説明

半導体装置

【課題】導電性が高い酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタを提供する。
【解決手段】インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物(IGZO)及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するゲート電極と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域に重畳するソース電極及びドレイン電極とを有する半導体装置に関する。当該半導体装置は、トップゲート型酸化物半導体トランジスタ又はボトムゲート型酸化物半導体トランジスタであってもよい。また当該酸化物半導体層は、ソース電極及びドレイン電極の上に形成されていてもよいし、ソース電極及びドレイン電極の下に形成されていてもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示される発明の一態様は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、特許文献1及び特許文献2には、酸化物半導体として、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、Zn(亜鉛)を含む酸化物(以下「IGZO」と呼ぶ)を用いてトランジスタを形成し、形成されたトランジスタを用いて表示装置を作製することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−123861号公報
【特許文献2】特開2007−96055号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
IGZOは導電性が低いので、IGZOを活性層とする酸化物半導体トランジスタは、例えば、オン電流が低いという恐れがある。
【0005】
以上を鑑み、開示される発明の一様態では、導電性が高い酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタを提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
開示される発明の一様態は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物(IGZO)及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するゲート電極と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域に重畳するソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。
【0007】
開示される発明の一態様において、酸化物半導体層は、IGZOを構成する一部のインジウムと酸素が結合し、酸化インジウム(In)の結晶体が粒子としてIGZO中に存在する酸化物半導体層である。
【0008】
酸化インジウムは、エネルギーギャップが2.8eVであるような絶縁体に近い半導体である。IGZOを構成する一部のインジウムと酸素から、絶縁体に近い酸化インジウムの粒子が形成されると、当該IGZOに電荷の偏りが生じる。すなわち、IGZOのうち、酸化インジウムの粒子は絶縁体に近く、酸化インジウムの粒子を形成するためインジウムと酸素が引き抜かれた部分は、他の部分と比べて導電性が高くなる。また酸化インジウムの粒子は、酸化物半導体層中に散在しているため、キャリアの移動を妨げない。以上から、酸化インジウムの粒子がIGZO中に存在する酸化物半導体層は、高い導電性を有することとなる。
【0009】
よってこのような高い導電性を有する酸化物半導体層を酸化物半導体トランジスタの酸化物半導体層として用いると、キャリアの移動度が向上し、酸化物半導体トランジスタのオン電流が高くなる。
【0010】
開示される発明の一様態は、ゲート電極と、当該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで当該ゲート電極に重畳し、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。
【0011】
開示される発明の一様態は、ゲート電極と、当該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該ゲート電極、並びに、当該ソース電極及びドレイン電極上に設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層とを有することを特徴とする半導体装置に関する。
【0012】
開示される発明の一様態は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、当該酸化物半導体層、当該ソース電極及びドレイン電極を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。
【0013】
開示される発明の一様態は、ソース電極及びドレイン電極と、当該ソース電極及びドレイン電極上に、ソース領域及びドレイン領域が重畳するように設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層を覆うゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置に関する。
【発明の効果】
【0014】
開示される発明の一様態により、導電性が高い酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】半導体装置の断面図。
【図2】半導体装置の断面図。
【図3】酸化物半導体層の断面TEM写真。
【図4】酸化物半導体層をTEM−FFTで解析した結果を示す図。
【図5】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図6】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図7】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図8】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図9】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図10】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図11】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【図12】酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置等を含む電気装置およびその電気装置を搭載した電子機器をその範疇とする。
【0018】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【0019】
なお、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【0020】
図1及び図2に本実施の形態の酸化物半導体トランジスタの構成を示す。
【0021】
