JP2013138196A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can be produced by a self-aligned process, includes a source electrode and a drain electrode of low resistance, and achieve miniaturization while maintaining excellent electrical characteristics, and to provide a method of manufacturing the semiconductor device.SOLUTION: The method of manufacturing the semiconductor device comprises steps of: forming a gate electrode on an insulating surface; forming a gate insulating film which covers the gate electrode; and depositing a conductive film on the gate insulating film. A source electrode and a drain electrode, which do not overlap the gate electrode, are formed by performing removal processing such as chemical mechanical polishing on a part of the conductive film and exposing the gate insulating film.

Description

半導体装置およ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、本明細書中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、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。   Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical 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(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン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 electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (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、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が1018/cm未満であるインジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照)。 For example, a transistor using an amorphous oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 as an active layer of the transistor is disclosed. (See Patent Document 1).

また、ゲート電極をマスクとしてイオンを上記のような酸化物半導体からなる活性層に導入して、自己整合的にソース領域およびドレイン領域を形成するトップゲート型構造のトランジスタが開示されている(特許文献2参照)。   Further, a transistor having a top gate structure in which a source region and a drain region are formed in a self-aligned manner by introducing ions into the active layer made of the oxide semiconductor as described above using a gate electrode as a mask is disclosed (patent) Reference 2).

特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A 特開2007−220818号公報JP 2007-220818 A

しかしながら、活性層に酸化物半導体膜を用いたトップゲート型構造のトランジスタにおいて、酸化物半導体膜にイオンを導入して酸化物半導体膜を低抵抗化させ、ソース領域およびドレイン領域を形成するとチャネル領域とソース電極(またはドレイン電極)との間(オフセット領域またはLoff領域ともいう)で抵抗が生じ、該抵抗を低減するのは困難である。そうなるとトランジスタの電気特性の一つであるオン電流が低下してしまう。   However, in a top-gate transistor using an oxide semiconductor film as an active layer, when a source region and a drain region are formed by introducing ions into the oxide semiconductor film to reduce the resistance of the oxide semiconductor film, a channel region is formed. A resistance is generated between the source electrode (or the drain electrode) (also referred to as an offset region or a Loff region), and it is difficult to reduce the resistance. Then, the on-state current, which is one of the electrical characteristics of the transistor, is reduced.

また、Loff領域がないゲート電極とソース電極(またはドレイン電極)とが重畳するような構造では、寄生容量が発生するためトランジスタの高速動作の妨げになってしまう。また、上記構成では、チャネル領域とソース電極端(またはドレイン電極端)に電界が集中し、酸化物半導体膜に流れ込んだキャリアは、高電界で加速され、高エネルギーを得る。その一部のキャリアは、絶縁膜に入ってしまい、膜中にトラップされ、しきい値などの電気特性が劣化する「ホットキャリア劣化」が生じてしまい、トランジスタのオフ電流が高くなってしまう。   In addition, in a structure in which a gate electrode and a source electrode (or a drain electrode) without a Loff region overlap with each other, parasitic capacitance is generated, which hinders high-speed operation of the transistor. In the above structure, the electric field concentrates on the channel region and the source electrode end (or the drain electrode end), and the carriers flowing into the oxide semiconductor film are accelerated by the high electric field to obtain high energy. Some of the carriers enter the insulating film and are trapped in the film, resulting in “hot carrier deterioration” in which electrical characteristics such as a threshold value are deteriorated, and the off-state current of the transistor is increased.

そこで、本発明は、上記の少なくとも一の課題を解決すればよい。例えば、オン電流の低下の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。また、高速動作が可能なトランジスタを提供することを課題の一とする。また、劣化の小さい、信頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。また、オフ電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。   Therefore, the present invention may solve at least one of the above problems. For example, an object is to provide a transistor with low reduction in on-state current. Another object is to provide a transistor that can operate at high speed. Another object is to provide a highly reliable transistor with little deterioration. Another object is to provide a transistor with low off-state current.

上記目的を達成するために、酸化物半導体膜を含むトランジスタ(半導体装置)において、本発明の一態様では、ボトムゲート型構造のトランジスタを採用する。以下に本発明の具体的な構成について示す。   In order to achieve the above object, a transistor having a semiconductor structure including an oxide semiconductor film (semiconductor device) employs a bottom-gate transistor in one embodiment of the present invention. Hereinafter, a specific configuration of the present invention will be described.

本発明の一態様は、絶縁表面上に設けられたゲート電極と、ゲート電極を覆っているゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を挟み、ゲート電極の上面と重畳しないソース電極およびドレイン電極と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重畳して設けられ、かつ、ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一部が接する酸化物半導体膜と、を有する半導体装置である。   One embodiment of the present invention includes a gate electrode provided over an insulating surface, a gate insulating film covering the gate electrode, a source electrode sandwiching the gate electrode through the gate insulating film and not overlapping with an upper surface of the gate electrode, A semiconductor device includes a drain electrode and an oxide semiconductor film which is provided so as to overlap with the gate electrode with a gate insulating film interposed therebetween and which is in contact with at least part of the source electrode and the drain electrode.

また、本発明の他の一態様は、上記構成において、酸化物半導体膜は、ゲート絶縁膜、ソース電極およびドレイン電極上に設けられている。   Another embodiment of the present invention is the above structure, in which the oxide semiconductor film is provided over the gate insulating film, the source electrode, and the drain electrode.

また、本発明の他の一態様は、上記構成において、酸化物半導体膜は、ソース電極およびドレイン電極に挟まれている。   Another embodiment of the present invention is the above structure, in which the oxide semiconductor film is sandwiched between the source electrode and the drain electrode.

また、本発明の他の一態様は、下地絶縁膜と、下地絶縁膜中に埋め込まれ、かつ、上面の少なくとも一部が下地絶縁膜から露出したゲート電極と、少なくともゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極と重畳せず、ゲート絶縁膜上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、少なくともゲート電極と重畳し、少なくとも一部がソース電極およびドレイン電極と接し、ゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、を有する半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is provided with a base insulating film, a gate electrode embedded in the base insulating film and having at least a part of the upper surface exposed from the base insulating film, and at least over the gate electrode The gate insulating film does not overlap with the gate electrode, and the source electrode and the drain electrode provided on the gate insulating film overlap with at least the gate electrode, at least a part of which is in contact with the source electrode and the drain electrode, and on the gate insulating film An oxide semiconductor film provided on the semiconductor device.

また、本発明の他の一態様は、上記構成において、ソース電極およびドレイン電極の上面とソース電極およびドレイン電極に挟まれている膜(ゲート絶縁膜または酸化物半導体膜)の上面との高さが揃っている。   According to another embodiment of the present invention, in the above structure, the heights of the upper surfaces of the source electrode and the drain electrode and the upper surface of the film (gate insulating film or oxide semiconductor film) sandwiched between the source electrode and the drain electrode are Is complete.

また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上にゲート電極を形成し、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成し、少なくともゲート絶縁膜上に導電膜を形成し、ゲート絶縁膜が露出するように導電膜の一部に除去処理を行い、除去処理を行った導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成し、ゲート絶縁膜、ソース電極およびドレイン電極上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。   In another embodiment of the present invention, a gate electrode is formed over an insulating surface, a gate insulating film covering the gate electrode is formed, a conductive film is formed over at least the gate insulating film, and the gate insulating film is exposed. Thus, a part of the conductive film is subjected to removal treatment, the removed conductive film is processed to form a source electrode and a drain electrode, and an oxide semiconductor film is formed over the gate insulating film, the source electrode, and the drain electrode This is a method for manufacturing a semiconductor device.

また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上にゲート電極を形成し、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成し、少なくともゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、ゲート絶縁膜および酸化物半導体膜上に導電膜を形成し、酸化物半導体膜が露出するように導電膜の一部に除去処理を行い、除去処理を行った導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成する半導体装置の作製方法である。   In another embodiment of the present invention, a gate electrode is formed over an insulating surface, a gate insulating film covering the gate electrode is formed, an oxide semiconductor film is formed at least over the gate insulating film, and the gate insulating film and A conductive film is formed over the oxide semiconductor film, a portion of the conductive film is removed so that the oxide semiconductor film is exposed, and the removed conductive film is processed to form a source electrode and a drain electrode This is a method for manufacturing a semiconductor device.

また、本発明の他の一態様は、凹部を有する下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に第1の導電膜を形成し、下地絶縁膜が露出するように第1の導電膜の一部に除去処理を行い、下地絶縁膜の凹部にゲート電極を形成し、少なくともゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に第2の導電膜を形成し、裏面露光を行い、ゲート電極と重畳しない第2の導電膜上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて、ゲート電極と重畳しないゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成し、少なくともゲート電極と重畳するゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。   In another embodiment of the present invention, a base insulating film having a recess is formed, a first conductive film is formed over the base insulating film, and the first conductive film is exposed so that the base insulating film is exposed. Removing a portion, forming a gate electrode in a recess of the base insulating film, forming a gate insulating film on at least the gate electrode, forming a second conductive film on the gate insulating film, performing backside exposure, A resist mask is formed over the second conductive film that does not overlap with the gate electrode, and a source electrode and a drain electrode are formed over the gate insulating film that does not overlap with the gate electrode using the resist mask, and at least the gate electrode overlaps with the gate electrode This is a method for manufacturing a semiconductor device in which an oxide semiconductor film is formed over an insulating film.

また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上にゲート電極を形成し、ゲート電極上に下地絶縁膜を形成し、ゲート電極が露出するように下地絶縁膜の一部に除去処理を行い、少なくともゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、裏面露光を行い、ゲート電極と重畳する酸化物半導体膜上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて、ゲート電極と重畳するゲート絶縁膜上に島状の酸化物半導体膜を形成し、ゲート絶縁膜および島状の酸化物半導体膜上に導電膜を形成し、島状の酸化物半導体膜が露出するように導電膜の一部に除去処理を行い、除去処理を行った導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成する半導体装置の作製方法である。   In another embodiment of the present invention, a gate electrode is formed over an insulating surface, a base insulating film is formed over the gate electrode, and a part of the base insulating film is removed so that the gate electrode is exposed. Forming a gate insulating film on at least the gate electrode; forming an oxide semiconductor film on the gate insulating film; performing backside exposure; forming a resist mask on the oxide semiconductor film overlapping with the gate electrode; An island-shaped oxide semiconductor film is formed over the gate insulating film overlapping with the gate electrode, and a conductive film is formed over the gate insulating film and the island-shaped oxide semiconductor film. In this method, a part of the conductive film is subjected to a removal process so that the film is exposed, and the removed conductive film is processed to form a source electrode and a drain electrode.

また、本発明の他の一態様は、上記作製方法において、除去処理は、化学的機械研磨により行ってもよい。   Another embodiment of the present invention is the above manufacturing method, in which the removal treatment may be performed by chemical mechanical polishing.

本発明の一態様では、自己整合プロセスにより、ゲート電極と重畳せず、ソース電極およびドレイン電極を形成することができる。   In one embodiment of the present invention, a source electrode and a drain electrode can be formed by a self-alignment process without overlapping with a gate electrode.

また、ゲート電極とソース電極(またはドレイン電極)とが重畳しない領域(オフセット領域またはLoff領域ともいう)があることにより、チャネル領域端とLoff領域端の電界集中を緩和することができるため、オフ電流を低くでき、かつ、高抵抗領域であるLoff領域によりホットキャリアの発生(ホットキャリア劣化)を低減できる。また、Loff領域(高抵抗領域)を制御し、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタのオン電流を高めることができる。   In addition, since there is a region where the gate electrode and the source electrode (or the drain electrode) do not overlap (also referred to as an offset region or a Loff region), electric field concentration at the channel region end and the Loff region end can be reduced; The current can be lowered, and the generation of hot carriers (hot carrier deterioration) can be reduced by the Loff region which is a high resistance region. In addition, the Loff region (high resistance region) can be controlled and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor can be increased.

また、Loff領域が長すぎると抵抗成分となり、オン電流が低下するため、Loff領域の長さを制御することが重要となる。本発明の一態様では、自己整合プロセスにより、Loff領域がゲート絶縁膜の膜厚によって決定できる。ソース電極(またはドレイン電極)より高抵抗なLoff領域の長さを最適化することができるので酸化物半導体膜のチャネル領域とソース電極(またはドレイン電極)との間に生じる抵抗の増大を抑制することができる。よって、トランジスタのオフ電流が小さく、かつ、オン電流を高くすることができ、信頼性を向上させることができる。   Further, if the Loff region is too long, it becomes a resistance component and the on-current decreases, so it is important to control the length of the Loff region. In one embodiment of the present invention, the Loff region can be determined by the thickness of the gate insulating film by a self-alignment process. Since the length of the Loff region having a higher resistance than the source electrode (or drain electrode) can be optimized, an increase in resistance generated between the channel region of the oxide semiconductor film and the source electrode (or drain electrode) is suppressed. be able to. Thus, the off-state current of the transistor is small, the on-state current can be increased, and reliability can be improved.

また、寄生容量を低減することができ、良好な電気的特性を維持しつつ、微細化を達成した半導体装置およびその作製方法を提供することができる。   In addition, it is possible to provide a semiconductor device that can reduce parasitic capacitance and achieve miniaturization while maintaining good electrical characteristics, and a manufacturing method thereof.

