[go: up one dir, main page]

JP2019121696A - Semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2019121696A
JP2019121696A JP2018000827A JP2018000827A JP2019121696A JP 2019121696 A JP2019121696 A JP 2019121696A JP 2018000827 A JP2018000827 A JP 2018000827A JP 2018000827 A JP2018000827 A JP 2018000827A JP 2019121696 A JP2019121696 A JP 2019121696A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide semiconductor
semiconductor layer
oxide
layer
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018000827A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
将志 津吹
Masashi Tsubuki
将志 津吹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Display Inc
Original Assignee
Japan Display Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Display Inc filed Critical Japan Display Inc
Priority to JP2018000827A priority Critical patent/JP2019121696A/en
Priority to CN202210519012.XA priority patent/CN114937702A/en
Priority to CN201910007558.5A priority patent/CN110010696B/en
Publication of JP2019121696A publication Critical patent/JP2019121696A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/67Thin-film transistors [TFT]
    • H10D30/674Thin-film transistors [TFT] characterised by the active materials
    • H10D30/6755Oxide semiconductors, e.g. zinc oxide, copper aluminium oxide or cadmium stannate
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H10P10/00

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

【課題】トランジスタの信頼性が向上した半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、基板上に第1ゲート電極を形成し、第1ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に、第1ゲート電極と重畳する領域を含む第1酸化物半導体層を形成し、第1酸化物半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成し、ソース電極及びドレイン電極上に酸化物絶縁層を形成し、酸化物絶縁層上に、酸素を含む雰囲気中で酸化物半導体ターゲットをスパッタリングして第2酸化物半導体層を成膜するとともに、酸化物絶縁層に酸素を添加し、加熱処理を行うことで、酸素を第1酸化物半導体層に拡散させ、加熱処理を行った後、第2酸化物半導体層を除去することを含む。【選択図】図1BPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having improved reliability of a transistor. SOLUTION: In the method of manufacturing a semiconductor device, a first gate electrode is formed on a substrate, a gate insulating film is formed on the first gate electrode, and a region overlapping with the first gate electrode is formed on the gate insulating film. A first oxide semiconductor layer containing the oxide semiconductor layer is formed, a source electrode and a drain electrode are formed on the first oxide semiconductor layer, an oxide insulating layer is formed on the source electrode and the drain electrode, and the oxide insulating layer is formed on the oxide insulating layer. A second oxide semiconductor layer is formed by sputtering an oxide semiconductor target in an atmosphere containing oxygen, and oxygen is added to the oxide insulating layer and heat-treated to convert oxygen into the first oxide. This includes removing the second oxide semiconductor layer after diffusing it into the semiconductor layer and performing a heat treatment. [Selection diagram] FIG. 1B

Description

本発明の一実施形態は、酸化物半導体を含む半導体装置、およびその製造方法に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device containing an oxide semiconductor, and a method of manufacturing the same.

従来、液晶表示装置、又は有機EL表示装置などの表示装置において、半導体層としてシリコンを用いたトランジスタが用いられてきた。近年、表示装置では、大面積化、高解像度化、高フレームレート化などの要求が高まってきており、これらの要求を満たすための取り組みが盛んに行われている。   Conventionally, in a display device such as a liquid crystal display device or an organic EL display device, a transistor using silicon as a semiconductor layer has been used. In recent years, in display devices, demands for large area, high resolution, high frame rate, and the like have been increasing, and efforts are being made actively to meet these demands.

そこで、最近では、シリコンに替わって、酸化物半導体を用いたトランジスタの開発が進められている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、高移動度を実現できることが期待されている。特に、IGZOによる酸化物半導体層は、比較的低温で、大面積で形成できる。そのため、酸化物半導体は、上記の要求を満たす材料として、注目されている。   Thus, in recent years, development of a transistor using an oxide semiconductor in place of silicon has been promoted. A transistor including an oxide semiconductor is expected to be able to achieve high mobility. In particular, an oxide semiconductor layer of IGZO can be formed in a large area at a relatively low temperature. Therefore, oxide semiconductors are attracting attention as materials meeting the above requirements.

特開2016−146478号公報JP, 2016-146478, A 特開2016−225651号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-225651

しかしながら、酸化物半導体層に接する絶縁膜において欠陥準位密度が高い場合、トランジスタの特性の劣化が起こりやすいという問題がある。また、酸化物半導体層を用いたトランジスタの特性の基板面内ばらつきが大きいという問題がある。   However, in the case where the density of defect states in the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer is high, deterioration of the characteristics of the transistor is likely to occur. In addition, there is a problem that in-plane variation of characteristics of a transistor using an oxide semiconductor layer is large.

上記問題に鑑み、トランジスタの信頼性が向上した半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、基板面内のトランジスタの特性の均一性が向上した半導体装置を提供することを目的の一つとする。   In view of the above problems, it is an object to provide a semiconductor device in which the reliability of a transistor is improved. Another object is to provide a semiconductor device in which the uniformity of transistor characteristics in a substrate surface is improved.

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板上に第1ゲート電極を形成し、第1ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に、第1ゲート電極と重畳する領域を含む第1酸化物半導体層を形成し、第1酸化物半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成し、ソース電極及びドレイン電極上に酸化物絶縁層を形成し、酸化物絶縁層上に、酸素を含む雰囲気中で酸化物半導体ターゲットをスパッタリングして第2酸化物半導体層を成膜するとともに、酸化物絶縁層に酸素を添加し、加熱処理を行うことで、酸素を第1酸化物半導体層に拡散させ、加熱処理を行った後、第2酸化物半導体層を除去することを含む。   In a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a first gate electrode is formed on a substrate, a gate insulating film is formed on the first gate electrode, and a first gate electrode is formed on the gate insulating film. The first oxide semiconductor layer including the overlapping region is formed, the source electrode and the drain electrode are formed over the first oxide semiconductor layer, the oxide insulating layer is formed over the source electrode and the drain electrode, and the oxide is formed. The oxide semiconductor target is sputtered in an atmosphere containing oxygen over the insulating layer to form a second oxide semiconductor layer, oxygen is added to the oxide insulating layer, and heat treatment is performed to form oxygen. After the first oxide semiconductor layer is diffused and subjected to heat treatment, the second oxide semiconductor layer is removed.

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、基板上の第1ゲート電極と、第1ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に、第1ゲート電極と重畳する酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の酸化物絶縁層と、を含み、酸化物絶縁層の表面からの厚さが50nm以下の第1領域において、インジウムを含む。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first gate electrode on a substrate, a gate insulating film on the first gate electrode, and an oxide semiconductor layer overlapping the first gate electrode on the gate insulating film. And an oxide insulating layer over the oxide semiconductor layer, and indium is included in a first region whose thickness from the surface of the oxide insulating layer is 50 nm or less.

本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the semiconductor device according to the one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る表示装置の平面図である。It is a top view of a display concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る表示装置の画素の断面図である。It is a sectional view of a pixel of a display concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る表示装置の画素の断面図である。It is a sectional view of a pixel of a display concerning one embodiment of the present invention. 本実施例に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on a present Example. 比較例に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device concerning a comparative example. 基板501に形成されたトランジスタ510の測定箇所を示す。A measurement point of the transistor 510 formed on the substrate 501 is shown. 基板601に形成されたトランジスタ610の測定箇所を示す。A measurement point of the transistor 610 formed on the substrate 601 is shown. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor which concerns on a present Example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor which concerns on a present Example. 本実施例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning this example. 本実施例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor which concerns on a present Example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタのId−Vg特性を説明する図である。It is a figure explaining the Id-Vg characteristic of the transistor concerning a comparative example. 比較例に係るトランジスタの閾値電圧の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependency of the threshold voltage of the transistor concerning a comparative example.

(第1実施形態)
本実施形態では、本発明の一実施形態に係る半導体装置に関し、図1A乃至図2Hを参照して説明する。本実施形態では、ボトムゲート型トランジスタの構造について説明する。
First Embodiment
In this embodiment, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 2H. In the present embodiment, the structure of the bottom gate type transistor will be described.

<半導体装置の構成>
図1Aは、本実施形態に係る半導体装置100の平面図であり、図1Bは、図1AのA1−A2線に沿って切断した断面図である。半導体装置100は、基板101と、基板101上のゲート電極111と、ゲート電極111上のゲート絶縁膜112と、ゲート絶縁膜112上でゲート電極111と重畳する酸化物半導体層113と、酸化物半導体層113上にソース電極及びドレイン電極114、115と、ソース電極及びドレイン電極114、115上の酸化物絶縁層116と、を有する。また、ゲート電極111、ゲート絶縁膜112、酸化物半導体層113、ソース電極及びドレイン電極114、115によって、トランジスタ110が構成される。
<Structure of Semiconductor Device>
FIG. 1A is a plan view of the semiconductor device 100 according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A1-A2 of FIG. 1A. The semiconductor device 100 includes a substrate 101, a gate electrode 111 over the substrate 101, a gate insulating film 112 over the gate electrode 111, an oxide semiconductor layer 113 overlapping with the gate electrode 111 over the gate insulating film 112, an oxide The source and drain electrodes 114 and 115 and the oxide insulating layer 116 over the source and drain electrodes 114 and 115 are provided over the semiconductor layer 113. Further, the gate electrode 111, the gate insulating film 112, the oxide semiconductor layer 113, and the source and drain electrodes 114 and 115 form a transistor 110.

基板101として、ガラス基板、石英基板、フレキシブル基板(ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、環状オレフィン・コポリマー、シクロオレフィンポリマー、その他の可撓性を有する樹脂基板)を用いることができる。フレキシブル基板を用いることにより、半導体装置100を折り曲げることが可能となる。   As the substrate 101, a glass substrate, a quartz substrate, a flexible substrate (polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, triacetyl cellulose, cyclic olefin copolymer, cycloolefin polymer, or other flexible resin substrate) can be used. . By using a flexible substrate, the semiconductor device 100 can be bent.

ゲート電極111として、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、銅(Cu)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)などを使用することができる。また、これらの金属の合金を使用してもよい。また、ITO(酸化インジウム・スズ)、IGO(酸化インジウム・ガリウム)、IZO(酸化インジウム・亜鉛)、GZO(ガリウムがドーパントとして添加された酸化亜鉛)等の導電性酸化物を使用してもよい。また、これらの膜を積層した構造としてもよい。   As the gate electrode 111, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), molybdenum (Mo), copper (Cu), indium (In) , Tin (Sn), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), bismuth (Bi) and the like can be used. Also, alloys of these metals may be used. In addition, conductive oxides such as ITO (indium tin oxide), IGO (indium gallium oxide), IZO (indium zinc oxide), GZO (zinc oxide in which gallium is added as a dopant) may be used. . In addition, these films may be stacked.

なお、基板101として、フレキシブル基板を用いる場合には、基板101上にアンダーコート層(図示しない)を設けることが好ましい。基板101に含まれる水分や水素が、酸化物半導体層113などに拡散することを防止する機能を有する膜である。アンダーコート層は、窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化酸化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化窒化アルミニウム(AlO)などを使用することができる(x、yは任意の整数)。 When a flexible substrate is used as the substrate 101, an undercoat layer (not shown) is preferably provided on the substrate 101. This film has a function of preventing moisture and hydrogen contained in the substrate 101 from diffusing into the oxide semiconductor layer 113 and the like. The undercoat layer is made of silicon nitride (SiN x ), silicon oxide (SiO x ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), aluminum nitride (AlN x ), aluminum nitride oxide (AlN x O y ), aluminum oxide (AlO) x), can be used such as aluminum oxynitride (AlO x N y) (x , y are arbitrary integers).

ゲート絶縁膜112として、窒化シリコン(SiN)、窒化酸化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化酸化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化窒化アルミニウム(AlO)などを使用することができる(x、yは任意の整数)。ゲート絶縁膜112は、上記の材料を用いて、単層構造又は積層構造で設けることができる。なお、酸化物半導体層113と接する絶縁層は、酸化シリコン膜などの酸素を含む絶縁層であることが好ましい。 As the gate insulating film 112, silicon nitride (SiN x ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), aluminum nitride (AlN x ), aluminum nitride oxide (AlN x O y ), aluminum oxide (AlO x ), aluminum oxynitride (AlO x N y ), and the like can be used (x and y are arbitrary integers). The gate insulating film 112 can be provided with a single layer structure or a stacked structure using any of the above materials. Note that the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 113 is preferably an insulating layer containing oxygen, such as a silicon oxide film.

酸化物半導体層113として、インジウムやガリウムなどの第13族元素を含むことができる。異なる複数の第13族元素を含有してもよく、インジウムとガリウムの化合物(IGO)でもよい。酸化物半導体層113は、さらに、第12族元素を含んでいてもよく、例えば、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む化合物(IGZO)が挙げられる。酸化物半導体層113は、その他の元素を含むことができ、第14族元素であるスズ、第4族元素であるチタンやジルコニウムなどを含んでいてもよい。   The oxide semiconductor layer 113 can contain a Group 13 element such as indium or gallium. It may contain a plurality of different Group 13 elements, or it may be a compound of indium and gallium (IGO). The oxide semiconductor layer 113 may further contain a Group 12 element, and examples thereof include a compound (IGZO) containing indium, gallium, and zinc. The oxide semiconductor layer 113 can contain other elements, and may contain tin which is a Group 14 element, titanium, zirconium which is a Group 4 element, or the like.

