KR102250765B1 - 반도체 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전기 특성이 뛰어난 트랜지스터 등을 제공하는 것을 목표로 한다.
게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M(알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석) 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M(알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석) 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
Description
본 발명은 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명은 프로세스(process), 머신(machine), 매뉴팩처(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들면, 반도체층, 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치에 관한 것이다. 또는, 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치를 생산하는 방법에 관한 것이다. 또는, 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치의 구동 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들면, 트랜지스터를 가지는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 또는 그들의 구동 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명은 예를 들면, 이 반도체 장치, 이 표시 장치, 또는 이 발광 장치를 가지는 전자기기에 관한 것이다.
또는, 본 명세서에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 말하고, 전기 광학 장치, 반도체 회로 및 전자기기 등은 모두 반도체 장치이다.
절연 표면을 가지는 기판 위에 형성된 반도체막을 이용하여, 트랜지스터를 구성하는 기술이 주목받고 있다. 이 트랜지스터는 집적 회로나 표시 장치와 같은 반도체 장치에 널리 응용되고 있다. 트랜지스터에 적용할 수 있는 반도체막으로서 실리콘막이 알려져 있다.
트랜지스터의 반도체막에 이용되는 실리콘막은 용도에 따라 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막으로 나누어 사용되고 있다. 예를 들면, 대형의 표시 장치를 구성하는 트랜지스터에 적용하는 경우, 대면적 기판에 대한 성막 기술이 확립되어 있는 비정질 실리콘막을 이용하면 적합하다. 한편, 구동 회로를 일체 형성한 고기능의 표시 장치를 구성하는 트랜지스터에 적용하는 경우, 높은 전계 효과 이동도를 가지는 트랜지스터를 제작할 수 있는 다결정 실리콘막을 이용하면 적합하다. 다결정 실리콘막은 비정질 실리콘막에 대하여 고온에서의 열처리, 또는 레이저광 처리를 행함으로써 형성하는 방법이 알려져 있다.
최근에는 산화물 반도체막이 주목받고 있다. 예를 들면, 인듐, 갈륨 및 아연을 가지는 비정질 산화물 반도체막을 이용한 트랜지스터가 개시되어 있다(특허문헌 1 참조).
산화물 반도체막은 스퍼터링법 등을 이용하여 성막할 수 있기 때문에, 대형의 표시 장치를 구성하는 트랜지스터의 채널 형성 영역에 이용할 수 있다. 또한, 산화물 반도체막을 이용한 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 가지기 때문에, 구동 회로를 일체 형성한 고기능의 표시 장치를 실현할 수 있다. 또한, 비정질 실리콘막을 이용한 트랜지스터의 생산 설비의 일부를 개량하여 이용하는 것이 가능하기 때문에, 설비 투자가 억제되는 메리트도 있다.
그런데, InMO3(ZnO)m(M은 Fe, Ga, Al, m은 자연수)로 나타내어지는 동종 화합물(homologous compound)이 알려져 있다(비특허문헌 1 참조). InMO3(ZnO)m으로 나타내어지는 동종 화합물에 있어서, 특히, M이 Ga인 결정은 세계에서 처음으로 합성한 키미즈카 노보루 박사의 이름을 따서, 키미즈카 결정이라고 불리기도 한다.
N. Kimizuka, M. Isobe, and M. Nakamura, "Syntheses and Single-Crystal Data of Homologous Compounds, In2O3(ZnO)m(m = 3, 4, and 5), InGaO3(ZnO)3, and Ga2O3(ZnO)m(m = 7, 8, 9, and 16) in the In2O3-ZnGa2O4-ZnO System", J. Solid State Chem., 1995, Vol. 116, pp. 170-178
전기 특성이 뛰어난 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 온 전류가 높은 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 전기 특성이 안정된 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 오프 시의 전류가 작은 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 높은 전계 효과 이동도를 가지는 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 수율이 높은 트랜지스터 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 이 트랜지스터 등을 가지는 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 또는, 신규 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다.
또한, 이러한 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 양태는 이러한 과제를 모두 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한, 이것들 이외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터, 저절로 알 수 있는 것이고, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터, 이것들 이외의 과제를 추출하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 양태는 게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M(알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석) 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
또는, 본 발명의 일 양태는 게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 1.5배 이상 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 1.5배 이상 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
또는, 본 발명의 일 양태는 게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 높고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 높고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
또는, 본 발명의 일 양태는 게이트 전극과, 게이트 전극과 접하는 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 접하고, 게이트 절연막으로부터 먼 순으로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막을 가지고, 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층은 인듐, 원소 M 및 아연을 포함하고, 제 1 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 0.2 eV 이상 2 eV 이하 높고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고, 제 3 산화물 반도체층은 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 0.2 eV 이상 2 eV 이하 높고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 반도체 장치이다.
또는, 본 발명의 일 양태는 제 2 산화물 반도체층과 제 3 산화물 반도체층과의 사이에, 소스 전극 및 드레인 전극을 가지는 상술한 반도체 장치 중 어느 반도체 장치이다.
전기 특성이 뛰어난 트랜지스터 등을 제공할 수 있다. 또는, 온 전류가 높은 트랜지스터 등을 제공할 수 있다. 또는, 전기 특성이 안정된 트랜지스터 등을 제공할 수 있다.
또는, 오프 시의 전류가 작은 트랜지스터 등을 제공할 수 있다. 또는, 높은 전계 효과 이동도를 가지는 트랜지스터 등을 제공할 수 있다. 또는, 수율이 높은 트랜지스터 등을 제공할 수 있다. 또는, 이 트랜지스터 등을 가지는 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는, 신규 반도체 장치 등을 제공할 수 있다.
도 1은 트랜지스터의 단면도, 및 밴드 구조를 설명하는 도면.
도 2는 다층막의 구조와 온 전류의 관계를 설명하는 도면.
도 3은 다층막의 구조와 온 전류의 관계를 설명하는 도면.
도 4는 다층막의 구조와 전류 밀도 및 전자 밀도의 관계를 설명하는 도면.
도 5는 트랜지스터의 단면도 및 등가 회로를 설명하는 도면.
도 6은 밴드 구조를 설명하는 도면.
도 7은 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS를 나타내는 밴드 구조.
도 8은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 단면 모식도.
도 9는 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 암(暗) 상태에서의 열화를 설명하는 도면.
도 10은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 암 상태에서의 열화를 설명하는 도면.
도 11은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 12는 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 13은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 14는 산화물 반도체층의 고순도 진성화를 설명하는 모델도.
도 15는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 16은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 17은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극 근방의 단면도의 일례를 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 19는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 20은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 21은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 22는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 23은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 24는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 25는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 26은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 27은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 28은 본 발명의 일 양태에 따른 다층막의 밴드 구조를 설명하는 도면.
도 29는 산화물 반도체의 나노빔 전자선 회절 패턴(nanobeam electron diffraction pattern)을 나타내는 도면.
도 30은 CPM에 의한 흡수 계수를 나타내는 도면.
도 31은 성막 장치의 일례를 나타내는 상면도.
도 32는 성막실의 일례를 나타내는 단면도.
도 33은 가열 처리실의 일례를 나타내는 도면.
도 34는 본 발명의 일 양태에 따른 반도체 장치의 일례를 나타내는 블럭도.
도 35는 본 발명의 일 양태에 따른 반도체 장치의 일례를 나타내는 단면도 및 회로도.
도 36은 본 발명의 일 양태에 따른 CPU의 일례를 나타내는 블럭도.
도 37은 본 발명의 일 양태에 따른 EL 표시 장치의 일례를 나타내는 회로도, 상면도 및 단면도.
도 38은 본 발명의 일 양태에 따른 액정 표시 장치의 일례를 나타내는 회로도 및 단면도.
도 39는 본 발명의 일 양태에 따른 전자기기의 일례를 나타내는 도면.
도 40은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 41은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 42는 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 43은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 44는 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 45는 트랜지스터의 전기 특성의 실측 결과와 계산 결과와의 비교를 나타내는 도면.
도 46은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 47은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 48은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 49는 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 50은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 2는 다층막의 구조와 온 전류의 관계를 설명하는 도면.
도 3은 다층막의 구조와 온 전류의 관계를 설명하는 도면.
도 4는 다층막의 구조와 전류 밀도 및 전자 밀도의 관계를 설명하는 도면.
도 5는 트랜지스터의 단면도 및 등가 회로를 설명하는 도면.
도 6은 밴드 구조를 설명하는 도면.
도 7은 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS를 나타내는 밴드 구조.
도 8은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 단면 모식도.
도 9는 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 암(暗) 상태에서의 열화를 설명하는 도면.
도 10은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 암 상태에서의 열화를 설명하는 도면.
도 11은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 12는 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 13은 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 광 조사 하에서의 열화를 설명하는 도면.
도 14는 산화물 반도체층의 고순도 진성화를 설명하는 모델도.
도 15는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 16은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 17은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극 근방의 단면도의 일례를 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 19는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 20은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 21은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 22는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 23은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 24는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 25는 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 26은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 일례를 나타내는 상면도 및 단면도.
도 27은 본 발명의 일 양태에 따른 트랜지스터의 제작 방법의 일례를 나타내는 단면도.
도 28은 본 발명의 일 양태에 따른 다층막의 밴드 구조를 설명하는 도면.
도 29는 산화물 반도체의 나노빔 전자선 회절 패턴(nanobeam electron diffraction pattern)을 나타내는 도면.
도 30은 CPM에 의한 흡수 계수를 나타내는 도면.
도 31은 성막 장치의 일례를 나타내는 상면도.
도 32는 성막실의 일례를 나타내는 단면도.
도 33은 가열 처리실의 일례를 나타내는 도면.
도 34는 본 발명의 일 양태에 따른 반도체 장치의 일례를 나타내는 블럭도.
도 35는 본 발명의 일 양태에 따른 반도체 장치의 일례를 나타내는 단면도 및 회로도.
도 36은 본 발명의 일 양태에 따른 CPU의 일례를 나타내는 블럭도.
도 37은 본 발명의 일 양태에 따른 EL 표시 장치의 일례를 나타내는 회로도, 상면도 및 단면도.
도 38은 본 발명의 일 양태에 따른 액정 표시 장치의 일례를 나타내는 회로도 및 단면도.
도 39는 본 발명의 일 양태에 따른 전자기기의 일례를 나타내는 도면.
도 40은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 41은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 42는 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 43은 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 44는 트랜지스터의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 45는 트랜지스터의 전기 특성의 실측 결과와 계산 결과와의 비교를 나타내는 도면.
도 46은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 47은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 48은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 49는 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
도 50은 트랜지스터의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내는 도면.
본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 그 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다. 또한, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다. 또한, 도면을 이용하여 발명의 구성을 설명함에 있어서, 같은 것을 가리키는 부호는 다른 도면 간에서도 공통으로 이용한다. 또한, 같은 것을 가리킬 때는 해치 패턴을 같게 하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
또한, 어느 하나의 실시형태에서 설명하는 내용(일부의 내용이어도 좋음)은 그 실시형태에서 설명하는 다른 내용(일부의 내용이어도 좋음)에 대하여, 적용, 조합, 또는 치환 등을 행할 수 있다.
또한, 도면에서, 크기, 층의 두께, 또는, 영역은 명료화를 위해 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서, 반드시 그 스케일로 한정되지 않는다.
또한, 도면은 이상적인 예를 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타내는 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제조 기술에 의한 형상의 편차, 오차에 의한 형상의 편차, 노이즈에 의한 신호, 전압, 혹은 전류의 편차, 또는, 타이밍의 차이에 의한 신호, 전압, 혹은 전류의 편차 등을 포함하는 것이 가능하다.
또한, 전압은 어느 전위와 기준의 전위(예를 들면, 접지 전위(GND) 또는 소스 전위)와의 전위차를 나타내는 경우가 많다. 따라서, 전압을 전위라고 바꾸어 말하는 것이 가능하다.
본 명세서에서는 「전기적으로 접속한다」고 표현되는 경우에도, 현실의 회로에서는 물리적인 접속 부분이 없고, 단지 배선이 연장되어 있는 경우도 있다.
또한, 제 1, 제 2로서 붙여지는 서수사는 편의상 이용하는 것이고, 공정 순서 또는 적층 순서를 나타내는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 발명을 특정하기 위한 사항으로서 고유의 명칭을 나타내는 것은 아니다.
본 명세서에서, 예를 들면, 물체의 형상을 「직경」, 「입경」, 「크기」, 「사이즈」, 「폭」 등으로 규정하는 경우, 물체가 들어가는 최소의 입방체에서의 한 변의 길이, 또는 물체의 일 단면에서의 원 상당 직경(equivalent circle diameter)이라고 바꿔 읽어도 좋다. 물체의 일 단면에서의 원 상당 직경이란, 물체의 일 단면과 같은 면적이 되는 정원(perfect circle)의 직경을 말한다.
또한, 「반도체」라고 표기한 경우에도, 예를 들면, 도전성이 충분히 낮은 경우는 「절연체」로서의 특성을 가지는 경우가 있다. 또한, 「반도체」와「절연체」는 경계가 애매하고, 엄밀하게 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에 기재한 「반도체」는 「절연체」라고 바꾸어 말할 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 기재한 「절연체」는 「반도체」라고 바꾸어 말할 수 있는 경우가 있다.
또한, 「반도체」라고 표기한 경우에도, 예를 들면, 도전성이 충분히 높은 경우는 「도전체」로서의 특성을 가지는 경우가 있다. 또한, 「반도체」와「도전체」는 경계가 애매하여, 엄밀하게 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에 기재한 「반도체」는 「도전체」라고 바꾸어 말할 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 기재한 「도전체」는 「반도체」라고 바꾸어 말할 수 있는 경우가 있다.
또한, 반도체층의 불순물이란, 예를 들면, 반도체층을 구성하는 주성분 이외를 말한다. 예를 들면, 농도가 0.1 atomic% 미만의 원소는 불순물이다. 불순물이 포함됨으로써, 예를 들면, 반도체층에 DOS(Density of State)가 형성되거나, 캐리어 이동도가 저하되거나, 결정성이 저하되거나 하는 경우가 있다. 반도체층이 산화물 반도체층인 경우, 반도체층의 특성을 변화시키는 불순물로서는, 예를 들면, 제 1 족 원소, 제 2 족 원소, 제 14 족 원소, 제 15 족 원소, 주성분 이외의 천이 금속 등이 있고, 특히, 예를 들면, 수소(물에도 포함됨), 리튬, 나트륨, 실리콘, 붕소, 인, 탄소, 질소 등이 있다. 산화물 반도체의 경우, 불순물의 혼입에 의해 산소 결손을 형성하는 경우가 있다. 또한, 반도체층이 실리콘층인 경우, 반도체층의 특성을 변화시키는 불순물로서는, 예를 들면, 산소, 수소를 제외한 제 1 족 원소, 제 2 족 원소, 제 13 족 원소, 제 15 족 원소 등이 있다.
또한, 본 명세서에서, 과잉 산소란, 예를 들면, 화학량론적 조성을 초과하여 포함되는 산소를 말한다. 또는, 과잉 산소란, 예를 들면, 가열함으로써 방출되는 산소를 말한다. 과잉 산소는, 예를 들면, 막이나 층의 내부를 이동할 수 있다. 과잉 산소의 이동은 막이나 층의 원자 간을 이동하는 경우와, 막이나 층을 구성하는 산소와 치환되면서 연쇄적으로 이동하는 경우가 있다. 또한, 과잉 산소를 포함하는 절연막은 예를 들면, 가열 처리에 의해 산소를 방출하는 기능을 가지는 절연막이다.
＜다층막을 가지는 트랜지스터의 온 전류에 대하여＞
이하에서는 산화물 반도체층을 포함하는 다층막을 가지는 트랜지스터에서, 온 전류(Ion)와 각 층의 물성 또는, 두께와의 관계를 확인하기 위한 계산을 행하였다.
도 1(A)에, 계산에 이용한 트랜지스터의 단면 모식도를 나타낸다. 트랜지스터는 하지 절연막(BI)과, 하지 절연막(BI) 위의 산화물 반도체층(S1)과, 산화물 반도체층(S1) 위의 산화물 반도체층(S2)과, 산화물 반도체층(S2) 위의 소스 전극(SE) 및 드레인 전극(DE)과, 산화물 반도체층(S2) 위, 소스 전극(SE) 위 및 드레인 전극(DE) 위의 산화물 반도체층(S3)과, 산화물 반도체층(S3) 위의 게이트 절연막(GI)과, 게이트 절연막(GI) 위의 게이트 전극(GE)을 가진다. 또한, 산화물 반도체층(S2)은 소스 전극(SE) 및 드레인 전극(DE)과 접하는 영역에 n형 영역을 가진다.
이때, 산화물 반도체층(S1), 산화물 반도체층(S2) 및 산화물 반도체층(S3)을 총칭하여 다층막이라고 부른다.
계산에는 이하에 나타내는 수치를 이용했다. 하지 절연막(BI)은 산화 질화 실리콘막을 상정하여, 두께를 300 nm, 비유전률을 4.1로 했다.
산화물 반도체층(S1)은 Ga의 원자수비가 높은 In-Ga-Zn 산화물을 상정하여, 두께를 20 nm, 비유전률을 15, 전자 친화력을 3조건(4.2 eV, 4.3 eV, 4.4 eV), 에너지 갭을 3.6 eV, 도너 밀도를 1×10-9개/cm3, 전자 이동도를 0.1 cm2/Vs, 정공 이동도를 0.01 cm2/Vs로 했다. 전자 친화력이란, 진공 준위와 전도대 하단의 에너지(Ec)와의 차이를 말한다.
산화물 반도체층(S2)은 In과 Ga의 원자수비가 동일한 정도의 In-Ga-Zn 산화물을 상정하여, 두께를 15 nm, 비유전률을 15, 전자 친화력을 4.6 eV, 에너지 갭을 3.2 eV, 도너 밀도를 1×10-9개/cm3, 전자 이동도를 10 cm2/Vs, 정공 이동도를 0.01 cm2/Vs로 했다. 또한, n형 영역은 도너 밀도를 5×1018개/cm3로 했다.
산화물 반도체층(S3)은 Ga의 원자수비가 높은 In-Ga-Zn 산화물을 상정하여, 두께를 7조건(0 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm), 비유전률을 15, 전자 친화력을 3조건(4.2 eV, 4.3 eV, 4.4 eV), 에너지 갭을 3.6 eV, 도너 밀도를 1×10-9개/cm3, 전자 이동도를 0.1 cm2/Vs, 정공 이동도를 0.01 cm2/Vs로 했다. 또한, 산화물 반도체층(S1)과 산화물 반도체층(S3)의 전자 친화력은 마찬가지로 했다.
게이트 절연막(GI)은 산화 질화 실리콘막을 상정하여, 두께를 3조건(10 nm, 20 nm, 30 nm), 비유전률을 4.1로 했다.
게이트 전극(GE)은 텅스텐막을 상정하여, 일 함수를 5.0 eV로 했다.
또한, 트랜지스터는 채널 길이를 0.8μm, 채널 폭을 0.8μm로 했다. 또한, 산화물 반도체층(S2)의 채널이 형성되는 영역은 상면에서 보았을 때, 게이트 전극(GE)과 중첩되고, 또한 소스 전극(SE)과 드레인 전극(DE)과의 사이에 있는 영역이 된다. 따라서, 이 트랜지스터의 채널 길이는 상면에서 보았을 때, 소스 전극(SE)과 드레인 전극(DE)과의 사이의 거리이다. 또한, 이 트랜지스터의 채널 폭은 상면에서 보았을 때, 채널 형성 영역의 채널 길이 방향과 수직인 길이이다.
도 1(A)에 단면을 나타내는 트랜지스터는 산화물 반도체층(S1), 산화물 반도체층(S2), 산화물 반도체층(S3)의 전자 친화력의 관계로부터, 일점 쇄선 H1-H2에 있어서, 도 1(B)에 나타내는 밴드 구조를 가진다. 이때, 산화물 반도체층(S2)에 웰(well)이 형성된다. 산화물 반도체층(S2)과, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)과의 전자 친화력의 차이(전도대 하단의 에너지의 차이)를 웰 깊이(well depth)라고 부른다.
여기서, 산화물 반도체층(S2)의 전자 친화력은 4.6 eV 이다. 따라서, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)의 전자 친화력이 4.2 eV, 4.3 eV, 4.4 eV일 때의 웰 깊이는 각각 0.4 eV, 0.3 eV, 0.2 eV가 된다.
일반적으로, 반도체층과 하지 절연막과의 계면, 반도체층과 게이트 절연막과의 계면 등에는 DOS가 형성된다. DOS는 온 전류의 저하나 신뢰성의 저하의 요인이 되는 경우가 있다. 한편, 도 1(A)에 나타낸 트랜지스터는 다층막 중의 산화물 반도체층(S2)인 웰에 채널을 형성하는 것이 가능하다. 그 경우, 하지 절연막(BI)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면, 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(GI)과의 계면의 영향은 상대적으로 작아져, 온 전류의 저하나 신뢰성의 저하를 억제할 수 있는 경우가 있다.
이상에 나타낸 조건을 기초로, 실바코사(Silvaco Inc.)제 디바이스 시뮬레이션 소프트웨어 「Atlas」를 사용하여 계산을 하였다. 단, 계산은 이상적인 상태를 가정하여 행하였다. 예를 들면, 하지 절연막(BI)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면, 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(GI)과의 계면 등에 DOS를 제공하지 않은 경우에 대하여 계산을 행하였다. 즉, 본 계산은 다층막에 의한 웰의 효과를 나타내는 것이 아니라, 온 전류와 각 층의 물성 또는 두께와의 관계를 나타내기 위한 것이다.
도 2는 산화물 반도체층(S3)의 두께에 대하여 온 전류(Ion)를 플롯한 도면이다. 또한, 온 전류는 게이트 전압 Vg가 3 V, 드레인 전압 Vd가 3 V일 때의 드레인 전류 Id이다. 도 2에서는 상단에 웰 깊이가 0.4 eV, 중단에 웰 깊이가 0.3 eV, 하단에 웰 깊이가 0.2 eV에서의 온 전류의 플롯을 나타낸다. 또한, 도면 중의 흰색 원 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm, 흰색 삼각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm, 흰색 사각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm에서의 온 전류의 플롯을 나타낸다.
도 2로부터, 산화물 반도체층(S3)의 두께가 클수록, 온 전류는 작아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 웰 깊이가 작을수록, 산화물 반도체층(S3)의 두께에 대한 온 전류의 저하가 현저하게 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 게이트 절연막(GI)의 두께가 클수록, 온 전류는 작아지는 것을 알 수 있었다.
계면을 포함하는 산화물 반도체층(S2)에만 채널이 형성되는 경우, 산화물 반도체층(S3)은 게이트 절연막의 일부로서 기능한다. 또한, 트랜지스터의 온 전류는 게이트 절연막의 용량에 비례하는 것이 알려져 있다.
도 3의 왼쪽 열은 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(GI)과의 합성 용량을 가로축에 나타내고, 트랜지스터의 온 전류를 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯하여 작성한 도면이다. 도 3의 오른쪽 열은 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(GI)과의 합성 용량을 게이트 절연막(GI)의 용량으로 나눈 값(규격화 용량)을 가로축에 나타내고, 트랜지스터의 온 전류를 산화물 반도체층(S3)을 없음(0 nm)으로 한 경우의 온 전류로 나눈 값(규격화 온 전류 또는 이온비)을 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯함으로써 작성한 도면이다.
또한, 도 3의 오른쪽 열에는 기울기 1의 직선을 나타낸다. 산화물 반도체층(S3)이 게이트 절연막의 일부로서 기능하는 경우, 이상적으로는 규격화 용량과 규격화 온 전류는 기울기 1의 직선 위에 플롯된다. 그런데, 웰 깊이가 0.3 eV의 일부, 웰 깊이가 0.2 eV의 일부 조건에서는 플롯이 기울기 1의 직선보다 아래가 되는 경우가 있었다. 이것은 산화물 반도체층(S3)이 게이트 절연막으로서 기능하고 있지 않기 때문이라고 생각된다.
즉, 조건에 따라서는 게이트 전극(GE)의 전계에 의해 산화물 반도체층(S3)에 전자가 유발되고, 전자 밀도가 높아진 산화물 반도체층(S3)에 의해 게이트 전극(GE)의 전계가 차폐된 결과, 산화물 반도체층(S2)에 인가되는 전계가 약해져, 트랜지스터의 온 전류가 저하되어 버렸을 가능성이 있다.
따라서, 다음에, 산화물 반도체층(S2)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면(S2＼S3 계면) 또는 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(GI)과의 계면(S3＼GI 계면)에서의 전류 밀도 및 전자 밀도를 계산한 결과에 대하여 설명한다.
도 4의 왼쪽 열은 산화물 반도체층(S3)의 두께에 대하여 계면의 전류 밀도를 플롯한 도면이다. 또한, 전류 밀도는 게이트 전압 Vg가 3 V, 드레인 전압 Vd가 3 V일 때의 전류 밀도이다. 또한, S2＼S3 계면은 심볼을 흰색 원, 흰색 삼각, 흰색 사각으로 하고, S3＼GI 계면은 심볼을 검은색 원, 검은색 삼각, 검은색 사각으로 했다. 도 4의 왼쪽 열에서는 상단에 웰 깊이가 0.4 eV, 중단에 웰 깊이가 0.3 eV, 하단에 웰 깊이가 0.2 eV에서의 전류 밀도의 플롯을 나타낸다. 또한, 도면 중의 원 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm, 삼각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm, 사각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm에서의 전류 밀도의 플롯을 나타낸다.
도 4의 왼쪽 열로부터, 어느 조건에서도 S2＼S3 계면의 전류 밀도가 S3＼GI 계면의 전류 밀도보다 높아졌다. 따라서, 이 트랜지스터의 채널이 S2＼S3 계면에 형성되는 것을 알 수 있었다.
단, 본 계산에서는 산화물 반도체층(S3)의 전자 이동도를 산화물 반도체층(S2)의 전자 이동도보다 낮게 추측하고 있다. 그 때문에, 산화물 반도체층(S3)과 산화물 반도체층(S2)의 전자 이동도의 차이에 의해, S2＼S3 계면에 채널이 형성되었을 가능성도 있다.
도 4의 오른쪽 열은 산화물 반도체층(S3)의 두께에 대하여 계면의 전자 밀도를 플롯한 도면이다. 또한, 전자 밀도는 게이트 전압 Vg가 3 V, 드레인 전압 Vd가 3 V일 때의 전자 밀도이다. 또한, S2＼S3 계면은 심볼을 흰색으로 하고, S3＼GI 계면은 심볼을 검은색으로 했다. 도 4의 오른쪽 열에서는 상단에 웰 깊이가 0.4 eV, 중단에 웰 깊이가 0.3 eV, 하단에 웰 깊이가 0.2 eV에서의 전자 밀도의 플롯을 나타낸다. 또한, 도면 중의 원 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm, 삼각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm, 사각 심볼은 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm에서의 전자 밀도의 플롯을 나타낸다.
도 4의 오른쪽 열로부터, 일부의 조건에서는 S2＼S3 계면의 전자 밀도가 S3＼GI 계면의 전자 밀도와 같거나 높아지는 것을 알 수 있었다. 즉, 게이트 전극(GE)의 전계에 의해, 산화물 반도체층(S3)에 전자가 다수 유발되는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 산화물 반도체층(S3)에 전자가 다수 유발되었을 경우, 전자 밀도가 높아진 산화물 반도체층(S3)에 의해 게이트 전극(GE)의 전계가 차폐된다. 그 결과, 산화물 반도체층(S2)에 인가되는 전계가 약해져, 트랜지스터의 온 전류가 저하했다고 생각된다.
구체적으로는, 웰 깊이가 0.2 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께에 의하지 않고(5 nm 이상 50 nm 이하의 범위에서), S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×10F18개/cm3 이상이 되었다. 또한, 웰 깊이가 0.2 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께가 10 nm 이상 50 nm 이하에서, S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되었다. 또한, 웰 깊이가 0.2 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께가 20 nm 이상 50 nm 이하에서, S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되었다.
또한, 웰 깊이가 0.3 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께가 10 nm 이상 50 nm 이하에서, S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되었다. 또한, 웰 깊이가 0.3 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께가 40 nm 이상 50 nm 이하에서, S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되었다. 또한, 웰 깊이가 0.3 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께에 의하지 않고(5 nm 이상 50 nm 이하의 범위에서), S3＼GI 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되는 일은 없었다.
또한, 웰 깊이가 0.4 eV에서는 어느 조건에서도, S2＼S3 계면의 전자 밀도가 1×1018개/cm3 이상이 되는 일은 없었다.
이상에 나타낸 바와 같이, 조건에 따라서는 산화물 반도체층(S3)이 트랜지스터의 온 전류를 저하시키는 요인이 되는 것을 알 수 있었다.
따라서, 트랜지스터의 온 전류를 저하시키지 않는 조건에서 각 층을 선택하면 바람직하다는 것을 알 수 있다.
구체적으로는, 웰 깊이가 0.2 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께를 10 nm 미만(또는, 5 nm 이하)으로 하면 좋다. 또한, 웰 깊이가 0.2 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 30 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께를 20 nm 미만(또는, 10 nm 이하)으로 하면 좋다.
또한, 웰 깊이가 0.3 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 10 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께를 10 nm 미만(또는, 5 nm 이하)으로 하면 좋다. 또한, 웰 깊이가 0.3 eV에서는 게이트 절연막(GI)의 두께가 20 nm일 때, 산화물 반도체층(S3)의 두께를 40 nm 미만(또는, 30 nm 이하)으로 하면 좋다.
또는, 웰 깊이를 0.4 eV 이상으로 하면 좋다.
＜DOS에 의한 열화의 작은 트랜지스터 구조에 대하여＞
상술한 것처럼, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에서, 산화물 반도체층과 절연막과의 계면에는 DOS가 형성되는 경우가 있다. 또한, 형성된 DOS에 전하가 포획되면, 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 요인이 된다.
예를 들면, 다층막을 가지는 트랜지스터 구조를 채용하는 것에 의해, 채널과 DOS를 멀리할 수 있지만, DOS 자체는 완전히 없앨 수 없다. 따라서, 이하에서는 DOS가 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 열화 모델에 대하여 고찰했다. 또한, 문턱 전압의 변화를 작게 하는 구조에 대하여 고찰했다.
도 5(A)는 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 단면도의 일례이다. 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터는 게이트 전극(bg)과, 게이트 전극(bg) 위의 게이트 절연막(bg)과, 게이트 절연막(bg) 위의 산화물 반도체층(S1)과, 산화물 반도체층(S1) 위의 산화물 반도체층(S2)과, 산화물 반도체층(S2) 위의 소스 전극 및 드레인 전극과, 산화물 반도체층(S2) 위, 소스 전극 위 및 드레인 전극 위의 산화물 반도체층(S3)과, 산화물 반도체층(S3) 위의 게이트 절연막(tg)과, 게이트 절연막(tg) 위의 게이트 전극(tg)을 가진다. 또한, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터는 이해를 용이하게 하기 위해 게이트 전극(bg)을 가지지만, 이하의 열화 모델을 게이트 전극(bg)을 갖지 않는 트랜지스터에 적용해도 좋다. 또한, 게이트 전극(bg)을 갖지 않는 경우, 게이트 절연막(bg)은 하지 절연막이 된다.