本発明の一態様の半導体装置を示す平面図および断面図。4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置を示す平面図および断面図。4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置を示す平面図および断面図。4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置を示す平面図および断面図。4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 半導体装置の一形態を示す断面図、平面図および回路図。4A and 4B are a cross-sectional view, a plan view, and a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図および斜視図。FIG. 6 is a circuit diagram and a perspective view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図および平面図。9A and 9B are a cross-sectional view and a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 評価に用いたトランジスタの上面図および断面図。The top view and sectional drawing of the transistor used for evaluation.

以下では、本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、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さないことがある。また、便宜上、絶縁膜は上面図には表さないことがある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in describing the structure of the present invention with reference to drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings. Moreover, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and it may not attach | subject a code | symbol in particular. For convenience, the insulating film may not be shown in the top view.

なお、本明細書等において「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。   In the present specification and the like, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the components is “directly above” or “directly below”. For example, the expression “a gate electrode over a gate insulating film” does not exclude an element including another component between the gate insulating film and the gate electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」という用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」という用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。   Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。   In addition, the functions of “source” and “drain” may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。   Note that in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “something having an electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets.

例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線などが含まれる。   For example, “thing having some electric action” includes electrodes and wirings.

なお、以下の説明において、第1、第2などの序数詞は、説明の便宜上付したものであり、その数を限定するものではない。   In the following description, ordinal numbers such as first and second are given for convenience of description, and the number is not limited.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置および半導体装置の作製方法の一形態を図1乃至図4を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device which are one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に、トランジスタ150の平面図および断面図を示す。図1(A)は平面図であり、図1(B)は、図1(A)におけるA−B断面に係る断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ150の構成要素の一部(例えば、絶縁膜110など)を省略している。   FIG. 1 shows a plan view and a cross-sectional view of the transistor 150. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 1A. Note that in FIG. 1A, some components of the transistor 150 (eg, the insulating film 110) are omitted to avoid complexity.

<本実施の形態における半導体装置の構成>
図1は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図1に示すトランジスタ150は、絶縁表面を有する基板100上に設けられたゲート電極102と、ゲート電極102を少なくとも覆っているゲート絶縁膜104と、ゲート絶縁膜104を介してゲート電極102を挟み、ゲート電極102の上面と重畳しないソース電極108aおよびドレイン電極108bと、ゲート絶縁膜104を介してゲート電極102と重畳し、かつ、ゲート絶縁膜104、ソース電極108aおよびドレイン電極108b上に設けられた酸化物半導体膜106と、酸化物半導体膜106、ソース電極108aおよびドレイン電極108b上に設けられた絶縁膜110と、を有する。
<Configuration of Semiconductor Device in this Embodiment>
FIG. 1 is a structural example of a semiconductor device manufactured by the method of this embodiment. 1 includes a gate electrode 102 provided over a substrate 100 having an insulating surface, a gate insulating film 104 covering at least the gate electrode 102, and the gate electrode 102 interposed therebetween. The source electrode 108a and the drain electrode 108b that do not overlap with the upper surface of the gate electrode 102 overlap with the gate electrode 102 with the gate insulating film 104 interposed therebetween, and are provided over the gate insulating film 104, the source electrode 108a, and the drain electrode 108b. The oxide semiconductor film 106, and the insulating film 110 provided over the oxide semiconductor film 106, the source electrode 108a, and the drain electrode 108b are provided.

また、酸化物半導体膜106において、ゲート電極102とソース電極108a(またはドレイン電極108b)が重畳しない領域(Loff領域)は、ゲート絶縁膜104の膜厚によって決定される。また、酸化物半導体膜106のLoff領域がチャネル領域との電界緩和領域として機能する。このため、ホットキャリアの発生を抑制することができ、ホットキャリアのゲート絶縁膜への侵入によるしきい値電圧のばらつきを低減することが可能である。また、トランジスタ150のオフ電流を低減することができる。   In the oxide semiconductor film 106, a region (Loff region) where the gate electrode 102 and the source electrode 108 a (or the drain electrode 108 b) do not overlap is determined by the thickness of the gate insulating film 104. Further, the Loff region of the oxide semiconductor film 106 functions as an electric field relaxation region with respect to the channel region. Therefore, generation of hot carriers can be suppressed, and variation in threshold voltage due to penetration of hot carriers into the gate insulating film can be reduced. In addition, off-state current of the transistor 150 can be reduced.

また、Loff領域が長すぎると抵抗成分となり、オン電流が低下するため、Loff領域の長さを制御することが重要となる。本実施の形態では、ゲート絶縁膜104の膜厚を調整することにより、ソース電極(またはドレイン電極)より高抵抗なLoff領域の長さを最適化することができるので酸化物半導体膜のチャネル領域とソース電極(またはドレイン電極)との間に生じる抵抗の増大を抑制することができる。よって、トランジスタ150のオン電流を高くすることができる。   Further, if the Loff region is too long, it becomes a resistance component and the on-current decreases, so it is important to control the length of the Loff region. In this embodiment, the length of the Loff region having higher resistance than the source electrode (or the drain electrode) can be optimized by adjusting the thickness of the gate insulating film 104; therefore, the channel region of the oxide semiconductor film And an increase in resistance between the source electrode (or the drain electrode) can be suppressed. Thus, the on-state current of the transistor 150 can be increased.

また、ゲート電極102とソース電極108a(またはドレイン電極108b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ150を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 102 and the source electrode 108a (or the drain electrode 108b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 150 can be driven at high speed.

<本実施の形態における半導体装置の作製方法>
トランジスタ150の作製方法について図2および図3を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device in this Embodiment>
A method for manufacturing the transistor 150 is described with reference to FIGS.

まず、基板100上にゲート電極102を形成する(図2(A)参照)。   First, the gate electrode 102 is formed over the substrate 100 (see FIG. 2A).

基板100としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いる。量産する上では、基板100は、第8世代(2160mm×2460mm)、第9世代(2400mm×2800mm、または2450mm×3050mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して量産を行う場合、作製工程の加熱処理は、700℃以下、好ましくは450℃以下、さらに好ましくは350℃以下とすることが望ましい。   As the substrate 100, a glass material such as aluminosilicate glass, aluminoborosilicate glass, or barium borosilicate glass is used. For mass production, it is preferable to use a mother glass of the eighth generation (2160 mm × 2460 mm), the ninth generation (2400 mm × 2800 mm, or 2450 mm × 3050 mm), the tenth generation (2950 mm × 3400 mm), or the like. Since the mother glass has a high processing temperature and contracts significantly when the processing time is long, when mass production is performed using the mother glass, the heat treatment in the manufacturing process is 700 ° C. or less, preferably 450 ° C. or less, more preferably Is preferably 350 ° C. or lower.

次に、基板100上に、導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によりゲート電極102を形成する。ゲート電極102は、Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ag、TaおよびWを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層または積層して用いればよい。または、少なくともInおよびZnを含む酸化物または酸窒化物を用いても構わない。例えば、In−Ga−Zn−O−N系材料などを用いればよい。   Next, after a conductive film is formed over the substrate 100, the gate electrode 102 is formed by a photolithography process and an etching process. The gate electrode 102 is formed of a single layer, a single layer, a stacked layer of a single substance, a nitride, an oxide, or an alloy containing at least one of Al, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ag, Ta, and W. Use it. Alternatively, an oxide or oxynitride containing at least In and Zn may be used. For example, an In—Ga—Zn—O—N-based material or the like may be used.

また、基板100上に下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上にゲート電極102を形成してもよい。   Alternatively, a base insulating film may be formed over the substrate 100, and the gate electrode 102 may be formed over the base insulating film.

下地絶縁膜は、PE−CVD法またはスパッタリング法を用いて50nm以上600nm以下の膜厚で、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から選ばれた一層またはこれらの積層膜を用いる。下地絶縁膜により、基板100側からの不純物の侵入を抑制することができる。   The base insulating film has a thickness of 50 to 600 nm by PE-CVD or sputtering, and is a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, Alternatively, a single layer selected from silicon nitride oxide films or a stacked film thereof is used. By the base insulating film, entry of impurities from the substrate 100 side can be suppressed.

なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンなどの「酸化窒化物」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものをいう。   Note that in this specification, “oxynitride” such as silicon oxynitride refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen.

なお、本明細書中において、窒化酸化シリコンなどの「窒化酸化物」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいう。   Note that in this specification, a “nitride oxide” such as silicon nitride oxide means a composition having a nitrogen content higher than that of oxygen.

次に、基板100およびゲート電極102上にゲート絶縁膜104を形成する(図2(B)参照)。なお、ゲート絶縁膜104は、少なくともゲート電極102を覆っていればよい。   Next, the gate insulating film 104 is formed over the substrate 100 and the gate electrode 102 (see FIG. 2B). Note that the gate insulating film 104 only needs to cover at least the gate electrode 102.

ゲート絶縁膜104の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等を用いて形成することができる。   As a material of the gate insulating film 104, silicon oxide, gallium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, tantalum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, or oxynitride It can be formed using silicon or the like.

ゲート絶縁膜104は、250℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下の温度における加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。   As the gate insulating film 104, an insulating film from which oxygen is released by heat treatment at a temperature of 250 ° C. to 700 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C. is preferably used.

酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の酸素欠損はドナーとなるため、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向へシフトさせる要因となる。また、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面における酸素欠損は、トランジスタの動作などに起因して電荷を捕獲するため、トランジスタの電気特性を変動させる要因となる。従って、酸化物半導体膜中、および酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面における酸素欠損を低減することは、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性を安定させ、かつ信頼性を向上させることに繋がる。そのため、ゲート絶縁膜から酸素が放出されると、酸化物半導体膜中、および酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面における酸素欠損を低減することができて好ましい。   In a transistor including an oxide semiconductor film, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film serve as donors, which causes a shift in the threshold voltage of the transistor in the negative direction. Further, oxygen vacancies at the interface between the gate insulating film and the oxide semiconductor film trap electric charges due to operation of the transistor and the like, which causes variation in electric characteristics of the transistor. Therefore, reducing oxygen vacancies in the oxide semiconductor film and at the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film stabilizes electrical characteristics and improves reliability of the transistor including the oxide semiconductor film. It leads to. Therefore, it is preferable that oxygen be released from the gate insulating film because oxygen vacancies in the oxide semiconductor film and at the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film can be reduced.

「加熱処理により酸素を放出する」とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が1.0×1019atoms/cm以上、好ましくは3.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは1.0×1020atoms/cm以上、さらに好ましくは3.0×1020atoms/cm以上であることをいう。 “Release oxygen by heat treatment” means that the amount of released oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 19 atoms / in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more, more preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. Say.

ここで、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。   Here, a method for measuring the amount of released oxygen converted into oxygen atoms in TDS analysis will be described below.

TDS分析による気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、測定したスペクトルの積分値と標準試料の基準値との比により、気体の放出量を計算することができる。標準試料の基準値は、所定の原子密度を有する試料において、スペクトルの積分値に対する原子密度の割合である。   The amount of gas released by TDS analysis is proportional to the integral value of the spectrum. For this reason, the amount of gas emission can be calculated from the ratio between the measured integral value of the spectrum and the reference value of the standard sample. The reference value of the standard sample is the ratio of the atomic density to the integral value of the spectrum in a sample having a predetermined atomic density.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのTDS分析結果、および絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量(NO2)は、式(1)で求めることができる。ここで、TDSで得られる質量電荷比(M/z)が32で検出されるスペクトルの全てが酸素分子由来と仮定する。M/zが32のものとしてほかにCHOHがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体であるM/zが17の酸素原子およびM/zが18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。 For example, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the insulating film is obtained by the equation (1) from the TDS analysis result of a silicon wafer containing hydrogen of a predetermined density as a standard sample and the TDS analysis result of the insulating film. Can do. Here, it is assumed that all of the spectra detected when the mass-to-charge ratio (M / z) obtained by TDS is 32 are derived from oxygen molecules. There is CH 3 OH in addition to M / z of 32, but it is not considered here as it is unlikely to exist. In addition, oxygen molecules containing an oxygen atom with an M / z of 17 and an oxygen atom with an M / z of 18 that are isotopes of oxygen atoms are not considered because their abundance ratio in nature is extremely small.

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析によるスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析によるスペクトルの積分値である。αは、TDS分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。式(1)の詳細に関しては、特開平6−275697号公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として1×1016atoms/cmの水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。 N H2 is a value obtained by converting hydrogen molecules desorbed from the standard sample by density. SH2 is an integral value of a spectrum obtained by TDS analysis of a standard sample. Here, the reference value of the standard sample is N H2 / SH 2 . S O2 is an integral value of a spectrum obtained by TDS analysis of the insulating film. α is a coefficient that affects the spectral intensity in the TDS analysis. For details of the expression (1), refer to Japanese Patent Laid-Open No. 6-275697. Note that the oxygen release amount of the insulating film is a silicon wafer containing 1 × 10 16 atoms / cm 2 of hydrogen atoms as a standard sample using a temperature programmed desorption analyzer EMD-WA1000S / W manufactured by Electronic Science Co., Ltd. Use to measure.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。   In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Note that since the above α includes the ionization rate of oxygen molecules, the amount of released oxygen atoms can be estimated by evaluating the amount of released oxygen molecules.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。 Note that N 2 O 2 is the amount of released oxygen molecules. The amount of release when converted to oxygen atoms is twice the amount of release of oxygen molecules.