酸化物半導体層113として、具体的には、InO、ZnO、SnOx、In−Ga−O、In−Zn−O、In−Al−O、In−Sn−O、In−Hf−O、In−Zr−O、In−W−O、In−Y−O、In−Ga−Zn−O、In−Al−Zn−O、In−Sn−Zn−O、In−Hf−Zn−O、In−Ga−Sn−O、In−Al−Sn−O、In−Hf−Sn−O、In−Ga−Al−Zn−O、In−Ga−Hf−Zn−O、In−Sn−Ga−Zn−O等の材料を用いることができる。酸化物半導体層113の結晶性も限定はなく、単結晶、多結晶、微結晶、又は非晶質でもよい。酸化物半導体層113は、酸素欠損などの結晶欠陥が少ないことが好ましい。また、酸化物半導体層113は、水素の濃度が低いことが好ましい。 Specifically, as the oxide semiconductor layer 113, InO x , ZnO x , SnO x , In-Ga-O, In-Zn-O, In-Al-O, In-Sn-O, In-Hf-O, In-Zr-O, In-W-O, In-Y-O, In-Ga-Zn-O, In-Al-Zn-O, In-Sn-Zn-O, In-Hf-Zn-O, In-Ga-Sn-O, In-Al-Sn-O, In-Hf-Sn-O, In-Ga-Al-Zn-O, In-Ga-Hf-Zn-O, In-Sn-Ga- Materials such as Zn-O can be used. The crystallinity of the oxide semiconductor layer 113 is also not limited, and may be single crystal, polycrystal, microcrystalline, or amorphous. The oxide semiconductor layer 113 preferably has few crystal defects such as oxygen vacancies. The oxide semiconductor layer 113 preferably has a low concentration of hydrogen.

酸化物絶縁層116は、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化窒化アルミニウム(AlO)などを使用することができる(x、yは任意の整数)。酸化物絶縁層116は、加熱処理によって、酸素を放出することができる膜であることが好ましい。また、酸化物絶縁層116は、欠陥準位密度が小さいことが好ましい。 For the oxide insulating layer 116, silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), aluminum oxide (AlO x ), aluminum oxynitride (AlO x N y ), or the like can be used (x, y is any integer). The oxide insulating layer 116 is preferably a film which can release oxygen by heat treatment. The oxide insulating layer 116 preferably has a low density of defect states.

本発明の一実施形態に係る半導体装置100は、酸化物絶縁層116の欠陥準位密度が低減されている。また、酸化物半導体層113における酸素欠損が低減されている。そのため、トランジスタ110の特性の変動を小さくできる。これにより、トランジスタ110を含む半導体装置の信頼性を向上させることができる。   In the semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, the density of defect states in the oxide insulating layer 116 is reduced. In addition, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 113 are reduced. Therefore, variation in characteristics of the transistor 110 can be reduced. Thus, the reliability of the semiconductor device including the transistor 110 can be improved.

<半導体装置の製造方法>
次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置100の製造方法について、図2A乃至図2Hを参照して説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method of manufacturing the semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2H.

図2Aは、基板101上に、ゲート電極111及びゲート絶縁膜112を形成する工程を説明する図である。   FIG. 2A is a view for explaining a process of forming the gate electrode 111 and the gate insulating film 112 on the substrate 101.

ゲート電極111は、基板101上に導電膜を成膜した後、パターニングを行うことにより、所望の形状に加工することで形成する。導電膜は、スパッタリング法により、上述した材料を用いて、単層構造又は積層構造で形成することができる。また、ゲート電極111の膜厚は、100nm以上500nm以下とすることが好ましい。   The gate electrode 111 is formed by processing a conductive film to a desired shape by patterning after a conductive film is formed over the substrate 101. The conductive film can be formed to have a single-layer structure or a stacked-layer structure by a sputtering method using the above-described material. The thickness of the gate electrode 111 is preferably 100 nm to 500 nm.

次に、ゲート電極111上に、ゲート絶縁膜112を成膜する。ゲート絶縁膜112は、スパッタリング法又はプラズマCVD法により、上述した材料を用いて、単層構造又は積層構造で形成することができる。ゲート絶縁膜112の膜厚は、100nm以上500nm以下とすることが好ましい。また、ゲート絶縁膜112として、加熱処理により酸素を放出することができる材料を用いることが好ましい。ゲート絶縁膜112として、例えば、酸化シリコン膜を用いることが好ましい。ゲート絶縁膜112に接して酸化物半導体層113を設けた後、加熱処理を行うことにより、ゲート絶縁膜112から酸素が放出される。   Next, the gate insulating film 112 is formed over the gate electrode 111. The gate insulating film 112 can be formed to have a single-layer structure or a stacked-layer structure by a sputtering method or a plasma CVD method using the above-described material. The thickness of the gate insulating film 112 is preferably 100 nm to 500 nm. Further, as the gate insulating film 112, a material which can release oxygen by heat treatment is preferably used. For example, a silicon oxide film is preferably used as the gate insulating film 112. After the oxide semiconductor layer 113 is provided in contact with the gate insulating film 112, heat treatment is performed, whereby oxygen is released from the gate insulating film 112.

図2Bは、酸化物半導体層113を形成する工程を説明する図である。酸化物半導体層113は、ゲート絶縁膜112上に酸化物半導体膜を成膜した後、パターニングを行うことにより、所望の形状に加工することで形成する。酸化物半導体膜は、例えば、スパッタリング法により、30nm以上100nm以下で形成することが好ましい。   FIG. 2B is a diagram illustrating a process of forming the oxide semiconductor layer 113. The oxide semiconductor layer 113 is formed by processing an oxide semiconductor film over the gate insulating film 112 and patterning the oxide semiconductor film into a desired shape. The oxide semiconductor film is preferably formed to a thickness of 30 nm to 100 nm by, for example, a sputtering method.

酸化物半導体ターゲットに印加する電源は、直流電流(DC)でも交流電源(AC)でもよく、酸化物半導体ターゲットの形状や組成などによって決定することができる。酸化物半導体ターゲットとしては、例えば、InGaZnOであれば、In:Ga:Zn:O=1:1:1:4(In:Ga:ZnO=1:1:2)などを使用することができる。また、組成比は、トランジスタの特性などの目的に応じて決定することができる。 The power source applied to the oxide semiconductor target may be a direct current (DC) or an alternating current power source (AC), and can be determined by the shape, composition, or the like of the oxide semiconductor target. As an oxide semiconductor target, for example, in the case of InGaZnO, In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 (In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2) etc. It can be used. In addition, the composition ratio can be determined in accordance with the purpose such as the characteristics of the transistor.

酸化物半導体膜を成膜するためのスパッタリングガスとして、酸素ガス、酸素及び希ガスの混合ガス、又は希ガスを用いることができる。酸化物半導体膜を成膜するためのスパッタリングガスとして、酸素及び希ガスの混合ガス雰囲気で行うことが好ましく、希ガスに対する酸素ガス流量比が5%以上であることがより好ましい。酸素ガス流量比を5%以上にすることにより、酸化物絶縁層216に酸素が添加されやすくなるため、好ましい。   As a sputtering gas for forming the oxide semiconductor film, oxygen gas, a mixed gas of oxygen and a rare gas, or a rare gas can be used. The sputtering gas for forming the oxide semiconductor film is preferably a mixed gas atmosphere of oxygen and a rare gas, and more preferably, the oxygen gas flow ratio to the rare gas is 5% or more. When the oxygen gas flow rate ratio is 5% or more, oxygen is easily added to the oxide insulating layer 216, which is preferable.

また、酸化物半導体層113に対して、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、酸化物半導体膜のパターニング前に行ってもよく、パターニング後に行ってもよい。酸化物半導体層113は、加熱処理によって体積が小さくなる(シュリンクする)場合があるので、パターニング前に加熱処理を行うことが好ましい。また、酸化物半導体層113に加熱処理を行うことにより、酸化物半導体層113の水素濃度の低減、密度向上など、膜質の改善を行うことができる。   Further, heat treatment may be performed on the oxide semiconductor layer 113. The heat treatment may be performed before or after patterning of the oxide semiconductor film. It is preferable to perform the heat treatment before the patterning because the oxide semiconductor layer 113 may have a small volume (shrink) due to the heat treatment. Further, by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 113, the film quality can be improved, such as reduction of the hydrogen concentration of the oxide semiconductor layer 113 and improvement in density.

酸化物半導体層113に対して行う加熱処理は、窒素、乾燥空気、又は大気の存在下で、大気圧又は低圧(真空)で行うことができる。加熱温度は、250℃乃至500℃、好ましくは350℃乃至450℃で行う。また、加熱時間は、例えば、15分以上1時間以下で行う。加熱処理により、酸化物半導体層113の酸素欠損に酸素が導入される又は酸素が転位することで、結晶欠陥が少なく、結晶性が高い酸化物半導体層113が得られる。また、加熱処理により、酸化物半導体層113の水素濃度を低減することができる。 The heat treatment performed on the oxide semiconductor layer 113 can be performed at atmospheric pressure or low pressure (vacuum) in the presence of nitrogen, dry air, or the air. The heating temperature is 250 ° C. to 500 ° C., preferably 350 ° C. to 450 ° C. The heating time is, for example, 15 minutes or more and 1 hour or less. By heat treatment, oxygen is introduced into oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 113 or oxygen is rearranged, so that the oxide semiconductor layer 113 with few crystal defects and high crystallinity can be obtained. Further, the heat treatment can reduce the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer 113.

図2Cは、酸化物半導体層113上に、ソース電極及びドレイン電極114、115を形成する工程を説明する図である。ソース電極及びドレイン電極114、115は、酸化物半導体層113上に、導電膜を成膜した後、パターニングを行うことにより、所望の形状に加工することで形成する。導電膜は、スパッタリング法により、上述した材料を用いて、単層構造又は積層構造で形成することができる。また、ソース電極及びドレイン電極114、115の膜厚は、100nm以上800nm以下とすることが好ましい。   FIG. 2C is a diagram illustrating a process of forming the source and drain electrodes 114 and 115 over the oxide semiconductor layer 113. The source and drain electrodes 114 and 115 are formed by processing a conductive film to a desired shape by patterning after a conductive film is formed over the oxide semiconductor layer 113. The conductive film can be formed to have a single-layer structure or a stacked-layer structure by a sputtering method using the above-described material. The film thickness of the source and drain electrodes 114 and 115 is preferably 100 nm to 800 nm.

酸化物半導体層113上の導電膜を所望の形状に加工する際に、酸化物半導体層113の表面にダメージが生じる場合がある。ダメージが生じた領域121には、酸素欠損が多く含まれている。領域121は、トランジスタのバックチャネルに相当する領域である。また、図1Aに示すように、酸化物半導体層113がソース電極及びドレイン電極114、115から露出した領域である。当該領域121に、酸素欠損が多く含まれていると、トランジスタの特性が劣化するおそれがある。   When the conductive film over the oxide semiconductor layer 113 is processed into a desired shape, a surface of the oxide semiconductor layer 113 may be damaged. The damaged region 121 contains a large amount of oxygen deficiency. The region 121 is a region corresponding to the back channel of the transistor. Further, as shown in FIG. 1A, the oxide semiconductor layer 113 is a region exposed from the source and drain electrodes 114 and 115. When the region 121 contains many oxygen vacancies, the characteristics of the transistor may be degraded.

よって、酸化物半導体層113にダメージが生じた領域121に対して、酸素を供給することにより、酸素欠損を補填することが好ましい。これにより、酸化物半導体層113に含まれる酸素欠損を低減することができる。   Thus, oxygen vacancies are preferably compensated for by supplying oxygen to the region 121 in which the oxide semiconductor layer 113 is damaged. Accordingly, oxygen vacancies contained in the oxide semiconductor layer 113 can be reduced.

本実施形態では、酸化物半導体層113上に、酸化物絶縁層116を成膜する。図2Dは、酸化物半導体層113上に酸化物絶縁層116を形成する工程を説明する図である。酸化物絶縁層116は、プラズマCVD法により、上述した材料を用いて、単層構造又は積層構造で形成することができる。ゲート絶縁膜112の膜厚は、100nm以上500nm以下とすることが好ましい。また、酸化物絶縁層116として、加熱処理により酸素を放出することができる材料を用いることが好ましい。酸化物絶縁層116として、例えば、酸化シリコン膜を用いることが好ましい。酸化物半導体層113に接して酸化物絶縁層116を設けた後、加熱処理を行うことにより、酸化物絶縁層116から酸素が放出される。放出された酸素によって、酸化物半導体層113のダメージが生じた領域121に酸素を補填することができる。これにより、酸化物半導体層113に含まれる酸素欠損を低減することができる。   In this embodiment, the oxide insulating layer 116 is formed over the oxide semiconductor layer 113. FIG. 2D is a diagram illustrating a process of forming the oxide insulating layer 116 over the oxide semiconductor layer 113. The oxide insulating layer 116 can be formed to have a single-layer structure or a stacked-layer structure by a plasma CVD method using any of the above-described materials. The thickness of the gate insulating film 112 is preferably 100 nm to 500 nm. Further, as the oxide insulating layer 116, a material capable of releasing oxygen by heat treatment is preferably used. As the oxide insulating layer 116, for example, a silicon oxide film is preferably used. After the oxide insulating layer 116 is provided in contact with the oxide semiconductor layer 113, heat treatment is performed, whereby oxygen is released from the oxide insulating layer 116. The released oxygen can compensate oxygen in the region 121 in which the oxide semiconductor layer 113 is damaged. Accordingly, oxygen vacancies contained in the oxide semiconductor layer 113 can be reduced.

