110として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜108からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜108への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、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等がある。 Further, by providing an insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, or the like as the insulating
また、絶縁膜110として、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。Further, as the insulating
また、絶縁膜110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110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。 In addition, by using an oxide insulating film from which oxygen is released by heating as the insulating
そのためには、絶縁膜110は、少なくとも、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を有することが好ましい。なお、第2のゲート絶縁膜を適宜1層、または2層以上とすることができる。なお、これらの場合、少なくとも、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を有することが好ましい。 For that purpose, the insulating
絶縁膜110の厚さは、5nm以上400nm以下、または50nm以上300nm以下、または10nm以上250nm以下とすることができる。 The thickness of the insulating
≪第1のゲート電極、及び一対の電極として機能する導電膜≫
導電膜106、及び導電膜120s、120d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120s、120dとしては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、導電膜120s、120dは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、マンガンを含む銅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、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅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を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。«First gate electrode and conductive film functioning as a pair of electrodes»
The
また、導電膜120s、120dは、インジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、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、シリコンを含むインジウム錫酸化物(In−Sn−Si酸化物:ITSOともいう)等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。 The
導電膜120s、120dの厚さとしては、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。 The thickness of the
≪第2のゲート電極として機能する導電膜112≫
第2のゲート電極として機能する導電膜112は、先に示す第1のゲート電極として機能する導電膜106、及び一対の電極として機能する導電膜120s、120dと同様の材料及び作製方法を用いて形成することができる。または、これらの積層構造であってもよい。<<
The
また、導電膜112としては、先に示す酸化物半導体膜108と同様の材料、及び作製方法を用いて形成することができる。例えば、導電膜112としては、In酸化物、In−Sn酸化物、In−Zn酸化物、In−Ga酸化物、Zn酸化物、Al−Zn酸化物、またはIn−Ga−Zn酸化物などを用いることができる。特に、In−Sn酸化物、またはIn−Ga−Zn酸化物を用いると好ましい。また、導電膜112としては、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物(ITSO)など材料を用いることができる。また、導電膜112と、酸化物半導体膜108と、が同一の金属元素を有する構成とすることで、製造コストを抑制することが可能となる。 The
例えば、導電膜112として、In−M−Zn酸化物を用いる場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、InがM以上である領域を有することが好ましい。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=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:7等およびその近傍が挙げられる。なお、導電膜112としては、上記のスパッタリングターゲットの組成に限定されない。また、導電膜112の構造としては、単層構造または2層以上の積層構造とすることができる。 For example, in the case where an In-M-Zn oxide is used as the
また、導電膜112は、絶縁膜110に酸素を供給する機能を有する。導電膜112が、絶縁膜110に酸素を供給する機能を有することで、絶縁膜110中に過剰酸素を含ませることが可能となる。絶縁膜110が過剰酸素領域を有することで、酸化物半導体膜108、より具体的にはチャネル領域108i中に当該過剰酸素を供給することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 The
なお、酸化物半導体膜108中に過剰酸素を供給させるためには、酸化物半導体膜108の下方に形成される絶縁膜104に過剰酸素を供給してもよい。ただし、この場合、絶縁膜104中に含まれる酸素は、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にも供給され得る。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中の抵抗が高くなる場合がある。 Note that in order to supply excess oxygen into the
一方で、酸化物半導体膜108の上方に形成される絶縁膜110に過剰酸素を有する構成とすることで、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108d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ればよい。 On the other hand, when the insulating
また、導電膜112は、絶縁膜110に酸素を供給したのち、絶縁膜116から窒素および水素のいずれか一方または双方が供給されることで、伝導帯近傍にドナー準位が形成され、キャリア密度が高くなる。別言すると、導電膜112は、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)としての機能も有する。したがって、導電膜112は、酸化物半導体膜108よりもキャリア密度が高くなる。 In addition, after supplying oxygen to the insulating
一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。そのため、導電膜112に酸化物導電体を用いることで、チャネル領域108iで発光した赤外線を効率よく取り出すことができる。 In general, an oxide semiconductor has a large energy gap and thus has a light-transmitting property with respect to visible light. On the other hand, an oxide conductor is an oxide semiconductor having a donor level in the vicinity of the conduction band. Therefore, the oxide conductor is less influenced by absorption due to the donor level, and has a light-transmitting property similar to that of an oxide semiconductor with respect to visible light. Therefore, by using an oxide conductor for the
≪第3の絶縁膜≫
絶縁膜116は、窒素または水素のいずれか一方または双方を有する。絶縁膜116が窒素または水素のいずれか一方または双方を有する構成とすることで、酸化物半導体膜108、及び導電膜112に窒素または水素のいずれか一方または双方を供給することができる。絶縁膜116としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム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。また、絶縁膜116は、導電膜112と接する。したがって、絶縁膜116と接するソース領域108s、ドレイン領域108d、及び導電膜112中の水素濃度が高くなり、ソース領域108s、ドレイン領域108d、及び導電膜112のキャリア密度を高めることができる。なお、ソース領域108s、ドレイン領域108d、及び導電膜112としては、それぞれ絶縁膜116と接することで、膜中の水素濃度が同じ領域を有する場合がある。≪Third insulating film≫
The insulating
≪第4の絶縁膜≫
絶縁膜118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。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、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。≪Fourth insulating film≫
As the insulating
また、絶縁膜118としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。 The insulating
絶縁膜118の厚さは、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。 The thickness of the insulating
<1−3.半導体装置の構成例2乃至6>
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図2乃至図9を用いて説明する。<1-3. Configuration Examples 2 to 6 of Semiconductor Device>
Next, a structure different from the semiconductor device illustrated in FIGS. 1A to 1C is described with reference to FIGS.
≪半導体装置の構成例2≫
図2(A)は、トランジスタ100Aの上面図であり、図2(B)は図2(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図2(C)は図2(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。<< Configuration Example 2 of Semiconductor Device >>
2A is a top view of the
図2(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Aは、基板102上に形成された絶縁膜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。また、酸化物半導体膜108は、絶縁膜110と接するチャネル領域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。 2A, 2B, and 2C includes an insulating
トランジスタ100Aは、先に示すトランジスタ100の構成と、導電膜106、及び開口部143を有さない点で異なる。 The
このように、図2(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Aは、先に説明したトランジスタ100と異なり、酸化物半導体膜108の上にのみゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ100Aに示すように、ゲート電極を1つとすることで、作製が容易になるため、安価に作製することができる。 As described above, the
≪半導体装置の構成例3≫
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図3(A)(B)(C)を用いて説明する。<< Configuration Example 3 of Semiconductor Device >>
Next, a different structure from the semiconductor device illustrated in FIGS. 1A to 1C is described with reference to FIGS.
図3(A)は、トランジスタ100Bの上面図であり、図3(B)は図3(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図3(C)は図3(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 3A is a top view of the
図3(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Bは、先に示すトランジスタ100と導電膜112の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Bが有する導電膜112の下端部は、絶縁膜110の上端部よりも内側に形成される。別言すると、絶縁膜110の側端部は、導電膜112の側端部よりも外側に位置する。 3A, 3B, and 3C are different in the shape of the
例えば、導電膜112と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、導電膜112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、上記構造とすることができる。 For example, the
また、導電膜112を上記の構造とすることで、酸化物半導体膜108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。 Further, when the
領域108fは、高抵抗領域あるいは低抵抗領域のいずれか一方として機能する。高抵抗領域とは、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100B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。 The
また、低抵抗領域とは、チャネル領域108iよりも抵抗が低く、且つソース領域108s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。 The low resistance region is a region having a lower resistance than the
なお、領域108fを低抵抗領域とする場合には、例えば、絶縁膜116から領域108fに水素または窒素のいずれか一方または双方を供給する、あるいは、絶縁膜110及び導電膜112をマスクとして、導電膜112の上方から不純物元素を添加することで、当該不純物が絶縁膜110を介し、酸化物半導体膜108に添加されることで形成される。 Note that in the case where the
≪半導体装置の構成例4≫
次に、図3(A)(B)(C)に示す半導体装置の変形例について、図4(A)(B)を用いて説明する。<< Configuration Example 4 of Semiconductor Device >>
Next, a modification of the semiconductor device illustrated in FIGS. 3A, 3B, and 3C is described with reference to FIGS.
図4(A)(B)は、トランジスタ100Cの断面図である。トランジスタ100Cの上面図としては、図3(A)に示すトランジスタ100Bと同様であるため、図3(A)を援用して説明する。図4(A)は図3(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図4(B)は図3(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 4A and 4B are cross-sectional views of the transistor 100C. A top view of the transistor 100C is similar to the
トランジスタ100Cは、先に示すトランジスタ100Bに平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜122が設けられている点が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Bと同様の構成であり、同様の効果を奏する。 The transistor 100C is different from the
絶縁膜122は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜122としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、酸化シリコン、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、窒化アルミニウム等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。 The insulating
なお、図4(A)(B)においては、絶縁膜122が有する開口部の形状は、開口部141s、141dよりも小さい形状としたが、これに限定されず、例えば、開口部141s、141dと同じ形状、または開口部141s、141dよりも大きい形状としてもよい。 4A and 4B, the shape of the opening included in the insulating
また、図4(A)(B)においては、絶縁膜122上に導電膜120s、120dを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、絶縁膜118上に導電膜120s、120dを設け、導電膜120s、120d上に絶縁膜122を設ける構成としてもよい。 4A and 4B illustrate the structure in which the
≪半導体装置の構成例5≫
次に、図2(A)(B)(C)に示す半導体装置の変形例について、図5及び図6を用いて説明する。<< Configuration Example 5 of Semiconductor Device >>
Next, a modification of the semiconductor device illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C is described with reference to FIGS.
図5(A)(B)は、トランジスタ100Dの断面図である。トランジスタ100Dの上面図としては、図2(A)に示すトランジスタ100と同様であるため、図2(A)を援用して説明する。図5(A)は図2(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図5(B)は図2(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 5A and 5B are cross-sectional views of the
トランジスタ100Dは、先に示すトランジスタ100Aと絶縁膜110の形状が異なる。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。 The
トランジスタ100Dが有する絶縁膜110は、導電膜112よりも内側に位置する。別言すると、絶縁膜110の側面は、導電膜112の下端部よりも内側に位置する。例えば、導電膜112を加工したあとに、エッチャント等を用い絶縁膜110をサイドエッチングすることで、図5(A)(B)に示す構成とすることができる。なお、絶縁膜110を上記構造とすることで、導電膜112の下方には、中空領域147が形成される。 The insulating
中空領域147は、空気を有し、ゲート絶縁膜の一部として機能する。なお、中空領域147の比誘電率は、空気と同じく、概ね1となる。したがって、トランジスタ100Dの構造とすることで、ゲート電極として機能する導電膜112に電圧が印加された場合、中空領域147の下方のチャネル領域108iに与えられる電圧が、絶縁膜110の下方のチャネル領域108iに与えられる電圧よりも低くなる。よって、中空領域147の下方のチャネル領域108iは、実効的にオーバーラップ領域(Lov領域ともいう)として機能する。なお、Lov領域とは、ゲート電極として機能する導電膜112と重なり、且つチャネル領域108iよりも抵抗が低い領域である。 The
図6(A)(B)は、トランジスタ100Eの断面図である。トランジスタ100Eの上面図としては、図2(A)に示すトランジスタ100と同様であるため、図2(A)を援用して説明する。図9(A)は図2(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図9(B)は図2(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 6A and 6B are cross-sectional views of the
トランジスタ100Eは、先に示すトランジスタ100Aと絶縁膜110と、絶縁膜116の形状が異なる。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。 The
トランジスタ100Eが有する絶縁膜110は、導電膜112よりも内側に位置する。別言すると、絶縁膜110の側面は、導電膜112の下端部よりも内側に位置する。例えば、導電膜112を加工したあとに、エッチャント等を用い絶縁膜110をサイドエッチングすることで、図6(A)(B)に示す構成とすることができる。また、絶縁膜110を上記構造としたのち、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116が、導電膜112の下側にも入り込み、絶縁膜116が、導電膜112の下方に位置する酸化物半導体膜108と接する。 The insulating
上記構成とすることで、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、導電膜112の下端部よりも内側に位置する。よって、トランジスタ100Eは、Lov領域を有する。 With the above structure, the
トランジスタ100D、及びトランジスタ100EのようにLov領域を有する構造とすることで、チャネル領域108iと、ソース領域108s及びドレイン領域108dとの間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を高めることが可能となる。 With the structure having the Lov region like the
≪半導体装置の構成例6≫
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置の変形例について、図7乃至図9を用いて説明する。<< Configuration Example 6 of Semiconductor Device >>
Next, modified examples of the semiconductor device illustrated in FIGS. 1A, 1B, and 1C are described with reference to FIGS.
図7(A)(B)は、トランジスタ100Fの断面図である。トランジスタ100Fの上面図としては、図1(A)に示すトランジスタ100と同様であるため、図1(A)を援用して説明する。図7(A)は図1(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図7(B)は図1(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 7A and 7B are cross-sectional views of the
トランジスタ100Fは、先に示すトランジスタ100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100と同様の構成であり、同様の効果を奏する。 The
トランジスタ100Fが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜116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。 The
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。 The
図8(A)(B)は、トランジスタ100Gの断面図である。トランジスタ100Gの上面図としては、図1(A)に示すトランジスタ100と同様であるため、図1(A)を援用して説明する。図8(A)は図1(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図8(B)は図1(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 8A and 8B are cross-sectional views of the
トランジスタ100Gは、先に示すトランジスタ100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100と同様の構成であり、同様の効果を奏する。 The
トランジスタ100Gが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜116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。 The
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108_3の2層の積層構造である。 The
また、トランジスタ100Gは、チャネル領域108iにおいては、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜108_3の積層構造である。 The
≪バンド構造≫
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、並びに、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_2、108_3、及び絶縁膜110のバンド構造について、図9を用いて説明する。≪Band structure≫
Here, the band structure of the insulating
図9(A)は、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、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9(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。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。 FIG. 9A illustrates an example of a band structure in the film thickness direction of a stacked structure including the insulating
また、図9(A)は、絶縁膜104、110として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜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。 FIG. 9A illustrates a metal oxide target in which a silicon oxide film is used as the insulating
また、図9(B)は、絶縁膜104、110として酸化シリコン膜を用い、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。 FIG. 9B illustrates a case where a silicon oxide film is used as the insulating
図9(A)に示すように、酸化物半導体膜108_1、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9(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。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。 As shown in FIG. 9A, in the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In addition, as illustrated in FIG. 9B, in the oxide semiconductor films 108_2 and 108_3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined. In order to have such a band structure, a trap center or a recombination center is formed at the interface between the oxide semiconductor film 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2 or the interface between the oxide semiconductor film 108_2 and the oxide semiconductor film 108_3. It is assumed that there is no impurity that forms such a defect level.
酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3に連続接合を形成するためには、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。 In order to form a continuous bond with the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, each film is continuously formed without being exposed to the air using a multi-chamber film formation apparatus (sputtering apparatus) including a load lock chamber. It is necessary to laminate them.
図9(A)(B)に示す構成とすることで酸化物半導体膜108_2がウェル(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。 With the structure illustrated in FIGS. 9A and 9B, the oxide semiconductor film 108_2 becomes a well, and a channel region is formed in the oxide semiconductor film 108_2 in the transistor including the above stacked structure. Recognize.
なお、酸化物半導体膜108_1、108_3を設けることにより、酸化物半導体膜108_2に形成されうるトラップ準位を酸化物半導体膜108_2より遠ざけることができる。 Note that by providing the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, trap levels that can be formed in the oxide semiconductor film 108_2 can be separated from the oxide semiconductor film 108_2.
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ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、トラップ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、トラップ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。 In addition, the trap level may be farther from the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2 functioning as a channel region, and electrons are likely to accumulate in the trap level. . Accumulation of electrons at the trap level results in a negative fixed charge, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Therefore, a structure in which the trap level is closer to the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2 is preferable. By doing so, electrons are unlikely to accumulate in the trap level, the on-state current of the transistor can be increased, and field effect mobility can be increased.
また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、酸化物半導体膜108_2よりも伝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。 The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 each have an energy level at the lower end of the conduction band that is closer to the vacuum level than the oxide semiconductor film 108_2. Typically, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2. And the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 is 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 and the electron affinity of the oxide semiconductor film 108_2 is 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, 2 eV or less, or 1 eV or less.
このような構成を有することで、酸化物半導体膜108_2が主な電流経路となる。すなわち、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。 With such a structure, the oxide semiconductor film 108_2 serves as a main current path. In other words, the oxide semiconductor film 108_2 functions as a channel region, and the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 function as oxide insulating films. The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are preferably formed using one or more metal elements included in the oxide semiconductor film 108_2 in which a channel region is formed. With such a structure, interface scattering hardly occurs at the interface between the oxide semiconductor film 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2 or at the interface between the oxide semiconductor film 108_2 and the oxide semiconductor film 108_3. Accordingly, the movement of carriers is not inhibited at the interface, so that the field effect mobility of the transistor is increased.
また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、チャネル領域の一部として機能す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0.2eVより真空準位に近い材料、好ましくは0.5eV以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。 The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed using a material with sufficiently low conductivity in order to prevent the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 from functioning as part of the channel region. Therefore, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 can also be referred to as oxide insulating films because of their physical properties and / or functions. Alternatively, in the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the electron affinity (difference between the vacuum level and the energy level at the bottom of the conduction band) is lower than that of the oxide semiconductor film 108_2, and the energy level at the bottom of the conduction band is an oxide. A material having a difference (band offset) from the lower energy level of the conduction band of the semiconductor film 108_2 is used. In addition, in order to suppress the difference in threshold voltage depending on the magnitude of the drain voltage, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 is determined so that the conduction level of the oxide semiconductor film 108_2 is reduced. It is preferable to apply a material closer to the vacuum level than 0.2 eV than the energy level at the lower end of the band, preferably a material closer to the vacuum level of 0.5 eV or more.
また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、膜中にスピネル型の結晶構造が含ま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120s、120d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CAAC−OSである場合、導電膜120s、120d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。 In addition, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 preferably do not include a spinel crystal structure. In the case where the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 include a spinel crystal structure, the constituent elements of the
また、本実施の形態においては、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]、またはIn:Ga:Zn=1:3:6[原子数比]、及びそれらの近傍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。 In this embodiment, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed using a metal oxide target in which the atomic ratio of metal elements is In: Ga: Zn = 1: 3: 2. Although the configuration using the film is exemplified, the configuration is not limited thereto. For example, as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], In: Ga: Zn = 1: 1: 1.2 [atomic ratio], In: Ga : Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio], or In: Ga: Zn = 1: 3: 6 [atomic ratio], and an oxide semiconductor formed using a metal oxide target in the vicinity thereof A membrane may be used.
なお、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:1:1[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108_1、108_3は、In:Ga:Zn=1:β5(1≦β5≦5):β6(4≦β6≦8)となる場合がある。 Note that in the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β1 (0 <β1 ≦ 2): β2 (0 <β2 ≦ 2). In the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β3 (1 ≦ β3 ≦ 5): β4 (2 ≦ β4 ≦ 6) in some cases. In the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 3: 6 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β5 (1 ≦ β5 ≦ 5): β6 (4 ≦ β6 ≦ 8) in some cases.
<1−4.半導体装置の作製方法1>
次に、図1に示すトランジスタ100の作製方法の一例について、図10乃至図12を用いて説明する。なお、図10乃至図12は、トランジスタ100の作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。<1-4.
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、基板102上に導電膜106となる導電膜を形成し、その後、当該導電膜を島状に加工することで、導電膜106を形成する。次に、基板102、及び導電膜106上に、絶縁膜104を形成し、絶縁膜104上に酸化物半導体膜を形成する。その後、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜107を形成する(図10(A)参照)。 First, a conductive film to be the
導電膜106としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態においては、導電膜106として、厚さ100nmのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。 The
絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態においては、絶縁膜104として、PECVD装置を用い、厚さ400nmの窒化シリコン膜と、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜とを形成する。 The insulating
また、絶縁膜104を形成した後、絶縁膜104に酸素を添加してもよい。絶縁膜104に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜104に酸素を添加してもよい。 Alternatively, oxygen may be added to the insulating
上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属元素を有する金属窒化物、上述した金属元素を有する金属酸化物、上述した金属元素を有する金属窒化酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成することができる。 As a film that suppresses the desorption of oxygen described above, a metal element selected from indium, zinc, gallium, tin, aluminum, chromium, tantalum, titanium, molybdenum, nickel, iron, cobalt, and tungsten, and the above-described metal element are components. Conductive materials such as alloys described above, alloys combining the above metal elements, metal nitrides including the above metal elements, metal oxides including the above metal elements, and metal nitride oxides including the above metal elements Can be used.
また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜104への酸素添加量を増加させることができる。 In addition, when oxygen is added by plasma treatment, the amount of oxygen added to the insulating
酸化物半導体膜107としては、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱CVD法等により形成することができる。なお、酸化物半導体膜107への加工には、酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすること形成することができる。また、印刷法を用いて、素子分離された酸化物半導体膜107を直接形成してもよい。 The
スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜を形成する場合のスパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。 In the case of forming an oxide semiconductor film by a sputtering method, an RF power supply device, an AC power supply device, a DC power supply device, or the like can be used as appropriate as a power supply device for generating plasma. As a sputtering gas for forming the oxide semiconductor film, a rare gas (typically argon), oxygen, a rare gas, and a mixed gas of oxygen are used as appropriate. Note that in the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the gas ratio of oxygen to the rare gas.
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を150℃以上750℃以下、または150℃以上450℃以下、または200℃以上350℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、結晶性を高めることができるため好ましい。 Note that when the oxide semiconductor film is formed, for example, when a sputtering method is used, the substrate temperature is set to 150 ° C. to 750 ° C., 150 ° C. to 450 ° C., or 200 ° C. to 350 ° C. Forming a film is preferable because crystallinity can be improved.
なお、本実施の形態においては、酸化物半導体膜107として、スパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてIn−Ga−Zn金属酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比])を用いて、膜厚40nmの酸化物半導体膜を成膜する。 Note that in this embodiment, a sputtering apparatus is used as the
また、酸化物半導体膜107を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜107の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下である。 Alternatively, after the
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行うことができる。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は3分以上24時間以下とすればよい。 The heat treatment can be performed in an inert gas atmosphere containing nitrogen or a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, or krypton. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere. Note that it is preferable that the inert atmosphere and the oxygen atmosphere do not contain hydrogen, water, or the like. The treatment time may be 3 minutes or more and 24 hours or less.
該加熱処理は、電気炉、RTA装置等を用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。 For the heat treatment, an electric furnace, an RTA apparatus, or the like can be used. By using the RTA apparatus, heat treatment can be performed at a temperature equal to or higher than the strain point of the substrate for a short time. Therefore, the heat treatment time can be shortened.
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜する、または酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、二次イオン質量分析法により得られる水素濃度を5×1019atoms/cm3以下、または1×1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/cm3以下、または1×1018atoms/cm3以下、または5×1017atoms/cm3以下、または1×1016atoms/cm3以下とすることができる。The oxide semiconductor film is formed while being heated, or after the oxide semiconductor film is formed, heat treatment is performed, so that the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry in the oxide semiconductor film is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, Alternatively, it can be set to 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜107上に絶縁膜110_0を形成する(図10(B)参照)。 Next, the insulating film 110_0 is formed over the insulating
絶縁膜110_0としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、PECVD法を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。 As the insulating film 110_0, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be formed by a PECVD method. In this case, it is preferable to use a deposition gas and an oxidation gas containing silicon as the source gas. Typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, and fluorinated silane. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, and nitrogen dioxide.
また、絶縁膜110_0として、堆積性気体に対する酸化性気体を20倍より大きく100倍未満、または40倍以上80倍以下とし、処理室内の圧力を100Pa未満、または50Pa以下とするPECVD法を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。 In addition, as the insulating film 110_0, a PECVD method in which an oxidizing gas with respect to a deposition gas is greater than 20 times and less than 100 times, or greater than or equal to 40 times and less than or equal to 80 times and a pressure in the treatment chamber is less than 100 Pa or less than 50 Pa is used. Thus, a silicon oxynitride film with a small amount of defects can be formed.
また、絶縁膜110_0として、PECVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を280℃以上400℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を20Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは100Pa以上250Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁膜110_0として、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。 In addition, as the insulating film 110_0, the substrate placed in the processing chamber evacuated in the PECVD apparatus is held at 280 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and a source gas is introduced into the processing chamber so that the pressure in the processing chamber is 20 Pa or higher and 250 Pa. Hereinafter, a dense silicon oxide film or silicon oxynitride film can be formed as the insulating film 110_0 under conditions where the pressure is higher than or equal to 100 Pa and lower than or equal to 250 Pa and high-frequency power is supplied to an electrode provided in the treatment chamber.
また、絶縁膜110_0を、マイクロ波を用いたプラズマCVD法を用いて形成してもよい。マイクロ波とは300MHzから300GHzの周波数域を指す。マイクロ波において、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ(高密度プラズマ)を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜110_0を形成することができる。 Alternatively, the insulating film 110_0 may be formed by a plasma CVD method using a microwave. Microwave refers to the frequency range from 300 MHz to 300 GHz. In the microwave, the electron temperature is low and the electron energy is small. In addition, in the supplied power, the ratio used for accelerating electrons is small, it can be used for dissociation and ionization of more molecules, and high density plasma (high density plasma) can be excited. . Therefore, the insulating film 110_0 with little plasma damage to the deposition surface and deposits and few defects can be formed.
また、絶縁膜110_0を、有機シランガスを用いたCVD法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC2H5)4)、テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH3)4)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC2H5)3)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)3)などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたCVD法を用いることで、被覆性の高い絶縁膜110_0を形成することができる。The insulating film 110_0 can be formed by a CVD method using an organosilane gas. Examples of the organic silane gas include ethyl silicate (TEOS: chemical formula Si (OC 2 H 5 ) 4 ), tetramethylsilane (TMS: chemical formula Si (CH 3 ) 4 ), tetramethylcyclotetrasiloxane (TMCTS), and octamethylcyclotetrasiloxane. Use of silicon-containing compounds such as (OMCTS), hexamethyldisilazane (HMDS), triethoxysilane (SiH (OC 2 H 5 ) 3 ), trisdimethylaminosilane (SiH (N (CH 3 ) 2 ) 3 ) it can. By using a CVD method using an organosilane gas, the insulating film 110_0 with high coverage can be formed.
本実施の形態では絶縁膜110_0として、PECVD装置を用い、厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。 In this embodiment, as the insulating film 110_0, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm is formed using a PECVD apparatus.
次に、絶縁膜110_0上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜110_0及び絶縁膜104の一部をエッチングすることで、導電膜106に達する開口部143を形成する。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position over the insulating film 110_0, the insulating film 110_0 and part of the insulating
開口部143の形成方法としては、ウエットエッチング法及び/またはドライエッチング法を適宜用いることができる。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、開口部143を形成する。 As a method for forming the
次に、開口部143を覆うように、絶縁膜110_0上に導電膜112_0を形成する。なお、導電膜112_0の形成時において、導電膜112_0から絶縁膜110_0中に酸素が添加される(図10(C)参照)。 Next, a conductive film 112_0 is formed over the insulating film 110_0 so as to cover the
導電膜112_0の形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成すると好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜112_0を形成することで、絶縁膜110_0中に酸素を好適に添加することができる。 As a method for forming the conductive film 112_0, a sputtering method is preferably used in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. By forming the conductive film 112_0 in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation, oxygen can be preferably added to the insulating film 110_0.
なお、図10(C)において、絶縁膜110_0中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、開口部143を覆うように、導電膜112_0を形成することで、導電膜106と、導電膜112_0とが電気的に接続される。なお、導電膜112_0としては、先に記載の酸化物半導体膜107と同様の材料を用いることができる。 Note that in FIG. 10C, oxygen added to the insulating film 110_0 is schematically represented by an arrow. In addition, the conductive film 112_0 is formed so as to cover the
本実施の形態においては、導電膜112_0として、スパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてIn−Ga−Zn金属酸化物(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いて、膜厚100nmの酸化物半導体膜を成膜する。 In this embodiment, a sputtering apparatus is used as the conductive film 112_0, and an In—Ga—Zn metal oxide (In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio]) is used as the sputtering target. Thus, an oxide semiconductor film with a thickness of 100 nm is formed.
次に、導電膜112_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図10(D)参照)。 Next, a
次に、マスク140上から、エッチングを行うことで、導電膜112_0と、絶縁膜110_0と、を加工したのち、マスク140を除去することで、島状の導電膜112と、島状の絶縁膜110とを形成する(図11(A)参照)。 Next, etching is performed on the
本実施の形態においては、導電膜112_0、及び絶縁膜110_0の加工としては、ドライエッチング法を用いて行う。 In this embodiment, the conductive film 112_0 and the insulating film 110_0 are processed by a dry etching method.