여기서, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)은, 예를 들면, 산화물 반도체층(S2)을 구성하는 금속 원소를 1종 이상, 바람직하게는 2종 이상, 더욱 바람직하게는 3종 이상 가진다. 또한, 게이트 절연막(bg)은 예를 들면, 산화물 반도체층(S1)을 구성하는 금속 원소를 갖지 않는다. 또한, 게이트 절연막(tg)은 예를 들면, 산화물 반도체층(S3)을 구성하는 금속 원소를 갖지 않는다.
게이트 절연막(bg)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면은 이종 물질 간의 접합 계면이 되기 때문에, DOS가 많아진다. 또한, 게이트 절연막(tg)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면은 이종 물질 간의 접합 계면이 되기 때문에, DOS가 많아진다. 한편, 산화물 반도체층(S1)과 산화물 반도체층(S2)과의 계면은 동종 물질 간의 접합 계면이 되기 때문에, DOS가 적어진다. 또한, 산화물 반도체층(S3)과 산화물 반도체층(S2)과의 계면은 동종 물질 간의 접합 계면이 되기 때문에, DOS가 적어진다.
여기에서는 게이트 절연막(bg)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면에서의 DOS는 전하 트랩이라고 가정했다. 또한, 게이트 절연막(tg)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면에서의 DOS를 전하 트랩이라고 가정했다. 또한, 이 DOS에 포획된 전하가 매우 긴 완화 시간을 가진다고 가정하면, 이 전하는 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 경우가 있다. DOS에는 트랜지스터의 동작 스트레스에 기인하여 전하가 포획될 수 있다.
여기서, 게이트 절연막(bg)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면의 DOS에 포획되는 전하를 Qssb로 했다. 또한, 게이트 절연막(tg)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면의 DOS에 포획되는 전하를 Qsst로 했다. 이때, Qssb, Qsst가 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 것을 검증한다.
또한, 게이트 전극(bg)은 예를 들면, 전위를 고정한다. 따라서, 트랜지스터의 온/오프의 제어는 예를 들면, 게이트 전극(tg)에 의해 행해진다. 또한, 도 5(A)에서는 게이트 전극(bg) 및 게이트 절연막(bg)이 형성되어 있는 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 게이트 전극(bg)으로서 도전층, 반도체층, 불순물이 도입된 반도체층(예를 들면, p형 반도체나 n형 반도체)이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 게이트 전극(bg)은 반드시 게이트 전극으로서의 기능을 가질 필요는 없다. 또한, 게이트 절연막(bg)은 반드시 게이트 절연막으로서의 기능을 가질 필요는 없다.
도 5(B)는 도 5(A)의 트랜지스터에서, 게이트 전극(bg)으로부터 게이트 전극(tg)까지의 적층 구조에 대응하는 등가 회로이다. 여기서, 게이트 절연막(bg)의 용량을 Cbg, 산화물 반도체층(S1)의 용량을 CS1, 산화물 반도체층(S2)의 용량을 CS2, 산화물 반도체층(S3)의 용량을 CS3, 게이트 절연막(tg)의 용량을 Ctg라고 한다. 도 5(B)로부터, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터에서, 게이트 전극(bg)에서 게이트 전극(tg)까지의 적층 구조는, 게이트 전극(bg)과 게이트 전극(tg)과의 사이를 직렬로 접속한 게이트 절연막(bg), 산화물 반도체층(S1), 산화물 반도체층(S2), 산화물 반도체층(S3) 및 게이트 절연막(tg)에 대응하는 커패시터를 가지는 등가 회로로서 나타낼 수 있다.
게이트 전극(bg)의 전위를 Vbg, 게이트 전극(tg)의 전위를 Vtg라고 한다. 또한, 게이트 절연막(bg)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면의 전위를 φssb, 산화물 반도체층(S1)과 산화물 반도체층(S2)과의 계면의 전위를 φS2b, 산화물 반도체층(S2)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면의 전위를 φS2t, 산화물 반도체층(S3)과 게이트 절연막(tg)과의 계면의 전위를 φsst라고 한다.
게이트 절연막(bg)은 게이트 전극(bg)측에 전하 -(Qssb＋QS1)를 가지고, 산화물 반도체층(S1)측에 전하 Qssb＋QS1을 가진다. 산화물 반도체층(S1)은 게이트 절연막(bg)측에 전하 -QS1를 가지고, 산화물 반도체층(S2)측에 전하 QS1를 가진다. 산화물 반도체층(S2)은 산화물 반도체층(S1)측에 전하 -QS2를 가지고, 산화물 반도체층(S3)측에 전하 QS2를 가진다. 산화물 반도체층(S3)은 산화물 반도체층(S2)측에 전하 -QS3를 가지고, 게이트 절연막(tg)측에 전하 QS3를 가진다. 게이트 절연막(tg)은 산화물 반도체층(S3)측에 전하 Qsst-QS3를 가지고, 게이트 전극(tg)측에 전하 -(Qsst-QS3)를 가진다.
이하에, 각 용량과 전하와의 관계를 나타낸다. 단, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)은 절연체라고 가정한다.
게이트 절연막(tg)에서, 용량과 전하와의 관계는 수학식 (1)과 같이 나타내어진다.
[수학식 1]
산화물 반도체층(S3)에서, 용량과 전하와의 관계는 수학식 (2)과 같이 나타내어진다.
[수학식 2]
산화물 반도체층(S2)에서, 용량과 전하와의 관계는 수학식 (3)과 같이 나타내어진다.
[수학식 3]
산화물 반도체층(S1)에서, 용량과 전하와의 관계는 수학식 (4)과 같이 나타내어진다.
[수학식 4]
게이트 절연막(bg)에서, 용량과 전하와의 관계는 수학식 (5)과 같이 나타내어진다.
[수학식 5]
다음에, 수학식 (1) 및 수학식 (2)로부터, φsst를 소거하면, 수학식 (6)과 같이 된다. 또한, Vfbt는 플랫 밴드 전압이다.
[수학식 6]
또한, 수학식 (4) 및 수학식 (5)로부터, φssb를 소거하면, 수학식 (7)과 같이 된다. 또한, Vfbb는 플랫 밴드 전압이다.
[수학식 7]
산화물 반도체층(S2)의 전체가 공핍화하고 있다고 가정한다. 즉, 0＜x＜tS2일 때, φ(x)＜0으로 한다. tS2는 산화물 반도체층(S2)의 두께를 나타낸다. 이때, 산화물 반도체층(S2)에서의 푸아송 방정식(Poisson's equation)은 수학식 (8)과 같이 나타내어진다.
[수학식 8]
단, e는 전기 소량을 나타낸다. 또한, ND는 산화물 반도체층(S2)의 도너 밀도를 나타낸다. 또한, n은 산화물 반도체층(S2)의 전자 밀도를 나타낸다. 또한, εS2는 산화물 반도체층(S2)의 유전율을 나타낸다.
산화물 반도체층(S2)의 전체가 공핍화하고 있을 때, ND＞＞n이기 때문에, 수학식 (8)은 수학식 (9)와 같이 근사할 수 있다.
[수학식 9]
다음에, 수학식 (9)를 수학식 (10) 및 수학식 (11)으로 한다. E(x)는 막두께 방향의 전계, k1 및 k2는 미정 계수이다.
[수학식 10]
[수학식 11]
경계 조건 φ(0) = φS2t, φ(tS2) = φS2b 하에서, 수학식 (10) 및 수학식 (11)으로부터, k1 및 k2는 각각 수학식 (12) 및 수학식 (13)과 같이 구해진다.
[수학식 12]
[수학식 13]
또한, 가우스 법칙(Gauss's law)으로부터, 표면 전하 밀도는 수학식 (14) 및 수학식 (15)로 나타내어진다.
[수학식 14]
[수학식 15]
따라서, QS3 및 QS1은 이하의 수학식 (16) 및 수학식 (17)과 같이 구해진다.
[수학식 16]
[수학식 17]
수학식 (16) 및 수학식 (17)을, 수학식 (6) 및 수학식 (7)에 대입하여 정리하면, 수학식 (18) 및 수학식 (19)가 얻어진다.
[수학식 18]
[수학식 19]
여기서, 트랜지스터의 채널이 산화물 반도체층(S1)과 산화물 반도체층(S2)과의 계면측으로부터 형성된다고 가정하면, 문턱 전압 Vth는 φS2b = 0일 때의 Vtg가 된다. 따라서, 수학식 (18) 및 수학식 (19)을 연립하여, φS2t를 소거하면, 문턱 전압 Vth는 수학식 (20)과 같이 구해진다.
[수학식 20]
따라서, 전하 Qsst 및 전하 Qssb에 의한 문턱 전압 Vth의 변화량 ΔVth는 수학식 (21)로 나타내어진다.
[수학식 21]
따라서, ΔVth는 CS3를 크게 함(예를 들면, 산화물 반도체층(S3)을 얇게 함)으로써 Qssb의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, ΔVth는 CS2를 크게 함(예를 들면, 산화물 반도체층(S2)을 얇게 함)으로써 Qssb의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, ΔVth는 CS1를 작게 함(예를 들면, 산화물 반도체층(S1)을 두껍게 함)으로써 Qssb의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다.
또한, Ctg를 크게 함(게이트 절연막(tg)을 얇게 함)으로써 Qssb의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, Cbg를 크게 함(게이트 절연막(bg)을 얇게 함)으로써 Qssb의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다.
한편, CS3, CS2, CS1은 Qsst의 기여에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 또한, ΔVth는 Ctg를 크게 함(게이트 절연막(tg)을 얇게 함)으로써 Qsst의 기여가 작아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 5(A)에 나타낸 트랜지스터에서, DOS에 기인하는 문턱 전압의 변화를 작게 하기 위해서는, 산화물 반도체층(S3)을 얇게 하면 좋다. 또는, 산화물 반도체층(S2)을 얇게 하면 좋다. 또는, 산화물 반도체층(S1)을 두껍게 하면 좋다. 또는, 게이트 절연막(tg)을 얇게 하면 좋다. 또는, 게이트 절연막(bg)을 얇게 하면 좋다.
그런데, 트랜지스터의 채널은 산화물 반도체층(S2)에 형성된다. 즉, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)이 산화물 반도체층(S2)보다 높은 전도대 하단의 에너지(Ec)를 가진다. 이때, 트랜지스터의 밴드 구조의 모식도를 도 6에 나타낸다.
상술한 열화 모델은 게이트 절연막(bg)과 산화물 반도체층(S1)과의 계면의 DOS의 전위, 및 게이트 절연막(tg)과 산화물 반도체층(S3)과의 계면의 DOS의 전위가 페르미 준위보다 낮은 경우에 대하여 설명했다. 이 경우, 게이트 전극(bg) 및 게이트 전극(tg)이 0 V에서도, 각각의 계면의 DOS에 전자가 포획되고, 전하 Qssb 및 전하 Qsst가 축적된다(도 6(A) 참조).
한편, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)을 가지는 경우, 산화물 반도체층(S1) 및 산화물 반도체층(S3)을 갖지 않는 경우와 비교하여, 각각의 계면의 DOS의 전위가 페르미 준위보다 높아지는 경우(전도대 하단의 에너지에 가까워지는 경우)가 있다. 이와 같이, 각각의 계면의 DOS의 전위가 페르미 준위보다 높은 경우, 각각의 계면의 DOS에는 전자가 포획되지 않기 때문에, 전하 Qssb 및 전하 Qsst는 축적되지 않는다(도 6(B) 참조). 또한, 게이트 전극(tg) 등에 전압이 인가됨으로써, 각각의 계면의 DOS에도 전하가 포획되는 경우가 있다. 포획된 전하는 각각의 계면의 DOS의 전위가 전도대 하단의 에너지에 가깝기 때문에, 짧은 완화 시간에서 소멸한다. 따라서, 각각의 계면의 DOS는 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 요인이 되기는 어렵다.
도 6(B)에 나타낸 것처럼, 각각의 계면의 DOS의 전위와 페르미 준위와의 대소 관계에 따라, 산화물 반도체층(S3)을 형성함으로써 전하 Qsst가 축적되지 않는 경우가 있다. 전하 Qsst가 축적되지 않는 경우, 열화의 요인 자체가 없어지기 때문에, 트랜지스터의 신뢰성은 높아진다.
이상에 나타낸 열화 모델로부터, 다층막을 가지는 트랜지스터에서, 문턱 전압의 변화량의 작아지는 구조에 대하여 설명했다. DOS에 기인한 문턱 전압의 변화를 작게 하기 위해서는 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 게이트 전극으로부터 가까운 산화물 반도체층을 얇게 하면 좋다는 것을 알 수 있다. 또한, 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 게이트 전극으로부터 먼 산화물 반도체층을 두껍게 하면 좋다는 것을 알 수 있다.
＜산화물 반도체층에서의 DOS, 및 원인 원소의 관계를 설명하는 모델＞
상술한 바와 같이, 산화물 반도체층 내부, 및 산화물 반도체층과 외부와의 계면 근방에서, DOS가 존재하면, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터를 열화시키는 요인 등이 된다. 따라서, 산화물 반도체층에서의 DOS의 기원을 아는 것은 트랜지스터의 열화의 요인을 아는 것으로 연결된다.
산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS는 산소(O), 산소 결손(Vo) 및 수소(H)의 위치나 결합 관계에 따라 설명할 수 있다. 이하, 우리의 모델의 개요를 설명한다.
결론부터 말하면, 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS를 저감하기 위해서는, 산소 결손 및 수소를 저감하는 것이 필요하다. 이하에, 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS에 대하여, 왜 산소 결손 및 수소를 저감하는 것이 필요한지를, 모델을 이용하여 설명한다.
도 7은 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방의 DOS를 나타내는 밴드 구조이다. 이하에서는 산화물 반도체층이 인듐, 갈륨 및 아연을 가지는 산화물 반도체층인 경우에 대하여 설명한다.
먼저, 일반적으로, DOS에는 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)와 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)가 있다. 또한, 본 명세서에서, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 전도대 하단의 에너지(Ec)와 미드 갭(mid gap)의 에너지와의 사이에 있는 DOS를 말한다. 따라서, 예를 들면, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 전도대 하단의 에너지의 근처에 위치한다. 또한, 본 명세서에서, 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)는 가전자대 상단의 에너지(Ev)와 미드 갭의 에너지와의 사이에 있는 DOS를 말한다. 따라서, 예를 들면, 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)는 가전자대 상단의 에너지보다 미드 갭의 에너지의 근처에 위치한다.
따라서, 산화물 반도체층에서의 DOS에 대하여 생각해 보면, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 2종류가 있다. 1번째의 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 산화물 반도체층의 표면 근방(절연막과의 계면 또는 그 근방)의 DOS(surface shallow DOS)이다. 2번째의 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 산화물 반도체층 내부의 DOS(bulk shallow DOS)이다. 한편, 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)로서는, 산화물 반도체층 내부의 DOS(bulk deep DOS)가 있다.
이러한 DOS는 이하와 같이 작용할 가능성이 있다. 먼저, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS는 전도대 하단으로부터 얕은 위치에 있기 때문에, 전하의 포획 및 소실이 용이하게 일어날 수 있다. 다음에, 산화물 반도체층 내부의 bulk shallow DOS는 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS와 비교하면 전도대 하단으로부터 깊은 위치에 있기 때문에, 전하의 소실이 일어나기 어렵다.
이하에서는 산화물 반도체층에 DOS를 만드는 원인 원소에 대하여 설명한다.
예를 들면, 산화물 반도체층 위에 산화 실리콘막을 형성하는 경우, 산화 실리콘막 중에 산화물 반도체층에 포함되는 인듐이 들어가, 실리콘과 치환함으로써, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)를 만드는 경우가 있다.
또한, 예를 들면, 산화물 반도체층과 산화 실리콘막과의 계면에서는 산화물 반도체층에 포함되는 인듐과 산소와의 결합이 끊어지고, 이 산소와 실리콘과의 결합이 생긴다. 이것은 실리콘과 산소와의 결합 에너지가 인듐과 산소와의 결합 에너지보다 높은 것, 및 실리콘(4가)이 인듐(3가)보다 가수가 많은 것에 기인한다. 그리고, 산화물 반도체층에 포함되는 산소가 실리콘에 빼앗기는 것에 의해, 인듐과 결합하고 있던 산소의 사이트는 산소 결손이 된다. 또한, 이 현상은 표면뿐만 아니라, 산화물 반도체층 내부에 실리콘이 들어간 경우에도, 마찬가지로 발생한다. 이러한 산소 결손은 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)를 형성한다.
또한, 실리콘뿐만 아니라, 다른 요인에 의해서도, 인듐과 산소와의 결합이 끊어지는 경우가 있다. 예를 들면, 인듐, 갈륨 및 아연을 가지는 산화물 반도체층에 있어서, 인듐과 산소와의 결합은 갈륨이나 아연과 산소와의 결합보다 약하여 끊어지기 쉽다. 그 때문에, 예를 들면, 플라즈마에 의한 대미지나 스퍼터링 입자에 의한 대미지 등에 의해서도, 인듐과 산소와의 결합이 끊어져, 산소 결손이 생길 수 있다. 이 산소 결손은 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)를 형성한다. 이 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)는 정공을 포획할 수 있기 때문에, 정공 트랩(정공 포획 중심)이 된다. 즉, 이 산소 결손이 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS를 형성한다.
이러한 산소 결손에 의한 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)는 다음에 설명하는 바와 같이, 수소가 원인이 되어, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS나, 산화물 반도체층 내부의 bulk shallow DOS를 형성하기 위한 요인의 하나가 된다.
이러한 산소 결손은 DOS를 형성하기 때문에, 산화물 반도체층의 불안정 요인이 된다. 또한, 산화물 반도체층 내의 산소 결손은 수소를 포획함으로써 준안정 상태가 된다. 즉, 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)이며, 정공을 포획할 수 있는 정공 트랩인 산소 결손이 수소를 포획하면, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)를 형성한다. 그 결과, 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)는 전자를 포획할 수 있는 전자 트랩이 되거나 전자의 발생원이 되거나 할 수 있게 된다. 이와 같이, 산소 결손은 수소를 포획한다. 그러나, 나중에 설명하는 바와 같이, 산화물 반도체층 내의 수소의 위치에 따라, 플러스(중성 또는 플러스)로도 마이너스(중성 또는 마이너스)로도 대전할 수 있다. 그 때문에, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에 대하여, 수소는 악영향을 미칠 가능성이 있다.
일례로서, 도 8에, 보텀 게이트 탑 콘택트 구조의 트랜지스터의 단면 모식도를 나타낸다. 산화물 반도체층(OS)은 절연막과의 계면 근방에 surface shallow DOS를 가진다. surface shallow DOS에는 전자가 포획되어 있고, 마이너스로 대전하고 있다. 그 때문에, surface shallow DOS는 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시키는 요인이 된다.
따라서, 산소 결손이 트랜지스터에 대하여 악영향을 미치지 않게 하기 위해서는 산소 결손의 밀도를 저감하는 것이 중요해진다. 산화물 반도체층의 산소 결손의 밀도는 산화물 반도체층에 과잉의 산소를 공급한다. 즉 산소 결손을 과잉 산소로 메우는 것에 의해 저감할 수 있다. 즉, 산소 결손은 과잉 산소가 들어가는 것에 의해 안정 상태로 할 수 있다. 예를 들면, 산화물 반도체층의 내부, 또는, 산화물 반도체층의 계면 근방에 형성된 절연막 중에 과잉 산소를 가지게 한다. 그러면, 그 과잉 산소가 산화물 반도체층의 산소 결손을 메우는 것에 의해, 산화물 반도체층의 산소 결손을 효과적으로 소멸, 또는 저감할 수 있다.
이와 같이, 산소 결손은 수소 또는 산소 중 어느 것에 의해, 준안정 상태 또는 안정 상태가 된다. 산화물 반도체층 내의 수소 농도가 높은 경우, 산소 결손은 수소를 포획하는 경우가 많아진다. 한편, 산소 결손 중에 수소가 존재하는 경우, 과잉 산소를 공급하더라도, 과잉 산소는 우선은 수소를 없애기 위해 이용된다. 따라서, 과잉 산소는 수소를 없앤 후에, 산소 결손을 메우기 위해 이용된다. 따라서, 산화물 반도체층 내의 수소 농도가 높은 경우는 과잉 산소에 의해 저감할 수 있는 산소 결손이 적어진다. 반대로, 산화물 반도체층 내의 수소 농도가 낮은 경우, 산소 결손에 포획되는 수소가 적어진다. 그 때문에, 과잉 산소를 공급하는 것에 의해, 산소 결손의 밀도를 큰 폭으로 저감하는 것이 가능해진다.
이미 설명한 것처럼, 산소 결손은 수소를 포획하지만, 수소의 포획의 방법에 따라서는 플러스(중성 또는 플러스)로도 마이너스(중성 또는 마이너스)로도 대전할 수 있다. 여기에서는 산화물 반도체층 내부의 bulk shallow DOS와 표면 근방의 surface shallow DOS에 대하여 생각한다. 이러한 shallow level DOS가 중성 혹은 마이너스, 또는 중성 혹은 플러스의 어느 것인가로 대전하는 것은 수소(수소 결합), 산소 결손 및 산소의 상대적인 위치를 생각하는 것만으로 통일적으로 이해할 수 있다. 예를 들면, 산화물 반도체층 내부에서, 수소가 산소 결손에 포획되어 VoH가 형성되면, 중성 또는 플러스로 대전한다. 즉, H＋＋e-가 산화물 반도체층 내부의 bulkshallow DOS를 형성하고, 산화물 반도체층에 n형 영역을 형성하는 요인이 된다.
한편, 수소는 중성 또는 플러스로 대전하는 경우뿐만 아니라, 중성 또는 마이너스로 대전하는 경우도 있다. 그것들을 고려하면, 산화물 반도체층 내부의 bulk shallow DOS와 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS를 형성하는 이하의 모델을 생각할 수 있다. 또한, 모델 중의 「…」은 결합을 나타내는 것은 아니다. 또한, 모델 중의 「…」은 원자 간의 이온성 결합을 나타내는 모델 중의 「―」와 구별하기 위해 이용하고 있다.
먼저, 산화물 반도체층에 포함되는 인듐과 산소와의 결합이 끊어지고, 이 산소와 실리콘과의 결합이 생겨, 수소가 더 존재하는 경우에 대하여, 모델을 표 1에 나타낸다.
예를 들면, 수소가 산소와 결합한 모델 A가 있다.
또한, 예를 들면, 수소가 산소 결손에 포획된 모델 B가 있다.
또한, 실리콘을 인듐과 치환한 경우도 마찬가지이다. 예를 들면, 수소가 산소와 결합한 모델 C가 있다.
또한, 예를 들면, 수소가 산소 결손에 포획된 모델 D가 있다.
이와 같이 4개의 모델 A 내지 D를 생각할 수 있다. 이 모델에 의해, 중성 또는 플러스뿐만 아니라, 중성 또는 마이너스의 어느 쪽인가로 대전하는 것을 설명할 수 있다. 단, 인듐보다 실리콘의 결합이 강하기 때문에, 모델 D에 비해 모델 B의 가능성은 낮다고 생각된다.
따라서, 수소, 산소 결손 및 산소의 상대적인 위치 관계에 따라, 수소는 플러스와 마이너스의 양쪽 모두로 대전할 수 있는 가능성이 있다. 즉, 산소 결손과 수소는 플러스로 대전하는 DOS와 마이너스로 대전하는 DOS의 양쪽 모두를 형성할 수 있다. 그것들은 주위의 환경(주위에 배치되는 원소의 전기 음성도)에 따라, 플러스와 마이너스의 어느 쪽인가로 대전할 수 있는 가능성이 있다.
＜산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 암 상태에서의 히스테리시스 열화 모델＞
다음에, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 열화의 메카니즘에 대하여 설명한다. 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터는 광이 조사되는 경우와 광이 조사되지 않은 경우에, 특성이 열화할 때의 거동이 다르다. 광이 조사되는 경우는 산화물 반도체층 내부의 깊은 위치의 DOS(bulk deep DOS)가 크게 영향을 줄 가능성이 있다. 광이 조사되지 않은 경우는 산화물 반도체층의 표면 근방(절연막과의 계면 또는 그 근방)의 얕은 위치의 DOS(surface shallow DOS)가 관계하고 있을 가능성이 있다.
따라서, 먼저, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에 광이 조사되지 않은 경우(암 상태)에 대하여 설명한다. 이 경우에는 산화물 반도체층의 표면 근방(절연막과의 계면 또는 그 근방)의 얕은 위치의 DOS(surface shallow DOS)에 의한 전하의 포획, 방출의 관계로부터, 트랜지스터의 열화 메카니즘에 대하여 설명할 수 있다.
산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에 대하여, 암 상태에서 게이트 BT(bias temperature) 스트레스 시험을 반복하여 행한 경우의 문턱 전압(Vth)의 변화를 도 9에 나타낸다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험(＋GBT)을 행함으로써 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화한다. 다음에, 계속하여 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험(-GBT)을 행하면, 문턱 전압은 마이너스 방향으로 변화하여, 초기값(Initial)과 동일한 정도의 문턱 전압이 된다. 이와 같이, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험과 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 교대로 반복하여 행하면, 문턱 전압이 상하로 변화한다(히스테리시스가 생긴다). 즉, 광을 조사하지 않은 상태로, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험과 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 반복하여 행하면, 문턱 전압은 플러스 방향과 마이너스 방향으로, 반복하여 변화해 가지만, 전체적으로는 일정한 범위 내에서의 변화에 머무르는 것을 알 수 있었다.
이러한 암 상태에서의 게이트 BT 스트레스 시험에서의 트랜지스터의 문턱 전압의 변화는 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS에 의해 설명할 수 있다. 도 10에, 산화물 반도체층을 포함하는 밴드 구조와, 밴드 구조에 대응하는 플로차트를 나타낸다. 또한, 여기에서는 광이 조사되지 않은 경우의 열화의 메카니즘에 대하여 생각하고 있기 때문에, 게이트 BT 스트레스 시험 전에도, 게이트 BT 스트레스 시험 중에도, 게이트 BT 스트레스 시험 후에도, 광은 조사되지 않은 경우에 대하여 설명하기로 한다.
게이트 BT 스트레스의 인가 전(게이트 전압(Vg)은 0)에는 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS는 페르미 준위(Ef)보다 에너지가 높고, 전자가 포획되어 있지 않기 때문에 전기적으로 중성이다(스텝 S101). 이때, 측정한 문턱 전압을 게이트 BT 스트레스의 인가 전의 초기값으로 한다.
다음에, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험(암 상태)을 행하여, 플러스의 게이트 전압을 인가한다. 그러면, 플러스의 게이트 전압을 인가함으로써, 전도대의 밴드가 구부러져, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS가 페르미 준위보다 낮은 에너지가 된다. 따라서, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS에는 전자가 포획되어 마이너스로 대전한다(스텝 S102).
다음에, 스트레스를 멈추어, 게이트 전압을 0으로 한다. 게이트 전압을 0으로 함으로써, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS가 페르미 준위보다 높은 에너지가 된다. 그런데, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS에 포획된 전자가 방출하기까지 긴 시간을 필요로 한다. 그 때문에, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS는 마이너스로 대전한 채가 된다(스텝 S103). 이때, 트랜지스터의 채널 형성 영역에는 게이트 전압 외에, 마이너스의 전압이 계속 인가되어 있는 상태가 된다. 따라서, 트랜지스터를 온 하기 위해, 초기값보다 높은 게이트 전압을 인가해야 하므로, 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화한다. 즉, 노멀리 오프(normally off)화하기 쉬워질 가능성이 있다.
다음에, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험(암 상태)을 행하여, 마이너스의 게이트 전압을 인가한다. 마이너스의 게이트 전압을 인가함으로써, 전도대의 밴드가 구부러져, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS가 더욱 높은 에너지가 된다. 그 때문에, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS에 포획된 전자가 방출하여, 전기적으로 중성이 된다(스텝 S104). 이 전자의 방출이 요인이 되어, 문턱 전압이 게이트 BT 스트레스 시험을 행하기 전의 초기값과 대체로 동일한 크기로 돌아올 가능성이 있다.
다음에, 스트레스를 멈추어, 게이트 전압을 0으로 한다. 이때, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS는 포획된 전자를 방출한 상태이기 때문에, 전기적으로 중성이다(스텝 S101). 그 때문에, 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화하고, 결과적으로, 게이트 BT 스트레스의 인가 전의 초기값으로 돌아온다. 즉, 광을 조사하지 않은 상태로, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험과 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 반복하여 행하면, 문턱 전압은 플러스 방향과 마이너스 방향으로 반복하여 변화해 간다. 그러나, 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS에서, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험 시에 포획된 전자가 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험 시에 방출되기 때문에, 전체적으로는 문턱 전압은 일정한 범위 내에서 변화하는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이, 암 상태에서의 게이트 BT 스트레스 시험에 의한 트랜지스터의 문턱 전압의 변화는 산화물 반도체층의 표면 근방의 surface shallow DOS를 이해하는 것에 의해 설명할 수 있다.
＜산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에서의 광 조사 하에서의 열화 모델＞
이미 설명한 것처럼, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 열화에 대해서는 광이 조사되는 경우와 광이 조사되지 않은 경우에 거동이 다르다. 광이 조사되지 않은 경우에 대해서는 이미 설명했다. 따라서, 여기에서는 광이 조사되는 경우의 열화의 메카니즘에 대하여 설명한다. 광이 조사되는 경우는 산화물 반도체층 내부의 깊은 위치의 DOS(bulk deep DOS)가 관계하고 있다. 여기에서는 산화물 반도체층 내부의 깊은 위치의 DOS(bulk deep DOS)에 의한 전하의 포획, 방출의 관계로부터, 광이 조사되는 경우(명(明) 상태)의 트랜지스터의 열화의 메카니즘에 대하여 설명한다.
산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터에 대하여, 광 조사 하에서 게이트 BT 스트레스 시험을 반복하여 행한 경우의 문턱 전압(Vth)의 변화를 도 11에 나타낸다. 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 문턱 전압(Vth)은 초기값(Initial)으로부터 변화한다.
도 11에서는, 먼저, 문턱 전압의 초기값으로서, 게이트 BT 스트레스를 더하지 않고, 광을 차광한 상태(암 상태)에서 측정한 결과를 플롯했다. 다음에, 게이트 BT 스트레스를 더하지 않고, 광을 조사한 상태(명 상태)에서, 문턱 전압을 측정했다. 그 결과, 광을 차광한 상태(암 상태)에서의 문턱 전압과 비교하여, 광을 조사한 상태(명 상태)에서의 문턱 전압은 마이너스 방향으로 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 이것은 광을 조사함으로써, 전자 및 정공(홀)이 생성되고, 생성된 전자가 전도대로 여기되기 때문일 가능성이 있다. 즉, 게이트 BT 스트레스를 더하지 않는 경우에도, 광의 조사에 의해, 산화물 반도체층을 가지는 트랜지스터의 문턱 전압은 마이너스 방향으로 시프트하고, 노멀리 온(normally on)화하기 쉬워진다고 할 수 있다. 이 경우, 산화물 반도체층의 에너지 갭이 클수록, 또는, 갭 내의 DOS가 적을수록, 여기되는 전자는 적어진다. 그 때문에, 그러한 경우는 광을 조사하는 것에 의해서만 문턱 전압의 변화가 작아진다.
다음에, 광을 조사한 상태로, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험(-GBT)을 행하면, 문턱 전압은 더욱 마이너스 방향으로 변화했다. 이것은 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 포획된 정공이 전계에 의해 게이트 절연막(GI) 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC：Non Bridging Oxygen Hole Center)에 주입되어, 플러스로 대전했기 때문일 가능성이 있다.