しかしながら、加熱処理により酸素を放出する酸化物絶縁層には、欠陥準位密度が高いものがある。また、加熱処理により、酸化物絶縁層の外部に酸素が放出されると、酸化物絶縁層の欠陥準位密度がさらに高くなる場合がある。酸化物絶縁層中の欠陥準位密度が高い場合、トランジスタが動作し、ゲート絶縁膜及び酸化物絶縁層に電圧ストレスが加わると、欠陥準位に電子がトラップされる。この結果、トラップされた電子によって、トランジスタの閾値電圧を変動させてしまうおそれがある。   However, some oxide insulating layers which release oxygen by heat treatment have a high density of defect states. In addition, when oxygen is released to the outside of the oxide insulating layer by heat treatment, the density of defect states in the oxide insulating layer may be further increased. When the density of defect states in the oxide insulating layer is high, the transistor operates, and when voltage stress is applied to the gate insulating film and the oxide insulating layer, electrons are trapped in the defect states. As a result, the trapped electrons may change the threshold voltage of the transistor.

よって、酸化物半導体層113に含まれる酸素欠損の補填だけでなく、酸化物絶縁層の欠陥準位密度の低減を行う必要がある。そこで、酸化物絶縁層116に酸素を添加し、かつ酸化物絶縁層116上に、加熱処理により酸化物絶縁層116の外部に酸素が放出されるのを防止するバリア膜を設ける。本実施形態では、酸化物絶縁層116の外部に酸素が放出されるのを防止するバリア膜として、酸化物絶縁層116上に酸化物半導体層117を設ける。   Therefore, it is necessary to reduce not only the oxygen vacancies included in the oxide semiconductor layer 113 but also the density of defect states in the oxide insulating layer. Therefore, oxygen is added to the oxide insulating layer 116, and a barrier film which prevents oxygen from being released to the outside of the oxide insulating layer 116 by heat treatment is provided over the oxide insulating layer 116. In this embodiment, the oxide semiconductor layer 117 is provided over the oxide insulating layer 116 as a barrier film which prevents oxygen from being released to the outside of the oxide insulating layer 116.

図2Eは、酸化物絶縁層116上に、酸化物半導体層117を形成する工程を説明する図である。酸化物半導体層117は、図2Bにおいて説明した酸化物半導体層113と同様の条件で成膜することができる。酸化物半導体層117は、例えば、ACスパッタリング法又はDCスパッタリングにより、5nm以上60nm以下で形成することが好ましい。   FIG. 2E is a diagram illustrating a process of forming the oxide semiconductor layer 117 over the oxide insulating layer 116. The oxide semiconductor layer 117 can be formed under the same conditions as the oxide semiconductor layer 113 described in FIG. 2B. The oxide semiconductor layer 117 is preferably formed to have a thickness of 5 nm to 60 nm by AC sputtering or DC sputtering, for example.

酸化物半導体層117を成膜するためのスパッタリングガスとして、酸素ガス、酸素及び希ガスの混合ガス、又は希ガスを用いることができる。酸化物半導体層117を成膜するためのスパッタリングガスとして、酸素及び希ガスの混合ガス雰囲気で行うことが好ましく、酸素ガス流量比が5%以上であることがより好ましい。   As a sputtering gas for forming the oxide semiconductor layer 117, oxygen gas, a mixed gas of oxygen and a rare gas, or a rare gas can be used. The sputtering gas for forming the oxide semiconductor layer 117 is preferably a mixed gas atmosphere of oxygen and a rare gas, and more preferably, the oxygen gas flow ratio is 5% or more.

酸化物半導体層117を、スパッタリング法により成膜するとともに、酸化物絶縁層116には酸素が添加される。これにより、酸化物絶縁層116に含まれる酸素を増加させることができる。また、酸化物絶縁層116に含まれる欠陥準位密度を低減することができる。   The oxide semiconductor layer 117 is formed by a sputtering method, and oxygen is added to the oxide insulating layer 116. Thus, oxygen contained in the oxide insulating layer 116 can be increased. Further, the density of defect states included in the oxide insulating layer 116 can be reduced.

酸化物半導体層117として、具体的には、InO、ZnO、SnO、In−Ga−O、In−Zn−O、In−Al−O、In−Sn−O、In−Hf−O、In−Zr−O、In−W−O、In−Y−O、In−Ga−Zn−O、In−Al−Zn−O、In−Sn−Zn−O、In−Hf−Zn−O、In−Ga−Sn−O、In−Al−Sn−O、In−Hf−Sn−O、In−Ga−Al−Zn−O、In−Ga−Hf−Zn−O、In−Sn−Ga−Zn−O等の材料を用いることができる。 As the oxide semiconductor layer 117, specifically, InO x , ZnO x , SnO x , In-Ga-O, In-Zn-O, In-Al-O, In-Sn-O, In-Hf-O , In-Zr-O, In-W-O, In-Y-O, In-Ga-Zn-O, In-Al-Zn-O, In-Sn-Zn-O, In-Hf-Zn-O , In-Ga-Sn-O, In-Al-Sn-O, In-Hf-Sn-O, In-Ga-Al-Zn-O, In-Ga-Hf-Zn-O, In-Sn-Ga Materials such as -Zn-O can be used.

ターゲットに印加する電源は、直流電流(DC)でも交流電源(AC)でもよく、ターゲットの形状や組成などによって決定することができる。ターゲットとしては、例えば、InGaZnOであれば、In:Ga:Zn:O=1:1:1:4(In:Ga:ZnO=1:1:2)などを使用することができる。 The power source applied to the target may be a direct current (DC) or an AC power source (AC), and can be determined by the shape, composition, etc. of the target. As a target, for example, in the case of InGaZnO, use In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 (In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2), etc. Can.

酸化物半導体層117の材料は、酸化物半導体層113の材料と同じであると、製造プロセスの簡略化を図ることができるため好ましい。例えば、酸化物半導体層113として、In−Ga−Zn−Oを用いた場合、酸化物半導体層117として、In−Ga−Zn−Oを用いることが好ましい。このように、酸化物半導体層117の材料が、酸化物半導体層113の材料と同じであると、ターゲットの変更をすることなく、成膜条件などを同じにすることができるため、半導体装置の生産性が向上する。なお、本発明の一実施形態では、酸化物半導体層117の材料と酸化物半導体層113の材料とが異なっていてもよい。本発明の一実施形態では、例えば、酸化物半導体層113として、In−Ga−Zn−Oを用いた場合、酸化物半導体層117として、In−Ga−Zn−Oを用いることが好ましい。   The material of the oxide semiconductor layer 117 is preferably the same as the material of the oxide semiconductor layer 113 because a manufacturing process can be simplified. For example, in the case where In-Ga-Zn-O is used as the oxide semiconductor layer 113, In-Ga-Zn-O is preferably used as the oxide semiconductor layer 117. As described above, when the material of the oxide semiconductor layer 117 is the same as the material of the oxide semiconductor layer 113, film formation conditions and the like can be made the same without changing the target. Productivity is improved. Note that in one embodiment of the present invention, the material of the oxide semiconductor layer 117 and the material of the oxide semiconductor layer 113 may be different. In one embodiment of the present invention, for example, when In—Ga—Zn—O is used as the oxide semiconductor layer 113, In—Ga—Zn—O is preferably used as the oxide semiconductor layer 117.

酸化物半導体層117として、水素濃度が低いことが好ましい。酸化物半導体層117に水素が混入すると、キャリアが発生するため、閾値電圧のシフトや、トランジスタの特性を劣化させ、当該トランジスタを使用した半導体装置の信頼性が低下する原因となる。そのため、酸化物半導体層113と接する絶縁層として、水素濃度が低い膜を用いることが有効となる。本実施形態では、酸化物半導体層117の水素濃度は、1×1019atom/cm以下、好ましくは1×1018とatom/cmとする。 The oxide semiconductor layer 117 preferably has a low hydrogen concentration. When hydrogen is mixed in the oxide semiconductor layer 117, carriers are generated, which results in shift of the threshold voltage and deterioration of characteristics of the transistor, which causes reduction in reliability of a semiconductor device using the transistor. Therefore, it is effective to use a film with low hydrogen concentration as the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 113. In this embodiment, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer 117, 1 × 10 19 atom / cm 3 or less, preferably 1 × 10 18 and the atom / cm 3.

また、酸化物半導体層117として、酸素が多く含まれることが好ましい。換言すると、酸化物半導体層117の組成式の元素の係数は、簡単な整数比とはならない非化学量論係数であることが好ましい。酸化物半導体層117に、酸素が多く含まれることで、酸化物半導体層117の酸素に対するバリア機能が向上する。   In addition, the oxide semiconductor layer 117 preferably contains much oxygen. In other words, the coefficient of the element of the composition formula of the oxide semiconductor layer 117 is preferably a non-stoichiometric coefficient which does not have a simple integer ratio. When the oxide semiconductor layer 117 contains a large amount of oxygen, the barrier function against oxygen of the oxide semiconductor layer 117 is improved.

また、酸化物半導体層117のキャリア濃度は、1×1013以上1×1020cm−3以下、好ましくは1×1014以上1×1016cm−3以下とする。 The carrier concentration of the oxide semiconductor layer 117 is 1 × 10 13 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, preferably 1 × 10 14 or more and 1 × 10 16 cm −3 or less.

また、酸化物半導体層117の膜厚は、酸化物半導体層113の膜厚よりも薄いことが好ましい。また、酸化物半導体層117の膜厚は、酸化物半導体層113に形成された酸素欠損が多い領域121の厚さよりも大きいことが好ましい。例えば、酸化物半導体層113の膜厚が50nmであれば、酸化物半導体層117の膜厚は、20nmであることが好ましい。具体的には、酸化物半導体層117の膜厚は、5nm以上50nm以下であることが好ましい。5nm未満では、酸素欠損が多い領域121の厚さよりも小さい場合があるため、十分に酸素欠損を補填することが困難となる。また、50nmあれば、領域121の酸素欠損を十分に補填することが可能である。   The thickness of the oxide semiconductor layer 117 is preferably smaller than the thickness of the oxide semiconductor layer 113. The thickness of the oxide semiconductor layer 117 is preferably larger than that of the region 121 with many oxygen vacancies formed in the oxide semiconductor layer 113. For example, when the thickness of the oxide semiconductor layer 113 is 50 nm, the thickness of the oxide semiconductor layer 117 is preferably 20 nm. Specifically, the thickness of the oxide semiconductor layer 117 is preferably 5 nm or more and 50 nm or less. If the thickness is less than 5 nm, the thickness may be smaller than the thickness of the region 121 where there are many oxygen vacancies, so it is difficult to compensate for the oxygen vacancies sufficiently. Moreover, if it is 50 nm, it is possible to fully compensate the oxygen deficiency of the region 121.

このように、酸化物絶縁層116上に、酸化物半導体層117を成膜することで、酸化物半導体層117の成膜時に、酸化物絶縁層116に酸素を添加することができる。また、酸化物半導体層117の成膜後には、酸素が外部に放出されることを抑制することができる。   By thus forming the oxide semiconductor layer 117 over the oxide insulating layer 116, oxygen can be added to the oxide insulating layer 116 at the time of forming the oxide semiconductor layer 117. In addition, after the oxide semiconductor layer 117 is formed, release of oxygen to the outside can be suppressed.

図2Fは、酸化物絶縁層116、酸化物半導体層117に加熱処理を行う工程を説明する図である。加熱処理は、窒素、乾燥空気、又は大気の存在下で、大気圧又は低圧(真空)で行うことができる。加熱処理の温度は、300℃乃至400℃で行う。また、加熱時間は、例えば、15分以上1時間以下で行う。   FIG. 2F illustrates a step of performing heat treatment on the oxide insulating layer 116 and the oxide semiconductor layer 117. The heat treatment can be carried out at atmospheric pressure or low pressure (vacuum) in the presence of nitrogen, dry air or the atmosphere. The temperature of the heat treatment is 300.degree. C. to 400.degree. The heating time is, for example, 15 minutes or more and 1 hour or less.

加熱処理により、酸化物絶縁層116から酸素が放出される。酸化物絶縁層116上に酸化物半導体層117が設けられていることにより、酸化物絶縁層116の酸素が外部に放出されることを抑制することができる。これにより、酸化物半導体層113にダメージが生じた領域121に効率的に酸素が供給される。また、領域121に含まれる酸素欠損に酸素が補填されるため、酸素欠損を低減させることができる。   By heat treatment, oxygen is released from the oxide insulating layer 116. With the oxide semiconductor layer 117 provided over the oxide insulating layer 116, release of oxygen in the oxide insulating layer 116 can be suppressed. Thus, oxygen is efficiently supplied to the region 121 in which the oxide semiconductor layer 113 is damaged. In addition, oxygen is compensated for in the oxygen deficiency included in the region 121, so that the oxygen deficiency can be reduced.

最後に、酸化物半導体層117を除去することにより、図1Bに示す半導体装置100を製造することができる。   Finally, the oxide semiconductor layer 117 is removed, whereby the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1B can be manufactured.