なお、導電膜112と、絶縁膜110との加工の際に、導電膜112が重畳しない領域の酸化物半導体膜107の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜112と、絶縁膜110との加工の際に、酸化物半導体膜107が重畳しない領域の絶縁膜104の膜厚が薄くなる場合がある。 Note that when the
次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜112上から、不純物元素145の添加を行う(図11(B)参照)。 Next, the
不純物元素145の添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、プラズマCVD装置、高密度プラズマCVD装置等を用いることができる。 As an addition method of the
なお、不純物元素145の原料ガスとして、B2H6、PH3、CH4、N2、NH3、AlH3、AlCl3、SiH4、Si2H6、F2、HF、H2及び希ガスの一以上を用いることができる。または、希ガスで希釈されたB2H6、PH3、N2、NH3、AlH3、AlCl3、F2、HF、及びH2の一以上を用いることができる。希ガスで希釈されたB2H6、PH3、N2、NH3、AlH3、AlCl3、F2、HF、及びH2の一以上を用いて不純物元素145を酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加することで、希ガス、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、及び塩素の一以上を酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加することができる。Note that as source gases for the
または、希ガスを添加した後、B2H6、PH3、CH4、N2、NH3、AlH3、AlCl3、SiH4、Si2H6、F2、HF、及びH2の一以上を酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加してもよい。Alternatively, after adding a rare gas, one of B 2 H 6 , PH 3 , CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , F 2 , HF, and H 2 The above may be added to the
または、B2H6、PH3、CH4、N2、NH3、AlH3、AlCl3、SiH4、Si2H6、F2、HF、及びH2の一以上を添加した後、希ガスを酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加してもよい。Or, after adding one or more of B 2 H 6 , PH 3 , CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , F 2 , HF, and H 2 , rare A gas may be added to the
不純物元素145の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件を適宜設定して制御すればよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧10kV以上100kV以下、ドーズ量は1×1013ions/cm2以上1×1016ions/cm2以下とすればよく、例えば、1×1014ions/cm2とすればよい。また、イオン注入法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧30kV、ドーズ量は1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよく、例えば、1×1015ions/cm2とすればよい。The addition of the
また、本実施の形態においては、マスク140を除去してから、不純物元素145を添加する構成について例示したが、これに限定されず、例えば、マスク140を残したままの状態で不純物元素145の添加を行ってもよい。 Further, in this embodiment mode, the structure in which the
また、本実施の形態においては、不純物元素145として、ドーピング装置を用いて、アルゴンを酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加する。なお、本実施の形態においては、不純物元素145として、アルゴンを添加する構成について例示したがこれに限定されず、例えば、不純物元素145を添加する工程を行わなくてもよい。 In this embodiment, argon is added to the
次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜112上に絶縁膜116を形成する。なお、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116と接する酸化物半導体膜107は、ソース領域108s及びドレイン領域108dとなる。また、絶縁膜116と接しない酸化物半導体膜107、別言すると絶縁膜110と接する酸化物半導体膜107はチャネル領域108iとなる。これにより、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dを有する酸化物半導体膜108が形成される(図11(C)参照)。 Next, the insulating
絶縁膜116としては、絶縁膜116に用いることのできる材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜116として、PECVD装置を用い、厚さ100nmの窒化シリコン膜を形成する。 The insulating
絶縁膜116として、窒化シリコン膜を用いることで、絶縁膜116に接する導電膜112、ソース領域108s、及びドレイン領域108dに窒化シリコン膜中の水素が入り込み、導電膜112、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。 By using a silicon nitride film as the insulating
次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成する(図11(D)参照)。 Next, the insulating
絶縁膜118としては、絶縁膜118に用いることのできる材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜118として、PECVD装置を用い、厚さ300nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。 The insulating
次に、絶縁膜118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜118及び絶縁膜116の一部をエッチングすることで、ソース領域108sに達する開口部141sと、ドレイン領域108dに達する開口部141dと、を形成する(図12(A)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position of the insulating
絶縁膜118及び絶縁膜116をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及び/またはドライエッチング法を適宜用いることができる。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜118、及び絶縁膜116を加工する。 As a method for etching the insulating
次に、開口部141s、141dを覆うように、絶縁膜118上に導電膜120を形成する(図12(B)参照)。 Next, a
導電膜120としては、導電膜120s、120dに用いることのできる材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜120として、スパッタリング装置を用い、厚さ50nmのチタン膜と、厚さ400nmのアルミニウム膜と、厚さ100nmのチタン膜の積層膜を形成する。 The
次に、導電膜120上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、導電膜120の一部をエッチングすることで、導電膜120s、120dを形成する(図12(C)参照)。 Next, after a mask is formed at a desired position on the
導電膜120の加工方法としては、ウエットエッチング法及び/またはドライエッチング法を適宜用いることができる。本実施の形態では、ドライエッチング法を用い、導電膜120を加工し、導電膜120s、120dを形成する。 As a method for processing the
以上の工程により、図1に示すトランジスタ100を作製することができる。 Through the above process, the
なお、トランジスタ100を構成する膜(絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、ALD(原子層成膜)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法が挙げられる。 Note that a film (an insulating film, an oxide semiconductor film, a conductive film, or the like) included in the
熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。 In the thermal CVD method, the inside of a chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, and a source gas and an oxidant are simultaneously sent into the chamber, reacted in the vicinity of the substrate or on the substrate, and deposited on the substrate. Thus, the thermal CVD method is a film forming method that does not generate plasma, and thus has an advantage that no defect is generated due to plasma damage.
また、ALD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスをチャンバーに導入・反応させ、これを繰り返すことで成膜を行う。原料ガスと一緒に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)をキャリアガスとして導入しても良い。例えば2種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給してもよい。その際、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原料ガスの反応後、不活性ガスを導入し、第2の原料ガスを導入する。あるいは、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着・反応して第1の層を成膜し、後から導入される第2の原料ガスが吸着・反応して、第2の層が第1の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なFETを作製する場合に適している。 In the ALD method, film formation is performed by setting the inside of the chamber to atmospheric pressure or reduced pressure, introducing and reacting a source gas for reaction into the chamber, and repeating this. An inert gas (such as argon or nitrogen) may be introduced as a carrier gas together with the source gas. For example, two or more kinds of source gases may be sequentially supplied to the chamber. At that time, an inert gas is introduced after the reaction of the first source gas so that a plurality of types of source gases are not mixed, and a second source gas is introduced. Alternatively, the second source gas may be introduced after the first source gas is exhausted by evacuation instead of introducing the inert gas. The first source gas is adsorbed and reacted on the surface of the substrate to form the first layer, and the second source gas introduced later is adsorbed and reacted to make the second layer the first layer. A thin film is formed by being laminated on top. By repeating this gas introduction sequence a plurality of times until the desired thickness is achieved, a thin film having excellent step coverage can be formed. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of repeated gas introductions, precise film thickness adjustment is possible, which is suitable for manufacturing a fine FET.
MOCVD法などの熱CVD法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの膜を形成することができ、例えば、In−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム(In(CH3)3)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)、及びジメチル亜鉛を用いる(Zn(CH3)2)。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(Ga(C2H5)3)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)を用いることもできる。A thermal CVD method such as an MOCVD method can form a film such as the above-described conductive film, insulating film, oxide semiconductor film, or metal oxide film. For example, an In—Ga—Zn—O film is formed. In this case, trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), and dimethyl zinc are used (Zn (CH 3 ) 2 ). Without being limited to these combinations, triethylgallium (Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) is used instead of dimethylzinc. You can also
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH、Hf[N(CH3)2]4)やテトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O3)の2種類のガスを用いる。For example, when a hafnium oxide film is formed by a film formation apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor (hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH, Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) ) Or tetrakis (ethylmethylamide) hafnium) or the like, and two gases of ozone (O 3 ) are used as an oxidizing agent.
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH3)3)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種類のガスを用いる。他の材料としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。For example, when an aluminum oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a raw material gas obtained by vaporizing a liquid (such as trimethylaluminum (TMA, Al (CH 3 ) 3 )) containing a solvent and an aluminum precursor is used. Two types of gas, H 2 O, are used as the oxidizing agent. Other materials include tris (dimethylamido) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) and the like.
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。For example, when a silicon oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, hexachlorodisilane is adsorbed on the film formation surface, and radicals of oxidizing gas (O 2 , dinitrogen monoxide) are supplied and adsorbed. React with things.
例えば、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WF6ガスとB2H6ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WF6ガスとH2ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、B2H6ガスに代えてSiH4ガスを用いてもよい。For example, when a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, an initial tungsten film is formed by sequentially introducing WF 6 gas and B 2 H 6 gas, and then WF 6 gas and H 2 gas. To form a tungsten film. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばIn−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを用いてIn−O層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスとを用いてGaO層を形成し、更にその後Zn(CH3)2ガスとO3ガスとを用いてZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスで水をバブリングして得られたH2Oガスを用いても良いが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。For example, in the case where an oxide semiconductor film such as an In—Ga—Zn—O film is formed by a film formation apparatus using ALD, an In—O layer is formed using In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas. Then, a GaO layer is formed using Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas, and then a ZnO layer is formed using Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas. Note that the order of these layers is not limited to this example. Alternatively, a mixed compound layer such as an In—Ga—O layer, an In—Zn—O layer, or a Ga—Zn—O layer may be formed using these gases. Incidentally, O 3 may be used of H 2 O gas obtained by bubbling water with an inert gas such as Ar in place of the gas, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred.
<1−5.半導体装置の作製方法2>
次に、図4に示すトランジスタ100Cの作製方法の一例について、図13乃至図16を用いて説明する。なお、図13乃至図16は、トランジスタ100Cの作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。<1-5.
Next, an example of a method for manufacturing the transistor 100C illustrated in FIGS. 4A to 4C will be described with reference to FIGS. 13A to 16B are cross-sectional views in the channel length (L) direction and the channel width (W) direction, which illustrate a method for manufacturing the transistor 100C.
まず、基板102上に導電膜106を形成する。次に、基板102、及び導電膜106上に絶縁膜104を形成し、絶縁膜104上に酸化物半導体膜を形成する。その後、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜107を形成する(図13(A)参照)。 First, the
次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜107上に絶縁膜110_0を形成する(図13(B)参照)。 Next, the insulating film 110_0 is formed over the insulating
次に、絶縁膜110_0上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜110_0及び絶縁膜104の一部をエッチングすることで、導電膜106に達する開口部143を形成する(図13(C)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position over the insulating film 110_0, the insulating film 110_0 and part of the insulating
次に、開口部143を覆うように、絶縁膜110_0上に導電膜112_0を形成する。なお、導電膜112_0の形成時において、導電膜112_0から絶縁膜110_0中に酸素が添加される(図13(D)参照)。 Next, a conductive film 112_0 is formed over the insulating film 110_0 so as to cover the
なお、図13(D)において、絶縁膜110_0中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、開口部143を覆うように、導電膜112_0を形成することで、導電膜106と、導電膜112_0とが電気的に接続される。 Note that in FIG. 13D, oxygen added to the insulating film 110_0 is schematically represented by an arrow. In addition, the conductive film 112_0 is formed so as to cover the
次に、導電膜112_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図14(A)参照)。 Next, a
次に、マスク140上から、エッチングを行うことで導電膜112_0を加工し、島状の導電膜112を形成する(図14(B)参照)。 Next, etching is performed over the
本実施の形態においては、ウエットエッチング法を用い、導電膜112_0を加工する。 In this embodiment, the conductive film 112_0 is processed using a wet etching method.
続けて、マスク140上から、エッチングを行うことで絶縁膜110_0を加工し、島状の絶縁膜110を形成する(図14(C)参照)。 Subsequently, the insulating film 110_0 is processed by etching from above the
本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜110_0を加工する。 In this embodiment, the insulating film 110_0 is processed using a dry etching method.
次に、マスク140を除去した後、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜112上から、不純物元素145の添加を行う(図14(D)参照)。 Next, after the
なお、不純物元素145の添加の際に、酸化物半導体膜107の表面が露出している領域(後にソース領域108s、及びドレイン領域108dとなる領域)には、多くの不純物が添加される。一方で、酸化物半導体膜107の導電膜112が重畳しなく、且つ絶縁膜110が重畳する領域(後に領域108fとなる領域)には、絶縁膜110を介して不純物元素145が添加されるため、ソース領域108s、及びドレイン領域108dよりも不純物元素145の添加量が少なくなる。 Note that when the
また、本実施の形態においては、不純物元素145として、ドーピング装置を用いて、アルゴンを酸化物半導体膜107及び導電膜112に添加する。 In this embodiment, argon is added to the
なお、本実施の形態においては、不純物元素145として、アルゴンを添加する構成について例示したがこれに限定されず、例えば、不純物元素145を添加する工程を行わなくてもよい。不純物元素145を添加する工程を行わない場合、領域108fは、チャネル領域108iと同等の不純物濃度となる。 Note that although the structure in which argon is added as the
次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、絶縁膜110、及び導電膜112上に絶縁膜116を形成する。なお、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116と接する酸化物半導体膜107は、ソース領域108s及びドレイン領域108dとなる。また、絶縁膜116と接しない酸化物半導体膜107、別言すると絶縁膜110と接する酸化物半導体膜107はチャネル領域108iとなる。これにより、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dを有する酸化物半導体膜108が形成される(図15(A)参照)。 Next, the insulating
なお、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との間には、領域108fが形成される。 Note that a
次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成する(図15(B)参照)。 Next, an insulating
次に、絶縁膜118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜118及び絶縁膜116の一部をエッチングすることで、ソース領域108sに達する開口部141sと、ドレイン領域108dに達する開口部141dと、を形成する(図15(C)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position of the insulating
次に、絶縁膜118上に絶縁膜122を形成する(図15(D)参照)。 Next, the insulating
なお、絶縁膜122は、平坦化絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜122は、開口部141s、及び開口部141dに重畳する位置に開口部を有する。 Note that the insulating
本実施の形態としては、絶縁膜122として、スピンコーター装置を用いて感光性のアクリル系樹脂を塗布し、その後該アクリル系樹脂の所望の領域を感光させることで、開口部を有する絶縁膜122を形成する。 In this embodiment mode, as the insulating
次に、開口部141s、141dを覆うように、絶縁膜122上に導電膜120を形成する(図16(A)参照)。 Next, the
次に、導電膜120上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、導電膜120の一部をエッチングすることで、導電膜120s、120dを形成する(図16(B)参照)。 Next, after a mask is formed at a desired position on the
本実施の形態においては、導電膜120の加工にはドライエッチング法を用いる。また、導電膜120の加工の際に、絶縁膜122の上部の一部が除去される場合がある。 In this embodiment mode, a dry etching method is used for processing the
以上の工程により、図4に示すトランジスタ100Cを作製することができる。 Through the above steps, the transistor 100C illustrated in FIG. 4 can be manufactured.
