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JP2013201428A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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JP2013201428A
JP2013201428A JP2013031873A JP2013031873A JP2013201428A JP 2013201428 A JP2013201428 A JP 2013201428A JP 2013031873 A JP2013031873 A JP 2013031873A JP 2013031873 A JP2013031873 A JP 2013031873A JP 2013201428 A JP2013201428 A JP 2013201428A
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oxygen
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舜平 山崎
Masami Kaminaga
正美 神長
Terumasa Ikeyama
輝正 池山
Junichi Hizuka
純一 肥塚
Kenichi Okazaki
健一 岡崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for manufacturing a semiconductor device using an oxide semiconductor, which can achieve stable electrical characteristics and high reliability.SOLUTION: A manufacturing processes of a semiconductor device including a bottom-gate transistor which has an oxide semiconductor layer comprises: forming a source electrode layer and a drain electrode layer in the oxide semiconductor layer which overlaps a gate electrode layer; subsequently providing an oxygen excess region adjacent to the oxide semiconductor layer; forming an insulation layer for covering the oxygen excess region; and performing a heat treatment at the time of and/or after forming the insulation layer for covering the oxygen excess region, in a state where the oxygen excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer, and at a temperature of hydrogen or a hydrogen compound being removed from the oxide semiconductor layer or at a temperature more than the hydrogen removal temperature.

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。   Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a light-emitting display device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは、集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような半導体電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。   A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to semiconductor electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、酸化物半導体として、Zn−O系酸化物、又はIn−Ga−Zn−O系酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。   For example, a technique for manufacturing a transistor using a Zn—O-based oxide or an In—Ga—Zn—O-based oxide as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2).

ところで、酸化物半導体においては、水素が含まれることにより伝導帯から浅い準位にドナーが生成され低抵抗化(n型化)してしまうことが指摘されている。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じることが求められる。   By the way, it has been pointed out that in an oxide semiconductor, when hydrogen is contained, a donor is generated in a shallow level from the conduction band and the resistance is reduced (n-type). Therefore, it is required to take measures so that hydrogen is not mixed during formation of the oxide semiconductor.

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A

また、酸化物半導体において、キャリアの供給源は水素の他に、酸化物半導体中の酸素欠損が挙げられる。酸化物半導体における酸素欠損はドナーとなり、酸化物半導体中にキャリアである電子を生成する。トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。   In addition, in the oxide semiconductor, the supply source of carriers includes oxygen vacancies in the oxide semiconductor in addition to hydrogen. Oxygen vacancies in the oxide semiconductor serve as donors and generate electrons that are carriers in the oxide semiconductor. If there are many oxygen vacancies in the oxide semiconductor including the channel formation region of the transistor, electrons are generated in the channel formation region, which causes the threshold voltage of the transistor to fluctuate in the negative direction.

上述した問題に鑑み、本発明の一形態では、酸化物半導体を用いた半導体装置であって、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。   In view of the above problems, according to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device using an oxide semiconductor, which can provide stable electrical characteristics and achieve high reliability. One purpose is to provide.

酸化物半導体層を有するボトムゲート構造のトランジスタを有する半導体装置の作製工程において、ゲート電極層と重畳する酸化物半導体層にソース電極層及びドレイン電極層を形成した後、酸化物半導体層に隣接して酸素過剰領域(化学量論的組成より酸素が過剰に含まれる領域)を設け、酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成する。該酸素過剰領域を被覆する絶縁層の形成時、及び/又は形成後に、酸素過剰領域が酸化物半導体層に隣接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。なお、酸化物半導体層から水素又は水素化合物(例えばOH)を離脱させる目的で行う該熱処理を脱水素化処理ともいう。また、酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成時に行う熱処理の温度と、形成後に行う熱処理温度は異なってもよい。   In a manufacturing process of a semiconductor device including a bottom-gate transistor including an oxide semiconductor layer, a source electrode layer and a drain electrode layer are formed over the oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer and then adjacent to the oxide semiconductor layer. Thus, an oxygen-excess region (a region in which oxygen is excessively contained in the stoichiometric composition) is provided, and an insulating layer that covers the oxygen-excess region is formed. A temperature at which hydrogen or a hydrogen compound is released from the oxide semiconductor layer in the state where the oxygen excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer and / or after the formation of the insulating layer covering the oxygen excess region, or Heat treatment is performed at the above temperature. Note that the heat treatment performed for the purpose of releasing hydrogen or a hydrogen compound (eg, OH) from the oxide semiconductor layer is also referred to as dehydrogenation treatment. Further, the temperature of the heat treatment performed at the time of forming the insulating layer covering the oxygen-excess region may be different from the temperature of the heat treatment performed after the formation.

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ゲート電極層と重畳する酸化物半導体層にソース電極層及びドレイン電極層を形成した後、前記酸化物半導体層に隣接して酸素過剰領域を設け、前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成し、前記酸素過剰領域が前記酸化物半導体層に隣接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。   In one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification, after forming a source electrode layer and a drain electrode layer in an oxide semiconductor layer overlapping with a gate electrode layer, an oxygen-excess region is formed adjacent to the oxide semiconductor layer. Providing an insulating layer covering the oxygen-excess region, and in a state where the oxygen-excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer, a temperature at which hydrogen or a hydrogen compound is released from the oxide semiconductor layer, or higher Heat treatment is performed at a temperature.

本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、ゲート電極層と重畳する酸化物半導体層にソース電極層及びドレイン電極層を形成した後、前記酸化物半導体層に隣接して酸素過剰領域を設け、前記酸素過剰領域が前記酸化物半導体層に隣接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行いながら、前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成する。   In another embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification, a source electrode layer and a drain electrode layer are formed in an oxide semiconductor layer overlapping with a gate electrode layer, and then an oxygen excess layer is adjacent to the oxide semiconductor layer. An oxygen-excess region is provided while performing heat treatment at a temperature at which hydrogen or a hydrogen compound is released from the oxide semiconductor layer or higher in a state where the oxygen-excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer. An insulating layer is formed to cover the film.

なお、酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成時に熱処理を行う場合、酸素過剰領域から酸素が放出しない温度で行うことが好ましい。   Note that in the case where the heat treatment is performed at the time of forming the insulating layer covering the oxygen-excess region, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature at which oxygen is not released from the oxygen-excess region.

該熱処理により、酸化物半導体層から離脱する水素の一部は、酸素と反応し水素化合物(例えばHO、OH)となって、酸化物半導体層から放出される。 Part of hydrogen released from the oxide semiconductor layer by the heat treatment reacts with oxygen to be a hydrogen compound (eg, H 2 O, OH) and is released from the oxide semiconductor layer.

よって、酸素の供給がないと、離脱する水素は酸化物半導体層中において金属元素と結合している酸素(例えばIn−O結合の酸素)を奪取して反応し、水素化合物となって離脱するため、酸化物半導体中に酸素欠損が形成されてしまう。   Therefore, when oxygen is not supplied, hydrogen that is separated from the oxide semiconductor layer takes in oxygen bonded to a metal element (for example, oxygen in an In—O bond) and reacts to be separated as a hydrogen compound. Therefore, oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor.

酸化物半導体層に隣接して、酸素過剰領域を設けておくことで、酸化物半導体層から離脱する水素は、該酸化過剰領域から供給される酸素と反応することができるため、酸化物半導体層中において金属元素と結合している酸素を奪取して酸素欠損を形成することがない。   By providing an oxygen-excess region adjacent to the oxide semiconductor layer, hydrogen released from the oxide semiconductor layer can react with oxygen supplied from the oxide-excess region, so that the oxide semiconductor layer The oxygen deficiency is not formed by taking oxygen bonded to the metal element therein.

酸素は酸化物半導体層上に接して設けられる絶縁層を通過して外部へ放出されるため、酸素過剰領域は、化学量論的組成より酸素が過剰に含まれる絶縁層で形成することができる。該絶縁層において、少なくとも酸化物半導体層と接する界面近傍を、酸素過剰領域とする。酸素過剰領域を形成する絶縁層は、酸素供給層として機能する。   Since oxygen is released to the outside through an insulating layer provided in contact with the oxide semiconductor layer, the oxygen-excess region can be formed using an insulating layer that contains oxygen in excess of the stoichiometric composition. . In the insulating layer, at least the vicinity of the interface in contact with the oxide semiconductor layer is an oxygen-excess region. The insulating layer forming the oxygen excess region functions as an oxygen supply layer.

酸素過剰領域は、絶縁層に酸素ドープ処理(酸素導入処理)を行うことで形成することができる。酸素ドープ処理を行う絶縁層として酸素を含む絶縁層(酸化物絶縁層)を形成することが好ましい。   The oxygen excess region can be formed by performing oxygen doping treatment (oxygen introduction treatment) on the insulating layer. An insulating layer containing oxygen (oxide insulating layer) is preferably formed as the insulating layer subjected to the oxygen doping treatment.

なお、上記の「酸素ドープ処理」とは、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む)をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」という用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ処理」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ処理」(酸素プラズマ処理ともいう)が含まれる。   Note that the above “oxygen doping treatment” means that oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) in bulk is used. Say to add. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. In addition, the “oxygen doping treatment” includes “oxygen plasma doping treatment” (also referred to as oxygen plasma treatment) in which plasma oxygen is added to the bulk.

酸素ドープ処理として用いることのできる酸素プラズマ処理は、処理面積が大きいため、大型ガラス基板(例えば、第8世代(2200mm×2500mm)など)を用いる工程において好ましい。   The oxygen plasma treatment that can be used as the oxygen doping treatment has a large treatment area, and thus is preferable in a process using a large glass substrate (for example, an eighth generation (2200 mm × 2500 mm) or the like).

酸素ドープ処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素ドープ処理において、希ガスを用いてもよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen doping treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, a rare gas may be used in the oxygen doping process.

酸素供給層として機能する絶縁層(第1の絶縁層ともいう)、又は/及び酸素過剰領域を被覆する絶縁層(第2の絶縁層ともいう)は成膜ガスを用いる成膜方法により形成することができる。例えば、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により形成することができる。   An insulating layer functioning as an oxygen supply layer (also referred to as a first insulating layer) and / or an insulating layer covering an oxygen-excess region (also referred to as a second insulating layer) is formed by a deposition method using a deposition gas. be able to. For example, it can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

酸素供給層として機能する絶縁層(第1の絶縁層ともいう)は10nmより厚く、100nmより薄い(好ましくは、20nm以上50nm以下(例えば30nm))ことが好ましい。また、酸素過剰領域を被覆する絶縁層(第2の絶縁層ともいう)の膜厚は200nm以上500nm以下(例えば370nm)とすればよい。   The insulating layer functioning as an oxygen supply layer (also referred to as a first insulating layer) is preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm (preferably, 20 nm to 50 nm (for example, 30 nm)). In addition, the thickness of the insulating layer (also referred to as a second insulating layer) that covers the oxygen-excess region may be 200 nm to 500 nm (eg, 370 nm).

本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、LSIや、CPUや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including the transistor. For example, the invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including a transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor. For example, power devices mounted on LSIs, CPUs, power supply circuits, semiconductor integrated circuits including memories, thyristors, converters, image sensors, etc., light-emitting displays having electro-optical devices and light-emitting elements typified by liquid crystal display panels The present invention relates to an electronic device equipped with a device as a component.

本発明の一形態では、酸化物半導体を用いた半導体装置であって、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な半導体装置の作製方法を提供する。   According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device using an oxide semiconductor, which can provide stable electrical characteristics and high reliability can be provided.

半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する平面図。FIG. 10 is a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device. 実施例試料及び比較例試料のTDS測定結果を示す図。The figure which shows the TDS measurement result of an Example sample and a comparative example sample. 水素の移動の計算に用いたモデルを示す図。The figure which shows the model used for calculation of the movement of hydrogen. 図11に示すモデルの計算結果を示すグラフ。The graph which shows the calculation result of the model shown in FIG. 過剰酸素の移動の計算に用いたモデルを示す図。The figure which shows the model used for calculation of the movement of excess oxygen. 図13に示すモデルの計算結果を示すグラフ。The graph which shows the calculation result of the model shown in FIG. 酸素欠損の移動の計算に用いたモデルを示す図。The figure which shows the model used for calculation of the movement of oxygen deficiency. 図15に示すモデルの計算結果を示すグラフ。The graph which shows the calculation result of the model shown in FIG.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。   Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. However, the invention disclosed in this specification is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. Further, the invention disclosed in this specification is not construed as being limited to the description of the embodiments below. In addition, the ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. In addition, a specific name is not shown as a matter for specifying the invention in this specification.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor layer is described as an example of a semiconductor device.

トランジスタはチャネル形成領域が1つ形成されるシングルゲート構造でも、2つ形成されるダブルゲート構造もしくは3つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された2つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。   The transistor may have a single gate structure in which one channel formation region is formed, a double gate structure in which two channel formation regions are formed, or a triple gate structure in which three channel formation regions are formed. Alternatively, a dual gate type having two gate electrode layers arranged above and below the channel formation region with a gate insulating film interposed therebetween may be used.

図2に示すトランジスタ440は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図2(A)は平面図であり、図2(A)中の一点鎖線V−Zで切断した断面が図2(B)に相当し、図2(A)中の一点鎖線X−Yで切断した断面が図2(C)に相当する。   A transistor 440 illustrated in FIGS. 2A and 2B is an example of a transistor that has one of bottom-gate structures and is also referred to as an inverted staggered transistor. 2A is a plan view, and a cross section taken along a dashed line VZ in FIG. 2A corresponds to FIG. 2B, and a dashed line XY in FIG. The cut cross section corresponds to FIG.

トランジスタ440のチャネル長方向の断面図である図2(B)に示すように、トランジスタ440を含む半導体装置は、基板400上に、ゲート電極層401と、ゲート電極層401上にゲート絶縁膜402、酸化物半導体層403、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405bを有する。また、トランジスタ440を覆う絶縁層409、絶縁層407が設けられている。   2B which is a cross-sectional view of the transistor 440 in the channel length direction, a semiconductor device including the transistor 440 includes a gate electrode layer 401 over a substrate 400, and a gate insulating film 402 over the gate electrode layer 401. , An oxide semiconductor layer 403, a source electrode layer 405a, and a drain electrode layer 405b. An insulating layer 409 and an insulating layer 407 are provided to cover the transistor 440.

また、チャネル幅方向の断面図である図2(C)に示すように、酸化物半導体層403の側端部は絶縁層409に覆われている。   Further, as illustrated in FIG. 2C which is a cross-sectional view in the channel width direction, the side end portion of the oxide semiconductor layer 403 is covered with an insulating layer 409.

酸化物半導体層403に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)を含む。特にInと亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を有することが好ましい。   An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor layer 403 contains at least indium (In). In particular, it is preferable to contain In and zinc (Zn). In addition, it is preferable to include gallium (Ga) in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have a zirconium (Zr) as a stabilizer.

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。   As other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。   For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides In—Zn oxide, In—Mg oxide, In—Ga oxide, ternary metal In-Ga-Zn-based oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-La -Zn oxide, In-Ce-Zn oxide, In-Pr-Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm- Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, four In-Sn-Ga-Zn-based oxides, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, and In-Sn-Al-Zn-based oxides that are oxides of the base metal In-Sn-Hf-Zn-based oxides and In-Hf-Al-Zn-based oxides can be used.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。   Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=2:2:1、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1、In:Sn:Zn=2:1:3あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。   For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 2: 2: 1, or In: Ga: Zn = 3: 1: 2 atomic ratio In—Ga—Zn-based oxidation Or an oxide in the vicinity of the composition can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1, In: Sn: Zn = 2: 1: 3, or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide Or an oxide in the vicinity of the composition may be used.

しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性(移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。   However, the oxide semiconductor containing indium is not limited thereto, and an oxide semiconductor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, variation, and the like). In order to obtain the required semiconductor characteristics, it is preferable that the carrier concentration, the impurity concentration, the defect density, the atomic ratio between the metal element and oxygen, the interatomic distance, the density, and the like are appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。   For example, high mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.

なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成のrだけ近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)+(b−B)+(c−C)≦rを満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。 Note that for example, the composition of an oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: C, (A + B + C = 1) is the vicinity of r of the oxide composition, a, b, c are (a−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ It refers to meet the r 2. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.

酸化物半導体層403は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、CAAC(C Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、CAACよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、CAACよりも欠陥準位密度が高い。なお、CAACを有する酸化物半導体を、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)と呼ぶ。   For example, the oxide semiconductor layer 403 may include a non-single crystal. The non-single crystal includes, for example, CAAC (C Axis Aligned Crystal), polycrystal, microcrystal, and amorphous part. The amorphous part has a higher density of defect states than microcrystals and CAAC. In addition, microcrystals have a higher density of defect states than CAAC. Note that an oxide semiconductor including CAAC is referred to as a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor).

酸化物半導体層403は、例えばCAAC−OSを有してもよい。CAAC−OSは、例えば、c軸配向し、a軸または/およびb軸はマクロに揃っていない。   For example, the oxide semiconductor layer 403 may include a CAAC-OS. For example, the CAAC-OS is c-axis oriented, and the a-axis and / or the b-axis are not aligned macroscopically.

酸化物半導体層403は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体層は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。   For example, the oxide semiconductor layer 403 may include microcrystal. Note that an oxide semiconductor including microcrystal is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. The microcrystalline oxide semiconductor layer includes microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example.

酸化物半導体層403は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体層は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体層は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。   For example, the oxide semiconductor layer 403 may include an amorphous part. Note that an oxide semiconductor having an amorphous part is referred to as an amorphous oxide semiconductor. The amorphous oxide semiconductor layer has, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the amorphous oxide semiconductor layer is, for example, completely amorphous and does not have a crystal part.

なお、酸化物半導体層403が、CAAC−OS、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層構造を有してもよい。   Note that the oxide semiconductor layer 403 may be a mixed film of a CAAC-OS, a microcrystalline oxide semiconductor, and an amorphous oxide semiconductor. For example, the mixed film includes an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region. The mixed film may have a stacked structure of an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region, for example.