그 후, 광을 조사한 상태로, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험(＋GBT)을 행하면, 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화했다. 이것은 전계에 의해, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)으로부터 정공이 저감했기 때문일 가능성이 있다. 그러나, 문턱 전압이 초기값까지 다 돌아오지 않았기 때문에, 게이트 절연막 중에 들어간 정공은 그 전부가 방출되는 것은 아니라고 판단할 수 있다.
또한, 광을 조사한 상태로, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험과 플러스 게이트 BT 시험을 반복하여 행하면, 문턱 전압은 플러스 방향과 마이너스 방향으로 반복하여 변화하면서, 전체적으로는 서서히 마이너스 방향으로 변화해 가는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과가 된 것은 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)의 정공이 원인일 가능성이 있다. 즉, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험에 의해, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)의 정공이 감소한다. 단, 그 정공은 전부가 방출되는 것이 아니라, 정공의 일부가 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)에 잔존한다. 또한, 정공이 약간 잔존한 상태로, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 잔존한 정공 위에 축적되도록 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)의 정공이 추가되어 축적해 간다. 그리고, 재차 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하는 것에 의해, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)의 정공이 약간 감소하지만, 다음에 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면 정공이 다시 추가된다. 즉, 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)에 정공이 감소하지만 약간 남아, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)에 정공이 더 추가되기 때문에, 문턱 전압은 플러스 방향과 마이너스 방향으로 반복하여 변화하면서, 전체적으로는 서서히 마이너스 방향으로 변화해 가는 것이라고 생각된다.
이상에 설명한 광 조사 하에서의 게이트 BT 스트레스 시험(플러스 게이트 BT와 마이너스 게이트 BT의 반복 시험)에서, 트랜지스터의 문턱 전압이 변화해 가는 메카니즘에 대하여, 도 12 및 도 13에 나타내는 밴드 구조를 이용하여 설명한다. 도 12 및 도 13에서는 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS, 및 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1 및 NBOHC2)을 이용하여 설명한다. 또한, 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)은 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)보다 산화물 반도체층과의 계면에 가까운 위치(표면측)에 있는 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC)이다.
게이트 BT 스트레스의 인가와 광의 조사를 행하기 전(게이트 전압(Vg)은 0), 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS는 페르미 준위(Ef)보다 에너지가 낮고, 정공이 포획되어 있지 않기 때문에 전기적으로 중성이다(스텝 S111). 이때, 암 상태에서 측정한 문턱 전압을 암 상태의 초기값으로 한다.
다음에, 게이트 BT 스트레스를 더하지 않고, 산화물 반도체층에 광을 조사 하면, 전자 및 정공이 생성된다(스텝 S112). 생성된 전자는 전도대로 여기되어, 문턱 전압을 마이너스 방향으로 변화시킨다(이후의 스텝에서는 전자를 생략하여 나타냄). 또한, 정공이 생성됨으로써, 정공의 유사 페르미 준위(Efp)가 낮아진다. 정공의 유사 페르미 준위(Efp)가 낮아짐으로써, 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 정공이 포획된다(스텝 S113). 따라서, 게이트 BT 스트레스를 더하지 않고, 광을 조사하면, 암 상태 때와 비교하여, 문턱 전압이 마이너스 방향으로 변화하고, 노멀리 온화하기 쉬워질 가능성이 있다.
다음에, 광을 조사한 상태로 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 전계 구배가 생겨 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 포획된 정공이 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)에 주입된다(스텝 S114). 또한, 도 13에 나타낸 바와 같이, 전계에 의해, 게이트 절연막의 더욱 내부의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)으로도 정공의 일부가 이동한다(스텝 S115). 게이트 절연막 중에서 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)으로부터 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)으로의 정공의 이동은 전계를 인가하는 시간이 길수록 진행된다. 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1 및 NBOHC2)의 정공은 플러스의 고정 전하로서 행동하기 때문에, 문턱 전압을 마이너스 방향으로 변화시켜, 노멀리 온화하기 쉬워진다.
또한, 여기에서는 이해를 용이하게 하기 위해, 광 조사와 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 다른 스텝으로 나누어 나타냈지만, 이것으로 한정하여 해석되는 것은 아니다. 예를 들면, 스텝 S112 내지 스텝 S115가 병행하여 일어나는 스텝이라고 생각해도 상관없다.
다음에, 광을 조사한 상태로 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 플러스의 게이트 전압을 인가하는 것에 의해, 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 포획된 정공, 및 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)의 정공이 방출된다(스텝 S116). 그 결과, 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화한다. 단, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)은 게이트 절연막의 내부의 깊은 위치이기 때문에, 광을 조사한 상태로 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 행했다고 하더라도, 직접 정공이 방출되는 일은 거의 일어날 수 없다. 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)의 정공을 방출하기 위해서는, 한 번, 표면측의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)으로 이동해야 한다. 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)으로부터 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)으로의 정공의 이동은 전계를 인가한 시간에 따라 조금씩 일어난다. 따라서, 문턱 전압의 플러스 방향으로의 변화량도 작고, 초기값까지 완전히 돌아오지 못한다.
또한, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)과 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS와의 사이에서도, 정공의 교환이 일어난다. 그러나, 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에는 이미 많은 정공이 포획되어 있는 상태로 되어 있기 때문에, 산화물 반도체층 및 게이트 절연막 전체의 대전량은 거의 감소하지 않을 가능성이 있다.
다음에, 다시, 광을 조사한 상태로 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 전계 구배가 생겨 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 포획된 정공이 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)에 주입된다. 또한, 전계에 의해, 게이트 절연막의 더욱 내부의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)으로도 정공의 일부가 주입된다(스텝 S117). 또한, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)은 스텝 S115로 들어간 정공이 방출하지 않고 남은 상태이다. 그 때문에, 정공이 더 주입됨으로써, 고정 전하로서 행동하는 정공수는 더욱 증가한다. 문턱 전압을 더욱 마이너스 방향으로 변화시켜, 보다 노멀리 온화하기 쉬워진다.
다음에, 광을 조사한 상태로 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 행하면, 플러스의 게이트 전압을 인가하는 것에 의해, 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS에 포획된 정공, 및 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1)의 정공이 방출된다(스텝 S118). 그 결과, 문턱 전압은 플러스 방향으로 변화한다. 단, 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC2)의 정공은 거의 방출되지 않는다. 따라서, 문턱 전압의 플러스 방향으로의 변화량도 작고, 초기값까지 완전히 돌아오지 못한다.
이상과 같이, 광을 조사한 상태에서, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험과 플러스 게이트 BT 스트레스 시험을 반복하여 행하는 것에 의해, 문턱 전압은 플러스 방향과 마이너스 방향으로 반복하여 변화하면서, 전체적으로는 서서히 마이너스 방향으로 변화해 가는 것이라고 생각된다.
이상과 같이, 광 조사 하에서 게이트 BT 스트레스 시험에서의 트랜지스터의 문턱 전압의 변화는 산화물 반도체층 내부의 bulk deep DOS, 및 게이트 절연막 중의 비가교 산소 정공 포획 중심(NBOHC1 및 NBOHC2)을 이해하는 것에 의해 설명할 수 있다.
＜산화물 반도체층의 탈수화 및 탈수소화, 및 가산소화의 프로세스 모델＞
트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여하기 위해서는, 산화물 반도체층 내부, 및 그 계면 근방에 DOS를 보다 줄이는 것(고순도 진성화)이 중요하다. 이하에서는 산화물 반도체층의 고순도 진성화의 프로세스 모델에 대하여 설명한다. 따라서, 우선은 산화물 반도체층의 탈수화 및 탈수소화에 대하여 설명하고, 다음에, 산소 결손(Vo)을 산소로 메우는 것에 의한 가산소화에 대하여 설명한다.
이하에서는 인듐과 산소와의 결합이 끊어져, 산소 결손이 형성되는 모델에 대하여 설명한다.
인듐과 산소와의 결합이 끊어지면, 산소가 이탈하여, 인듐과 결합하고 있던 산소의 사이트가 산소 결손이 된다. 산소 결손은 산화물 반도체층의 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)를 형성한다. 산화물 반도체층의 산소 결손은 불안정하기 때문에, 산소 또는 수소를 포획함으로써 안정되려고 한다. 그 때문에, 산소 결손의 근처에 수소가 있으면, 산소 결손이 수소를 포획하여 VoH가 된다. VoH는 산화물 반도체층의 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)를 형성한다.
다음에, 산화물 반도체층의 VoH에 산소가 가까워지면, 산소는 VoH로부터 수소를 빼앗아, 수산기(OH) 상태로 수소를 이탈시킨다(도 14(A) 및 도 14(B) 참조). 산소는 가열 처리 등에 의해 산화물 반도체층 내를 이동함으로써 가까워진다.
또한, 이탈한 수산기는 다른 산화물 반도체층의 VoH에 가까워지면, VoH로부터 수소를 빼앗아, 물 분자(H2O) 상태로 더욱 수소를 이탈시킨다(도 14(C) 및 도 14(D) 참조). 이상과 같이, 1개의 산소는 산화물 반도체층의 2개의 수소를 이탈시킨다. 이것을 산화물 반도체층의 탈수화 및 탈수소화라고 부른다. 탈수화 및 탈수소화에 의해, 산화물 반도체층의 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS)가 저감되고, 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)가 형성된다.
다음에, 산화물 반도체층의 산소 결손에 산소가 가까워지면, 산소는 산소 결손에 포획되어, 산소 결손이 소실된다(도 14(E) 및 도 14(F) 참조). 이것을 산화물 반도체층의 가산소화라고 부른다. 가산소화에 의해, 산화물 반도체층의 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)를 저감할 수 있다.
이상과 같이 하여, 산화물 반도체층의 탈수화 및 탈수소화, 및 가산소화를 행하면, 산화물 반도체층의 얕은 위치의 DOS(shallow level DOS) 및 깊은 위치의 DOS(deep level DOS)를 저감할 수 있다. 이것을 산화물 반도체의 고순도 진성화라고 부른다.
＜다층막을 가지는 트랜지스터의 구조 및 제작 방법에 대한 설명＞
이하에서는 다층막을 가지는 트랜지스터의 구조 및 제작 방법에 대하여 설명한다.
＜트랜지스터 구조 (1)＞
먼저, 탑 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터의 일례에 대하여 설명한다.
도 15는 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 15(A)는 트랜지스터의 상면도를 나타낸다. 도 15(A)에서, 일점 쇄선 A1-A2에 대응하는 단면도를 도 15(B)에 나타낸다. 또한, 도 15(A)에서, 일점 쇄선 A3-A4에 대응하는 단면도를 도 15(C)에 나타낸다.
도 15(B)에 나타내는 트랜지스터는 기판(100) 위의 하지 절연막(102)과, 하지 절연막(102) 위의 산화물 반도체층(106a)과, 산화물 반도체층(106a) 위의 산화물 반도체층(106b)과, 산화물 반도체층(106b) 위의 산화물 반도체층(106c)과, 산화물 반도체층(106c)과 접하는 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)과, 산화물 반도체층(106c), 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b) 위의 게이트 절연막(112)과, 게이트 절연막(112) 위의 게이트 전극(104)을 가진다. 또한, 바람직하게는 게이트 절연막(112) 및 게이트 전극(104) 위에, 보호 절연막(108)과, 보호 절연막(108) 위의 보호 절연막(118)을 형성한다. 또한, 트랜지스터는 하지 절연막(102)을 갖지 않아도 상관없다.
또한, 도 15(B)에 나타내는 트랜지스터에서, 보호 절연막(108)과 보호 절연막(118)의 적층 순서를 바꾼 구조여도 상관없다(도 16 참조). 도 16에 나타내는 트랜지스터는 도 15에 나타내는 트랜지스터보다 하지 절연막(102)으로부터 방출되는 과잉 산소의 외방 확산이 일어나기 어려운 경우가 있다. 따라서, 도 15에 나타내는 트랜지스터보다, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 산소 결손을 저감할 수 있을(DOS를 저감할 수 있을) 가능성이 있다.
도 15에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(106a)은, 예를 들면, 도 1(A)에 나타내는 산화물 반도체층(S1)에 대응한다. 또한, 도 15에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(106b)은, 예를 들면, 도 1(A)에 나타내는 산화물 반도체층(S2)에 대응한다. 또한, 도 15에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(106c)은, 예를 들면, 도 1(A)에 나타내는 산화물 반도체층(S3)에 대응한다.
도 15에 나타내는 트랜지스터의 하지 절연막(102)은, 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당한다. 또한, 도 15에 나타내는 트랜지스터는, 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 전극(bg)을 가져도 좋다. 도 15에 나타내는, 트랜지스터는 예를 들면, 게이트 전극(104)에 대향하고, 하지 절연막(102)의 하면과 접하는 백 게이트 전극을 가져도 좋다. 또한, 도 15에 나타내는 트랜지스터에 있어서, 기판(100)이 도전성을 가지는 경우, 예를 들면, 기판(100)이 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당해도 좋다. 또한, 도 15에 나타내는 트랜지스터에 있어서, 하지 절연막(102)보다 아래에 배선 등의 도전막을 가지는 경우, 예를 들면, 이 도전막이 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당해도 좋다.
또한, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)에 이용하는 도전막의 종류에 따라서는 산화물 반도체층(106b), 산화물 반도체층(106c)의 일부로부터 산소를 빼앗거나, 또는, 혼합층을 형성하여, 산화물 반도체층(106b), 산화물 반도체층(106c) 내에 n형 영역(저저항 영역)을 형성하는 것이 있다.
도 15(A)에서, 게이트 전극(104)과 중첩되는 영역에서, 소스 전극(116a)과 드레인 전극(116b)과의 간격을 채널 길이라고 한다. 단, 트랜지스터가 n형 영역을 포함하는 경우, 게이트 전극(104)과 중첩되는 영역에서, 소스 영역과 드레인 영역과의 간격을 채널 길이라고 해도 좋다.
또한, 채널 형성 영역이란, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b), 및 산화물 반도체층(106c)에서, 게이트 전극(104)과 중첩되고, 소스 전극(116a)과 드레인 전극(116b)에 끼워지는 영역을 말한다(도 15(B) 참조). 또한, 채널이란, 채널 형성 영역에서, 주로 전류가 흐르는 영역을 말한다.
또한, 산화물 반도체층(106b)은 도 15(A)에 나타낸 바와 같이, 상면도에서 게이트 전극(104)의 외측까지 형성된다. 단, 산화물 반도체층(106b)이 게이트 전극(104)의 내측에 형성되어도 상관없다. 이렇게 함으로써, 게이트 전극(104)측으로부터 광이 입사했을 때에, 산화물 반도체층(106b) 내에 광에 의해 캐리어가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 게이트 전극(104)은 차광막으로서의 기능을 가진다.
이하에서는 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 포함하는 다층막에 대하여 설명한다.
산화물 반도체층(106b)은 인듐을 포함하는 산화물이다. 산화물은 예를 들어 인듐을 포함하면 캐리어 이동도(전자 이동도)가 높아진다. 또한, 산화물 반도체층(106b)은 원소 M을 포함하면 바람직하다. 원소 M으로서, 예를 들면, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석 등이 있다. 원소 M은 예를 들면, 산소와의 결합 에너지가 높은 원소이다. 원소 M은 예를 들면, 산화물의 에너지 갭을 크게 하는 기능을 가지는 원소이다. 또한, 산화물 반도체층(106b)은 아연을 포함하면 바람직하다. 산화물이 아연을 포함하면, 예를 들면, 산화물을 결정화하기 쉬워진다. 산화물의 가전자대 상단의 에너지는 예를 들면, 아연의 원자수비에 의해 제어할 수 있다.
단, 산화물 반도체층(106b)은 인듐을 포함하는 산화물로 한정되지 않는다. 산화물 반도체층(106b)은, 예를 들면, Zn-Sn 산화물, Ga-Sn 산화물이어도 상관없다.
산화물 반도체층(106a)은 산화물 반도체층(106b)을 구성하는 산소 이외의 원소 1종 이상, 또는 2종 이상으로 구성되는 산화물 반도체층이다. 산화물 반도체층(106b)을 구성하는 산소 이외의 원소 1종 이상, 또는 2종 이상으로 산화물 반도체층(106a)이 구성되기 때문에, 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106a)과의 계면에서, DOS가 형성되기 어렵다.
산화물 반도체층(106c)은 산화물 반도체층(106b)을 구성하는 산소 이외의 원소 1종 이상, 또는 2종 이상으로 구성되는 산화물 반도체층이다. 산화물 반도체층(106b)을 구성하는 산소 이외의 원소 1종 이상, 또는 2종 이상으로 산화물 반도체층(106c)이 구성되기 때문에, 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106c)과의 계면에서, DOS가 형성되기 어렵다.
또한, 산화물 반도체층(106a)이 In-M-Zn 산화물일 때, In 및 M의 합을 100 atomic%로 했을 때, 바람직하게는 In이 50 atomic% 미만, M이 50 atomic% 이상, 더욱 바람직하게는 In이 25 atomic% 미만, M이 75 atomic% 이상으로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106b)이 In-M-Zn 산화물 때, In 및 M의 합을 100 atomic%로 했을 때, 바람직하게는 In이 25 atomic% 이상, M이 75 atomic% 미만, 더욱 바람직하게는 In이 34 atomic% 이상, M이 66 atomic% 미만으로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106c)이 In-M-Zn 산화물일 때, In 및 M의 합을 100 atomic%로 했을 때, 바람직하게는 In이 50 atomic% 미만, M이 50 atomic% 이상, 더욱 바람직하게는 In이 25 atomic% 미만, M이 75 atomic% 이상으로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106c)은 산화물 반도체층(106a)과 동종의 산화물을 이용해도 상관없다.
여기서, 산화물 반도체층(106a)과 산화물 반도체층(106b)과의 사이에는 산화물 반도체층(106a)과 산화물 반도체층(106b)의 혼합 영역을 가지는 경우가 있다. 또한, 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106c)과의 사이에는 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106c)과의 혼합 영역을 가지는 경우가 있다. 혼합 영역은 DOS가 적어진다. 그 때문에, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 적층체는 각각의 계면 근방에서, 에너지가 연속적으로 변화하는(연속 접합이라고도 함) 밴드 구조가 된다(도 28 참조). 단, 산화물 반도체층(106a)의 전도대 하단의 에너지를 EcA, 산화물 반도체층(106b)의 전도대 하단의 에너지를 EcB, 산화물 반도체층(106c)의 전도대 하단의 에너지를 EcC로 한다.
또 산화물 반도체층(106b)은 에너지 갭이 큰 산화물을 이용한다. 산화물 반도체층(106b)의 에너지 갭은, 예를 들면, 2.5 eV 이상 4.2 eV 이하, 바람직하게는 2.8 eV 이상 3.8 eV 이하, 더욱 바람직하게는 3 eV 이상 3.5 eV 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106c)의 에너지 갭은, 예를 들면, 2.7 eV 이상 4.9 eV 이하, 바람직하게는 3 eV 이상 4.7 eV 이하, 더욱 바람직하게는 3.2 eV 이상 4.4 eV 이하로 한다.
또한, 산화물 반도체층(106a)은 에너지 갭이 큰 산화물을 이용한다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106a)의 에너지 갭은 2.7 eV 이상 4.9 eV 이하, 바람직하게는 3 eV 이상 4.7 eV 이하, 더욱 바람직하게는 3.2 eV 이상 4.4 eV 이하로 한다.
또한, 산화물 반도체층(106c)은 에너지 갭이 큰 산화물을 이용한다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106c)의 에너지 갭은 2.7 eV 이상 4.9 eV 이하, 바람직하게는 3 eV 이상 4.7 eV 이하, 더욱 바람직하게는 3.2 eV 이상 4.4 eV 이하로 한다. 단, 산화물 반도체층(106a) 및 산화물 반도체층(106c)은 산화물 반도체층(106b)보다 에너지 갭이 큰 산화물로 한다.
산화물 반도체층(106b)은 산화물 반도체층(106a)보다 전자 친화력이 큰 산화물을 이용한다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106b)으로서, 산화물 반도체층(106a)보다 전자 친화력이 0.07 eV 이상 1.3 eV 이하, 바람직하게는 0.1 eV 이상 0.7 eV 이하, 더욱 바람직하게는 0.15 eV 이상 0.4 eV 이하 큰 산화물을 이용한다. 또한, 전자 친화력은 진공 준위와 전도대 하단의 에너지와의 차이이다.
또한, 산화물 반도체층(106b)으로서 산화물 반도체층(106c)보다 전자 친화력이 큰 산화물을 이용한다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106b)으로서, 산화물 반도체층(106c)보다 전자 친화력이 0.07 eV 이상 1.3 eV 이하, 바람직하게는 0.1 eV 이상 0.7 eV 이하, 더욱 바람직하게는 0.15 eV 이상 0.4 eV 이하 큰 산화물을 이용한다.
이때, 게이트 전극(104)에 전계를 인가하면, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b), 산화물 반도체층(106c) 중, 전자 친화력이 큰 산화물인 산화물 반도체층(106b)에 채널이 형성된다.
또한, 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한 바와 같이, 트랜지스터의 온 전류 향상을 위해서는 산화물 반도체층(106c)의 두께는 작을수록 바람직하다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106c)은 10 nm 미만, 바람직하게는 5 nm 이하, 더욱 바람직하게는 3 nm 이하로 한다. 한편, 산화물 반도체층(106c)은 채널이 형성되는 산화물 반도체층(106b)에, 게이트 절연막(112)을 구성하는 산소 이외의 원소(실리콘 등)가 들어가지 않게 차단하는 기능을 가진다. 그 때문에, 산화물 반도체층(106c)은 어느 정도의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106c)의 두께는 0.3 nm 이상, 바람직하게는 1 nm 이상, 더욱 바람직하게는 2 nm 이상으로 한다.
또한, 앞의 트랜지스터의 열화 모델로 설명한 바와 같이, 산화물 반도체층(106a)은 두껍고, 산화물 반도체층(106b)은 얇고, 산화물 반도체층(106c)은 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물 반도체층(106a)의 두께는 20 nm 이상, 바람직하게는 30 nm 이상, 더욱 바람직하게는 40 nm 이상, 보다 바람직하게는 60 nm 이상으로 한다. 산화물 반도체층(106a)의 두께를 20 nm 이상, 바람직하게는 30 nm 이상, 더욱 바람직하게는 40 nm 이상, 보다 바람직하게는 60 nm 이상으로 함으로써, 하지 절연막(102)과 산화물 반도체층(106a)과의 계면으로부터 채널이 형성되는 산화물 반도체층(106b)까지를 20 nm 이상, 바람직하게는 30 nm 이상, 더욱 바람직하게는 40 nm 이상, 보다 바람직하게는 60 nm 이상 떼어 놓을 수 있다. 단, 반도체 장치의 생산성이 저하하는 경우가 있기 때문에, 산화물 반도체층(106a)의 두께는 200 nm 이하, 바람직하게는 120 nm 이하, 더욱 바람직하게는 80 nm 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106b)의 두께는 3 nm 이상 100 nm 이하, 바람직하게는 3 nm 이상 80 nm 이하, 더욱 바람직하게는 3 nm 이상 50 nm 이하로 한다.
예를 들면, 산화물 반도체층(106a)의 두께는 산화물 반도체층(106b)의 두께보다 두껍고, 산화물 반도체층(106b)의 두께는 산화물 반도체층(106c)의 두께보다 두껍게 하면 좋다.
또한, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 3층으로 이루어지는 다층막에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 산화물 반도체층(106b)만으로 해도 상관없다. 또한, 예를 들면, 산화물 반도체층(106a) 및 산화물 반도체층(106b)의 2층으로 이루어지는 다층막, 또는 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 2층으로 이루어지는 다층막으로 해도 상관없다. 또한, 예를 들면, 산화물 반도체층(106a)과 산화물 반도체층(106b)과의 사이에 산화물 반도체층을 가지는 4층 이상으로 이루어지는 다층막으로 해도 상관없다. 이 경우, 산화물 반도체층(106a)과 산화물 반도체층(106b)과의 사이에 있는 산화물 반도체층은 예를 들면, 산화물 반도체층(106a)의 전자 친화력 이상, 산화물 반도체층(106b)의 전자 친화력 이하의 전자 친화력인 산화물로 한다. 또한, 예를 들면, 산화물 반도체층(106c)과 산화물 반도체층(106b)과의 사이에 산화물 반도체층을 가지는 4층 이상으로 이루어지는 다층막으로 해도 상관없다. 이 경우, 산화물 반도체층(106c)과 산화물 반도체층(106b)과의 사이에 있는 산화물 반도체층은, 예를 들면, 산화물 반도체층(106c)의 전자 친화력 이상, 산화물 반도체층(106b)의 전자 친화력 이하의 전자 친화력인 산화물로 한다.
또한, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 파티클수를 증대시키지 않기 위해, 인듐을 포함하는 타겟을 이용하면 바람직하다. 또한, 원소 M의 원자수비가 높은 산화물 타겟을 이용한 경우, 타겟의 도전성이 낮아지는 경우가 있다. 원소 M으로서, 예를 들면, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석 등이 있다. 인듐을 포함하는 타겟을 이용하는 경우, 타겟의 도전율을 높일 수 있고, DC 방전, AC 방전이 용이해지기 때문에, 대면적의 기판에 대응하기 쉬워진다. 따라서, 반도체 장치의 생산성을 높일 수 있다.
산화물 반도체층(106a)을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 타겟의 원자수비는 In：M：Zn이 1：1：0.5, 1：1：1, 1：1：2, 1：3：1, 1：3：2, 1：3：4, 1：3：6, 1：6：2, 1：6：4, 1：6：6, 1：6：8, 1：6：10, 1：9：2, 1：9：4, 1：9：6, 1：9：8, 1：9：10 등으로 하면 좋다.
산화물 반도체층(106b)을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 타겟의 원자수비는 In：M：Zn이 3：1：1, 3：1：2, 3：1：4, 1：1：0.5, 1：1：1, 1：1：2, 등으로 하면 좋다.
산화물 반도체층(106c)을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 타겟의 원자수비는 In：M：Zn이 1：1：0.5, 1：1：1, 1：1：2, 1：3：1, 1：3：2, 1：3：4, 1：3：6, 1：6：2, 1：6：4, 1：6：6, 1：6：8, 1：6：10, 1：9：2, 1：9：4, 1：9：6, 1：9：8, 1：9：10 등으로 하면 좋다.
산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 타겟의 원자수비와 다른 원자수비의 막이 형성되는 경우가 있다. 특히, 아연은 타겟의 원자수비보다 막의 원자수비가 작아지는 경우가 있다. 구체적으로는, 타겟으로 포함되는 아연의 원자수비의 40 atomic% 이상 90 atomic% 정도 이하가 되는 경우가 있다.
이하에서는 산화물 중에서의 실리콘의 영향에 대하여 설명한다. 또한, 트랜지스터의 전기 특성을 안정적으로 하기 위해서는 산화물 반도체층(106b) 내의 불순물 농도를 저감하여, 고순도 진성화하는 것이 효과적이다. 또한, 산화물 반도체층(106b)의 캐리어 밀도는 1×1017/cm3 미만, 1×1015/cm3 미만, 또는 1×1013/cm3 미만으로 한다. 또한, 산화물에서, 주성분 이외(1 atomic% 미만)의 경(輕) 원소, 반금속 원소, 금속 원소 등은 불순물이 된다. 예를 들면, 수소, 리튬, 탄소, 질소, 불소, 나트륨, 실리콘, 염소, 칼륨, 칼슘, 티탄, 철, 니켈, 구리, 게르마늄, 스트론튬, 지르코늄 및 하프늄은 산화물 중에서 불순물이 되는 경우가 있다. 따라서, 근접하는 막 중의 불순물 농도도 저감하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상술한 바와 같이, 산화물에 실리콘이 포함됨으로써 DOS를 형성하는 경우가 있다. 또한, 산화물 반도체층(106b)의 표층에 실리콘이 있음으로써 DOS를 형성하는 경우가 있다. 그 때문에, 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106a)과의 사이에서의 실리콘 농도를 1×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 2×1018 atoms/cm3 미만으로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106c)과의 사이에서의 실리콘 농도를 1×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 2×1018 atoms/cm3 미만으로 한다.
또한, 상술한 바와 같이, 산화물 중에서 수소는 DOS를 형성하여, 캐리어 밀도를 증대시켜 버리는 경우가 있다. 산화물 반도체층(106b)의 수소 농도는 2차 이온 질량 분석법(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)에서, 2×1020 atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1019 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하로 한다. 또한, 산화물 중에서 질소는 DOS를 형성하고, 캐리어 밀도를 증대시켜 버리는 경우가 있다. 산화물 반도체층(106b)의 질소 농도는 SIMS에서, 5×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1018 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017 atoms/cm3 이하로 한다.
또한, 산화물 반도체층(106b)의 수소 농도를 저감하기 위해서, 산화물 반도체층(106a)의 수소 농도를 저감하면 바람직하다. 산화물 반도체층(106a)의 수소 농도는 SIMS에 있어서, 2×1020 atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1019 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106b)의 질소 농도를 저감하기 위해, 산화물 반도체층(106a)의 질소 농도를 저감하면 바람직하다. 산화물 반도체층(106a)의 질소 농도는 SIMS에서, 5×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1018 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017 atoms/cm3 이하로 한다.
또한, 산화물 반도체층(106b)의 수소 농도를 저감하기 위해, 산화물 반도체층(106c)의 수소 농도를 저감하면 바람직하다. 산화물 반도체층(106c)의 수소 농도는 SIMS에 있어서, 2×1020 atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1019 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체층(106b)의 질소 농도를 저감하기 위해, 산화물 반도체층(106c)의 질소 농도를 저감하면 바람직하다. 산화물 반도체층(106c)의 질소 농도는 SIMS에 있어서, 5×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1018 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017 atoms/cm3 이하로 한다.
이하에서는 산화물 반도체층(106b) 등에 이용할 수 있는 산화물 반도체에 대하여 설명한다. 산화물 반도체는 예를 들면 비단결정을 가져도 좋다. 비단결정은 예를 들면, CAAC(C Axis Aligned Crystal), 다결정, 미결정, 비정질부를 가진다.
산화물 반도체는 예를 들면 CAAC를 가져도 좋다. 또한, CAAC를 가지는 산화물 반도체를, CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)라고 부른다.
CAAC-OS는 예를 들면, 투과형 전자 현미경(TEM：Transmission Electron Microscope)에 의한 관찰상(이하, TEM상이라고 함)에서 결정부를 확인할 수 있는 경우가 있다. CAAC-OS에 포함되는 결정부는, 예를 들면, TEM상에서, 한 변 100 nm의 입방체 내에 들어가는 크기인 것이 많다. 또한, CAAC-OS는 TEM상에서, 비정질부와 결정부와의 경계, 결정부와 결정부와의 경계를 명확하게 확인할 수 없는 경우가 있다. 또한, CAAC-OS는 TEM상에서 입계(그레인 바운더리라고도 함)를 명확하게 확인할 수 없는 경우가 있다. CAAC-OS는 예를 들면, 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, 불순물이 편석하는 경우가 적다. 또한, CAAC-OS는 예를 들면, 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, 결함 밀도가 높아(DOS가 많아)지는 경우가 적다. 또한, CAAC-OS는 예를 들면, 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, 전자 이동도의 저하가 작다.