なお、上記のトランジスタ100Cの作製時において、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、絶縁膜110_0、導電膜112_0、不純物元素145、絶縁膜116、絶縁膜118、開口部141s、141d、及び導電膜120としては、<1−4.半導体装置の作製方法1>に記載の内容を援用することで形成することができる。 Note that in manufacturing the transistor 100C, the insulating
また、本実施の形態において、トランジスタが酸化物半導体膜を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。本発明の一態様では、トランジスタが酸化物半導体膜を有さなくてもよい。一例としては、トランジスタのチャネル領域、チャネル領域の近傍、ソース領域、またはドレイン領域において、Si(シリコン)、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)、などを有する材料で形成してもよい。 In this embodiment, an example in which a transistor includes an oxide semiconductor film is described; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. In one embodiment of the present invention, a transistor does not necessarily include an oxide semiconductor film. As an example, in a channel region of a transistor, in the vicinity of the channel region, in a source region or a drain region, a material having Si (silicon), Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), or the like is formed. May be.
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態においては、酸化物半導体の構造等について、図17乃至図21を参照して説明する。(Embodiment 2)
In this embodiment, the structure and the like of an oxide semiconductor will be described with reference to FIGS.
<2−1.酸化物半導体の構造>
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。<2-1. Structure of oxide semiconductor>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (c-axis-aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor) : Amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、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およびnc−OSなどがある。 From another point of view, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配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。 Amorphous structures are generally isotropic, have no heterogeneous structure, are metastable, have no fixed atomic arrangement, have a flexible bond angle, have short-range order, but long-range order It is said that it does not have.
逆の見方をすると、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)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。 In other words, a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. On the other hand, an a-like OS is not isotropic but has an unstable structure having a void (also referred to as a void). In terms of being unstable, a-like OS is physically close to an amorphous oxide semiconductor.
<2−2.CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。<2-2. CAAC-OS>
First, the CAAC-OS will be described.
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。 A CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).
CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図17(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) is described. For example, when CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) as illustrated in FIG. Shows a peak near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has a c-axis orientation, and the plane on which the c-axis forms a CAAC-OS film (formation target) It can also be confirmed that it faces a direction substantially perpendicular to the upper surface. In addition to the peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. The peak where 2θ is around 36 ° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC-OS preferably does not show the peak.
一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図17(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnO4に対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図17(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。On the other hand, when structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction parallel to a formation surface, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Even when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 ° with respect to single crystal InGaZnO 4 , six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. Is done. Therefore, structural analysis using XRD can confirm that the CAAC-OS has irregular orientations in the a-axis and the b-axis.
次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図17(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図17(E)に示す。図17(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図17(E)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図17(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal in parallel with a formation surface of the CAAC-OS, a diffraction pattern (restricted field of view) illustrated in FIG. Sometimes referred to as an electron diffraction pattern). This diffraction pattern includes spots caused by the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction shows that the pellets included in the CAAC-OS have c-axis alignment, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 17E shows a diffraction pattern obtained when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. A ring-shaped diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, it can be seen that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS have no orientation even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm. Note that the first ring in FIG. 17E is considered to originate from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 17E is considered to be due to the (110) plane or the like.
また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 In addition, when a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright field image and a diffraction pattern of a CAAC-OS is observed with a transmission electron microscope (TEM), a plurality of pellets are confirmed. Can do. On the other hand, even in a high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) may not be clearly confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS does not easily lower the electron mobility due to the crystal grain boundary.
図18(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。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。 FIG. 18A shows a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS which is observed from a direction substantially parallel to the sample surface. For observation of the high-resolution TEM image, a spherical aberration correction function was used. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly referred to as a Cs-corrected high-resolution TEM image. The Cs-corrected high resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.
図18(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの膜を被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。 From FIG. 18A, a pellet which is a region where metal atoms are arranged in layers can be confirmed. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, the pellet can also be referred to as a nanocrystal (nc). In addition, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor including CANC (C-Axis aligned nanocrystals). The pellet reflects the unevenness of the surface or top surface of the CAAC-OS film, and is parallel to the surface or top surface of the CAAC-OS.
また、図18(B)および図18(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図18(D)および図18(E)は、それぞれ図18(B)および図18(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図18(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。FIGS. 18B and 18C show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface. FIGS. 18D and 18E are images obtained by performing image processing on FIGS. 18B and 18C, respectively. Hereinafter, an image processing method will be described. First, an FFT image is obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on FIG. Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the FFT-processed mask image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an image-processed image. The image acquired in this way is called an FFT filtered image. The FFT filtered image is an image obtained by extracting periodic components from the Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.
図18(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。 In FIG. 18D, the portion where the lattice arrangement is disturbed is indicated by a broken line. A region surrounded by a broken line is one pellet. And the location shown with the broken line is the connection part of a pellet and a pellet. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. In addition, the shape of a pellet is not necessarily a regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.
図18(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形が形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子間の結合距離が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 In FIG. 18E, a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned is indicated by a dotted line, and the change in the orientation of the lattice arrangement is shown. It is indicated by a broken line. A clear crystal grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. A distorted hexagon can be formed by connecting the surrounding lattice points around the lattice points near the dotted line. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the bond distance between atoms is not dense in the ab plane direction, or the bond distance between atoms changes when a metal element is substituted. This is thought to be possible.
以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)と称することもできる。 As described above, the CAAC-OS has a c-axis alignment and a crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction to have a strain. Therefore, the CAAC-OS can also be referred to as a CAA crystal (c-axis-aligned ab-plane-anchored crystal).
CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の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、逆の見方をすると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。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by entry of impurities, generation of defects, or the like, in a reverse view, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies).
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。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。 Note that the impurity means an element other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. For example, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and decreases crystallinity.
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。 In the case where an oxide semiconductor has impurities or defects, characteristics may fluctuate due to light, heat, or the like. For example, an impurity contained in the oxide semiconductor might serve as a carrier trap or a carrier generation source. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor may serve as carrier traps or may serve as carrier generation sources by capturing hydrogen.
不純物および酸素欠損の少ないCAAC−OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, it is less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and a carrier of 1 × 10 −9 / cm 3 or more. A dense oxide semiconductor can be obtained. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. The CAAC-OS has a low impurity concentration and a low density of defect states. That is, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics.
<2−3.nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。<2-3. nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.
nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。 A case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS by an out-of-plane method, a peak indicating orientation does not appear. That is, the nc-OS crystal has no orientation.
また、例えば、InGaZnO4の結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図19(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図19(B)に示す。図19(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。For example, when an nc-OS including an InGaZnO 4 crystal is thinned and an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident on a region with a thickness of 34 nm parallel to the surface to be formed, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 19B shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) obtained when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 19B, a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, nc-OS does not confirm order when an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident, but confirms order when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident.
また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図19(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。 When an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on a region with a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagonal shape is observed as shown in FIG. There is a case. Therefore, it can be seen that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. Note that there are some regions where a regular electron diffraction pattern is not observed because the crystal faces in various directions.
図19(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。 FIG. 19D shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of a cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the formation surface. The nc-OS has a region in which a crystal part can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region in which a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. A crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, particularly a size of 1 nm to 3 nm in many cases. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal part is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is sometimes referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. For example, the nc-OS may not be able to clearly confirm a crystal grain boundary in a high-resolution TEM image. Note that the nanocrystal may have the same origin as the pellet in the CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS is sometimes referred to as a pellet below.
このように、nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 Thus, the nc-OS has a periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.
なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 Note that since the crystal orientation is not regular between pellets (nanocrystals), nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals), or an oxide having NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called a semiconductor.
nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、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。 The nc-OS is an oxide semiconductor that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the nc-OS has a lower density of defect states than an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor. Note that the nc-OS does not have regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, the nc-OS has a higher density of defect states than the CAAC-OS.
<2−4.a−like OS>
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。<2-4. a-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
図20に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図20(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図20(B)は4.3×108e−/nm2の電子(e−)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図20(A)および図20(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。FIG. 20 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 20A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 20B is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e − ) of 4.3 × 10 8 e − / nm 2 . 20A and 20B, it can be seen that the a-like OS has a striped bright region extending in the vertical direction from the start of electron irradiation. It can also be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright region is assumed to be a void or a low density region.
鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。 Since it has a void, the a-like OS has an unstable structure. Hereinafter, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with the CAAC-OS and the nc-OS, changes in the structure due to electron irradiation are shown.
試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS are prepared. Each sample is an In—Ga—Zn oxide.
まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。 First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. Each sample has a crystal part by a high-resolution cross-sectional TEM image.
なお、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。Note that a unit cell of an InGaZnO 4 crystal has a structure in which three In—O layers and six Ga—Zn—O layers have a total of nine layers stacked in the c-axis direction. Are known. The spacing between these adjacent layers is about the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, in the following, a portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less is regarded as a crystal part of InGaZnO 4 . Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.
図21は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図21より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図21より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e−)の累積照射量が4.2×108e−/nm2においては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図21より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×105e−/(nm2・s)、照射領域の直径を230nmとした。FIG. 21 is an example in which the average size of the crystal parts (22 to 30 locations) of each sample was investigated. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 21, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative dose of electrons related to the acquisition of the TEM image or the like. From FIG. 21, the crystal part (also referred to as initial nucleus), which was about 1.2 nm in the initial observation by TEM, has a cumulative electron (e − ) irradiation dose of 4.2 × 10 8 e − / nm. In FIG. 2 , it can be seen that the crystal has grown to a size of about 1.9 nm. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range of the cumulative electron dose from the start of electron irradiation to 4.2 × 10 8 e − / nm 2. I understand. FIG. 21 shows that the crystal part sizes of the nc-OS and the CAAC-OS are approximately 1.3 nm and 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative electron dose. Note that a Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used for electron beam irradiation and TEM observation. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7 × 10 5 e − / (nm 2 · s), and an irradiation region diameter of 230 nm.
このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。 As described above, in the a-like OS, a crystal part may be grown by electron irradiation. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, the crystal part is hardly grown by electron irradiation. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure compared to the nc-OS and the CAAC-OS.
また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べ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%未満となる。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。 In addition, since it has a void, the a-like OS has a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition. Further, the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of the single crystal having the same composition. An oxide semiconductor that is less than 78% of the density of a single crystal is difficult to form.
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、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。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未満となる。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の密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。For example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, in an oxide semiconductor that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. . For example, in the oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS is 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g / less than cm 3 .
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、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。 Note that when single crystals having the same composition do not exist, it is possible to estimate a density corresponding to a single crystal having a desired composition by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably estimated by combining as few kinds of single crystals as possible.
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 As described above, oxide semiconductors have various structures and various properties. Note that the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS, for example.
以上、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。 As described above, the structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図22を用いて以下説明する。(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a display device including the transistor exemplified in the above embodiment will be described below with reference to FIGS.
<3.表示装置の構成例>
図22は、本発明の一態様の表示装置の一部の構成例を示す断面図である。図22に示す表示装置は、トランジスタ202、トランジスタ212、トランジスタ221、発光素子204、及びフォトダイオード206を有している。トランジスタ202、トランジスタ212、及びトランジスタ221は、先の実施の形態に例示したトランジスタを用いると好ましく、トランジスタ212は赤外線を含む光を呈する機能を有することが好ましい。<3. Configuration example of display device>
FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a part of a structure example of the display device of one embodiment of the present invention. The display device illustrated in FIG. 22 includes a
トランジスタ212は、絶縁表面を有する基板200上に設けられたゲート電極として機能する導電膜2025、ソース電極として機能する導電膜2021、ドレイン電極として機能する導電膜2022、酸化物半導体膜2020、酸化物半導体膜2020上に設けられたゲート絶縁膜2023、及びゲート絶縁膜2023上に設けられたゲート電極として機能する導電膜2024、を有する。また、トランジスタ202、及びトランジスタ221として、トランジスタ212と同様の構造を有するトランジスタを適用することが可能である。なお、ここでは、トランジスタ202、212、221が酸化物半導体膜を用いて構成される例について示したが、これらが単結晶シリコン、多結晶シリコン又は非晶質シリコンを用いて構成される構成とすることも可能である。また、ここでは、トランジスタ202、212、221がs−channel構造を有するトランジスタである例について示したが、これらの構造はトップゲート型やボトムゲート型のトランジスタなどであってもよい。 The
フォトダイオード206は、赤外線が照射されることで光電流を生じるフォトダイオードであればどのような構造であってもよい。フォトダイオード206としては、セレンまたはセレンを含む化合物を有する素子、あるいはシリコンを有する素子(例えばpin型またはpn型の接合が形成された素子)を用いることができる。また、フォトダイオード206の構造は、目的の波長に対応して選択されることが好ましい。例えば、可視光線の波長領域を検出するには非晶質シリコンを用いて構成されるフォトダイオードを用いることが好ましく、赤外線を含む波長領域を検出するには単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いて構成されるフォトダイオードを適用することが好ましい。 The
なお、トランジスタ202、212、221上には、絶縁膜230が設けられている。また、トランジスタ202、及び221が有するソース電極およびドレイン電極の一方は、絶縁膜230の開口部において導電膜241、及び導電膜242に接続されている。さらに、導電膜241、及び導電膜242上には絶縁膜250が設けられている。 Note that an insulating
発光素子204は、絶縁膜250の開口部において導電膜241に接続された導電膜261と、導電膜261上に設けられた発光層270と、発光層270上に設けられた導電膜280とを有する。また、フォトダイオード206は、絶縁膜250の開口部において導電膜242に接続された導電膜262と、導電膜262上に設けられた光電変換層290と、光電変換層290上に設けられた導電膜280とを有する。このように、図22に示す発光素子204、及びフォトダイオード206においては、導電膜280が共有されてもよい。これにより、簡便に表示用素子及び撮像用素子を作製することが可能である。 The light-emitting
なお、ここでは、発光層270は、導電膜261及び導電膜280の間に生じる電流によって白色を呈する光2301(W)を発光することが可能である。あるいは、赤色を呈する光の波長、緑色を呈する光の波長、青色を呈する光の波長、及び黄色を呈する光の波長の少なくとも一を有する光であってもよい。例えば、発光素子204として、発光性の有機材料を有する発光素子(有機エレクトロルミネッセンス素子または有機EL素子ともいう)や発光性の量子ドットを有する発光素子を適用することが可能である。また、ここでは、導電膜280は透光性を有する導電膜によって形成する。これにより、発光素子204は、少なくとも導電膜280が設けられた電極方向に対して光2301(W)を放射することが可能である。また、ここでは、導電膜261、262の端部及び絶縁膜250の開口部に隔壁291が設けられる。なお、隔壁とは有機又は無機の絶縁物からなる層である。隔壁291を設けることによって、導電膜261または導電膜262、及び導電膜280の短絡を防止することが可能であり、発光層270の段切れを抑制することが可能になる。また、ここでは、発光素子204が、トランジスタ202と重畳して設けられる。これにより、発光素子204の面積(表示装置の開口率)を向上させることが可能である。 Note that here, the light-emitting
さらに、図22に示す表示装置は、カラーフィルタ300が設けられ、且つ透光性を備えた封止基板310を有する。なお、発光素子204などが存在する領域は、絶縁表面を有する基板200と封止基板310によって密閉される。これにより、発光素子204、及びフォトダイオード206などへの水分の混入を防ぎ、当該表示装置の信頼性を向上させることが可能である。また、カラーフィルタ300は、発光素子204が設けられた領域の直上に設けられる。カラーフィルタ300は、発光素子204から放射される白色を呈する光2301(W)に含まれる特定範囲の波長の光を吸収し、有彩色を呈する光2302(C)へと変化させることが可能である。なお、ここでは、当該有彩色は、赤色、緑色、青色、又は黄色の少なくとも一であることとする。 Further, the display device illustrated in FIG. 22 includes a sealing
また、トランジスタ212、及びフォトダイオード206の直上には、当該カラーフィルタ300は設けられない。したがって、図22に示す表示装置においては、トランジスタ212が発する赤外線を有する光2201(IR)を、例えば指やペンなどの被検出物2101に照射し、且つ当該被検出物2101によって反射される赤外線を有する光2202(IR)がフォトダイオード206に照射されることで、被検出物2101の撮像を行うことが可能である。 Further, the
なお、トランジスタ212は、瞬間的に強く発光することが可能であることが好ましい。したがって、トランジスタ212の電流駆動能力は、トランジスタ202及びトランジスタ212の電流駆動能力よりも高いことが好ましい。例えば、トランジスタ212の(W/L)の値がトランジスタ202及びトランジスタ221の(W/L)の値よりも大きいことが好ましい。なお、ここで、Wはチャネル幅を表し、Lはチャネル長を表す。 Note that the
このように、赤外線領域の波長の光を含む不可視光(IR)を用いて撮像を行うことで、当該表示装置における表示に影響を与えることなく撮像を行うことができる。また、表示への影響を考慮することなく当該不可視光(IR)の強度を高くすることが可能であるため、撮像素子における撮像における外光の影響を低減し、検出精度を向上することが可能となる。また、当該表示装置は、赤外線を有する光によって被検出物を撮像するため、該表示装置と接触する被検出物および接触しない被検出物を検出することができ、被検出物が、単数であっても複数であっても検出することができる。 In this manner, by performing imaging using invisible light (IR) including light having a wavelength in the infrared region, imaging can be performed without affecting the display on the display device. In addition, since the intensity of the invisible light (IR) can be increased without considering the influence on the display, it is possible to reduce the influence of external light on the imaging device and improve the detection accuracy. It becomes. In addition, since the display device captures an object to be detected with light having infrared rays, it can detect an object to be detected that is in contact with the display device and an object that is not in contact with the object. Even a plurality of them can be detected.