次に、ゲート絶縁膜104が形成された基板100に対して、水分や水素などを除去するための加熱処理を行ってもよい。   Next, heat treatment for removing moisture, hydrogen, or the like may be performed on the substrate 100 over which the gate insulating film 104 is formed.

なお、加熱処理としては、電気炉、もしく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ることができる。例えば、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置、GRTA(Gas 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加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、加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 as the heat treatment, an apparatus for heating 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 can be used. For example, an RTA (Rapid Thermal Annial) apparatus such as an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) apparatus or a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) apparatus 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、加熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すGRTA処理を行ってもよい。GRTA処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に不活性ガスを、酸素を含むガスに切り替えても良い。酸素を含む雰囲気において加熱処理を行うことで、膜中の欠陥密度を低減することができる。   For example, as the heat treatment, a GRTA process may be performed in which an object to be processed is put in a heated inert gas atmosphere, heated for several minutes, and then the object to be processed is taken out from the inert gas atmosphere. When GRTA treatment is used, high-temperature heat treatment can be performed in a short time. In addition, application is possible even under temperature conditions exceeding the heat resistance temperature of the object to be processed. Note that the inert gas may be switched to a gas containing oxygen during the treatment. By performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen, the defect density in the film can be reduced.

なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス(ヘリウム、ネオン、アルゴン等)を主成分とする雰囲気であって、水分、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上(すなわち、不純物濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。   Note that as the inert gas atmosphere, an atmosphere mainly containing nitrogen or a rare gas (such as helium, neon, or argon) and containing no moisture, hydrogen, or the like is preferably used. For example, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon 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).

加熱処理温度は、基板100として、マザーガラスを用いた場合、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、200℃以上450℃以下、好ましくは、250℃以上350℃以下である。   When mother glass is used as the substrate 100, the heat treatment temperature is 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower because the processing temperature is high and the processing time is significantly reduced. .

なお、加熱処理を行うことで、ゲート絶縁膜104中の水分や水素等の不純物を除去することができる。また、当該加熱処理により、膜中の欠陥密度を低減することができる。ゲート絶縁膜104膜中の不純物、または欠陥密度が低減することにより、トランジスタの電気特性が向上し、また、トランジスタの動作に伴う電気特性の変動を抑制することができる。   Note that by heat treatment, impurities such as moisture and hydrogen in the gate insulating film 104 can be removed. Further, the density of defects in the film can be reduced by the heat treatment. When the impurity or defect density in the gate insulating film 104 is reduced, the electrical characteristics of the transistor are improved, and fluctuations in the electrical characteristics accompanying the operation of the transistor can be suppressed.

ところで、上述の加熱処理には水分や水素などを除去する効果があるため、当該加熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。   By the way, since the heat treatment described above has an effect of removing moisture, hydrogen, and the like, the heat treatment can be referred to as dehydration treatment, dehydrogenation treatment, or the like. Further, such dehydration treatment and dehydrogenation treatment are not limited to one time, and may be performed a plurality of times.

次に、ゲート絶縁膜104上に、ソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜107を成膜する(図2(C)参照)。導電膜107は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。本実施の形態では、図2(C)に示すように領域115aと、領域115bとの間に段差が生じている。   Next, a conductive film 107 to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate insulating film 104 (see FIG. 2C). The conductive film 107 may have a single-layer structure or a stacked structure. In this embodiment mode, a step is generated between the region 115a and the region 115b as illustrated in FIG.

導電膜107は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等により形成することができる。また、導電膜107の材料として、後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。導電膜107として、例えば、Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ag、TaおよびWを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層または積層して用いればよい。または、少なくともInおよびZnを含む酸化物または酸窒化物を用いても構わない。例えば、In−Ga−Zn−O−N系材料などを用いればよい。   The conductive film 107 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. The conductive film 107 is formed using a material that can withstand heat treatment performed later. As the conductive film 107, for example, a single layer, a nitride, an oxide, or an alloy including one or more of Al, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ag, Ta, and W, a single layer or a stacked layer Can be used. Alternatively, an oxide or oxynitride containing at least In and Zn may be used. For example, an In—Ga—Zn—O—N-based material or the like may be used.

次に、導電膜107に除去(研磨)処理を行うことにより、ゲート絶縁膜104が露出するように導電膜107の一部を除去し、ソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成する(図3(A)参照)。   Next, by removing (polishing) the conductive film 107, part of the conductive film 107 is removed so that the gate insulating film 104 is exposed, so that the source electrode 108a and the drain electrode 108b are formed (FIG. 3B). A)).

除去処理によって、ゲート電極102と重畳する領域の導電膜107が除去され、自己整合的にソース電極108aおよびドレイン電極108bが形成される。除去方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を用いることが好適である。   By the removal treatment, the conductive film 107 in a region overlapping with the gate electrode 102 is removed, and the source electrode 108a and the drain electrode 108b are formed in a self-aligning manner. As a removal method, it is preferable to use a chemical mechanical polishing (CMP) process.

本実施の形態では、図2(C)に示すように領域115aと、領域115bとの間に生じた段差を利用して、ゲート絶縁膜104上に設けられた導電膜を除去処理(具体的には、CMP処理)することにより、ソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成することができる。   In this embodiment, as illustrated in FIG. 2C, the conductive film provided over the gate insulating film 104 is removed by using a step generated between the region 115a and the region 115b (specifically In this case, the source electrode 108a and the drain electrode 108b can be formed by CMP treatment.

なお、本実施の形態では、ソース電極108aおよびドレイン電極108bの上面とゲート絶縁膜104の上面の高さは揃っているが、これに限られず、ソース電極108aおよびドレイン電極108bの上面とゲート絶縁膜104の上面の高さが多少ずれていても構わない。   Note that in this embodiment, the heights of the upper surfaces of the source electrode 108a and the drain electrode 108b and the upper surface of the gate insulating film 104 are the same, but the present invention is not limited to this, and the upper surfaces of the source electrode 108a and the drain electrode 108b are insulated from the gate insulating film. The height of the upper surface of the film 104 may be slightly shifted.

なお、本実施の形態では、ゲート電極102と重畳する領域の導電膜107の除去にCMP処理を用いたが、他の除去処理を用いてもよい。または、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。除去処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜107の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。また、CMP処理で領域115bにおける導電膜107の大部分を除去し、残りの導電膜107をドライエッチング処理で除去してもよい。このようにすることにより、導電膜107とゲート絶縁膜104とのエッチング選択比がとりやすくなるものもある。そのため、ゲート絶縁膜104が薄くなることを抑制することができる。   Note that although CMP treatment is used for removing the conductive film 107 in a region overlapping with the gate electrode 102 in this embodiment mode, other removal treatment may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where the removal treatment is combined with an etching treatment, a plasma treatment, or the like, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the material, film thickness, and surface roughness of the conductive film 107. Alternatively, most of the conductive film 107 in the region 115b may be removed by CMP treatment, and the remaining conductive film 107 may be removed by dry etching treatment. By doing so, there is a film that can easily achieve an etching selection ratio between the conductive film 107 and the gate insulating film 104. Therefore, the gate insulating film 104 can be prevented from being thinned.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜107の表面の平坦性をより向上させることができる。   The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform the final polishing at a low polishing rate after performing the primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surface of the conductive film 107 can be further improved.

また、CMP処理のかわりに、導電膜107上に該導電膜107とエッチング選択比が同程度であるレジストマスクを用いてエッチングをしてゲート絶縁膜104が露出するように導電膜107の一部を除去し、ソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成してもよい。   Further, a part of the conductive film 107 is exposed so that the gate insulating film 104 is exposed by etching using a resist mask having an etching selectivity similar to that of the conductive film 107 instead of the CMP process. The source electrode 108a and the drain electrode 108b may be formed.

また、本実施の形態では、導電膜107の一部を除去し、該導電膜107を加工してソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成したが、これに限られず、先に導電膜107を加工し、加工後に該導電膜107の一部を除去してソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成してもよい。   In this embodiment mode, part of the conductive film 107 is removed and the conductive film 107 is processed to form the source electrode 108a and the drain electrode 108b. However, the present invention is not limited to this, and the conductive film 107 is processed first. The source electrode 108a and the drain electrode 108b may be formed by removing part of the conductive film 107 after processing.

このように、ゲート絶縁膜104が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極108aおよびドレイン電極108bを形成することができる。そのため、チャネル長を微細化した場合においても、ソース電極108aおよびドレイン電極108bをアライメントのずれなく形成することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In this manner, by performing the removal process so that the gate insulating film 104 is exposed, the source electrode 108a and the drain electrode 108b can be formed in a self-aligning manner. Therefore, even when the channel length is reduced, the source electrode 108a and the drain electrode 108b can be formed without misalignment. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

また、酸化物半導体膜106において、ゲート電極102とソース電極108a(またはドレイン電極108b)が重畳しない領域(Loff領域)は、ゲート絶縁膜104の膜厚によって決定される。また、酸化物半導体膜106のLoff領域がチャネル領域との電界緩和領域として機能する。このため、ホットキャリアの発生を抑制することができ、ホットキャリアのゲート絶縁膜への侵入によるしきい値電圧のばらつきを低減することが可能である。また、トランジスタ150のオフ電流を低減することができる。   In the oxide semiconductor film 106, a region (Loff region) where the gate electrode 102 and the source electrode 108 a (or the drain electrode 108 b) do not overlap is determined by the thickness of the gate insulating film 104. Further, the Loff region of the oxide semiconductor film 106 functions as an electric field relaxation region with respect to the channel region. Therefore, generation of hot carriers can be suppressed, and variation in threshold voltage due to penetration of hot carriers into the gate insulating film can be reduced. In addition, off-state current of the transistor 150 can be reduced.

また、ゲート絶縁膜104の膜厚を調整することにより、ソース電極(またはドレイン電極)より高抵抗なLoff領域の長さを最適化することができるので酸化物半導体膜のチャネル領域とソース電極(またはドレイン電極)との間に生じる抵抗の増大を抑制することができる。よって、トランジスタ150のオン電流を高くすることができる。   In addition, by adjusting the thickness of the gate insulating film 104, the length of the Loff region having higher resistance than the source electrode (or the drain electrode) can be optimized; thus, the channel region and the source electrode ( In addition, an increase in resistance that occurs with the drain electrode) can be suppressed. Thus, the on-state current of the transistor 150 can be increased.

また、ゲート電極102とソース電極108a(またはドレイン電極108b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ150を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 102 and the source electrode 108a (or the drain electrode 108b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 150 can be driven at high speed.

次に、ゲート絶縁膜104、ソース電極108aおよびドレイン電極108b上に酸化物半導体膜106を形成する(図3(B)参照)。   Next, the oxide semiconductor film 106 is formed over the gate insulating film 104, the source electrode 108a, and the drain electrode 108b (see FIG. 3B).

酸化物半導体膜106は、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)法等を用いて成膜される。また、酸化物半導体膜106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リング装置を用いて成膜されてもよい。   The oxide semiconductor film 106 is formed by a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like. Alternatively, the oxide semiconductor film 106 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.

酸化物半導体膜106を成膜する際、酸化物半導体膜106に含まれる水素濃度をできる限り低減させることが好ましい。酸化物半導体膜106に含まれる水素濃度を低減させるためには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜する場合、スパッタリング装置の処理室内に供給するガスとして、水素、水、水酸基、または水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス(代表的には、アルゴン)、酸素、または希ガスと酸素との混合ガスを用いることが好ましい。   When the oxide semiconductor film 106 is formed, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film 106 as much as possible. In order to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film 106, for example, when a film is formed using a sputtering method, hydrogen, water, a hydroxyl group, hydride, or the like is supplied as a gas supplied into the treatment chamber of the sputtering apparatus. It is preferable to use a high-purity rare gas (typically argon) from which the impurities are removed, oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen.

また、成膜室内の残留水分を除去しつつ、水素および水などが除去されたガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体膜106に含まれる水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜された酸化物半導体膜106に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In addition, the concentration of hydrogen contained in the formed oxide semiconductor film 106 is reduced by introducing a gas from which hydrogen, water, and the like have been removed while removing residual moisture in the deposition chamber. be able to. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used. A film formation chamber evacuated using a cryopump has a high exhaust capability such as a compound containing hydrogen atoms (more preferably a compound containing carbon atoms) such as water (H 2 O). The concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film 106 can be reduced.

また、酸化物半導体膜106を、スパッタリング法を用いて成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下とすることが好ましい。相対密度が高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜された酸化物半導体膜106を緻密な膜とすることができる。   In the case where the oxide semiconductor film 106 is formed by a sputtering method, the relative density of the metal oxide target used for the film formation is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. It is preferable. By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide semiconductor film 106 can be a dense film.