CAAC-OS는 예를 들면, 복수의 결정부를 가지고, 이 복수의 결정부에서 c축이 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되어 있는 경우가 있다. 또한, CAAC-OS는 예를 들면, X선 회절(XRD：X-Ray Diffraction) 장치를 이용하여, out-of-plane법에 의한 분석을 행하면, 배향을 나타내는 2θ가 31° 근방의 피크가 나타나는 경우가 있다. 또한, CAAC-OS는 예를 들면, 전자선 회절 패턴에서 스폿(휘점)이 관측되는 경우가 있다. 또한, 특히, 빔 직경이 10 nmφ이하, 또는, 5 nmφ 이하의 전자선을 이용하여 얻어지는 전자선 회절 패턴을 나노빔 전자선 회절 패턴이라고 부른다. 또한, CAAC-OS는 예를 들면, 다른 결정부 간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 정렬되지 않는 경우가 있다. CAAC-OS는 예를 들면, c축 배향하고, a축 또는/및 b축은 거시적으로 정렬되지 않는 경우가 있다.
도 29(A)는 CAAC-OS를 가지는 시료의 나노빔 전자선 회절 패턴의 일례이다. 여기에서는 시료를 CAAC-OS의 피형성면에 수직인 방향으로 절단하고, 두께가 40 nm 정도가 되도록 박편화한다. 또한, 여기에서는 빔 직경이 1 nmφ의 전자선을 시료의 절단면에 수직인 방향으로부터 입사시킨다. 도 29(A)로부터, CAAC-OS의 나노빔 전자선 회절 패턴은 스폿이 관측되는 것을 알 수 있다. 또한, 시료의 박편화는 아르곤 이온을 이용한 이온 밀링법(ion milling method)에 의해 행하였다.
CAAC-OS에 포함되는 결정부는 예를 들면, c축이 CAAC-OS의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향이 되도록 정렬되고, ab면에 수직인 방향에서 볼 때 금속 원자가 삼각 형상 또는 육각 형상으로 배열하고, c축에 수직인 방향에서 볼 때 금속 원자가 층상 또는 금속 원자와 산소 원자가 층상으로 배열하고 있다. 또한, 다른 결정부 간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 상이하여도 좋다. 본 명세서에서, 단지 수직이라고 기재하는 경우, 80° 이상 100° 이하, 바람직하게는 85° 이상 95° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다. 또한, 단지 평행이라고 기재하는 경우, -10° 이상 10° 이하, 바람직하게는 -5° 이상 5° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다.
CAAC-OS에 포함되는 결정부의 c축은 CAAC-OS의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향이 되도록 정렬되기 때문에, CAAC-OS의 형상(피형성면의 단면 형상 또는 표면의 단면 형상)에 따라서는 서로 다른 방향을 향하는 경우가 있다. 또한, 결정부는 성막했을 때, 또는 성막 후에 가열 처리 등의 결정화 처리를 행했을 때에 형성된다. 따라서, 결정부의 c축은 CAAC-OS가 형성되었을 때의 피형성면의 법선 벡터 또는, 표면의 법선 벡터에 평행한 방향이 되도록 정렬된다.
CAAC-OS는 예를 들면, 불순물 농도를 저감하여 형성할 수 있는 경우가 있다. 여기서, 불순물은 수소, 탄소, 실리콘, 천이 금속 원소 등의 산화물 반도체의 주성분 이외의 원소이다. 특히, 실리콘 등의 원소는 산화물 반도체를 구성하는 금속 원소보다 산소와의 결합력이 강하다. 따라서, 이 원소가 산화물 반도체로부터 산소를 빼앗는 경우, 산화물 반도체의 원자 배열을 어지럽혀, 결정성을 저하시키는 일이 있다. 또한, 철이나 니켈 등의 중금속, 아르곤, 이산화탄소 등은 원자 반경(또는, 분자 반경)이 크기 때문에, 산화물 반도체의 원자 배열을 어지럽혀, 산화물 반도체의 결정성을 저하시키는 일이 있다. 따라서, CAAC-OS는 불순물 농도가 낮은 산화물 반도체이다. 또한, 산화물 반도체에 포함되는 불순물은 캐리어 발생원이 되는 경우가 있다.
또한, CAAC-OS에 있어서, 결정부의 분포가 일정하지 않아도 좋다. 예를 들면, CAAC-OS의 형성 과정에서, 산화물 반도체의 표면측으로부터 결정 성장시키는 경우, 피형성면의 근방에 대하여 표면의 근방에서는 결정부가 차지하는 비율이 높아지는 일이 있다. 또한, CAACOS에 불순물이 혼입함으로써, 이 불순물 혼입 영역에 있어서 결정부가 비정질화 또는 미결정화하는 경우가 있다.
또한, CAAC-OS는 예를 들면, DOS를 저감함으로써 형성할 수 있다. 산화물 반도체에 있어서, 예를 들면, 상술한 바와 같이, 산소 결손은 DOS를 형성한다. 산소 결손은 정공 트랩이 되는 것이나, 수소를 포획하는 것에 의해 캐리어 발생원이 되는 일이 있다. CAAC-OS를 형성하기 위해서는, 예를 들면, 산화물 반도체에 산소 결손을 일으키게 하지 않는 것이 중요하게 된다. 따라서, CAAC-OS는 DOS가 적은 산화물 반도체이다. 또는, CAAC-OS는 산소 결손이 적은 산화물 반도체이다.
불순물 농도가 낮고, DOS가 적은(산소 결손이 적은) 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 부른다. 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체는 캐리어 발생원이 적기 때문에, 캐리어 밀도를 낮게 할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 이 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 문턱 전압이 마이너스가 되는 전기 특성(노멀리 온이라고도 함)이 되는 일이 적은 경우가 있다. 또한, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체는 DOS가 적기 때문에, 전하 트랩도 적어지는 경우가 있다. 따라서, 이 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 전기 특성의 변화가 작고, 신뢰성이 높은 트랜지스터가 되는 경우가 있다. 또한, 산화물 반도체의 정공 트랩에 포획된 정공은 소실될 때까지 필요로 하는 시간이 길고, 마치 고정 전하와 같이 행동하는 경우가 있다. 그 때문에, 정공 트랩이 많은 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 전기 특성이 불안정하게 되는 경우가 있다.
또한, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 CAAC-OS를 이용한 트랜지스터는 가시광이나 자외광의 조사에 의한 전기 특성의 변화가 작다.
CAAC-OS는 예를 들면, DC 전원을 이용한 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있다.
산화물 반도체는, 예를 들면, 다결정을 가져도 좋다. 또한, 다결정을 가지는 산화물 반도체를 다결정 산화물 반도체라고 부른다. 다결정 산화물 반도체는 복수의 결정립을 포함한다. 다결정 산화물 반도체는 예를 들면, 비정질부를 가지고 있는 경우가 있다.
다결정 산화물 반도체는, 예를 들면, TEM상에서 결정립을 확인할 수 있는 경우가 있다. 다결정 산화물 반도체에 포함되는 결정립은 예를 들면, TEM상에서 2 nm 이상 300 nm 이하, 3 nm 이상 100 nm 이하 또는, 5 nm 이상 50 nm 이하의 입경인 것이 많다. 또한, 다결정 산화물 반도체는 예를 들면, TEM상에서 비정질부와 결정립과의 경계, 결정립과 결정립과의 경계를 확인할 수 있는 경우가 있다. 또한, 다결정 산화물 반도체는, 예를 들면, TEM상에서 입계를 확인할 수 있는 경우가 있다.
다결정 산화물 반도체는, 예를 들면, 복수의 결정립을 가지고, 이 복수의 결정립에서 방위가 상이한 경우가 있다. 또한, 다결정 산화물 반도체는 예를 들면, XRD 장치를 이용하여 out-of-plane법에 의한 분석을 행하면 단일 또는 복수의 피크가 나타나는 경우가 있다. 예를 들면 다결정의 IGZO막에서는 배향을 나타내는 2θ가 31° 근방의 피크, 또는 복수종의 배향을 나타내는 복수의 피크가 나타나는 경우가 있다. 또한, 다결정 산화물 반도체는 예를 들면, 전자선 회절 패턴에서, 스폿이 관측되는 경우가 있다.
다결정 산화물 반도체는, 예를 들면, 높은 결정성을 가지기 때문에, 높은 전자 이동도를 가지는 경우가 있다. 따라서, 다결정 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 가진다. 단, 다결정 산화물 반도체는 입계에 불순물이 편석하는 경우가 있다. 또한, 다결정 산화물 반도체의 입계는 결함이 된다. 다결정 산화물 반도체는 입계가 캐리어 발생원, 전하 트랩이 되는 경우가 있기 때문에, 다결정 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 CAAC-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터와 비교하여, 전기 특성의 변화가 크고, 신뢰성이 낮은 트랜지스터가 되는 경우가 있다.
다결정 산화물 반도체는 고온에서의 가열 처리, 또는, 레이저광 처리에 의해 형성할 수 있다.
산화물 반도체는 예를 들면 미결정을 가져도 좋다. 또한, 미결정을 가지는 산화물 반도체를 미결정 산화물 반도체라고 부른다.
미결정 산화물 반도체는 예를 들면, TEM상에서는 명확하게 결정부를 확인할 수 없는 경우가 있다. 미결정 산화물 반도체에 포함되는 결정부는 예를 들면, 1 nm 이상 100 nm 이하, 또는, 1 nm 이상 10 nm 이하의 크기인 것이 많다. 특히, 예를 들면, 1 nm 이상 10 nm 이하의 미결정을 나노 결정(nc：nanocrystal)이라고 부른다. 나노 결정을 가지는 산화물 반도체를, nc-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)라고 부른다. 또한, nc-OS는 예를 들면, TEM상에서는 비정질부와 결정부와의 경계, 결정부와 결정부와의 경계를 명확하게 확인할 수 없는 경우가 있다. 또한, nc-OS는 예를 들면, TEM상에서는 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, 불순물이 편석하는 일이 적다. 또한, nc-OS는 예를 들면, 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, DOS가 많아지는 일이 적다. 또한, nc-OS는 예를 들면, 명확한 입계를 갖지 않기 때문에, 전자 이동도의 저하가 작다.
nc-OS는 예를 들면, 미소한 영역(예를 들면, 1 nm 이상 10 nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 가지는 경우가 있다. 또한, nc-OS는 예를 들면, 결정부와 결정부와의 사이에 규칙성이 없기 때문에, 거시적으로는 원자 배열에 주기성이 관찰되지 않는 경우, 또는, 장거리 질서가 관찰되지 않는 경우가 있다. 따라서, nc-OS는 예를 들면, 분석 방법에 따라서는 비정질 산화물 반도체와 구별되지 않는 경우가 있다. nc-OS는 예를 들면, XRD 장치를 이용하여 결정부보다 큰 빔 직경의 X선에서 out-of-plane법에 의한 분석을 행하면, 배향을 나타내는 피크가 검출되지 않는 경우가 있다. 또한, nc-OS는 예를 들면, 결정부보다 큰 빔 직경(예를 들면, 20 nmφ 이상, 또는 50 nmφ 이상)의 전자선을 이용하는 전자선 회절 패턴에서는 달무리 패턴(halo pattern)이 관측되는 경우가 있다. 또한, nc-OS는 예를 들면, 결정부와 같거나 결정부보다 작은 빔 직경(예를 들면, 10 nmφ 이하, 또는 5 nmφ 이하)의 전자선을 이용하는 나노빔 전자선 회절 패턴에서는 스폿이 관측되는 경우가 있다. 또한, nc-OS의 나노빔 전자선 회절 패턴은 예를 들면, 원을 그리듯이 휘도가 높은 영역이 관측되는 경우가 있다. 또한, nc-OS의 나노빔 전자선 회절 패턴은 예를 들면, 이 영역 내에 복수의 스폿이 관측되는 경우가 있다.
도 29(B)는 nc-OS를 가지는 시료의 나노빔 전자선 회절 패턴의 일례이다. 여기에서는 시료를 nc-OS의 피형성면에 수직인 방향으로 절단하여, 두께가 40 nm 정도가 되도록 박편화한다. 또한, 여기에서는 빔 직경이 1 nmφ의 전자선을, 시료의 절단면에 수직인 방향으로부터 입사시킨다. 도 29(B)로부터, nc-OS의 나노빔 전자선 회절 패턴은 원을 그리도록 휘도가 높은 영역이 관측되고, 또한 이 영역 내에 복수의 스폿이 관측되는 것을 알 수 있다. 또한, 시료의 박편화는 아르곤 이온을 이용한 이온 밀링법에 의해 행하였다.
또한, 도 29(C1) 및 도 29(C2)는 nc-OS를 가지는 시료의 나노빔 전자선 회절 패턴의 일례이다. 여기에서는 시료를, nc-OS의 피형성면에 수직인 방향으로 절단하여, 두께가 5 nm∼10 nm 정도가 되도록 박편화한다. 또한, 여기에서는 빔 직경이 1 nmφ인 전자선을 시료의 절단면에 수직인 방향으로부터 입사시킴으로써, 관측하는 위치에 따라, 측정 개소 1에서는 스폿(도 29(C1) 참조)이 관측되고, 측정 개소 2에서는 원을 그리도록 휘도가 높은 영역(도 29(C2) 참조)이 관측되었다. 원을 그리도록 휘도가 높은 영역이 관측되는 위치에서는 전자선이 펠릿 형상의 결정을 투과함으로써, 깊이 방향에 존재하는 다른 펠릿 형상의 결정의 스폿까지 관측하고 있기 때문일 가능성이 있다. 또한, 시료의 박편화는 저각도(대략 3°)로 아르곤 이온을 입사시키는 이온 밀링법에 의해 행하였다.
nc-OS는 미소한 영역에서 원자 배열에 주기성을 가지는 경우가 있기 때문에, 비정질 산화물 반도체보다 DOS가 적어진다. 단, nc-OS는 결정부와 결정부와의 사이에 규칙성이 없기 때문에, CAAC-OS와 비교하여 DOS가 많아진다.
따라서, nc-OS는 CAAC-OS와 비교하여, 캐리어 밀도가 높아지는 경우가 있다. 캐리어 밀도가 높은 산화물 반도체는 전자 이동도가 높아지는 경우가 있다. 따라서, nc-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 가지는 경우가 있다. 또한, nc-OS는 CAAC-OS와 비교하여, DOS가 많기 때문에, 전하 트랩도 많아지는 경우가 있다. 따라서, nc-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 CAAC-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터와 비교하여, 전기 특성의 변화가 크고, 신뢰성이 낮은 트랜지스터가 되는 경우가 있다. 단, nc-OS는 비교적 불순물이 많이 포함되어 있어도 형성할 수 있기 때문에, CAAC-OS보다 형성이 용이하게 되어, 용도에 따라서는 적합하게 이용할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면, AC 전원을 이용한 스퍼터링법 등의 성막 방법에 의해 nc-OS를 형성해도 좋다. AC 전원을 이용한 스퍼터링법은 대형 기판에 균일성 높게 성막하는 것이 가능하기 때문에, nc-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터를 가지는 반도체 장치는 생산성 높게 제작할 수 있다.
산화물 반도체는 예를 들면 비정질부를 가져도 좋다. 또한, 비정질부를 가지는 산화물 반도체를 비정질 산화물 반도체라고 부른다. 비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 원자 배열이 무질서하고, 결정부를 갖지 않는다. 또는, 비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 석영과 같은 무정형 상태를 가지고, 원자 배열에 규칙성을 볼 수 없다.
비정질 산화물 반도체는 예를 들면, TEM상에서 결정부를 확인할 수 없는 경우가 있다.
비정질 산화물 반도체는 XRD 장치를 이용하여 out-of-plane법에 의한 분석을 행하면, 배향을 나타내는 피크가 검출되지 않는 경우가 있다. 또한, 비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 전자선 회절 패턴에서 달무리 패턴이 관측되는 경우가 있다. 또한, 비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 나노빔 전자선 회절 패턴에서 스폿을 관측할 수 없고, 달무리 패턴이 관측되는 경우가 있다.
비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 수소 등의 불순물을 높은 농도로 포함시킴으로써 형성할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 비정질 산화물 반도체는 예를 들면, 불순물을 높은 농도로 포함하는 산화물 반도체이다.
산화물 반도체에 불순물이 높은 농도로 포함되면, 산화물 반도체에 산소 결손 등의 DOS를 형성하는 경우가 있다. 따라서, 불순물 농도가 높은 비정질 산화물 반도체는 DOS가 많다. 또한, 비정질 산화물 반도체는 결정성이 낮기 때문에 CAAC-OS나 nc-OS와 비교하여 DOS가 많다.
따라서, 비정질 산화물 반도체는 nc-OS와 비교하여, 더욱 캐리어 밀도가 높아지는 경우가 있다. 그 때문에, 비정질 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 노멀리 온의 전기 특성이 되는 경우가 있다. 따라서, 노멀리 온의 전기 특성이 요구되는 트랜지스터에 적합하게 이용할 수 있는 경우가 있다. 비정질 산화물 반도체는 DOS가 많기 때문에, 전하 트랩도 많아지는 경우가 있다. 따라서, 비정질 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 CAAC-OS나 nc-OS를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터와 비교하여, 전기 특성의 변화가 크고, 신뢰성이 낮은 트랜지스터가 되는 경우가 있다. 단, 비정질 산화물 반도체는 비교적 불순물이 많이 포함되는 성막 방법에 의해서도 형성할 수 있기 때문에, 형성이 용이하게 되어, 용도에 따라서는 적합하게 이용할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면, 스핀 코트법, 졸겔법, 침지법, 스프레이법, 스크린 인쇄법, 콘택트 프린트법, 잉크젯 인쇄법, 롤 코트법, 미스트 CVD법 등의 성막 방법에 의해 비정질 산화물 반도체를 형성해도 좋다. 따라서, 비정질 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터를 가지는 반도체 장치는 생산성 높게 제작할 수 있다.
또한, 산화물 반도체가 CAAC-OS, 다결정 산화물 반도체, 미결정 산화물 반도체, 비정질 산화물 반도체의 2종 이상을 가지는 혼합막이어도 좋다. 혼합막은 예를 들면, 비정질 산화물 반도체의 영역, 미결정 산화물 반도체의 영역, 다결정 산화물 반도체의 영역, CAAC-OS의 영역 중 어느 2종 이상의 영역을 가지는 경우가 있다. 또한, 혼합막은 예를 들면, 비정질 산화물 반도체의 영역, 미결정 산화물 반도체의 영역, 다결정 산화물 반도체의 영역, CAAC-OS의 영역 중 어느 2종 이상의 영역의 적층 구조를 가지는 경우가 있다.
산화물 반도체는 예를 들면, 단결정을 가져도 좋다. 또한, 단결정을 가지는 산화물 반도체를 단결정 산화물 반도체라고 부른다.
단결정 산화물 반도체는 예를 들면, 불순물 농도가 낮고, DOS가 적기(산소 결손이 적기) 때문에, 캐리어 밀도를 낮게 할 수 있다. 따라서, 단결정 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 노멀리 온의 전기 특성이 되는 일이 적은 경우가 있다. 또한, 단결정 산화물 반도체는 DOS가 적기 때문에, 전하 트랩도 적어지는 경우가 있다. 따라서, 단결정 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 이용한 트랜지스터는 전기 특성의 변화가 작고, 신뢰성이 높은 트랜지스터가 되는 경우가 있다.
산화물 반도체는 예를 들면, 결함이 적으면 밀도가 높아진다. 또한, 산화물 반도체는 예를 들면, 결정성이 높으면 밀도가 높아진다. 또한, 산화물 반도체는 예를 들면, 수소 등의 불순물 농도가 낮으면 밀도가 높아진다. 예를 들면, 단결정 산화물 반도체는 CAAC-OS보다 밀도가 높은 경우가 있다. 또한, 예를 들면, CAAC-OS는 미결정 산화물 반도체보다 밀도가 높은 경우가 있다. 또한, 예를 들면, 다결정 산화물 반도체는 미결정 산화물 반도체보다 밀도가 높은 경우가 있다. 또한, 예를 들면, 미결정 산화물 반도체는 비정질 산화물 반도체보다 밀도가 높은 경우가 있다.
이하에서는, 산화물 반도체층(106b) 내의 DOS에 대하여 설명한다. 산화물 반도체층(106b) 내의 DOS를 저감함으로써, 산화물 반도체층(106b)을 이용한 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다. 산화물 반도체층(106b)의 DOS는 일정 광전류 측정법(CPM：Constant Photocurrent Method)에 의해 평가 가능하다.
트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여하기 위해서는 산화물 반도체층(106b) 내의 CPM 측정으로 얻어지는 DOS에 의한 흡수 계수를 1×10-3 cm-1 미만, 바람직하게는 3×10-4 cm-1 미만으로 하면 좋다. 또한, 산화물 반도체층(106b) 내의 CPM 측정으로 얻어지는 DOS에 의한 흡수 계수를 1×10-3 cm-1 미만, 바람직하게는 3×10-4 cm-1 미만으로 함으로써, 트랜지스터의 전계 효과 이동도를 높일 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(106b) 내의 CPM 측정으로 얻어지는 DOS에 의한 흡수 계수를 1×10-3 cm-1 미만, 바람직하게는 3×10-4 cm-1 미만으로 하기 위해서는 산화물 중에서 DOS를 형성하는 원소인 수소, 리튬, 탄소, 질소, 불소, 나트륨, 실리콘, 염소, 칼륨, 칼슘, 티탄, 철, 니켈, 구리, 게르마늄, 스트론튬, 지르코늄 및 하프늄 등의 농도를 각각 2×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 2×1018 atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 2×1017 atoms/cm3 미만으로 하면 좋다.
여기서, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 적층을 기판 위에 제공한 시료의 DOS를 CPM에 의해 평가했다.
산화물 반도체층(106a)은 In-Ga-Zn 산화물(In：Ga：Zn = 1：3：2［원자수비］)인 타겟을 이용하여, 스퍼터링법으로 성막했다. 또한, 성막 가스는 아르곤 가스를 30 sccm, 및 산소 가스를 15 sccm로 하고, 압력은 0.4 Pa로 하고, 기판 온도는 200℃로 하고, DC 전력은 0.5 kW로 했다.
산화물 반도체층(106b)은 In-Ga-Zn 산화물(In：Ga：Zn = 1：1：1［원자수비］)인 타겟을 이용하여, 스퍼터링법으로 성막했다. 또한, 성막 가스는 아르곤 가스를 30 sccm, 및 산소 가스를 15 sccm로 하고, 압력은 0.4 Pa로 하고, 기판 온도는 200℃로 하고, DC 전력은 0.5 kW로 했다.
산화물 반도체층(106c)은 In-Ga-Zn 산화물(In：Ga：Zn = 1：3：2［원자수비］)인 타겟을 이용하여, 스퍼터링법으로 성막했다. 또한, 성막 가스는 아르곤 가스를 30 sccm, 및 산소 가스를 15 sccm로 하고, 압력은 0.4 Pa로 하고, 기판 온도는 200℃로 하고, DC 전력은 0.5 kW로 했다.
여기에서는 CPM 측정의 정밀도를 높이기 위해, 산화물 반도체층(106a)의 두께를 30 nm, 산화물 반도체층(106b)의 두께를 100 nm, 산화물 반도체층(106c)의 두께를 30 nm로 했다.
CPM 측정은 산화물 반도체층(106b)에 접하여 제공된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 상태로 광전류값이 일정하게 되도록 단자간의 시료면에 조사 하는 광량을 조정하여, 조사광량으로부터 흡수 계수를 도출한다. 여기에서는 흡수 계수의 도출을 각 파장에서 행하였다. CPM 측정에서는 시료에 DOS가 있을 때, DOS에 따른 에너지(파장으로부터 환산)에서의 흡수 계수가 증가한다. 이 흡수 계수의 증가분에 정수를 곱합으로써, 시료의 DOS를 도출할 수 있다.
도 30에, 분광 광도계에 의해 측정한 흡수 계수(점선)와 CPM에 의해 측정한 흡수 계수(실선)를 산화물 반도체층(106b)의 에너지 갭 이상의 에너지 범위에서 피팅한 결과를 나타낸다. 또한, CPM에 의해 측정한 흡수 계수로부터 얻어진 우바흐 에너지(Urbach energy)는 78.7 meV였다. 도 30에서 CPM에 의해 측정한 흡수 계수로부터 백그라운드(가는 점선)를 빼고, 흡수 계수의 적분값을 도출하면, 본 시료의 DOS에 의한 흡수 계수는 2.02×10-4 cm-1인 것을 알 수 있었다.
도 15에 나타내는 하지 절연막(102)은 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란탄, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄 및 산화 탄탈을 1종 이상 포함하는 절연막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다.
하지 절연막(102)은 예를 들면, 1번째층을 질화 실리콘층으로 하고, 2번째층을 산화 실리콘층으로 한 다층막으로 하면 좋다. 이 경우, 산화 실리콘층은 산화 질화 실리콘층이어도 상관없다. 또한, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 산화 실리콘층은 결함 밀도가 작은 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 구체적으로는, 전자 스핀 공명(ESR：Electron Spin Resonance)에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 바람직하게는 5×1016 spins/cm3 이하인 산화 실리콘층을 이용한다. 질화 실리콘층은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층을 이용한다. 수소 가스, 암모니아 가스의 방출량은 승온 이탈 가스 분광법(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy) 분석으로 측정하면 좋다. 또한, 질화 실리콘층은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않는 질화 실리콘층을 이용한다.
또는, 하지 절연막(102)은 예를 들면, 1번째층을 질화 실리콘층으로 하고, 2번째층을 제 1 산화 실리콘층으로 하고, 3번째층을 제 2 산화 실리콘층으로 한 다층막으로 하면 좋다. 이 경우, 제 1 산화 실리콘층 또는/및 제 2 산화 실리콘층은 산화 질화 실리콘층이어도 상관없다. 또한, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 제 1 산화 실리콘층은 결함 밀도가 작은 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 구체적으로는, ESR에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 바람직하게는 5×1016 spins/cm3 이하인 산화 실리콘층을 이용한다. 제 2 산화 실리콘층은 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층을 이용한다. 질화 실리콘층은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층을 이용한다. 또한, 질화 실리콘층은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않는 질화 실리콘층을 이용한다.
과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층이란, 가열 처리 등에 의해 산소를 방출할 수 있는 산화 실리콘층을 말한다. 또한, 과잉 산소를 포함하는 절연막은 가열 처리에 의해 산소를 방출하는 기능을 가지는 절연막이다.
과잉 산소를 포함하는 절연막은 산화물 반도체층(106b) 내의 산소 결손을 저감할 수 있다. 산화물 반도체층(106b) 내에서 산소 결손은 DOS를 형성하고, 정공 트랩 등이 된다. 또한, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어가는 것에 의해, 캐리어인 전자를 생성하는 일이 있다. 따라서, 산화물 반도체층(106b) 내의 산소 결손을 저감함으로써, 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
여기서, 가열 처리에 의해 산소를 방출하는 막은 TDS 분석에서, 막의 표면 온도가 100℃ 이상 700℃ 이하, 또는, 100℃ 이상 500℃ 이하의 범위에서 1×1018 atoms/cm3 이상, 1×1019 atoms/cm3 이상 또는 1×1020 atoms/cm3 이상의 산소(산소 원자수 환산)를 방출하는 일도 있다.
여기서, TDS 분석을 이용한 산소의 방출량의 측정 방법에 대하여, 이하에 설명한다.
측정 시료를 TDS 분석했을 때의 기체의 전방출량은 방출 가스의 이온 강도의 적분값에 비례한다. 그리고 표준 시료와의 비교에 의해, 기체의 전방출량을 계산할 수 있다.
예를 들면, 표준 시료인 소정의 밀도의 수소를 포함하는 실리콘 웨이퍼의 TDS 분석 결과, 및 측정 시료의 TDS 분석 결과로부터, 측정 시료의 산소 분자의 방출량(NO2)은 수학식 (22)로 구할 수 있다. 여기서, TDS 분석으로 얻어지는 질량수 32로 검출되는 가스의 전부가 산소 분자 유래라고 가정한다. CH3OH의 질량수는 32이지만, 존재할 가능성이 낮은 것으로서 여기에서는 고려하지 않는다. 또한, 산소 원자의 동위체인 질량수 17의 산소 원자 및 질량수 18의 산소 원자를 포함하는 산소 분자에 대해서도, 자연계에서의 존재 비율이 극미량이기 때문에 고려하지 않는다.
[수학식 22]
NH2는 표준 시료로부터 이탈한 수소 분자를 밀도로 환산한 값이다. SH2는 표준 시료를 TDS 분석했을 때의 이온 강도의 적분값이다. 여기서, 표준 시료의 기준치를, NH2/SH2로 한다. SO2는 측정 시료를 TDS 분석했을 때의 이온 강도의 적분값이다. α는 TDS 분석에서의 이온 강도에 영향을 주는 계수이다. 수학식 (22)의 상세한 사항에 관해서는 일본국 특개평 6-275697 공보를 참조한다. 또한, 상기 산소의 방출량은 전자 과학 주식회사제의 승온 이탈 분석 장치 EMD-WA1000S/W를 이용하고, 표준 시료로서 1×1016 atoms/cm2의 수소 원자를 포함하는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 측정했다.
또한, TDS 분석에서, 산소의 일부는 산소 원자로서 검출된다. 산소 분자와 산소 원자의 비율은 산소 분자의 이온화율로부터 산출할 수 있다. 또한, 상술한 α는 산소 분자의 이온화율을 포함하기 때문에, 산소 분자의 방출량을 평가함으로써, 산소 원자의 방출량에 대해서도 추측할 수 있다.
또한, NO2는 산소 분자의 방출량이다. 산소 원자로 환산했을 때의 방출량은 산소 분자의 방출량의 2배가 된다.
또는, 가열 처리에 의해 산소를 방출하는 막은 과산화 라디칼을 포함하는 경우도 있다. 구체적으로는, 과산화 라디칼에 기인하는 스핀 밀도가 5×1017 spins/cm3 이상인 것을 말한다. 또한, 과산화 라디칼을 포함하는 막은 ESR에서, g값이 2.01 근방에 비대칭의 신호를 가지는 일도 있다.
또는, 과잉 산소를 포함하는 절연막은 산소가 과잉인 산화 실리콘(SiOX(X＞2))이어도 좋다. 산소가 과잉인 산화 실리콘(SiOX(X＞2))은 실리콘 원자수의 2배보다 많은 산소 원자를 단위 체적당에 포함하는 것이다. 단위 체적당의 실리콘 원자수 및 산소 원자수는 러더포드 후방 산란법(RBS：Rutherford Backscattering Spectrometry)에 의해 측정한 값이다.
소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)은 예를 들면, 알루미늄, 티탄, 크롬, 코발트, 니켈, 구리, 이트륨, 지르코늄, 몰리브덴, 루테늄, 은, 탄탈 및 텅스텐을 1종 이상 포함하는 도전막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다. 바람직하게는 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)은 구리를 포함하는 층을 가지는 다층막으로 한다. 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)을 구리를 포함하는 층을 가지는 다층막으로 함으로써, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)과 동일층에서 배선을 형성하는 경우, 배선 저항을 낮게 할 수 있다. 또한, 소스 전극(116a)과 드레인 전극(116b)은 동일 조성이어도 좋고, 다른 조성이어도 좋다.
그런데, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)으로서, 구리를 포함하는 층을 가지는 다층막을 이용하는 경우, 구리가 산화물 반도체층(106b)에 들어감으로써 산화물 반도체층(106b)의 캐리어 밀도가 높아지는 경우가 있다. 또는, 구리가 산화물 반도체층(106b)에 DOS를 형성하여, 전하 트랩으로서 기능하는 경우가 있다. 이때, 산화물 반도체층(106c)이 구리를 차단하는 기능을 가지는 경우, 구리가 산화물 반도체층(106b)에 들어가는 것에 의한 트랜지스터의 오프 전류의 증가, 문턱 전압의 변화를 억제할 수 있다.