酸化物絶縁層116上に酸化物半導体層117を成膜する際に、酸化物絶縁層116に酸素を添加することができる。酸化物半導体層117を成膜する際に添加された酸素によって、酸化物絶縁層116に含まれる欠陥準位密度を低減することができる。   In forming the oxide semiconductor layer 117 over the oxide insulating layer 116, oxygen can be added to the oxide insulating layer 116. By oxygen added in forming the oxide semiconductor layer 117, the density of defect states included in the oxide insulating layer 116 can be reduced.

酸化物半導体層117は、加熱処理により酸化物絶縁層116から酸素が外部に放出されることを抑制することができる。これにより、ソース電極又はドレイン電極114、115の形成時に、酸化物半導体層113の領域121に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。従って、酸化物半導体層113の酸素欠損を低減できる。これにより、トランジスタの特性の変動を抑制することができるため、トランジスタの信頼性を向上させることができる。   The oxide semiconductor layer 117 can prevent oxygen from being released from the oxide insulating layer 116 to the outside by heat treatment. Accordingly, oxygen can be compensated for in the oxygen vacancies formed in the region 121 of the oxide semiconductor layer 113 when the source or drain electrodes 114 and 115 are formed. Accordingly, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 113 can be reduced. Thus, variations in the characteristics of the transistor can be suppressed, whereby the reliability of the transistor can be improved.

酸化物半導体層117がインジウムを含む場合、加熱処理より酸化物半導体層117に含まれるインジウムが酸化物絶縁層116に拡散する場合がある。また、酸化物半導体層117の成膜時に、酸化物絶縁層116へ、ミキシングが生じる場合がある。これにより、酸化物絶縁層116の表面からの厚さが50nm以下の領域において、インジウムが含まれる。当該領域に含まれるインジウムの濃度は、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry;SIMS)により測定することが可能である。酸化物絶縁層116の当該領域に含まれるインジウムは、例えば、1×1017atoms/cm以上1×1018atoms/cmである。酸化物絶縁層116にインジウムが拡散していても、上記のように微量かつチャネルから離れた領域であるため、トランジスタの特性に影響を及ぼすことはない。また、インジウムは酸化物絶縁層116に一様に拡散するため、導電シールドとして機能する。これにより平坦化膜などのチャージアップの影響を受けにくくなる。 In the case where the oxide semiconductor layer 117 contains indium, indium contained in the oxide semiconductor layer 117 may be diffused to the oxide insulating layer 116 by heat treatment. In addition, when the oxide semiconductor layer 117 is formed, mixing may occur with the oxide insulating layer 116. Thus, indium is contained in a region where the thickness from the surface of the oxide insulating layer 116 is 50 nm or less. The concentration of indium contained in the region can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The indium contained in the region of the oxide insulating layer 116 is, for example, 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 18 atoms / cm 3 . Even if indium is diffused in the oxide insulating layer 116, the amount of indium is small and distant from the channel as described above; therefore, the characteristics of the transistor are not affected. In addition, since indium diffuses uniformly in the oxide insulating layer 116, it functions as a conductive shield. As a result, the influence of the charge-up of the planarizing film and the like becomes less likely.

なお、酸化物絶縁層116上に酸化アルミニウム膜などの絶縁膜を形成することによっても、加熱処理により酸化物絶縁層116から酸素が外部に放出されることを抑制することができる。しかしながら、酸化アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用い、スパッタリングガスに酸素を用いて、反応性スパッタリングにより成膜される。アルミニウムターゲートの表面がスパッタリングガスの酸素によってアルミニウムターゲットが酸化されてしまうことにより、電子がターゲットの表面に帯電しやすくなる。これにより、ターゲット表面において異常放電が発生することで、パーティクルが多く発生する。また、酸化アルミニウム膜を成膜する際に注入される酸素がスパッタリングガスのみに依存するため、スパッタ装置におけるガスの注入口近傍と離れた箇所で打ち込まれる酸素の量が異なることがあり、酸化物絶縁層116に添加される酸素の量の基板面内均一性が低い。よって、酸化物半導体層113に供給される酸素の量も、基板面内において異なってしまう。したがって、基板面内において、トランジスタの特性のばらつきが大きくなる。また、酸化アルミニウム膜は、エッチングレートの制御が困難である。   Note that also by forming an insulating film such as an aluminum oxide film over the oxide insulating layer 116, release of oxygen from the oxide insulating layer 116 to the outside due to heat treatment can be suppressed. However, the aluminum oxide film is formed by reactive sputtering using an aluminum target and using oxygen as a sputtering gas. Electrons are likely to be charged on the surface of the target by oxidizing the surface of the aluminum target by oxygen of the sputtering gas. As a result, abnormal discharge occurs on the surface of the target to generate many particles. In addition, since the oxygen injected when forming the aluminum oxide film depends only on the sputtering gas, the amount of oxygen implanted in the vicinity of the gas injection port in the sputtering apparatus may be different from the amount of the oxygen implanted, The in-plane uniformity of the amount of oxygen added to the insulating layer 116 is low. Thus, the amount of oxygen supplied to the oxide semiconductor layer 113 also differs in the substrate surface. Therefore, the variation in the characteristics of the transistor becomes large in the substrate surface. Moreover, the control of the etching rate is difficult for the aluminum oxide film.

本実施形態で説明した酸化物半導体層117は、酸化物半導体ターゲットを用いることができる。当該酸化物半導体ターゲットは、酸化物半導体層113を成膜する際に使用する酸化物半導体ターゲットと同様の酸化物半導体ターゲットを使用することができる。よって、スパッタリングガスに酸素を用いても、酸化物半導体ターゲットの表面状態が変化することは少ない。また、当該酸化物半導体ターゲットは、導電性を有するため、酸化物半導体ターゲットの表面に電子の帯電を抑制することができる。これにより、酸化物半導体ターゲット表面における異常放電を抑制することができるため、パーティクルの発生を抑制することができる。また、IGZOではターゲットの導電性を制御することが可能なため、酸化物状態でもACスパッタやDCスパッタを用いることができ、大面積の基板であってもこのような問題は生じない。酸化物半導体層117を成膜する際に、酸化物絶縁層116に添加される酸素の基板面内均一性が高い。したがって、酸化物半導体層113に供給される酸素の量も、基板面内において均一性が高い。したがって、基板101面内において、トランジスタの特性のばらつきを小さくすることができる。また、本実施形態では、酸化物半導体層117は、除去されるため、その後の工程においてエッチングレートの制御を考慮しなくてもよい。   An oxide semiconductor target can be used for the oxide semiconductor layer 117 described in this embodiment. As the oxide semiconductor target, an oxide semiconductor target similar to the oxide semiconductor target used when forming the oxide semiconductor layer 113 can be used. Thus, even if oxygen is used as the sputtering gas, the surface state of the oxide semiconductor target is unlikely to change. In addition, since the oxide semiconductor target has conductivity, charging of electrons on the surface of the oxide semiconductor target can be suppressed. Thus, abnormal discharge on the surface of the oxide semiconductor target can be suppressed, and generation of particles can be suppressed. Further, in IGZO, since the conductivity of the target can be controlled, AC sputtering or DC sputtering can be used even in the oxide state, and such a problem does not occur even with a large-area substrate. When the oxide semiconductor layer 117 is formed, the in-plane uniformity of oxygen added to the oxide insulating layer 116 is high. Therefore, the amount of oxygen supplied to the oxide semiconductor layer 113 also has high uniformity in the substrate surface. Therefore, variations in transistor characteristics can be reduced in the surface of the substrate 101. Further, in this embodiment, since the oxide semiconductor layer 117 is removed, it is not necessary to consider control of the etching rate in the subsequent steps.

(第2実施形態)
本実施形態では、発明の一実施形態に係る半導体装置100Aに関し、図3A及び図3Bを参照して説明する。本実施形態では、デュアルゲート型トランジスタの構造について説明する。なお、第1実施形態に係る半導体装置と同様の構造や工程については、説明を省略する。
Second Embodiment
In the present embodiment, a semiconductor device 100A according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. In this embodiment, the structure of the dual gate transistor is described. The description of the same structures and processes as those of the semiconductor device according to the first embodiment will be omitted.

<半導体装置の構成>
図3Aは、本実施形態に係る半導体装置100の平面図であり、図3Bは、図3AのB1−B2線に沿って切断した断面図である。半導体装置100Aは、基板101Aと、基板101A上のゲート電極111Aと、ゲート電極111A上のゲート絶縁膜112Aと、ゲート絶縁膜112A上でゲート電極111と重畳する酸化物半導体層113Aと、酸化物半導体層113A上のソース電極及びドレイン電極114A、115Aと、ソース電極及びドレイン電極114A、115A上の酸化物絶縁層116Aと、を有する。また、ゲート電極111A、ゲート絶縁膜112A、酸化物半導体層113A、ソース電極及びドレイン電極114A、115Aによって、トランジスタ110Aが構成される。
<Structure of Semiconductor Device>
FIG. 3A is a plan view of the semiconductor device 100 according to the present embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG. 3A. The semiconductor device 100A includes a substrate 101A, a gate electrode 111A over the substrate 101A, a gate insulating film 112A over the gate electrode 111A, an oxide semiconductor layer 113A overlapping with the gate electrode 111 over the gate insulating film 112A, and an oxide The semiconductor device includes the source and drain electrodes 114A and 115A over the semiconductor layer 113A, and the oxide insulating layer 116A over the source and drain electrodes 114A and 115A. Further, the gate electrode 111A, the gate insulating film 112A, the oxide semiconductor layer 113A, and the source and drain electrodes 114A and 115A form a transistor 110A.

図3Bに示す半導体装置100Aは、酸化物絶縁層116A上に酸化物半導体層113Aと重畳するゲート電極118Aを有する点で、図1に示す半導体装置100と異なっている。ゲート電極118Aは、トランジスタ110Aの閾値電圧を制御するためのバックゲート電極として機能する。ゲート電極118Aに印加する電位を制御することで、トランジスタ110Aの閾値電圧を制御することができる。   The semiconductor device 100A illustrated in FIG. 3B is different from the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1 in that a gate electrode 118A overlapping with the oxide semiconductor layer 113A is provided over the oxide insulating layer 116A. The gate electrode 118A functions as a back gate electrode for controlling the threshold voltage of the transistor 110A. By controlling the potential applied to the gate electrode 118A, the threshold voltage of the transistor 110A can be controlled.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施形態に係る半導体装置100Aの製造方法について説明する。半導体装置100Aは、第1実施形態で説明した図2A乃至図2Fの工程に従って、酸化物絶縁層116A、酸化物半導体層117Aに加熱処理を行う。その後、酸化物半導体層117Aを除去して、酸化物絶縁層116A上に酸化物半導体層113Aと重畳するゲート電極118Aを形成する。ゲート電極118Aは、酸化物絶縁層116A上に導電膜を成膜した後、パターニングを行うことにより、所望の形状に加工することで形成する。導電膜は、スパッタリング法により、図1に示すゲート電極111において説明した材料を用いて形成することができる。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method of manufacturing the semiconductor device 100A according to the present embodiment will be described. The semiconductor device 100A performs heat treatment on the oxide insulating layer 116A and the oxide semiconductor layer 117A in accordance with the steps of FIGS. 2A to 2F described in the first embodiment. After that, the oxide semiconductor layer 117A is removed, and a gate electrode 118A overlapping with the oxide semiconductor layer 113A is formed over the oxide insulating layer 116A. The gate electrode 118A is formed by processing a conductive film to a desired shape by patterning after a conductive film is formed over the oxide insulating layer 116A. The conductive film can be formed by a sputtering method using the material described for the gate electrode 111 shown in FIG.

酸化物半導体層113Aにおいてダメージが生じた領域に酸素を供給するためには、酸化物絶縁層116Aの膜厚は厚いことが好ましい。しかしながら、図2A乃至図2Fの工程において説明したように、酸化物絶縁層116上に酸化物半導体層117を形成して加熱処理を行うことにより、酸化物絶縁層116から外部に酸素が放出されることを抑制することができる。したがって、効率よく、酸化物半導体層113Aに酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体層117でキャップをせずに加熱処理を行う場合と比較して、酸化物絶縁層116Aの膜厚を小さくすることができる。これにより、酸化物絶縁層116A上にゲート電極118Aを設けて、電圧を制御することが容易になる。また酸化物半導体層117を取り除かない場合、ゲート電極118Aと反応して、酸化物半導体層113Aへの酸素供給量が低下してしまうことがある。あらかじめ熱処理並びに酸化物半導体層117を取り除くことにより、これらの問題を防ぐことができる。   In order to supply oxygen to the damaged region of the oxide semiconductor layer 113A, the thickness of the oxide insulating layer 116A is preferably large. However, as described in the steps of FIGS. 2A to 2F, oxygen is released from the oxide insulating layer 116 to the outside by forming the oxide semiconductor layer 117 over the oxide insulating layer 116 and performing heat treatment. Can be suppressed. Accordingly, oxygen can be efficiently supplied to the oxide semiconductor layer 113A. Thus, the thickness of the oxide insulating layer 116A can be smaller than in the case where heat treatment is performed without capping with the oxide semiconductor layer 117. Accordingly, the gate electrode 118A is provided over the oxide insulating layer 116A, which facilitates voltage control. In the case where the oxide semiconductor layer 117 is not removed, the amount of oxygen supplied to the oxide semiconductor layer 113A may decrease due to reaction with the gate electrode 118A. These problems can be prevented by heat treatment and removal of the oxide semiconductor layer 117 in advance.