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図23乃至図25を用いて以下説明を行う。(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a display device including the transistor described as an example in the above embodiment will be described below with reference to FIGS.
図23は、表示装置の一例を示す上面図である。図23に示す表示装置700は、第1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704及びゲートドライバ706と、画素部702、ソースドライバ704、及びゲートドライバ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704、及びゲートドライバ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23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。 FIG. 23 is a top view illustrating an example of the display device. A
また、表示装置700は、第1の基板701上のシール材712によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部702、ソースドライバ704、ゲートドライバ706、及びゲートドライバ706と、それぞれ電気的に接続されるFPC端子部708(FPC:Flexible printed circuit)が設けられる。また、FPC端子部708には、FPC716が接続され、FPC716によって画素部702、ソースドライバ704、及びゲートドライバ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704、ゲートドライバ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704、ゲートドライバ706、及びFPC端子部708に与えられる。 In addition, the
また、表示装置700にゲートドライバ706およびソースドライバ704を複数設けてもよい。また、表示装置700としては、ソースドライバ704、及びゲートドライバ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、ソースドライバまたはゲートドライバ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に実装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。 Further, the
また、表示装置700が有する画素部702、ソースドライバ704及びゲートドライバ706は、複数のトランジスタを有しており、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。 The
また、表示装置700は、様々な素子を有することが出来る。該素子の一例としては、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(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。また、表示装置700は、センサを有していてもよく、該センサは、赤外線を有する光によって被検出物を撮像する機能を有すると好ましい。 In addition, the
また、EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子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(FED)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction 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。 An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using an electronic ink element or an electrophoretic element is electronic paper. Note that in the case of realizing a transflective liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrode may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may have aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a memory circuit such as an SRAM can be provided under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced.
なお、表示装置700における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式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、RGB(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の3色に限定されない。例えば、カラー表示する際の画素は、RとGとBとW(白)の4つの色要素からなる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色分の色要素で一つの画素を構成し、他の色要素を加えてカラー表示する構成であってもよい。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。 Note that as a display method in the
また、バックライト(有機EL素子、無機EL素子、LED、蛍光灯など)に白色発光(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。 In addition, a colored layer (also referred to as a color filter) may be used in order to display white light (W) in a backlight (such as an organic EL element, an inorganic EL element, an LED, or a fluorescent lamp) and display a full color display device. Good. For example, red (R), green (G), blue (B), yellow (Y), and the like can be used in appropriate combination for the colored layer. By using the colored layer, the color reproducibility can be increased as compared with the case where the colored layer is not used. At this time, white light in a region having no colored layer may be directly used for display by arranging a region having a colored layer and a region having no colored layer. By disposing a region that does not have a colored layer in part, a decrease in luminance due to the colored layer can be reduced during bright display, and power consumption can be reduced by about 20% to 30%. However, when a full color display is performed using a self-luminous element such as an organic EL element or an inorganic EL element, R, G, B, Y, and W may be emitted from elements having respective emission colors. By using a self-luminous element, power consumption may be further reduced as compared with the case where a colored layer is used.
また、カラー化方式としては、上述の白色発光からの発光の一部を、カラーフィルタを通すことで赤色、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。 As a colorization method, a part of light emission from the white light emission described above is converted to red, green, and blue by passing a color filter (color filter method), and red, green, and blue light emission are also performed. A method using each of these (three-color method) or a method for converting a part of light emission from blue light emission to red or green (color conversion method, quantum dot method) may be applied.
本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びEL素子を用いる構成について、図24及び図25を用いて説明する。なお、図24は、図23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25は、図23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。 In this embodiment, a structure in which a liquid crystal element and an EL element are used as display elements will be described with reference to FIGS. Note that FIG. 24 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 23, in which a liquid crystal element is used as a display element. FIG. 25 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 23 and has a configuration using an EL element as a display element.
まず、図24及び図25に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について以下説明する。 First, common parts shown in FIGS. 24 and 25 will be described first, and then different parts will be described below.
<4−1.表示装置の共通部分に関する説明>
図23乃至図25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704は、トランジスタ752を有する。<4-1. Explanation of common parts of display device>
A
トランジスタ750及びトランジスタ752は、先に示すトランジスタ100と同様の構成である。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。 The
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。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。 The transistor used in this embodiment includes an oxide semiconductor film which is highly purified and suppresses formation of oxygen vacancies. The transistor can have low off-state current. Therefore, the holding time of an electric signal such as an image signal can be increased, and the writing interval can be set longer in the power-on state. Therefore, since the frequency of the refresh operation can be reduced, there is an effect of suppressing power consumption.
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、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。 In addition, the transistor used in this embodiment can have a relatively high field-effect mobility, and thus can be driven at high speed. For example, by using such a transistor that can be driven at high speed in a liquid crystal display device, the switching transistor in the pixel portion and the driver transistor used in the driver circuit portion can be formed over the same substrate. That is, since it is not necessary to use a semiconductor device formed of a silicon wafer or the like as a separate drive circuit, the number of parts of the semiconductor device can be reduced. In the pixel portion, a high-quality image can be provided by using a transistor that can be driven at high speed.
容量素子790は、トランジスタ750が有する第1の酸化物半導体膜と、同一の酸化物半導体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2の絶縁膜として機能する絶縁膜、及び第3の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。 The
また、図24及び図25において、トランジスタ750、トランジスタ752、及び容量素子790上に平坦化絶縁膜770が設けられている。 24 and 25, a
平坦化絶縁膜770としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜770を設けない構成としてもよい。 As the
また、信号線710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。なお、信号線710は、トランジスタ750、752のソース電極及びドレイン電極と異なる工程を経て形成された導電膜、例えば、ゲート電極として機能する酸化物半導体膜と同じ工程を経て形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。信号線710として、例えば、銅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。 The
また、FPC端子部708は、接続電極760、異方性導電膜780、及びFPC716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。 The FPC
また、第1の基板701及び第2の基板705としては、例えばガラス基板を用いることができる。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。 In addition, as the
また、第1の基板701と第2の基板705の間には、構造体778が設けられる。構造体778は、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。 A
また、第2の基板705側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜738と、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。 On the
<4−2.液晶素子を用いる表示装置の構成例>
図24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24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。<4-2. Configuration Example of Display Device Using Liquid Crystal Element>
A
また、導電膜772は、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。また、導電膜772は、反射電極としての機能を有する。図24に示す表示装置700は、外光を利用し導電膜772で光を反射して着色膜736を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。 The
導電膜772としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反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。本実施の形態においては、導電膜772として、可視光において、反射性のある導電膜を用いる。 As the
また、図24に示す表示装置700においては、画素部702の平坦化絶縁膜770の一部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜770を樹脂膜で形成し、該樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射電極として機能する導電膜772は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電膜772に入射した場合において、導電膜772の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。 In addition, in the
なお、図24では、反射型のカラー液晶表示装置について例示したが、本発明の一態様である表示装置700はこれに限定されない、例えば、導電膜772を可視光に対して、透光性のある導電膜を用いることで透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。透過型のカラー液晶表示装置の場合、平坦化絶縁膜770に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。 Note that although a reflective color liquid crystal display device is illustrated in FIGS. 24A and 24B, the
なお、図24において図示しないが、導電膜772、774の液晶層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24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。 Note that although not illustrated in FIG. 24, an alignment film may be provided on each of the
表示素子として液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、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。 When a liquid crystal element is used as the display element, a thermotropic liquid crystal, a low molecular liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, and the like depending on conditions.
また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。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用いて液晶層に用いる。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。 In the case of employing a horizontal electric field method, a liquid crystal exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases. When the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased, the blue phase appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase. Since the blue phase appears only in a narrow temperature range, in order to improve the temperature range, a liquid crystal composition mixed with several weight percent or more of a chiral agent is used for the liquid crystal layer. A liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent has a short response speed and is optically isotropic, so that alignment treatment is unnecessary. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, a rubbing process is not required, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing process can be prevented, and defects or breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. . A liquid crystal material exhibiting a blue phase has a small viewing angle dependency.
また、表示素子として液晶素子を用いる場合、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる。 When a liquid crystal element is used as a display element, a TN (Twisted Nematic) mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, an FFS (Fringe Field Switching) mode, an ASM (Axial Symmetrical Aligned MicroB cell) mode, A Compensated Birefringence (FLC) mode, a FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, an AFLC (Anti-Ferroelectric Liquid Crystal) mode, and the like can be used.
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した透過型の液晶表示装置であってもよい。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。 Alternatively, a normally black liquid crystal display device such as a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be used. There are several examples of the vertical alignment mode. For example, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV mode, and the like can be used.
<4−3.発光素子を用いる表示装置>
図25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784、EL層786、及び導電膜788を有する。図25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。<4-3. Display device using light emitting element>
A
また、導電膜784は、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に接続される。導電膜784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。導電膜784としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反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。 The
また、図25に示す表示装置700には、平坦化絶縁膜770及び導電膜784上に絶縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電膜784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、EL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784側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜784側及び導電膜788側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。 In the
また、発光素子782と重なる位置に、着色膜736が設けられ、絶縁膜730と重なる位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ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25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。 In addition, a
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
(実施の形態5)
本実施の形態では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、且つ書き込み回数にも制限が無い半導体装置の回路構成の一例について図26を用いて説明する。(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a circuit configuration of a semiconductor device in which stored contents can be held even when power is not supplied and the number of writings is not limited will be described with reference to FIGS.
<5−1.回路構成>
図26は、半導体装置の回路構成を説明する図である。図26において、第1の配線(1st Line)と、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280cのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。<5-1. Circuit configuration>
FIG. 26 is a diagram illustrating a circuit configuration of a semiconductor device. In FIG. 26, the first wiring (1st Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the p-
また、第2の配線(2nd Line)と、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子1281の電極の一方及びn型トランジスタ1280cのゲート電極とは、電気的に接続されている。 The second wiring (2nd Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the
また、第3の配線(3rd Line)と、p型トランジスタ1280a及びn型トランジスタ1280bのゲート電極とは、電気的に接続されている。また、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ1282のゲート電極とは、電気的に接続されている。また、第5の配線(5th Line)と、容量素子1281の電極の他方及びn型トランジスタ1280cのソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。また、第6の配線(6th Line)と、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の他方及びn型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。 The third wiring (3rd Line) and the gate electrodes of the p-
なお、トランジスタ1282は、酸化物半導体(OS)により形成することができる。したがって、図26において、トランジスタ1282に「OS」の記号を付記してある。なお、トランジスタ1282を酸化物半導体以外の材料により形成してもよい。 Note that the
また、図26において、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子1281の電極の一方と、n型トランジスタ1280cのゲート電極と、の接続箇所には、フローティングノード(FN)を付記してある。トランジスタ1282をオフ状態とすることで、フローティングノード、容量素子1281の電極の一方、及びn型トランジスタ1280cのゲート電極に与えられた電位を保持することができる。 In FIG. 26, a floating node (FN) is added to a connection portion between the other of the source electrode and the drain electrode of the
図26に示す回路構成では、n型トランジスタ1280cのゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the circuit configuration shown in FIG. 26, by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the n-
<5−2.情報の書き込み及び保持>
まず、情報の書き込み及び保持について説明する。第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオン状態となる電位にして、トランジスタ1282をオン状態とする。これにより、第2の配線の電位がn型トランジスタ1280cのゲート電極、及び容量素子1281に与えられる。すなわち、n型トランジスタ1280cのゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオフ状態となる電位にして、トランジスタ1282をオフ状態とする。これにより、n型トランジスタ1280cのゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。<5-2. Writing and holding information>
First, writing and holding of information will be described. The potential of the fourth wiring is set to a potential at which the
トランジスタ1282のオフ電流は極めて小さいため、n型トランジスタ1280cのゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the
<5−3.情報の読み出し>
次に、情報の読み出しについて説明する。第3の配線の電位をLowレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオン状態となり、n型トランジスタ1280bがオフ状態となる。この時、第1の配線の電位は第6の配線に与えられる。一方、第3の配線の電位をHighレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオフ状態となり、n型トランジスタ1280bがオン状態となる。この時、フローティングノード(FN)に保持された電荷量に応じて、第6の配線は異なる電位をとる。このため、第6の配線の電位をみることで、保持されている情報を読み出すことができる(読み出し)。<5-3. Reading information>
Next, reading of information will be described. When the potential of the third wiring is set to a low level potential, the p-
また、トランジスタ1282は、酸化物半導体をチャネル領域に用いるため、極めてオフ電流が小さいトランジスタである。酸化物半導体を用いたトランジスタ1282のオフ電流は、シリコン半導体などで形成されるトランジスタの10万分の1以下のオフ電流であるため、トランジスタ1282のリーク電流による、フローティングノード(FN)に蓄積される電荷の消失を無視することが可能である。つまり、酸化物半導体を用いたトランジスタ1282により、電力の供給が無くても情報の保持が可能な不揮発性の記憶回路を実現することが可能である。 The
また、このような回路構成を有する半導体装置を、レジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、記憶装置全体、もしくは記憶装置を構成する一または複数の論理回路において、待機状態のときに短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。また、該半導体装置を、センサに用いることで、ノイズの影響の小さくすることができセンサの検出精度を高めることができる。該センサは、赤外線を有する光を用いることができる。 In addition, by using a semiconductor device having such a circuit configuration for a storage device such as a register or a cache memory, data in the storage device can be prevented from being lost due to supply of power supply voltage being stopped. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the power supply stop can be restored in a short time. Therefore, power consumption can be suppressed because the entire storage device or one or a plurality of logic circuits included in the storage device can be stopped in a short time in a standby state. Further, by using the semiconductor device for a sensor, the influence of noise can be reduced, and the detection accuracy of the sensor can be increased. The sensor can use light having infrared rays.