트랜지스터의 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b) 근방의 단면도를 도 17에 나타낸다. 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)은 도 17에 나타내는 어느 구조로 해도 상관없다. 또한, 도 17에서는 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)의 형성에 의해, 산화물 반도체층(106c)의 상면이 움푹 들어간 경우의 형상을 나타낸다.
도 17(A)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)에 단차가 제공된 구조이다. 산화물 반도체층(106c)의 파선으로 나타내는 영역에 n형 영역이 형성된다. n형 영역은 산화물 반도체층(106c) 위에 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)을 형성할 때의 대미지나, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)인 도전막의 작용에 의해 산화물 반도체층(106c)에 산소 결손이 생기는 것에 기인하여 형성된다. 예를 들면, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어감으로써, 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 또한, n형 영역은 산화물 반도체층(106c)과 산화물 반도체층(106b)과의 경계 근방까지 형성되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, n형 영역이 산화물 반도체층(106c) 및 산화물 반도체층(106b), 또는 산화물 반도체층(106c)에만 형성되어 있어도 좋다.
도 17(B)은 소스 전극(116a)으로서, 산화되기 어려운 도전층(116a2)과, 도전층(116a2) 위에 형성된 도전층(116a1)을, 드레인 전극(116b)으로서, 산화되기 어려운 도전층(116b2)과, 도전층(116b2) 위에 형성된 도전층(116b1)을, 각각 가지는 구조이다. 또한, 산화되기 어려운 도전층은 산화물 반도체층(106c)을 환원하는 작용이 약한 도전층이다. 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)이 도 17(B)에 나타내는 구조가 됨으로써, n형 영역은 산화물 반도체층(106c)에만 형성된다. 또한, 채널 길이 방향으로의 산소 결손의 확대가 작고, 채널 형성 영역이 n형화하기 어렵다. 또한, 도전층(116a1) 및 도전층(116b1)을 가지기 때문에, 도전층(116a2) 및 도전층(116b2) 자체는 도전성이 낮아도 좋다. 따라서, 도전층(116a2) 및 도전층(116b2)은 두께가 작아도 좋고, 미세 가공에도 유리하게 된다. 즉, 도 17(B)에 나타내는 구조는 채널 길이가 작은 미세화된 트랜지스터에 적합한 구조이다.
또한, 도전층(116a1)과 도전층(116a2)이 같은 도전층이어도 상관없다. 또한, 도전층(116b1)과 도전층(116b2)이 같은 도전층이어도 상관없다.
도 17(C)은 소스 전극(116a)으로서, 도전층(116a3)과, 도전층(116a3) 위에 형성된 산화되기 어려운 도전층(116a4)을, 드레인 전극(116b)으로서, 도전층(116b3)과, 도전층(116b3) 위에 형성된 산화되기 어려운 도전층(116b4)을, 각각 가지는 구조이다. 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)이 도 17(C)에 나타내는 구조가 됨으로써, 산화물 반도체층(106c)에 형성되는 n형 영역은 일부가 산화물 반도체층(106c)과 산화물 반도체층(106b)과의 경계 근방까지 형성되고, 일부가 산화물 반도체층(106c)에만 형성된다. 또한, 채널 길이 방향에 대한 산소 결손의 확대가 작고, 채널 형성 영역이 n형화하기 어렵다. 또한, 도전층(116a3) 및 도전층(116b3)의 하부에서는 산화물 반도체층(106b)까지 n형 영역이 형성되기 때문에, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b) 간의 저항이 작아져, 트랜지스터의 전계 효과 이동도를 높게 할 수 있다. 또한, 도전층(116a3) 및 도전층(116b3)을 가지기 때문에, 도전층(116a4) 및 도전층(116b4) 자체는 도전성이 낮아도 좋다. 따라서, 도전층(116a4) 및 도전층(116b4)은 두께가 작아 좋고, 미세 가공에도 유리하게 된다. 즉, 도 17(C)에 나타내는 구조는 채널 길이가 작은 미세화된 트랜지스터에 적합한 구조이다.
또한, 도전층(116a3)과 도전층(116a4)이 같은 도전층이어도 상관없다. 또한, 도전층(116b3)과 도전층(116b4)이 같은 도전층이어도 상관없다.
도 15에 나타내는 게이트 절연막(112)은 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란탄, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄 및 산화 탄탈을 1종 이상 포함하는 절연막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다.
게이트 절연막(112)은, 예를 들면, 1번째층을 질화 실리콘층으로 하고, 2번째층을 산화 실리콘층으로 한 다층막으로 하면 좋다. 이 경우, 산화 실리콘층은 산화 질화 실리콘층이어도 상관없다. 또한, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 산화 실리콘층은 결함 밀도가 작은 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 구체적으로는, ESR에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 바람직하게는 5×1016 spins/cm3 이하인 산화 실리콘층을 이용한다. 산화 실리콘층은 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 질화 실리콘층은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층을 이용한다. 수소 가스, 암모니아 가스의 방출량은 TDS 분석으로 측정하면 좋다.
게이트 절연막(112) 및 하지 절연막(102)의 적어도 한쪽이 과잉 산소를 포함하는 절연막을 포함하는 경우, 산화물 반도체층(106b)의 산소 결손이 저감되어, 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
게이트 전극(104)은 예를 들면, 알루미늄, 티탄, 크롬, 코발트, 니켈, 구리, 이트륨, 지르코늄, 몰리브덴, 루테늄, 은, 탄탈 및 텅스텐을 1종 이상 포함하는 도전막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다.
보호 절연막(108)은 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란탄, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄 및 산화 탄탈을 1종 이상 포함하는 절연막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다.
보호 절연막(108)은 예를 들면, 질화 실리콘층을 가진다. 이 경우, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 질화 실리콘층은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적으면 바람직하다. 수소 가스, 암모니아 가스의 방출량은 TDS 분석으로 측정하면 좋다. 또한, 질화 실리콘층은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않으면 바람직하다.
보호 절연막(108)은 예를 들면, 산화 알루미늄층을 가진다. 산화 알루미늄층은 수소 가스의 방출량이 적으면 바람직하다. 수소 가스의 방출량은 TDS 분석으로 측정하면 좋다. 또한, 산화 알루미늄층은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않으면 바람직하다.
보호 절연막(118)은 예를 들면, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 산화 게르마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란탄, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄 및 산화 탄탈을 1종 이상 포함하는 절연막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다. 보호 절연막(118)을 형성하는 것에 의해, 보호 절연막(108)을 형성하지 않아도 상관없는 경우가 있다.
기판(100)에 큰 제한은 없다. 예를 들면, 유리 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 사파이어 기판 등을 기판(100)으로서 이용해도 좋다. 또한, 실리콘이나 탄화 실리콘 등의 단결정 반도체 기판, 다결정 반도체 기판, 실리콘 게르마늄 등의 화합물 반도체 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판 등을 적용하는 것도 가능하고, 이들 기판 위에 반도체 소자가 제공된 것을 기판(100)으로서 이용해도 좋다.
또한, 기판(100)으로서, 제 5 세대(1000 mm×1200 mm 또는 1300 mm×1500 mm), 제 6 세대(1500 mm×1800 mm), 제 7 세대(1870 mm×2200 mm), 제 8 세대(2200 mm×2500 mm), 제 9 세대(2400 mm×2800 mm), 제 10 세대(2880 mm×3130 mm) 등의 대형 유리 기판을 이용하는 경우, 반도체 장치의 제작 공정에서의 가열 처리 등으로 생기는 기판(100)의 수축에 의해, 미세한 가공이 곤란하게 되는 경우가 있다. 그 때문에, 상술한 것과 같은 대형 유리 기판을 기판(100)으로서 이용하는 경우, 가열 처리에 의한 수축이 작은 것을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판(100)으로서 400℃, 바람직하게는 450℃, 더욱 바람직하게는 500℃의 온도에서 1시간 가열 처리를 행한 후의 수축량이 10 ppm 이하, 바람직하게는 5 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 3 ppm 이하인 대형 유리 기판을 이용하면 좋다.
또한, 기판(100)으로서 가요성 기판을 이용해도 좋다. 또한, 가요성 기판 위에 트랜지스터를 형성하는 방법으로서는, 비가요성의 기판 위에 트랜지스터를 제작한 후, 트랜지스터를 박리하여, 가요성 기판인 기판(100)에 전치하는 방법도 있다. 그 경우에는 비가요성 기판과 트랜지스터와의 사이에 박리층을 형성하면 좋다.
＜트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법＞
이하에서는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 18 및 도 19는 도 15(B)에 대응하는 단면도이다.
먼저, 기판(100)을 준비한다.
다음에, 하지 절연막(102)을 형성한다. 하지 절연막(102)은 스퍼터링법, 화학 기상 성장(CVD：Chemical Vapor Deposition)법, 분자선 에피택시(MBE：Molecular Beam Epitaxy)법, 원자층 퇴적(ALD：Atomic Layer Deposition)법 또는 펄스 레이저 퇴적(PLD：Pulsed Laser Deposition)법을 이용하여 형성하면 좋다.
또는, 기판(100)으로서 실리콘 웨이퍼를 이용한 경우, 하지 절연막(102)은 열산화법에 의해 형성해도 좋다.
다음에, 하지 절연막(102)의 표면을 평탄화하기 위해, 화학적 기계 연마(CMP：Chemical Mechanical Polishing) 처리를 행하여도 좋다. CMP 처리를 행함으로써, 하지 절연막(102)의 평균면 거칠기(Ra)를 1 nm 이하, 바람직하게는 0.3 nm 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 nm 이하로 한다. 상술한 수치 이하의 Ra로 함으로써, 산화물 반도체층(106b)의 결정성이 높아지는 경우가 있다. 또한, Ra는 JIS B0601：2001(ISO4287：1997)으로 정의되어 있는 산술 평균 거칠기를 곡면에 대하여 적용할 수 있도록 삼차원으로 확장한 것이고, 「기준면으로부터 지정면까지의 편차의 절대값을 평균한 값」으로 표현할 수 있고, 수학식 (23)으로 정의된다.
[수학식 23]
여기서, 지정면이란, 거칠기 계측의 대상이 되는 면이며, 좌표(x1, y1, f(x1, y1)), (x1, y2, f(x1, y2)), (x2, y1, f(x2, y1)), (x2, y2, f(x2, y2))의 4점으로써 나타내어지는 사각형의 영역으로 하고, 지정면을 xy 평면에 투영한 직사각형의 면적을 S0, 기준면의 높이(지정면의 평균의 높이)를 Z0로 한다. Ra는 원자 간력 현미경(AFM：Atomic Force Microscope)으로 측정 가능하다.
다음에, 하지 절연막(102)에 산소 이온을 첨가함으로써, 과잉 산소를 포함하는 절연막을 형성해도 상관없다. 산소 이온의 첨가는 예를 들면, 이온 주입법에 의해, 가속 전압을 2 kV 이상 100 kV 이하로 하고, 도스량을 5×1014 ions/cm2 이상 5×1016 ions/cm2 이하로 하면 좋다.
다음에, 산화물 반도체층(136a), 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136c)을, 이 순서로 형성한다(도 18(A) 참조). 산화물 반도체층(136a), 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136c)은 각각 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)으로서 나타낸 산화물로부터 선택하여 형성하면 좋다. 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136c)은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다.
산화물 반도체층(136c)을 형성한 후에, 제 1 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 제 1 가열 처리는 250℃ 이상 650℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 500℃ 이하에서 행하면 좋다. 제 1 가열 처리의 분위기는 불활성 가스 분위기, 또는 산화성 가스를 10 ppm 이상, 1% 이상 혹은 10% 이상 포함하는 분위기에서 행한다. 제 1 가열 처리는 감압 상태에서 행하여도 좋다. 또는, 제 1 가열 처리의 분위기는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리한 후에, 이탈한 산소를 보충하기 위해 산화성 가스를 10 ppm 이상, 1% 이상 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 가열 처리를 행하여도 좋다. 제 1 가열 처리에 의해, 산화물 반도체층(136b)의 결정성을 높이고, 산화물 반도체층(136b)으로부터 수소나 물 등의 불순물을 더 제거할 수 있다. 또한, 제 1 가열 처리에 의해, 산화물 반도체층(106b)의 DOS가 저감되어, 고순도 진성화할 수 있다. 또한, DOS가 저감되는 모델에 대해서는, 고순도 진성화에 대한 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(136a), 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136c)의 일부를 에칭하여, 섬 형상의 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 형성한다(도 18(B) 참조).
다음에, 도전막(116)을 형성한다. 도전막(116)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)으로서 나타낸 도전막으로부터 선택하여 형성하면 좋다. 도전막(116)은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다. 이때, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 파선으로 나타내는 영역에 n형 영역이 형성되는 경우가 있다(도 18(C) 참조). n형 영역은 산화물 반도체층(106c) 위에 도전막(116)을 형성할 때의 대미지나, 도전막(116)의 작용에 의해 산화물 반도체층(106c)에 산소 결손이 생기는 것에 기인하여 형성된다. 예를 들면, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어가는 것으로 인하여, 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 또한, n형 영역은 산화물 반도체층(106c)과 산화물 반도체층(106b)과의 경계 근방까지 형성되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, n형 영역이 산화물 반도체층(106c) 및 산화물 반도체층(106b), 또는 산화물 반도체층(106c)에만 형성되어 있어도 좋다.
다음에, 도전막(116)의 일부를 에칭하여, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)을 형성한다(도 18(D) 참조).
다음에, 제 2 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 2 가열 처리는 제 1 가열 처리에 나타낸 조건으로부터 선택하여 행하면 좋다. 제 2 가열 처리를 행함으로써, 산화물 반도체층(106c)이 노출된 n형 영역을 i형 영역으로 할 수 있는 경우가 있다(도 19(A) 참조). 그 때문에, 산화물 반도체층(106c)에서, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)의 바로 아래의 영역에만 n형 영역을 형성할 수 있다. n형 영역을 가짐으로써, 산화물 반도체층(106c)과 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)과의 사이의 접촉 저항을 저감할 수 있기 때문에, 트랜지스터의 온 전류를 높게 할 수 있다. 또한, 제 2 가열 처리를 행함으로써, 제 1 가열 처리를 행하지 않아도 좋은 경우가 있다.
다음에, 게이트 절연막(112)을 형성한다(도 19(B) 참조). 게이트 절연막(112)은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법, 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다.
다음에, 게이트 전극(104)이 되는 도전막을 형성한다. 게이트 전극(104)이 되는 도전막은 게이트 전극(104)으로서 나타낸 도전막으로부터 선택하여 형성하면 좋다. 게이트 전극(104)이 되는 도전막은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법, 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다.
다음에, 게이트 전극(104)이 되는 도전막의 일부를 에칭하여, 게이트 전극(104)을 형성한다(도 19(C) 참조).
다음에, 보호 절연막(108)을 형성한다. 보호 절연막(108)은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법, 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다.
다음에, 보호 절연막(118)을 형성한다(도 19(D) 참조). 보호 절연막(118)은 스퍼터링법, CVD법, MBE법, ALD법 또는 PLD법을 이용하여 형성하면 좋다.
다음에, 제 3 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 3 가열 처리는 제 1 가열 처리에 나타낸 조건으로부터 선택하여 행하거나, 제 1 가열 처리 및 제 2 가열 처리보다 저온에서 행하면 좋다.
이상과 같이 하여, 도 15에 나타낸 트랜지스터를 제작할 수 있다.
＜제조 장치에 대하여＞
산화물 반도체층(106b)에 포함되는 불순물 농도가 낮고, 결함 밀도가 낮은 것에 의해(즉, 고순도 진성인 것에 의해), 트랜지스터의 전기 특성은 안정이 된다. 또한, 산화물 반도체층(106b)이 높은 결정성을 가짐으로써, 산화물 반도체층(106b)이 비정질인 경우와 비교하여, 트랜지스터의 전기 특성은 안정이 된다. 이하에서는 불순물 농도가 낮고, 결정성이 높은 산화물 반도체층(106b)을 성막하기 위한 성막 장치에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 성막 장치는 트랜지스터의 다른 구성을 성막할 때에 이용해도 좋다. 이하에 설명하는 성막 장치를 이용함으로써, 다른 구성에서도 불순물 농도를 저감할 수 있다.
우선은 성막 시에 불순물의 혼입이 적은 성막 장치의 구성에 대하여 도 31을 이용하여 설명한다.
도 31(A)은 멀티 체임버의 성막 장치의 상면도이다. 이 성막 장치는 기판을 수용하는 카세트 포트(74)를 3개 가지는 대기측 기판 공급실(71)과, 로드락실(72a) 및 언로드락실(72b)과, 반송실(73)과, 반송실(73a)과, 반송실(73b)과, 기판 가열실(75)과, 성막실(70a)과, 성막실(70b)을 가진다. 대기측 기판 공급실(71)은 로드락실(72a) 및 언로드락실(72b)과 접속한다. 로드락실(72a) 및 언로드락실(72b)은 반송실(73a) 및 반송실(73b)을 통하여 반송실(73)과 접속한다. 기판 가열실(75), 성막실(70a) 및 성막실(70b)은 반송실(73)과만 접속한다. 또한, 각 실의 접속부에는 게이트 밸브(GV)가 설치되어 있고, 대기측 기판 공급실(71)을 제외하고, 각 실을 독립적으로 진공 상태로 유지할 수 있다. 또한, 대기측 기판 공급실(71) 및 반송실(73)은 하나 이상의 기판 반송 로봇(76)을 가지고, 기판을 반송할 수 있다. 여기서, 기판 가열실(75)은 플라즈마 처리실을 겸하면 바람직하다. 멀티 체임버의 성막 장치는 처리와 처리 사이에 기판을 대기에 노출하는 일 없이 반송 가능하기 때문에, 기판에 불순물이 흡착하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 성막이나 열처리 등의 순번을 자유롭게 구축할 수 있다. 또한, 반송실, 성막실, 로드락실, 언로드락실 및 기판 가열실의 수는 상술한 수로 한정되는 것은 아니고, 설치 스페이스나 프로세스에 맞추어 적절히 결정하면 좋다.
도 31(B)은 도 31(A)과 구성이 다른 멀티 체임버의 성막 장치의 상면도이다. 이 성막 장치는 카세트 포트(84)를 가지는 대기측 기판 공급실(81)과, 로드/언로드락실(82)과, 반송실(83)과, 기판 가열실(85)과, 기판 반송 로봇(86)과, 성막실(80a)과, 성막실(80b)과, 성막실(80c)과, 성막실(80d)을 가진다. 대기측 기판 공급실(81), 기판 가열실(85), 성막실(80a), 성막실(80b), 성막실(80c) 및 성막실(80d)은 반송실(83)을 통하여 각각 접속된다.
여기서, 도 32(A)를 이용하여 도 31(B)에 나타내는 성막실(스퍼터링실)의 일례에 대하여 설명한다. 예를 들면, 성막실(80b)은 타겟(87)과, 방착판(88)과, 기판 스테이지(90)를 가진다. 또한, 여기에서는 기판 스테이지(90)에는 유리 기판(89)이 설치되어 있다. 기판 스테이지(90)는 도시하지 않았지만, 유리 기판(89)을 유지하는 기판 유지 기구나, 유리 기판(89)을 이면으로부터 가열하는 이면 히터 등을 구비하고 있어도 좋다. 또한, 방착판(88)에 의해, 타겟(87)으로부터 스퍼터링되는 입자가 불필요한 영역에 퇴적하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 32(A)에 나타내는 성막실(80b)은 매스 플로우 콘트롤러(97)를 통하여 정제기(94)와 접속된다. 또한, 정제기(94) 및 매스 플로우 콘트롤러(97)는 가스종의 수만큼 설치되지만, 간단하게 하기 위해 하나만을 나타낸다. 성막실(80b) 등에 이용하는 가스는 노점이 -80℃ 이하, 바람직하게는 -100℃ 이하, 더욱 바람직하게는 -120℃ 이하인 가스를 이용한다. 노점이 낮은 산소 가스, 희가스(아르곤 가스 등) 등을 이용함으로써, 성막 시에 혼입하는 수분을 저감할 수 있다.
또한, 진공 펌프(96)는 예를 들면, 드라이 펌프 및 메커니컬 부스터 펌프가 직렬로 접속된 것으로 하면 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 성막실(80b) 및 반송실(83)은 대기압으로부터 저진공(0.1 Pa∼10 Pa 정도)까지는 진공 펌프(96)를 이용하여 배기하고, 밸브를 전환하여 저진공으로부터 고진공(1×10-7 Pa∼1×10-4 Pa)까지는 크라이오 펌프(95a) 또는 크라이오 펌프(95b)를 이용하여 배기된다.
또한, 도 32(B)를 이용하여 도 31(B)에 나타내는 성막실의 다른 일례에 대하여 설명한다.
도 32(B)에 나타내는 성막실(80b)은 게이트 밸브를 통하여, 반송실(83)과 접속하고 있고, 반송실(83)은 게이트 밸브를 통하여 로드/언로드락실(82)과 접속되어 있다.
도 32(B)에 나타내는 성막실(80b)은 가스 가열 기구(98)를 통하여 매스 플로우 콘트롤러(97)와 접속되고, 가스 가열 기구(98)는 매스 플로우 콘트롤러(97)를 통하여 정제기(94)와 접속된다. 가스 가열 기구(98)에 의해, 성막실(80b)에 이용하는 가스를 40℃ 이상 400℃ 이하, 또는, 50℃ 이상 200℃ 이하로 가열할 수 있다. 또한, 가스 가열 기구(98), 정제기(94) 및 매스 플로우 콘트롤러(97)는 가스종의 수만큼 설치되지만, 간단하게 하기 위해 하나만을 나타낸다.
도 32(B)에 나타내는 성막실(80b)은 밸브를 통하여 터보 분자 펌프(95c) 및 진공 펌프(96b)와 접속된다. 또한, 터보 분자 펌프(95c)는 보조 펌프로서 밸브를 통하여 진공 펌프(96a)가 설치된다. 진공 펌프(96a) 및 진공 펌프(96b)는 진공 펌프(96)와 같은 구성으로 하면 좋다. 또한, 도 32(B)에 나타내는 성막실(80b)은 크라이오 트랩(99)이 설치된다.
터보 분자 펌프(95c)는 큰 사이즈의 분자(원자)를 안정적으로 배기하고, 메인트넌스의 빈도가 낮기 때문에, 생산성이 뛰어난 한편, 수소나 물의 배기 능력이 낮다는 것이 알려져 있다. 따라서, 물 등의 비교적 융점이 높은 분자(원자)에 대한 배기 능력이 높은 크라이오 트랩(99)이 성막실(80b)에 접속된 구성으로 하고 있다. 크라이오 트랩(99)의 냉동기의 온도는 100 K 이하, 바람직하게는 80 K 이하로 한다. 또한, 크라이오 트랩(99)이 복수의 냉동기를 가지는 경우, 냉동기마다 온도를 바꾸면, 효율적으로 배기하는 것이 가능해지기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 1번째단의 냉동기의 온도를 100 K 이하로 하고, 2번째단의 냉동기의 온도를 20 K 이하로 하면 좋다.
또한, 도 32(B)에 나타내는 반송실(83)은 진공 펌프(96b), 크라이오 펌프(95d) 및 크라이오 펌프(95e)와 각각 밸브를 통하여 접속된다. 크라이오 펌프가 1대인 경우, 크라이오 펌프를 리제너레이션(regeneration)하고 있는 동안은 배기할 수 없지만, 크라이오 펌프를 2대 이상 병렬로 접속함으로써, 1대가 리제너레이션 중이어도 나머지의 크라이오 펌프를 사용하여 배기하는 것이 가능해진다. 또한, 크라이오 펌프의 리제너레이션이란, 크라이오 펌프 내에 모인 분자(원자)를 방출하는 처리를 말한다. 크라이오 펌프는 분자(원자)를 너무 모아두면 배기 능력이 저하되기 때문에, 정기적으로 리제너레이션을 행한다.
또한, 도 32(B)에 나타내는 로드/언로드락실(82)은 크라이오 펌프(95f) 및 진공 펌프(96c)와 각각 밸브를 통하여 접속된다. 또한, 진공 펌프(96c)는 진공 펌프(96)와 같은 구성으로 하면 좋다.
성막실(80b)에 타겟 대향식 스퍼터링 장치를 적용해도 좋다. 또한, 성막실(80b)에 평행 평판형 스퍼터링 장치, 이온 빔 스퍼터링 장치를 적용해도 상관없다.
다음에, 도 33을 이용하여 도 31(B)에 나타내는 기판 가열실의 일례의 배기에 대하여 설명한다.
도 33에 나타내는 기판 가열실(85)은 게이트 밸브를 통하여, 반송실(83)과 접속하고 있다. 또한, 반송실(83)은 게이트 밸브를 통하여 로드/언로드락실(82)과 접속되어 있다.
도 33에 나타내는 기판 가열실(85)은 매스 플로우 콘트롤러(97)를 통하여 정제기(94)와 접속된다. 또한, 정제기(94) 및 매스 플로우 콘트롤러(97)는 가스종의 수만큼 설치되지만, 간단하게 하기 위해 하나만을 나타낸다. 또한, 기판 가열실(85)은 밸브를 통하여 진공 펌프(96b)와 접속된다.
또한, 기판 가열실(85)은 기판 스테이지(92)를 가진다. 기판 스테이지(92)는 적어도 1장의 기판을 설치할 수 있으면 좋고, 복수의 기판을 설치할 수 있는 기판 스테이지로 해도 상관없다. 또한, 기판 가열실(85)은 가열 기구(93)를 가진다. 가열 기구(93)는 예를 들면, 저항 발열체 등을 이용하여 가열하는 가열 기구로 해도 좋다. 또는, 가열된 가스 등의 매체로부터의 열전도 또는, 열복사에 의해, 가열하는 가열 기구로 해도 좋다. 예를 들면, GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal), LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal) 등의 RTA(Rapid Thermal Anneal)를 이용할 수 있다. LRTA는 할로겐 램프, 메탈 헬라이드 램프, 크세논 아크 램프, 카본 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 고압 수은 램프 등의 램프로부터 발하는 광(전자파)의 복사에 의해, 피처리물을 가열한다. GRTA는 고온의 가스를 이용하여 열처리를 행한다. 가스로서는, 불활성 가스가 이용된다. RTA를 이용함으로써, 단시간의 가열 처리가 가능해지기 때문에, 가열 처리에 의해 기판의 휨량을 저감할 수 있다. 특히, 대형 유리 기판은 약간의 휨량에 의해서도 반도체 장치의 수율을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, 기판이 휘어질 것 같은 고온에서의 가열 처리에는 RTA를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)의 배압은 1×10-4 Pa 이하, 바람직하게는 3×10-5 Pa 이하, 더욱 바람직하게는 1×10-5 Pa 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 18인 기체 분자(원자)의 분압이 3×10-5 Pa 이하, 바람직하게는 1×10-5 Pa 이하, 더욱 바람직하게는 3×10-6 Pa 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 28인 기체 분자(원자)의 분압이 3×10-5 Pa 이하, 바람직하게는 1×10-5 Pa 이하, 더욱 바람직하게는 3×10-6 Pa 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 44인 기체 분자(원자)의 분압이 3×10-5 Pa 이하, 바람직하게는 1×10-5 Pa 이하, 더욱 바람직하게는 3×10-6 Pa 이하이다.
또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 누설률(leakage rate)이 3×10-6 Pa·m3/s 이하, 바람직하게는 1×10-6 Pa·m3/s 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 18인 기체 분자(원자)의 누설률이 1×10-7 Pa·m3/s 이하, 바람직하게는 3×10-8 Pa·m3/s 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 28인 기체 분자(원자)의 누설률이 1×10-5 Pa·m3/s 이하, 바람직하게는 1×10-6 Pa·m3/s 이하이다. 또한, 성막실(80b) 및 기판 가열실(85)은 m/z가 44인 기체 분자(원자)의 누설률이 3×10-6 Pa·m3/s 이하, 바람직하게는 1×10-6 Pa·m3/s 이하이다.
또한, 성막실, 기판 가열실, 반송실 등의 진공실 내의 전압(total pressure) 및 분압(partial pressure)은 질량 분석계를 이용하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 주식회사 알박(ULVAC, Inc.)제 사중극형 질량 분석계(Q-mass라고도 함) Qulee CGM-051을 이용하면 좋다. 또한, 누설률에 관해서는 상술한 질량 분석계를 이용하여 측정한 전압 및 분압으로부터 도출하면 좋다. 누설률은 외부 누설 및 내부 누설에 의존한다. 외부 누설은 미소한 구멍이나 실(seal) 불량 등에 의해 진공계 밖으로부터 기체가 유입하는 것이다. 내부 누설은 진공계 내의 밸브 등의 칸막이로부터의 누설이나 내부의 부재로부터의 방출 가스에 기인한다. 누설률을 상술한 수치 이하로 하기 위해서, 외부 누설 및 내부 누설의 양면으로부터 대책을 세울 필요가 있다.
성막실에 존재하는 흡착물은 내벽 등에 흡착되어 있기 때문에 성막실의 압력에 영향을 주지 않지만, 성막실을 배기했을 때의 가스 방출의 원인이 된다. 그 때문에, 배기 능력이 높은 펌프를 이용하여, 성막실에 존재하는 흡착물을 가능한 한 이탈하는 것은 중요하다. 또한, 흡착물의 이탈을 촉진하기 위해, 성막실을 베이킹해도 좋다.
또는, 가열한 희가스 등의 불활성 가스 또는 산소 등을 흘림으로써 성막실 내의 압력을 높이고, 일정 시간 경과 후에 다시 성막실을 배기하는 처리를 행하면 바람직하다. 가열한 가스를 흘림으로써 성막실 내의 흡착물을 이탈시킬 수 있고 성막실 내에 존재하는 불순물을 저감할 수 있다.
또한, 더미 성막을 행함으로써도 흡착물의 이탈 속도를 더욱 높일 수 있다. 더미 성막이란, 더미 기판에 대하여 스퍼터링법 등에 의한 성막을 행함으로써, 더미 기판 및 성막실 내벽에 막을 퇴적시켜, 성막실 내의 불순물 및 성막실 내벽의 흡착물을 막 중에 감금하는 것을 말한다. 더미 기판은 방출 가스가 적은 기판이 바람직하고, 예를 들면 후술하는 기판(100)과 같은 기판을 이용해도 좋다. 더미 성막을 행함으로써, 후에 성막되는 막 중의 불순물 농도를 저감할 수 있다. 또한, 더미 성막은 베이킹과 동시에 행하여도 좋다.
이상의 성막 장치를 이용하여, 산화물 반도체층(106b)을 성막함으로써, 산화물 반도체층(106b)으로 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 또, 이상의 성막 장치를 이용하여, 산화물 반도체층(106b)에 접하는 막을 성막함으로써, 산화물 반도체층(106b)에 접하는 막으로부터 산화물 반도체층(106b)으로 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다.
다음에, 상술한 성막 장치를 이용하여, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 연속하여 성막하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 산화물 반도체층(106a)을 성막한다. 산화물 반도체층(106a)은 성막 시의 가열 온도가 높을수록, 불순물 농도가 낮아진다. 예를 들면, 성막 시의 기판 온도는 150℃ 이상 500℃ 이하, 바람직하게는 170℃ 이상 450℃ 이하로 한다. 산화물 반도체층(106a)은 기판을 성막실로 반송한 후, 성막 가스를 흘려, 압력을 안정시키기 위해 10초 이상 1000초 이하, 바람직하게는 15초 이상 720초 이하 유지하고 나서 성막한다. 압력을 안정시키기 위해 상술한 시간 유지함으로써, 산화물 반도체층(106a)을 성막할 때의 불순물의 혼입량을 저감할 수 있다.