なお、酸化物半導体層403は、例えば、単結晶を有してもよい。   Note that the oxide semiconductor layer 403 may include a single crystal, for example.

酸化物半導体層403の膜厚は、1nm以上30nm以下(好ましくは5nm以上10nm以下)とし、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体層403は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。   The thickness of the oxide semiconductor layer 403 is 1 nm to 30 nm (preferably 5 nm to 10 nm). Etc. can be used as appropriate. The oxide semiconductor layer 403 may be formed using a sputtering apparatus which performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target.

図1(A)乃至図1(E)にトランジスタ440を有する半導体装置の作製方法の一例を示す。   FIGS. 1A to 1E illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 440.

絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることが出来る。なお、基板としては、熱膨張係数が25×10−7/℃以上50×10−7/℃以下(好ましくは、30×10−7/℃以上40×10−7/℃以下)であり、歪み点が650℃以上750℃以下(好ましくは、700℃以上740℃以下)である基板を用いることが好ましい。 There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 400 having an insulating surface as long as it has heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, various glass substrates used in the electronic industry such as glass substrates such as barium borosilicate glass and alumino borosilicate glass can be used. The substrate has a thermal expansion coefficient of 25 × 10 −7 / ° C. or higher and 50 × 10 −7 / ° C. or lower (preferably 30 × 10 −7 / ° C. or higher and 40 × 10 −7 / ° C. or lower). A substrate having a strain point of 650 ° C. or higher and 750 ° C. or lower (preferably 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower) is preferably used.

第5世代(1000mm×1200mmまたは1300mm×1500mm)、第6世代(1500mm×1800mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2500mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2880×3130mm)などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは450℃、好ましくは500℃の温度で1時間加熱処理を行った後の縮み量が20ppm以下、好ましくは10ppm以下、さらに好ましくは5ppm以下である大型ガラス基板を用いればよい。   5th generation (1000 mm × 1200 mm or 1300 mm × 1500 mm), 6th generation (1500 mm × 1800 mm), 7th generation (1870 mm × 2200 mm), 8th generation (2200 mm × 2500 mm), 9th generation (2400 mm × 2800 mm), 1st When a large glass substrate of 10 generations (2880 × 3130 mm) or the like is used, fine processing may be difficult due to shrinkage of the substrate caused by heat treatment in a manufacturing process of a semiconductor device. Therefore, when a large glass substrate as described above is used as the substrate, it is preferable to use a substrate with less shrinkage. For example, a large glass substrate having a shrinkage of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less after heat treatment at 450 ° C., preferably 500 ° C. for 1 hour, is preferably used as the substrate. Good.

または、基板400として、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。   Alternatively, as the substrate 400, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. Alternatively, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used. You may use what provided the semiconductor element on these board | substrates.

また、基板400として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。なお、可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジスタ440を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層403を含むトランジスタ440を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ440との間に剥離層を設けるとよい。   Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate 400. Note that in order to manufacture a flexible semiconductor device, the transistor 440 including the oxide semiconductor layer 403 may be directly formed over a flexible substrate, or the oxide semiconductor layer 403 may be formed over another manufacturing substrate. The transistor 440 including the transistor 440 may be manufactured, and then peeled and transferred to the flexible substrate. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor 440 including the oxide semiconductor layer.

基板400上に下地膜として絶縁膜を設けてもよい。絶縁膜としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。   An insulating film may be provided over the substrate 400 as a base film. As the insulating film, an oxide insulating film such as silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, hafnium oxide, gallium oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or the like is formed by a plasma CVD method or a sputtering method. It can be formed using a nitride insulating film such as aluminum nitride oxide or a mixed material thereof.

次に基板400上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層401を形成する。導電膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。   Next, a conductive film is formed over the substrate 400 and the conductive film is etched to form the gate electrode layer 401. Etching of the conductive film may be dry etching or wet etching, or both may be used.

ゲート電極層401の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。   The material of the gate electrode layer 401 can be formed using a metal material such as molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, or scandium, or an alloy material containing any of these materials as its main component. As the gate electrode layer 401, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide film such as nickel silicide may be used. The gate electrode layer 401 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極層401の材料は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。   The material of the gate electrode layer 401 is indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, oxide A conductive material such as indium zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the conductive material and the metal material can be employed.

また、ゲート電極層401として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。   The gate electrode layer 401 includes a metal oxide containing nitrogen, specifically, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, or an In—Ga containing nitrogen. An —O film, an In—Zn—O film containing nitrogen, an Sn—O film containing nitrogen, an In—O film containing nitrogen, or a metal nitride film (InN, SnN, or the like) can be used. These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or more, and when used as a gate electrode layer, the threshold voltage of the electrical characteristics of the transistor can be made positive. In other words, a so-called normally-off switching element can be realized.

本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚100nmのタングステン膜を形成する。   In this embodiment, a tungsten film with a thickness of 100 nm is formed by a sputtering method.

また、ゲート電極層401形成後に、基板400、及びゲート電極層401に熱処理を行ってもよい。例えば、GRTA装置により、650℃、1分〜5分間、熱処理を行えばよい。また、電気炉により、500℃、30分〜1時間、熱処理を行ってもよい。   Further, after the gate electrode layer 401 is formed, heat treatment may be performed on the substrate 400 and the gate electrode layer 401. For example, heat treatment may be performed at 650 ° C. for 1 minute to 5 minutes using a GRTA apparatus. Moreover, you may heat-process with an electric furnace for 500 degreeC and 30 minutes-1 hour.

次いで、ゲート電極層401上にゲート絶縁膜402を形成する(図1(A)参照)。   Next, a gate insulating film 402 is formed over the gate electrode layer 401 (see FIG. 1A).

ゲート絶縁膜402の膜厚は、1nm以上300nm以下とし、スパッタリング法、又は成膜ガスを用いたCVD法を用いることができる。CVD法としては、LPCVD法、プラズマCVD法などを用いることができ、また、他の方法としては、塗布膜なども用いることができる。   The thickness of the gate insulating film 402 is 1 nm to 300 nm, and a sputtering method or a CVD method using a deposition gas can be used. As the CVD method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like can be used. As another method, a coating film or the like can also be used.

ゲート絶縁膜402の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。   As a material of the gate insulating film 402, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used.

また、ゲート絶縁膜402の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh−k材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜402は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。 As materials for the gate insulating film 402, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSi x O y (x> 0, The gate leakage current can be reduced by using a high-k material such as y> 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)), or lanthanum oxide. Further, the gate insulating film 402 may have a single-layer structure or a stacked structure.

図3に、ゲート絶縁膜402を積層構造としたトランジスタ410を示す。   FIG. 3 illustrates a transistor 410 in which the gate insulating film 402 has a stacked structure.

図3に示すトランジスタ410は、ゲート電極層401側から順に、ゲート絶縁膜402a及びゲート絶縁膜402bが積層されたゲート絶縁膜402を含む。   A transistor 410 illustrated in FIG. 3 includes a gate insulating film 402 in which a gate insulating film 402a and a gate insulating film 402b are stacked in this order from the gate electrode layer 401 side.

例えば、ガラス基板からの不純物を遮断する効果の高い窒化物絶縁膜(例えば窒化酸化シリコン膜)をゲート絶縁膜402aに用い、酸素を多く含む酸化物絶縁膜(例えば、酸化窒化シリコン膜)をゲート絶縁膜402bとして用いることができる。   For example, a nitride insulating film (eg, a silicon nitride oxide film) that has a high effect of blocking impurities from a glass substrate is used for the gate insulating film 402a, and an oxide insulating film containing a large amount of oxygen (eg, a silicon oxynitride film) is gated. The insulating film 402b can be used.

図1に示すトランジスタ440では、ゲート絶縁膜402として、プラズマCVD法により膜厚100nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。   In the transistor 440 illustrated in FIG. 1, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm is formed as the gate insulating film 402 by a plasma CVD method.

次に、ゲート絶縁膜402上に島状の酸化物半導体層403を形成する(図1(A)参照)。   Next, an island-shaped oxide semiconductor layer 403 is formed over the gate insulating film 402 (see FIG. 1A).

次いで、ゲート電極層401、ゲート絶縁膜402、及び酸化物半導体層403上に、ソース電極層及びドレイン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。   Next, a conductive film to be a source electrode layer and a drain electrode layer (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate electrode layer 401, the gate insulating film 402, and the oxide semiconductor layer 403.

導電膜は後の熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In−SnO)、酸化インジウム酸化亜鉛(In−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 The conductive film is formed using a material that can withstand heat treatment performed later. As the conductive film used for the source electrode layer and the drain electrode layer, for example, a metal film containing an element selected from Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, and W, or metal nitriding containing the above-described element as a component A material film (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Further, a refractory metal film such as Ti, Mo, W or the like or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) is provided on one or both of the lower side or the upper side of a metal film such as Al or Cu. It is good also as a structure which laminated | stacked. The conductive film used for the source electrode layer and the drain electrode layer may be formed using a conductive metal oxide. Examples of the conductive metal oxide include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 ), and indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO) or a metal oxide material containing silicon oxide can be used.

フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する(図1(A)参照)。ソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、レジストマスクを除去する。   A resist mask is formed over the conductive film by a photolithography step, and selective etching is performed to form a source electrode layer 405a and a drain electrode layer 405b (see FIG. 1A). After the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are formed, the resist mask is removed.

本実施の形態では、導電膜のエッチングには、塩素を含むガス、例えば、塩素(Cl)、三塩化硼素(BCl)、四塩化珪素(SiCl)、四塩化炭素(CCl)などを含むガスを用いることができる。また、フッ素を含むガス、例えば、四弗化炭素(CF)、弗化硫黄(SF)、弗化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)などを含むガスを用いることができる。また、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。 In this embodiment mode, the conductive film is etched using a gas containing chlorine, such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like. A gas containing can be used. Alternatively, a gas containing fluorine, for example, a gas containing carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur fluoride (SF 6 ), nitrogen fluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), or the like can be used. Alternatively, a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases can be used.

エッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。   As an etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, the substrate-side electrode temperature, etc.) are adjusted as appropriate so that the desired processed shape can be etched.

本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により膜厚100nmのチタン膜、膜厚400nmのアルミニウム膜、膜厚100nmのチタン膜の積層を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する。   In this embodiment, a stack of a 100-nm-thick titanium film, a 400-nm-thick aluminum film, and a 100-nm-thick titanium film is used as the conductive film by a sputtering method. For the etching of the conductive film, the stack of the titanium film, the aluminum film, and the titanium film is etched by a dry etching method to form the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b.

本実施の形態では、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b上に、酸化物半導体層403と接して、絶縁層411を形成する(図1(B)参照)。   In this embodiment, the insulating layer 411 is formed in contact with the oxide semiconductor layer 403 over the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b (see FIG. 1B).

絶縁層411は、ゲート絶縁膜402と同様の材料及び方法で形成することができる。例えば、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜を用いることができる。   The insulating layer 411 can be formed using a material and a method similar to those of the gate insulating film 402. For example, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer, or a nitride insulation such as a silicon nitride layer, a silicon nitride oxide layer, an aluminum nitride layer, or an aluminum nitride oxide layer A membrane can be used.

絶縁層411の形成方法としては、スパッタリング法、又は成膜ガスを用いたCVD法などを用いることができる。CVD法としては、LPCVD法、プラズマCVD法などを用いることができる。   As a method for forming the insulating layer 411, a sputtering method, a CVD method using a deposition gas, or the like can be used. As the CVD method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like can be used.

本実施の形態では、絶縁層411として、プラズマCVD法により厚さ30nmの酸化窒化シリコンを形成する。絶縁層411の形成は、例えば、SiHとNOのガス流量比をSiH:NO=20sccm:3000sccmとし、圧力を40Paとし、RF電源電力(電源出力)を100Wとし、基板温度を350℃とすればよい。 In this embodiment, silicon oxynitride with a thickness of 30 nm is formed as the insulating layer 411 by a plasma CVD method. The insulating layer 411 is formed, for example, by setting the gas flow ratio of SiH 4 and N 2 O to SiH 4 : N 2 O = 20 sccm: 3000 sccm, the pressure to 40 Pa, the RF power supply power (power output) to 100 W, and the substrate temperature. May be 350 ° C.

また、絶縁層411の形成前に減圧下で熱処理を行ってもよい。この熱処理によりゲート絶縁膜402及び酸化物半導体層403の脱水素化を行うこともできる。酸化物半導体層を島状に加工した後に熱処理を行うため、ゲート絶縁膜402は上面の露出領域から効率よく脱水素化される。   Further, heat treatment may be performed under reduced pressure before the insulating layer 411 is formed. By this heat treatment, the gate insulating film 402 and the oxide semiconductor layer 403 can be dehydrogenated. Since heat treatment is performed after the oxide semiconductor layer is processed into an island shape, the gate insulating film 402 is efficiently dehydrogenated from the exposed region of the upper surface.

次に、酸素ドープ処理により、酸化物半導体層403に隣接して酸素過剰領域を形成する。本実施の形態では、酸素過剰領域を、絶縁層411に酸素(酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオン)431を導入して形成する。酸素431を導入することにより、絶縁層411は酸化物半導体層403に隣接して酸素過剰領域を有する絶縁層409となり、酸素供給層として機能する。   Next, an oxygen-excess region is formed adjacent to the oxide semiconductor layer 403 by oxygen doping treatment. In this embodiment, the oxygen-excess region is formed by introducing oxygen (oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) 431 into the insulating layer 411. . By introducing oxygen 431, the insulating layer 411 becomes an insulating layer 409 having an oxygen excess region adjacent to the oxide semiconductor layer 403, and functions as an oxygen supply layer.

酸素431は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。また、イオン注入法にはガスクラスタイオンビームを用いてもよい。酸素のドープ処理は、全面を一度に行ってもよいし、線状のイオンビーム等を用いて移動(スキャン)させ行ってもよい。   As the oxygen 431, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used. A gas cluster ion beam may be used for the ion implantation method. The oxygen doping treatment may be performed on the entire surface at once, or may be performed by moving (scanning) using a linear ion beam or the like.

例えば、ドープされる酸素431は、酸素を含むガスを用いてプラズマ発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素431を発生させ、絶縁層411を処理して絶縁層409を形成することができる。   For example, the oxygen 431 to be doped may be supplied by a plasma generator using a gas containing oxygen, or may be supplied by an ozone generator. More specifically, for example, oxygen 431 is generated using an apparatus for performing an etching process on a semiconductor device, an apparatus for performing ashing on a resist mask, and the like, and the insulating layer 411 is processed. An insulating layer 409 can be formed.

酸素ドープ処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素ドープ処理において、希ガスを用いてもよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen doping treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, a rare gas may be used in the oxygen doping process.

本実施の形態では、酸素431の導入のための酸素ドープ処理としてプラズマ処理を行う。プラズマ処理(酸素プラズマ処理)は、酸素流量を250sccmとし、ICP電源電力を0Wとし、バイアス電力を4500Wとし、圧力を15Paとすればよい。   In this embodiment mode, plasma treatment is performed as oxygen doping treatment for introducing oxygen 431. In the plasma treatment (oxygen plasma treatment), the oxygen flow rate may be 250 sccm, the ICP power supply power may be 0 W, the bias power may be 4500 W, and the pressure may be 15 Pa.

絶縁層411(絶縁層409)は、10nmより厚く、100nmより薄い(好ましくは、20nm以上50nm以下(例えば30nm))ことが好ましい。絶縁層411(絶縁層409)の厚さを10nm以下であると、酸化物半導体層403が酸素プラズマ処理時のダメージを受けやすくなる。また、絶縁層411(絶縁層409)の厚さを100nm以上であると、酸素プラズマ処理により導入された酸素431が、酸化物半導体層403の界面及びその近傍に到達せず、酸化物半導体層403に隣接して酸素過剰領域が形成できなくなってしまう恐れがある。   The insulating layer 411 (insulating layer 409) is preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm (preferably, 20 nm to 50 nm (for example, 30 nm)). When the thickness of the insulating layer 411 (insulating layer 409) is 10 nm or less, the oxide semiconductor layer 403 is easily damaged during the oxygen plasma treatment. When the thickness of the insulating layer 411 (insulating layer 409) is 100 nm or more, the oxygen 431 introduced by the oxygen plasma treatment does not reach the interface of the oxide semiconductor layer 403 and the vicinity thereof, and the oxide semiconductor layer There is a possibility that an oxygen-excess region cannot be formed adjacent to 403.

また、酸素ドープ処理として行うプラズマ処理によって、絶縁層411(絶縁層409)の角部などの凸部が一部エッチングされ、膜厚が薄くなる、又は形状が変形する(角形状が曲面を有する形状に変化するなど)といったことが生じることがある。   Further, by the plasma treatment performed as the oxygen doping treatment, convex portions such as corners of the insulating layer 411 (insulating layer 409) are partly etched to reduce the film thickness or change the shape (the angular shape has a curved surface). Etc.) may occur.

絶縁層411(絶縁層409)への酸素ドープ処理により、絶縁層411(絶縁層409)下に設けられた酸化物半導体層403にも酸素431が導入される場合がある。同様に、絶縁層411(絶縁層409)下に設けられたソース電極層405a、ドレイン電極層405bも該酸素ドープにより絶縁層411(絶縁層409)との界面近傍が酸化される場合がある。   Oxygen 431 may be introduced into the oxide semiconductor layer 403 provided under the insulating layer 411 (insulating layer 409) by oxygen doping treatment of the insulating layer 411 (insulating layer 409). Similarly, in the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b provided under the insulating layer 411 (insulating layer 409), the vicinity of the interface with the insulating layer 411 (insulating layer 409) may be oxidized by the oxygen doping.

絶縁層409上に、絶縁層407を形成し、絶縁層407の形成時、及び/又は形成後に、酸素過剰領域が酸化物半導体層403に隣接した状態で、酸化物半導体層403から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。   The insulating layer 407 is formed over the insulating layer 409, and at the time of and / or after the formation of the insulating layer 407, the oxygen-excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer 403 and hydrogen or hydrogen Heat treatment is performed at a temperature at which the compound is released or higher.