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
(実施の形態6)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることのできる画素回路の構成について、図27(A)を用いて以下説明を行う。(Embodiment 6)
In this embodiment, a structure of a pixel circuit that can be used for the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
<6−1.画素回路の構成>
図27(A)は、画素回路の構成を説明する図である。図27(A)に示す回路は、光電変換素子1360、トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、及びトランジスタ1354を有する。<6-1. Configuration of pixel circuit>
FIG. 27A illustrates a structure of a pixel circuit. The circuit illustrated in FIG. 27A includes a
光電変換素子1360のアノードは配線1316に電気的に接続され、カソードはトランジスタ1351のソース電極またはドレイン電極の一方と接続される。トランジスタ1351のソース電極またはドレイン電極の他方は電荷蓄積部(FD)と接続され、ゲート電極は配線1312(TX)と接続される。トランジスタ1352のソース電極またはドレイン電極の一方は配線1314(GND)と接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方はトランジスタ1354のソース電極またはドレイン電極の一方と接続され、ゲート電極は電荷蓄積部(FD)と接続される。トランジスタ1353のソース電極またはドレイン電極の一方は電荷蓄積部(FD)と接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は配線1317と接続され、ゲート電極は配線1311(RS)と接続される。トランジスタ1354のソース電極またはドレイン電極の他方は配線1315(OUT)と接続され、ゲート電極は配線1313(SE)に接続される。なお、上記接続は全て電気的な接続とする。 The anode of the
なお、配線1314には、GND、VSS、VDDなどの電位が供給されていてもよい。ここで、電位や電圧は相対的なものである。そのため、GNDの電位の大きさは、必ずしも、0ボルトであるとは限らないものとする。 Note that a potential such as GND, VSS, or VDD may be supplied to the
光電変換素子1360は受光素子であり、画素回路に入射した光に応じた電流を生成する機能を有する。トランジスタ1353は、光電変換素子1360による電荷蓄積部(FD)への電荷蓄積を制御する機能を有する。トランジスタ1354は、電荷蓄積部(FD)の電位に応じた信号を出力する機能を有する。トランジスタ1352は、電荷蓄積部(FD)の電位のリセットする機能を有する。トランジスタ1352は、読み出し時に画素回路の選択を制御する機能を有する。 The
なお、電荷蓄積部(FD)は、電荷保持ノードであり、光電変換素子1360が受ける光の量に応じて変化する電荷を保持する。 Note that the charge accumulation portion (FD) is a charge retention node and retains a charge that varies depending on the amount of light received by the
なお、トランジスタ1352とトランジスタ1354とは、配線1315と配線1314との間で、直列接続されていればよい。したがって、配線1314、トランジスタ1352、トランジスタ1354、配線1315の順で並んでもよいし、配線1314、トランジスタ1354、トランジスタ1352、配線1315の順で並んでもよい。 Note that the
配線1311(RS)は、トランジスタ1353を制御するための信号線としての機能を有する。配線1312(TX)は、トランジスタ1351を制御するための信号線としての機能を有する。配線1313(SE)は、トランジスタ1354を制御するための信号線としての機能を有する。配線1314(GND)は、基準電位(例えばGND)を設定する信号線としての機能を有する。配線1315(OUT)は、トランジスタ1352から出力される信号を読み出すための信号線としての機能を有する。配線1316は電荷蓄積部(FD)から光電変換素子1360を介して電荷を出力するための信号線としての機能を有し、図27(A)の回路においては低電位線である。また、配線1317は電荷蓄積部(FD)の電位をリセットするための信号線としての機能を有し、図27(A)の回路においては高電位線である。 The wiring 1311 (RS) functions as a signal line for controlling the
次に、図27(A)に示す各素子の構成について説明する。 Next, the structure of each element illustrated in FIG.
<6−2.光電変換素子>
光電変換素子1360には、セレンまたはセレンを含む化合物(以下、セレン系材料とする)を有する素子、あるいはシリコンを有する素子(例えば、pin型の接合が形成された素子)を用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタと、セレン系材料を用いた光電変換素子とを組み合わせることで信頼性を高くすることができるため好ましい。<6-2. Photoelectric conversion element>
As the
<6−3.トランジスタ>
トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、およびトランジスタ1354は、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導体を用いて形成することも可能であるが、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することが好ましい。酸化物半導体でチャネル領域を形成したトランジスタは、極めてオフ電流が低い特性を示す特徴を有している。また、酸化物半導体でチャネル領域を形成したトランジスタとしては、例えば、実施の形態1に示すトランジスタを用いることができる。<6-3. Transistor>
Although the
特に、電荷蓄積部(FD)と接続されているトランジスタ1351、及びトランジスタ1353のリーク電流が大きいと、電荷蓄積部(FD)に蓄積された電荷が保持できる時間が十分でなくなる。したがって、少なくとも当該二つのトランジスタに酸化物半導体を用いたトランジスタを使用することで、電荷蓄積部(FD)からの不要な電荷の流出を防止することができる。 In particular, when the leakage current of the
また、トランジスタ1352、及びトランジスタ1354においても、リーク電流が大きいと、配線1314または配線1315に不必要な電荷の出力が起こるため、これらのトランジスタとして、酸化物半導体でチャネル領域を形成したトランジスタを用いることが好ましい。 Further, in the
また、図27(A)において、ゲート電極が一つの構成のトランジスタについて例示したが、これに限定されず、例えば、複数のゲート電極を有する構成としてもよい。複数のゲート電極を有するトランジスタとしては、例えば、チャネル領域が形成される半導体膜と重なる、第1のゲート電極と、第2のゲート電極(バックゲート電極ともいう)と、有する構成とすればよい。バックゲート電極としては、例えば、第1のゲート電極と同じ電位、フローティング、または第1のゲート電極と異なる電位を与えればよい。 FIG. 27A illustrates a transistor having one gate electrode structure; however, the present invention is not limited to this, and a structure having a plurality of gate electrodes may be employed, for example. As the transistor having a plurality of gate electrodes, for example, a structure in which a first gate electrode and a second gate electrode (also referred to as a back gate electrode) overlap with a semiconductor film in which a channel region is formed may be used. . As the back gate electrode, for example, the same potential as that of the first gate electrode, floating, or a potential different from that of the first gate electrode may be applied.
<6−4.回路動作のタイミングチャート>
次に、図27(A)に示す回路の動作の一例について図27(B)に示すタイミングチャートを用いて説明する。<6-4. Circuit operation timing chart>
Next, an example of operation of the circuit illustrated in FIG. 27A will be described with reference to a timing chart illustrated in FIG.
図27(B)では簡易に説明するため、各配線の電位は、2値変化する信号として与える。ただし、各電位はアナログ信号であるため、実際には状況に応じて2値に限らず種々の値を取り得る。なお、図27(B)に示す信号1401は配線1311(RS)の電位、信号1402は配線1312(TX)の電位、信号1403は配線1313(SE)の電位、信号1404は電荷蓄積部(FD)の電位、信号1405は配線1315(OUT)の電位に相当する。なお、配線1316の電位は常時”Low”、配線1317の電位は常時”High”とする。 In FIG. 27B, for simple explanation, the potential of each wiring is given as a signal that changes in binary. However, since each electric potential is an analog signal, actually, it can take various values without being limited to binary values depending on the situation. Note that a
時刻Aにおいて、配線1311の電位(信号1401)を”High”、配線1312の電位(信号1402)を”High”とすると、電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)は配線1317の電位(”High”)に初期化され、リセット動作が開始される。なお、配線1315の電位(信号1405)は、”High”にプリチャージしておく。 At time A, when the potential of the wiring 1311 (signal 1401) is “High” and the potential of the wiring 1312 (signal 1402) is “High”, the potential of the charge accumulation portion (FD) (signal 1404) is the potential of the wiring 1317 (signal 1404). It is initialized to “High”) and the reset operation is started. Note that the potential of the wiring 1315 (signal 1405) is precharged to “High”.
時刻Bにおいて、配線1311の電位(信号1401)を”Low”とするとリセット動作が終了し、蓄積動作が開始される。ここで、光電変換素子1360には逆方向バイアスが印加されるため、逆方向電流により、電荷蓄積部(FD)(信号1404)が低下し始める。光電変換素子1360は、光が照射されると逆方向電流が増大するので、照射される光の量に応じて電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)の低下速度は変化する。すなわち、光電変換素子1360に照射する光の量に応じて、トランジスタ1354のソースとドレイン間のチャネル抵抗が変化する。 At time B, when the potential of the wiring 1311 (the signal 1401) is set to “Low”, the reset operation is completed and the accumulation operation is started. Here, since a reverse bias is applied to the
時刻Cにおいて、配線1312の電位(信号1402)を”Low”とすると蓄積動作が終了し、電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)は一定となる。ここで、当該電位は、蓄積動作中に光電変換素子1360が生成した電荷量により決まる。すなわち、光電変換素子1360に照射されていた光の量に応じて変化する。また、トランジスタ1351およびトランジスタ1353は、酸化膜半導体でチャネル領域を形成したオフ電流が極めて低いトランジスタで構成されているため、後の選択動作(読み出し動作)を行うまで、電荷蓄積部(FD)の電位を一定に保つことが可能である。 At time C, when the potential of the wiring 1312 (signal 1402) is set to “Low”, the accumulation operation ends, and the potential of the charge accumulation portion (FD) (signal 1404) becomes constant. Here, the potential is determined by the amount of charge generated by the
なお、配線1312の電位(信号1402)を”Low”とする際に、配線1312と電荷蓄積部(FD)との間における寄生容量により、電荷蓄積部(FD)の電位に変化が生じることがある。当該電位の変化量が大きい場合は、蓄積動作中に光電変換素子1360が生成した電荷量を正確に取得できないことになる。当該電位の変化量を低減するには、トランジスタ1351のゲート電極−ソース電極(もしくはゲート電極−ドレイン電極)間容量を低減する、トランジスタ1352のゲート容量を増大する、電荷蓄積部(FD)に保持容量を設ける、などの対策が有効である。なお、本実施の形態では、これらの対策により当該電位の変化を無視できるものとしている。 Note that when the potential of the wiring 1312 (the signal 1402) is set to “Low”, a change in the potential of the charge storage portion (FD) occurs due to parasitic capacitance between the
時刻Dに、配線1313の電位(信号1403)を”High”にすると、トランジスタ1354が導通して選択動作が開始され、配線1314と配線1315が、トランジスタ1352とトランジスタ1354とを介して導通する。そして、配線1315の電位(信号1405)は、低下していく。なお、配線1315のプリチャージは、時刻D以前に終了しておけばよい。ここで、配線1315の電位(信号1405)が低下する速さは、トランジスタ1352のソース電極とドレイン電極間の電流に依存する。すなわち、蓄積動作中に光電変換素子1360に照射されている光の量に応じて変化する。 At the time D, when the potential of the wiring 1313 (the signal 1403) is set to “High”, the
時刻Eにおいて、配線1313の電位(信号1403)を”Low”にすると、トランジスタ1354が遮断されて選択動作は終了し、配線1315の電位(信号1405)は、一定値となる。ここで、一定値となる値は、光電変換素子1360に照射されていた光の量に応じて変化する。したがって、配線1315の電位を取得することで、蓄積動作中に光電変換素子1360に照射されていた光の量を知ることができる。 At time E, when the potential of the wiring 1313 (signal 1403) is set to “Low”, the
より具体的には、光電変換素子1360に照射されている光が強いと、電荷蓄積部(FD)の電位、すなわちトランジスタ1352のゲート電圧は低下する。そのため、トランジスタ1352のソース電極−ドレイン電極間に流れる電流は小さくなり、配線1315の電位(信号1405)はゆっくりと低下する。したがって、配線1315からは比較的高い電位を読み出すことができる。 More specifically, when the light applied to the
逆に、光電変換素子1360に照射されている光が弱いと、電荷蓄積部(FD)の電位、すなわち、トランジスタ1352のゲート電圧は高くなる。そのため、トランジスタ1352のソース電極−ドレイン電極間に流れる電流は大きくなり、配線1315の電位(信号1405)は速く低下する。したがって、配線1315からは比較的低い電位を読み出すことができる。 On the other hand, when the light applied to the
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(実施の形態7)
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28を用いて説明を行う。(Embodiment 7)
In this embodiment, a display device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<7−1.表示装置の構成例>
図28(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506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。<7-1. Configuration example of display device>
A display device illustrated in FIG. 28A includes a circuit portion (hereinafter, referred to as a pixel portion 502) including a pixel of a display element and a circuit that is disposed outside the
駆動回路部504の一部、または全部は、画素部502と同一基板上に形成されていることが望ましい。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 Bonding)によって、実装することができる。 A part or all of the
画素部502は、X行(Xは2以上の自然数)Y列(Yは2以上の自然数)に配置され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。 The
ゲートドライバ504aは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ504aは、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504aは、別の信号を供給することも可能である。 The
ソースドライバ504bは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ504bは、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。 The
ソースドライバ504bは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。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。 The
複数の画素回路501のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線GLの一つを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。 Each of the plurality of
図28(A)に示す保護回路506は、例えば、ゲートドライバ504aと画素回路501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。 The
保護回路506は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。 The
図28(A)に示すように、画素部502と駆動回路部504にそれぞれ保護回路506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。 As shown in FIG. 28A, a
また、図28(A)においては、ゲートドライバ504aとソースドライバ504bによって駆動回路部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。 FIG. 28A illustrates an example in which the
<7−2.画素回路の構成例>
図28(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図28(B)に示す構成とすることができる。<7-2. Configuration example of pixel circuit>
A plurality of
図28(B)に示す画素回路501は、液晶素子570と、トランジスタ550と、容量素子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。 A
液晶素子570の一対の電極の一方の電位は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される。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。 One potential of the pair of electrodes of the
例えば、液晶素子570を備える表示装置の駆動方法としては、TNモード、STNモード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Vertical 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(Electrically Controlled Birefringence)モード、PDLC(Polymer 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。 For example, a driving method of a display device including the
m行n列目の画素回路501において、トランジスタ550のソース電極またはドレイン電極の一方は、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GL_mに電気的に接続される。トランジスタ550は、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。 In the
容量素子560の一対の電極の一方は、電位が供給される配線(以下、電位供給線VL)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。 One of the pair of electrodes of the
例えば、図28(R)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図28(A)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。 For example, in a display device including the
データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ550がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。 The
また、図28(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図28(C)に示す構成とすることができる。 The plurality of
また、図28(C)に示す画素回路501は、トランジスタ552、554と、容量素子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。 A
トランジスタ552のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線(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552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。 One of a source electrode and a drain electrode of the
トランジスタ552は、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。 The
容量素子562の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線(以下、電位供給線VL_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。 One of the pair of electrodes of the
容量素子562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。 The
トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線VL_aに電気的に接続される。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。 One of a source electrode and a drain electrode of the
発光素子572のアノード及びカソードの一方は、電位供給線VL_bに電気的に接続され、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。 One of an anode and a cathode of the light-emitting
発光素子572としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子(有機EL素子ともいう)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。 As the light-emitting
なお、電位供給線VL_a及び電位供給線VL_bの一方には、高電源電位VDDが与えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。 Note that one of the potential supply line VL_a and the potential supply line VL_b is supplied with the high power supply potential VDD, and the other is supplied with the low power supply potential VSS.