다음에, 성막실을 이동하여, 산화물 반도체층(106b)을 성막한다. 산화물 반도체층(106b)은 성막 시의 가열 온도가 높을수록, 불순물 농도가 낮아진다. 예를 들면, 성막 시의 기판 온도는 150℃ 이상 500℃ 이하, 바람직하게는 170℃ 이상 450℃ 이하로 한다. 산화물 반도체층(106b)은 기판을 성막실로 반송한 후, 성막 가스를 흘려, 압력을 안정시키기 위해 10초 이상 1000초 이하, 바람직하게는 15초 이상 720초 이하 유지하고 나서 성막한다. 압력을 안정시키기 위해 상술한 시간 유지함으로써, 산화물 반도체층(106b)을 성막할 때의 불순물의 혼입량을 저감할 수 있다.
다음에, 성막실을 이동하여, 산화물 반도체층(106c)을 성막한다. 산화물 반도체층(106c)은 성막 시의 가열 온도가 높을수록, 불순물 농도가 낮아진다. 예를 들면, 성막 시의 기판 온도는 150℃ 이상 500℃ 이하, 바람직하게는 170℃ 이상 450℃ 이하로 한다. 산화물 반도체층(106c)은 기판을 성막실로 반송한 후, 성막 가스를 흘려, 압력을 안정시키기 위해 10초 이상 1000초 이하, 바람직하게는 15초 이상 720초 이하 유지하고 나서 성막한다. 압력을 안정시키기 위해 상술한 시간 유지함으로써, 산화물 반도체층(106c)을 성막할 때의 불순물의 혼입량을 저감할 수 있다.
산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 복수의 기판에 대하여 성막하는 경우, 성막하고 있지 않는 기간에도 희가스 또는 산소 가스 등을 미량 계속하여 흘리는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 성막실의 압력을 높게 유지할 수 있기 때문에, 진공 펌프 등에서 불순물이 역류하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 배관, 기타 부재 등에서 불순물이 방출하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)으로 불순물이 혼입되는 것을 저감할 수 있다. 예를 들면, 아르곤을 1 sccm 이상 500 sccm 이하, 바람직하게는 2 sccm 이상 200 sccm 이하, 더욱 바람직하게는 5 sccm 이상 100 sccm 이하 흘리면 좋다.
다음에, 가열 처리를 행한다. 가열 처리는 불활성 분위기 또는 산화성 분위기에서 행한다. 가열 처리는 감압 상태에서 행하여도 상관없다. 가열 처리에 의해, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 불순물 농도를 저감할 수 있다.
가열 처리는 불활성 분위기에서 가열 처리를 행한 후, 온도를 유지하면서 산화성 분위기로 전환하여 가열 처리를 더 행하면 바람직하다. 이것은 불활성 분위기에서 가열 처리를 행하면, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)의 불순물 농도를 저감할 수 있지만, 동시에 산소 결손도 생기는 일이 있기 때문에, 이때 생긴 산소 결손을 산화성 분위기에서의 가열 처리에 의해 저감할 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)은 수소 농도가 SIMS에서 2×1020 atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1019 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하가 된다.
또한, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)은 각각 탄소 농도가 SIMS에서 5×1019 atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018 atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 2×1018 atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017 atoms/cm3 이하가 된다.
이상과 같이 하여, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)을 성막함으로써, 산화물 반도체층(106b)의 결정성을 높게 할 수 있고, 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b), 산화물 반도체층(106c), 산화물 반도체층(106a)과 산화물 반도체층(106b)과의 계면, 및 산화물 반도체층(106b)과 산화물 반도체층(106c)과의 계면에서의 불순물 농도를 저감할 수 있다.
＜트랜지스터 구조 (2)＞
다음에, 트랜지스터 구조 (1)과는 다른 탑 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터의 일례에 대하여 설명한다.
도 20은 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 20(A)은 트랜지스터의 상면도를 나타낸다. 도 20(A)에서, 일점 쇄선 B1-B2에 대응하는 단면도를 도 20(B)에 나타낸다. 또한, 도 20(A)에서, 일점 쇄선 B3-B4에 대응하는 단면도를 도 20(C)에 나타낸다.
도 20(B)에 나타내는 트랜지스터는 기판(200) 위의 하지 절연막(202)과, 하지 절연막(202) 위의 산화물 반도체층(206a)과, 산화물 반도체층(206a) 위의 산화물 반도체층(206b)과, 산화물 반도체층(206b)과 접하는 소스 전극(216a) 및 드레인 전극(216b)과, 산화물 반도체층(206b) 위, 소스 전극(216a) 위 및 드레인 전극(216b) 위의 산화물 반도체층(206c)과, 산화물 반도체층(206c) 위의 게이트 절연막(212)과, 게이트 절연막(212) 위의 게이트 전극(204)을 가진다. 또한, 바람직하게는 게이트 절연막(212) 및 게이트 전극(204) 위에, 보호 절연막(218)과, 보호 절연막(218) 위의 보호 절연막(208)을 형성한다. 또한, 트랜지스터는 하지 절연막(202)을 갖지 않아도 상관없다.
또한, 도 20(B)에 나타내는 트랜지스터에 있어서, 보호 절연막(208)과 보호 절연막(218)과의 적층 순서를 바꾼 구조여도 상관없다(도 21 참조). 도 21에 나타내는 트랜지스터는 도 20에 나타내는 트랜지스터보다 하지 절연막(202)으로부터 방출되는 과잉 산소의 외방 확산이 일어나기 어려운 경우가 있다. 따라서, 도 20에 나타내는 트랜지스터보다, 산화물 반도체층(206a), 산화물 반도체층(206b) 및 산화물 반도체층(206c)의 산소 결손을 저감할 수 있을(DOS를 저감할 수 있을) 가능성이 있다.
도 20에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(206a)은 예를 들면, 도 1에 나타내는 산화물 반도체층(S1)에 대응한다. 또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(206b)은 예를 들면, 도 1에 나타내는 산화물 반도체층(S2)에 대응한다. 또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터의 산화물 반도체층(206c)은 예를 들면, 도 1에 나타내는 산화물 반도체층(S3)에 대응한다.
또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터의 하지 절연막(202)은, 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당한다. 또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터는, 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 전극(bg)을 가져도 좋다. 도 20에 나타내는 트랜지스터는 예를 들면, 게이트 전극(204)에 대향하고, 하지 절연막(202)의 하면과 접하는 백 게이트 전극을 가져도 좋다. 또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터에서, 기판(200)이 도전성을 가지는 경우, 예를 들면, 기판(200)이 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당해도 좋다. 또한, 도 20에 나타내는 트랜지스터에서, 하지 절연막(202)보다 아래에 배선 등의 도전막을 가지는 경우, 예를 들면, 이 도전막이 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당해도 좋다.
또한, 도 20에는 게이트 전극(204), 게이트 절연막(212) 및 산화물 반도체층(206c)이 대략 동일한 상면 형상(상면도에서 본 형상)을 가지는 예에 대하여 나타낸 바와 같이, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 산화물 반도체층(206c) 또는/및 게이트 절연막(212)이 게이트 전극(204)의 외측까지 형성되어 있어도 상관없다.
또한, 소스 전극(216a) 및 드레인 전극(216b)에 이용하는 도전막의 종류에 따라서는, 산화물 반도체층(206b)의 일부로부터 산소를 빼앗거나, 또는 혼합층을 형성하여, 산화물 반도체층(206b) 내에 n형 영역을 형성하는 경우가 있다.
또한, 산화물 반도체층(206b)은 도 20(A)에 나타낸 바와 같이, 상면도에 있어서 게이트 전극(204)의 외측까지 형성된다. 단, 산화물 반도체층(206b)이 게이트 전극(204)의 내측에 형성되어도 상관없다. 이렇게 함으로써, 게이트 전극(204)측으로부터 광이 입사했을 때에, 산화물 반도체층(206b) 내에서 광에 의해 캐리어가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 게이트 전극(204)은 차광막으로서의 기능을 가진다.
또한, 보호 절연막(218)과 보호 절연막(208)과의 상하 관계를 바꾸어도 상관없다. 예를 들면, 보호 절연막(208) 위에 보호 절연막(218)이 형성되어 있어도 상관없다.
산화물 반도체층(206a), 산화물 반도체층(206b) 및 산화물 반도체층(206c)은 각각 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)에 대한 기재를 참조한다. 또한, 하지 절연막(202)은 하지 절연막(102)의 기재를 참조한다. 또한, 소스 전극(216a) 및 드레인 전극(216b)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)의 기재를 참조한다. 게이트 절연막(212)은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다. 게이트 전극(204)은 게이트 전극(104)의 기재를 참조한다. 보호 절연막(218)은 보호 절연막(118)의 기재를 참조한다. 보호 절연막(208)은 보호 절연막(108)의 기재를 참조한다. 기판(200)은 기판(100)의 기재를 참조한다.
＜트랜지스터 구조 (2)의 제작 방법＞
이하에서는 트랜지스터 구조 (2)의 제작 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 22 및 도 23은 도 20(B)에 대응하는 단면도이다.
먼저, 기판(200)을 준비한다.
다음에, 하지 절연막(202)을 형성한다. 하지 절연막(202)의 형성 방법은 하지 절연막(102)의 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(236a) 및 산화물 반도체층(236b)을 이 순서로 형성한다(도 22(A) 참조). 산화물 반도체층(236a) 및 산화물 반도체층(236b)의 형성 방법은 각각 산화물 반도체층(136a) 및 산화물 반도체층(136b)의 기재를 참조한다.
다음에, 제 1 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 1 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(236a) 및 산화물 반도체층(236b)의 일부를 에칭하고, 섬 형상의 산화물 반도체층(206a) 및 산화물 반도체층(206b)을 형성한다(도 22(B) 참조).
다음에, 도전막(216)을 형성한다(도 22(C) 참조). 도전막(216)의 형성 방법은 도전막(116)의 기재를 참조한다.
다음에, 도전막(216)의 일부를 에칭하여, 소스 전극(216a) 및 드레인 전극(216b)을 형성한다.
다음에, 제 2 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 2 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다. 제 2 가열 처리를 행함으로써, 산화물 반도체층(206b)이 노출된 n형 영역을 i형 영역으로 할 수 있는 경우가 있다(도 22(D) 참조).
다음에, 산화물 반도체층(236c)을 형성한다(도 23(A) 참조). 산화물 반도체층(236c)의 형성 방법은 산화물 반도체층(136c)의 기재를 참조한다.
다음에, 절연막(242)을 형성한다. 절연막(242)의 형성 방법은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다.
절연막(242)은 예를 들면, 플라즈마를 이용한 CVD법에 의해 형성하면 좋다. CVD법에서는 기판 온도를 높게 할수록, 치밀하고 결함 밀도가 낮은 절연막을 얻을 수 있다. 절연막(242)은 가공 후에 게이트 절연막(212)으로서 기능하기 때문에, 치밀하고 결함 밀도가 낮을수록 트랜지스터의 전기 특성은 안정된다. 한편, 하지 절연막(202)이 과잉 산소를 포함할 때, 트랜지스터의 전기 특성은 안정된다. 그런데, 하지 절연막(202)이 노출한 상태로 기판 온도를 높게 하면, 하지 절연막(202)으로부터 산소가 방출되어, 과잉 산소가 저감되는 경우가 있다. 여기에서는 절연막(242)의 형성 시에, 하지 절연막(202)이 산화물 반도체층(236c)으로 덮여 있기 때문에, 하지 절연막(202)으로부터의 산소 방출을 억제할 수 있다. 그 때문에, 하지 절연막(202)에 포함되는 과잉 산소를 저감시키지 않고, 절연막(242)을 치밀하고 결함 밀도가 낮은 절연막으로 할 수 있다. 그 때문에, 트랜지스터의 신뢰성을 높일 수 있다.
다음에, 도전막(234)을 형성한다(도 23(B) 참조). 도전막(234)의 형성 방법은 게이트 전극(104)이 되는 도전막의 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(236c), 절연막(242) 및 도전막(234)의 일부를 에칭하여, 각각 산화물 반도체층(206c), 게이트 절연막(212) 및 게이트 전극(204)으로 한다(도 23(C) 참조).
다음에, 보호 절연막(218)을 형성한다. 보호 절연막(218)의 형성 방법은 보호 절연막(118)의 기재를 참조한다.
다음에, 보호 절연막(208)을 형성한다(도 23(D) 참조). 보호 절연막(208)의 형성 방법은 보호 절연막(108)의 기재를 참조한다.
다음에, 제 3 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 3 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
이상과 같이 하여, 도 20에 나타낸 트랜지스터를 제작할 수 있다.
＜트랜지스터 구조 (3)＞
다음에, 보텀 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터의 일례에 대하여 설명한다.
도 24는 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 24(A)는 트랜지스터의 상면도를 나타낸다. 도 24(A)에서, 일점 쇄선 C1-C2에 대응하는 단면도를 도 24(B)에 나타낸다. 또한, 도 24(A)에서, 일점 쇄선 C3-C4에 대응하는 단면도를 도 24(C)에 나타낸다.
도 24(B)에 나타내는 트랜지스터는 기판(300) 위의 게이트 전극(304)과, 게이트 전극(304) 위의 게이트 절연막(312)과, 게이트 절연막(312) 위의 산화물 반도체층(306a)과, 산화물 반도체층(306a) 위의 산화물 반도체층(306b)과, 산화물 반도체층(306b) 위의 산화물 반도체층(306c)과, 산화물 반도체층(306c)과 접하는 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)을 가진다. 또한, 바람직하게는 산화물 반도체층(306c) 위, 소스 전극(316a) 위 및 드레인 전극(316b) 위의 보호 절연막(318)을 형성한다.
또한, 도 24에 나타내는 트랜지스터의 보호 절연막(318)은 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당한다. 또한, 도 24에 나타내는 트랜지스터는 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 전극(bg)을 가져도 좋다. 도 24에 나타내는 트랜지스터는 예를 들면, 게이트 전극(304)에 대향하고, 보호 절연막(318)의 상면과 접하는 백 게이트 전극을 가져도 좋다. 또한, 도 24에 나타내는 트랜지스터에서, 보호 절연막(318)보다 위에 배선 등의 도전막을 가지는 경우, 예를 들면, 이 도전막이 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당해도 좋다.
또한, 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)에 이용하는 도전막의 종류에 따라서는 산화물 반도체층(306b), 산화물 반도체층(306c)의 일부로부터 산소를 빼앗거나, 또는 혼합층을 형성하여, 산화물 반도체층(306b), 산화물 반도체층(306c) 내에 n형 영역(저저항 영역)을 형성하는 경우가 있다.
또한, 게이트 전극(304)은 도 24(A)에 나타낸 바와 같이, 상면도에서 산화물 반도체층(306b)이 내측에 포함되도록 제공된다. 이렇게 함으로써, 게이트 전극(304)측으로부터 광이 입사했을 때에, 산화물 반도체층(306b) 내에 광에 의해 캐리어가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 게이트 전극(304)은 차광막으로서의 기능을 가진다. 단, 게이트 전극(304)의 외측까지 산화물 반도체층(306b)이 형성되어도 상관없다.
산화물 반도체층(306a), 산화물 반도체층(306b) 및 산화물 반도체층(306c)은 각각 산화물 반도체층(106c), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106a)에 대한 기재를 참조한다. 즉, 보텀 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터에서는 탑 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터와 상하 바뀐 적층 구조가 된다.
보호 절연막(318)은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란탄, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄 및 산화 탄탈을 1종 이상 포함하는 절연막을 단층, 또는 적층으로 이용하면 좋다.
보호 절연막(318)은 예를 들면, 1번째층을 산화 실리콘층으로 하고, 2번째층을 질화 실리콘층으로 한 다층막으로 하면 좋다. 이 경우, 산화 실리콘층은 산화 질화 실리콘층이어도 상관없다. 또한, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 산화 실리콘층은 결함 밀도가 작은 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 구체적으로는, ESR에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 바람직하게는 5×1016 spins/cm3 이하인 산화 실리콘층을 이용한다. 질화 실리콘층은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층을 이용한다. 수소 가스, 암모니아 가스의 방출량은 TDS 분석으로 측정하면 좋다. 또한, 질화 실리콘층은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않는 질화 실리콘층을 이용한다.
또는, 보호 절연막(318)은 예를 들면, 1번째층을 제 1 산화 실리콘층(318a)으로 하고, 2번째층을 제 2 산화 실리콘층(318b)으로 하고, 3번째층을 질화 실리콘층(318c)으로 한 다층막으로 하면 좋다(도 24(D) 참조). 이 경우, 제 1 산화 실리콘층(318a) 또는/및 제 2 산화 실리콘층(318b)은 산화 질화 실리콘층이어도 상관없다. 또한, 질화 실리콘층은 질화 산화 실리콘층이어도 상관없다. 제 1 산화 실리콘층(318a)은 결함 밀도가 작은 산화 실리콘층을 이용하면 바람직하다. 구체적으로는, ESR에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 바람직하게는 5×1016 spins/cm3 이하인 산화 실리콘층을 이용한다. 제 2 산화 실리콘층(318b)은 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층을 이용한다. 질화 실리콘층(318c)은 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층을 이용한다. 또한, 질화 실리콘층(318c)은 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않는 질화 실리콘층을 이용한다.
과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층이란, 가열 처리 등에 의해 산소를 방출할 수 있는 산화 실리콘층을 말한다. 또한, 과잉 산소를 포함하는 절연막은 가열 처리에 의해 산소를 방출하는 기능을 가지는 절연막이다.
과잉 산소를 포함하는 절연막은 산화물 반도체층(306b) 내의 산소 결손을 저감할 수 있다. 산화물 반도체층(306b) 내에 산소 결손은 DOS를 형성하여, 전하 트랩 등이 된다. 따라서, 산화물 반도체층(306b) 내의 산소 결손을 저감함으로써, 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한, 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)의 기재를 참조한다. 게이트 절연막(312)은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다. 게이트 전극(304)은 게이트 전극(104)의 기재를 참조한다. 기판(300)은 기판(100)의 기재를 참조한다.
＜트랜지스터 구조 (3)의 제작 방법＞
이하에서는 트랜지스터 구조 (3)의 제작 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 25는 도 24(B)에 대응하는 단면도이다.
먼저, 기판(300)을 준비한다.
다음에, 게이트 전극(304)이 되는 도전막을 형성한다. 게이트 전극(304)이 되는 도전막의 형성 방법은 게이트 전극(104)이 되는 도전막의 기재를 참조한다.
다음에, 게이트 전극(304)이 되는 도전막의 일부를 에칭하여, 게이트 전극(304)을 형성한다.
다음에, 게이트 절연막(312)을 형성한다. 게이트 절연막(312)의 형성 방법은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다.
게이트 절연막(312)은 예를 들면, 플라즈마를 이용한 CVD법에 의해 형성하면 좋다. CVD법에서는 기판 온도를 높게 할수록, 치밀하고 결함 밀도가 낮은 절연막을 얻을 수 있다. 게이트 절연막(312)이 치밀하고 결함 밀도가 낮을수록 트랜지스터의 전기 특성은 안정이 된다.
다음에, 산화물 반도체층(336a), 산화물 반도체층(336b) 및 산화물 반도체층(336c)을 이 순으로 형성한다(도 25(A) 참조). 산화물 반도체층(336a), 산화물 반도체층(336b) 및 산화물 반도체층(336c)의 형성 방법은 각각 산화물 반도체층(136c), 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136a)의 기재를 참조한다.
다음에, 제 1 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 1 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(336a), 산화물 반도체층(336b) 및 산화물 반도체층(336c)의 일부를 에칭하여, 섬 형상의 산화물 반도체층(306a), 산화물 반도체층(306b) 및 산화물 반도체층(306c)을 형성한다(도 25(B) 참조).
다음에, 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)이 되는 도전막을 형성한다. 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)이 되는 도전막의 형성 방법은 도전막(116)의 기재를 참조한다. 이때, 산화물 반도체층(306c)의 파선으로 나타내는 영역에 n형 영역이 형성되는 경우가 있다. n형 영역은 산화물 반도체층(306c) 위에 도전막을 형성할 때의 대미지나, 도전막의 작용에 의해 산화물 반도체층(306c)에 산소 결손이 생기는 것에 기인하여 형성된다. 예를 들면, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어감으로써, 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 또한, n형 영역은 산화물 반도체층(306c)과 산화물 반도체층(306b)과의 경계 근방까지 형성되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, n형 영역이 산화물 반도체층(306c) 및 산화물 반도체층(306b), 또는 산화물 반도체층(306c)에만 형성되어 있어도 좋다.
다음에, 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)이 되는 도전막의 일부를 에칭하여, 소스 전극(316a) 및 드레인 전극(316b)을 형성한다.
다음에, 제 2 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 2 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다. 제 2 가열 처리를 행함으로써, 산화물 반도체층(306c) 또는/및 산화물 반도체층(306b)이 노출된 n형 영역을 i형 영역으로 할 수 있는 경우가 있다(도 25(C) 참조).
다음에, 보호 절연막(318)을 형성한다(도 25(D) 참조).
여기서, 보호 절연막(318)을 도 24(D)에 나타내는 바와 같은 3층 구조로 하는 경우에 대하여 설명한다. 먼저, 제 1 산화 실리콘층(318a)을 성막한다. 다음에, 제 2 산화 실리콘층(318b)을 성막한다. 다음에, 제 2 산화 실리콘층(318b)에 산소 이온을 첨가하는 처리를 행하여도 좋다. 산소 이온을 첨가하는 처리는 이온 도핑 장치 또는 플라즈마 처리 장치를 이용하면 좋다. 이온 도핑 장치로서 질량 분리 기능을 가지는 이온 도핑 장치를 이용해도 좋다. 산소 이온의 원료로서, 16 O2 혹은 18 O2 등의 산소 가스, 아산화 질소 가스, 또는 오존 가스 등을 이용하면 좋다. 다음에, 질화 실리콘층(318c)을 성막함으로써, 보호 절연막(318)을 형성하면 좋다.
제 1 산화 실리콘층(318a)은 CVD법의 일종인 플라즈마 CVD법에 의해 성막하면 바람직하다. 구체적으로는, 기판 온도를 180℃ 이상 400℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 370℃ 이하로 하고, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스 및 산화성 가스를 이용하여 압력 20 Pa 이상 250 Pa 이하, 바람직하게는 40 Pa 이상 200 Pa 이하로 하여, 전극에 고주파 전력을 공급함으로써 성막하면 좋다. 또한, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스의 대표예로서는, 실란, 디실란, 트리실란, 불화 실란 등이 있다. 산화성 가스로서는, 산소, 오존, 아산화 질소, 이산화질소 등이 있다.
또한, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스에 대한 산화성 가스의 유량을 100배 이상으로 함으로써, 제 1 산화 실리콘층(318a) 내의 수소 함유량을 저감하고, 또한 댕글링 본드를 저감할 수 있다.
이상과 같이 하여, 결함 밀도가 작은 제 1 산화 실리콘층(318a)을 성막한다. 즉, 제 1 산화 실리콘층(318a)은 ESR에서 g값이 2.001의 신호에 유래하는 스핀의 밀도가 3×1017 spins/cm3 이하, 또는, 5×1016 spins/cm3 이하로 할 수 있다.
제 2 산화 실리콘층(318b)은 플라즈마 CVD법에 의해 성막하면 바람직하다. 구체적으로는, 기판 온도를 160℃ 이상 350℃ 이하, 바람직하게는 180℃ 이상 260℃ 이하로 하고, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스 및 산화성 가스를 이용하여 압력 100 Pa 이상 250 Pa 이하, 바람직하게는 100 Pa 이상 200 Pa 이하로 하여, 전극에 0.17 W/cm2 이상 0.5 W/cm2 이하, 바람직하게는 0.25 W/cm2 이상 0.35 W/cm2 이하의 고주파 전력을 공급함으로써 성막하면 좋다.
상술한 방법에 의해, 플라즈마 중에서의 가스의 분해 효율이 높아지고, 산소 라디칼이 증가하여, 가스의 산화가 진행되기 때문에, 과잉 산소를 포함하는 제 2 산화 실리콘층(318b)을 성막할 수 있다.
질화 실리콘층(318c)은 플라즈마 CVD법에 의해 성막하면 바람직하다. 구체적으로는, 기판 온도를 180℃ 이상 400℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 370℃ 이하로 하고, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스, 질소 가스 및 암모니아 가스를 이용하여 압력 20 Pa 이상 250 Pa 이하, 바람직하게는 40 Pa 이상 200 Pa 이하로 하여, 전극에 고주파 전력을 공급함으로써 성막하면 좋다.
또한, 질소 가스는 암모니아 가스의 유량의 5배 이상 50배 이하, 바람직하게는 10배 이상 50배 이하로 한다. 또한, 암모니아 가스를 이용함으로써, 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스 및 질소 가스의 분해를 촉진할 수 있다. 이것은 암모니아 가스가 플라즈마 에너지 및 열에너지에 의해 해리하고, 해리함으로써 생기는 에너지가 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스의 결합, 및 질소 가스의 결합의 분해에 기여하기 때문이다.
따라서, 상술한 방법에 의해, 수소 가스 및 암모니아 가스의 방출량이 적은 질화 실리콘층(318c)을 성막할 수 있다. 또한, 수소의 함유량이 적기 때문에, 치밀하게 되어, 수소, 물 및 산소를 투과하지 않거나, 또는 거의 투과하지 않는 질화 실리콘층(318c)으로 할 수 있다.
이상과 같이 하여 보호 절연막(318)을 형성하면 좋다.
다음에, 제 3 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 3 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
이상과 같이 하여, 도 24에 나타낸 트랜지스터를 제작할 수 있다.
＜트랜지스터 구조 (4)＞
다음에, 트랜지스터 구조 (3)과는 다른 보텀 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터의 일례에 대하여 설명한다.
도 26은 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 26(A)은 트랜지스터의 상면도를 나타낸다. 도 26(A)에서, 일점 쇄선 D1-D2에 대응하는 단면도를 도 26(B)에 나타낸다. 또한, 도 26(A)에서, 일점 쇄선 D3-D4에 대응하는 단면도를 도 26(C)에 나타낸다.
도 26(B)에 나타내는 트랜지스터는 기판(400) 위의 게이트 전극(404)과, 게이트 전극(404) 위의 게이트 절연막(412)과, 게이트 절연막(412) 위의 산화물 반도체층(406a)과, 산화물 반도체층(406a) 위의 산화물 반도체층(406b)과, 산화물 반도체층(406b) 위의 산화물 반도체층(406c)과, 게이트 절연막(412) 위 및 산화물 반도체층(406c) 위의 보호 절연막(418)과, 보호 절연막(418)에 형성된 개구부를 통하여 산화물 반도체층(406c)과 접하는 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)을 가진다.
또한, 도 26에 나타내는 트랜지스터의 보호 절연막(418)은 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 절연막(bg)에 상당한다. 또한, 도 26에 나타내는 트랜지스터는 예를 들면, 도 5(A)에 나타내는 트랜지스터의 게이트 전극(bg)을 가져도 좋다. 도 26에 나타내는 트랜지스터는 예를 들면, 보호 절연막(418) 위, 소스 전극(416a) 위 및 드레인 전극(416b) 위에 백 게이트 절연막을 포함하고, 게이트 전극(404)에 대향하여, 백 게이트 절연막의 상면과 접하는 백 게이트 전극을 가져도 좋다.
또한, 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)에 이용하는 도전막의 종류에 따라서는, 산화물 반도체층(406b), 산화물 반도체층(406c)의 일부로부터 산소를 빼앗거나, 또는 혼합층을 형성하여, 산화물 반도체층(406b), 산화물 반도체층(406c) 내에 n형 영역(저저항 영역)을 형성하는 경우가 있다.
또한, 게이트 전극(404)은 도 26(A)에 나타낸 바와 같이, 상면도에서 산화물 반도체층(406b)이 내측에 포함되도록 형성된다. 이렇게 함으로써, 게이트 전극(404)측으로부터 광이 입사했을 때에, 산화물 반도체층(406b) 내에 광에 의해 캐리어가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 게이트 전극(404)은 차광막으로서의 기능을 가진다. 단, 게이트 전극(404)의 외측까지 산화물 반도체층(406b)이 형성되어도 상관없다.
산화물 반도체층(406a), 산화물 반도체층(406b) 및 산화물 반도체층(406c)은 각각 산화물 반도체층(106c), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106a)에 대한 기재를 참조한다. 즉, 보텀 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터에서는 탑 게이트 탑 콘택트형의 트랜지스터와 상하 바뀐 적층 구조가 된다.
보호 절연막(418)은 보호 절연막(318)의 기재를 참조한다.
보호 절연막(418)은 과잉 산소를 포함하는 절연막을 가지면 바람직하다. 과잉 산소를 포함하는 절연막은 산화물 반도체층(406b) 내의 산소 결손을 저감할 수 있다. 산화물 반도체층(406b) 내에서 산소 결손은 DOS를 형성하고, 전하 트랩 등이 된다. 따라서, 산화물 반도체층(406b) 내의 산소 결손을 저감함으로써, 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한, 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)의 기재를 참조한다. 게이트 절연막(412)은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다. 게이트 전극(404)은 게이트 전극(104)의 기재를 참조한다. 기판(400)은 기판(100)의 기재를 참조한다.
＜트랜지스터 구조 (4)의 제작 방법＞
이하에서는 트랜지스터 구조 (4)의 제작 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 27은 도 26(B)에 대응하는 단면도이다.
먼저, 기판(400)을 준비한다.
다음에, 게이트 전극(404)이 되는 도전막을 형성한다. 게이트 전극(404)이 되는 도전막의 형성 방법은 게이트 전극(104)이 되는 도전막의 기재를 참조한다.
다음에, 게이트 전극(404)이 되는 도전막의 일부를 에칭하여, 게이트 전극(404)을 형성한다.
다음에, 게이트 절연막(412)을 형성한다. 게이트 절연막(412)의 형성 방법은 게이트 절연막(112)의 기재를 참조한다.
게이트 절연막(412)은 예를 들면, 플라즈마를 이용한 CVD법에 의해 형성하면 좋다. CVD법에서는 기판 온도를 높게 할수록, 치밀하고 결함 밀도가 낮은 절연막을 얻을 수 있다. 게이트 절연막(412)이 치밀하고 결함 밀도가 낮을수록 트랜지스터의 전기 특성은 안정이 된다.
다음에, 산화물 반도체층(436a), 산화물 반도체층(436b) 및 산화물 반도체층(436c)을 이 순으로 형성한다(도 27(A) 참조). 산화물 반도체층(436a), 산화물 반도체층(436b) 및 산화물 반도체층(436c)의 형성 방법은 각각 산화물 반도체층(136c), 산화물 반도체층(136b) 및 산화물 반도체층(136a)의 기재를 참조한다.
다음에, 제 1 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 1 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
다음에, 산화물 반도체층(436a), 산화물 반도체층(436b) 및 산화물 반도체층(436c)의 일부를 에칭하여, 섬 형상의 산화물 반도체층(406a), 산화물 반도체층(406b) 및 산화물 반도체층(406c)을 형성한다(도 27(B) 참조).
다음에, 보호 절연막(418)이 되는 절연막을 형성한다. 보호 절연막(418)이 되는 절연막의 형성 방법은 보호 절연막(318)의 기재를 참조한다.
다음에, 제 2 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 2 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
다음에, 보호 절연막(418)이 되는 절연막의 일부를 에칭함으로써 보호 절연막(418)을 형성한다(도 27(C) 참조).