熱処理は、絶縁層407の形成時に同時に行ってもよいし、絶縁層407形成後に別工程で行ってもよい。また、熱処理を行いながら絶縁層407を形成し、さらに絶縁膜形成後別工程で熱処理を行ってもよい。絶縁層407を形成時に行う熱処理と、形成後に行う熱処理において条件(雰囲気、温度等)は異なってもよい。   The heat treatment may be performed simultaneously with the formation of the insulating layer 407, or may be performed in a separate step after the formation of the insulating layer 407. Alternatively, the insulating layer 407 may be formed while heat treatment is performed, and heat treatment may be performed in a separate step after the formation of the insulating film. Conditions (atmosphere, temperature, etc.) may be different between the heat treatment performed at the time of forming the insulating layer 407 and the heat treatment performed after the formation.

なお、酸素過剰領域を被覆する絶縁層である絶縁層407を形成時に熱処理を行う場合、酸素過剰領域から酸素が放出しない温度で行うことが好ましい。   Note that in the case where the heat treatment is performed at the time of forming the insulating layer 407 that is an insulating layer covering the oxygen-excess region, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature at which oxygen is not released from the oxygen-excess region.

絶縁層407としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜を用いることができる。   As the insulating layer 407, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer, a silicon nitride layer, a silicon nitride oxide layer, an aluminum nitride layer, an aluminum nitride oxide layer, or the like Nitride insulating film can be used.

絶縁層407の形成方法としては、成膜ガスを用いたCVD法、スパッタリング法などを用いることができる。CVD法としては、LPCVD法、プラズマCVD法などを用いることができる。   As a method for forming the insulating layer 407, a CVD method using a deposition gas, a sputtering method, or the like can be used. As the CVD method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like can be used.

また、絶縁層407の成膜条件として、低圧力の減圧下、及び高電力供給を適用することができる。   As a film formation condition of the insulating layer 407, low pressure reduction and high power supply can be applied.

本実施の形態では、絶縁層407として、プラズマCVD法により厚さ370nmの酸化窒化シリコンを形成する。絶縁層407の形成は、例えば、SiHとNOのガス流量比をSiH:NO=30sccm:4000sccmとし、圧力を200Paとし、RF電源電力(電源出力)を150Wとし、成膜温度(基板温度)を220℃とすればよい。なお、この場合、酸素過剰領域からの酸素の放出量を低減することを考慮すると、成膜温度は200℃、又はそれ以下が好ましい。このように高い成膜温度で絶縁層407を成膜する場合、絶縁層407の形成時に熱処理を行うことができる。 In this embodiment, as the insulating layer 407, silicon oxynitride having a thickness of 370 nm is formed by a plasma CVD method. The insulating layer 407 is formed, for example, by setting the gas flow ratio of SiH 4 and N 2 O to SiH 4 : N 2 O = 30 sccm: 4000 sccm, the pressure to 200 Pa, and the RF power supply power (power output) to 150 W. The temperature (substrate temperature) may be 220 ° C. In this case, in consideration of reducing the amount of released oxygen from the oxygen-excess region, the film formation temperature is preferably 200 ° C. or lower. In the case where the insulating layer 407 is formed at such a high deposition temperature, heat treatment can be performed when the insulating layer 407 is formed.

絶縁層407を形成後、熱処理を行う場合、絶縁層407を形成した後であれば、200℃以上であることが望ましく、好ましくは300℃以上400℃以下でこの熱処理を行えば良い。もちろん、より高温で熱処理しても酸化物半導体層403の水素含有量を低減させる効果を得ることができ、熱処理温度の上限は基板の歪み点以下の温度であればよい。例えば、熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、絶縁層407形成後、酸化物半導体層403からの脱水素化処理として、窒素及び酸素雰囲気下300℃において1時間の熱処理を行えばよい。   In the case where heat treatment is performed after the insulating layer 407 is formed, the heat treatment is desirably performed at 200 ° C. or higher, preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, after the insulating layer 407 is formed. Needless to say, the effect of reducing the hydrogen content of the oxide semiconductor layer 403 can be obtained even when heat treatment is performed at a higher temperature, and the upper limit of the heat treatment temperature may be any temperature that is lower than the strain point of the substrate. For example, after introducing the substrate into an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses and forming the insulating layer 407, heat treatment is performed for 1 hour at 300 ° C. in a nitrogen and oxygen atmosphere as a dehydrogenation treatment from the oxide semiconductor layer 403. Just do it.

該熱処理により、酸化物半導体層403から離脱する水素の一部は、酸素と反応して水素化合物(例えばHO、OH)となって、酸化物半導体層403から放出される。 Part of hydrogen released from the oxide semiconductor layer 403 by the heat treatment reacts with oxygen to be a hydrogen compound (eg, H 2 O or OH) and is released from the oxide semiconductor layer 403.

よって、酸素の供給がないと、離脱する水素は酸化物半導体層403中において金属元素と結合している酸素(例えばIn−O結合の酸素)を奪取して反応し、水素化合物となって離脱するため、酸化物半導体層403中に酸素欠損が形成されてしまう。   Therefore, when oxygen is not supplied, hydrogen that is separated from the oxide semiconductor layer 403 takes and reacts with oxygen bonded to a metal element (for example, oxygen having an In—O bond) to be separated as a hydrogen compound. Therefore, oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor layer 403.

酸化物半導体層403に隣接して、酸素過剰領域を設けておくことで、酸化物半導体層403から離脱する水素は、該酸化過剰領域から供給される酸素と反応することができるため、酸化物半導体層403中において金属元素と結合している酸素を奪取して酸素欠損を形成することがない。   By providing an oxygen-excess region adjacent to the oxide semiconductor layer 403, hydrogen released from the oxide semiconductor layer 403 can react with oxygen supplied from the oxide-excess region, so that the oxide In the semiconductor layer 403, oxygen bonded to the metal element is not taken and oxygen vacancies are not formed.

従って、酸化物半導体層403の脱水素化処理を、酸化物半導体層403に酸素欠損を形成することなく、十分に行うことができる。以上の工程で、脱水素化処理により水素が除去、低減された酸化物半導体層403を含むトランジスタ440が作製される(図1(D)参照)。酸化物半導体層403をできるだけ水素を含まない膜とすることで、トランジスタ440の特性変動を抑制し、安定した電気特性を付与することができる。   Therefore, the dehydrogenation treatment of the oxide semiconductor layer 403 can be sufficiently performed without forming oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 403. Through the above steps, the transistor 440 including the oxide semiconductor layer 403 from which hydrogen is removed and reduced by dehydrogenation treatment is manufactured (see FIG. 1D). By using the oxide semiconductor layer 403 as a film which does not contain hydrogen as much as possible, characteristic variation of the transistor 440 can be suppressed and stable electric characteristics can be imparted.

本明細書の熱処理(上記脱水素処理のための熱処理も含む)は以下に記す熱処理装置及び方法を適宜選択して用いることができる。   For the heat treatment in this specification (including the heat treatment for the above-described dehydrogenation treatment), a heat treatment apparatus and method described below can be appropriately selected and used.

なお、熱処理装置は電気炉や、又は抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。   Note that a heat treatment apparatus may be an apparatus that heats an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as an electric furnace or a resistance heating element. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、熱処理として、高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。   For example, as the heat treatment, GRTA may be performed in which the substrate is placed in an inert gas heated to a high temperature, heated for several minutes, and then the substrate is taken out of the inert gas.

熱処理は、減圧下、窒素雰囲気下、又は希ガス雰囲気下で行えばよい。また、上記窒素、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、または希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。   The heat treatment may be performed under reduced pressure, a nitrogen atmosphere, or a rare gas atmosphere. In addition, it is preferable that water, hydrogen, and the like be not contained in the atmosphere of nitrogen or a rare gas. The purity of nitrogen or rare gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less). It is preferable to do.

熱処理は、減圧下、又は窒素、酸素、超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、若しくは希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥エア、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。   The heat treatment is performed under reduced pressure or with a moisture content of 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less when measured using nitrogen, oxygen, or ultra-dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter). May be performed in an atmosphere of 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less) or a rare gas (argon, helium, etc.), but water, hydrogen, etc. in the atmosphere of nitrogen, oxygen, ultra-dry air, or rare gas Is preferably not included. The purity of nitrogen, oxygen, or a rare gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less). ) Is preferable.

絶縁層407上にさらに緻密な絶縁膜を形成してもよい。緻密な絶縁膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタ特性の変動要因となる水素、水素化合物などの不純物の酸化物半導体層403への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層403からの放出を防止する保護膜として機能させることができる。   A denser insulating film may be formed over the insulating layer 407. The dense insulating film is a main component material of the oxide semiconductor, which is a mixture of impurities such as hydrogen and a hydrogen compound, which cause variation in transistor characteristics, in the oxide semiconductor layer 403 during and after the manufacturing process. It can function as a protective film which prevents release of oxygen from the oxide semiconductor layer 403.

また、トランジスタ440起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。   Further, a planarization insulating film may be formed in order to reduce surface unevenness due to the transistor 440. As the planarization insulating film, an organic material such as polyimide, acrylic, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. Note that the planarization insulating film may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials.

以上のように、少なくとも作製工程において、酸化物半導体層の脱水素化処理のための熱処理を一回行うことにより、本実施の形態のトランジスタ440、トランジスタ410を含む半導体装置として、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   As described above, by performing heat treatment for dehydrogenation treatment of the oxide semiconductor layer at least once in the manufacturing process, the semiconductor device including the transistor 440 and the transistor 410 of this embodiment has high reliability. A semiconductor device can be provided.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1に示す半導体装置において、酸化物半導体層403にCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜を用いた半導体装置について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a semiconductor device using a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film as the oxide semiconductor layer 403 in the semiconductor device described in Embodiment 1 will be described.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には明確な粒界(グレインバウンダリーともいう)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。   In most cases, a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the crystal part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. In addition, a clear grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、例えば、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつab面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、80°以上100°以下、好ましくは85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−10°以上10°以下、好ましくは−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。   The crystal part included in the CAAC-OS film is aligned so that, for example, the c-axis is in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and is perpendicular to the ab plane. When viewed from the direction, the metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape, and when viewed from the direction perpendicular to the c-axis, the metal atoms are arranged in layers, or the metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, the term “perpendicular” includes a range of 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range of −10 ° to 10 °, preferably −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部の結晶性が低下することもある。   Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. Further, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystallinity of a crystal part in the impurity-added region may be decreased.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のc軸は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。   Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film ( Depending on the cross-sectional shape of the surface to be formed or the cross-sectional shape of the surface, the directions may be different from each other. The crystal part is formed when a film is formed or when a crystallization process such as a heat treatment is performed after the film formation. Therefore, the c-axes of the crystal parts are aligned in a direction parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。   In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.

また、CAAC−OSのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。   Further, in an oxide semiconductor having a crystal part such as a CAAC-OS, defects in a bulk can be further reduced, and mobility higher than that of an oxide semiconductor in an amorphous state can be obtained by increasing surface flatness. . In order to improve the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on the flat surface. Specifically, the average surface roughness (Ra) is 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less, more preferably Is preferably formed on a surface of 0.1 nm or less.

なお、Raは、算術平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。   Ra is a three-dimensional extension of the arithmetic average roughness so that it can be applied to the surface, and can be expressed as “average value of absolute values of deviations from the reference surface to the specified surface”. Defined by

なお、上記において、Sは、測定面(座標(x,y)(x,y)(x,y)(x,y)で表される4点によって囲まれる長方形の領域)の面積を指し、Zは測定面の平均高さを指す。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて評価可能である。 In the above, S 0 is surrounded by four points represented by the measurement plane (coordinates (x 1 , y 1 ) (x 1 , y 2 ) (x 2 , y 1 ) (x 2 , y 2 )). (Rectangular region) indicates the area, and Z 0 indicates the average height of the measurement surface. Ra can be evaluated with an atomic force microscope (AFM).

上記のようなCAAC−OS膜を得る方法としては、例えば、基板を加熱して(例えば、基板温度を170℃として)酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法がある。   As a method for obtaining the CAAC-OS film as described above, for example, the oxide semiconductor layer is formed by heating the substrate (for example, the substrate temperature is set to 170 ° C.), and the c-axis alignment is performed substantially perpendicular to the surface. There is a way.

なお、酸化物半導体層403は、複数の酸化物半導体層が積層された構造でもよく、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、CAAC−OSとは異なる結晶性の酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、CAAC−OSと、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、酸化物半導体層403の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。一方で、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためn型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、CAAC−OSなどの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。   Note that the oxide semiconductor layer 403 may have a structure in which a plurality of oxide semiconductor layers are stacked. The first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer each have a crystalline oxide structure different from that of the CAAC-OS. A physical semiconductor may be applied. In other words, the CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, or an amorphous oxide semiconductor may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, internal stress and external stress of the oxide semiconductor layer 403 are relieved, The variation in characteristics of the transistor is reduced, and the reliability of the transistor can be further improved. On the other hand, an amorphous oxide semiconductor easily absorbs an impurity serving as a donor such as hydrogen, and oxygen vacancies easily occur. Therefore, an oxide semiconductor having crystallinity such as CAAC-OS is preferably used for the oxide semiconductor layer on the channel side.

また、酸化物半導体層403を3層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層で非晶質酸化物半導体層を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。また、酸化物半導体層403を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。   Alternatively, the oxide semiconductor layer 403 may have a stacked structure of three or more layers and a structure in which an amorphous oxide semiconductor layer is sandwiched between a plurality of oxide semiconductor layers having crystallinity. Alternatively, a structure in which an oxide semiconductor layer having crystallinity and an amorphous oxide semiconductor layer are alternately stacked may be employed. The above structures in the case where the oxide semiconductor layer 403 has a stacked structure of a plurality of layers can be used in appropriate combination.

以上のように、酸化物半導体層403としてCAAC−OS膜を用いることにより、実施の形態1に示す熱処理(脱水素化処理)において、CAAC−OS膜の上面から容易に水素を離脱させることができる。また、当該熱処理において、酸素の離脱を低減して選択的に水素を多く離脱させることができる。   As described above, by using the CAAC-OS film as the oxide semiconductor layer 403, hydrogen can be easily released from the top surface of the CAAC-OS film in the heat treatment (dehydrogenation treatment) described in Embodiment 1. it can. Further, in the heat treatment, it is possible to selectively release a large amount of hydrogen by reducing the separation of oxygen.

ここで、実施の形態1に示す熱処理でCAAC−OS膜の上面から比較的水素が離脱しやすいことを、モデルを用いて計算した結果について図11乃至図16を用いて説明する。   Here, the results of calculation using a model that hydrogen is relatively easily released from the upper surface of the CAAC-OS film by the heat treatment described in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.

本計算においては、CAAC−OSの一例として、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(以下、IGZOと呼ぶ。)のc軸方向に配向した結晶構造を用い、IGZOにおいて不純物として水素原子を導入したモデル(以下、モデルAと呼ぶ)を作製し、当該モデルにおいて水素がc軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。また、比較例としてIGZOにおいて不純物として過剰酸素(化学量論比を越えて存在している酸素原子)を導入したモデル(以下、モデルBと呼ぶ)、およびIGZOにおいて不純物として酸素欠損を導入したモデル(以下、モデルCと呼ぶ)を作製し、これらのモデルにおいて過剰酸素または酸素欠損がc軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。   In this calculation, as an example of the CAAC-OS, a crystal structure oriented in the c-axis direction of an In—Ga—Zn-based oxide (hereinafter referred to as IGZO) that is an oxide of a ternary metal is used. A model in which hydrogen atoms were introduced as impurities (hereinafter referred to as model A) was prepared, and whether or not hydrogen easily diffuses in the c-axis direction in the model was verified using computer simulation. In addition, as a comparative example, a model in which excess oxygen (oxygen atoms existing beyond the stoichiometric ratio) is introduced as an impurity in IGZO (hereinafter referred to as model B), and a model in which oxygen deficiency is introduced as an impurity in IGZO (Hereinafter referred to as model C) was prepared, and whether or not excess oxygen or oxygen vacancies easily diffused in the c-axis direction in these models was verified using computer simulation.

まず、モデルAの構造を図11に示す。図11に示すモデルAでは、In:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のIGZOにおいて、酸素原子と結合するように水素原子を導入している。モデルA中の原子数は85原子である。ここで、図11中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、白い中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は水素原子が結合しない酸素原子を、灰色の小さい球は水素原子が結合する酸素原子を、白い小さい球は水素原子を表している。また、図11中の矢印はIGZO結晶のc軸方向を表している。   First, the structure of model A is shown in FIG. In model A shown in FIG. 11, hydrogen atoms are introduced so as to be bonded to oxygen atoms in IGZO having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1. The number of atoms in Model A is 85 atoms. Here, the black large sphere in FIG. 11 is an indium atom, the white large sphere is a gallium atom, the white medium-sized sphere is a zinc atom, the black small sphere is an oxygen atom to which no hydrogen atom is bonded, gray. The small sphere represents an oxygen atom to which a hydrogen atom is bonded, and the white small sphere represents a hydrogen atom. Moreover, the arrow in FIG. 11 represents the c-axis direction of the IGZO crystal.

図11に示す1番乃至8番のサイトは、水素原子と結合可能な酸素原子の結合サイトを示している。モデルAでは、図11に示すように初期状態では水素原子が1番のサイトで酸素と結合しており、当該水素原子は最小エネルギー経路に沿った中間構造を介して2番のサイトに移動し、3番乃至7番のサイトを経て最終的に8番のサイトまで移動するものとする。   The sites 1 to 8 shown in FIG. 11 indicate binding sites of oxygen atoms that can be bonded to hydrogen atoms. In model A, as shown in FIG. 11, in the initial state, a hydrogen atom is bonded to oxygen at the first site, and the hydrogen atom moves to the second site via an intermediate structure along the minimum energy path. It is assumed that the user moves to the 8th site through the 3rd to 7th sites.