酸化物半導体膜106の材料として、例えば、In−M−Zn−O系材料を用いればよい。ここで、金属元素Mは酸素との結合エネルギーがInおよびZnよりも高い元素である。または、In−M−Zn−O系材料から酸素が脱離することを抑制する機能を有する元素である。金属元素Mの作用によって、酸化物半導体膜の酸素欠損の生成が抑制される。そのため、酸素欠損に起因するトランジスタの電気特性の変動を低減することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。   As a material for the oxide semiconductor film 106, for example, an In-M-Zn-O-based material may be used. Here, the metal element M is an element whose binding energy with oxygen is higher than that of In and Zn. Alternatively, the element has a function of suppressing release of oxygen from the In-M-Zn-O-based material. Generation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor film is suppressed by the action of the metal element M. Therefore, variation in electrical characteristics of the transistor due to oxygen deficiency can be reduced, and a highly reliable transistor can be obtained.

金属元素Mは、具体的にはAl、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、TaまたはWとすればよく、好ましくはAl、Ti、Ga、Y、Zr、CeまたはHfとする。金属元素Mは、前述の元素から一種または二種以上選択すればよい。また、金属元素Mに変えてSiやGeを用いることもできる。   Specifically, the metal element M is Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu. Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta or W, preferably Al, Ti, Ga, Y, Zr, Ce or Hf. The metal element M may be selected from one or more of the above elements. Further, Si or Ge can be used instead of the metal element M.

ここで、In−M−Zn−O系材料で表される酸化物半導体は、Inの濃度が高いほどキャリア移動度およびキャリア密度が高まる。結果、Inの濃度が高いほど導電率の高い酸化物半導体となる。   Here, in an oxide semiconductor represented by an In-M-Zn-O-based material, carrier mobility and carrier density increase as the concentration of In increases. As a result, the higher the In concentration, the higher the conductivity of the oxide semiconductor.

酸化物半導体膜は、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、非晶質を有する。非単結晶において、非晶質は最も欠陥準位密度が高く、CAACは最も欠陥準位密度が低い。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 film may include a non-single crystal. The non-single crystal includes, for example, CAAC (C Axis Aligned Crystal), polycrystal, microcrystal, and amorphous. In non-single crystals, amorphous has the highest defect level density, and CAAC has the lowest defect level density. Note that an oxide semiconductor including CAAC is referred to as a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor).

酸化物半導体膜は、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酸化物半導体を有している。   For example, the oxide semiconductor film may include a CAAC-OS. The CAAC-OS includes an oxide semiconductor in which c-axis alignment is performed, for example, and the a-axis and / or b-axis are not aligned macroscopically.

酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶を膜中に含む酸化物半導体を有している。または、微結晶酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に1nm以上10nm未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。   The oxide semiconductor film may include microcrystal, for example. The microcrystalline oxide semiconductor film includes, for example, an oxide semiconductor that includes microcrystal with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm. Alternatively, the microcrystalline oxide semiconductor film includes, for example, an oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure in which an amorphous phase includes a crystal part of 1 nm to less than 10 nm.

酸化物半導体膜は、例えば非晶質を有してもよい。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分のない酸化物半導体を有している。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない酸化物半導体を有している。   For example, the oxide semiconductor film may be amorphous. An amorphous oxide semiconductor film includes, for example, an oxide semiconductor with disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the amorphous oxide semiconductor film includes, for example, an oxide semiconductor that is completely amorphous and has no crystal part.

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

酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のc軸が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揃っていることが好ましい。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。そのような酸化物半導体膜の一例としては、CAAC−OS膜がある。   The oxide semiconductor film preferably includes a plurality of crystal parts, and the c-axis of the crystal parts is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the normal vector of the surface. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. An example of such an oxide semiconductor film is a CAAC-OS film.

CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく(非単結晶の一種)、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、例えば非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。なお、当該結晶部は、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膜に含まれる非晶質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。   The CAAC-OS film is not completely single crystal (a kind of non-single crystal) and is not completely amorphous. The CAAC-OS film includes an oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure where a crystal part and an amorphous part are included in an amorphous phase, for example. Note that the crystal part is often large enough to fit 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 amorphous 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三角形状または六角形状の原子配列を有し、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90°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. It has a triangular or hexagonal atomic arrangement as viewed from the direction, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as seen from the direction perpendicular to the c-axis. 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 from 80 ° to 90 °, preferably from 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が非晶質化することもある。   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. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

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。なお、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っている。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。   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, they may face in different directions. Note that 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. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.

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、酸化物半導体膜において、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体膜表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体膜表面に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理(NOプラズマ処理など)を行うことにより、酸化物半導体膜表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜の銅濃度は1×1018atoms/cm以下、好ましくは1×1017atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体膜のアルミニウム濃度は1×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体膜の塩素濃度は2×1018atoms/cm以下とする。 In addition, the oxide semiconductor film is preferably highly purified so that impurities such as copper, aluminum, and chlorine are hardly contained. In the transistor manufacturing process, it is preferable to appropriately select a process in which these impurities are not mixed or attached to the surface of the oxide semiconductor film. When the impurity is attached to the surface of the oxide semiconductor film, oxalic acid or dilute hydrofluoric acid is used. It is preferable to remove impurities on the surface of the oxide semiconductor film by exposure to the above or plasma treatment (N 2 O plasma treatment or the like). Specifically, the copper concentration of the oxide semiconductor film is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. In addition, the aluminum concentration of the oxide semiconductor film is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The chlorine concentration of the oxide semiconductor film is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体膜は成膜直後において、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜を成膜する場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲気(酸素ガス100%)で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件、特に酸素ガス100%の雰囲気で成膜すると、例えば、成膜温度を300℃以上としても、膜中からのZnの放出が抑えられる。   The oxide semiconductor film is preferably in a supersaturated state in which oxygen is higher than that in the stoichiometric composition immediately after the formation. For example, in the case where an oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the film formation is preferably performed under a condition where the proportion of oxygen in the film formation gas is large, and the film formation is performed particularly in an oxygen atmosphere (oxygen gas 100%). It is preferable. When a film is formed under conditions where the proportion of oxygen in the film forming gas is large, particularly in an atmosphere containing 100% oxygen gas, for example, even when the film forming temperature is set to 300 ° C. or higher, the release of Zn from the film can be suppressed.

酸化物半導体膜は水素などの不純物が十分に除去されることにより、または、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とされることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具体的には、酸化物半導体膜の水素濃度は5×1019atoms/cm以下、望ましくは5×1018atoms/cm以下、より望ましくは5×1017atoms/cm以下とする。なお、上述の酸化物半導体膜中の水素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定されるものである。また、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とするため、酸化物半導体膜を包みこむように過剰酸素を含む絶縁膜(SiOなど)を接して設ける。 It is preferable that the oxide semiconductor film be highly purified by sufficiently removing impurities such as hydrogen or by being supplied with sufficient oxygen to be in a supersaturated state. Specifically, the hydrogen concentration of the oxide semiconductor film is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, desirably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and more desirably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. Note that the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In addition, since sufficient oxygen is supplied to bring the oxygen into a supersaturated state, an insulating film containing excess oxygen (such as SiO x ) is provided so as to surround the oxide semiconductor film.

また、過剰酸素を含む絶縁膜の水素濃度もトランジスタの特性に影響を与えるため重要である。   In addition, the hydrogen concentration of the insulating film containing excess oxygen is also important because it affects the characteristics of the transistor.

以下に、トランジスタの特性に与える、過剰酸素を含む絶縁膜中の水素濃度の影響について説明する。   The influence of the hydrogen concentration in the insulating film containing excess oxygen on the transistor characteristics will be described below.

まずは、過剰酸素を含む絶縁膜中に意図的に水素を添加し、その水素濃度をSIMSにより評価した。   First, hydrogen was intentionally added into an insulating film containing excess oxygen, and the hydrogen concentration was evaluated by SIMS.

以下に試料の作製方法を示す。   A method for manufacturing the sample is described below.

まず、ガラス基板を準備し、当該ガラス基板上に酸化シリコン膜をスパッタリング法にて厚さ300nm成膜した。   First, a glass substrate was prepared, and a silicon oxide film having a thickness of 300 nm was formed on the glass substrate by a sputtering method.

酸化シリコン膜は、石英ターゲットを用い、圧力を0.4Pa、電力を1.5kW(13.56MHz)、成膜時の基板温度を100℃として成膜した。   The silicon oxide film was formed using a quartz target with a pressure of 0.4 Pa, a power of 1.5 kW (13.56 MHz), and a substrate temperature during film formation of 100 ° C.

試料は4種類用意した。なお、各試料は、酸化シリコン膜の成膜に用いる成膜ガスである酸素ガス(O)、重水素ガス(D)およびアルゴンガス(Ar)の流量が異なる以外は同様とした。 Four types of samples were prepared. Each sample was the same except that the flow rates of oxygen gas (O 2 ), deuterium gas (D 2 ), and argon gas (Ar), which are film formation gases used for forming the silicon oxide film, were different.

表1に、試料名と、酸化シリコン膜の成膜に用いた各成膜ガスの流量と、酸化シリコン膜中の30nmの深さにおけるD(重水素原子)濃度およびH(水素原子)濃度を示す。なお、各試料の成膜ガス中のD割合(D/(O+Ar+D))は、試料1が0体積%、試料2が0.005体積%、試料3が0.50体積%、試料4が2.50体積%とした。 Table 1 shows the sample name, the flow rate of each film forming gas used to form the silicon oxide film, the D (deuterium atom) concentration and the H (hydrogen atom) concentration at a depth of 30 nm in the silicon oxide film. Show. Note that the D 2 ratio (D 2 / (O 2 + Ar + D 2 )) in the deposition gas of each sample is 0% by volume for sample 1, 0.005% by volume for sample 2, and 0.50% by volume for sample 3. Sample 4 was 2.50% by volume.

表1より、成膜ガス中のD割合が高いほど酸化シリコン膜中に含まれるD濃度が高いことがわかった。 From Table 1, it was found that the D concentration contained in the silicon oxide film was higher as the D 2 ratio in the deposition gas was higher.

次に、表1で示した試料1乃至試料4を用いて、トランジスタを作製した。   Next, a transistor was manufactured using Samples 1 to 4 shown in Table 1.

図22(A)は評価に用いたトランジスタの上面図である。図22(A)に示す一点鎖線A−Bに対応する断面図を図22(B)に示す。なお、理解を容易にするため、図22(A)においては、保護絶縁膜2118、ゲート絶縁膜2112、絶縁膜2102などを省略して示す。   FIG. 22A is a top view of a transistor used for evaluation. A cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 22A is illustrated in FIG. Note that in order to facilitate understanding, the protective insulating film 2118, the gate insulating film 2112, the insulating film 2102, and the like are omitted in FIG.

図22(B)に示すトランジスタは、基板2100と、基板2100上に設けられた過剰酸素を含む絶縁膜2102と、絶縁膜2102上に設けられた酸化物半導体膜2106と、酸化物半導体膜2106上に設けられた一対の電極2116と、酸化物半導体膜2106および一対の電極2116を覆って設けられたゲート絶縁膜2112と、ゲート絶縁膜2112を介して酸化物半導体膜2106と重畳して設けられたゲート電極2104と、ゲート電極2104およびゲート絶縁膜2112上に設けられた保護絶縁膜2118と、を有する。   A transistor illustrated in FIG. 22B includes a substrate 2100, an insulating film 2102 including excess oxygen provided over the substrate 2100, an oxide semiconductor film 2106 provided over the insulating film 2102, and an oxide semiconductor film 2106. A pair of electrodes 2116 provided above, a gate insulating film 2112 provided so as to cover the oxide semiconductor film 2106 and the pair of electrodes 2116, and the oxide semiconductor film 2106 are provided so as to overlap with each other. And a protective insulating film 2118 provided over the gate electrode 2104 and the gate insulating film 2112.

ここで、絶縁膜2102は、表1で示した試料1乃至試料4のいずれかを用いた。なお、絶縁膜2102の厚さは300nmとした。   Here, for the insulating film 2102, any one of the samples 1 to 4 shown in Table 1 was used. Note that the thickness of the insulating film 2102 was 300 nm.

そのほか、基板2100はガラス、酸化物半導体膜2106はIGZO(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]ターゲットを用いて成膜したもの)を厚さ20nm、一対の電極2116はタングステンを厚さ100nm、ゲート絶縁膜2112は酸化窒化シリコン膜を厚さ30nm、ゲート電極2104は、ゲート絶縁膜2112側から窒化タンタルを厚さ15nmおよびタングステンを厚さ135nm、保護絶縁膜2118は酸化窒化シリコンを厚さ300nmとした。   In addition, the substrate 2100 is glass, the oxide semiconductor film 2106 is IGZO (formed using an In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] target) with a thickness of 20 nm, and the pair of electrodes 2116 are Tungsten is 100 nm thick, the gate insulating film 2112 is a silicon oxynitride film 30 nm thick, the gate electrode 2104 is tantalum nitride 15 nm thick and tungsten is 135 nm thick from the gate insulating film 2112 side, and the protective insulating film 2118 is oxidized. Silicon nitride was 300 nm thick.