다음에, 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)이 되는 도전막을 형성한다. 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)이 되는 도전막의 형성 방법은 도전막(116)의 기재를 참조한다. 이때, 산화물 반도체층(406c)의 파선으로 나타내는 영역에 n형 영역이 형성되는 경우가 있다. n형 영역은 산화물 반도체층(406c) 위에 도전막을 형성할 때의 대미지나, 도전막의 작용에 의해 산화물 반도체층(406c)에 산소 결손이 생기는 것에 기인하여 형성된다. 예를 들면, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어감으로써, 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 또한, n형 영역은 산화물 반도체층(406c)과 산화물 반도체층(406b)과의 경계 근방까지 형성되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, n형 영역이 산화물 반도체층(406c) 및 산화물 반도체층(406b), 또는 산화물 반도체층(406c)에만 형성되어 있어도 좋다.
다음에, 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)이 되는 도전막의 일부를 에칭하여, 소스 전극(416a) 및 드레인 전극(416b)을 형성한다(도 27(D) 참조).
다음에, 제 3 가열 처리를 행하면 바람직하다. 제 3 가열 처리는 트랜지스터 구조 (1)의 제작 방법의 기재를 참조한다.
이상과 같이 하여, 도 26에 나타낸 트랜지스터를 제작할 수 있다.
＜응용 제품에 대하여＞
이하에서는 상술한 트랜지스터를 이용한 응용 제품에 대하여 설명한다.
＜마이크로 컴퓨터＞
상술한 트랜지스터는 다양한 전자기기에 탑재되는 마이크로 컴퓨터에 적용할 수 있다.
이하에서는 마이크로 컴퓨터를 탑재한 전자기기의 예로서 화재 경보기의 구성 및 동작에 대하여, 도 34 및 도 35를 이용하여 설명한다.
또한, 본 명세서에서, 화재 경보기란, 화재의 발생을 급보하는 장치 전반을 나타내는 것이고, 예를 들면, 주택용 화재 경보기나, 자동 화재 알림 설비나, 이 자동 화재 알림 설비에 이용되는 화재 감지기 등도 화재 경보기에 포함하는 것으로 한다.
도 34에 나타내는 경보 장치는 적어도 마이크로 컴퓨터(500)를 가진다. 여기서, 마이크로 컴퓨터(500)는 경보 장치의 내부에 제공되어 있다. 마이크로 컴퓨터(500)는 고전위 전원선 VDD와 전기적으로 접속된 파워 게이트 콘트롤러(503)와, 고전위 전원선 VDD 및 파워 게이트 콘트롤러(503)와 전기적으로 접속된 파워 게이트(504)와, 파워 게이트(504)와 전기적으로 접속된 CPU(Central Processing Unit)(505)와, 파워 게이트(504) 및 CPU(505)와 전기적으로 접속된 검출부(509)가 제공된다. 또한, CPU(505)에는 휘발성 기억부(506)와 불휘발성 기억부(507)가 포함된다.
또한, CPU(505)는 인터페이스(508)를 통하여 버스 라인(502)과 전기적으로 접속되어 있다. 인터페이스(508)도 CPU(505)와 마찬가지로 파워 게이트(504)와 전기적으로 접속되어 있다. 인터페이스(508)의 버스 규격으로서는, 예를 들면, I2C 버스 등을 이용할 수 있다. 또한, 경보 장치에는 인터페이스(508)를 통하여 파워 게이트(504)와 전기적으로 접속되는 발광 소자 (530)가 제공된다.
발광 소자 (530)는 지향성이 강한 광을 방출하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 유기 EL 소자, 무기 EL 소자, LED 등을 이용할 수 있다.
파워 게이트 콘트롤러(503)는 타이머를 가지고, 이 타이머에 따라 파워 게이트(504)를 제어한다. 파워 게이트(504)는 파워 게이트 콘트롤러(503)의 제어에 따라, CPU(505), 검출부(509) 및 인터페이스(508)에 고전위 전원선 VDD로부터 공급되는 전원을 공급 또는 차단한다. 여기서, 파워 게이트(504)로서는, 예를 들면, 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 이용할 수 있다.
이러한 파워 게이트 콘트롤러(503) 및 파워 게이트(504)를 이용함으로써, 광량을 측정하는 기간에 검출부(509), CPU(505) 및 인터페이스(508)로의 전원 공급을 행하고, 측정 기간의 인터벌 동안에는 검출부(509), CPU(505) 및 인터페이스(508)로의 전원 공급을 차단할 수 있다. 이와 같이 경보 장치를 동작시킴으로써, 상기의 각 구성에 상시 전원 공급을 행하는 경우보다 소비 전력의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 파워 게이트(504)로서 트랜지스터를 이용하는 경우, 불휘발성 기억부(507)에 이용되는, 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터, 예를 들면 상술한 산화물 반도체층을 포함하는 다층막을 이용한 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 트랜지스터를 이용함으로써, 파워 게이트(504)로 전원을 차단할 때에 누설 전류를 저감하여, 소비 전력의 저감을 도모할 수 있다.
경보 장치에 직류 전원(501)을 제공하여 직류 전원(501)으로부터 고전위 전원선 VDD에 전원을 공급해도 좋다. 직류 전원(501)의 고전위측의 전극은 고전위 전원선 VDD와 전기적으로 접속되고, 직류 전원(501)의 저전위측의 전극은 저전위 전원선 VSS와 전기적으로 접속된다. 저전위 전원선 VSS는 마이크로 컴퓨터(500)에 전기적으로 접속된다. 여기서, 고전위 전원선 VDD는 고전위 H가 인가되어 있다. 또한, 저전위 전원선 VSS는 예를 들면 접지 전위(GND) 등의 저전위 L이 인가되어 있다.
직류 전원(501)으로서 전지를 이용하는 경우는, 예를 들면, 고전위 전원선 VDD와 전기적으로 접속된 전극과, 저전위 전원선 VSS에 전기적으로 접속된 전극과, 이 전지를 유지할 수 있는 하우징을 가지는 전지 케이스를 하우징에 제공하는 구성으로 하면 좋다. 또한, 경보 장치는 반드시 직류 전원(501)을 제공하지 않아도 좋고, 예를 들면, 이 경보 장치의 외부에 제공된 교류 전원으로부터 배선을 통하여 전원을 공급하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 상기 전지로서, 2차 전지, 예를 들면, 리튬 이온 2차 전지(리튬 이온 축전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 배터리라고도 부름)를 이용할 수도 있다. 또한, 이 2차 전지를 충전할 수 있도록 태양 전지를 형성하는 것이 바람직하다.
검출부(509)는 이상 상황(abnormal situation)에 관한 물리량을 계측하여 계측값을 CPU(505)에 송신한다. 이상 상황에 관한 물리량은 경보 장치의 용도에 따라 다르고, 화재 경보기로서 기능하는 경보 장치에서는 화재에 관한 물리량을 계측한다. 따라서, 검출부(509)에는 화재에 관한 물리량으로서 광량을 계측하여, 연기의 존재를 감지한다.
검출부(509)는 파워 게이트(504)와 전기적으로 접속된 광 센서(511)와, 파워 게이트(504)와 전기적으로 접속된 앰프(512)와, 파워 게이트(504) 및 CPU(505)와 전기적으로 접속된 AD 컨버터(513)를 가진다. 발광 소자 (530), 광 센서(511), 앰프(512) 및 AD 컨버터(513)는 파워 게이트(504)가 검출부(509)에 전원을 공급했을 때에 동작한다.
도 35(A)에 경보 장치의 단면의 일부를 나타낸다. 또한, 도 35(A)에는 채널 길이 방향의 A-B 단면, 및 채널 길이 방향과 직교하는 C-D 단면을 나타낸다. p형의 반도체 기판(451)에 소자 분리 영역(453)을 가지고, 게이트 절연막(457) 및 게이트 전극(459), n형의 불순물 영역(461a), n형의 불순물 영역(461b), 절연막(465) 및 절연막(467)을 가지는 트랜지스터(519)가 형성되어 있다. 트랜지스터(519)는 단결정 실리콘 등의 반도체를 이용하여 형성되어 있어, 고속 동작이 가능하다. 따라서, 고속의 액세스가 가능한 CPU의 휘발성 기억부를 형성할 수 있다.
또한, 절연막(465) 및 절연막(467)의 일부를 선택적으로 에칭한 개구부에 콘택트 플러그(469a) 및 콘택트 플러그(469b)를 형성하고, 절연막(467) 및 콘택트 플러그(469a) 및 콘택트 플러그(469b) 위에 홈부를 가지는 절연막(471)을 형성하고 있다. 또한, 절연막(471)의 홈부에 배선(473a) 및 배선(473b)를 형성한다. 또한, 절연막(471), 배선(473a) 및 배선(473b) 위에 스퍼터링법, CVD법 등에 의해 절연막(470)을 형성하고, 이 절연막(470) 위에, 홈부를 가지는 절연막(472)을 형성한다. 절연막(472)의 홈부에 전극(474)를 형성한다. 전극(474)는 트랜지스터(517)의 백 게이트 전극으로서 기능하는 전극이다. 이러한 전극(474)를 형성함으로써, 트랜지스터(517)의 문턱 전압의 제어를 행할 수 있다.
또한, 절연막(472) 및 전극(474) 위에, 스퍼터링법, CVD법 등에 의해, 절연막(475)을 형성하고 있다.
절연막(475) 위에는 트랜지스터(517)와 광전 변환 소자(514)가 제공된다. 트랜지스터(517)는 산화물 반도체층(106a), 산화물 반도체층(106b) 및 산화물 반도체층(106c)과, 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)과, 게이트 절연막(112)과, 게이트 전극(104)과 ,보호 절연막(108)과, 보호 절연막(118)을 포함한다. 또한, 광전 변환 소자(514)와 트랜지스터(517)를 덮는 절연막(445)이 형성되고, 절연막(445) 위에 드레인 전극(116b)에 접하여 배선(449)을 가진다. 배선(449)은 트랜지스터(517)의 드레인 전극(116b)과 트랜지스터(519)의 게이트 전극(459)을 전기적으로 접속한다.
도 35(B)는 검출부의 회로도이다. 검출부는 광 센서(511)와, 앰프(512)와, AD 컨버터(513)를 가진다. 광 센서(511)는 광전 변환 소자(514)와, 용량 소자(515)와, 트랜지스터(516)와, 트랜지스터(517)와, 트랜지스터(518)와, 트랜지스터(519)를 포함한다. 여기서 광전 변환 소자(514)로서는, 예를 들면, 포토 다이오드 등을 이용할 수 있다.
광전 변환 소자(514)의 단자의 한쪽은 저전위 전원선 VSS와 전기적으로 접속되고, 단자의 다른 한쪽은 트랜지스터(517)의 소스 전극 및 드레인 전극의 한쪽에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(517)의 게이트 전극은 전하 축적 제어 신호 Tx가 부여되고, 소스 전극 및 드레인 전극의 다른 한쪽은 용량 소자(515)의 한쌍의 전극의 한쪽과, 트랜지스터(516)의 소스 전극 및 드레인 전극의 한쪽과, 트랜지스터(519)의 게이트 전극과 전기적으로 접속된다(이하, 이 노드를 노드 FD라고 부르는 경우가 있음). 용량 소자(515)의 한쌍의 전극의 다른 한쪽은 저전위 전원선 VSS와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(516)의 게이트 전극은 리셋 신호 Res가 부여되고, 소스 전극 및 드레인 전극의 다른 한쪽은 고전위 전원선 VDD와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(519)의 소스 전극 및 드레인 전극의 한쪽은 트랜지스터(518)의 소스 전극 및 드레인 전극의 한쪽과, 앰프(512)와 전기적으로 접속된다. 또한, 트랜지스터(519)의 소스 전극 및 드레인 전극의 다른 한쪽은 고전위 전원선 VDD와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(518)의 게이트 전극은 바이어스 신호 Bias가 부여되고, 소스 전극 및 드레인 전극의 다른 한쪽은 저전위 전원선 VSS와 전기적으로 접속된다.
또한, 용량 소자(515)는 반드시 제공하지 않아도 좋고, 예를 들면, 트랜지스터(519) 등의 기생 용량이 충분히 큰 경우, 용량 소자를 제공하지 않는 구성으로 해도 좋다.
또한, 트랜지스터(516) 및 트랜지스터(517)에 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터로서는, 상술한 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 노드 FD의 전위를 장시간 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 도 35(A)에 나타내는 구성은 트랜지스터(517)와 전기적으로 접속하고, 절연막(475) 위에 광전 변환 소자(514)가 제공되어 있다.
광전 변환 소자(514)는 절연막(475) 위에 제공된 반도체막(460)과, 반도체막(460) 위에 접하여 제공된 소스 전극(116a), 전극(466c)을 가진다. 소스 전극(116a)은 트랜지스터(517)의 소스 전극 또는 드레인 전극으로서 기능하는 전극이며, 광전 변환 소자(514)와 트랜지스터(517)를 전기적으로 접속하고 있다.
반도체막(460), 소스 전극(116a) 및 전극(466c) 위에는 게이트 절연막(112), 보호 절연막(108), 보호 절연막(118) 및 절연막(445)이 제공되어 있다. 또한, 절연막(445) 위에 배선(456)이 제공되어 있고, 게이트 절연막(112), 보호 절연막(108), 보호 절연막(118) 및 절연막(445)에 제공된 개구를 통하여 전극(466c)과 접한다.
전극(466c)은 소스 전극(116a) 및 드레인 전극(116b)과, 배선(456)은 배선(449)과 같은 공정으로 형성할 수 있다.
반도체막(460)으로서는, 광전 변환을 행할 수 있는 반도체막을 형성하면 좋고, 예를 들면, 실리콘이나 게르마늄 등을 이용할 수 있다. 반도체막(460)에 실리콘을 이용한 경우는 가시광을 검지하는 광 센서로서 기능한다. 또한, 실리콘과 게르마늄에서는 흡수할 수 있는 전자파의 파장이 다르기 때문에, 반도체막(460)에 게르마늄을 이용하는 구성으로 하면, 적외선을 검지하는 센서로서 이용할 수 있다.
이상과 같이, 마이크로 컴퓨터(500)에, 광 센서(511)를 포함하는 검출부(509)를 내장하여 형성할 수 있으므로, 부품수를 삭감하여, 경보 장치의 하우징을 축소할 수 있다.
상술한 IC칩을 포함하는 화재 경보기에는 상술한 트랜지스터를 이용한 복수의 회로를 조합하여, 그것들을 하나의 IC칩에 탑재한 CPU(505)가 이용된다.
＜CPU＞
도 36은 상술한 트랜지스터를 적어도 일부에 이용한 CPU의 구체적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 36(A)에 나타내는 CPU는 기판(1190) 위에, ALU(1191)(ALU：Arithmetic logic unit, 논리 연산 회로), ALU 콘트롤러(1192), 인스트럭션 디코더(1193), 인터럽트 콘트롤러(1194), 타이밍 콘트롤러(1195), 레지스터(1196), 레지스터 콘트롤러(1197), 버스 인터페이스(1198), 다시 쓰기 가능한 ROM(1199), 및 ROM 인터페이스(1189)를 가지고 있다. 기판(1190)은 반도체 기판, SOI 기판, 유리 기판 등을 이용한다. ROM(1199) 및 ROM 인터페이스(1189)는 별도 칩에 제공해도 좋다. 물론, 도 36(A)에 나타내는 CPU는 그 구성을 간략화하여 나타낸 일례에 지나지 않고, 실제의 CPU는 그 용도에 따라 다종 다양한 구성을 가지고 있다.
버스 인터페이스(1198)를 통하여 CPU에 입력된 명령은 인스트럭션 디코더(1193)에 입력되어 디코드된 후, ALU 콘트롤러(1192), 인터럽트 콘트롤러(1194), 레지스터 콘트롤러(1197), 타이밍 콘트롤러(1195)에 입력된다.
ALU 콘트롤러(1192), 인터럽트 콘트롤러(1194), 레지스터 콘트롤러(1197), 타이밍 콘트롤러(1195)는 디코드된 명령에 기초하여, 각종 제어를 행한다. 구체적으로 ALU 콘트롤러(1192)는 ALU(1191)의 동작을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 또한, 인터럽트 콘트롤러(1194)는 CPU의 프로그램 실행 중에, 외부의 입출력 장치나, 주변 회로로부터의 인터럽트 요구를, 그 우선도나 마스크 상태로부터 판단하여 처리한다. 레지스터 콘트롤러(1197)는 레지스터(1196)의 어드레스를 생성하여, CPU 상태에 따라 레지스터(1196)의 판독이나 기입을 행한다.
또한, 타이밍 콘트롤러(1195)는 ALU(1191), ALU 콘트롤러(1192), 인스트럭션 디코더(1193), 인터럽트 콘트롤러(1194), 및 레지스터 콘트롤러(1197)의 동작의 타이밍을 제어하는 신호를 생성한다. 예를 들면 타이밍 콘트롤러(1195)는 기준 클록 신호 CLK1를 기초로, 내부 클록 신호 CLK2를 생성하는 내부 클록 생성부를 구비하고 있고, 내부 클록 신호 CLK2를 상기 각종 회로에 공급한다.
도 36(A)에 나타내는 CPU에서는 레지스터(1196)에, 메모리 셀이 설치되어 있다. 레지스터(1196)의 메모리 셀로서 상술한 트랜지스터를 이용할 수 있다.
도 36(A)에 나타내는 CPU에 있어서, 레지스터 콘트롤러(1197)는 ALU(1191)로부터의 지시에 따라, 레지스터(1196)에서의 유지 동작의 선택을 행한다. 즉, 레지스터(1196)가 가지는 메모리 셀에서, 플립 플롭에 의한 데이터의 유지를 행할지, 용량 소자에 의한 데이터의 유지를 행할지를 선택한다. 플립 플롭에 의한 데이터의 유지가 선택되어 있는 경우, 레지스터(1196) 내의 메모리 셀에 대한 전원 전압의 공급을 한다. 용량 소자에서의 데이터의 유지가 선택되어 있는 경우, 용량 소자에 대한 데이터를 다시 쓰기가 행해지고, 레지스터(1196) 내의 메모리 셀에 대한 전원 전압의 공급을 정지할 수 있다.
전원 정지에 관해서는, 도 36(B) 또는 도 36(C)에 나타낸 바와 같이, 메모리 셀군과, 전원 전위 VDD 또는 전원 전위 VSS가 인가되고 있는 노드 사이에, 스위칭 소자를 형성하는 것에 의해 행할 수 있다. 이하에 도 36(B) 및 도 36(C)의 회로의 설명을 행한다.
도 36(B) 및 도 36(C)은 메모리 셀에 대한 전원 전위의 공급을 제어하는 스위칭 소자에, 상술한 트랜지스터를 이용한 기억 장치이다.
도 36(B)에 나타내는 기억 장치는 스위칭 소자(1141)와 메모리 셀(1142)을 복수 가지는 메모리 셀군(1143)을 가지고 있다. 구체적으로, 각 메모리 셀(1142)에는 상술한 트랜지스터를 이용할 수 있다. 메모리 셀군(1143)이 가지는 각 메모리 셀(1142)에는 스위칭 소자(1141)를 통하여, 하이 레벨의 전원 전위 VDD가 공급되고 있다. 또한, 메모리 셀군(1143)이 가지는 각 메모리 셀(1142)에는 신호 IN의 전위와 로 레벨의 전원 전위 VSS의 전위가 공급되고 있다.
도 36(B)에서는 스위칭 소자(1141)로서 상술한 트랜지스터를 이용하고 있고, 이 트랜지스터는 그 게이트 전극층에 부여되는 신호 SigA에 의해 스위칭이 제어된다.
또한, 도 36(B)에서는 스위칭 소자(1141)가 트랜지스터를 1개만 가지는 구성을 나타내고 있지만, 특별히 한정되지 않고, 트랜지스터를 복수 가지고 있어도 좋다. 스위칭 소자(1141)가 스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터를 복수 가지고 있는 경우, 상기 복수의 트랜지스터는 병렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬과 병렬이 조합되어 접속되어 있어도 좋다.
또한, 도 36(B)에서는 스위칭 소자(1141)에 의해, 메모리 셀군(1143)이 가지는 각 메모리 셀(1142)에 대한 하이 레벨의 전원 전위 VDD의 공급이 제어되고 있지만, 스위칭 소자(1141)에 의해, 로 레벨의 전원 전위 VSS의 공급이 제어되어도 좋다.
또한, 도 36(C)에는 메모리 셀군(1143)이 가지는 각 메모리 셀(1142)에 스위칭 소자(1141)를 통하여, 로 레벨의 전원 전위 VSS가 공급되고 있는 기억 장치의 일례를 나타낸다. 스위칭 소자(1141)에 의해, 메모리 셀군(1143)이 가지는 각 메모리 셀(1142)에 대한 로 레벨의 전원 전위 VSS의 공급을 제어할 수 있다.
메모리 셀군과, 전원 전위 VDD 또는 전원 전위 VSS가 인가되고 있는 노드 사이에, 스위칭 소자를 제공하여, 일시적으로 CPU의 동작을 정지하고, 전원 전압의 공급을 정지한 경우에도 데이터를 유지하는 것이 가능하고, 소비 전력의 저감을 행할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터의 사용자가 키보드 등의 입력 장치에 대한 정보의 입력을 정지하고 있는 동안에도, CPU의 동작을 정지할 수 있고, 그것에 의해 소비 전력을 저감할 수 있다.
여기에서는 CPU를 예로 들어 설명했지만, DSP(Digital Signal Processor), 커스텀 LSI, FPGA(Field ProgrammableGate Array) 등의 LSI에도 응용 가능하다.
＜표시 장치＞
본 항에서는 상술한 트랜지스터를 적용한 표시 장치에 대하여 설명한다.
표시 장치에 제공되는 표시 소자로서는, 액정 소자(액정 표시 소자라고도 함), 발광 소자(발광 표시 소자라고도 함) 등을 이용할 수 있다. 발광 소자는 전류 또는 전압에 의해 휘도가 제어되는 소자를 그 범주에 포함하고 있고, 구체적으로는, 무기 EL(Electro Luminescence), 유기 EL 등을 포함한다. 또한, 전자 잉크, 전기 영동 소자 등, 전기적 작용에 의해 콘트라스트가 변화하는 표시 매체도 표시 소자로서 적용할 수 있다. 이하에서는 표시 장치의 일례로서, EL 소자를 이용한 표시 장치 및 액정 소자를 이용한 표시 장치에 대하여 설명한다.
또한, 이하에 나타내는 표시 장치는 표시 소자가 밀봉된 상태에 있는 패널과, 이 패널에 콘트롤러를 포함하는 IC 등을 실장한 상태에 있는 모듈을 포함한다.
또한, 이하에 나타내는 표시 장치는 화상 표시 디바이스 혹은 광원(조명 장치 포함함)을 가리킨다. 또한, 커넥터, 예를 들면 FPC, TCP가 장착된 모듈, TCP의 끝에 프린트 배선판이 설치된 모듈 또는 표시 소자에 COG 방식에 의해 IC(집적 회로)가 직접 실장된 모듈도 모두 표시 장치에 포함하는 것으로 한다.
＜EL 표시 장치＞
우선은 EL 소자를 이용한 표시 장치(EL 표시 장치라고도 함)에 대하여 설명한다.
도 37(A)은 EL 표시 장치의 화소의 회로도의 일례이다.
또한, 본 명세서 등에서는 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 모든 단자에 대하여, 그 접속처를 특정하지 않아도, 당업자라면 발명의 일 양태를 구성하는 것은 가능한 경우가 있다. 즉, 접속처를 특정하지 않아도, 발명의 일 양태가 명확하다고 할 수 있다. 그리고, 접속처가 특정된 내용이 본 명세서 등에 기재되어 있는 경우, 접속처를 특정하지 않는 발명의 일 양태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단하는 것이 가능한 경우가 있다. 특히, 단자의 접속처로 복수의 케이스를 생각할 수 있는 경우에는 그 단자의 접속처를 특정의 개소로 한정할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 일부의 단자에 대해서만, 그 접속처를 특정하는 것에 의해, 발명의 일 양태를 구성하는 것이 가능한 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 어느 회로에 대하여, 적어도 접속처를 특정하면, 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 또는, 어느 회로에 대하여, 적어도 기능을 특정하면, 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 즉, 기능을 특정하면, 발명의 일 양태가 명확하다고 할 수 있다. 그리고, 기능이 특정된 발명의 일 양태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 어느 회로에 대하여, 기능을 특정하지 않아도, 접속처를 특정하면, 발명의 일 양태로서 개시되어 있는 것이고, 발명의 일 양태를 구성하는 것이 가능하다. 또는, 어느 회로에 대하여, 접속처를 특정하지 않아도, 기능을 특정하면, 발명의 일 양태로서 개시되어 있는 것이고, 발명의 일 양태를 구성하는 것이 가능하다.
도 37(A)에 나타내는 EL 표시 장치는 스위치 소자(743)와, 트랜지스터(741)와, 커패시터(742)와, 발광 소자(719)를 가진다.
또한, 도 37(A) 등은 회로 구성의 일례이기 때문에, 트랜지스터를 더 추가하여 형성하는 것이 가능하다. 반대로, 도 37(A)의 각 노드에서, 추가로 트랜지스터, 스위치, 수동 소자 등을 제공하지 않게 하는 것도 가능하다. 예를 들면, node A, node B, node C, node D, node E, node F, 또는/및, node G에서, 직접적으로 접속된 트랜지스터를 더 이상은 제공하지 않게 하는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들면, node C에서, 직접적으로 접속되어 있는 트랜지스터는 트랜지스터(741)뿐이고, 다른 트랜지스터는 node C와 직접적으로 접속되어 있지 않은 구성으로 하는 것이 가능하다.
트랜지스터(741)의 게이트는 스위치 소자(743)의 일단(一端) 및 커패시터(742)의 일단과 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(741)의 소스는 커패시터(742) 타단(他端) 및 발광 소자(719)의 일단과 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(741)의 드레인은 전원 전위 VDD가 인가된다. 스위치 소자(743)의 타단은 신호선(744)과 전기적으로 접속된다. 발광 소자(719) 타단은 정전위(定電位)가 인가된다. 또한, 정전위는 접지 전위 GND 또는 그것보다 작은 전위로 한다.
또한, 트랜지스터(741)는 상술한 산화물 반도체층을 포함하는 다층막을 이용한 트랜지스터를 이용한다. 이 트랜지스터는 안정된 전기 특성을 가진다. 따라서, 표시 품질이 높은 EL 표시 장치로 할 수 있다.
스위치 소자(743)로서는 트랜지스터를 이용하면 바람직하다. 트랜지스터를 이용함으로써, 화소의 면적을 작게 할 수 있고, 해상도가 높은 EL 표시 장치로 할 수 있다. 또한, 스위치 소자(743)로서 상술한 산화물 반도체층을 포함하는 다층막을 이용한 트랜지스터를 이용해도 좋다. 스위치 소자(743)로서 이 트랜지스터를 이용함으로써, 트랜지스터(741)와 동일 공정에 의해 스위치 소자(743)를 제작할 수 있고, EL 표시 장치의 생산성을 높일 수 있다.
도 37(B)은 EL 표시 장치의 상면도이다. EL 표시 장치는 기판(300)과, 기판(700)과, 실재(734)와, 구동 회로(735)와, 구동 회로(736)와, 화소(737)와, FPC(732)를 가진다. 실재(734)는 화소(737), 구동 회로(735) 및 구동 회로(736)를 둘러싸도록 기판(300)과 기판(700) 사이에 제공된다. 또한, 구동 회로(735) 또는/및 구동 회로(736)를 실재(734)의 외측에 제공해도 상관없다.
도 37(C)은 도 37(B)의 일점 쇄선 M-N에 대응하는 EL 표시 장치의 단면도이다. FPC(732)는 단자(731)를 통하여 배선(733a)과 접속된다. 또한, 배선(733a)은 게이트 전극(304)과 동일층이다.
또한, 도 37(C)은 트랜지스터(741)와 커패시터(742)가 동일 평면에 제공된 예를 나타낸다. 이러한 구조로 함으로써, 커패시터(742)를 트랜지스터(741)의 게이트 전극, 게이트 절연막 및 소스 전극(드레인 전극)과 동일 평면에 제작할 수 있다. 이와 같이, 트랜지스터(741)와 커패시터(742)를 동일 평면에 형성함으로써, EL 표시 장치의 제작 공정을 단축화하여, 생산성을 높일 수 있다.
도 37(C)에서는 트랜지스터(741)로서 도 24에 나타낸 트랜지스터와 같은 구조의 트랜지스터를 적용한 예를 나타낸다.
도 24에 나타낸 트랜지스터는 문턱 전압의 변화가 작은 트랜지스터이다. 따라서, 약간의 문턱 전압의 변화에 의해서도 계조 차이가 생기는 경우가 있는 EL 표시 장치에 적합한 트랜지스터이다.
트랜지스터(741) 및 커패시터(742) 위에는 절연막(720)이 제공된다. 여기서, 절연막(720) 및 보호 절연막(318)에는 트랜지스터(741)의 소스 전극(316a)에 달하는 개구부가 제공된다.
절연막(720) 위에는 전극(781)이 제공된다. 전극(781)은 절연막(720) 및 보호 절연막(318)에 제공된 개구부를 통하여 트랜지스터(741)의 소스 전극(316a)과 접한다.
전극(781) 위에는 전극(781)에 달하는 개구부를 가지는 격벽(784)이 제공된다. 격벽(784) 위에는 격벽(784)에 제공된 개구부에서 전극(781)과 접하는 발광층(782)이 제공된다. 발광층(782) 위에는 전극(783)이 제공된다. 전극(781), 발광층(782) 및 전극(783)이 중첩되는 영역이 발광 소자(719)가 된다.
＜액정 표시 장치＞
다음에, 액정 소자를 이용한 표시 장치(액정 표시 장치라고도 함)에 대하여 설명한다.
도 38(A)은 액정 표시 장치의 화소의 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 38(A)에 나타내는 화소(750)는 트랜지스터(751)와, 커패시터(752)와, 한쌍의 전극 사이에 액정의 충전된 소자(이하 액정 소자라고도 함)(753)를 가진다.
트랜지스터(751)에서는 소스 및 드레인의 한쪽이 신호선(755)에 전기적으로 접속되고, 게이트가 주사선(754)에 전기적으로 접속되어 있다.
커패시터(752)에서는 한쪽의 전극이 트랜지스터(751)의 소스 및 드레인의 다른 한쪽에 전기적으로 접속되고, 다른 한쪽의 전극이 공통 전위를 공급하는 배선에 전기적으로 접속되어 있다.
액정 소자(753)에서는 한쪽의 전극이 트랜지스터(751)의 소스 및 드레인의 다른 한쪽에 전기적으로 접속되고, 다른 한쪽의 전극이 공통 전위를 공급하는 배선에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 상술한 커패시터(752)의 다른 한쪽의 전극이 전기적으로 접속하는 배선에 인가되는 공통 전위와, 액정 소자(753)의 다른 한쪽의 전극이 전기적으로 접속하는 배선에 인가되는 공통 전위가 다른 전위여도 좋다.
또한, 액정 표시 장치도 상면도는 EL 표시 장치와 대략 마찬가지이다. 도 37(B)의 일점 쇄선 M-N에 대응하는 액정 표시 장치의 단면도를 도 38(B)에 나타낸다. 도 38(B)에서, FPC(732)는 단자(731)를 통하여 배선(733a)과 접속된다. 또한, 배선(733a)은 게이트 전극(304)과 동일층이다.