(第3実施形態)
本実施形態では、発明の一実施形態に係る半導体装置100Aに関し、図4A乃至図5Bを参照して説明する。本実施形態では、チャネル保護型トランジスタの構造について説明する。なお、第1実施形態に係る半導体装置と同様の構造や工程については、説明を省略する。
Third Embodiment
In the present embodiment, a semiconductor device 100A according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 5B. In the present embodiment, the structure of a channel protective transistor will be described. The description of the same structures and processes as those of the semiconductor device according to the first embodiment will be omitted.

<半導体装置の構成>
図4Aは、本実施形態に係る半導体装置100の平面図であり、図4Bは、図4AのC1−C2線に沿って切断した断面図である。半導体装置100Bは、基板101Bと、基板101B上のゲート電極111Bと、ゲート電極111B上のゲート絶縁膜112Bと、ゲート絶縁膜112B上でゲート電極111Bと重畳する酸化物半導体層113Bと、酸化物半導体層113B上の酸化物絶縁層116Bと、酸化物絶縁層116B上に設けられ開口を介して酸化物半導体層113Bと接続されるソース電極及びドレイン電極114B、115Bと、を有する。また、ゲート電極111B、ゲート絶縁膜112B、酸化物半導体層113B、ソース電極及びドレイン電極114B、115Bによって、トランジスタ110Bが構成される。
<Structure of Semiconductor Device>
FIG. 4A is a plan view of the semiconductor device 100 according to this embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line C1-C2 of FIG. 4A. The semiconductor device 100B includes a substrate 101B, a gate electrode 111B over the substrate 101B, a gate insulating film 112B over the gate electrode 111B, an oxide semiconductor layer 113B overlapping with the gate electrode 111B over the gate insulating film 112B, and an oxide The oxide insulating layer 116B over the semiconductor layer 113B and source and drain electrodes 114B and 115B which are provided over the oxide insulating layer 116B and connected to the oxide semiconductor layer 113B through an opening are provided. In addition, the gate electrode 111B, the gate insulating film 112B, the oxide semiconductor layer 113B, and the source and drain electrodes 114B and 115B form a transistor 110B.

図4Bに示す半導体装置100Bは、酸化物半導体層113B上に、酸化物絶縁層116Bが設けられ、酸化物絶縁層116B上に設けられ、開口を介して酸化物半導体層113Bと接続されるソース電極及びドレイン電極114B、115Bを有する点で、図1に示す半導体装置100と異なっている。   In the semiconductor device 100B illustrated in FIG. 4B, the oxide insulating layer 116B is provided over the oxide semiconductor layer 113B, the source is provided over the oxide insulating layer 116B, and is connected to the oxide semiconductor layer 113B through an opening. The semiconductor device 100 is different from the semiconductor device 100 shown in FIG.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施形態に係る半導体装置100Bの製造方法について、図5A及び図5Bを参照して説明する。半導体装置100Aは、第1実施形態で説明した図2A及び図2Bの工程に従って、ゲート絶縁膜112B上に、酸化物半導体層113Bを形成する。図5Aは、ゲート絶縁膜112B上に、酸化物半導体層113Bが形成された後の状態を示す図である。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method of manufacturing the semiconductor device 100B according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. The semiconductor device 100A forms the oxide semiconductor layer 113B on the gate insulating film 112B in accordance with the steps of FIGS. 2A and 2B described in the first embodiment. FIG. 5A is a diagram illustrating a state after the oxide semiconductor layer 113B is formed over the gate insulating film 112B.

次に、図5Bに示すように、酸化物半導体層113B上に、酸化物絶縁層116Bを成膜する。酸化物絶縁層116Bの形成方法は、図2Dで説明した酸化物絶縁層116と同様である。次に、酸化物絶縁層116B上に、酸化物半導体層117Bを成膜する。酸化物半導体層117Bの形成方法は、図2Eで説明した酸化物半導体層117Bの成膜方法と同様である。次に、酸化物絶縁層116B、酸化物半導体層117Bに対して、加熱処理を行う。加熱処理の条件は、図2Fで説明した加熱処理の条件と同様である。次に、酸化物半導体層117Bを除去する。   Next, as illustrated in FIG. 5B, the oxide insulating layer 116B is formed over the oxide semiconductor layer 113B. The formation method of the oxide insulating layer 116B is similar to that of the oxide insulating layer 116 described in FIG. 2D. Next, the oxide semiconductor layer 117B is formed over the oxide insulating layer 116B. The method for forming the oxide semiconductor layer 117B is the same as the method for forming the oxide semiconductor layer 117B described with reference to FIG. 2E. Next, heat treatment is performed on the oxide insulating layer 116B and the oxide semiconductor layer 117B. The conditions of the heat treatment are the same as the conditions of the heat treatment described in FIG. 2F. Next, the oxide semiconductor layer 117B is removed.

次に、酸化物絶縁層116Bに開口部を形成する。次に、酸化物絶縁層116B上に設けられ開口を介して酸化物半導体層113Bと接続されるソース電極及びドレイン電極114B、115Bを形成する。ソース電極及びドレイン電極114B、115Bは、酸化物絶縁層116B上に、導電膜を成膜し、パターニングを行うことにより、所望の形状に加工することで形成する。導電膜は、スパッタリング法により、図1に示すソース電極及びドレイン電極114、115において説明した材料を用いて形成することができる。   Next, an opening is formed in the oxide insulating layer 116B. Next, source and drain electrodes 114B and 115B which are provided over the oxide insulating layer 116B and connected to the oxide semiconductor layer 113B through the openings are formed. The source and drain electrodes 114B and 115B are formed by forming a conductive film over the oxide insulating layer 116B and patterning it to a desired shape. The conductive film can be formed by a sputtering method using the materials described for the source and drain electrodes 114 and 115 illustrated in FIG.

ボトムゲート型トランジスタと比較して、製造過程におけるバックチャネルへのダメージが少ないため、酸素欠損を低減させることができる。また、酸化物半導体層113Bに接して酸化物絶縁層116Bを設けることにより、酸化物半導体層113Bに酸素を供給することができる。これにより、トランジスタ110Bの特性の変動を抑制することができるため、半導体装置100Bの信頼性を向上させることができる。   As compared with a bottom gate transistor, oxygen vacancies can be reduced because damage to the back channel in the manufacturing process is small. Further, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor layer 113B by providing the oxide insulating layer 116B in contact with the oxide semiconductor layer 113B. Thus, variation in the characteristics of the transistor 110B can be suppressed, whereby the reliability of the semiconductor device 100B can be improved.

(第4実施形態)
本実施形態では、本発明の一実施形態に係る表示装置200について、図6及び図7を参照して説明する。表示装置200は、第1実施形態に係る半導体装置100を用いた表示装置の一例である。ただし、表示装置200に用いるトランジスタとして、第2実施形態及び第3実施形態の半導体装置100A及び半導体装置100Bを用いてもよい。
Fourth Embodiment
In the present embodiment, a display device 200 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. The display device 200 is an example of a display device using the semiconductor device 100 according to the first embodiment. However, the semiconductor device 100A and the semiconductor device 100B of the second embodiment and the third embodiment may be used as a transistor used for the display device 200.

<表示装置200の概要>
図6は、本発明の一実施形態に係る表示装置200の概要を示す平面図である。図6は、トランジスタや配線が配置されたトランジスタアレイ基板の簡易的な回路図を示している。トランジスタアレイ基板は、M行N列(M及びNは自然数)のマトリクス状に配置された複数の画素208を有している。各画素208は、コモン配線214に接続されている。また、複数の画素208が設けられた領域を、表示領域202と呼ぶ。
<Overview of Display Device 200>
FIG. 6 is a plan view showing an outline of a display device 200 according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a simplified circuit diagram of a transistor array substrate in which transistors and wirings are arranged. The transistor array substrate has a plurality of pixels 208 arranged in a matrix of M rows and N columns (M and N are natural numbers). Each pixel 208 is connected to the common wiring 214. Further, a region in which the plurality of pixels 208 are provided is referred to as a display region 202.

ゲートドライバ回路203は、各画素208の階調に対応するデータ信号を供給する行を選択するドライバ回路である。ゲートドライバ回路203に第1方向D1に延在するゲート線211が接続されている。ゲート線211は、各画素208にデータ信号を供給するドライバ回路である。データドライバ回路204に第2方向D2に延在するデータ線212が接続されている。データ線212は、各画素208に対応して設けられている。コモン配線214は、各画素208に共通する電圧が供給される配線である。また、コモン配線214は、第1方向D1に延在するコモン線213を介して各画素208に共通して接続されている。データドライバ回路204は、ゲートドライバ回路203によって選択された行の画素に対して、順次データ信号を供給する。   The gate driver circuit 203 is a driver circuit that selects a row to which a data signal corresponding to the gray level of each pixel 208 is supplied. A gate line 211 extending in the first direction D1 is connected to the gate driver circuit 203. The gate line 211 is a driver circuit that supplies a data signal to each pixel 208. A data line 212 extending in the second direction D2 is connected to the data driver circuit 204. The data line 212 is provided corresponding to each pixel 208. The common wiring 214 is a wiring to which a voltage common to the pixels 208 is supplied. The common wiring 214 is commonly connected to each pixel 208 via a common line 213 extending in the first direction D1. The data driver circuit 204 sequentially supplies data signals to the pixels in the row selected by the gate driver circuit 203.

ゲートドライバ回路203及びデータドライバ回路204は、それぞれ配線を介してドライバIC205に接続される。なお、データドライバ回路204は、ドライバIC205の内部に設けられていてもよい。コモン配線214もドライバIC205に接続される。ドライバIC205は、端子を介してFPC206に接続される。FPC206には外部機器と接続するための外部端子207が設けられている。   The gate driver circuit 203 and the data driver circuit 204 are each connected to the driver IC 205 through a wire. The data driver circuit 204 may be provided inside the driver IC 205. The common wiring 214 is also connected to the driver IC 205. The driver IC 205 is connected to the FPC 206 through a terminal. The FPC 206 is provided with an external terminal 207 for connecting to an external device.

<画素208の構成1>
本実施形態では、表示装置として、トップエミッション型の有機EL表示装置である場合について説明する。図7は、画素208の断面図である。画素208は、基板301上に、第1実施形態に係るトランジスタ110と、発光素子330と、を少なくとも有する。
<Configuration 1 of Pixel 208>
In the present embodiment, a case where the display device is a top emission type organic EL display device will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view of the pixel 208. The pixel 208 at least includes the transistor 110 according to the first embodiment and the light emitting element 330 on the substrate 301.

図7では、基板101とゲート電極111との間にアンダーコート層102が設けられている。アンダーコート層102を設けることにより、基板101から水分や水素が、酸化物半導体層113などに拡散することを抑制することができる。   In FIG. 7, the undercoat layer 102 is provided between the substrate 101 and the gate electrode 111. With the undercoat layer 102, diffusion of moisture or hydrogen from the substrate 101 into the oxide semiconductor layer 113 or the like can be suppressed.

トランジスタ110上には、酸化物絶縁層116が設けられている。また、酸化物絶縁層118上には、平坦化膜318が設けられている。平坦化膜318として、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、エポキシ等を用いることができる。これらの材料は、溶液塗布法により膜を形成することが可能であり、平坦化効果が高いという特長がある。また、酸化物絶縁層116及び平坦化膜318には、開口部が設けられている。   An oxide insulating layer 116 is provided over the transistor 110. In addition, a planarization film 318 is provided over the oxide insulating layer 118. As the planarization film 318, polyimide, polyamide, acrylic, epoxy or the like can be used. These materials are characterized in that they can form a film by a solution coating method and have a high planarization effect. In addition, an opening is provided in the oxide insulating layer 116 and the planarization film 318.

平坦化膜318上に、透明導電層319、321が設けられている。透明導電層319は、開口部を介して、ソース電極又はドレイン電極115と接続されている。透明導電層319、321として、例えば、酸化インジウム系透明導電膜(例えばITO)や、酸化亜鉛系透明導電膜(例えばIZO、ZnO)を用いることができる。透明導電層319、321上には、絶縁層322が設けられている。絶縁層322として、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を用いることができる。   Transparent conductive layers 319 and 321 are provided on the planarization film 318. The transparent conductive layer 319 is connected to the source or drain electrode 115 through the opening. As the transparent conductive layers 319 and 321, for example, an indium oxide based transparent conductive film (for example, ITO) or a zinc oxide based transparent conductive film (for example, IZO, ZnO) can be used. An insulating layer 322 is provided on the transparent conductive layers 319 and 321. As the insulating layer 322, a silicon oxide film or a silicon nitride film can be used.

絶縁層322上には、画素電極323が設けられている。本実施形態では、画素電極323は、アノードとして機能する。例えば、トップエミッション型である場合、画素電極323として反射率の高い金属膜を用いることができる。または、画素電極323として、酸化インジウム系透明導電層(例えばITO)や酸化亜鉛系透明導電層(例えばIZO、ZnO)等の仕事関数の高い透明導電層と金属膜との積層構造を用いることができる。ボトムエミッション型である場合、画素電極323として、上述した透明導電層を用いることができる。   The pixel electrode 323 is provided on the insulating layer 322. In the present embodiment, the pixel electrode 323 functions as an anode. For example, in the case of the top emission type, a metal film with high reflectance can be used as the pixel electrode 323. Alternatively, a stacked structure of a metal film and a transparent conductive layer having a high work function, such as an indium oxide based transparent conductive layer (for example, ITO) or a zinc oxide based transparent conductive layer (for example, IZO or ZnO), may be used as the pixel electrode 323. it can. In the case of the bottom emission type, the above-described transparent conductive layer can be used as the pixel electrode 323.