このようにCAAC−OS膜でc軸方向に拡散する水素原子を評価する指標として、本計算においては単位時間当たりの拡散頻度Γを用いた。ある温度T(K)における拡散頻度Γ(/s)は、安定位置における不純物原子の振動数Γ(/s)を用いて以下の式(1)で表される。 In this calculation, the diffusion frequency Γ per unit time was used as an index for evaluating hydrogen atoms diffusing in the c-axis direction in the CAAC-OS film. The diffusion frequency Γ (/ s) at a certain temperature T (K) is expressed by the following equation (1) using the frequency Γ O (/ s) of the impurity atom at the stable position.

なお、式(1)において、Ebmaxは各サイト間の水素原子の移動におけるエネルギーEb(eV)の最大値であり、各サイト間の水素原子の移動に伴う活性化エネルギーに対応している。また、kはボルツマン定数である。また式(1)において、Γ=1.0×1013(/s)とする。また、実施の形態1に示す熱処理の温度と対応させてT=623K(350℃)を用いる。 In equation (1), Eb max is the maximum value of energy Eb (eV) in the movement of hydrogen atoms between the sites, and corresponds to the activation energy associated with the movement of hydrogen atoms between the sites. K is a Boltzmann constant. In the formula (1), Γ O = 1.0 × 10 13 (/ s). Further, T = 623 K (350 ° C.) is used in correspondence with the temperature of the heat treatment shown in Embodiment Mode 1.

このように、水素原子の拡散頻度Γは、水素原子が各サイト間で移動する際に必要な活性化エネルギーEbmaxを計算することで評価できる。すなわち、活性化エネルギーEbmaxが高ければ水素原子はサイト間を移動しにくく、活性化エネルギーEbmaxが低ければ水素原子はサイト間を移動しやすい。 Thus, the diffusion frequency Γ of hydrogen atoms can be evaluated by calculating the activation energy Eb max required when the hydrogen atoms move between the sites. That is, if the activation energy Eb max is high, hydrogen atoms are difficult to move between sites, and if the activation energy Eb max is low, hydrogen atoms are likely to move between sites.

ここで、水素原子の1番のサイトから8番のサイトの移動におけるEbmaxを求めるため、各サイト間において、NEB(Nudged Elastic Band)法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ算出した。なお、図11に示すモデルAは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルAに対してNEB法による計算を行った。 Here, in order to obtain Eb max in the movement of the 8th site from the 1st site of the hydrogen atom, the energy for the intermediate structure along the minimum energy path is calculated between each site using the NEB (Nudged Elastic Band) method. Each was calculated. Note that the model A shown in FIG. 11 is structurally optimized in advance, and the NEB method is used for the structurally optimized model A.

NEB法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるVASP(Vienna Ab−initio Simulation Package)を用いた。基底関数には平面波基底関数を用い、汎関数はPAW(Projector Augmented Wave)法によるGGA/PBE(Generalized−Gradient−Approximation/Perdew−Burke−Ernzerhof)を用いた。また、カットオフエネルギーは400eVを用い、サンプリングk点は2×2×1のグリッドを用いた。   For calculation of the NEB method, VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), which is a program package using the density functional method, was used. A plane wave basis function was used as the basis function, and a GGA / PBE (Generalized-Gradient-Approximation / Perdew-Burke-Ernzerhof) using a PAW (Projector Augmented Wave) method was used as the functional. Further, a cutoff energy of 400 eV was used, and a 2 × 2 × 1 grid was used for sampling k points.

モデルAについてNEB法を用いて計算した結果を図12に示す。図12において、縦軸は水素原子の移動に要するエネルギーEb[eV]を示し、横軸は水素移動経路[arbitrary unit]を示しており、上記1番乃至8番のサイトを水素移動経路に対応させて記載している。   FIG. 12 shows the result of calculation for model A using the NEB method. In FIG. 12, the vertical axis indicates the energy Eb [eV] required for the transfer of hydrogen atoms, and the horizontal axis indicates the hydrogen transfer path [arbitrary unit]. The above sites 1 to 8 correspond to the hydrogen transfer path. It has been described.

図12より、水素原子の1番のサイトから8番のサイトの移動において、もっともエネルギーEbが高いのは、7番のサイトから8番のサイトの移動であることが分かる。ここで、水素移動経路全体のエネルギー最小点を原点とした活性化エネルギーEbmaxは、1.50eVである。また、上記式(1)より、温度350℃における水素原子の拡散頻度Γは7.3/sとなる。 From FIG. 12, it can be seen that the transfer of the hydrogen atom from the first site to the eighth site has the highest energy Eb from the seventh site to the eighth site. Here, the activation energy Eb max with the energy minimum point of the entire hydrogen transfer path as the origin is 1.50 eV. From the above formula (1), the hydrogen atom diffusion frequency Γ at a temperature of 350 ° C. is 7.3 / s.

ここで7番のサイトと8番のサイトは、インジウム原子を挟むように設けられているので、上記の水素原子の移動は、水素原子がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散することに対応する。よって、上記活性化エネルギーEbmaxと拡散頻度Γは、水素原子がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散する際の活性化エネルギーと拡散頻度に対応する。 Here, the 7th site and the 8th site are provided so as to sandwich the indium atom, so that the movement of the hydrogen atom described above causes the hydrogen atom to diffuse across the layer of indium atom in the c-axis direction. Corresponding to Therefore, the activation energy Eb max and the diffusion frequency Γ correspond to the activation energy and the diffusion frequency when hydrogen atoms diffuse in the c-axis direction beyond the layer of indium atoms.

次に、モデルBの構造を図13(A)および図13(B)に示す。図13(A)および図13(B)に示すモデルBでは、In:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIGZOにおいて、インジウム原子と結合するように過剰酸素を導入している。モデルB中の原子数は85原子である。ここで、図13(A)および図13(B)中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。なお、図13(A)および図13(B)に示す1番乃至3番の酸素原子は、過剰酸素が結合したインジウム原子近傍の酸素原子である。また、図13(A)および図13(B)中の矢印はIGZO結晶のc軸方向を表している。   Next, the structure of model B is shown in FIGS. 13 (A) and 13 (B). In Model B shown in FIGS. 13A and 13B, excess oxygen is introduced so as to bond with indium atoms in IGZO with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2. . The number of atoms in Model B is 85 atoms. Here, black large spheres in FIGS. 13A and 13B represent indium atoms, white large spheres represent gallium atoms, gray medium sized spheres represent zinc atoms, and black small spheres represent Represents an oxygen atom. Note that the first to third oxygen atoms illustrated in FIGS. 13A and 13B are oxygen atoms in the vicinity of indium atoms to which excess oxygen is bonded. In addition, the arrows in FIGS. 13A and 13B indicate the c-axis direction of the IGZO crystal.

ここで、図13(A)および図13(B)は、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてc軸方向に移動するモデルBの初期状態と終状態を示している。よって、図13(A)から図13(B)にかけて、1番の酸素原子は3番の酸素原子を押し出す方向に移動している。また、このとき2番の酸素原子も移動している。   Here, FIGS. 13A and 13B show an initial state and an end state of model B in which excess oxygen moves in the c-axis direction beyond the layer of indium atoms. Therefore, from FIG. 13A to FIG. 13B, the first oxygen atom moves in the direction of pushing out the third oxygen atom. At this time, the second oxygen atom is also moving.

モデルBにおいてもモデルAと同様に拡散頻度Γを用いて、CAAC−OS膜でc軸方向に拡散する過剰酸素を評価する。モデルBの初期状態から終状態にかけての過剰酸素の移動におけるEbmaxもNEB法を用いて算出した。なお、図13(A)および図13(B)に示すモデルBは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルBに対してNEB法による計算を行った。 In the model B as well, the excess oxygen diffusing in the c-axis direction in the CAAC-OS film is evaluated using the diffusion frequency Γ similarly to the model A. Eb max in the movement of excess oxygen from the initial state to the final state of Model B was also calculated using the NEB method. Note that the model B shown in FIGS. 13A and 13B is structurally optimized in advance, and the NEB method is used for the structurally optimized model B.

NEB法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるOpenMXを用いた。基底関数には局在基底関数(擬原子軌道関数)を用い、汎関数はノルム保存型擬ポテンシャルによるGGA/PBE(Generalized−Gradient−Approximation/Perdew−Burke−Ernzerhof)を用いた。また、カットオフエネルギーは2721.16eVを用い、サンプリングk点は5×5×3のグリッドを用いた。   For the calculation of the NEB method, OpenMX, which is a program package using a density functional method, was used. Localized basis functions (pseudo-atomic orbit functions) were used as the basis functions, and GGA / PBE (Generalized-Gradient-Approximation / Perdew-Burke-Ernzerhof) using norm-conserving pseudopotentials was used as the functional. The cut-off energy was 2721.16 eV, and the sampling k point was a 5 × 5 × 3 grid.

モデルBについてNEB法を用いて計算した結果を図14に示す。図14において、縦軸は過剰酸素の移動に要するエネルギーEb[eV]を示し、横軸は過剰酸素の移動の経路長[オングストローム]を示す。   FIG. 14 shows the result of calculation for the model B using the NEB method. In FIG. 14, the vertical axis represents energy Eb [eV] required for the movement of excess oxygen, and the horizontal axis represents the path length [angstrom] of the movement of excess oxygen.

図14より、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散する際の活性化エネルギーEbmaxは、2.38eVである。また、上記式(1)より、温度350℃における過剰酸素の拡散頻度Γは5.6×10−7/sとなる。 From FIG. 14, the activation energy Eb max when excess oxygen diffuses in the c-axis direction beyond the layer of indium atoms is 2.38 eV. From the above formula (1), the diffusion frequency Γ of excess oxygen at a temperature of 350 ° C. is 5.6 × 10 −7 / s.

次に、モデルCの構造を図15(A)および図15(B)に示す。図15(A)および図15(B)に示すモデルCでは、In:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIGZOにおいて、インジウム原子と結合する酸素原子を一つ欠損させて酸素欠損を導入している。モデルC中の原子数は83原子である。ここで、図15(A)および図15(B)中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。また、図15(A)および図15(B)中の矢印はIGZO結晶のc軸方向を表している。なお、図15(A)および図15(B)に示す点線で示される球は酸素欠損を表す。   Next, the structure of the model C is shown in FIGS. 15 (A) and 15 (B). In Model C shown in FIGS. 15A and 15B, one oxygen atom bonded to an indium atom is deficient in IGZO having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2. Introducing deficiency. The number of atoms in model C is 83 atoms. Here, the large black spheres in FIGS. 15A and 15B are indium atoms, the large white spheres are gallium atoms, the gray medium sized spheres are zinc atoms, and the small black spheres are Represents an oxygen atom. In addition, the arrows in FIGS. 15A and 15B indicate the c-axis direction of the IGZO crystal. Note that a sphere indicated by a dotted line in FIGS. 15A and 15B represents oxygen deficiency.

ここで、図15(A)および図15(B)は、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてc軸方向に移動するモデルCの初期状態と終状態を示している。モデルCにおいてもモデルAおよびモデルBと同様に拡散頻度Γを用いて、CAAC−OS膜でc軸方向に拡散する酸素欠損を評価する。モデルCの初期状態から終状態にかけての酸素欠損の移動におけるEbmaxもNEB法を用いて算出した。なお、モデルCのNEB法を用いた計算の各種条件はモデルBと同様とした。なお、図15(A)および図15(B)に示すモデルCは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルCに対してNEB法による計算を行った。 Here, FIGS. 15A and 15B show an initial state and an end state of model C in which oxygen vacancies move in the c-axis direction beyond the layer of indium atoms. In the model C as well, the oxygen vacancies diffused in the c-axis direction in the CAAC-OS film are evaluated using the diffusion frequency Γ as in the models A and B. Eb max in the movement of oxygen deficiency from the initial state to the final state of model C was also calculated using the NEB method. Various conditions of calculation using the NEB method for model C were the same as those for model B. Note that the model C shown in FIGS. 15A and 15B is structurally optimized in advance, and the NEB method is used for the structurally optimized model C.

モデルCについてNEB法を用いて計算した結果を図16に示す。図16において、縦軸は酸素欠損の移動に要するエネルギーEb[eV]を示し、横軸は酸素欠損の移動の経路長[オングストローム]を示す。   FIG. 16 shows the result calculated for the model C using the NEB method. In FIG. 16, the vertical axis represents energy Eb [eV] required for the movement of oxygen vacancies, and the horizontal axis represents the path length [angstrom] of the movement of oxygen vacancies.

図16より、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散する際の活性化エネルギーEbmaxは、4.10eVである。また、上記式(1)より、温度350℃における酸素欠損の拡散頻度Γは6.8×10−21となる。 From FIG. 16, the activation energy Eb max when the oxygen vacancy diffuses in the c-axis direction beyond the layer of indium atoms is 4.10 eV. From the above formula (1), the diffusion frequency Γ of oxygen vacancies at a temperature of 350 ° C. is 6.8 × 10 −21 .

以上、図12、図14、図16から得られた、水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散する際の活性化エネルギーEbmaxと、350℃における拡散頻度Γを表1に示す。 As described above, the activation energy Eb max obtained when hydrogen atoms, excess oxygen, or oxygen vacancies diffuse from the indium atom layer in the c-axis direction and the diffusion at 350 ° C. obtained from FIGS. The frequency Γ is shown in Table 1.

表1より、モデルBおよびモデルCと比較してモデルAは、活性化エネルギーEbmaxが大きいことが分かる。つまり、水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散しやすいということができる。特に、350℃におけるモデルAの拡散頻度Γは、モデルBおよびモデルCと比較して極めて大きい。よって、実施の形態1に示すような熱処理を行うことにより、CAAC−OS膜中水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散しやすいということができる。 From Table 1, it can be seen that model A has a larger activation energy Eb max than model B and model C. That is, it can be said that hydrogen atoms are more likely to diffuse in the c-axis direction across the layer of indium atoms compared to excess oxygen or oxygen deficiency. In particular, the diffusion frequency Γ of model A at 350 ° C. is extremely large as compared with model B and model C. Therefore, by performing heat treatment as described in Embodiment 1, hydrogen atoms in the CAAC-OS film are more likely to diffuse in the c-axis direction across the layer of indium atoms than in excess oxygen or oxygen vacancies. Can do.

なお、上述の説明では水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてc軸方向に拡散する場合について説明したが、CAAC−OS膜に含まれるインジウム以外の金属原子についても同様のことが考えられる。   Note that in the above description, the case where hydrogen atoms, excess oxygen, or oxygen vacancies diffuses in the c-axis direction across the layer of indium atoms is described, but the same applies to metal atoms other than indium included in the CAAC-OS film. It is possible.

よって、先の実施の形態に示す酸化物半導体層403としてCAAC−OS膜を用い、実施の形態1に示す熱処理を行うことにより、CAAC−OS膜中の水素原子をc軸方向に拡散させて、CAAC−OS膜の上面から離脱させることができる。このとき、水素の拡散頻度は過剰酸素や酸素欠損と比較して極めて大きいので、選択的に多くの水素を離脱させることができる。   Therefore, by using the CAAC-OS film as the oxide semiconductor layer 403 described in the above embodiment and performing the heat treatment described in Embodiment 1, hydrogen atoms in the CAAC-OS film are diffused in the c-axis direction. , And can be separated from the upper surface of the CAAC-OS film. At this time, since the diffusion frequency of hydrogen is extremely large as compared with excess oxygen or oxygen deficiency, a large amount of hydrogen can be selectively released.

また、実施の形態1に示すように、酸化物半導体層403上に接して、酸素過剰領域として形成された絶縁層409を設けることにより、水素が離脱する際にCAAC−OS膜中の酸素を引き抜くことを抑制することができる。   In addition, as described in Embodiment 1, the insulating layer 409 formed as an oxygen-excess region is provided in contact with the oxide semiconductor layer 403 so that oxygen in the CAAC-OS film is released when hydrogen is released. Pulling out can be suppressed.

このように、酸化物半導体層としてCAAC−OS膜を用いることによって、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層から離脱させることができるので、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。   In this manner, by using the CAAC-OS film as the oxide semiconductor layer, impurities such as hydrogen and a hydrogen compound that cause variation in electric characteristics of the transistor can be separated from the oxide semiconductor layer. Reliability can be improved.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
実施の形態1に示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置ともいう)を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部又は全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
(Embodiment 3)
A semiconductor device having a display function (also referred to as a display device) can be manufactured using the transistor described in Embodiment 1. In addition, part or the whole of a driver circuit including a transistor can be formed over the same substrate as the pixel portion to form a system-on-panel.

図4(A)において、基板4001上に設けられた画素部4002を囲むようにして、シール材4005が設けられ、基板4006によって封止されている。図4(A)においては、基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、ICチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路4004、信号線駆動回路4003が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004又は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC(Flexible printed circuit)4018a、FPC4018bから供給されている。   In FIG. 4A, a sealant 4005 is provided so as to surround the pixel portion 4002 provided over the substrate 4001 and is sealed with the substrate 4006. In FIG. 4A, a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film is formed over an IC chip or a separately prepared substrate in a region different from the region surrounded by the sealant 4005 over the substrate 4001. A scanning line driver circuit 4004 and a signal line driver circuit 4003 are mounted. In addition, a variety of signals and potentials are supplied to a separately formed signal line driver circuit 4003, the scan line driver circuit 4004, and the pixel portion 4002 from an FPC (Flexible Printed Circuit) 4018a and an FPC 4018b.