以上のような構造を有するトランジスタに対し、BTストレス試験を行った。なお、測定には、チャネル長(L)が10μm、チャネル幅(W)が10μm、ゲート電極2104と一対の電極2116の重なり(Lov)がそれぞれ1μm(合計2μm)であるトランジスタを用いた。実施したBTストレス試験の方法を以下に示す。   A BT stress test was performed on the transistor having the above structure. Note that for the measurement, a transistor with a channel length (L) of 10 μm, a channel width (W) of 10 μm, and an overlap (Lov) between the gate electrode 2104 and the pair of electrodes 2116 of 1 μm (total 2 μm) was used. The method of the implemented BT stress test is shown below.

まず、基板温度25℃において、トランジスタのドレイン電圧(V)を3Vとし、ゲート電圧(V)を−6Vから6Vに掃引したときのドレイン電流(I)を評価した。このときのトランジスタの特性を、BT試験前のトランジスタの特性と呼ぶ。 First, the drain current (I d ) when the drain voltage (V d ) of the transistor was 3 V and the gate voltage (V g ) was swept from −6 V to 6 V at a substrate temperature of 25 ° C. was evaluated. The characteristics of the transistor at this time are called transistor characteristics before the BT test.

次に、Vを0.1Vとし、Vを−6Vとし、基板温度150℃にて1時間保持した。 Next, V d of 0.1 V, the V g and -6 V, and held for 1 hour at a substrate temperature of 0.99 ° C..

次に、V、V、温度を加えることを止め、基板温度25℃において、Vを3Vとし、Vを−6Vから6Vに掃引したときのIを評価した。このときのトランジスタの特性を、BTストレス試験後のトランジスタの特性と呼ぶ。 Next, the application of V d , V g , and temperature was stopped, and when the substrate temperature was 25 ° C., V d was 3 V, and I d when V g was swept from −6 V to 6 V was evaluated. The characteristics of the transistor at this time are referred to as the characteristics of the transistor after the BT stress test.

BTストレス試験前およびBTストレス試験後における、しきい値電圧(Vth)および電界効果移動度(μFE)を表2に示す。ただし、表2に示す試料名は、表1に示す試料名と対応しており、絶縁膜2102の条件を示している。 Table 2 shows the threshold voltage (V th ) and field effect mobility (μ FE ) before and after the BT stress test. However, the sample names shown in Table 2 correspond to the sample names shown in Table 1 and indicate the conditions of the insulating film 2102.

表2より、試料4は、BTストレス試験後にμFEが大幅に低下していることがわかった。 From Table 2, it was found that Sample 4 had a significant decrease in μFE after the BT stress test.

また、さらにLが小さいトランジスタについて、トランジスタの特性を評価したところ、試料4は他の試料と比べ、Vthのマイナス方向のばらつきが大きくなった。 Further, when the transistor characteristics were evaluated for a transistor having a smaller L, the variation in the negative direction of Vth was larger in Sample 4 than in other samples.

以上に示すように、酸化シリコン膜が酸化物半導体膜と接する構造のトランジスタにおいて、酸化シリコン膜中のD濃度が7.2×1020atoms/cmであるとき、トランジスタに特性異常が生じることがわかった。 As described above, in a transistor having a structure in which a silicon oxide film is in contact with an oxide semiconductor film, when the D concentration in the silicon oxide film is 7.2 × 10 20 atoms / cm 3 , characteristic abnormality occurs in the transistor. I understood.

このように、過剰酸素を含む絶縁膜の水素濃度が、7.2×1020atoms/cm以上である場合には、トランジスタの初期特性のバラツキの増大、L長依存性の増大、さらにBTストレス試験において大きく劣化するため、過剰酸素を含む絶縁膜の水素濃度は、7.2×1020atoms/cm未満とする。即ち、酸化物半導体膜の水素濃度は5×1019atoms/cm以下、かつ、過剰酸素を含む絶縁膜の水素濃度は、7.2×1020atoms/cm未満とすることが好ましい。 As described above, when the hydrogen concentration of the insulating film containing excess oxygen is 7.2 × 10 20 atoms / cm 3 or more, the variation in the initial characteristics of the transistor is increased, the L length dependency is increased, and the BT is further increased. Since it deteriorates greatly in the stress test, the hydrogen concentration of the insulating film containing excess oxygen is set to less than 7.2 × 10 20 atoms / cm 3 . That is, the hydrogen concentration of the oxide semiconductor film is preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and the hydrogen concentration of the insulating film containing excess oxygen is preferably less than 7.2 × 10 20 atoms / cm 3 .

さらに酸化物半導体膜を包み、かつ、過剰酸素を含む絶縁膜の外側に配置されるように、酸化物半導体膜の酸素の放出を抑えるブロッキング膜(AlOなど)を設けると好ましい。 Further, a blocking film (such as AlO x ) that suppresses oxygen release from the oxide semiconductor film is preferably provided so as to surround the oxide semiconductor film and be disposed outside the insulating film containing excess oxygen.

過剰酸素を含む絶縁膜またはブロッキング膜で酸化物半導体膜を包み込むことで、酸化物半導体膜において化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。例えば、酸化物半導体膜の化学量論的組成がIn:Ga:Zn:O=1:1:1:4[原子数比]である場合、IGZOに含まれる酸素の原子数比は4より多い状態となる。   A state in which the oxide semiconductor film substantially accords with the stoichiometric composition by wrapping the oxide semiconductor film with an insulating film or blocking film containing excess oxygen, or a supersaturated state in which oxygen is higher than the stoichiometric composition. It can be. For example, when the stoichiometric composition of the oxide semiconductor film is In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 [atomic ratio], the atomic ratio of oxygen contained in IGZO is greater than four. It becomes a state.

次に、ソース電極108a、ドレイン電極108bおよび酸化物半導体膜106上に絶縁膜110を形成する(図3(C)参照)。   Next, the insulating film 110 is formed over the source electrode 108a, the drain electrode 108b, and the oxide semiconductor film 106 (see FIG. 3C).

絶縁膜110の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等を用いて形成することができる。   As a material of the insulating film 110, silicon oxide, gallium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, tantalum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, or silicon nitride oxide Etc. can be used.

絶縁膜110は、250℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下の温度における加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。   As the insulating film 110, an insulating film from which oxygen is released by heat treatment at a temperature of 250 ° C to 700 ° C, preferably 300 ° C to 450 ° C is preferably used.

また、絶縁膜110上にさらに酸化アルミニウム膜を設けると好ましい。特に膜密度が3.2g/cm以上、さらに好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用いるとよい。酸化アルミニウム膜の膜厚は、30nm以上150nm以下、好ましくは50nm以上100nm以下であるとよい。当該酸化アルミニウム膜の密度を上記数値とすることで、水分や水素が酸化物半導体膜に侵入し、拡散することを抑制することができる。また、酸化物半導体膜106または/および絶縁膜110から酸素が抜けてしまうことを抑制することができる。 Further, an aluminum oxide film is preferably provided over the insulating film 110. In particular, an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more, more preferably 3.6 g / cm 3 or more is preferably used. The thickness of the aluminum oxide film is 30 nm to 150 nm, preferably 50 nm to 100 nm. By setting the density of the aluminum oxide film to the above value, moisture and hydrogen can be prevented from entering and diffusing into the oxide semiconductor film. In addition, release of oxygen from the oxide semiconductor film 106 and / or the insulating film 110 can be suppressed.

また、図4に示すようにトランジスタ160のゲート絶縁膜105をゲート絶縁膜105aと側壁絶縁膜105bの積層構造にしてもよい。   In addition, as illustrated in FIG. 4, the gate insulating film 105 of the transistor 160 may have a stacked structure of a gate insulating film 105a and a sidewall insulating film 105b.

ゲート絶縁膜105aと側壁絶縁膜105bの形成方法、材料などは、ゲート絶縁膜104を参酌することができる。また、側壁絶縁膜105bは除去処理で除去しすぎないようにストッパーとして機能させるためゲート絶縁膜105aとエッチング選択比がとれるものを用いる。   The gate insulating film 104 can be referred to for the formation method, material, and the like of the gate insulating film 105a and the sidewall insulating film 105b. The sidewall insulating film 105b is made of a material having an etching selectivity with respect to the gate insulating film 105a in order to function as a stopper so as not to be removed excessively in the removal process.

このような構成にすることにより、微細化によりゲート絶縁膜の薄膜化による酸化物半導体膜からゲート電極へ流れるリーク電流を抑えることができる。また、Loff領域を長くすることができ、より寄生容量を低減することができる。   With such a structure, leakage current flowing from the oxide semiconductor film to the gate electrode due to thinning of the gate insulating film due to miniaturization can be suppressed. Further, the Loff region can be lengthened, and the parasitic capacitance can be further reduced.

以上のように、本実施の形態に示す酸化物半導体を用いた半導体装置において、導電膜に対し、ゲート絶縁膜が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極およびドレイン電極を形成することができる。酸化物半導体膜のLoff領域がチャネル領域との電界緩和領域として機能するため、ホットキャリアの発生を抑制することができ、ホットキャリアのゲート絶縁膜への侵入によるしきい値電圧のばらつきを低減することが可能である。よって、トランジスタのオフ電流を低減でき、かつ、ホットキャリア劣化を低減できる。   As described above, in the semiconductor device including the oxide semiconductor described in this embodiment, the source electrode and the drain electrode are self-aligned by performing a removal process on the conductive film so that the gate insulating film is exposed. Can be formed. Since the Loff region of the oxide semiconductor film functions as an electric field relaxation region with the channel region, generation of hot carriers can be suppressed and variation in threshold voltage due to penetration of hot carriers into the gate insulating film is reduced. It is possible. Therefore, off-state current of the transistor can be reduced and hot carrier deterioration can be reduced.

また、ゲート絶縁膜104の膜厚を調整することにより、ソース電極(またはドレイン電極)より高抵抗なLoff領域の長さを最適化することができるので酸化物半導体膜のチャネル領域とソース電極(またはドレイン電極)との間に生じる抵抗の増大を抑制することができる。よって、トランジスタ150のオン電流を高くすることができる。   In addition, by adjusting the thickness of the gate insulating film 104, the length of the Loff region having higher resistance than the source electrode (or the drain electrode) can be optimized; thus, the channel region and the source electrode ( In addition, an increase in resistance that occurs with the drain electrode) can be suppressed. Thus, the on-state current of the transistor 150 can be increased.

また、ゲート電極とソース電極(またはドレイン電極)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタを高速駆動させることを可能とすることができる。さらにソース電極およびドレイン電極を形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In addition, since the gate electrode and the source electrode (or the drain electrode) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor can be driven at high speed. Furthermore, there is no misalignment when forming the source electrode and the drain electrode, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

したがって、酸化物半導体を用いた半導体装置のオフ電流を低減でき、かつ、オン電流の低下を抑制することができ、また、寄生容量を低減させることができるなどの安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、当該半導体装置の作製方法を提供することができる。   Therefore, it is possible to reduce the off-state current of a semiconductor device using an oxide semiconductor, suppress a decrease in on-state current, and provide stable electrical characteristics such as reduction of parasitic capacitance. A highly reliable semiconductor device can be provided. In addition, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の他の一態様である半導体装置および半導体装置の作製方法の一形態を図5乃至図7を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device which are another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5に、トランジスタ250の平面図および断面図を示す。図5(A)は平面図であり、図5(B)は、図5(A)におけるC−D断面に係る断面図である。なお、図5(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ250の構成要素の一部(例えば、絶縁膜210など)を省略している。   5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view of the transistor 250. FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line CD in FIG. 5A. Note that in FIG. 5A, some components of the transistor 250 (eg, the insulating film 210) are omitted in order to avoid complexity.

<本実施の形態における半導体装置の構成>
図5は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図5に示すトランジスタ250は、絶縁表面を有する基板200上に設けられたゲート電極202と、ゲート電極202を少なくとも覆っているゲート絶縁膜204と、ゲート絶縁膜204上に設けられた酸化物半導体膜206と、ゲート絶縁膜204および酸化物半導体膜206を介してゲート電極202を挟み、ゲート電極202の上面と重畳しないソース電極208aおよびドレイン電極208bと、酸化物半導体膜206、ソース電極208aおよびドレイン電極208b上に設けられた絶縁膜210と、を有する。
<Configuration of Semiconductor Device in this Embodiment>
FIG. 5 is a structural example of a semiconductor device manufactured by the method of this embodiment. 5 includes a gate electrode 202 provided over a substrate 200 having an insulating surface, a gate insulating film 204 covering at least the gate electrode 202, and an oxide semiconductor provided over the gate insulating film 204. The source electrode 208a and the drain electrode 208b which do not overlap with the top surface of the gate electrode 202 with the gate electrode 202 interposed between the film 206, the gate insulating film 204, and the oxide semiconductor film 206, the oxide semiconductor film 206, the source electrode 208a, and And an insulating film 210 provided over the drain electrode 208b.

また、先の実施の形態のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ250のオン電流を高めることができる。   Further, there is no Loff region (high resistance region) as in the above embodiment, and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 250 can be increased.

また、ゲート電極202とソース電極208a(またはドレイン電極208b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ250を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 202 and the source electrode 208a (or the drain electrode 208b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 250 can be driven at high speed.

<本実施の形態における半導体装置の作製方法>
トランジスタ250の作製方法について図6および図7を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device in this Embodiment>
A method for manufacturing the transistor 250 is described with reference to FIGS.

まず、基板200上にゲート電極202を形成する(図6(A)参照)。   First, the gate electrode 202 is formed over the substrate 200 (see FIG. 6A).