図1(A)に示す酸化物半導体トランジスタ101は、基板100上に下地絶縁膜102が設けられ、下地絶縁膜102上に形成されたゲート電極103と、下地絶縁膜102及びゲート電極103を覆うゲート絶縁膜104と、ゲート絶縁膜104を挟んでゲート電極103と重畳し、活性層として機能する酸化物半導体層105と、酸化物半導体層105のソース領域及びドレイン領域上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する電極106a及び電極106bとを有する。
【0022】
図1(A)に示す酸化物半導体トランジスタ101は、ゲート電極103が酸化物半導体層105の下に形成されているボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極106a及び電極106bが酸化物半導体層105の上に形成されているトップコンタクト型である。
【0023】
なお図1(A)に示す酸化物半導体トランジスタ101は、ゲート電極103上の酸化物半導体層105の領域(すなわちチャネル形成領域)が、エッチング等で他の領域より膜厚が薄くなっている。このようにチャネル形成領域の膜厚が薄いトランジスタを、チャネルエッチ型トランジスタと呼ぶこととする。図1(A)に示す酸化物半導体トランジスタ101は、チャネルエッチ型トランジスタだけでなく、チャネル形成領域上に保護絶縁膜を形成する、チャネル保護型トランジスタであってもよい。
【0024】
図1(B)に示す酸化物半導体トランジスタ111は、基板110上に下地絶縁膜112が設けられ、下地絶縁膜112上に形成されたゲート電極113と、下地絶縁膜112及びゲート電極113を覆うゲート絶縁膜114と、ゲート絶縁膜114上に設けられソース電極及びドレイン電極として機能する電極116a及び電極116bと、ゲート絶縁膜114を挟んでゲート電極113上に設けられ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極116a及び電極116b上に設けられ、活性層として機能する酸化物半導体層115とを有する。
【0025】
なお図1(B)において、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極116a及び電極116bは、ゲート電極113と重畳していないが、必要であれば、電極116aの一部及び電極116bの一部は、ゲート絶縁膜114を介して、それぞれゲート電極113に重畳していてもよい。
【0026】
図1(B)に示す酸化物半導体トランジスタ111は、ゲート電極113が酸化物半導体層115の下に形成されているボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極116a及び電極116bが酸化物半導体層115の一部の下に形成されているボトムコンタクト型である。
【0027】
図2(A)に示す酸化物半導体トランジスタ201は、基板200上に下地絶縁膜202が設けられ、下地絶縁膜202上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層203と、酸化物半導体層203上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する電極204a及び電極204bと、酸化物半導体層203、電極204a及び電極204b上のゲート絶縁膜206と、ゲート絶縁膜206を挟んで酸化物半導体層203のチャネル形成領域209上の重畳する位置に設けられたゲート電極207とを有する。
【0028】
図2(A)に示す酸化物半導体トランジスタ201は、ゲート電極207が酸化物半導体層203の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極204a及び電極204bが酸化物半導体層203の上に形成されているトップコンタクト型である。
【0029】
電極204a及び電極204bが酸化物半導体層203と重畳している領域208a及び領域208bは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。
【0030】
また、チャネル形成領域209及び領域208aとの間には領域211a、並びに、チャネル形成領域209及び領域208bとの間には領域211bが設けられており、オフセット領域として機能する。
【0031】
図2(B)に示す酸化物半導体トランジスタ221は、基板220上に下地絶縁膜222が設けられ、下地絶縁膜222上に形成された、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極224a及び電極224bと、活性層として機能し、電極224a及び電極224bそれぞれの上にソース領域及びドレイン領域が重畳するように設けられた酸化物半導体層223と、酸化物半導体層223、電極224a及び電極224b上のゲート絶縁膜226と、ゲート絶縁膜226を挟んで酸化物半導体層223のチャネル形成領域229上の重畳する位置に設けられたゲート電極227を有する。
【0032】
なお図2(B)において、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極224a及び電極224bは、ゲート電極227と重畳していないが、必要であれば、電極224aの一部及び電極224bの一部は、酸化物半導体層223及びゲート絶縁膜226を介して、それぞれゲート電極227に重畳していてもよい。
【0033】
図2(B)に示す酸化物半導体トランジスタ221は、ゲート電極227が酸化物半導体層223の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極224a及び電極224bが酸化物半導体層223の下に形成されているボトムコンタクト型である。
【0034】
電極224a及び電極224bそれぞれが酸化物半導体層223と重畳している領域228a及び領域228bは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。
【0035】
また、チャネル形成領域229及び領域228aとの間には領域231a、並びに、チャネル形成領域229及び領域228bとの間には領域231bが設けられており、オフセット領域として機能する。
【0036】
図1(A)の酸化物半導体トランジスタ101の酸化物半導体層105、図1(B)の酸化物半導体トランジスタ111の酸化物半導体層115、図2(A)の酸化物半導体トランジスタ201の酸化物半導体層203、図2(B)の酸化物半導体トランジスタ221の酸化物半導体層223は、IGZO及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層である。
【0037】
上述したように、IGZO及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層とは、IGZOを構成する一部のインジウムと酸素が結合し、酸化インジウム(In)の結晶体が粒子としてIGZO中に存在する酸化物半導体層である。
【0038】
酸化インジウムは、エネルギーギャップが2.8eVであるような絶縁体に近い半導体である。IGZOを構成する一部のインジウムと酸素から、絶縁体に近い酸化インジウムの粒子が形成されると、当該IGZOに電荷の偏りが生じる。すなわち、IGZOのうち、酸化インジウムの粒子は絶縁体に近く、酸化インジウムの粒子を形成するためインジウムと酸素が引き抜かれた部分は、他の部分と比べて導電性が高い。また酸化インジウムの粒子は、酸化物半導体層に散在しているため、キャリアの移動を妨げない。以上から、酸化インジウムの粒子がIGZO中に存在する酸化物半導体層は、高い導電性を有する。
【0039】