図4(B)、及び図4(C)において、基板4001上に設けられた画素部4002と、走査線駆動回路4004とを囲むようにして、シール材4005が設けられている。また画素部4002と、走査線駆動回路4004の上に基板4006が設けられている。よって画素部4002と、走査線駆動回路4004とは、基板4001とシール材4005と基板4006とによって、表示素子と共に封止されている。図4(B)、及び図4(C)においては、基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、ICチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。図4(B)、及び図4(C)においては、別途形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004又は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC4018から供給されている。   4B and 4C, a sealant 4005 is provided so as to surround the pixel portion 4002 provided over the substrate 4001 and the scan line driver circuit 4004. A substrate 4006 is provided over the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004. Therefore, the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004 are sealed together with the display element by the substrate 4001, the sealant 4005, and the substrate 4006. 4B and 4C, an IC chip or a single crystal semiconductor film or a substrate provided over a substrate prepared separately in a region different from the region surrounded by the sealant 4005 over the substrate 4001 is used. A signal line driver circuit 4003 formed of a polycrystalline semiconductor film is mounted. 4B and 4C, a signal line driver circuit 4003 which is formed separately, and various signals and potentials which are supplied to the scan line driver circuit 4004 or the pixel portion 4002 are supplied from an FPC 4018. .

また、図4(B)、及び図4(C)においては、信号線駆動回路4003を別途形成し、基板4001に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部又は走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装してもよい。   4B and 4C illustrate an example in which the signal line driver circuit 4003 is separately formed and mounted on the substrate 4001, the invention is not limited to this structure. The scan line driver circuit may be separately formed and mounted, or only part of the signal line driver circuit or part of the scan line driver circuit may be separately formed and mounted.

なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape Automated Bonding)方法などを用いることができる。図4(A)は、COG方法により信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004を実装する例であり、図4(B)は、COG方法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図4(C)は、TAB方法により信号線駆動回路4003を実装する例である。   Note that a connection method of a driver circuit which is separately formed is not particularly limited, and a COG (Chip On Glass) method, a wire bonding method, a TAB (Tape Automated Bonding) method, or the like can be used. 4A illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 and the scanning line driver circuit 4004 are mounted by a COG method. FIG. 4B illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 is mounted by a COG method. FIG. 4C illustrates an example in which the signal line driver circuit 4003 is mounted by a TAB method.

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。   The display device includes a panel in which the display element is sealed, and a module in which an IC including a controller is mounted on the panel.

なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPCもしくはTABテープもしくはTCPが取り付けられたモジュール、TCPの先にプリント配線板が設けられたモジュール、又は表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。   Note that a display device in this specification means an image display device, a display device, or a light source (including a lighting device). In addition, all modules with a connector such as FPC or TAB tape or TCP, a module with a printed wiring board provided at the end of TCP, or a module in which an IC (integrated circuit) is directly mounted on the display element by the COG method It shall be included in the display device.

また、基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態1に示したに示したトランジスタを適用することができる。   The pixel portion and the scan line driver circuit provided over the substrate include a plurality of transistors, and the transistors described in Embodiment 1 can be used.

表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう)、発光素子(発光表示素子ともいう)、を用いることができる。発光素子は、電流又は電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electro Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。   As a display element provided in the display device, a liquid crystal element (also referred to as a liquid crystal display element) or a light-emitting element (also referred to as a light-emitting display element) can be used. The light-emitting element includes, in its category, an element whose luminance is controlled by current or voltage, and specifically includes inorganic EL (Electro Luminescence), organic EL, and the like. In addition, a display medium whose contrast is changed by an electric effect, such as electronic ink, can be used.

また、半導体装置の一形態について、図4乃至図6を用いて説明する。図6は、図4(B)のM−Nにおける断面図に相当する。   One embodiment of a semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG. 6 corresponds to a cross-sectional view taken along line MN in FIG.

図4及び図6で示すように、半導体装置は接続端子電極4015及び端子電極4016を有しており、接続端子電極4015及び端子電極4016はFPC4018(FPC4018a、FPC4018b)が有する端子と異方性導電膜4019を介して、電気的に接続されている。   As shown in FIGS. 4 and 6, the semiconductor device includes a connection terminal electrode 4015 and a terminal electrode 4016. The connection terminal electrode 4015 and the terminal electrode 4016 are connected to terminals of the FPC 4018 (FPC 4018a and FPC 4018b) and anisotropic conductive. It is electrically connected through the film 4019.

接続端子電極4015は、第1の電極層4030と同じ導電膜から形成され、端子電極4016は、トランジスタ4010、トランジスタ4011のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。   The connection terminal electrode 4015 is formed using the same conductive film as the first electrode layer 4030, and the terminal electrode 4016 is formed using the same conductive film as the source and drain electrode layers of the transistors 4010 and 4011.

また、基板4001上に設けられた画素部4002と、走査線駆動回路4004は、トランジスタを複数有しており、図4及び図6では、画素部4002に含まれるトランジスタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれるトランジスタ4011とを例示している。図6(A)では、トランジスタ4010、トランジスタ4011上には絶縁膜4024、絶縁膜4020が設けられ、図6(B)では、さらに、絶縁膜4021が設けられている。絶縁膜4024はトランジスタ4010、トランジスタ4011の作製工程において、酸化物半導体層から離脱させる水素又は水素化合物に対する酸素供給層として機能する。   The pixel portion 4002 and the scan line driver circuit 4004 provided over the substrate 4001 include a plurality of transistors. In FIGS. 4 and 6, the transistor 4010 included in the pixel portion 4002 and the scan line driver circuit are included. A transistor 4011 included in 4004 is illustrated. 6A, an insulating film 4024 and an insulating film 4020 are provided over the transistor 4010 and the transistor 4011. In FIG. 6B, an insulating film 4021 is further provided. The insulating film 4024 functions as an oxygen supply layer for hydrogen or a hydrogen compound which is released from the oxide semiconductor layer in the manufacturing process of the transistors 4010 and 4011.

トランジスタ4010、トランジスタ4011としては、実施の形態1に示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ440と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ4010、4011は、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。   As the transistor 4010 and the transistor 4011, the transistor described in Embodiment 1 can be used. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 440 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistors 4010 and 4011 are staggered transistors having a bottom gate structure.

トランジスタ4010、トランジスタ4011は、作製工程において、酸化物半導体層と隣接して酸素過剰領域が設けられた状態で脱水素化のための熱処理を行うため、酸化物半導体層における酸素欠損の形成を低減することができる。また、酸素過剰領域は絶縁膜4024に酸素ドープ処理を行って形成することができる。該熱処理は、酸素過剰領域を覆う絶縁層である絶縁膜4020の形成時、及び/又は形成後に行うことができる。絶縁膜4020を形成時に行う熱処理と、形成後に行う熱処理において条件(雰囲気、温度等)は異なってもよい。   In the manufacturing process of the transistors 4010 and 4011, heat treatment for dehydrogenation is performed in a state where an oxygen-excess region is provided adjacent to the oxide semiconductor layer, so that formation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer is reduced. can do. The oxygen-excess region can be formed by performing oxygen doping treatment on the insulating film 4024. The heat treatment can be performed during and / or after the formation of the insulating film 4020 which is an insulating layer covering the oxygen-excess region. Conditions (atmosphere, temperature, etc.) may be different between heat treatment performed at the time of forming the insulating film 4020 and heat treatment performed after the formation.

従って、本実施の形態の図4及び図6で示す、トランジスタ4010、トランジスタ4011を含む半導体装置は、信頼性の高い半導体装置とすることができる。   Therefore, the semiconductor device including the transistor 4010 and the transistor 4011 illustrated in FIGS. 4 and 6 of this embodiment can be a highly reliable semiconductor device.

また、駆動回路用のトランジスタ4011の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置にさらに導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後におけるトランジスタ4011のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ4011のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第2のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がGND、0V、或いはフローティング状態であってもよい。   Further, a conductive layer may be provided in a position overlapping with a channel formation region of the oxide semiconductor layer of the transistor 4011 for the driver circuit. By providing the conductive layer so as to overlap with the channel formation region of the oxide semiconductor layer, the amount of change in the threshold voltage of the transistor 4011 before and after the bias-thermal stress test (BT test) can be further reduced. In addition, the potential of the conductive layer may be the same as or different from that of the gate electrode layer of the transistor 4011, and the conductive layer can function as a second gate electrode layer. Further, the potential of the conductive layer may be GND, 0 V, or a floating state.

また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部(トランジスタを含む回路部)に作用しないようにする機能(特に静電気に対する静電遮蔽機能)も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。   The conductive layer also has a function of shielding an external electric field, that is, preventing the external electric field from acting on the inside (a circuit portion including a transistor) (particularly, an electrostatic shielding function against static electricity). With the shielding function of the conductive layer, the electrical characteristics of the transistor can be prevented from changing due to the influence of an external electric field such as static electricity.

画素部4002に設けられたトランジスタ4010は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。   A transistor 4010 provided in the pixel portion 4002 is electrically connected to a display element to form a display panel. The display element is not particularly limited as long as display can be performed, and various display elements can be used.

図6(A)に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図6(A)において、表示素子である液晶素子4013は、第1の電極層4030、第2の電極層4031、及び液晶層4008を含む。なお、液晶層4008を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜4032、絶縁膜4033が設けられている。第2の電極層4031は基板4006側に設けられ、第1の電極層4030と第2の電極層4031とは液晶層4008を介して積層する構成となっている。   FIG. 6A illustrates an example of a liquid crystal display device using a liquid crystal element as a display element. 6A, a liquid crystal element 4013 which is a display element includes a first electrode layer 4030, a second electrode layer 4031, and a liquid crystal layer 4008. Note that an insulating film 4032 and an insulating film 4033 functioning as alignment films are provided so as to sandwich the liquid crystal layer 4008. The second electrode layer 4031 is provided on the substrate 4006 side, and the first electrode layer 4030 and the second electrode layer 4031 are stacked with the liquid crystal layer 4008 interposed therebetween.

また、スペーサ4035は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層4008の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。   The spacer 4035 is a columnar spacer obtained by selectively etching the insulating film, and is provided to control the film thickness (cell gap) of the liquid crystal layer 4008. A spherical spacer may be used.

表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料(液晶組成物)は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。   When a liquid crystal element is used as the display element, a thermotropic liquid crystal, a low molecular liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials (liquid crystal compositions) exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, and the like depending on conditions.

また、液晶層4008に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層4008と、第1の電極層4030及び第2の電極層4031とは接する構造となる。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。   Alternatively, a liquid crystal composition exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used for the liquid crystal layer 4008. In this case, the liquid crystal layer 4008 is in contact with the first electrode layer 4030 and the second electrode layer 4031. The blue phase is one of the liquid crystal phases. When the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased, the blue phase appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase. The blue phase can be expressed using a liquid crystal composition in which a liquid crystal and a chiral agent are mixed. In addition, in order to widen the temperature range in which the blue phase develops, a liquid crystal layer is formed by adding a polymerizable monomer, a polymerization initiator, or the like to the liquid crystal composition that develops the blue phase, and performing a polymer stabilization treatment. You can also. A liquid crystal composition that develops a blue phase has a short response speed and is optically isotropic, so alignment treatment is unnecessary and viewing angle dependency is small. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, a rubbing process is not required, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing process can be prevented, and defects or breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. . Therefore, the productivity of the liquid crystal display device can be improved. In a transistor using an oxide semiconductor layer, the electrical characteristics of the transistor may fluctuate significantly due to the influence of static electricity and deviate from the design range. Therefore, it is more effective to use a liquid crystal composition exhibiting a blue phase for a liquid crystal display device including a transistor including an oxide semiconductor layer.

また、液晶材料の固有抵抗は、1×10Ω・cm以上であり、好ましくは1×1011Ω・cm以上であり、さらに好ましくは1×1012Ω・cm以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、20℃で測定した値とする。 The specific resistance of the liquid crystal material is 1 × 10 9 Ω · cm or more, preferably 1 × 10 11 Ω · cm or more, and more preferably 1 × 10 12 Ω · cm or more. In addition, the value of the specific resistance in this specification shall be the value measured at 20 degreeC.

液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。   The size of the storage capacitor provided in the liquid crystal display device is set so that charges can be held for a predetermined period in consideration of a leakage current of a transistor arranged in the pixel portion. The size of the storage capacitor may be set in consideration of the off-state current of the transistor. By using a transistor including an oxide semiconductor layer disclosed in this specification, a storage capacitor having a capacitance of 1/3 or less, preferably 1/5 or less of the liquid crystal capacitance of each pixel is provided. It is enough.

本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低く制御することができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。   In a transistor including an oxide semiconductor layer disclosed in this specification, a current value in an off state (off-state current value) can be controlled low. Therefore, the holding time of an electric signal such as an image signal can be increased, and the writing interval can be set longer in the power-on state. Therefore, since the frequency of the refresh operation can be reduced, there is an effect of suppressing power consumption.

また、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。   In addition, a transistor including the oxide semiconductor layer disclosed in this specification can have a relatively high field-effect mobility, and thus can be driven at high speed. For example, by using such a transistor capable of high-speed driving for a liquid crystal display device, the switching transistor in the pixel portion and the driver transistor used in the driver circuit portion can be formed over the same substrate. That is, since it is not necessary to use a semiconductor device formed of a silicon wafer or the like as a separate drive circuit, the number of parts of the semiconductor device can be reduced. In the pixel portion, a high-quality image can be provided by using a transistor that can be driven at high speed.

液晶表示装置には、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる。   The liquid crystal display device includes a TN (Twisted Nematic) mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, an FFS (Fringe Field Switching) mode, an ASM (Axially Symmetrical Micro-cell) mode, and an OCB mode. An FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, an AFLC (Anti Ferroelectric Liquid Crystal) mode, or the like can be used.

また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASV(Advanced Super View)モードなどを用いることができる。また、VA型の液晶表示装置にも適用することができる。VA型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。VA型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素(ピクセル)をいくつかの領域(サブピクセル)に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。   Alternatively, a normally black liquid crystal display device such as a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be used. There are several examples of the vertical alignment mode. For example, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV (Advanced Super View) mode, and the like can be used. The present invention can also be applied to a VA liquid crystal display device. A VA liquid crystal display device is a type of a method for controlling the alignment of liquid crystal molecules of a liquid crystal display panel. The VA liquid crystal display device is a method in which liquid crystal molecules face a vertical direction with respect to a panel surface when no voltage is applied. Further, a method called multi-domain or multi-domain design in which pixels (pixels) are divided into several regions (sub-pixels) and molecules are tilted in different directions can be used.

また、表示装置において、ブラックマトリクス(遮光層)、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。   In the display device, a black matrix (light shielding layer), a polarizing member, a retardation member, an optical member (an optical substrate) such as an antireflection member, and the like are provided as appropriate. For example, circularly polarized light using a polarizing substrate and a retardation substrate may be used. Further, a backlight, a sidelight, or the like may be used as the light source.

また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RGB(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、RGBW(Wは白を表す)、又はRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。   As a display method in the pixel portion, a progressive method, an interlace method, or the like can be used. Further, the color elements controlled by the pixels when performing color display are not limited to three colors of RGB (R represents red, G represents green, and B represents blue). For example, there is RGBW (W represents white) or RGB in which one or more colors of yellow, cyan, magenta, etc. are added. The size of the display area may be different for each dot of the color element. Note that the disclosed invention is not limited to a display device for color display, and can be applied to a display device for monochrome display.

また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機EL素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。   In addition, as a display element included in the display device, a light-emitting element utilizing electroluminescence can be used. A light-emitting element using electroluminescence is distinguished depending on whether the light-emitting material is an organic compound or an inorganic compound. Generally, the former is called an organic EL element and the latter is called an inorganic EL element.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア(電子および正孔)が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。本実施の形態では、発光素子として有機EL素子を用いる例を示す。   In the organic EL element, by applying a voltage to the light emitting element, electrons and holes are respectively injected from the pair of electrodes into the layer containing the light emitting organic compound, and a current flows. Then, these carriers (electrons and holes) recombine, whereby the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element. In this embodiment, an example in which an organic EL element is used as a light-emitting element is described.

無機EL素子は、その素子構成により、分散型無機EL素子と薄膜型無機EL素子とに分類される。分散型無機EL素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機EL素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機EL素子を用いて説明する。   Inorganic EL elements are classified into a dispersion-type inorganic EL element and a thin-film inorganic EL element depending on the element structure. The dispersion-type inorganic EL element has a light-emitting layer in which particles of a light-emitting material are dispersed in a binder, and the light emission mechanism is donor-acceptor recombination light emission using a donor level and an acceptor level. The thin-film inorganic EL element has a structure in which a light emitting layer is sandwiched between dielectric layers and further sandwiched between electrodes, and the light emission mechanism is localized light emission utilizing inner-shell electron transition of metal ions. Note that description is made here using an organic EL element as a light-emitting element.

発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。   In order to extract light emitted from the light-emitting element, at least one of the pair of electrodes may be light-transmitting. Then, a transistor and a light emitting element are formed over the substrate, and a top emission that extracts light from a surface opposite to the substrate, a bottom emission that extracts light from a surface on the substrate side, and a surface opposite to the substrate side and the substrate. There is a light-emitting element having a dual emission structure in which light emission is extracted from any one of them, and any light-emitting element having an emission structure can be applied.

図5(A)、図5(B)及び図6(B)に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。   5A, 5B, and 6B illustrate an example of a light-emitting device using a light-emitting element as a display element.

図5(A)は発光装置の平面図であり、図5(A)中の一点鎖線S1−T1、S2−T2、及びS3−T3で切断した断面が図5(B)に相当する。なお、図5(A)の平面図においては、電界発光層542及び第2の電極層543は省略してあり図示していない。   5A is a plan view of the light-emitting device, and a cross section taken along dashed-dotted lines S1-T1, S2-T2, and S3-T3 in FIG. 5A corresponds to FIG. Note that the electroluminescent layer 542 and the second electrode layer 543 are not illustrated in the plan view of FIG.

図5に示す発光装置は、基板500上に、トランジスタ510、容量素子520、配線層交差部530を有しており、トランジスタ510は発光素子540と電気的に接続している。なお、図5は基板500を通過して発光素子540からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。   5 includes a transistor 510, a capacitor 520, and a wiring layer crossing portion 530 over a substrate 500. The transistor 510 is electrically connected to the light-emitting element 540. Note that FIG. 5 illustrates a light-emitting device having a bottom emission structure in which light from the light-emitting element 540 is extracted through the substrate 500.