画素電極323上には、絶縁層324が設けられる。絶縁層324として、ポリイミド系、ポリアミド系、アクリル系、エポキシ系、又はシロキサン系などの有機樹脂を用いることができる。絶縁層324は、画素電極323上の一部に開口部を有する。絶縁層324は、画素電極323の端部を覆うように設けられ、隣接する画素電極323を隔離する部材として機能する。このため、絶縁層324は、一般的に、「隔壁」、「バンク」とも呼ばれる。絶縁層324から露出された画素電極323の一部が、発光素子330の発光領域となる。絶縁層324の開口部は、内壁がテーパー形状となるように形成されることが好ましい。これにより、後に形成される有機層の形成時に、カバレッジ不良を低減することができる。絶縁層234は、画素電極323の端部を覆うだけでなく、平坦化膜318及び絶縁層322が有する開口部に起因する凹部を埋める充填材として機能させてもよい。   An insulating layer 324 is provided over the pixel electrode 323. As the insulating layer 324, an organic resin such as polyimide, polyamide, acrylic, epoxy, or siloxane can be used. The insulating layer 324 has an opening in part on the pixel electrode 323. The insulating layer 324 is provided so as to cover an end portion of the pixel electrode 323, and functions as a member for separating the adjacent pixel electrode 323. For this reason, the insulating layer 324 is also generally referred to as "partition wall" or "bank". A part of the pixel electrode 323 exposed from the insulating layer 324 serves as a light emitting region of the light emitting element 330. The opening of the insulating layer 324 is preferably formed so that the inner wall has a tapered shape. Thereby, coverage defects can be reduced at the time of formation of the organic layer to be formed later. The insulating layer 234 may not only cover the end portion of the pixel electrode 323, but also may function as a filling material which fills a concave portion due to the opening of the planarization film 318 and the insulating layer 322.

画素電極323上には、有機層325が設けられる。有機層325は、少なくとも有機材料で構成される発光層を有し、発光素子330の発光部として機能する。有機層325には、発光層以外に、電子注入層、電子輸送層、正孔注入層、正孔輸送層といった各種の電荷輸送層も含まれる。有機層325は、発光領域を覆うように、すなわち、発光領域における絶縁層324の開口部を覆うように設けられる。   An organic layer 325 is provided on the pixel electrode 323. The organic layer 325 includes at least a light emitting layer formed of an organic material and functions as a light emitting portion of the light emitting element 330. The organic layer 325 includes various charge transport layers such as an electron injection layer, an electron transport layer, a hole injection layer, and a hole transport layer, in addition to the light emitting layer. The organic layer 325 is provided to cover the light emitting region, that is, to cover the opening of the insulating layer 324 in the light emitting region.

本実施形態では、有機層325は、所望の色の光を発する発光層を含む。また、各画素電極上に、異なる発光層を有する有機層325を設ける。これにより、表示装置は、RGBの各色を表示することができる。つまり、本実施形態において、有機層325の発光層は、隣接する画素電極323の間では不連続である。また、各種の電荷輸送層は、隣接する画素電極323の間では連続する。有機層325には、公知の構造や公知の材料を用いることが可能であり、特に限定されない。また、有機層325は、白色光を発する発光層を有し、表示装置は、カラーフィルタを通してRGBの各色を表示してもよい。この場合、有機層325は、絶縁層324上にも設けられていてもよい。   In the present embodiment, the organic layer 325 includes a light emitting layer that emits light of a desired color. In addition, an organic layer 325 having different light emitting layers is provided on each pixel electrode. Thereby, the display device can display each color of RGB. That is, in the present embodiment, the light emitting layer of the organic layer 325 is discontinuous between the adjacent pixel electrodes 323. In addition, various charge transport layers are continuous between the adjacent pixel electrodes 323. For the organic layer 325, a known structure or a known material can be used, and is not particularly limited. In addition, the organic layer 325 may have a light emitting layer that emits white light, and the display device may display each color of RGB through a color filter. In this case, the organic layer 325 may also be provided on the insulating layer 324.

絶縁層324及び有機層325上には、対向電極326が設けられる。本実施形態では、対向電極326は、カソードとして機能する。本実施形態の表示装置200は、トップエミッション型であるため、対向電極326として透明電極を用いる。透明電極を構成する薄膜としては、MgAg薄膜又は透明導電層(ITOやIZO)を用いる。対向電極326は、各画素間をまたいで、絶縁層324上にも設けられる。対向電極326は、表示領域の端部付近の周辺領域において下層の導電層を介して外部端子へと電気的に接続される。   A counter electrode 326 is provided over the insulating layer 324 and the organic layer 325. In the present embodiment, the counter electrode 326 functions as a cathode. The display device 200 of this embodiment is a top emission type, and thus a transparent electrode is used as the counter electrode 326. As a thin film which comprises a transparent electrode, a MgAg thin film or a transparent conductive layer (ITO or IZO) is used. The counter electrode 326 is also provided on the insulating layer 324, between the pixels. The counter electrode 326 is electrically connected to the external terminal through the lower conductive layer in the peripheral area near the end of the display area.

本実施形態では、画素電極323(アノード)と、有機層325と、対向電極326(カソード)と、によって発光素子330が構成される。   In the present embodiment, the light emitting element 330 is configured by the pixel electrode 323 (anode), the organic layer 325, and the counter electrode 326 (cathode).

対向電極326上に、無機絶縁層331、有機絶縁層332、及び無機絶縁層333が設けられている。無機絶縁層331、有機絶縁層332、及び無機絶縁層333は、発光素子330に水分や酸素が侵入することを防止するための封止膜として機能する。発光素子339上に封止膜を設けることにより、発光素子330に水分や酸素が侵入することを防止することができる。これにより、表示装置の信頼性を向上させることができる。   An inorganic insulating layer 331, an organic insulating layer 332, and an inorganic insulating layer 333 are provided over the counter electrode 326. The inorganic insulating layer 331, the organic insulating layer 332, and the inorganic insulating layer 333 function as sealing films for preventing moisture and oxygen from entering the light emitting element 330. By providing the sealing film over the light emitting element 339, entry of moisture or oxygen into the light emitting element 330 can be prevented. Thereby, the reliability of the display device can be improved.

無機絶縁層331及び無機絶縁層333として、例えば、窒化シリコン(Si)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、酸化アルミニウム(Al)、窒化アルミニウム(Al)、酸化窒化アルミニウム(Al)、窒化酸化アルミニウム(Al)等の膜などを用いることができる(x、y、zは任意の整数)。有機絶縁層332として、ポリイミド、アクリル、エポキシ、シリコーン、フッ素、シロキサンなどの有機樹脂を用いることができる。 As the inorganic insulating layer 331 and the inorganic insulating layer 333, for example, silicon nitride (Si x N y), silicon oxynitride (SiO x N y), silicon nitride oxide (SiN x O y), aluminum oxide (Al x O y) , Films such as aluminum nitride (Al x N y ), aluminum oxynitride (Al x O y N z ), aluminum nitride oxide (Al x N y O z ), etc. can be used (where x, y and z are arbitrary) Integer). As the organic insulating layer 332, an organic resin such as polyimide, acrylic, epoxy, silicone, fluorine, or siloxane can be used.

無機絶縁層333上には、粘着材334を介して基板335が設けられている。粘着材334として、例えば、アクリル系、ゴム系、シリコーン系、ウレタン系などの粘着材を用いることができる。また、粘着材334には、カルシウムやゼオライトなどの吸湿物質が含まれていてもよい。粘着材334に吸湿物質が含まれることにより、表示装置200の内部に水分が侵入した場合であっても、発光素子330に水分が到達することを遅らせることができる。   A substrate 335 is provided over the inorganic insulating layer 333 with an adhesive 334 interposed therebetween. As the adhesive material 334, for example, an acrylic, rubber, silicone, urethane or other adhesive can be used. The adhesive 334 may contain a hygroscopic substance such as calcium or zeolite. By containing the moisture absorbing substance in the adhesive material 334, even when moisture intrudes into the display device 200, the moisture can be delayed from reaching the light emitting element 330.

基板335は、ガラス基板、石英基板、フレキシブル基板(ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、環状オレフィン・コポリマー、シクロオレフィンポリマー、その他の可撓性を有する樹脂基板)を用いることができる。   As the substrate 335, a glass substrate, a quartz substrate, a flexible substrate (polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, triacetyl cellulose, cyclic olefin copolymer, cycloolefin polymer, or other flexible resin substrate) can be used. .

また、粘着材334には、基板101と基板335との間の間隙を確保するためにスペーサを設けてもよい。このようなスペーサは、粘着材334に混ぜてもよいし、基板101上に樹脂等により形成してもよい。   Further, the adhesive 334 may be provided with a spacer in order to secure a gap between the substrate 101 and the substrate 335. Such a spacer may be mixed with the adhesive 334 or may be formed on the substrate 101 by a resin or the like.

表示装置200の画素208に、本発明の一実施形態に係るトランジスタ110が用いられている。トランジスタ110は、特性の変動が抑制されている。したがって、表示装置200の信頼性を向上させることができる。また、基板面内でのトランジスタ110の特性のばらつきが抑制されている。これにより、発光素子の階調制御が容易になる。   The transistor 110 according to an embodiment of the present invention is used for the pixel 208 of the display device 200. The transistor 110 has suppressed variation in characteristics. Therefore, the reliability of the display device 200 can be improved. In addition, variation in the characteristics of the transistor 110 in the substrate surface is suppressed. This facilitates gradation control of the light emitting element.

(第5実施形態)
本実施形態では、本発明の一実施形態に係る表示装置について、図6及び図8を参照して説明する。本実施形態では、図6に示す画素208として、液晶素子を用いる場合について説明する。また、画素208では、第1実施形態に係る半導体装置100を用いる例について説明するが、第2実施形態及び第3実施形態の半導体装置100A及び半導体装置100Bを用いてもよい。
Fifth Embodiment
In the present embodiment, a display device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 8. In this embodiment, a case where a liquid crystal element is used as the pixel 208 illustrated in FIG. 6 will be described. In addition, in the pixel 208, an example using the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described, but the semiconductor device 100A and the semiconductor device 100B according to the second embodiment and the third embodiment may be used.

<画素208の構成2>
本実施形態では、表示装置として、液晶表示装置である場合について説明する。図8は、画素208の断面図である。画素208は、基板301上に、第1実施形態に係るトランジスタ110と、液晶素子430と、を少なくとも有する。
<Configuration 2 of Pixel 208>
In the present embodiment, the case where the display device is a liquid crystal display device will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view of the pixel 208. The pixel 208 at least includes the transistor 110 according to the first embodiment and the liquid crystal element 430 on the substrate 301.

トランジスタ110上には、酸化物絶縁層116が設けられている。また、酸化物絶縁層118上には、平坦化膜418が設けられている。平坦化膜418として、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、エポキシ等を用いることができる。これらの材料は、溶液塗布法により膜を形成することが可能であり、平坦化効果が高いという特長がある。また、酸化物絶縁層116及び平坦化膜418には、開口部が設けられている。   An oxide insulating layer 116 is provided over the transistor 110. In addition, a planarization film 418 is provided over the oxide insulating layer 118. As the planarization film 418, polyimide, polyamide, acrylic, epoxy, or the like can be used. These materials are characterized in that they can form a film by a solution coating method and have a high planarization effect. In addition, an opening is provided in the oxide insulating layer 116 and the planarization film 418.

平坦化膜418上に、画素電極421が設けられている。画素電極421として、例えば、酸化インジウム系透明導電膜(例えばITO)や、酸化亜鉛系透明導電膜(例えばIZO、ZnO)を用いることができる。画素電極421は、開口部を介して、ソース電極又はドレイン電極115と接続されている。なお、画素電極421は、平面視したとき、画素ごとに分離され、かつ櫛歯状に設けられている。   A pixel electrode 421 is provided on the planarization film 418. As the pixel electrode 421, for example, an indium oxide based transparent conductive film (for example, ITO) or a zinc oxide based transparent conductive film (for example, IZO, ZnO) can be used. The pixel electrode 421 is connected to the source or drain electrode 115 through the opening. Note that the pixel electrode 421 is separated for each pixel in a plan view, and is provided in a comb shape.

画素電極421上には、絶縁層422が設けられている。絶縁層422として、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を用いることができる。絶縁層422上には、共通電極423が設けられている。共通電極423として、画素電極421と同様の材料を用いることができる。また、共通電極423は、平面視したとき、各画素に跨って設けられ、かつトランジスタ110と重畳する領域に開口部が設けられている。   An insulating layer 422 is provided over the pixel electrode 421. As the insulating layer 422, a silicon oxide film or a silicon nitride film can be used. A common electrode 423 is provided on the insulating layer 422. For the common electrode 423, a material similar to that of the pixel electrode 421 can be used. Further, the common electrode 423 is provided straddling each pixel in a plan view, and an opening is provided in a region overlapping with the transistor 110.

基板427には、カラーフィルタ426と、平坦化膜425が設けられている。また、平坦化膜425と、共通電極423との間には液晶層424が設けられている。   The substrate 427 is provided with a color filter 426 and a planarization film 425. In addition, a liquid crystal layer 424 is provided between the planarization film 425 and the common electrode 423.