基板200、ゲート電極202の形成方法、材料などは、先の実施の形態の基板100、ゲート電極102を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the substrate 200 and the gate electrode 202, the substrate 100 and the gate electrode 102 in the above embodiment can be referred to.

また、基板200上に下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上にゲート電極202を形成してもよい。下地絶縁膜の形成方法、材料などは、先の実施の形態の下地絶縁膜を参酌することができる。   Alternatively, a base insulating film may be formed over the substrate 200 and the gate electrode 202 may be formed over the base insulating film. For the formation method and material of the base insulating film, the base insulating film of the above embodiment can be referred to.

次に、基板200およびゲート電極202上にゲート絶縁膜204を形成する(図6(B)参照)。なお、ゲート絶縁膜204は、少なくともゲート電極202を覆っていればよい。   Next, a gate insulating film 204 is formed over the substrate 200 and the gate electrode 202 (see FIG. 6B). Note that the gate insulating film 204 only needs to cover at least the gate electrode 202.

ゲート絶縁膜204の形成方法、材料などは、先の実施の形態のゲート絶縁膜104を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the gate insulating film 204, the gate insulating film 104 of the above embodiment can be referred to.

次に、ゲート絶縁膜204上に酸化物半導体膜206を形成する(図6(C)参照)。   Next, the oxide semiconductor film 206 is formed over the gate insulating film 204 (see FIG. 6C).

酸化物半導体膜206の形成方法、材料などは、先の実施の形態の酸化物半導体膜106を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the oxide semiconductor film 206, the oxide semiconductor film 106 of the above embodiment can be referred to.

次に、ゲート絶縁膜204および酸化物半導体膜206上に、ソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜207を成膜する(図7(A)参照)。導電膜207は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。本実施の形態では、図7(A)に示すように領域215aと、領域215bとの間に段差が生じている。   Next, a conductive film 207 to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate insulating film 204 and the oxide semiconductor film 206 (see FIG. 7A). ). The conductive film 207 may have a single-layer structure or a stacked structure. In this embodiment, a step is formed between the region 215a and the region 215b as illustrated in FIG.

導電膜207の形成方法、材料などは、先の実施の形態の導電膜107を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the conductive film 207, the conductive film 107 in the above embodiment can be referred to.

次に、導電膜207に除去(研磨)処理を行うことにより、酸化物半導体膜206が露出するように導電膜207の一部を除去し、ソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成する(図7(B)参照)。   Next, by removing (polishing) the conductive film 207, part of the conductive film 207 is removed so that the oxide semiconductor film 206 is exposed, so that the source electrode 208a and the drain electrode 208b are formed (FIG. 7). (See (B)).

除去処理によって、ゲート電極202と重畳する領域の導電膜207が除去され、自己整合的にソース電極208aおよびドレイン電極208bが形成される。除去方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を用いることが好適である。   By the removal treatment, the conductive film 207 in the region overlapping with the gate electrode 202 is removed, and the source electrode 208a and the drain electrode 208b are formed in a self-aligning manner. As a removal method, it is preferable to use a chemical mechanical polishing (CMP) process.

本実施の形態では、図7(A)に示すように領域215aと、領域215bとの間に生じた段差を利用して、酸化物半導体膜206上に設けられた導電膜を除去処理(具体的には、CMP処理)することにより、ソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成することができる。   In this embodiment, as illustrated in FIG. 7A, the conductive film provided over the oxide semiconductor film 206 is removed by using a step generated between the region 215a and the region 215b (specifically Specifically, the source electrode 208a and the drain electrode 208b can be formed by CMP treatment.

なお、本実施の形態では、ソース電極208aおよびドレイン電極208bの上面と酸化物半導体膜206の上面の高さは揃っているが、これに限られず、ソース電極208aおよびドレイン電極208bの上面と酸化物半導体膜206の上面の高さが多少ずれていても構わない。   Note that in this embodiment, the top surfaces of the source electrode 208a and the drain electrode 208b are flush with the top surface of the oxide semiconductor film 206; however, the present invention is not limited to this, and the top surfaces of the source electrode 208a and the drain electrode 208b are oxidized. The height of the upper surface of the physical semiconductor film 206 may be slightly shifted.

なお、本実施の形態では、ゲート電極202と重畳する領域の導電膜207の除去にCMP処理を用いたが、他の除去処理を用いてもよい。または、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。除去処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜207の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。また、CMP処理で領域215bにおける導電膜207の大部分を除去し、残りの導電膜207をドライエッチング処理で除去してもよい。このようにすることにより、導電膜207と酸化物半導体膜206とのエッチング選択比がとりやすくなるものもある。そのため、酸化物半導体膜206が薄くなることを抑制することができる。   Note that in this embodiment mode, CMP treatment is used to remove the conductive film 207 in a region overlapping with the gate electrode 202; however, other removal treatments may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where the removal treatment is combined with an etching treatment, a plasma treatment, or the like, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the material, film thickness, and surface roughness of the conductive film 207. Alternatively, most of the conductive film 207 in the region 215b may be removed by CMP treatment, and the remaining conductive film 207 may be removed by dry etching treatment. By doing so, there is a structure in which an etching selectivity between the conductive film 207 and the oxide semiconductor film 206 can be easily obtained. Therefore, the oxide semiconductor film 206 can be prevented from being thinned.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜207の表面の平坦性をより向上させることができる。   The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform the final polishing at a low polishing rate after performing the primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surface of the conductive film 207 can be further improved.

また、CMP処理のかわりに、導電膜207上に該導電膜207とエッチング選択比が同じであるレジストマスクを用いてエッチングをして酸化物半導体膜206が露出するように導電膜207の一部を除去し、ソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成してもよい。   Further, a part of the conductive film 207 is exposed so that the oxide semiconductor film 206 is exposed by etching using a resist mask having the same etching selectivity as the conductive film 207 instead of the CMP process. The source electrode 208a and the drain electrode 208b may be formed.

また、本実施の形態では、導電膜207の一部を除去し、該導電膜207を加工してソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成したが、これに限られず、先に導電膜207を加工し、加工後に該導電膜207の一部を除去してソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成してもよい。   In this embodiment mode, part of the conductive film 207 is removed and the conductive film 207 is processed to form the source electrode 208a and the drain electrode 208b. However, the present invention is not limited to this, and the conductive film 207 is processed first. Then, the source electrode 208a and the drain electrode 208b may be formed by removing part of the conductive film 207 after processing.

このように、酸化物半導体膜206が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極208aおよびドレイン電極208bを形成することができる。そのため、ソース電極およびドレイン電極を形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In this manner, by performing the removal treatment so that the oxide semiconductor film 206 is exposed, the source electrode 208a and the drain electrode 208b can be formed in a self-aligning manner. Therefore, there is no alignment shift when forming the source electrode and the drain electrode, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

また、先の実施の形態のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜306に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ250のオン電流を高めることができる。   Further, there is no Loff region (high resistance region) as in the above embodiment, and the resistance contributing to the oxide semiconductor film 306 can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 250 can be increased.

また、ゲート電極202とソース電極208a(またはドレイン電極208b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ250を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 202 and the source electrode 208a (or the drain electrode 208b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 250 can be driven at high speed.

次に、ソース電極208a、ドレイン電極208bおよび酸化物半導体膜206上に絶縁膜210を形成する(図7(C)参照)。   Next, the insulating film 210 is formed over the source electrode 208a, the drain electrode 208b, and the oxide semiconductor film 206 (see FIG. 7C).

絶縁膜210の形成方法、材料などは、先の実施の形態の絶縁膜110を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the insulating film 210, the insulating film 110 in the above embodiment can be referred to.

また、絶縁膜210上に酸化アルミニウム膜を設けると好ましい。特に膜密度が3.2g/cm以上、さらに好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用いるとよい。酸化アルミニウム膜の膜厚は、30nm以上150nm以下、好ましくは50nm以上100nm以下であるとよい。当該酸化アルミニウム膜の密度を上記数値とすることで、水分や水素が酸化物半導体膜に侵入し、拡散することを抑制することができる。また、酸化物半導体膜206または/および絶縁膜210から酸素が抜けてしまうことを抑制することができる。 In addition, an aluminum oxide film is preferably provided over the insulating film 210. In particular, an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more, more preferably 3.6 g / cm 3 or more is preferably used. The thickness of the aluminum oxide film is 30 nm to 150 nm, preferably 50 nm to 100 nm. By setting the density of the aluminum oxide film to the above value, moisture and hydrogen can be prevented from entering and diffusing into the oxide semiconductor film. Further, release of oxygen from the oxide semiconductor film 206 and / or the insulating film 210 can be suppressed.

以上のように、本実施の形態に示す酸化物半導体を用いた半導体装置において、導電膜に対し、酸化物半導体膜が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極およびドレイン電極を形成することができる。また、Loff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタのオン電流を高めることができる。   As described above, in the semiconductor device including the oxide semiconductor described in this embodiment, the conductive film is removed so that the oxide semiconductor film is exposed, so that the source electrode and the drain are self-aligned. An electrode can be formed. Further, there is no Loff region (high resistance region), and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor can be increased.

また、ゲート電極とソース電極(またはドレイン電極)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタを高速駆動させることを可能とすることができる。さらにソース電極およびドレイン電極を形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In addition, since the gate electrode and the source electrode (or the drain electrode) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor can be driven at high speed. Furthermore, there is no misalignment when forming the source electrode and the drain electrode, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

したがって、酸化物半導体を用いた半導体装置のオン電流の低下を抑制することができ、また、寄生容量を低減させることができるなどの安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、当該半導体装置の作製方法を提供することができる。   Therefore, a reduction in on-state current of a semiconductor device using an oxide semiconductor can be suppressed, and stable electrical characteristics such as reduction in parasitic capacitance can be provided, so that a highly reliable semiconductor device can be obtained. Can be provided. In addition, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の他の一態様である半導体装置および半導体装置の作製方法の一形態を図8乃至図10を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device which are another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図8に、トランジスタ350の平面図および断面図を示す。図8(A)は平面図であり、図8(B)は、図8(A)におけるE−F断面に係る断面図である。なお、図8(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ350の構成要素の一部(例えば、絶縁膜310など)を省略している。   FIG. 8 shows a plan view and a cross-sectional view of the transistor 350. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line EF in FIG. 8A. Note that in FIG. 8A, part of the components of the transistor 350 (eg, the insulating film 310) is omitted in order to avoid complexity.

<本実施の形態における半導体装置の構成>
図8は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図8に示すトランジスタ350は、絶縁表面を有する基板上に設けられた下地絶縁膜301と、下地絶縁膜301中に埋め込まれ、かつ、上面の少なくとも一部が下地絶縁膜301から露出したゲート電極303と、ゲート電極303を少なくとも覆っているゲート絶縁膜304と、ゲート電極303と重畳せず、ゲート絶縁膜304上に設けられたソース電極308aおよびドレイン電極308bと、少なくともゲート電極303と重畳し、少なくとも一部がソース電極308aおよびドレイン電極308bと接し、ゲート絶縁膜304上に設けられた酸化物半導体膜306と、酸化物半導体膜306、ソース電極308aおよびドレイン電極308b上に設けられた絶縁膜310と、を有する。
<Configuration of Semiconductor Device in this Embodiment>
FIG. 8 is a structural example of a semiconductor device manufactured by the method of this embodiment. A transistor 350 illustrated in FIGS. 8A and 8B includes a base insulating film 301 provided over a substrate having an insulating surface, and a gate electrode embedded in the base insulating film 301 and having at least part of the upper surface exposed from the base insulating film 301. 303, the gate insulating film 304 covering at least the gate electrode 303, and the source electrode 308a and the drain electrode 308b provided on the gate insulating film 304 without overlapping with the gate electrode 303, and at least overlapping with the gate electrode 303. The oxide semiconductor film 306 provided over the gate insulating film 304 and the insulating film provided over the oxide semiconductor film 306, the source electrode 308a, and the drain electrode 308b. And a film 310.

また、酸化物半導体膜306の一側面がソース電極308aと接し、酸化物半導体膜306の一側面に対向する側面がドレイン電極308bと接しているため、実施の形態1のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ350のオン電流を高めることができる。また、Loff領域を設ける構成としてもよい。   Further, since one side surface of the oxide semiconductor film 306 is in contact with the source electrode 308a and the side surface opposite to the one side surface of the oxide semiconductor film 306 is in contact with the drain electrode 308b, There is no resistance region), and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 350 can be increased. Alternatively, a Loff region may be provided.

また、ゲート電極303とソース電極308a(またはドレイン電極308b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ350を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 303 and the source electrode 308a (or the drain electrode 308b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 350 can be driven at high speed.

<本実施の形態における半導体装置の作製方法>
トランジスタ350の作製方法について図9および図10を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device in this Embodiment>
A method for manufacturing the transistor 350 is described with reference to FIGS.

まず、絶縁表面を有する基板上に下地絶縁膜300を形成し、下地絶縁膜300上にレジストマスク320を選択的に形成する(図9(A)参照)。   First, the base insulating film 300 is formed over a substrate having an insulating surface, and a resist mask 320 is selectively formed over the base insulating film 300 (see FIG. 9A).