トランジスタ510としては、実施の形態1で示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ440と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ510は、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。   The transistor described in Embodiment 1 can be used as the transistor 510. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 440 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistor 510 is a staggered transistor having a bottom gate structure.

トランジスタ510はゲート電極層511a、ゲート電極層511b、ゲート絶縁膜502、酸化物半導体層512、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層513a、導電層513bを含む。   The transistor 510 includes a gate electrode layer 511a, a gate electrode layer 511b, a gate insulating film 502, an oxide semiconductor layer 512, a conductive layer 513a functioning as a source or drain electrode layer, and a conductive layer 513b.

トランジスタ510は、作製工程において、酸化物半導体層と隣接して酸素過剰領域が設けられた状態で脱水素化のための熱処理を行うため、酸化物半導体層における酸素欠損の形成を低減することができる。また、酸素過剰領域は絶縁膜501に酸素ドープ処理を行って形成することができる。よって、トランジスタ510は、安定した電気特性を有する。   In the manufacturing process of the transistor 510, heat treatment for dehydrogenation is performed in a state where the oxygen-excess region is provided adjacent to the oxide semiconductor layer, so that formation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be reduced. it can. The oxygen-excess region can be formed by performing oxygen doping treatment on the insulating film 501. Thus, the transistor 510 has stable electrical characteristics.

従って、図5で示す本実施の形態のトランジスタ510を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   Accordingly, a highly reliable semiconductor device can be provided as a semiconductor device including the transistor 510 of this embodiment illustrated in FIG.

容量素子520は、導電層521a、導電層521b、ゲート絶縁膜502、酸化物半導体層522、導電層523を含み、導電層521a、導電層521bと導電層523とで、ゲート絶縁膜502及び酸化物半導体層522を挟む構成とすることで容量を形成する。   The capacitor 520 includes a conductive layer 521a, a conductive layer 521b, a gate insulating film 502, an oxide semiconductor layer 522, and a conductive layer 523. The conductive layer 521a, the conductive layer 521b, and the conductive layer 523 include the gate insulating film 502 and the oxide layer. A capacitor is formed by sandwiching the physical semiconductor layer 522.

配線層交差部530は、ゲート電極層511a、ゲート電極層511bと、導電層533との交差部であり、ゲート電極層511a、ゲート電極層511bと、導電層533とは、間にゲート絶縁膜502を介して交差する。   The wiring layer intersection 530 is an intersection of the gate electrode layer 511a, the gate electrode layer 511b, and the conductive layer 533, and the gate electrode layer 511a, the gate electrode layer 511b, and the conductive layer 533 are interposed between the gate insulating films. Cross through 502.

本実施の形態においては、ゲート電極層511a及び導電層521aとして膜厚30nmのチタン膜を用い、ゲート電極層511b及び導電層521bとして膜厚200nmの銅薄膜を用いる。よって、ゲート電極層はチタン膜と銅薄膜との積層構造となる。   In this embodiment, a titanium film with a thickness of 30 nm is used as the gate electrode layer 511a and the conductive layer 521a, and a copper thin film with a thickness of 200 nm is used as the gate electrode layer 511b and the conductive layer 521b. Therefore, the gate electrode layer has a laminated structure of a titanium film and a copper thin film.

酸化物半導体層512、酸化物半導体層522としては膜厚25nmのIn−Ga−Zn−O膜を用いる。   As the oxide semiconductor layer 512 and the oxide semiconductor layer 522, an In—Ga—Zn—O film with a thickness of 25 nm is used.

トランジスタ510、容量素子520、及び配線層交差部530上には、絶縁膜501、絶縁膜504が形成され、絶縁膜504上において発光素子540と重畳する領域にカラーフィルタ層505が設けられている。絶縁膜504及びカラーフィルタ層505上には平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜506が設けられている。絶縁膜501はトランジスタ510の作製工程において、酸化物半導体層から離脱させる水素又は水素化合物に対する酸素供給層として機能する。該熱処理は、酸素過剰領域を覆う絶縁層である絶縁膜504の形成時、及び/又は形成後に行う。絶縁膜504を形成時に行う熱処理と、形成後に行う熱処理において条件(雰囲気、温度等)は異なってもよい。   An insulating film 501 and an insulating film 504 are formed over the transistor 510, the capacitor 520, and the wiring layer intersection 530, and a color filter layer 505 is provided in a region overlapping with the light-emitting element 540 over the insulating film 504. . An insulating film 506 functioning as a planarization insulating film is provided over the insulating film 504 and the color filter layer 505. The insulating film 501 functions as an oxygen supply layer for hydrogen or a hydrogen compound which is released from the oxide semiconductor layer in the manufacturing process of the transistor 510. The heat treatment is performed during and / or after the formation of the insulating film 504 which is an insulating layer covering the oxygen-excess region. Conditions (atmosphere, temperature, etc.) may differ between the heat treatment performed at the time of forming the insulating film 504 and the heat treatment performed after the formation.

絶縁膜506上に第1の電極層541、電界発光層542、第2の電極層543の順に積層した積層構造を含む発光素子540が設けられている。発光素子540とトランジスタ510とは、導電層513aに達する絶縁膜506及び絶縁膜504に形成された開口において、第1の電極層541及び導電層513aとは接することによって電気的に接続されている。なお、第1の電極層541の一部及び該開口を覆うように隔壁507が設けられている。   A light-emitting element 540 including a stacked structure in which a first electrode layer 541, an electroluminescent layer 542, and a second electrode layer 543 are stacked in this order is provided over the insulating film 506. The light-emitting element 540 and the transistor 510 are electrically connected by being in contact with the first electrode layer 541 and the conductive layer 513a in the opening formed in the insulating film 506 and the insulating film 504 reaching the conductive layer 513a. . Note that a partition 507 is provided so as to cover part of the first electrode layer 541 and the opening.

絶縁膜501としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜を好適に用いることができる。絶縁膜501の膜厚は10nmより厚く、100nmより薄い(好ましくは、20nm以上50nm以下(例えば30nm))ことが好ましい。   As the insulating film 501, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer can be preferably used. The thickness of the insulating film 501 is preferably greater than 10 nm and less than 100 nm (preferably, 20 nm to 50 nm (for example, 30 nm)).

絶縁膜504としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。絶縁膜504の膜厚は200nm以上500nm以下(例えば370nm)とすればよい。   As the insulating film 504, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer, a silicon nitride layer, a silicon nitride oxide layer, an aluminum nitride layer, an aluminum nitride oxide layer, or the like A single layer or a stacked layer of nitride insulating films can be used. The thickness of the insulating film 504 may be greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 500 nm (eg, 370 nm).

本実施の形態では絶縁膜501、及び絶縁膜504には、プラズマCVD法による酸化窒化シリコン膜を用いる。   In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method is used for the insulating film 501 and the insulating film 504.

また、絶縁膜506には膜厚1500nmの感光性のアクリル膜、隔壁507には膜厚1500nmの感光性のポリイミド膜を用いることができる。   Further, a photosensitive acrylic film with a thickness of 1500 nm can be used for the insulating film 506, and a photosensitive polyimide film with a thickness of 1500 nm can be used for the partition 507.

カラーフィルタ層505としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。   As the color filter layer 505, for example, a chromatic translucent resin can be used. As the chromatic translucent resin, a photosensitive or non-photosensitive organic resin can be used. However, the use of a photosensitive organic resin layer can reduce the number of resist masks, thereby simplifying the process. preferable.

有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー(黄)などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層505の膜厚は1500nm以上2000nm以下とすればよい。   A chromatic color is a color excluding achromatic colors such as black, gray, and white, and the color filter layer is formed of a material that transmits only colored chromatic light. As the chromatic color, red, green, blue, or the like can be used. Further, cyan, magenta, yellow (yellow), or the like may be used. To transmit only colored chromatic light means that the transmitted light in the color filter layer has a peak at the wavelength of the chromatic light. In the color filter layer, the optimum film thickness may be appropriately controlled in consideration of the relationship between the concentration of the coloring material to be included and the light transmittance. For example, the thickness of the color filter layer 505 may be 1500 nm or more and 2000 nm or less.

図6(B)に示す発光装置においては、表示素子である発光素子4513は、画素部4002に設けられたトランジスタ4010と電気的に接続している。なお発光素子4513の構成は、第1の電極層4030、電界発光層4511、第2の電極層4031の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子4513から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子4513の構成は適宜変えることができる。   In the light-emitting device illustrated in FIG. 6B, the light-emitting element 4513 which is a display element is electrically connected to a transistor 4010 provided in the pixel portion 4002. Note that although the structure of the light-emitting element 4513 is a stacked structure of the first electrode layer 4030, the electroluminescent layer 4511, and the second electrode layer 4031, it is not limited to the structure shown. The structure of the light-emitting element 4513 can be changed as appropriate depending on the direction in which light is extracted from the light-emitting element 4513, or the like.

また、図6(B)および図5(B)において、隔壁4510、隔壁507は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第1の電極層4030、第1の電極層541上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。   6B and 5B, the partition 4510 and the partition 507 are formed using an organic insulating material or an inorganic insulating material. In particular, a photosensitive resin material is used, and openings are formed on the first electrode layer 4030 and the first electrode layer 541 so that the side walls of the openings become inclined surfaces formed with continuous curvature. It is preferable to form.

電界発光層4511、電界発光層542は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでもよい。   The electroluminescent layer 4511 and the electroluminescent layer 542 may be composed of a single layer or a plurality of layers stacked.

発光素子4513、発光素子540に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第2の電極層4031、第2の電極層543及び隔壁4510、隔壁507上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、DLC膜等を形成することができる。   A protective film is formed over the second electrode layer 4031, the second electrode layer 543, the partition wall 4510, and the partition wall 507 so that oxygen, hydrogen, moisture, carbon dioxide, and the like do not enter the light-emitting element 4513 and the light-emitting element 540. Also good. As the protective film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, a DLC film, or the like can be formed.

また、発光素子4513、発光素子540に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子4513を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。   Alternatively, a layer containing an organic compound that covers the light-emitting element 4513 may be formed by an evaporation method so that oxygen, hydrogen, moisture, carbon dioxide, or the like does not enter the light-emitting element 4513 and the light-emitting element 540.

また、基板4001、基板4006、及びシール材4005によって封止された空間には充填材4514が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム(貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等)やカバー材でパッケージング(封入)することが好ましい。   A space sealed by the substrate 4001, the substrate 4006, and the sealant 4005 is provided with a filler 4514 and sealed. Thus, it is preferable to package (enclose) with a protective film (bonded film, ultraviolet curable resin film, etc.) or a cover material that has high air tightness and little degassing so as not to be exposed to the outside air.

充填材4514としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)又はEVA(エチレンビニルアセテート)を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。   In addition to an inert gas such as nitrogen or argon, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used as the filler 4514. PVC (polyvinyl chloride), acrylic, polyimide, epoxy resin, silicone resin, PVB (polyvinyl) Butyl) or EVA (ethylene vinyl acetate) can be used. For example, nitrogen may be used as the filler.

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板(楕円偏光板を含む)、位相差板(λ/4板、λ/2板)、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。   If necessary, an optical film such as a polarizing plate, a circular polarizing plate (including an elliptical polarizing plate), a retardation plate (λ / 4 plate, λ / 2 plate), a color filter, or the like is provided on the light emitting element exit surface. You may provide suitably. Further, an antireflection film may be provided on the polarizing plate or the circularly polarizing plate. For example, anti-glare treatment can be performed that diffuses reflected light due to surface irregularities and reduces reflection.

また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置(電気泳動ディスプレイ)も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。   In addition, as a display device, electronic paper that drives electronic ink can be provided. Electronic paper is also called an electrophoretic display device (electrophoretic display), and has the same readability as paper, low power consumption compared to other display devices, and the advantage that it can be made thin and light. ing.

電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第1の粒子と、マイナスの電荷を有する第2の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒又は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第1の粒子又は第2の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第1の粒子の色と第2の粒子の色は異なるもの(無色を含む)とする。   The electrophoretic display device may have various forms, and a plurality of microcapsules including first particles having a positive charge and second particles having a negative charge are dispersed in a solvent or a solute. By applying an electric field to the microcapsule, the particles in the microcapsule are moved in opposite directions to display only the color of the particles assembled on one side. Note that the first particle or the second particle contains a dye and does not move in the absence of an electric field. In addition, the color of the first particles and the color of the second particles are different (including colorless).

このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。   As described above, the electrophoretic display device is a display using a so-called dielectrophoretic effect in which a substance having a high dielectric constant moves to a high electric field region.

上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。   A solution in which the above microcapsules are dispersed in a solvent is referred to as electronic ink. This electronic ink can be printed on a surface of glass, plastic, cloth, paper, or the like. Color display is also possible by using particles having color filters or pigments.

なお、マイクロカプセル中の第1の粒子および第2の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、又はこれらの複合材料を用いればよい。   Note that the first particle and the second particle in the microcapsule are a conductor material, an insulator material, a semiconductor material, a magnetic material, a liquid crystal material, a ferroelectric material, an electroluminescent material, an electrochromic material, or a magnetophoresis. A kind of material selected from the materials or a composite material thereof may be used.

また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を、表示素子に用いる電極層である第1の電極層及び第2の電極層の間に配置し、第1の電極層及び第2の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。   In addition, a display device using a twisting ball display system can be used as the electronic paper. The twist ball display method is a method in which spherical particles separately painted in white and black are arranged between a first electrode layer and a second electrode layer which are electrode layers used for a display element, and the first electrode layer and In this method, a potential difference is generated in the second electrode layer to control the orientation of spherical particles.

なお、図4乃至図6において、基板4001、基板500、基板4006としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fiberglass−Reinforced Plastics)板、PVF(ポリビニルフルオライド)フィルム、ポリエステルフィルム又はアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板(金属フィルム)を用いてもよい。例えば、アルミニウムホイルをPVFフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。   4 to 6, as the substrate 4001, the substrate 500, and the substrate 4006, a flexible substrate can be used in addition to a glass substrate. For example, a light-transmitting plastic substrate or the like can be used. it can. As the plastic, an FRP (Fiberglass-Reinforced Plastics) plate, a PVF (polyvinyl fluoride) film, a polyester film, or an acrylic resin film can be used. In addition, a metal substrate (metal film) such as aluminum or stainless steel may be used if translucency is not necessary. For example, a sheet having a structure in which an aluminum foil is sandwiched between PVF films or polyester films can be used.

絶縁膜4024としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜を好適に用いることができる。絶縁膜4024の膜厚は10nmより厚く、100nmより薄い(好ましくは、20nm以上50nm以下(例えば30nm))ことが好ましい。   As the insulating film 4024, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer can be preferably used. The thickness of the insulating film 4024 is preferably greater than 10 nm and less than 100 nm (preferably, 20 nm to 50 nm (for example, 30 nm)).

絶縁膜4020としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。絶縁膜4020の膜厚は200nm以上500nm以下(例えば370nm)とすればよい。   As the insulating film 4020, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer, a silicon nitride layer, a silicon nitride oxide layer, an aluminum nitride layer, an aluminum nitride oxide layer, or the like A single layer or a stacked layer of nitride insulating films can be used. The thickness of the insulating film 4020 may be greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 500 nm (eg, 370 nm).

本実施の形態では、絶縁膜4024及び絶縁膜4020としてプラズマCVD法によって形成する酸化窒化シリコン膜を用いる。   In this embodiment, silicon oxynitride films formed by a plasma CVD method are used as the insulating films 4024 and 4020.

さらに、酸化窒化シリコン膜上に緻密性の高い無機絶縁膜を形成してもよい。   Further, a highly dense inorganic insulating film may be formed over the silicon oxynitride film.

また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜4021、絶縁膜506は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁膜を形成してもよい。   The insulating film 4021 and the insulating film 506 functioning as a planarization insulating film can be formed using a heat-resistant organic material such as acrylic, polyimide, benzocyclobutene resin, polyamide, or epoxy. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), or the like can be used. Note that the insulating film may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials.

絶縁膜4021、絶縁膜506の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法)、スクリーン印刷、オフセット印刷等、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。   The formation method of the insulating film 4021 and the insulating film 506 is not particularly limited, and according to the material, sputtering, spin coating, dip, spray coating, droplet discharge method (inkjet method), screen printing, offset printing, etc. A doctor knife, roll coater, curtain coater, knife coater, or the like can be used.

表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって、光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。   The display device performs display by transmitting light from a light source or a display element. Therefore, thin films such as a substrate, an insulating film, and a conductive film provided in the pixel portion where light is transmitted have a light-transmitting property with respect to light in the visible wavelength region.

表示素子に電圧を印加する第1の電極層及び第2の電極層(画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう)においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。   In the first electrode layer and the second electrode layer (also referred to as a pixel electrode layer, a common electrode layer, a counter electrode layer, or the like) that applies a voltage to the display element, the direction of light to be extracted, the place where the electrode layer is provided, and What is necessary is just to select translucency and reflectivity by the pattern structure of an electrode layer.

第1の電極層4030、第1の電極層541、第2の電極層4031、第2の電極層543は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェンなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。   The first electrode layer 4030, the first electrode layer 541, the second electrode layer 4031, and the second electrode layer 543 include indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, and titanium oxide. A light-transmitting conductive material such as indium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, indium tin oxide to which silicon oxide is added, or graphene can be used.

また、第1の電極層4030、第1の電極層541、第2の電極層4031、第2の電極層543はタングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。   The first electrode layer 4030, the first electrode layer 541, the second electrode layer 4031, and the second electrode layer 543 are tungsten (W), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), hafnium (Hf), Vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), It can be formed by using one or plural kinds of metals such as silver (Ag), alloys thereof, or metal nitrides thereof.