表示装置200の画素208に、本発明の一実施形態に係るトランジスタ110が用いられている。トランジスタ110は、特性の変動が抑制されている。したがって、表示装置200の信頼性を向上させることができる。また、基板面内でのトランジスタ110の特性のばらつきが抑制されている。   The transistor 110 according to an embodiment of the present invention is used for the pixel 208 of the display device 200. The transistor 110 has suppressed variation in characteristics. Therefore, the reliability of the display device 200 can be improved. In addition, variation in the characteristics of the transistor 110 in the substrate surface is suppressed.

本実施例では、本発明に係る半導体装置を作製し、基板面内におけるトランジスタのId−Vg特性のばらつきについて調査した結果について説明する。   In the present embodiment, the semiconductor device according to the present invention is manufactured, and the results of investigation of variations in Id-Vg characteristics of the transistor in the substrate surface will be described.

まず、本実施例で作製した半導体装置500について、図9Aを参照して説明する。   First, the semiconductor device 500 manufactured in this embodiment will be described with reference to FIG. 9A.

図9Aに示すように、半導体装置500は、基板501上に、ゲート電極511と、ゲート電極511上のゲート絶縁膜512と、ゲート絶縁膜512上に、ゲート電極511と重畳する酸化物半導体層513と、酸化物半導体層513上のソース電極514及びドレイン電極515と、ソース電極514及びドレイン電極515上の酸化物絶縁層516と、を有する。また、ゲート電極511、ゲート絶縁膜512、酸化物半導体層513、ソース電極514及びドレイン電極515によって、トランジスタ510が構成される。   As illustrated in FIG. 9A, the semiconductor device 500 includes an oxide semiconductor layer which overlaps with the gate electrode 511, the gate insulating film 512 over the gate electrode 511, and the gate electrode 511 over the substrate 501. 513, the source electrode 514 and the drain electrode 515 over the oxide semiconductor layer 513, and the oxide insulating layer 516 over the source electrode 514 and the drain electrode 515. Further, the gate electrode 511, the gate insulating film 512, the oxide semiconductor layer 513, the source electrode 514, and the drain electrode 515 form a transistor 510.

図9Aに示す半導体装置500の作製方法について説明する。まず、基板501上に、ゲート電極511を形成した。ゲート電極511として、DCスパッタリング法により、200nmのMoWを成膜し、パターンニングを行った。次に、ゲート電極511上に、ゲート絶縁膜512を形成した。ゲート絶縁膜512として、プラズマCVD法により、150nmの窒化シリコン膜と100nmの酸化シリコン膜を成膜した。次に、ゲート絶縁膜512上に、ゲート電極511と重畳する酸化物半導体層513を形成した。酸化物半導体層513として、ゲート絶縁膜512上に、ACスパッタリング法により、75nmのIGZO膜を成膜し、パターニングを行った。次に、酸化物半導体層513上に、ソース電極514及びドレイン電極515を形成した。ソース電極514及びドレイン電極515として、酸化物半導体層513上に、スパッタリング法により、50nmのTi、200nmのAl、50nmのTiを積層成膜し、パターニングを行った。次に、ソース電極514及びドレイン電極515上に、酸化物絶縁層516を形成した。酸化物絶縁層516は、プラズマCVD法により、300nmの酸化シリコン膜を成膜した。   A method for manufacturing the semiconductor device 500 shown in FIG. 9A will be described. First, the gate electrode 511 was formed over the substrate 501. As the gate electrode 511, MoW of 200 nm was formed by DC sputtering to perform patterning. Next, the gate insulating film 512 was formed over the gate electrode 511. As the gate insulating film 512, a 150 nm silicon nitride film and a 100 nm silicon oxide film were formed by plasma CVD. Next, the oxide semiconductor layer 513 which overlaps with the gate electrode 511 was formed over the gate insulating film 512. As the oxide semiconductor layer 513, a 75 nm IGZO film was formed over the gate insulating film 512 by an AC sputtering method, and patterning was performed. Next, the source electrode 514 and the drain electrode 515 were formed over the oxide semiconductor layer 513. As the source electrode 514 and the drain electrode 515, 50 nm Ti, 200 nm Al, and 50 nm Ti were deposited by sputtering over the oxide semiconductor layer 513 and patterned. Next, the oxide insulating layer 516 was formed over the source electrode 514 and the drain electrode 515. As the oxide insulating layer 516, a 300-nm-thick silicon oxide film was formed by a plasma CVD method.

次に、酸化物絶縁層516上に、酸化物半導体層を形成した。酸化物半導体層は、ACスパッタリング法により、30nmのIGZO膜を成膜した。次に、酸化物絶縁層516及び酸化物半導体層に対して加熱処理を行った。加熱処理の条件は、乾燥空気雰囲気、350℃にて、30分とした。最後に、酸化物半導体層を除去した。以上の工程により、トランジスタ510を含む半導体装置500を形成した。基板501には、複数のトランジスタ510が形成された。   Next, an oxide semiconductor layer was formed over the oxide insulating layer 516. For the oxide semiconductor layer, a 30 nm IGZO film was formed by AC sputtering. Next, heat treatment was performed on the oxide insulating layer 516 and the oxide semiconductor layer. The heat treatment conditions were a dry air atmosphere at 350 ° C. for 30 minutes. Finally, the oxide semiconductor layer was removed. Through the above steps, the semiconductor device 500 including the transistor 510 is formed. A plurality of transistors 510 is formed on the substrate 501.

次に、比較例として作製した半導体装置600について、図9Bを参照して説明する。   Next, a semiconductor device 600 manufactured as a comparative example will be described with reference to FIG. 9B.

図9Bに示すように、半導体装置600は、基板601上に、ゲート電極611と、ゲート電極611上のゲート絶縁膜612と、ゲート絶縁膜612上に、ゲート電極611と重畳する酸化物半導体層613と、酸化物半導体層613上のソース電極614、及びドレイン電極615と、ソース電極614、及びドレイン電極615上の酸化物絶縁層616と、を有する。また、ゲート電極611、ゲート絶縁膜612、酸化物半導体層613、ソース電極614、及びドレイン電極615によって、トランジスタ610が構成される。   As illustrated in FIG. 9B, in the semiconductor device 600, the gate electrode 611, the gate insulating film 612 over the gate electrode 611, and the oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode 611 over the substrate 601 are provided. 613, a source electrode 614 and a drain electrode 615 over the oxide semiconductor layer 613, and an oxide insulating layer 616 over the source electrode 614 and the drain electrode 615. Further, the gate electrode 611, the gate insulating film 612, the oxide semiconductor layer 613, the source electrode 614, and the drain electrode 615 form a transistor 610.

図9Bに示す半導体装置600の作製方法について説明する。半導体装置600は、基板601上にゲート電極611、ゲート絶縁膜612、酸化物半導体層613、ソース電極614、ドレイン電極615、及び酸化物絶縁層616を形成する工程までは、半導体装置500の基板501上にゲート電極511、ゲート絶縁膜512、酸化物半導体層513、ソース電極514、ドレイン電極515、及び酸化物絶縁層516を形成する工程と同じ条件で形成した。その後、酸化物半導体層を形成することなしに、加熱処理を行った。加熱処理の条件は、乾燥空気雰囲気、350℃にて、30分とした。以上の工程により、トランジスタ610を含む半導体装置600を形成した。基板601には、複数のトランジスタ510が形成された。   A method for manufacturing the semiconductor device 600 shown in FIG. 9B will be described. The semiconductor device 600 includes the substrate of the semiconductor device 500 up to the step of forming the gate electrode 611, the gate insulating film 612, the oxide semiconductor layer 613, the source electrode 614, the drain electrode 615, and the oxide insulating layer 616 over the substrate 601. The gate electrode 511, the gate insulating film 512, the oxide semiconductor layer 513, the source electrode 514, the drain electrode 515, and the oxide insulating layer 516 are formed over the 501 under the same conditions. After that, heat treatment was performed without forming an oxide semiconductor layer. The heat treatment conditions were a dry air atmosphere at 350 ° C. for 30 minutes. Through the above steps, the semiconductor device 600 including the transistor 610 is formed. On the substrate 601, a plurality of transistors 510 are formed.

基板501の面内におけるトランジスタ510のId−Vg特性のばらつきを調査した。基板501に形成された複数のトランジスタ510のうち、200個のトランジスタ510について、Id−Vg特性を測定した。図10Aに、基板501において、トランジスタ510のId−Vg特性を測定した箇所を示す。図10Aに示す×で示した箇所が、トランジスタ510のId−Vg特性を測定した箇所である。   Variations in the Id-Vg characteristics of the transistor 510 in the plane of the substrate 501 were investigated. The Id-Vg characteristics were measured for 200 transistors 510 among the plurality of transistors 510 formed over the substrate 501. FIG. 10A shows a portion of the substrate 501 where the Id-Vg characteristics of the transistor 510 were measured. The part shown by x shown in FIG. 10A is the part where the Id-Vg characteristic of the transistor 510 was measured.

トランジスタ510のId−Vg特性の測定は、トランジスタ510のゲート電極511に印加する電圧(Vg)として、−15Vから+15Vまで0.1Vステップで印加した。また、ソース電極514に印加する電圧(Vs)を0Vとし、ドレイン電極515に印加する電圧(Vd)を0.1V及び10Vとした。Id−Vg特性の測定は、室温で行った。   The measurement of the Id-Vg characteristics of the transistor 510 was performed in steps of 0.1 V from -15 V to +15 V as a voltage (Vg) applied to the gate electrode 511 of the transistor 510. The voltage (Vs) applied to the source electrode 514 was 0 V, and the voltages (Vd) applied to the drain electrode 515 were 0.1 V and 10 V. The measurement of Id-Vg characteristics was performed at room temperature.

基板601の面内におけるトランジスタ610のId−Vg特性のばらつきを調べた。基板601に形成された複数のトランジスタ610のうち、200個のトランジスタ610について、Id−Vg特性を測定した。図10Bに、基板601において、トランジスタ610のId−Vg特性を測定した箇所を示す。図10Bに示す×で示した箇所が、トランジスタ610のId−Vg特性を測定した箇所である。   Variations in the Id-Vg characteristics of the transistor 610 in the plane of the substrate 601 were examined. The Id-Vg characteristics were measured for 200 transistors 610 among the plurality of transistors 610 formed on the substrate 601. FIG. 10B shows a portion of the substrate 601 where the Id-Vg characteristics of the transistor 610 were measured. The part shown by x shown in FIG. 10B is the part where the Id-Vg characteristic of the transistor 610 was measured.

トランジスタ610のId−Vg特性の測定は、トランジスタ510のId−Vgと特性の測定と同様の条件にて行った。   The measurement of the Id-Vg characteristics of the transistor 610 was performed under the same conditions as the measurement of the characteristics of the Id-Vg of the transistor 510.

図11A乃至図11Dは、本実施例に係るトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図11Aは、領域501aにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図11Bは、領域501bにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図11Cは、領域501cにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図11Dは、領域501dにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。200個のトランジスタ510の閾値電圧の分布の平均値及び標準偏差(3σ)は、Vth=0.42V±0.48V(3σ)であった。   11A to 11D show the results of the Id-Vg characteristics of the transistor 510 according to this example. FIG. 11A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 in the region 501a. FIG. 11B shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 in the region 501b. FIG. 11C shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 in the region 501c. FIG. 11D shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 in the region 501d. The average value and standard deviation (3σ) of the threshold voltage distributions of the 200 transistors 510 were Vth = 0.42V ± 0.48V (3σ).

図12A乃至図12Dは、比較例に係るトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図12Aは、領域601aにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図12Bは、領域601bにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図12Cは、領域601cにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図12Dは、領域601dにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。200個のトランジスタ610の閾値電圧の分布の平均値及び標準偏差(3σ)は、Vth=0.35V±1.01V(3σ)であった。   12A to 12D show the results of the Id-Vg characteristics of the transistor 610 according to the comparative example. FIG. 12A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 610 in the region 601a. FIG. 12B shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 610 in the region 601b. FIG. 12C shows the result of Id-Vg characteristics of the transistor 610 in the region 601c. FIG. 12D shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 610 in the region 601d. The average value and standard deviation (3σ) of the threshold voltage distributions of the 200 transistors 610 were Vth = 0.35V ± 1.01V (3σ).

表1は、200個のトランジスタ510及びトランジスタ610の閾値電圧Vthと、電界効果移動度μFE、サブスレッショルド値S値について、平均値及び標準偏差(σ)を調査した結果である。 Table 1 shows the results of investigation of the average value and the standard deviation (σ) for the threshold voltage Vth of the 200 transistors 510 and 610, the field effect mobility μ FE , and the subthreshold value S value.

図12A乃至図12Dに示すように、比較例に係るトランジスタ610では、基板601の領域601a〜601bのいずれにおいても、トランジスタ610の特性のばらつきが大きいことが確認された。これに対し、図11A乃至図11Dに示すように、本実施例に係るトランジスタ510では、基板501の領域501a〜501bのいずれにおいても、トランジスタ510の特性のばらつきが小さいことが確認された。   As shown in FIGS. 12A to 12D, in the transistor 610 according to the comparative example, it is confirmed that the variation in the characteristics of the transistor 610 is large in any of the regions 601a to 601b of the substrate 601. On the other hand, as shown in FIGS. 11A to 11D, in the transistor 510 according to this example, it was confirmed that the variation in the characteristics of the transistor 510 is small in any of the regions 501a to 501b of the substrate 501.