図28(C)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図28(A)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552をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。 In the display device including the
データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ552がオフ状態になることで保持状態になる。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。 The
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
(実施の形態8)
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29及び図30を用いて説明を行う。(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module and an electronic device each including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<8−1.表示モジュール>
図29に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002との間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続された表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板8010、バッテリ8011を有する。<8-1. Display module>
A
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル8006に用いることができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for the
上部カバー8001及び下部カバー8002は、タッチパネル8004及び表示パネル8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。 The shapes and dimensions of the
タッチパネル8004は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル8006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。該光学式のタッチパネルは、赤外線を有する光を用いることが好ましい。なお、該光学式のタッチパネルは、被検出物を光によって検出することが可能であるため、被検出物と該タッチパネルとが接触しなくてもよい。 As the
バックライト8007は、光源8008を有する。なお、図29において、バックライト8007上に光源8008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8007の端部に光源8008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8007を設けない構成としてもよい。 The
フレーム8009は、表示パネル8006の保護機能の他、プリント基板8010の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。 The
プリント基板8010は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信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8011による電源であってもよい。バッテリ8011は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。 The printed
また、表示モジュール8000は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。 The
<8−2.電子機器>
図30(A)乃至図30(G)は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体9000、表示部9001、スピーカ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、等を有することができる。<8-2. Electronic equipment>
30A to 30G illustrate electronic devices. These electronic devices include a
図30(A)乃至図30(G)に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付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30(A)乃至図30(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30(A)乃至図30(H)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。 The electronic devices illustrated in FIGS. 30A to 30G can have a variety of functions. For example, a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function for displaying a calendar, date or time, a function for controlling processing by various software (programs), Wireless communication function, function for connecting to various computer networks using the wireless communication function, function for transmitting or receiving various data using the wireless communication function, and reading and displaying the program or data recorded on the recording medium It can have a function of displaying on the section. Note that the functions of the electronic devices illustrated in FIGS. 30A to 30G are not limited to these, and can have various functions. Although not illustrated in FIGS. 30A to 30H, the electronic device may have a plurality of display portions. In addition, the electronic device is equipped with a camera, etc., to capture still images, to capture moving images, to store captured images on a recording medium (externally or built into the camera), and to display captured images on the display unit And the like.
図30(A)乃至図30(G)に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。 Details of the electronic devices illustrated in FIGS. 30A to 30G are described below.
図30(A)は、テレビジョン装置9100を示す斜視図である。テレビジョン装置9100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。 FIG. 30A is a perspective view illustrating a
図30(B)は、携帯情報端末9101を示す斜視図である。携帯情報端末9101は、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、接続端子、センサ等を設けてもよい。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9001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。 FIG. 30B is a perspective view showing the
筐体9000の材料としては、合金、プラスチック、セラミックス、炭素繊維を含む材料を用いることができる。炭素繊維を含む材料としては、炭素繊維強化樹脂複合材(Carbon Fiber Reinforced Plastics:CFRP)が軽量であり、且つ、腐食しない利点があるが黒色であり、外観やデザインが限られる。また、CFRPは強化プラスチックの一種とも言え、強化プラスチックはガラス繊維を用いてもよいし、ケブラーを用いたKFRPを用いてもよい。強い衝撃を受けた場合、合金と比較して繊維は樹脂から剥離する恐れがあるため、合金が好ましい。合金としては、アルミニウム合金やマグネシウム合金が挙げられるが、中でもジルコニウムと銅とニッケルとチタンを含む非晶質合金(金属ガラスとも呼ばれる)が弾性強度の点で優れている。この非晶質合金は、室温においてガラス遷移領域を有する非晶質合金であり、バルク凝固非晶質合金とも呼ばれ、実質的に非晶質原子構造を有する合金である。凝固鋳造法により、少なくとも一つの筐体の鋳型内に合金材料が鋳込まれ、凝固させて一部の筐体をバルク凝固非晶質合金で形成する。非晶質合金は、ジルコニウム、銅、ニッケル、チタン以外にもベリリウム、シリコン、ニオブ、ボロン、ガリウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、コバルト、イットリウム、バナジウム、リン、炭素などを含んでもよい。また、非晶質合金は、凝固鋳造法に限定されず、真空蒸着法、スパッタ法、電解めっき法、無電解メッキ法などによって形成してもよい。また、非晶質合金は、全体として長距離秩序(周期構造)を持たない状態を維持するのであれば、微結晶またはナノ結晶を含んでもよい。なお、合金とは、単一の固体相構造を有する完全固溶体合金と、2つ以上の相を有する部分溶体の両方を含むこととする。筐体9000に非晶質合金を用いることで高い弾性を有する筐体を実現できる。従って、携帯情報端末9101を落下させても、筐体9000が非晶質合金であれば、衝撃が加えられた瞬間には一時的に変形しても元に戻るため、携帯情報端末9101の耐衝撃性を向上させることができる。 As a material for the
図30(C)は、携帯情報端末9102を示す斜視図である。携帯情報端末9102は、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。 FIG. 30C is a perspective view showing the
図30(D)は、腕時計型の携帯情報端末9200を示す斜視図である。携帯情報端末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9006を介さずに無線給電により行ってもよい。 FIG. 30D is a perspective view showing a wristwatch-type
また、腕時計型の携帯情報端末9200は、脈拍を検出する機能を有してもよい。腕時計型の携帯情報端末9200で脈泊を検出することで、定常的または定期的に脈拍を測定することができ、健康管理に好ましい。脈拍の検出には、赤外線を用いることが好ましく、本発明の一態様の半導体素子が好適である。 The wristwatch-type
図31(A)(B)は、赤外線を検出する機能を有する端末における発光素子と受光素子との配置を説明する図である。図31(A)に示す赤外線を検出する機能を有する端末9501は、基板上に配置された受光素子と複数の発光素子とを有する。受光素子9601は、赤外線を検出する機能を有し、発光素子9602、9603、9604は、赤外線を呈する機能を有する。 31A and 31B are diagrams illustrating the arrangement of light emitting elements and light receiving elements in a terminal having a function of detecting infrared rays. A terminal 9501 having a function of detecting infrared rays illustrated in FIG. 31A includes a light-receiving element and a plurality of light-emitting elements arranged over a substrate. The
端末9501においては、発光素子9602乃至9604から射出された赤外線は、検出対象物に照射され、その反射された赤外線を受光素子9601で検出することで、検出対象物を検出することができ、当該発光素子からの光に対する検出対象物からの反射光の大きさを基に、検出対象物の位置等を検出することができる。 In the terminal 9501, the infrared light emitted from the
また、端末9501が表示装置として表示部9001を有するとき、赤外線を呈する発光素子9602乃至9604および赤外線を検出する受光素子9601は、図31(C)のように、表示装置の表示部9001と同じ面に配置されても良く、図32(A)のように、表示装置の表示部9001と異なる面に配置されても良く、図32(B)のように、表示装置の表示部9001の下部にあっても良い。 In addition, when the terminal 9501 includes the
なお、図31(B)に示す端末9502のように、受光素子9601および発光素子9602乃至発光素子9605の配置であってもよい。また、受光素子および発光素子は、それぞれ単数であっても複数であってもよい。 Note that as in a terminal 9502 illustrated in FIG. 31B, an arrangement of a light-receiving
上記のような発光素子と受光素子とを有する端末により、脈拍などの生体情報を検出することができる。なお、図31に例示した端末は、赤外線を呈する発光素子と赤外線を検出する受光素子とを有すれば良く、脈拍を検出する端末に限定されない。 Biological information such as a pulse can be detected by a terminal having the light emitting element and the light receiving element as described above. Note that the terminal illustrated in FIG. 31 only needs to include a light emitting element that exhibits infrared light and a light receiving element that detects infrared light, and is not limited to a terminal that detects a pulse.
また、本発明の一態様の半導体装置は、静脈、瞳孔、虹彩などの生体情報を検出する機能を有する電子機器に好適である。人体のセンシングにおいては、いわゆる生体の窓と呼ばれる近赤外線の波長領域の光を用いることが好ましい。該波長領域の光は、水への吸収が小さく、ヘモグロビンによりわずかに吸収される程度であるため、生体情報の検出、特に血液状態の検出に好適に用いることができる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いることで、上記のような生体情報を高精細に検出することができるため、生体認証の精度を高めることができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention is suitable for an electronic device having a function of detecting biological information such as a vein, a pupil, and an iris. In sensing the human body, it is preferable to use light in the near-infrared wavelength region called a so-called biological window. The light in the wavelength region has a small absorption in water and is slightly absorbed by hemoglobin, and therefore can be suitably used for detection of biological information, particularly detection of a blood state. In addition, by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the above-described biometric information can be detected with high definition, so that the accuracy of biometric authentication can be increased.
図30(E)(F)(G)は、折り畳み可能な携帯情報端末9201を示す斜視図である。また、図30(E)が携帯情報端末9201を展開した状態の斜視図であり、図30(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30(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9201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。 30E, 30F, and 30G are perspective views illustrating a foldable
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有す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。 The electronic device described in this embodiment includes a display portion for displaying some information. Note that the semiconductor device of one embodiment of the present invention can also be applied to an electronic device that does not include a display portion.
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
本実施例においては、本発明の一態様のトランジスタを作製し、当該トランジスタの電気特性の測定、及び発光状態の観察を行った。 In this example, a transistor of one embodiment of the present invention was manufactured, and electrical characteristics of the transistor were measured and a light emission state was observed.
本実施例で用いた試料の作製方法について、以下説明を行う。なお、本実施例においては、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタ100に相当するトランジスタとして半導体素子1を作製した。なお、以下の説明においては、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタ100が有する構成と同様の機能を有する構成については、同様の符号を用いて説明する。また、比較として、図33(A)(B)(C)に示す構造のトランジスタを比較半導体素子1として作製した。
<半導体素子1の作製>A method for manufacturing the sample used in this example is described below. Note that in this example, the
<Production of
ガラス基板である基板102上に第1のゲート電極として機能する導電膜106を形成した。導電膜106としては、厚さ100nmのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。 A
次に、基板102及び導電膜106上に第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜104を形成した。なお、本実施例においては、絶縁膜104として、絶縁膜104_1と、絶縁膜104_2と、絶縁膜104_3と、絶縁膜104_4とを順に、PECVD装置を用いて、真空中で連続して形成した。なお、絶縁膜104_1は、厚さ50nmの窒化シリコン膜とした。また、絶縁膜104_2は、厚さ300nmの窒化シリコン膜とした。また、絶縁膜104_3は、厚さ50nmの窒化シリコン膜とした。また、絶縁膜104_4は、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜とした。 Next, an insulating
次に、絶縁膜104上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜108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、酸化物半導体膜108の形成には、スパッタリング装置を用いた。スパッタリング装置に、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の金属酸化物を用い、該スパッタリングターゲットにバイアス電圧を印加する電源としてはAC電源を用いた。また、酸化物半導体膜108の加工には、ウエットエッチング法を用いた。 Next, an oxide semiconductor film was formed over the insulating
次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜108上に、後に絶縁膜110となる絶縁膜を形成した。当該絶縁膜としては、厚さ20nmの酸化窒化シリコン膜と、厚さ80nmの酸化窒化シリコン膜とを、PECVD装置を用いて真空中で連続して形成した。 Next, an insulating film to be the insulating
次に、熱処理を行った。当該熱処理としては、窒素と酸素との混合ガス雰囲気下で、350℃ 1時間の熱処理とした。 Next, heat treatment was performed. As the heat treatment, heat treatment was performed at 350 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen.