基板、下地絶縁膜300の材料としては、光が透過する材料を用いる。ここで、本明細書では、「光」とは、露光機で用いる光を指す。基板、下地絶縁膜300の形成方法、材料などは、先の実施の形態の基板100、下地絶縁膜を参酌することができる。レジストマスク320は、フォトリソグラフィ法により形成すればよい。   As a material for the substrate and the base insulating film 300, a material that transmits light is used. Here, in this specification, “light” refers to light used in an exposure machine. For the substrate, the formation method, the material, and the like of the base insulating film 300, the substrate 100 and the base insulating film of the above embodiment can be referred to. The resist mask 320 may be formed by a photolithography method.

次に、下地絶縁膜300をエッチングし、凹部を有する下地絶縁膜301を形成する。下地絶縁膜301形成後、レジストマスク320を除去する(図9(B)参照)。   Next, the base insulating film 300 is etched to form a base insulating film 301 having a recess. After the base insulating film 301 is formed, the resist mask 320 is removed (see FIG. 9B).

次に、下地絶縁膜301上に導電膜302を形成する(図9(C)参照)。   Next, a conductive film 302 is formed over the base insulating film 301 (see FIG. 9C).

導電膜302の材料としては、光が透過しない材料を用いる。導電膜302の形成方法、材料などは、先の実施の形態のゲート電極102を参酌することができる。   As a material of the conductive film 302, a material that does not transmit light is used. For the formation method, material, and the like of the conductive film 302, the gate electrode 102 in the above embodiment can be referred to.

次に、導電膜302に除去(研磨)処理を行うことにより、下地絶縁膜301が露出するように導電膜302の一部を除去し、ゲート電極303を形成する(図9(D)参照)。   Next, by removing (polishing) the conductive film 302, part of the conductive film 302 is removed so that the base insulating film 301 is exposed, so that the gate electrode 303 is formed (see FIG. 9D). .

除去処理によって、レジストマスク320が重畳していた下地絶縁膜301上の導電膜302が除去され、下地絶縁膜301に設けられた凹部を埋めるようにゲート電極303が形成される。除去方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を用いることが好適である。本実施の形態では、CMP処理によって、レジストマスク320が重畳していた下地絶縁膜301上の導電膜302を除去し、ゲート電極303を形成する。   By the removal treatment, the conductive film 302 over the base insulating film 301 on which the resist mask 320 is overlapped is removed, and the gate electrode 303 is formed so as to fill the concave portion provided in the base insulating film 301. As a removal method, it is preferable to use a chemical mechanical polishing (CMP) process. In this embodiment, the conductive film 302 over the base insulating film 301 on which the resist mask 320 is overlapped is removed by CMP treatment, and the gate electrode 303 is formed.

なお、本実施の形態では、レジストマスク320が重畳していた下地絶縁膜301上の導電膜302の除去にCMP処理を用いたが、他の除去処理を用いてもよい。または、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。除去処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜302の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。   Note that in this embodiment mode, the CMP process is used to remove the conductive film 302 over the base insulating film 301 on which the resist mask 320 overlaps, but another removal process may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where etching treatment, plasma treatment, or the like is performed in combination with removal treatment, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the material, film thickness, and surface roughness of the conductive film 302.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜302の表面の平坦性をより向上させることができる。   The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform the final polishing at a low polishing rate after performing the primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surface of the conductive film 302 can be further improved.

また、CMP処理のかわりに、導電膜302上に該導電膜302とエッチング選択比が同じであるレジストマスクを用いてエッチングをして下地絶縁膜301が露出するように導電膜302の一部を除去し、ゲート電極303を形成してもよい。   Further, instead of the CMP treatment, a part of the conductive film 302 is etched on the conductive film 302 using a resist mask having the same etching selection ratio as the conductive film 302 so that the base insulating film 301 is exposed. It may be removed and the gate electrode 303 may be formed.

次に、下地絶縁膜301およびゲート電極303上にゲート絶縁膜304を形成し、ゲート絶縁膜304上にソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜307を形成する(図10(A)参照)。なお、ゲート絶縁膜304は、少なくともゲート電極303を覆っていればよい。   Next, a gate insulating film 304 is formed over the base insulating film 301 and the gate electrode 303, and a conductive film 307 to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate insulating film 304. (See FIG. 10A). Note that the gate insulating film 304 only needs to cover at least the gate electrode 303.

ゲート絶縁膜304の材料としては、光が透過する材料を用いる。例えば、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等を用いて形成することができる。   As a material of the gate insulating film 304, a material that transmits light is used. For example, silicon oxide, gallium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, tantalum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, or silicon nitride oxide is used. be able to.

ゲート絶縁膜304は、250℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下の温度における加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。   As the gate insulating film 304, an insulating film from which oxygen is released by heat treatment at a temperature of 250 ° C. to 700 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C. is preferably used.

導電膜307は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等により形成することができる。また、導電膜307の材料として、後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。導電膜307として、光が透過する材料を用いる。例えば、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、ITOと略記する)、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膜に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。また、上記金属膜と、上記金属酸化物膜の積層構造とすることもできる。 The conductive film 307 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. Further, as the material for the conductive film 307, a material that can withstand heat treatment performed later is used. A material that transmits light is used for the conductive film 307. For example, indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), indium zinc oxide (In 2) O 3 —ZnO) or a metal oxide film containing silicon oxide can be used. Alternatively, a stacked structure of the metal film and the metal oxide film can be employed.

次に、導電膜307上に感光性樹脂を形成する。基板側から裏面露光を行い、ゲート電極303と重畳しない感光性樹脂が露光され、固定化し、ゲート電極303と重畳しない導電膜307上にレジストマスク330を形成する(図10(B)参照)。   Next, a photosensitive resin is formed over the conductive film 307. Backside exposure is performed from the substrate side, the photosensitive resin that does not overlap with the gate electrode 303 is exposed and fixed, and a resist mask 330 is formed over the conductive film 307 that does not overlap with the gate electrode 303 (see FIG. 10B).

なお、裏面露光するため、基板、下地絶縁膜、導電膜は光を透過する材料、ゲート電極は光を透過させない材料でなければならない。導電膜に金属膜などの光を透過させない膜を用いると遮光されてしまうため、感光性樹脂を露光することができなくなってしまう。   Note that in order to perform backside exposure, the substrate, the base insulating film, and the conductive film must be materials that transmit light, and the gate electrode must be a material that does not transmit light. If a film that does not transmit light, such as a metal film, is used as the conductive film, it is shielded from light, so that the photosensitive resin cannot be exposed.

次に、レジストマスク330に対し、酸素プラズマ処理(アッシング)などを行い、レジストマスク330の形成されない領域を広げてもよい。このようにすることで、後に形成される導電膜307を加工して、ゲート電極303とソース電極308a(またはドレイン電極308b)とが重畳しない領域(Loff領域)を広げることができる。   Next, oxygen plasma treatment (ashing) or the like may be performed on the resist mask 330 to widen a region where the resist mask 330 is not formed. In this manner, the conductive film 307 formed later can be processed, so that a region where the gate electrode 303 and the source electrode 308a (or the drain electrode 308b) do not overlap (Loff region) can be widened.

次に、レジストマスク330を用いて導電膜307をエッチングし、ソース電極308aおよびドレイン電極308bを形成する(図10(C)参照)。   Next, the conductive film 307 is etched using the resist mask 330, so that the source electrode 308a and the drain electrode 308b are formed (see FIG. 10C).

このように、裏面露光によりゲート電極303と重畳しないソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜上にレジストマスクを形成し、エッチング工程によりソース電極308aおよびドレイン電極308bを形成することができる。これにより、ゲート電極303と重畳しないソース電極308aおよびドレイン電極308bを自己整合的に形成することができる。そのため、ソース電極308aおよびドレイン電極308bを形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In this manner, a resist mask is formed over the conductive film to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed of the same layer as this) that does not overlap with the gate electrode 303 by backside exposure, and the source electrode 308a and the drain electrode are formed by an etching process. A drain electrode 308b can be formed. Accordingly, the source electrode 308a and the drain electrode 308b that do not overlap with the gate electrode 303 can be formed in a self-aligning manner. Therefore, there is no alignment shift when forming the source electrode 308a and the drain electrode 308b, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

次に、ソース電極308aおよびドレイン電極308b上に酸化物半導体膜306を形成し、酸化物半導体膜306、ソース電極308aおよびドレイン電極308b上に絶縁膜310を形成する(図10(D)参照)。   Next, the oxide semiconductor film 306 is formed over the source electrode 308a and the drain electrode 308b, and the insulating film 310 is formed over the oxide semiconductor film 306, the source electrode 308a, and the drain electrode 308b (see FIG. 10D). .

酸化物半導体膜306および絶縁膜310の形成方法、材料などは、先の実施の形態の酸化物半導体膜106および絶縁膜110を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the oxide semiconductor film 306 and the insulating film 310, the oxide semiconductor film 106 and the insulating film 110 of the above embodiment can be referred to.

また、酸化物半導体膜306において、実施の形態1のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜306に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ350のオン電流を高めることができる。また、Loff領域を設ける場合、Loff領域がチャネル領域との電界緩和領域として機能する。このため、ホットキャリアの発生を抑制することができ、ホットキャリアのゲート絶縁膜への侵入によるしきい値電圧のばらつきを低減することが可能である。また、トランジスタ350のオフ電流を低減することができる。   In addition, the oxide semiconductor film 306 does not have the Loff region (high resistance region) as in Embodiment 1, so that the resistance contributing to the oxide semiconductor film 306 can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 350 can be increased. In the case where the Loff region is provided, the Loff region functions as an electric field relaxation region with the channel region. Therefore, generation of hot carriers can be suppressed, and variation in threshold voltage due to penetration of hot carriers into the gate insulating film can be reduced. In addition, off-state current of the transistor 350 can be reduced.

また、ゲート電極303とソース電極308a(またはドレイン電極308b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ350を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 303 and the source electrode 308a (or the drain electrode 308b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 350 can be driven at high speed.

また、絶縁膜310上にさらに酸化アルミニウム膜を設けると好ましい。特に膜密度が3.2g/cm以上、さらに好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用いるとよい。酸化アルミニウム膜の膜厚は、30nm以上150nm以下、好ましくは50nm以上100nm以下であるとよい。当該酸化アルミニウム膜の密度を上記数値とすることで、水分や水素が酸化物半導体膜に侵入し、拡散することを抑制することができる。また、酸化物半導体膜306または/および絶縁膜310から酸素が抜けてしまうことを抑制することができる。 Further, an aluminum oxide film is preferably provided over the insulating film 310. In particular, an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more, more preferably 3.6 g / cm 3 or more is preferably used. The thickness of the aluminum oxide film is 30 nm to 150 nm, preferably 50 nm to 100 nm. By setting the density of the aluminum oxide film to the above value, moisture and hydrogen can be prevented from entering and diffusing into the oxide semiconductor film. In addition, release of oxygen from the oxide semiconductor film 306 and / or the insulating film 310 can be suppressed.

以上のように、本実施の形態に示す酸化物半導体を用いた半導体装置において、裏面露光によりゲート電極と重畳しないソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜上にレジストマスクを形成し、エッチング工程によりゲート電極と重畳しないソース電極およびドレイン電極を自己整合的に形成することができる。また、Loff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタのオン電流を高めることができる。   As described above, in the semiconductor device including the oxide semiconductor described in this embodiment, the conductive material that serves as a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) that does not overlap with the gate electrode by backside exposure. A resist mask is formed over the film, and a source electrode and a drain electrode that do not overlap with the gate electrode can be formed in a self-aligned manner by an etching process. Further, there is no Loff region (high resistance region), and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor can be increased.

さらにソース電極およびドレイン電極を形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   Furthermore, there is no misalignment when forming the source electrode and the drain electrode, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

また、Loff領域を設けると、Loff領域がチャネル領域との電界緩和領域として機能する。このため、ホットキャリアの発生を抑制することができ、ホットキャリアのゲート絶縁膜への侵入によるしきい値電圧のばらつきを低減することが可能である。よって、トランジスタのオフ電流を低減でき、かつ、ホットキャリア劣化を低減できる。   In addition, when the Loff region is provided, the Loff region functions as an electric field relaxation region with the channel region. Therefore, generation of hot carriers can be suppressed, and variation in threshold voltage due to penetration of hot carriers into the gate insulating film can be reduced. Therefore, off-state current of the transistor can be reduced and hot carrier deterioration can be reduced.

したがって、酸化物半導体を用いた半導体装置のオフ電流を低減でき、かつ、オン電流の低下を抑制することができ、また、寄生容量を低減させることができるなどの安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、当該半導体装置の作製方法を提供することができる。   Therefore, it is possible to reduce the off-state current of a semiconductor device using an oxide semiconductor, suppress a decrease in on-state current, and provide stable electrical characteristics such as reduction of parasitic capacitance. A highly reliable semiconductor device can be provided. In addition, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の他の一態様である半導体装置および半導体装置の作製方法の一形態を図11乃至図14を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device which are another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図11に、トランジスタ450の平面図および断面図を示す。図11(A)は平面図であり、図11(B)は、図11(A)におけるG−H断面に係る断面図である。なお、図11(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ450の構成要素の一部(例えば、絶縁膜410など)を省略している。   11A and 11B are a plan view and a cross-sectional view of the transistor 450. FIG. FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line GH in FIG. 11A. Note that in FIG. 11A, part of the components of the transistor 450 (eg, the insulating film 410) is omitted in order to avoid complexity.