そのため、IGZO及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタは、導電性が高い。導電性が高い酸化物半導体トランジスタは、例えばオン電流が高いという利点を有する。
【0040】
図3は、本実施の形態に用いるIGZO及び粒子を有する酸化物半導体層の断面TEM写真である。
【0041】
図3に示すIGZO及び粒子を有する酸化物半導体層は、基板温度250℃、スパッタ法にて成膜した。
【0042】
粒子をフーリエ変換透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy−Fast Fourier Transform:TEM−FFT)にて解析したところ、粒子は酸化インジウムであることが明らかになった。以下に粒子が酸化インジウムであることを説明する。
【0043】
TEM−FFTでは、得られた格子像のパターンをフーリエ変換することで、パターンのスポット位置を解析できる。これにより、結晶の面間隔や結晶面方位を解析することができる。
【0044】
本実施の形態では、酸化物半導体層中の粒子をTEM−FFTにて解析したところ、結晶の面間隔を得た。酸化物半導体層中の粒子のd値として、A:0.501nm、B:0.265nm、C:0.302nmが得られた(図4参照)。酸化インジウム(In)のd値は、A:0.506nm、B:0.270nm、C:0.320nmであるので、粒子の成分が酸化インジウム(In)であることが示唆された。
【0045】
図5乃至図12に本実施の形態の酸化物半導体層を用いた酸化物半導体トランジスタのドレイン電流(Id)及びゲート電圧(Vg)の関係を示す。
【0046】
図5乃至図12で用いた酸化物半導体トランジスタは、図1(A)で示したボトムゲート・トップコンタクト型の酸化物半導体トランジスタ101である。図5で用いた酸化物半導体トランジスタ101において、下地絶縁膜102は、窒化珪素膜膜厚100nmに酸窒化珪素膜膜厚150nmを積層したものを用いた。ゲート電極103は、タングステン(W)膜膜厚100nmを用いた。ゲート絶縁膜104は、酸素を含む窒化珪素膜膜厚100nmを用いた。
【0047】
酸化物半導体層105は、膜厚35nm、成膜圧力0.3Pa、成膜パワー9kW(AC)、アルゴンに対する酸素(O)流量比=50%、基板温度150℃で成膜した。また上記条件で成膜後、窒素雰囲気中350℃で1時間焼成後、窒素及び酸素雰囲気中350℃で1時間焼成した酸化物半導体層(図5、図7、図9、図11)、並びに、窒素雰囲気中450℃で1時間焼成後、窒素及び酸素雰囲気中450℃で1時間焼成した酸化物半導体層(図6、図8、図10、図12)を酸化物半導体層105とした。
【0048】
電極106a及び電極106bは、チタン膜膜厚100nm、アルミニウム膜膜厚400nm、チタン膜膜厚100nmの積層した積層膜を用いて形成した。
【0049】
また、チャネル長L及びチャネル幅Wが、3μm及び3μm(図5及び図6)、3μm及び50μm(図7及び図8)、6μm及び50μm(図9及び図10)、並びに、10μm及び50μm(図11及び図12)の酸化物半導体トランジスタを作製した。
【0050】
層間絶縁膜(図示しない)として、酸化珪素膜400nm、及び感光性アクリル樹脂膜1500nmで酸化物半導体トランジスタ101を覆うように形成した。
【0051】
また最後に窒素雰囲気中250℃で1時間焼成を行った。
【0052】
図5乃至図12に示すように、図5乃至図12の酸化物半導体トランジスタは、オン電流に多少バラツキのあるものの、それぞれ高いオン電流を示した。よって本実施の形態により、オン電流の高い良好な酸化物半導体トランジスタを得ることができた。
【符号の説明】
【0053】
100 基板
101 酸化物半導体トランジスタ
102 下地絶縁膜
103 ゲート電極
104 ゲート絶縁膜
105 酸化物半導体層
106a 電極
106b 電極
110 基板
111 酸化物半導体トランジスタ
112 下地絶縁膜
113 ゲート電極
114 ゲート絶縁膜
115 酸化物半導体層
116a 電極
116b 電極
200 基板
201 酸化物半導体トランジスタ
202 下地絶縁膜
203 酸化物半導体層
204a 電極
204b 電極
206 ゲート絶縁膜
207 ゲート電極
208a 領域
208b 領域
209 チャネル形成領域
211a 領域
211b 領域
220 基板
221 酸化物半導体トランジスタ
222 下地絶縁膜
223 酸化物半導体層
224a 電極
224b 電極
226 ゲート絶縁膜
227 ゲート電極
228a 領域
228b 領域
229 チャネル形成領域
231a 領域
231b 領域


【特許請求の範囲】
【請求項1】
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、
当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するゲート電極と、
当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域に重畳するソース電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
ゲート電極と、
前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極に重畳し、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、
当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項3】
ゲート電極と、
前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで、前記ゲート電極、並びに、前記ソース電極及びドレイン電極上に設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項4】
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、
当該酸化物半導体層中のソース領域及びドレイン領域上に設けられたソース電極及びドレイン電極と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極及びドレイン電極を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項5】
ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極上に、ソース領域及びドレイン領域が重畳するように設けられた、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物及び酸化インジウムの粒子を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に設けられたゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−58738(P2013−58738A)
【公開日】平成25年3月28日(2013.3.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−165293(P2012−165293)
【出願日】平成24年7月26日(2012.7.26)
【出願人】(000153878)株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Fターム(参考)】