以上の結果により、本発明に係る半導体装置は、基板面内においてトランジスタの特性のばらつきが小さくなることが示された。   From the above results, it was shown that in the semiconductor device according to the present invention, the variation in the characteristics of the transistor in the substrate surface is reduced.

本実施例では、本発明に係る半導体装置を作製し、トランジスタの信頼性評価を行った結果について説明する。   In this example, the semiconductor device according to the present invention is manufactured, and the result of evaluating the reliability of the transistor will be described.

実施例1に示す半導体装置500と同じ構成及び条件で本実施例に係る半導体装置500を作製した。また、実施例1に示す半導体装置600と同じ構成及び条件で比較例に係る半導体装置600を作製した。   The semiconductor device 500 according to the present example was manufactured under the same configuration and conditions as the semiconductor device 500 described in the first example. Further, a semiconductor device 600 according to the comparative example was manufactured under the same configuration and conditions as the semiconductor device 600 shown in the first embodiment.

次に、作製した半導体装置500及び半導体装置600に対して、バイアス−熱ストレス試験(以下、GBT試験と呼ぶ。)を行った。本実施例におけるGBT試験としては、ゲート電圧(Vg)を+30Vとして、ドレイン電圧(Vd)とソース電圧(Vs)を0Vとし、ストレス温度を60℃、測定環境はダークとした。また、ストレス時間0sec、100sec、500sec、1000sec、1500sec、2000sec、3600secにおいて、それぞれトランジスタ510及びトランジスタ610のId−Vg特性を測定した。   Next, a bias-heat stress test (hereinafter, referred to as a GBT test) was performed on the manufactured semiconductor device 500 and the semiconductor device 600. In the GBT test in this example, the gate voltage (Vg) was +30 V, the drain voltage (Vd) and the source voltage (Vs) were 0 V, the stress temperature was 60 ° C., and the measurement environment was dark. In addition, Id-Vg characteristics of the transistors 510 and 610 were measured at stress times of 0 sec, 100 sec, 500 sec, 1000 sec, 1500 sec, 2000 sec, and 3600 sec, respectively.

図13Aは、基板501の中央の測定点502aにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図13Bは、基板501の中央の測定点502aにおけるトランジスタ510の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。図14Aは、基板501の領域501aの中央の測定点502bにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図14Bは、基板501の領域501aの中央の測定点502bにおけるトランジスタ510の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。図15Aは、基板501の領域501aの端の測定点502cにおけるトランジスタ510のId−Vg特性の結果である。図15Bは、基板501の領域501aの端の測定点502cにおけるトランジスタ510の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。なお、図13A、図14A、図15Aにおいて、0sec、1500sec、3600secのトランジスタ510のId−Vg特性をそれぞれ示している。   FIG. 13A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 at the measurement point 502 a in the center of the substrate 501. FIG. 13B is a graph showing the time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 510 at the measurement point 502 a in the center of the substrate 501. FIG. 14A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 510 at the measurement point 502 b in the center of the region 501 a of the substrate 501. FIG. 14B is a graph showing the time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 510 at the measurement point 502 b in the center of the region 501 a of the substrate 501. FIG. 15A shows the result of the Id-Vg characteristics of the transistor 510 at the measurement point 502c at the edge of the region 501a of the substrate 501. FIG. 15B is a graph showing time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 510 at the measurement point 502c at the edge of the region 501a of the substrate 501. 13A, FIG. 14A, and FIG. 15A, the Id-Vg characteristics of the transistor 510 at 0 sec, 1500 sec, and 3600 sec are shown, respectively.

図16Aは、基板601の中央の測定点602aにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図16Bは、基板601の中央の測定点602aにおけるトランジスタ610の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。図17Aは、基板601の領域601aの中央の測定点602bにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図17Bは、基板601の領域601aの中央の測定点602bにおけるトランジスタ610の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。図18Aは、基板601の領域601aの端の測定点602cにおけるトランジスタ610のId−Vg特性の結果である。図18Bは、基板601の領域601aの端の測定点602cにおけるトランジスタ610の閾値電圧Vthの時間依存性を示すグラフである。なお、図16A、図17A、図18Aにおいて、0sec、1500sec、3600secのトランジスタ610のId−Vg特性をそれぞれ示している。   FIG. 16A shows the result of the Id-Vg characteristics of the transistor 610 at the center measurement point 602 a of the substrate 601. FIG. 16B is a graph showing time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 610 at the measurement point 602 a in the center of the substrate 601. FIG. 17A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 610 at the measurement point 602 b in the center of the region 601 a of the substrate 601. FIG. 17B is a graph showing the time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 610 at the measurement point 602 b in the center of the region 601 a of the substrate 601. FIG. 18A shows the result of the Id-Vg characteristic of the transistor 610 at the measurement point 602c at the edge of the region 601a of the substrate 601. FIG. FIG. 18B is a graph showing the time dependency of the threshold voltage Vth of the transistor 610 at the measurement point 602 c at the edge of the region 601 a of the substrate 601. 16A, FIG. 17A, and FIG. 18A, the Id-Vg characteristics of the transistor 610 at 0 sec, 1500 sec, and 3600 sec are shown, respectively.

表1は、各測定点502a〜502c、602a〜602cにおける閾値電圧の変動値ΔVthを示す。   Table 1 shows the variation value ΔVth of the threshold voltage at each of the measurement points 502 a to 502 c and 602 a to 602 c.

比較例1に係るトランジスタ610について、測定点602a〜602cでは、3600sec後の閾値電圧ΔVthは2V〜7V変動することが示された。これに対し、実施例に係るトランジスタ510では、について、測定点502a〜502cでは、3600sec後の閾値電圧ΔVthは1V程度しか変動しないことが示された。これにより、本実施例に係るトランジスタでは、比較例に係るトランジスタと比較して、トランジスタの閾値電圧の変動が小さくなることが確認できた。   For the transistor 610 according to Comparative Example 1, it was shown that the threshold voltage ΔVth after 3600 sec fluctuates by 2 V to 7 V at the measurement points 602 a to 602 c. On the other hand, in the transistor 510 according to the example, it was shown that the threshold voltage ΔVth after 3600 sec fluctuates only at about 1 V at the measurement points 502 a to 502 c. As a result, it was confirmed that in the transistor according to this example, the fluctuation of the threshold voltage of the transistor is smaller than that of the transistor according to the comparative example.

以上の結果により、本発明に係る半導体装置は、トランジスタの信頼性を向上させることができることが示された。   The above results show that the semiconductor device according to the present invention can improve the reliability of the transistor.

Claims (13)

基板上に第1ゲート電極を形成し、
前記第1ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に、前記第1ゲート電極と重畳する領域を含む第1酸化物半導体層を形成し、
前記第1酸化物半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成し、
前記ソース電極及びドレイン電極上に酸化物絶縁層を形成し、
前記酸化物絶縁層上に、酸素を含む雰囲気中で酸化物半導体ターゲットをスパッタリングして第2酸化物半導体層を成膜するとともに、前記酸化物絶縁層に酸素を添加し、
加熱処理を行うことで、前記酸素を前記第1酸化物半導体層に拡散させ、
前記加熱処理を行った後、前記第2酸化物半導体層を除去する、半導体装置の製造方法。
Forming a first gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film on the first gate electrode;
A first oxide semiconductor layer including a region overlapping with the first gate electrode is formed on the gate insulating film,
A source electrode and a drain electrode are formed on the first oxide semiconductor layer,
Forming an oxide insulating layer on the source and drain electrodes;
An oxide semiconductor target is sputtered on the oxide insulating layer in an atmosphere containing oxygen to form a second oxide semiconductor layer, and oxygen is added to the oxide insulating layer.
The heat treatment is performed to diffuse the oxygen into the first oxide semiconductor layer,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second oxide semiconductor layer is removed after the heat treatment.
前記第2酸化物半導体層の膜厚は、前記第1酸化物半導体層の膜厚よりも薄い、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a film thickness of the second oxide semiconductor layer is smaller than a film thickness of the first oxide semiconductor layer. 前記第2酸化物半導体層のキャリア濃度は、1×1013以上1×1020cm-3以下である、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a carrier concentration of the second oxide semiconductor layer is 1 × 10 13 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less. 前記加熱処理の温度は、300℃以上400℃以下で行う、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a temperature of the heat treatment is 300 ° C. or more and 400 ° C. or less. 前記スパッタリングは、希ガスに対する酸素ガス流量比が30%以上である、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the sputtering, an oxygen gas flow ratio to a rare gas is 30% or more. 前記第2酸化物半導体層の材料は、前記第1酸化物半導体層の材料と同じである、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a material of the second oxide semiconductor layer is the same as a material of the first oxide semiconductor layer. 前記第1酸化物半導体層及び前記第2酸化物半導体層は、少なくともインジウム、ガリウム、亜鉛を含む、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer contain at least indium, gallium, and zinc. 前記第2酸化物半導体層の材料は、前記第1酸化物半導体層の材料と異なる、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a material of the second oxide semiconductor layer is different from a material of the first oxide semiconductor layer. 前記第1酸化物半導体層及び前記第2酸化物半導体層は、少なくともインジウムを含む、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer contain at least indium. 前記第2酸化物半導体層を除去した後、前記酸化物絶縁層上に、前記第1酸化物半導体層と重畳する第2ゲート電極を形成する、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing the semiconductor device according to claim 1, wherein a second gate electrode overlapping with the first oxide semiconductor layer is formed on the oxide insulating layer after removing the second oxide semiconductor layer. 基板上の第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記第1ゲート電極と重畳する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の酸化物絶縁層と、を含み、
前記酸化物絶縁層の表面からの厚さが50nm以下の第1領域において、インジウムを含む、半導体装置。
A first gate electrode on the substrate,
A gate insulating film on the first gate electrode;
An oxide semiconductor layer overlapping the first gate electrode on the gate insulating film;
An oxide insulating layer on the oxide semiconductor layer;
A semiconductor device comprising indium in a first region whose thickness from the surface of the oxide insulating layer is 50 nm or less.
前記第1領域に含まれる前記インジウムの濃度は、1×1017atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下である、請求項11に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11, wherein a concentration of the indium contained in the first region is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. 前記酸化物絶縁層上に、前記酸化物半導体層と重畳する第2ゲート電極をさらに有する、請求項12に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 12, further comprising a second gate electrode overlapping the oxide semiconductor layer, on the oxide insulating layer.
JP2018000827A 2018-01-05 2018-01-05 Semiconductor device and manufacturing method Pending JP2019121696A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018000827A JP2019121696A (en) 2018-01-05 2018-01-05 Semiconductor device and manufacturing method
CN202210519012.XA CN114937702A (en) 2018-01-05 2019-01-04 Method for manufacturing semiconductor device
CN201910007558.5A CN110010696B (en) 2018-01-05 2019-01-04 Semiconductor device and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018000827A JP2019121696A (en) 2018-01-05 2018-01-05 Semiconductor device and manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019121696A true JP2019121696A (en) 2019-07-22

Family

ID=67165343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018000827A Pending JP2019121696A (en) 2018-01-05 2018-01-05 Semiconductor device and manufacturing method

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2019121696A (en)
CN (2) CN114937702A (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7610936B2 (en) * 2020-08-07 2025-01-09 株式会社ジャパンディスプレイ Display device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103270601B (en) * 2010-12-20 2016-02-24 夏普株式会社 Semiconductor device and display unit
JP6053098B2 (en) * 2011-03-28 2016-12-27 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
KR101849268B1 (en) * 2011-05-13 2018-04-18 한국전자통신연구원 Highly stable thin film transistor under bias and illumination stress and fabrication method therof
KR101506303B1 (en) * 2011-09-29 2015-03-26 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP6059566B2 (en) * 2012-04-13 2017-01-11 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing semiconductor device
JP6128906B2 (en) * 2012-04-13 2017-05-17 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
TWI608616B (en) * 2012-11-15 2017-12-11 半導體能源研究所股份有限公司 Semiconductor device
CN107210226B (en) * 2015-02-04 2020-12-22 株式会社半导体能源研究所 Manufacturing method of semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
CN110010696A (en) 2019-07-12
CN114937702A (en) 2022-08-23
CN110010696B (en) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102170481B1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US8378351B2 (en) Thin film transistor, display device, and electronic unit
US9893201B2 (en) Oxide semiconductor film and semiconductor device
US10964787B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP2021002679A (en) Semiconductor device
KR20120100778A (en) Semiconductor device
US9735281B2 (en) Crystallization method for oxide semiconductor layer, semiconductor device manufactured using the same, and method for manufacturing the semiconductor device
US20180069126A1 (en) Semiconductor device
US11145766B2 (en) Active-matrix substrate and display device
CN116057610A (en) display device
US20240429321A1 (en) Semiconductor device
CN110010696B (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US10847655B2 (en) Semiconductor device
JP2013207100A (en) Thin-film transistor
US20240290861A1 (en) Semiconductor device
US20240088302A1 (en) Semiconductor device
US20250022929A1 (en) Semiconductor device
US20240021695A1 (en) Semiconductor device
KR20250047889A (en) Display device
KR20250011196A (en) Regenerative annealing of metal oxide thin film transistors
KR20240161471A (en) Semiconductor devices and their manufacturing methods
CN118541744A (en) Display device
US20190207032A1 (en) Semiconductor device
CN118715618A (en) Semiconductor devices
CN118872073A (en) Semiconductor devices