本実施の形態においては、図5に示す発光装置は下面射出型なので、第1の電極層541は透光性、第2の電極層543は反射性を有する。よって、第1の電極層541に金属膜を用いる場合は透光性を保つことができる程度膜厚を薄く、第2の電極層543に透光性を有する導電膜を用いる場合は、反射性を有する導電膜を積層するとよい。   In this embodiment mode, since the light-emitting device illustrated in FIG. 5 is a bottom emission type, the first electrode layer 541 has a light-transmitting property and the second electrode layer 543 has a reflecting property. Therefore, when a metal film is used for the first electrode layer 541, the film thickness is thin enough to maintain translucency, and when a conductive film having a light-transmitting property is used for the second electrode layer 543, It is preferable to stack a conductive film including

また、第1の電極層4030、第1の電極層541、第2の電極層4031、第2の電極層543として、導電性高分子(導電性ポリマーともいう)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの2種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などが挙げられる。   In addition, a conductive composition containing a conductive high molecule (also referred to as a conductive polymer) is used for the first electrode layer 4030, the first electrode layer 541, the second electrode layer 4031, and the second electrode layer 543. Can be formed. As the conductive polymer, a so-called π-electron conjugated conductive polymer can be used. For example, polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, a copolymer of two or more of aniline, pyrrole, and thiophene or a derivative thereof can be given.

また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。   In addition, since the transistor is easily broken by static electricity or the like, it is preferable to provide a protective circuit for protecting the driving circuit. The protection circuit is preferably configured using a non-linear element.

以上のように実施の形態1で示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。   As described above, by using the transistor described in Embodiment 1, a semiconductor device having various functions can be provided.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
実施の形態1に示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
(Embodiment 4)
With the use of the transistor described in Embodiment 1, a semiconductor device having an image sensor function of reading information on an object can be manufactured.

図7(A)に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図7(A)はフォトセンサの等価回路であり、図7(B)はフォトセンサの一部を示す断面図である。   FIG. 7A illustrates an example of a semiconductor device having an image sensor function. FIG. 7A is an equivalent circuit of the photosensor, and FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating part of the photosensor.

フォトダイオード602は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線658に、他方の電極がトランジスタ640のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ640は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線672に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ656のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ656は、ゲートがゲート信号線659に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線671に電気的に接続されている。   In the photodiode 602, one electrode is electrically connected to the photodiode reset signal line 658 and the other electrode is electrically connected to the gate of the transistor 640. In the transistor 640, one of a source and a drain is electrically connected to the photosensor reference signal line 672, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 656. The transistor 656 has a gate electrically connected to the gate signal line 659 and the other of the source and the drain electrically connected to the photosensor output signal line 671.

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「OS」と記載している。図7(A)において、トランジスタ640、トランジスタ656は実施の形態1に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体層を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ440と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ640、トランジスタ656は、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。   Note that in a circuit diagram in this specification, a symbol of a transistor using an oxide semiconductor layer is described as “OS” so that the transistor can be clearly identified as a transistor using an oxide semiconductor layer. 7A, the transistor described in Embodiment 1 can be applied to the transistor 640 and the transistor 656, which are transistors each using an oxide semiconductor layer. In this embodiment, an example in which a transistor having a structure similar to that of the transistor 440 described in Embodiment 1 is applied is described. The transistors 640 and 656 are staggered transistors having a bottom gate structure.

図7(B)は、フォトセンサにおけるフォトダイオード602及びトランジスタ640に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板601(素子基板)上に、センサとして機能するフォトダイオード602及びトランジスタ640が設けられている。フォトダイオード602、トランジスタ640の上には接着層608を用いて基板613が設けられている。   FIG. 7B is a cross-sectional view of the photodiode 602 and the transistor 640 in the photosensor. The photodiode 602 and the transistor 640 functioning as a sensor are provided over a substrate 601 (an element substrate) having an insulating surface. Yes. A substrate 613 is provided over the photodiode 602 and the transistor 640 by using an adhesive layer 608.

トランジスタ640上には、絶縁膜603、絶縁膜631、層間絶縁膜633、層間絶縁膜634が設けられている。絶縁膜603はトランジスタ640の作製工程において、酸化物半導体層から離脱させる水素又は水素化合物に対する酸素供給層として機能する。フォトダイオード602は、層間絶縁膜633上に設けられ、層間絶縁膜633上に形成した電極層641a、電極層641bと、層間絶縁膜634上に設けられた電極層642との間に、層間絶縁膜633側から順に第1半導体膜606a、第2半導体膜606b、及び第3半導体膜606cを積層した構造を有している。   An insulating film 603, an insulating film 631, an interlayer insulating film 633, and an interlayer insulating film 634 are provided over the transistor 640. The insulating film 603 functions as an oxygen supply layer for hydrogen or a hydrogen compound which is separated from the oxide semiconductor layer in the manufacturing process of the transistor 640. The photodiode 602 is provided over the interlayer insulating film 633. Between the electrode layers 641a and 641b formed over the interlayer insulating film 633 and the electrode layer 642 provided over the interlayer insulating film 634, the photodiode 602 is provided. The first semiconductor film 606a, the second semiconductor film 606b, and the third semiconductor film 606c are stacked in this order from the film 633 side.

電極層641bは、層間絶縁膜634に形成された導電層643と電気的に接続し、電極層642は電極層641aを介して導電層645と電気的に接続している。導電層645は、トランジスタ640のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード602はトランジスタ640と電気的に接続している。   The electrode layer 641b is electrically connected to the conductive layer 643 formed in the interlayer insulating film 634, and the electrode layer 642 is electrically connected to the conductive layer 645 through the electrode layer 641a. The conductive layer 645 is electrically connected to the gate electrode layer of the transistor 640, and the photodiode 602 is electrically connected to the transistor 640.

ここでは、第1半導体膜606aとしてp型の導電型を有する半導体膜と、第2半導体膜606bとして高抵抗な半導体膜(i型半導体膜)、第3半導体膜606cとしてn型の導電型を有する半導体膜を積層するpin型のフォトダイオードを例示している。   Here, a semiconductor film having a p-type conductivity type as the first semiconductor film 606a, a high-resistance semiconductor film (i-type semiconductor film) as the second semiconductor film 606b, and an n-type conductivity type as the third semiconductor film 606c. A pin type photodiode in which a semiconductor film having the same is stacked is illustrated.

第1半導体膜606aはp型半導体膜であり、p型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第1半導体膜606aの形成には13族の不純物元素(例えばボロン(B))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第1半導体膜606aの膜厚は10nm以上50nm以下となるよう形成することが好ましい。 The first semiconductor film 606a is a p-type semiconductor film and can be formed using an amorphous silicon film containing an impurity element imparting p-type conductivity. The first semiconductor film 606a is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 13 impurity element (eg, boron (B)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. Alternatively, after an amorphous silicon film not containing an impurity element is formed, the impurity element may be introduced into the amorphous silicon film by a diffusion method or an ion implantation method. It is preferable to diffuse the impurity element by introducing an impurity element by an ion implantation method or the like and then performing heating or the like. In this case, as a method for forming the amorphous silicon film, an LPCVD method, a vapor phase growth method, a sputtering method, or the like may be used. The first semiconductor film 606a is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 50 nm.

第2半導体膜606bは、i型半導体膜(真性半導体膜)であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第2半導体膜606bの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。第2半導体膜606bの形成は、LPCVD法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第2半導体膜606bの膜厚は200nm以上1000nm以下となるように形成することが好ましい。 The second semiconductor film 606b is an i-type semiconductor film (intrinsic semiconductor film) and is formed of an amorphous silicon film. For the formation of the second semiconductor film 606b, an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas. Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. The second semiconductor film 606b may be formed by an LPCVD method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The second semiconductor film 606b is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 1000 nm.

第3半導体膜606cは、n型半導体膜であり、n型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第3半導体膜606cの形成には、15族の不純物元素(例えばリン(P))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第3半導体膜606cの膜厚は20nm以上200nm以下となるよう形成することが好ましい。 The third semiconductor film 606c is an n-type semiconductor film and is formed using an amorphous silicon film containing an impurity element imparting n-type conductivity. The third semiconductor film 606c is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 15 impurity element (eg, phosphorus (P)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. Alternatively, after an amorphous silicon film not containing an impurity element is formed, the impurity element may be introduced into the amorphous silicon film by a diffusion method or an ion implantation method. It is preferable to diffuse the impurity element by introducing an impurity element by an ion implantation method or the like and then performing heating or the like. In this case, as a method for forming the amorphous silicon film, an LPCVD method, a vapor phase growth method, a sputtering method, or the like may be used. The third semiconductor film 606c is preferably formed to have a thickness greater than or equal to 20 nm and less than or equal to 200 nm.

また、第1半導体膜606a、第2半導体膜606b、及び第3半導体膜606cは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体(セミアモルファス半導体(Semi Amorphous Semiconductor:SAS))を用いて形成してもよい。   The first semiconductor film 606a, the second semiconductor film 606b, and the third semiconductor film 606c may be formed using a polycrystalline semiconductor instead of an amorphous semiconductor, or a microcrystalline semiconductor (Semi Amorphous Semiconductor (Semi Amorphous Semiconductor)). (Semiconductor: SAS)).

また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、pin型のフォトダイオードはp型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、pin型のフォトダイオードが形成されている基板601の面からフォトダイオード602が受ける光622を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、n型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。   Further, since the mobility of holes generated by the photoelectric effect is smaller than the mobility of electrons, the pin type photodiode exhibits better characteristics when the p type semiconductor film side is the light receiving surface. Here, an example in which light 622 received by the photodiode 602 from the surface of the substrate 601 on which the pin-type photodiode is formed is converted into an electric signal. In addition, light from the semiconductor film side having a conductivity type opposite to that of the semiconductor film as the light-receiving surface becomes disturbance light, so that a conductive film having a light shielding property is preferably used for the electrode layer. The n-type semiconductor film side can also be used as the light receiving surface.

絶縁膜603、絶縁膜631としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマCVD法等を用いて形成することができる。   The insulating film 603 and the insulating film 631 can be formed using an insulating material and a sputtering method, a plasma CVD method, or the like depending on the material.

絶縁膜603としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜を好適に用いることができる。絶縁膜603の膜厚は10nmより厚く、100nmより薄い(好ましくは、20nm以上50nm以下(例えば30nm))ことが好ましい。   As the insulating film 603, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer can be preferably used. The thickness of the insulating film 603 is preferably greater than 10 nm and less than 100 nm (preferably, 20 nm to 50 nm (for example, 30 nm)).

絶縁膜631としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。絶縁膜631の膜厚は200nm以上500nm以下(例えば370nm)とすればよい。   As the insulating film 631, an oxide insulating film such as a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer, an aluminum oxide layer, or an aluminum oxynitride layer, a silicon nitride layer, a silicon nitride oxide layer, an aluminum nitride layer, an aluminum nitride oxide layer, or the like A single layer or a stacked layer of nitride insulating films can be used. The thickness of the insulating film 631 may be 200 nm or more and 500 nm or less (eg, 370 nm).

本実施の形態では、絶縁膜603、及び絶縁膜631としてプラズマCVD法によって形成する酸化窒化シリコン膜を用いる。   In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method is used as the insulating film 603 and the insulating film 631.

さらに、酸化窒化シリコン膜上に緻密性の高い無機絶縁膜を形成してもよい。   Further, a highly dense inorganic insulating film may be formed over the silicon oxynitride film.

層間絶縁膜633、層間絶縁膜634としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜633、層間絶縁膜634としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等の単層、又は積層を用いることができる。   As the interlayer insulating film 633 and the interlayer insulating film 634, an insulating film functioning as a planarization insulating film is preferable in order to reduce surface unevenness. As the interlayer insulating film 633 and the interlayer insulating film 634, a heat-resistant organic insulating material such as polyimide, acrylic resin, benzocyclobutene resin, polyamide, or epoxy resin can be used. In addition to the organic insulating material, a single layer or a stacked layer such as a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane-based resin, PSG (phosphorus glass), or BPSG (phosphorus boron glass) can be used.

層間絶縁膜633、層間絶縁膜634としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマCVD法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法)、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いて形成することができる。   As the interlayer insulating film 633 and the interlayer insulating film 634, an insulating material is used, and according to the material, sputtering method, plasma CVD method, spin coating, dip, spray coating, droplet discharge method (inkjet method), screen It can be formed using printing, offset printing, or the like.

フォトダイオード602に入射する光622を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。   By detecting the light 622 incident on the photodiode 602, information on the object to be detected can be read. Note that a light source such as a backlight can be used when reading information on the object to be detected.

トランジスタ640は、作製工程において、酸化物半導体層と隣接して酸素過剰領域が設けられた状態で脱水素化のための熱処理を行うため、酸化物半導体層における酸素欠損の形成を低減することができる。また、酸素過剰領域は絶縁膜603に酸素ドープ処理を行って形成することができる。該熱処理は、酸素過剰領域を覆う絶縁層である絶縁膜631の形成時、及び/又は形成後に行う。絶縁膜631を形成時に行う熱処理と、形成後に行う熱処理において条件(雰囲気、温度等)は異なってもよい。よって、トランジスタ640は、安定した電気特性を有する。   In the manufacturing process, the transistor 640 performs heat treatment for dehydrogenation in a state where the oxygen-excess region is provided adjacent to the oxide semiconductor layer, so that formation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be reduced. it can. The oxygen-excess region can be formed by performing oxygen doping treatment on the insulating film 603. The heat treatment is performed during and / or after the formation of the insulating film 631 that is an insulating layer covering the oxygen-excess region. Conditions (atmosphere, temperature, etc.) may differ between the heat treatment performed at the time of forming the insulating film 631 and the heat treatment performed after the formation. Thus, the transistor 640 has stable electrical characteristics.

従って、本実施の形態のトランジスタ640を含む半導体装置として、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   Therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided as a semiconductor device including the transistor 640 of this embodiment.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機(パチンコ機、スロットマシン等)、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図8に示す。
(Embodiment 5)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). As electronic devices, television devices (also referred to as televisions or television receivers), monitors for computers, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, portable information terminals, sound Examples include a playback device, a gaming machine (such as a pachinko machine or a slot machine), and a game housing. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図8(A)は、表示部を有するテーブル9000を示している。テーブル9000は、筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示することが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。   FIG. 8A illustrates a table 9000 having a display portion. In the table 9000, a display portion 9003 is incorporated in a housing 9001, and an image can be displayed on the display portion 9003. Note that a structure in which the housing 9001 is supported by four legs 9002 is shown. In addition, the housing 9001 has a power cord 9005 for supplying power.

実施の形態1乃至実施の形態3のいずれかに示す半導体装置は、表示部9003に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。   The semiconductor device described in any of Embodiments 1 to 3 can be used for the display portion 9003 and can impart high reliability to the electronic device.

表示部9003は、タッチ入力機能を有しており、テーブル9000の表示部9003に表示された表示ボタン9004を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態4に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせることができる。   The display portion 9003 has a touch input function. By touching a display button 9004 displayed on the display portion 9003 of the table 9000 with a finger or the like, screen operation or information can be input. It is good also as a control apparatus which controls other household appliances by screen operation by enabling communication with household appliances or enabling control. For example, when the semiconductor device having the image sensor function described in Embodiment 4 is used, the display portion 9003 can have a touch input function.

また、筐体9001に設けられたヒンジによって、表示部9003の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。   Further, the hinge of the housing 9001 can be used to stand the screen of the display portion 9003 perpendicular to the floor, which can be used as a television device. In a small room, if a television apparatus with a large screen is installed, the free space becomes narrow. However, if the display portion is built in the table, the room space can be used effectively.

図8(B)は、テレビジョン装置9100を示している。テレビジョン装置9100は、筐体9101に表示部9103が組み込まれており、表示部9103により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド9105により筐体9101を支持した構成を示している。   FIG. 8B illustrates a television device 9100. In the television device 9100, a display portion 9103 is incorporated in a housing 9101 and an image can be displayed on the display portion 9103. Note that here, a structure in which the housing 9101 is supported by a stand 9105 is illustrated.

テレビジョン装置9100の操作は、筐体9101が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機9110により行うことができる。リモコン操作機9110が備える操作キー9109により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部9103に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機9110に、当該リモコン操作機9110から出力する情報を表示する表示部9107を設ける構成としてもよい。   The television device 9100 can be operated with an operation switch included in the housing 9101 or a separate remote controller 9110. Channels and volume can be operated with an operation key 9109 provided in the remote controller 9110, and an image displayed on the display portion 9103 can be operated. The remote controller 9110 may be provided with a display portion 9107 for displaying information output from the remote controller 9110.

図8(B)に示すテレビジョン装置9100は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置9100は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。   A television device 9100 illustrated in FIG. 8B includes a receiver, a modem, and the like. The television apparatus 9100 can receive a general television broadcast by a receiver, and is connected to a wired or wireless communication network via a modem so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional. It is also possible to perform information communication (between the sender and the receiver or between the receivers).

実施の形態1乃至実施の形態3のいずれかに示す半導体装置は、表示部9103、表示部9107に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。   The semiconductor device described in any of Embodiments 1 to 3 can be used for the display portion 9103 and the display portion 9107, and can impart high reliability to the television device and the remote controller. it can.

図8(C)はコンピュータであり、本体9201、筐体9202、表示部9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス9206等を含む。   FIG. 8C illustrates a computer, which includes a main body 9201, a housing 9202, a display portion 9203, a keyboard 9204, an external connection port 9205, a pointing device 9206, and the like.

実施の形態1乃至実施の形態3のいずれかに示す半導体装置は、表示部9203に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。   The semiconductor device described in any of Embodiments 1 to 3 can be used for the display portion 9203 and can impart high reliability to the computer.

図9(A)及び図9(B)は2つ折り可能なタブレット型端末である。図9(A)は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モード切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。   9A and 9B illustrate a tablet terminal that can be folded. FIG. 9A illustrates an open state in which the tablet terminal includes a housing 9630, a display portion 9631a, a display portion 9631b, a display mode switching switch 9034, a power switch 9035, a power saving mode switching switch 9036, and a fastener 9033. And an operation switch 9038.