도 38(B)에는 트랜지스터(751)와 커패시터(752)가 동일 평면에 제공된 예를 나타낸다. 이러한 구조로 함으로써, 커패시터(752)를 트랜지스터(751)의 게이트 전극, 게이트 절연막 및 소스 전극(드레인 전극)과 동일 평면에 제작할 수 있다. 이와 같이, 트랜지스터(751)와 커패시터(752)를 동일 평면에 형성함으로써, 액정 표시 장치의 제작 공정을 단축화하여, 생산성을 높일 수 있다.
트랜지스터(751)로서는, 상술한 트랜지스터를 적용할 수 있다. 도 38(B)에 있어서는 도 24에 나타낸 트랜지스터와 같은 구조의 트랜지스터를 적용한 예를 나타낸다.
또한, 트랜지스터(751)는 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터로 할 수 있다. 따라서, 커패시터(752)에 유지된 전하가 누설되기 어렵고, 장기간에 걸쳐 액정 소자(753)에 인가되는 전압을 유지할 수 있다. 그 때문에, 움직임이 적은 동영상이나 정지 화면의 표시 시에, 트랜지스터(751)를 오프 상태로 함으로써, 트랜지스터(751)의 동작을 위한 전력이 불필요하게 되어, 소비 전력이 작은 액정 표시 장치로 할 수 있다.
트랜지스터(751) 및 커패시터(752) 위에는 절연막(721)이 형성된다. 여기서, 절연막(721) 및 보호 절연막(318)에는 트랜지스터(751)의 드레인 전극(316b)에 이르는 개구부가 형성된다.
절연막(721) 위에는 전극(791)이 제공된다. 전극(791)은 절연막(721) 및 보호 절연막(318)에 제공된 개구부를 통하여 트랜지스터(751)의 드레인 전극(316b)과 접한다.
전극(791) 위에는 배향막으로서 기능하는 절연막(792)이 제공된다. 절연막(792) 위에는 액정층(793)이 제공된다. 액정층(793) 위에는 배향막으로서 기능하는 절연막(794)이 제공된다. 절연막(794) 위에는 스페이서(795)가 제공된다. 스페이서(795) 및 절연막(794) 위에는 전극(796)이 제공된다. 전극(796) 위에는 기판(797)이 제공된다.
＜설치예＞
도 39(A)에서, 텔레비전 장치(8000)는 하우징(8001)에 표시부(8002)가 내장되어 있어, 표시부(8002)에 의해 영상을 표시하고, 스피커부(8003)로부터 음성을 출력하는 것이 가능하다. 상술한 표시 장치를 표시부(8002)에 이용하는 것이 가능하다.
텔레비전 장치(8000)는 수신기나 모뎀 등을 구비하고 있어도 좋다. 텔레비전 장치(8000)는 수신기에 의해 일반의 텔레비전 방송의 수신을 행할 수 있고, 또한 모뎀을 통하여, 유선 또는 무선에 의한 통신 네트워크에 접속함으로써, 한방향(송신자로부터 수신자) 또는 쌍방향(송신자와 수신자 간, 혹은 수신자들 간 등)의 정보통신을 행하는 것도 가능하다.
또한, 텔레비전 장치(8000)는 정보통신을 행하기 위한 CPU나, 메모리를 구비하고 있어도 좋다. 텔레비전 장치(8000)는 상술한 메모리나 CPU를 이용하는 것이 가능하다.
도 39(A)에서, 경보 장치(8100)는 주택용 화재 경보기이며, 검출부와 마이크로 컴퓨터(8101)를 가지고 있다. 마이크로 컴퓨터(8101)에는 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU가 포함된다.
도 39(A)에서, 실내기(8200) 및 실외기(8204)를 가지는 에어컨디셔너에는 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU가 포함된다. 구체적으로, 실내기(8200)는 하우징(8201), 송풍구(8202), CPU(8203) 등을 가진다. 도 39(A)에서, CPU(8203)가 실내기(8200)에 설치되어 있는 경우를 예시하고 있지만, CPU(8203)는 실외기(8204)에 설치되어 있어도 좋다. 또는, 실내기(8200)와 실외기(8204)의 양쪽 모두에 CPU(8203)가 설치되어 있어도 좋다. 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU가 포함됨으로써, 에어컨디셔너를 저소비 전력화할 수 있다.
도 39(A)에서, 전기 냉동 냉장고(8300)에는 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU가 포함된다. 구체적으로, 전기 냉동 냉장고(8300)는 하우징(8301), 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303), CPU(8304) 등을 가진다. 도 39(A)에서는 CPU(8304)가 하우징(8301)의 내부에 설치되어 있다. 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU(8304)가 포함됨으로써, 전기 냉동 냉장고(8300)를 저소비 전력화할 수 있다.
도 39(B) 및 도 39(C)에, 전기 자동차의 예를 나타낸다. 전기 자동차(9700)에는 2차 전지(9701)가 탑재되어 있다. 2차 전지(9701)의 전력은 제어 회로(9702)에 의해 출력이 조정되어, 구동 장치(9703)에 공급된다. 제어 회로(9702)는 도시하지 않은 ROM, RAM, CPU 등을 가지는 처리 장치(9704)에 의해 제어된다. 상술한 트랜지스터를 이용한 CPU가 포함됨으로써, 전기 자동차(9700)를 저소비 전력화할 수 있다.
구동 장치(9703)는 직류 전동기 혹은 교류 전동기 단체, 또는 전동기와 내연 기관을 조합하여 구성된다. 처리 장치(9704)는 전기 자동차(9700)의 운전자의 조작 정보(가속, 감속, 정지 등)나 주행시의 정보(오르막이나 내리막 등의 정보, 구동륜에 걸리는 부하 정보 등)의 입력 정보에 기초하여, 제어 회로(9702)에 제어 신호를 출력한다. 제어 회로(9702)는 처리 장치(9704)의 제어 신호에 의해, 2차 전지(9701)로부터 공급되는 전기 에너지를 조정하여 구동 장치(9703)의 출력을 제어한다. 교류 전동기를 탑재하고 있는 경우는, 도시하지 않았지만, 직류를 교류로 변환하는 인버터도 내장된다.
또한, 본 실시형태는 기본 원리의 일례에 대하여 설명한 것이다. 따라서, 본 실시형태의 일부에 대하여, 실시형태의 다른 일부와 자유롭게 조합하거나, 적용, 치환하여 실시할 수 있다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 다층막을 가지는 트랜지스터를 제작하여, 그 전기 특성을 측정한 예를 나타낸다.
트랜지스터의 구조는 도 20에 나타내는 구조로 했다. 따라서, 이하에서는 트랜지스터의 구조 및 제작 방법에 대해서는 도 20, 도 22 및 도 23을 참조한다.
시료는 기판(200)으로서 실리콘 웨이퍼를 이용했다. 또한, 하지 절연막(202)으로서 두께가 100 nm의 산화 실리콘막과, 과잉 산소를 포함하는 두께가 300 nm의 산화 질화 실리콘막이 적층된 다층막을 이용했다. 또한, 소스 전극(216a) 및 드레인 전극(216b)으로서 두께가 100 nm의 텅스텐막을 이용했다. 또한, 게이트 절연막(212)으로서 두께가 20 nm의 산화 질화 실리콘막을 이용했다. 또한, 게이트 전극(204)으로서 두께가 30 nm의 질화 탄탈막과 두께가 135 nm의 텅스텐막이 적층된 다층막을 이용했다. 또한, 보호 절연막(218)으로서 두께가 300 nm의 산화 질화 실리콘막을 이용했다. 또한, 보호 절연막(208)으로서 두께가 50 nm의 질화 실리콘막을 이용했다.
또한, 산화물 반도체층(206a)으로서 두께가 20 nm의 In-Ga-Zn 산화물막을 이용했다. 산화물 반도체층(206a)은 In：Ga：Zn = 1：3：2［원자수비］의 타겟을 이용하여, DC 전력을 0.5 kW로 하고, 성막 가스를 아르곤 30 sccm 및 산소 15 sccm로 하고, 압력을 0.4 Pa로 하고, 기판 온도를 200℃로 한 스퍼터링법에 의해 성막했다.
또한, 산화물 반도체층(206b)으로서 두께가 15 nm의 In-Ga-Zn 산화물막을 이용했다. 산화물 반도체층(206b)은 In：Ga：Zn = 1：1：1［원자수비］의 타겟을 이용하여, DC 전력을 0.5 kW로 하고, 성막 가스를 아르곤 30 sccm 및 산소 15 sccm로 하고, 압력을 0.4 Pa로 하고, 기판 온도를 300℃로 한 스퍼터링법에 의해 성막했다.
또한, 산화물 반도체층(206c)으로서 두께가 5 nm, 10 nm, 15 nm, 또는 20 nm의 In-Ga-Zn 산화물막을 이용했다. 산화물 반도체층(206c)은 In：Ga：Zn = 1：3：2［원자수비］의 타겟을 이용하여, DC 전력을 0.5 kW로 하고, 성막 가스를 아르곤 30 sccm 및 산소 15 sccm로 하고, 압력을 0.4 Pa로 하고, 기판 온도를 200℃로 한 스퍼터링법에 의해 성막했다.
여기서, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 5 nm의 트랜지스터를 시료 1로 했다. 또한, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 10 nm의 트랜지스터를 시료 2로 했다. 또한, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 15 nm의 트랜지스터를 시료 3으로 했다. 또한, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 20 nm의 트랜지스터를 시료 4로 했다. 또한, 비교를 위해, 산화물 반도체층(206a) 및 산화물 반도체층(206c)을 제공하지 않는 트랜지스터인 시료 5를 준비했다.
이상에 나타낸 실시예 시료 및 비교예 시료의 게이트 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 특성을 측정했다. Vg-Id 특성의 측정은 드레인 전압(Vd)이 0.1 V 또는 3 V로 하여 게이트 전압(Vg)을 -3 V에서 ＋3 V까지 스위핑했을 때의 드레인 전류(Id)를 측정하여 행하였다. 또한, 드레인 전압(Vd)이 0.1 V일 때의 전계 효과 이동도(μFE)를 도 40, 도 41, 도 42, 도 43 및 도 44의 오른쪽 축에 나타낸다.
시료 1, 시료 2, 시료 3, 시료 4 및 시료 5의 전기 특성(Vg-Id 특성, 및 Vg에 대한 전계 효과 이동도)을 25 포인트 중첩하여, 각각 도 40, 도 41, 도 42, 도 43 및 도 44에 나타낸다. 또한, 도 40 내지 도 44에서, 상단에 채널 길이(L)가 0.44μm, 채널 폭(W)이 1μm인 트랜지스터의 전기 특성을 나타내고, 하단에 채널 길이(L)가 1.09μm, 채널 폭(W)이 1μm인 트랜지스터의 전기 특성을 나타낸다.
도 40으로부터, 시료 1은 모두 문턱 전압의 편차가 작고, 노멀리 오프의 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 41로부터, 시료 2는 모두 문턱 전압의 편차가 작고, 노멀리 오프의 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 42로부터, 시료 3은 모두 문턱 전압의 편차가 작고, 노멀리 오프의 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 43으로부터, 시료 4는 모두 문턱 전압의 편차가 작고, 노멀리 오프의 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 44로부터, 시료 5는 채널 길이(L)가 0.44μm, 채널 폭(W)이 1μm인 트랜지스터에서는 문턱 전압의 편차가 크고, 노멀리 온의 전기 특성을 가지지만, 채널 길이(L)가 1.09μm, 채널 폭(W)이 1μm인 트랜지스터에서는 문턱 전압의 편차도 작고, 노멀리 오프의 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 40 내지 도 44로부터, 시료 5는 채널 길이가 작은 트랜지스터에 있어서, 전기 특성이 양호하지 않았다. 한편, 시료 1 내지 시료 4는 채널 길이가 작은 트랜지스터에서도 양호한 전기 특성을 가지는 것을 알 수 있었다. 전기 특성이 양호한 순으로, 시료 1, 시료 2, 시료 3, 시료 4가 되기 때문에, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 작은 순으로 전기 특성이 양호하다는 것을 알 수 있다.
실시형태에 나타낸 계산 결과(도 3 참조)와 본 실시예에 나타낸 실측 결과의 비교를 도 45에 나타낸다. 도 45에서는 상단에 실측 결과를 나타내고, 하단에 계산 결과를 나타낸다.
도 45는 왼쪽 열에, 산화물 반도체층(206c)(산화물 반도체층(S3))과 게이트 절연막(212)(게이트 절연막(GI))과의 합성 용량을 가로축에 나타내고, 트랜지스터의 온 전류를 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯함으로써 작성한 도면이다. 또한 도 45는 오른쪽 열에, 산화물 반도체층(206c)(산화물 반도체층(S3))과 게이트 절연막(212)(게이트 절연막(GI))과의 합성 용량을 게이트 절연막(212)(게이트 절연막(GI))의 용량으로 나눈 값(규격화 용량)을 가로축에 나타내고, 트랜지스터의 온 전류를 산화물 반도체층(206c)(산화물 반도체층(S3))을 없음(0 nm)으로 한 경우의 온 전류로 나눈 값(규격화 온 전류 또는 이온비)을 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯함으로써 작성한 도면이다.
단, 시료간의 문턱 전압의 차이가 크기 때문에, 온 전류는 게이트 전압이 3 V, 드레인 전압 Vd가 트랜지스터의 문턱 전압 Vth＋1 V일 때의 드레인 전류로 했다(도 3에서는 온 전류는 게이트 전압이 3 V, 드레인 전압 Vd가 3 V일 때의 드레인 전류로 하였음).
또한, 도 45에서는 이해를 용이하게 하기 위해, 실측 결과에 대해서도, 산화물 반도체층(206c)을 산화물 반도체층(S3)이라고 표기하고, 게이트 절연막(212)을 게이트 절연막(GI)이라고 표기한다.
또한, 실측 결과에서는 채널 길이(L)가 1.09μm, 채널 폭(W)이 1μm인 트랜지스터의 결과를 나타내고, 계산 결과에서는 채널 길이(L)가 0.8μm, 채널 폭(W)이 0.8μm인 트랜지스터의 결과를 나타낸다.
도 40 내지 도 44로부터, 도 45 상단에 나타내는 실측에서, 왼쪽 열에서는 산화물 반도체층(206c)의 두께에 대응하는 합성 용량에 대하여, 각각 온 전류를 25 포인트씩 플롯했다. 또한, 오른쪽 열에서는 얻어진 온 전류의 중앙값을 플롯했다.
도 45의 오른쪽 열로부터, 규격화 용량에 대한 규격화 온 전류의 플롯에 대하여, 실측 결과와 계산 결과를 비교했다. 계산 결과(특히 웰 깊이가 0.3 eV에서의 계산 결과)는 실측 결과의 경향을 거의 재현되어 있는 것을 알 수 있었다.
즉, 본 실시예에 나타낸 트랜지스터에도, 실시형태에 나타낸 온 전류 저하의 모델을 적용할 수 있을 가능성이 있다. 구체적으로는, 먼저, 게이트 전극(204)의 전계에 의해 산화물 반도체층(206c)에 전자가 유발된다. 다음에, 산화물 반도체층(206c)에 의해 게이트 전극(204)의 전계가 차폐된다. 다음에, 산화물 반도체층(206b)에 인가되는 전계가 약해진다. 그 결과, 트랜지스터의 온 전류가 저하될 가능성이 나타났다.
[실시예 2]
본 실시예에서는 실시예 1에 제작한 시료 1 내지 시료 5의 신뢰성을 평가했다. 신뢰성의 평가는 게이트 BT 스트레스 시험에 의해 행하였다.
플러스 게이트 BT 스트레스 시험(플러스 BT)의 측정 방법에 대하여 설명한다. 플러스 게이트 BT 스트레스 시험의 대상이 되는 트랜지스터의 초기(스트레스 인가 전)의 전기 특성을 측정하기 위해, 기판 온도를 40℃로 하고, 드레인 전압 Vd를 0.1 V 또는, 3 V로 하고, 게이트 전압을 -3 V에서 ＋3 V까지 변화시켰을 때의 드레인 전류 Id의 변화 특성, 즉 Vg-Id 특성을 측정했다.
다음에, 기판 온도를 150℃까지 상승시킨 후, 트랜지스터의 드레인 전압 Vd를 0 V로 했다. 다음에, 게이트 절연막(212)에 인가되는 전계 강도가 1.65 MV/cm가 되도록 게이트 전압 3.3 V를 인가하고, 3600초 유지했다.
또한, 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험(마이너스 BT)에서는 게이트 전압 -3.3 V를 인가했다.
시료 1, 시료 2, 시료 3, 시료 4 및 시료 5의 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성(Vg-Id 특성, 및 Vg에 대한 전계 효과 이동도)을, 각각 도 46, 도 47, 도 48, 도 49 및 도 50에 나타낸다. 또한, 도 46 내지 도 50에서, 실선은 게이트 BT 스트레스 시험 전(BT 전)의 전기 특성을 나타내고, 점선은 게이트 BT 스트레스 시험 후(BT 후)의 전기 특성을 나타낸다. 또한, 도 46 내지 도 50에서, 상단에 플러스 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타내고, 하단에 마이너스 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 전기 특성을 나타낸다.
도 46 내지 도 50으로부터 얻어진 게이트 BT 스트레스 시험 전후의 문턱 전압의 변화(ΔVth) 및 시프트값의 변화(ΔShift)를 표 2에 나타낸다. 또한, 문턱 전압(Vth)이란, 채널이 형성되었을 때의 게이트 전압(소스와 게이트 사이의 전압)을 말한다. 문턱 전압(Vth)은 게이트 전압(Vg)을 가로축에 나타내고, 드레인 전류(Id)의 평방근을 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯함으로써 작성한 곡선(Vg-√Id 특성)에서, 최대 기울기인 접선을 외부 삽입했을 때의 직선과 드레인 전류(Id)의 평방근이 0(Id가 0 A)과의 교점에서의 게이트 전압(Vg)으로서 산출했다. 또한, 시프트값(Shift)은 게이트 전압(Vg)을 가로축에 나타내고, 드레인 전류(Id)의 대수(對數)를 세로축에 나타내고, 데이터를 플롯함으로써 작성한 곡선(Vg-Id 특성)에서, 최대 기울기인 접선을 외부 삽입했을 때의 직선과, 드레인 전류(Id)가 1×10―12 A와의 교점에서의 게이트 전압(Vg)으로서 산출했다.
| 시료 1 | 시료 2 | 시료 3 | 시료 4 | 시료 5 | ||
| 플러스 BT | ΔVth | 0.14 | 0.08 | 0.14 | 0.15 | -0.59 |
| ΔShift | 0.02 | -0.08 | -0.06 | -0.03 | -0.57 | |
| 마이너스 BT | ΔVth | 0.27 | 0.33 | 0.51 | 0.66 | -0.14 |
| ΔShift | 0.10 | 0.17 | 0.39 | 0.41 | -0.02 |
도 46 내지 도 50, 및 표 2로부터, 시료 1 내지 시료 5는 안정된 전기 특성을 가지는 트랜지스터인 것을 알 수 있었다. 특히, 시료 1 및 시료 2는 다른 시료와 비교하여 문턱 전압의 변화(ΔVth) 및 시프트값의 변화(ΔShift)가 작고, 매우 안정된 전기 특성을 가지는 트랜지스터인 것을 알 수 있었다. 또한, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 작은 순으로, 시료 1, 시료 2, 시료 3, 시료 4가 된다. 따라서, 산화물 반도체층(206c)의 두께가 작은 것이 신뢰성이 높은 트랜지스터가 되는 것을 알 수 있다.
70a：성막실
70b：성막실
71：대기측 기판 공급실
72a：로드락실
72b：언로드락실
73：반송실
73a：반송실
73b：반송실
74：카세트 포트
75：기판 가열실
76：기판 반송 로봇
80：성막실
80a：성막실
80b：성막실
80c：성막실
80d：성막실
81：대기측 기판 공급실
82：로드/언로드락실
83：반송실
84：카세트 포트
85：기판 가열실
86：기판 반송 로봇
87：타겟
88：방착판
89：유리 기판
90：기판 스테이지
92：기판 스테이지
93：가열 기구
94：정제기
95a：크라이오 펌프
95b：크라이오 펌프
95c：터보 분자 펌프
95d：크라이오 펌프
95e：크라이오 펌프
95f：크라이오 펌프
96：진공 펌프
96a：진공 펌프
96b：진공 펌프
96c：진공 펌프
97：매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)
98：가스 가열 기구
99：크라이오 트랩
100：기판
102：하지 절연막
104：게이트 전극
106a：산화물 반도체층
106b：산화물 반도체층
106c：산화물 반도체층
108：보호 절연막
112：게이트 절연막
116：도전막
116a：소스 전극
116a1：도전층
116a2：도전층
116a3：도전층
116a4：도전층
116b：드레인 전극
116b1：도전층
116b2：도전층
116b3：도전층
116b4：도전층
118：보호 절연막
136a：산화물 반도체층
136b：산화물 반도체층
136c：산화물 반도체층
200：기판
202：하지 절연막
204：게이트 전극
206a：산화물 반도체층
206b：산화물 반도체층
206c：산화물 반도체층
208：보호 절연막
212：게이트 절연막
216：도전막
216a：소스 전극
216b：드레인 전극
218：보호 절연막
234：도전막
236a：산화물 반도체층
236b：산화물 반도체층
236c：산화물 반도체층
242：절연막
300：기판
304：게이트 전극
306a：산화물 반도체층
306b：산화물 반도체층
306c：산화물 반도체층
312：게이트 절연막
316a：소스 전극
316b：드레인 전극
318：보호 절연막
318a：산화 실리콘층
318b：산화 실리콘층
318c：질화 실리콘층
336a：산화물 반도체층
336b：산화물 반도체층
336c：산화물 반도체층
400：기판
404：게이트 전극
406a：산화물 반도체층
406b：산화물 반도체층
406c：산화물 반도체층
412：게이트 절연막
416a：소스 전극
416b：드레인 전극
418：보호 절연막
436a：산화물 반도체층
436b：산화물 반도체층
436c：산화물 반도체층
445：절연막
449：배선
451：반도체 기판
453：소자 분리 영역
456：배선
457：게이트 절연막
459：게이트 전극
460：반도체막
461a：불순물 영역
461b：불순물 영역
465：절연막
466c：전극
467：절연막
469a：콘택트 플러그
469b：콘택트 플러그
470：절연막
471：절연막
472：절연막
473a：배선
473b：배선
474：전극
475：절연막
500：마이크로 컴퓨터
501：직류 전원
502：버스 라인
503：파워 게이트 콘트롤러
504：파워 게이트
505：CPU
506：휘발성 기억부
507：불휘발성 기억부
508：인터페이스
509：검출부
511：광 센서
512：앰프
513：AD 컨버터
514：광전 변환 소자
516：트랜지스터
517：트랜지스터
518：트랜지스터
519：트랜지스터
530：발광 소자
700：기판
719：발광 소자
720：절연막
721：절연막
731：단자
732：FPC
733a：배선
734：실재
735：구동 회로
736：구동 회로
737：화소
741：트랜지스터
742：커패시터
743：스위치 소자
744：신호선
750：화소
751：트랜지스터
752：커패시터
753：액정 소자
754：주사선
755：신호선
781：전극
782：발광층
783：전극
784：격벽
791：전극
792：절연막
793：액정층
794：절연막
795：스페이서
796：전극
797：기판
1141：스위칭 소자
1142：메모리 셀
1143：메모리 셀군
1189：ROM 인터페이스
1190：기판
1191：ALU
1192：ALU 콘트롤러
1193：인스트럭션 디코더
1194：인터럽트 콘트롤러
1195：타이밍 콘트롤러
1196：레지스터
1197：레지스터 콘트롤러
1198：버스 인터페이스
1199：ROM
8000：텔레비전 장치
8001：하우징
8002：표시부
8003：스피커부
8100：경보 장치
8101：마이크로 컴퓨터
8200：실내기
8201：하우징
8202：송풍구
8203：CPU
8204：실외기
8300：전기 냉동 냉장고
8301：하우징
8302：냉장실용 문
8303：냉동실용 문
8304：CPU
9700：전기 자동차
9701：2차 전지
9702：제어 회로
9703：구동 장치
9704：처리 장치
70b：성막실
71：대기측 기판 공급실
72a：로드락실
72b：언로드락실
73：반송실
73a：반송실
73b：반송실
74：카세트 포트
75：기판 가열실
76：기판 반송 로봇
80：성막실
80a：성막실
80b：성막실
80c：성막실
80d：성막실
81：대기측 기판 공급실
82：로드/언로드락실
83：반송실
84：카세트 포트
85：기판 가열실
86：기판 반송 로봇
87：타겟
88：방착판
89：유리 기판
90：기판 스테이지
92：기판 스테이지
93：가열 기구
94：정제기
95a：크라이오 펌프
95b：크라이오 펌프
95c：터보 분자 펌프
95d：크라이오 펌프
95e：크라이오 펌프
95f：크라이오 펌프
96：진공 펌프
96a：진공 펌프
96b：진공 펌프
96c：진공 펌프
97：매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)
98：가스 가열 기구
99：크라이오 트랩
100：기판
102：하지 절연막
104：게이트 전극
106a：산화물 반도체층
106b：산화물 반도체층
106c：산화물 반도체층
108：보호 절연막
112：게이트 절연막
116：도전막
116a：소스 전극
116a1：도전층
116a2：도전층
116a3：도전층
116a4：도전층
116b：드레인 전극
116b1：도전층
116b2：도전층
116b3：도전층
116b4：도전층
118：보호 절연막
136a：산화물 반도체층
136b：산화물 반도체층
136c：산화물 반도체층
200：기판
202：하지 절연막
204：게이트 전극
206a：산화물 반도체층
206b：산화물 반도체층
206c：산화물 반도체층
208：보호 절연막
212：게이트 절연막
216：도전막
216a：소스 전극
216b：드레인 전극
218：보호 절연막
234：도전막
236a：산화물 반도체층
236b：산화물 반도체층
236c：산화물 반도체층
242：절연막
300：기판
304：게이트 전극
306a：산화물 반도체층
306b：산화물 반도체층
306c：산화물 반도체층
312：게이트 절연막
316a：소스 전극
316b：드레인 전극
318：보호 절연막
318a：산화 실리콘층
318b：산화 실리콘층
318c：질화 실리콘층
336a：산화물 반도체층
336b：산화물 반도체층
336c：산화물 반도체층
400：기판
404：게이트 전극
406a：산화물 반도체층
406b：산화물 반도체층
406c：산화물 반도체층
412：게이트 절연막
416a：소스 전극
416b：드레인 전극
418：보호 절연막
436a：산화물 반도체층
436b：산화물 반도체층
436c：산화물 반도체층
445：절연막
449：배선
451：반도체 기판
453：소자 분리 영역
456：배선
457：게이트 절연막
459：게이트 전극
460：반도체막
461a：불순물 영역
461b：불순물 영역
465：절연막
466c：전극
467：절연막
469a：콘택트 플러그
469b：콘택트 플러그
470：절연막
471：절연막
472：절연막
473a：배선
473b：배선
474：전극
475：절연막
500：마이크로 컴퓨터
501：직류 전원
502：버스 라인
503：파워 게이트 콘트롤러
504：파워 게이트
505：CPU
506：휘발성 기억부
507：불휘발성 기억부
508：인터페이스
509：검출부
511：광 센서
512：앰프
513：AD 컨버터
514：광전 변환 소자
516：트랜지스터
517：트랜지스터
518：트랜지스터
519：트랜지스터
530：발광 소자
700：기판
719：발광 소자
720：절연막
721：절연막
731：단자
732：FPC
733a：배선
734：실재
735：구동 회로
736：구동 회로
737：화소
741：트랜지스터
742：커패시터
743：스위치 소자
744：신호선
750：화소
751：트랜지스터
752：커패시터
753：액정 소자
754：주사선
755：신호선
781：전극
782：발광층
783：전극
784：격벽
791：전극
792：절연막
793：액정층
794：절연막
795：스페이서
796：전극
797：기판
1141：스위칭 소자
1142：메모리 셀
1143：메모리 셀군
1189：ROM 인터페이스
1190：기판
1191：ALU
1192：ALU 콘트롤러
1193：인스트럭션 디코더
1194：인터럽트 콘트롤러
1195：타이밍 콘트롤러
1196：레지스터
1197：레지스터 콘트롤러
1198：버스 인터페이스
1199：ROM
8000：텔레비전 장치
8001：하우징
8002：표시부
8003：스피커부
8100：경보 장치
8101：마이크로 컴퓨터
8200：실내기
8201：하우징
8202：송풍구
8203：CPU
8204：실외기
8300：전기 냉동 냉장고
8301：하우징
8302：냉장실용 문
8303：냉동실용 문
8304：CPU
9700：전기 자동차
9701：2차 전지
9702：제어 회로
9703：구동 장치
9704：처리 장치
Claims (12)
- 반도체 장치로서,
게이트 전극;
상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막과 접촉하고, 상기 게이트 절연막으로부터 가장 먼 측으로부터 순서대로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막; 및
상기 제 2 산화물 반도체층과 상기 제 3 산화물 반도체층 사이의 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 게이트 전극, 상기 게이트 절연막, 및 상기 제 3 산화물 반도체층은, 상기 게이트 전극의 단부, 상기 게이트 절연막의 단부, 및 상기 제 3 산화물 반도체층의 단부가 서로 정렬되는 영역을 포함하고,
상기 제 1 산화물 반도체층은 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고,
상기 제 3 산화물 반도체층은 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는, 반도체 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 반도체 장치로서,
게이트 전극;
상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막과 접촉하고, 상기 게이트 절연막으로부터 가장 먼 측으로부터 순서대로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막; 및
상기 제 2 산화물 반도체층과 상기 제 3 산화물 반도체층 사이의 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 게이트 전극, 상기 게이트 절연막, 및 상기 제 3 산화물 반도체층은, 상기 게이트 전극의 단부, 상기 게이트 절연막의 단부, 및 상기 제 3 산화물 반도체층의 단부가 서로 정렬되는 영역을 포함하고,
상기 제 1 산화물 반도체층, 상기 제 2 산화물 반도체층, 및 상기 제 3 산화물 반도체층은 각각 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하고,
상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석이고,
상기 제 1 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지며,
상기 제 3 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는, 반도체 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 반도체 장치로서,
게이트 전극;
상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막과 접촉하고, 상기 게이트 절연막으로부터 가장 먼 측으로부터 순서대로 제 1 산화물 반도체층, 제 2 산화물 반도체층, 및 제 3 산화물 반도체층을 가지는 다층막; 및
상기 제 2 산화물 반도체층과 상기 제 3 산화물 반도체층 사이의 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 게이트 전극, 상기 게이트 절연막, 및 상기 제 3 산화물 반도체층은, 상기 게이트 전극의 단부, 상기 게이트 절연막의 단부, 및 상기 제 3 산화물 반도체층의 단부가 서로 정렬되는 영역을 포함하고,
상기 제 1 산화물 반도체층, 상기 제 2 산화물 반도체층, 및 상기 제 3 산화물 반도체층은 각각 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하고,
상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석이고,
상기 제 1 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 1.5배 이상 크고, 20 nm 이상 200 nm 이하의 두께를 가지고,
상기 제 3 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 인듐에 대한 원소 M의 원자수비가 1.5배 이상 크고, 0.3 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는, 반도체 장치. - 제 1 항, 제 5 항, 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 높고,
상기 제 3 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 높은, 반도체 장치. - 제 1 항, 제 5 항, 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 0.2 eV 이상 2 eV 이하 높고,
상기 제 3 산화물 반도체층은 상기 제 2 산화물 반도체층보다 전도대 하단의 에너지가 0.2 eV 이상 2 eV 이하 높은, 반도체 장치. - 삭제
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