次に、絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、第2のゲート電極として機能する導電膜112を形成した。導電膜112としては、スパッタリング装置を用い、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の金属酸化物をスパッタリングターゲットとし、厚さ100nmになるよう、該スパッタリングターゲットに印加する電源としてはAC電源を用いて形成した。また、導電膜112を形成後、続けて、導電膜112の下側に接する絶縁膜を加工することで、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜110を形成した。 Next, an oxide semiconductor film was formed over the insulating film, and the oxide semiconductor film was processed into an island shape, so that the
なお、導電膜112の加工には、ウエットエッチング法を用い、絶縁膜110の加工にはドライエッチング法を用いた。 Note that a wet etching method was used for processing the
次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜108、絶縁膜110、及び導電膜112上から不純物元素の添加処理を行った。不純物元素の添加処理としては、ドーピング装置を用い、不純物元素としてはアルゴンを用いた。 Next, impurity element addition treatment was performed over the insulating
次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜108、絶縁膜110、及び導電膜112上に絶縁膜116を形成した。絶縁膜116としては、厚さ100nmの窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。 Next, the insulating
次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成した。絶縁膜118としては、厚さ300nmの酸化窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。 Next, an insulating
次に、絶縁膜118上にマスクを形成し、当該マスクを用いて、絶縁膜116、118に開口部141s、141dを形成した。なお、開口部141s、141dの加工にはドライエッチング装置を用いた。 Next, a mask was formed over the insulating
次に、絶縁膜118上に開口部141s、141dを充填するように、導電膜を形成し、当該導電膜を島状に加工することで、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜120s及び導電膜120dを形成した。 Next, a conductive film is formed over the insulating
導電膜120s、120dとしては、厚さ50nmのチタン膜と、厚さ400nmのアルミニウム膜と、厚さ100nmのチタン膜と、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。 As the
以上の工程により、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタ100に相当するトランジスタである半導体素子1を作製した。 Through the above steps, the
なお、半導体素子1のチャネル幅Wを50μm及び100μmとし、チャネル幅Lを6μmとした。 The channel width W of the
<比較半導体素子1の作製>
ガラス基板である基板102上に第1のゲート電極として機能する導電膜106を形成した。導電膜106としては、厚さ100nmのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。<Production of
A
次に、基板102及び導電膜106上に、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜104、103を形成した。絶縁膜104としては、厚さ400nmの窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。また、絶縁膜103としては、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。 Next, insulating
次に、絶縁膜103上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜108を形成した。酸化物半導体膜108としては、厚さ25nmの酸化物半導体膜を形成した。なお、酸化物半導体膜108としては、スパッタリング装置を用い、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の金属酸化物をスパッタリングターゲットとし、該スパッタリングターゲットに印加する電源としてはAC電源を用いた。 Next, an oxide semiconductor film was formed over the insulating
次に、絶縁膜103、酸化物半導体膜108上に導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成し、所望の領域をエッチングすることで、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜120s、及び導電膜120dを形成した。導電膜120s、120dとしては、厚さ50nmのタングステン膜と、厚さ400nmのアルミニウム膜と、厚さ100nmのチタン膜とを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。なお、導電膜120s、120dの形成後レジストマスクを除去した。 Next, a conductive film is formed over the insulating
次に、絶縁膜103、酸化物半導体膜108、及び導電膜120s、120d上から、リン酸水溶液(リン酸の濃度が85%の水溶液を、さらに純水で100倍に希釈した水溶液)を塗布し、導電膜120s、120dから露出した酸化物半導体膜108の表面の一部を除去した。 Next, a phosphoric acid aqueous solution (an aqueous solution in which an aqueous solution having a phosphoric acid concentration of 85% is further diluted 100 times with pure water) is applied over the insulating
次に、絶縁膜103、酸化物半導体膜108、及び導電膜120s、120d上に、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜114及び絶縁膜116を形成した。絶縁膜114としては、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。また、絶縁膜116としては、厚さ400nmの酸化窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。なお、絶縁膜114及び絶縁膜116としては、PECVD装置により真空中で連続して形成した。 Next, the insulating
次に、第1の熱処理を行った。該第1の熱処理としては、窒素を含む雰囲気下で350℃、1時間とした。 Next, a first heat treatment was performed. The first heat treatment was performed at 350 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.
次に、絶縁膜116上に酸化物半導体膜を形成し、該酸化物半導体膜を島状に加工することで第2のゲート電極として機能する導電膜112を形成した。導電膜112としては、厚さ100nmの酸化物半導体膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。 Next, an oxide semiconductor film was formed over the insulating
次に、絶縁膜116及び導電膜112上に絶縁膜118を形成した。絶縁膜118としては、厚さ100nmの窒化シリコン膜を、PECVD装置を用いて形成した。 Next, an insulating
次に、第2の熱処理を行った。該第2の熱処理としては、第1の熱処理と同様である。 Next, a second heat treatment was performed. The second heat treatment is the same as the first heat treatment.
以上の工程により、図33(A)(B)(C)に示すトランジスタに相当する比較半導体素子1を作製した。 Through the above steps, a
なお、比較半導体素子1として、チャネル幅Wを100μmとし、チャネル幅Lを6μmとした。 As the
<電気特性の測定>
図34(A)(B)に、半導体素子1のドレイン電流−ゲート電圧(Id−Vg)特性結果を示す。<Measurement of electrical characteristics>
34A and 34B show the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristic results of the
なお、図34(A)は、W/L=50μm/6μmの半導体素子1の特性であり、図34(B)は、W/L=100μm/6μmの半導体素子1の特性である。また、図34(A)(B)において、実線で示す曲線が第1縦軸に対応するId(A)を、点線で示す曲線が第2縦軸に対応する電界効果移動度(μFE(cm2/Vs))を、それぞれ表す。また、横軸はVg(V)である。34A shows the characteristics of the
なお、トランジスタのId−Vg特性の測定条件としては、トランジスタの第1のゲート電極として機能する導電膜106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112に印加する電圧(以下、Vbgともいう)を、−15Vから+20Vまで0.25Vのステップで変化させた。また、ソース電極として機能する導電膜120sに印加する電圧(以下、ソース電圧(Vs)ともいう)を0V(comm)とし、ドレイン電極として機能する導電膜120dに印加する電圧(以下、ドレイン電圧(Vd)ともいう)を、1Vまたは20Vとした。 Note that measurement conditions for the Id-Vg characteristics of the transistor include a voltage applied to the
図34(A)(B)に示すように、本実施例で作製したトランジスタは、チャネル長(L)の長さに起因せずに、良好な電気特性であることが示された。 As shown in FIGS. 34A and 34B, it was shown that the transistor manufactured in this example had favorable electrical characteristics regardless of the channel length (L).
<発光状態の観察>
次に、上記作製したW/L=50μm/6μmの半導体素子1、W/L=100μm/6μmの半導体素子1、及びW/L=100μm/6μmの比較半導体素子1、の発光状態の観察を行った。発光状態の観察結果を図35及び図36に示す。<Observation of light emission state>
Next, the observation of the light emission state of the
ここで、各半導体素子を発光させるために、Vg及びVbgを20Vとし、Vdを20Vとした。また、可視光領域の発光の観察には、400nm以上750nm以下に65%以上の量子効率を有する冷却CCDカメラを用い、近赤外線領域の発光の観察には、900nm以上1550nm以下に65%以上の量子効率を有するInGaAsカメラ(浜松ホトニクス株式会社製、C8250−31)を用いた。 Here, in order to make each semiconductor element emit light, Vg and Vbg were set to 20V, and Vd was set to 20V. In addition, a cooling CCD camera having a quantum efficiency of 65% or more from 400 nm to 750 nm is used for observation of light emission in the visible light region, and 65% or more from 900 nm to 1550 nm is used for observation of light emission in the near infrared region. An InGaAs camera (C8250-31, manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) having quantum efficiency was used.
なお、図35(A)に、W/L=100μm/6μmの半導体素子1の可視光領域の発光の観察結果を、図35(B)に、W/L=100μm/6μmの半導体素子1の近赤外線領域の発光の観察結果、図36(A)に、W/L=50μm/6μmの半導体素子1の近赤外線領域の発光の観察結果を、図36(B)に、W/L=100μm/6μmの比較半導体素子1の近赤外線領域の発光の観察結果を、それぞれ示す。 35A shows an observation result of light emission in the visible light region of the
図36(A)に示すように、W/L=50μm/6μmの半導体素子1からは、近赤外線領域の発光が観察された。また、図35(B)に示すように、W/L=100μm/6μmの半導体素子1からは、強い近赤外線領域の発光が観察された。したがって、チャネル幅Wが大きい方が、近赤外線領域の発光を強く呈することができ好ましい。また、図35(A)に示すように、W/L=100μm/6μmの半導体素子1からは、可視光領域の発光がほとんど観測されなかった。すなわち、本発明の一態様のトランジスタである半導体素子1は、選択的に赤外線領域の発光を呈する機能を有しており好ましい。 As shown in FIG. 36A, light emission in the near-infrared region was observed from the
一方、図36(B)に示すように、W/L=100μm/6μmの比較半導体素子1からは、近赤外線領域の発光がほとんど観測されなかった。本発明の一態様の半導体素子1は、比較半導体素子1と比較して、酸化物半導体膜108と、導電膜120sおよび120dとが接する領域が、チャネル領域から離れている。そのため、チャネル領域で生成した熱または赤外線のエネルギーが導電膜120sおよび120dに移動しにくく、効果的に赤外線領域の発光を呈することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 36B, almost no light emission in the near infrared region was observed from the
以上のように、本発明の一態様により、近赤外線領域の発光を呈する機能を有するトランジスタを作製することができることが分かった。 As described above, it was found that according to one embodiment of the present invention, a transistor having a function of emitting light in the near-infrared region can be manufactured.
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the structure described in this example can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
100 トランジスタ
100A トランジスタ
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
102 基板
103 絶縁膜
104 絶縁膜
104_1 絶縁膜
104_2 絶縁膜
104_3 絶縁膜
104_4 絶縁膜
106 導電膜
107 酸化物半導体膜
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
110_0 絶縁膜
112 導電膜
112_0 導電膜
114 絶縁膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
120 導電膜
120d 導電膜
120s 導電膜
122 絶縁膜
140 マスク
141d 開口部
141s 開口部
143 開口部
145 不純物元素
147 中空領域
200 基板
202 トランジスタ
204 発光素子
206 フォトダイオード
212 トランジスタ
221 トランジスタ
230 絶縁膜
241 導電膜
242 導電膜
250 絶縁膜
261 導電膜
262 導電膜
270 発光層
280 導電膜
290 光電変換層
291 隔壁
300 カラーフィルタ
310 封止基板
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
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ
705 基板
706 ゲートドライバ
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
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
784 導電膜
786 EL層
788 導電膜
790 容量素子
1280a p型トランジスタ
1280b n型トランジスタ
1280c n型トランジスタ
1281 容量素子
1282 トランジスタ
1311 配線
1312 配線
1313 配線
1314 配線
1315 配線
1316 配線
1317 配線
1351 トランジスタ
1352 トランジスタ
1353 トランジスタ
1354 トランジスタ
1360 光電変換素子
1401 信号
1402 信号
1403 信号
1404 信号
1405 信号
2020 酸化物半導体膜
2021 導電膜
2022 導電膜
2023 ゲート絶縁膜
2024 導電膜
2025 導電膜
2101 被検出物
2201 光
2202 光
2301 光
2302 光
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
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
9501 端末
9502 端末
9601 受光素子
9602 発光素子
9603 発光素子
9604 発光素子
9605 発光素子100
730
8004
8006
Claims (12)
前記トランジスタは、
第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と重畳する領域を有する、酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重畳する領域を有する、第2のゲート電極と、
前記酸化物半導体膜上、及び前記第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記第2の絶縁膜と接するチャネル領域と、前記第3の絶縁膜と接するソース領域と、前記第3の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、発光を呈する領域を有し、
前記発光は、近赤外光を含む、
半導体装置。A semiconductor device having a transistor,
The transistor is
A first gate electrode;
A first insulating film on the first gate electrode;
An oxide semiconductor film having a region overlapping with the first gate electrode with the first insulating film interposed therebetween;
A second insulating film on the oxide semiconductor film;
A second gate electrode having a region overlapping with the oxide semiconductor film with the second insulating film interposed therebetween;
A third insulating film on the oxide semiconductor film and on the second gate electrode;
The oxide semiconductor film has a channel region in contact with the second insulating film, a source region in contact with the third insulating film, and a drain region in contact with the third insulating film,
The channel region has a region that emits light;
The emission includes near infrared light,
Semiconductor device.
前記トランジスタは、
第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と重畳する領域を有する、酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重畳する領域を有する、第2のゲート電極と、
前記酸化物半導体膜上、及び前記第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記第2の絶縁膜と接するチャネル領域と、前記第3の絶縁膜と接するソース領域と、前記第3の絶縁膜と接するドレイン領域と、を有し、
前記チャネル領域は、発光を呈する機能を有し、
前記発光は、900nm以上1550nm以下の波長領域の光を含む、
半導体装置。A semiconductor device having a transistor,
The transistor is
A first gate electrode;
A first insulating film on the first gate electrode;
An oxide semiconductor film having a region overlapping with the first gate electrode with the first insulating film interposed therebetween;
A second insulating film on the oxide semiconductor film;
A second gate electrode having a region overlapping with the oxide semiconductor film with the second insulating film interposed therebetween;
A third insulating film on the oxide semiconductor film and on the second gate electrode;
The oxide semiconductor film has a channel region in contact with the second insulating film, a source region in contact with the third insulating film, and a drain region in contact with the third insulating film,
The channel region has a function of emitting light;
The light emission includes light in a wavelength region of 900 nm to 1550 nm,
Semiconductor device.
前記トランジスタは、さらに、
前記第3の絶縁膜に設けられた第1の開口部を介して、前記ソース領域において前記酸化物半導体膜に電気的に接続するソース電極と、
前記第3の絶縁膜に設けられた第2の開口部を介して、前記ドレイン領域において前記酸化物半導体膜に電気的に接続するドレイン電極と、を有する、
半導体装置。In claim 1 or claim 2,
The transistor further comprises:
A source electrode electrically connected to the oxide semiconductor film in the source region through a first opening provided in the third insulating film;
A drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film in the drain region through a second opening provided in the third insulating film;
Semiconductor device.
前記酸化物半導体膜は、Inと、Znと、M(Mは、Al、Ga、Y、またはSn)と、を有する、
半導体装置。In claim 1 or claim 2,
The oxide semiconductor film includes In, Zn, and M (M is Al, Ga, Y, or Sn).
Semiconductor device.
前記酸化物半導体膜は、前記Inの含有量が、前記Mの含有量以上である領域を有する、
半導体装置。In claim 4,
The oxide semiconductor film has a region in which the In content is equal to or more than the M content.
Semiconductor device.
前記第2のゲート電極は、Inと、Znと、M(Mは、Al、Ga、Y、またはSn)と、を有する、
半導体装置。In claim 4,
The second gate electrode includes In, Zn, and M (M is Al, Ga, Y, or Sn).
Semiconductor device.
前記第2のゲート電極は、前記Inの含有量が、前記Mの含有量以上である領域を有する、
半導体装置。In claim 6,
The second gate electrode has a region in which the In content is equal to or more than the M content.
Semiconductor device.
前記第2のゲート電極は、前記酸化物半導体膜よりもキャリア密度が高い、
半導体装置。In claim 6,
The second gate electrode has a higher carrier density than the oxide semiconductor film;
Semiconductor device.
前記第3の絶縁膜は、窒素および水素の少なくとも一方を有する、
半導体装置。In claim 1 or claim 2,
The third insulating film has at least one of nitrogen and hydrogen;
Semiconductor device.
前記酸化物半導体膜は、結晶部を有し、
前記結晶部は、c軸配向性を有する、
半導体装置。In claim 1 or claim 2,
The oxide semiconductor film has a crystal part,
The crystal part has c-axis orientation;
Semiconductor device.
表示素子と、
を有する表示装置。A semiconductor device according to claim 1 or 2,
A display element;
A display device.
センサと、を有する、
電子機器。A semiconductor device according to claim 1 or 2,
A sensor,
Electronics.
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