実施の形態1乃至実施の形態3のいずれかに示す半導体装置は、表示部9631a、表示部9631bに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。   The semiconductor device described in any of Embodiments 1 to 3 can be used for the display portion 9631a and the display portion 9631b, so that a highly reliable tablet terminal can be provided.

表示部9631aは、一部をタッチパネルの領域9632aとすることができ、表示された操作キー9638aに触れることでデータ入力をすることができる。なお、表示部9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631bを表示画面として用いることができる。   Part of the display portion 9631 a can be a touch panel region 9632 a, and data can be input by touching operation keys 9638 a that are displayed. Note that in the display portion 9631a, for example, a structure in which half of the regions have a display-only function and a structure in which the other half has a touch panel function is shown, but the structure is not limited thereto. The entire region of the display portion 9631a may have a touch panel function. For example, the entire surface of the display portion 9631a can display keyboard buttons to serve as a touch panel, and the display portion 9631b can be used as a display screen.

また、表示部9631bにおいても表示部9631aと同様に、表示部9631bの一部をタッチパネルの領域9632bとすることができ、表示された操作キー9638bにふれることでデータ入力をすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどで触れることで表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。   Further, in the display portion 9631b, like the display portion 9631a, part of the display portion 9631b can be used as a touch panel region 9632b, and data can be input by touching displayed operation keys 9638b. Further, a keyboard button can be displayed on the display portion 9631b by touching a position where the keyboard display switching button 9639 of the touch panel is displayed with a finger, a stylus, or the like.

また、タッチパネルの領域9632aとタッチパネルの領域9632bに対して同時にタッチ入力することもできる。   Touch input can be performed simultaneously on the touch panel region 9632a and the touch panel region 9632b.

また、表示モード切り替えスイッチ9034は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。   A display mode switching switch 9034 can switch the display direction such as vertical display or horizontal display, and can select switching between monochrome display and color display. The power saving mode change-over switch 9036 can optimize the display luminance in accordance with the amount of external light during use detected by an optical sensor built in the tablet terminal. The tablet terminal may include not only an optical sensor but also other detection devices such as a gyroscope, an acceleration sensor, and other sensors that detect inclination.

また、図9(A)では表示部9631bと表示部9631aの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。   FIG. 9A illustrates an example in which the display areas of the display portion 9631b and the display portion 9631a are the same, but there is no particular limitation, and one size may be different from the other size, and the display quality may be different. May be different. For example, one display panel may be capable of displaying images with higher definition than the other.

図9(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、太陽電池9633、充放電制御回路9634、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有する。なお、図9(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有する構成について示している。   FIG. 9B illustrates a closed state, in which the tablet terminal includes a housing 9630, a solar battery 9633, a charge / discharge control circuit 9634, a battery 9635, and a DCDC converter 9636. Note that FIG. 9B illustrates a structure including a battery 9635 and a DCDC converter 9636 as an example of the charge / discharge control circuit 9634.

なお、タブレット型端末は2つ折り可能なため、未使用時に筐体9630を閉じた状態にすることができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。   Note that since the tablet terminal can be folded in two, the housing 9630 can be closed when not in use. Accordingly, since the display portion 9631a and the display portion 9631b can be protected, a tablet terminal with excellent durability and high reliability can be provided from the viewpoint of long-term use.

また、この他にも図9(A)及び図9(B)に示したタブレット型端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。   In addition, the tablet terminal shown in FIGS. 9A and 9B has a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a calendar, a date, or a time. A function for displaying on the display unit, a touch input function for performing touch input operation or editing of information displayed on the display unit, a function for controlling processing by various software (programs), and the like can be provided.

タブレット型端末の表面に装着された太陽電池9633によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐体9630の一面又は二面に効率的なバッテリー9635の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー9635としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。   Electric power can be supplied to the touch panel, the display unit, the video signal processing unit, or the like by the solar battery 9633 mounted on the surface of the tablet terminal. Note that the solar cell 9633 is preferable because it can efficiently charge the battery 9635 on one or two surfaces of the housing 9630. Note that as the battery 9635, when a lithium ion battery is used, there is an advantage that reduction in size can be achieved.

また、図9(B)に示す充放電制御回路9634の構成、及び動作について図9(C)にブロック図を示し説明する。図9(C)には、太陽電池9633、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至スイッチSW3、表示部9631について示しており、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至スイッチSW3が、図9(B)に示す充放電制御回路9634に対応する箇所となる。   Further, the structure and operation of the charge / discharge control circuit 9634 illustrated in FIG. 9B are described with reference to a block diagram in FIG. FIG. 9C illustrates the solar battery 9633, the battery 9635, the DCDC converter 9636, the converter 9637, the switches SW1 to SW3, and the display portion 9631. The battery 9635, the DCDC converter 9636, the converter 9637, and the switches SW1 to SW SW3 is a portion corresponding to the charge / discharge control circuit 9634 shown in FIG.

まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようDCDCコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ9637で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部9631での表示を行わない際には、スイッチSW1をオフにし、スイッチSW2をオンにしてバッテリー9635の充電を行う構成とすればよい。   First, an example of operation in the case where power is generated by the solar battery 9633 using external light is described. The power generated by the solar battery is boosted or lowered by the DCDC converter 9636 so as to be a voltage for charging the battery 9635. When power from the solar cell 9633 is used for the operation of the display portion 9631, the switch SW1 is turned on, and the converter 9637 increases or decreases the voltage required for the display portion 9631. In the case where display on the display portion 9631 is not performed, the battery 9635 may be charged by turning off the switch SW1 and turning on the switch SW2.

なお太陽電池9633については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッテリー9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信して充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。   Note that the solar cell 9633 is described as an example of the power generation unit, but is not particularly limited, and the battery 9635 is charged by another power generation unit such as a piezoelectric element (piezo element) or a thermoelectric conversion element (Peltier element). There may be. For example, it is good also as a structure performed combining a non-contact electric power transmission module which transmits / receives electric power by radio | wireless (non-contact), and another charging means.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

本実施例では、酸化物半導体層の脱水素化効果を、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて評価した結果を示す。   In this example, the result of evaluating the dehydrogenation effect of an oxide semiconductor layer using secondary ion mass spectrometry (SIMS) is shown.

試料として実施例試料及び比較例試料を作製した。   Example samples and comparative example samples were prepared as samples.

ガラス基板上に、酸化物半導体層としてIn:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚100nmのIGZO膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=50sccm:50sccm)雰囲気下、圧力0.6Pa、電源電力5kW、基板温度170℃とした。   An IGZO film with a thickness of 100 nm was formed over a glass substrate by a sputtering method using an oxide target of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] as an oxide semiconductor layer. The film formation conditions were an atmosphere of argon and oxygen (argon: oxygen = 50 sccm: 50 sccm), a pressure of 0.6 Pa, a power supply power of 5 kW, and a substrate temperature of 170 ° C.

酸化物半導体層に窒素雰囲気下、450℃で1時間熱処理した後、さらに窒素及び酸素雰囲気下、450℃で1時間熱処理した。   The oxide semiconductor layer was heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen and oxygen atmosphere.

酸化物半導体層上にプラズマCVD法により膜厚30nmの第1の酸化窒化シリコン膜を形成した。   A first silicon oxynitride film with a thickness of 30 nm was formed over the oxide semiconductor layer by a plasma CVD method.

第1の酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、SiHとNOのガス流量比をSiH:NO=20sccm:3000sccm、圧力40Pa、RF電源電力(電源出力)100W、基板温度350℃とした。 Conditions for forming the first silicon oxynitride film, SiH 4 and N 2 O SiH gas flow ratio of 4: N 2 O = 20sccm: 3000sccm, pressure 40 Pa, RF source power (the power output) 100W, substrate temperature 350 C.

実施例試料において、第1の酸化窒化シリコン膜に酸素ドープ処理としてプラズマ処理を行った。プラズマ処理(酸素プラズマ処理)は、酸素流量を16O:18O=150sccm:100sccm、ICP電源電力を0W、バイアス電力を4500W、圧力を15Paとして行った。 In the example sample, the first silicon oxynitride film was subjected to plasma treatment as oxygen doping treatment. The plasma treatment (oxygen plasma treatment) was performed with an oxygen flow rate of 16 O: 18 O = 150 sccm: 100 sccm, an ICP power supply power of 0 W, a bias power of 4500 W, and a pressure of 15 Pa.

比較例試料においては、第1の酸化窒化シリコン膜に酸素ドープ処理を行わなかった。   In the comparative sample, the first silicon oxynitride film was not subjected to oxygen doping treatment.

実施例試料及び比較例試料において、第1の酸化窒化シリコン膜上にプラズマCVD法により膜厚370nmの第2の酸化窒化シリコン膜を形成した。   In the example sample and the comparative example sample, a second silicon oxynitride film having a thickness of 370 nm was formed over the first silicon oxynitride film by a plasma CVD method.

第2の酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、SiHとNOのガス流量比をSiH:NO=30sccm:4000sccm、圧力200Pa、RF電源電力(電源出力)150W、基板温度220℃とした。 Conditions for forming the second silicon oxynitride film, SiH 4 and N 2 O SiH gas flow ratio of 4: N 2 O = 30sccm: 4000sccm, pressure 200 Pa, RF source power (the power output) 150 W, substrate temperature 220 C.

SIMS分析としてSSDP(Substrate Side Depth Profile)−SIMSを用いて、比較例試料及び実施例試料の水素元素の濃度を測定した。   The concentration of hydrogen element in the comparative sample and the example sample was measured using SSDP (Substrate Side Depth Profile) -SIMS as the SIMS analysis.

図10(A)に比較例試料、図10(B)に実施例試料のSIMSによる水素元素の濃度プロファイルを示す。なお、本実施例のSIMS分析結果は、すべて酸化物半導体膜であるIGZO膜の標準試料により定量した結果を示している。   FIG. 10A shows the concentration profile of the hydrogen element by SIMS of the comparative example sample and FIG. 10B of the example sample. Note that the SIMS analysis results of this example all show the results of quantification using a standard sample of an IGZO film that is an oxide semiconductor film.

図10(A)及び図10(B)に示すように、比較例試料と比べて、実施例試料においては酸化物半導体層であるIGZO膜中の水素濃度が低いことがわかる。よって、実施例試料においては、第1の酸化窒化シリコン膜に過剰酸素を導入することで、酸化物半導体層からより多くの水素が離脱したと考えられる。   As shown in FIGS. 10A and 10B, it can be seen that the hydrogen concentration in the IGZO film that is an oxide semiconductor layer is lower in the example sample than in the comparative example sample. Therefore, in the example sample, it is considered that more hydrogen was released from the oxide semiconductor layer by introducing excess oxygen into the first silicon oxynitride film.

以上の結果から、酸化物半導体層と接する第1の絶縁膜(第1の酸化窒化シリコン膜)に過剰酸素をドープし、酸化物半導体層と隣接する酸素過剰領域を形成した後、第2の絶縁膜(第2の酸化窒化シリコン膜)を形成及び熱処理することで酸化物半導体層の脱水素化が促進できると言えることが確認できた。   From the above results, after the first insulating film (first silicon oxynitride film) in contact with the oxide semiconductor layer is doped with excess oxygen to form an oxygen-excess region adjacent to the oxide semiconductor layer, It was confirmed that dehydrogenation of the oxide semiconductor layer can be promoted by forming and heat-treating the insulating film (second silicon oxynitride film).

400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁膜
402a ゲート絶縁膜
402b ゲート絶縁膜
403 酸化物半導体層
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407 絶縁層
409 絶縁層
410 トランジスタ
411 絶縁層
431 酸素
440 トランジスタ
500 基板
501 絶縁膜
502 ゲート絶縁膜
504 絶縁膜
505 カラーフィルタ層
506 絶縁膜
507 隔壁
510 トランジスタ
511a ゲート電極層
511b ゲート電極層
512 酸化物半導体層
513a 導電層
513b 導電層
520 容量素子
521a 導電層
521b 導電層
522 酸化物半導体層
523 導電層
530 配線層交差部
533 導電層
540 発光素子
541 第1の電極層
542 電界発光層
543 第2の電極層
601 基板
602 フォトダイオード
603 絶縁膜
606a 半導体膜
606b 半導体膜
606c 半導体膜
608 接着層
613 基板
622 光
631 絶縁膜
633 層間絶縁膜
634 層間絶縁膜
640 トランジスタ
641a 電極層
641b 電極層
642 電極層
643 導電層
645 導電層
656 トランジスタ
658 フォトダイオードリセット信号線
659 ゲート信号線
671 フォトセンサ出力信号線
672 フォトセンサ基準信号線
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4015 接続端子電極
4016 端子電極
4018 FPC
4018a FPC
4018b FPC
4019 異方性導電膜
4020 絶縁膜
4021 絶縁膜
4024 絶縁膜
4030 第1の電極層
4031 第2の電極層
4032 絶縁膜
4033 絶縁膜
4035 スペーサ
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
9000 テーブル
9001 筐体
9002 脚部
9003 表示部
9004 表示ボタン
9005 電源コード
9033 留め具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9100 テレビジョン装置
9101 筐体
9103 表示部
9105 スタンド
9107 表示部
9109 操作キー
9110 リモコン操作機
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638a 操作キー
9638b 操作キー
9639 ボタン
400 substrate 401 gate electrode layer 402 gate insulating film 402a gate insulating film 402b gate insulating film 403 oxide semiconductor layer 405a source electrode layer 405b drain electrode layer 407 insulating layer 409 insulating layer 410 transistor 411 insulating layer 431 oxygen 440 transistor 500 substrate 501 insulating Film 502 Gate insulating film 504 Insulating film 505 Color filter layer 506 Insulating film 507 Partition 510 Transistor 511a Gate electrode layer 511b Gate electrode layer 512 Oxide semiconductor layer 513a Conductive layer 513b Conductive layer 520 Capacitance element 521a Conductive layer 521b Conductive layer 522 Oxide Semiconductor layer 523 Conductive layer 530 Wiring layer intersection 533 Conductive layer 540 Light emitting element 541 First electrode layer 542 Electroluminescent layer 543 Second electrode layer 601 Substrate 602 Photodiode 603 Insulating film 606a Semiconductor film 606b Semiconductor film 606c Semiconductor film 608 Adhesion layer 613 Substrate 622 Light 631 Insulating film 633 Interlayer insulating film 634 Interlayer insulating film 640 Transistor 641a Electrode layer 641b Electrode layer 642 Electrode layer 643 Conductive layer 645 Conductive layer 656 Transistor 658 Photo Diode reset signal line 659 Gate signal line 671 Photo sensor output signal line 672 Photo sensor reference signal line 4001 Substrate 4002 Pixel portion 4003 Signal line driver circuit 4004 Scan line driver circuit 4005 Seal material 4006 Substrate 4008 Liquid crystal layer 4010 Transistor 4011 Transistor 4013 Liquid crystal element 4015 Connection terminal electrode 4016 Terminal electrode 4018 FPC
4018a FPC
4018b FPC
4019 Anisotropic conductive film 4020 Insulating film 4021 Insulating film 4024 Insulating film 4030 First electrode layer 4031 Second electrode layer 4032 Insulating film 4033 Insulating film 4035 Spacer 4510 Partition 4511 Electroluminescent layer 4513 Light emitting element 4514 Filler 9000 Table 9001 Housing 9002 Leg 9003 Display 9004 Display button 9005 Power cord 9033 Fastener 9034 Switch 9035 Power switch 9036 Switch 9038 Operation switch 9100 Television apparatus 9101 Display 9103 Display unit 9105 Stand 9107 Display unit 9109 Operation key 9110 Remote control device 9201 Main body 9202 Housing 9203 Display portion 9204 Keyboard 9205 External connection port 9206 Pointing device 9630 Housing 9631 Display portion 963 a display unit 9631b display unit 9632a region 9632b region 9633 solar cell 9634 charge and discharge control circuit 9635 battery 9636 DCDC converter 9637 converter 9638a operation keys 9638b operation key 9639 button

Claims (5)

ゲート電極層と重畳する酸化物半導体層にソース電極層及びドレイン電極層を形成した後、
前記酸化物半導体層に隣接して酸素過剰領域を設け、
前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成し、
前記酸素過剰領域が前記酸化物半導体層に隣接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming the source electrode layer and the drain electrode layer over the oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer,
Providing an oxygen-excess region adjacent to the oxide semiconductor layer;
Forming an insulating layer covering the oxygen-excess region;
A method for manufacturing a semiconductor device, in which heat treatment is performed at a temperature at which hydrogen or a hydrogen compound is released from the oxide semiconductor layer or higher in a state where the oxygen-excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer .
ゲート電極層と重畳する酸化物半導体層にソース電極層及びドレイン電極層を形成した後、
前記酸化物半導体層に隣接して酸素過剰領域を設け、
前記酸素過剰領域が前記酸化物半導体層に隣接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行いながら、前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming the source electrode layer and the drain electrode layer over the oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer,
Providing an oxygen-excess region adjacent to the oxide semiconductor layer;
Insulation covering the oxygen-excess region while performing heat treatment at a temperature at which hydrogen or a hydrogen compound is released from the oxide semiconductor layer or higher in a state where the oxygen-excess region is adjacent to the oxide semiconductor layer A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a layer.
請求項1又は請求項2において、前記酸素過剰領域を、化学量論的組成より酸素が過剰に含まれる絶縁層で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。   3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxygen-excess region is formed using an insulating layer containing oxygen in excess from a stoichiometric composition. 請求項1又は請求項2において、前記酸素過剰領域を、酸素を含む絶縁層を形成し、さらに該酸素を含む絶縁層に酸素ドープ処理を行うことで形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。   3. The manufacturing method of a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxygen-excess region is formed by forming an insulating layer containing oxygen and performing oxygen doping treatment on the insulating layer containing oxygen. Method. 請求項1乃至4のいずれか一項において、前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を化学気相成長法により形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。   5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating layer that covers the oxygen-excess region is formed by a chemical vapor deposition method.
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