<本実施の形態における半導体装置の構成>
図11は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図11に示すトランジスタ450は、絶縁表面を有する基板上に設けられた下地絶縁膜401と、下地絶縁膜401中に埋め込まれ、かつ、上面の少なくとも一部が下地絶縁膜401から露出したゲート電極403と、ゲート電極403を少なくとも覆っているゲート絶縁膜404と、ゲート電極403と重畳せず、ゲート絶縁膜404上に設けられたソース電極408aおよびドレイン電極408bと、少なくともゲート電極403と重畳し、少なくとも一部がソース電極408aおよびドレイン電極408bと接し、ゲート絶縁膜404上に設けられた島状の酸化物半導体膜406と、島状の酸化物半導体膜406、ソース電極408aおよびドレイン電極408b上に設けられた絶縁膜410と、を有する。また、島状の酸化物半導体膜406の上面とソース電極408aおよびドレイン電極408bの上面の高さは揃っている。
<Configuration of Semiconductor Device in this Embodiment>
FIG. 11 is a structural example of a semiconductor device manufactured by the method of this embodiment. A transistor 450 illustrated in FIG. 11 includes a base insulating film 401 provided over a substrate having an insulating surface, and a gate electrode embedded in the base insulating film 401 and at least a part of the upper surface of which is exposed from the base insulating film 401. 403, the gate insulating film 404 covering at least the gate electrode 403, and the source electrode 408a and the drain electrode 408b provided on the gate insulating film 404 without overlapping with the gate electrode 403, and at least overlapping with the gate electrode 403. , An island-shaped oxide semiconductor film 406 provided over the gate insulating film 404, at least partially in contact with the source electrode 408a and the drain electrode 408b, and the island-shaped oxide semiconductor film 406, the source electrode 408a, and the drain electrode 408b And an insulating film 410 provided thereon. In addition, the top surface of the island-shaped oxide semiconductor film 406 is flush with the top surfaces of the source electrode 408a and the drain electrode 408b.

また、島状の酸化物半導体膜406の一側面がソース電極408aと接し、島状の酸化物半導体膜406の一側面に対向する側面がドレイン電極408bと接しているため、先の実施の形態のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ450のオン電流を高めることができる。   In addition, since one side surface of the island-shaped oxide semiconductor film 406 is in contact with the source electrode 408a and the side surface opposite to the one side surface of the island-shaped oxide semiconductor film 406 is in contact with the drain electrode 408b, Thus, there is no Loff region (high resistance region), and the resistance contributing to the oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 450 can be increased.

また、ゲート電極403とソース電極408a(またはドレイン電極408b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ450を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 403 and the source electrode 408a (or the drain electrode 408b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 450 can be driven at high speed.

<本実施の形態における半導体装置の作製方法>
トランジスタ450の作製方法について図12乃至図14を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device in this Embodiment>
A method for manufacturing the transistor 450 is described with reference to FIGS.

まず、絶縁表面を有する基板上に下地絶縁膜401aを形成し、下地絶縁膜401上にゲート電極403を形成する(図12(A)参照)。   First, a base insulating film 401a is formed over a substrate having an insulating surface, and a gate electrode 403 is formed over the base insulating film 401 (see FIG. 12A).

基板、下地絶縁膜401aの材料としては、光が透過する材料を用いる。基板、下地絶縁膜401a、ゲート電極403の形成方法、材料などは、先の実施の形態の基板100、下地絶縁膜、ゲート電極102を参酌することができる。また、ゲート電極403は、下地絶縁膜401a上に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により形成する。   As a material for the substrate and the base insulating film 401a, a material that transmits light is used. The substrate 100, the base insulating film, and the gate electrode 102 in the above embodiment can be referred to for the formation method, material, and the like of the substrate, the base insulating film 401a, and the gate electrode 403. The gate electrode 403 is formed by forming a conductive film over the base insulating film 401a and performing a photolithography process and an etching process.

次に、下地絶縁膜401aおよびゲート電極403上に下地絶縁膜401bを形成する(図12(B)参照)。   Next, a base insulating film 401b is formed over the base insulating film 401a and the gate electrode 403 (see FIG. 12B).

下地絶縁膜401bの形成方法、材料などは、下地絶縁膜401aを参酌することができる。   The base insulating film 401a can be referred to for the formation method, material, and the like of the base insulating film 401b.

次に、下地絶縁膜401bに除去(研磨)処理を行うことによりゲート電極403が露出するように下地絶縁膜401bの一部を除去し、下地絶縁膜401を形成する(図12(C)参照)。   Next, by performing removal (polishing) treatment on the base insulating film 401b, part of the base insulating film 401b is removed so that the gate electrode 403 is exposed, so that the base insulating film 401 is formed (see FIG. 12C). ).

除去処理によって、ゲート電極403上の下地絶縁膜401bが除去され、下地絶縁膜401が形成される。除去方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を用いることが好適である。本実施の形態では、CMP処理によって、ゲート電極403上の下地絶縁膜401bを除去し、下地絶縁膜401を形成する。   By the removal treatment, the base insulating film 401b over the gate electrode 403 is removed, and the base insulating film 401 is formed. As a removal method, it is preferable to use a chemical mechanical polishing (CMP) process. In this embodiment, the base insulating film 401b over the gate electrode 403 is removed by CMP treatment, and the base insulating film 401 is formed.

なお、本実施の形態では、ゲート電極403上の下地絶縁膜401bの除去にCMP処理を用いたが、他の除去処理を用いてもよい。または、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。除去処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、下地絶縁膜401bの材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。   Note that although CMP treatment is used for removing the base insulating film 401b over the gate electrode 403 in this embodiment mode, other removal treatment may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where the removal treatment is combined with an etching treatment, a plasma treatment, or the like, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate in accordance with the material, film thickness, and surface roughness of the base insulating film 401b.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、下地絶縁膜401bの表面の平坦性をより向上させることができる。   The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform the final polishing at a low polishing rate after performing the primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surface of the base insulating film 401b can be further improved.

また、CMP処理のかわりに、下地絶縁膜401b上に該下地絶縁膜401bとエッチング選択比が同じであるレジストマスクを用いてエッチングをしてゲート電極403が露出するように下地絶縁膜401bの一部を除去し、下地絶縁膜401を形成してもよい。   Further, instead of the CMP treatment, etching is performed on the base insulating film 401b using a resist mask having the same etching selection ratio as the base insulating film 401b so that the gate electrode 403 is exposed so that the gate electrode 403 is exposed. The base insulating film 401 may be formed by removing the portion.

次に、下地絶縁膜401およびゲート電極403上にゲート絶縁膜404を形成し、ゲート絶縁膜404上に酸化物半導体膜405を形成する(図13(A)参照)。なお、ゲート絶縁膜404は、少なくともゲート電極403を覆っていればよい。   Next, the gate insulating film 404 is formed over the base insulating film 401 and the gate electrode 403, and the oxide semiconductor film 405 is formed over the gate insulating film 404 (see FIG. 13A). Note that the gate insulating film 404 only needs to cover at least the gate electrode 403.

ゲート絶縁膜404の材料としては、光が透過する材料を用いる。ゲート絶縁膜404および酸化物半導体膜405の形成方法、材料などは、先の実施の形態のゲート絶縁膜304および酸化物半導体膜106を参酌することができる。   As a material of the gate insulating film 404, a material that transmits light is used. For the formation method, material, and the like of the gate insulating film 404 and the oxide semiconductor film 405, the gate insulating film 304 and the oxide semiconductor film 106 of the above embodiment can be referred to.

次に、酸化物半導体膜405上に感光性樹脂を形成する。基板側から裏面露光を行い、ゲート電極403と重畳する感光性樹脂が露光されず、固定化し、ゲート電極403と重畳する酸化物半導体膜405上にレジストマスク430を形成する(図13(B)参照)。   Next, a photosensitive resin is formed over the oxide semiconductor film 405. Backside exposure is performed from the substrate side, the photosensitive resin overlapping with the gate electrode 403 is not exposed and fixed, and a resist mask 430 is formed over the oxide semiconductor film 405 overlapping with the gate electrode 403 (FIG. 13B). reference).

なお、裏面露光するため、基板、下地絶縁膜、酸化物半導体膜は光を透過する材料、ゲート電極は光を透過させない材料でなければならない。酸化物半導体膜に光を透過させない膜を用いると遮光されてしまうため、感光性樹脂を露光することができなくなってしまう。   Note that in order to perform backside exposure, the substrate, the base insulating film, and the oxide semiconductor film must be formed of a material that transmits light, and the gate electrode must be formed of a material that does not transmit light. When a film that does not transmit light is used for the oxide semiconductor film, the film is shielded from light, so that the photosensitive resin cannot be exposed.

次に、レジストマスク430を用いて酸化物半導体膜405をエッチングし、ゲート電極403と重畳する島状の酸化物半導体膜406を形成する(図13(C)参照)。   Next, the oxide semiconductor film 405 is etched using the resist mask 430, so that an island-shaped oxide semiconductor film 406 overlapping with the gate electrode 403 is formed (see FIG. 13C).

次に、ゲート絶縁膜404および島状の酸化物半導体膜406上にソース電極およびドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜407を成膜する(図14(A)参照)。導電膜407は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。本実施の形態では、図14(A)に示すように領域415aと、領域415bとの間に段差が生じている。   Next, a conductive film 407 to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the gate insulating film 404 and the island-shaped oxide semiconductor film 406 (see FIG. 14A). )reference). The conductive film 407 may have a single-layer structure or a stacked structure. In this embodiment, a step is generated between the region 415a and the region 415b as illustrated in FIG.

導電膜407の形成方法、材料などは、先の実施の形態の導電膜107を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the conductive film 407, the conductive film 107 in the above embodiment can be referred to.

次に、導電膜407に除去(研磨)処理を行うことにより、島状の酸化物半導体膜406が露出するように導電膜407の一部を除去し、ソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成する(図14(B)参照)。   Next, by removing (polishing) the conductive film 407, part of the conductive film 407 is removed so that the island-shaped oxide semiconductor film 406 is exposed, so that the source electrode 408a and the drain electrode 408b are formed. (See FIG. 14B).

除去処理によって、ゲート電極403と重畳する領域の導電膜407が除去され、自己整合的にソース電極408aおよびドレイン電極408bが形成される。除去方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を用いることが好適である。   By the removal treatment, the conductive film 407 in the region overlapping with the gate electrode 403 is removed, and the source electrode 408a and the drain electrode 408b are formed in a self-aligning manner. As a removal method, it is preferable to use a chemical mechanical polishing (CMP) process.

本実施の形態では、図14(A)に示すように領域415aと、領域415bとの間に生じた段差を利用して、島状の酸化物半導体膜406上に設けられた導電膜を除去処理(具体的には、CMP処理)することにより、ソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成することができる。   In this embodiment, the conductive film provided over the island-shaped oxide semiconductor film 406 is removed using a step generated between the region 415a and the region 415b as illustrated in FIG. By performing treatment (specifically, CMP treatment), the source electrode 408a and the drain electrode 408b can be formed.

なお、本実施の形態では、ソース電極408aおよびドレイン電極408bの上面と島状の酸化物半導体膜406の上面の高さは揃っているが、これに限られず、ソース電極408aおよびドレイン電極408bの上面と島状の酸化物半導体膜406の上面の高さが多少ずれていても構わない。   Note that in this embodiment, the heights of the top surfaces of the source electrode 408a and the drain electrode 408b and the top surface of the island-shaped oxide semiconductor film 406 are the same; however, the present invention is not limited to this, and the source electrode 408a and the drain electrode 408b The height between the top surface and the top surface of the island-shaped oxide semiconductor film 406 may be slightly shifted.

なお、本実施の形態では、ゲート電極403と重畳する領域の導電膜407の除去にCMP処理を用いたが、他の除去処理を用いてもよい。または、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。除去処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜207の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。また、CMP処理で領域415bにおける導電膜407の大部分を除去し、残りの導電膜407をドライエッチング処理で除去してもよい。このようにすることにより、導電膜407と島状の酸化物半導体膜406とのエッチング選択比がとりやすくなるものもある。そのため、島状の酸化物半導体膜406が薄くなることを抑制することができる。   Note that although CMP treatment is used to remove the conductive film 407 in a region overlapping with the gate electrode 403 in this embodiment mode, other removal treatment may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where the removal treatment is combined with an etching treatment, a plasma treatment, or the like, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the material, film thickness, and surface roughness of the conductive film 207. Alternatively, most of the conductive film 407 in the region 415b may be removed by CMP treatment, and the remaining conductive film 407 may be removed by dry etching treatment. By doing so, there is a structure in which an etching selectivity between the conductive film 407 and the island-shaped oxide semiconductor film 406 can be easily obtained. Therefore, the island-shaped oxide semiconductor film 406 can be prevented from being thinned.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜407の表面の平坦性をより向上させることができる。   The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform the final polishing at a low polishing rate after performing the primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surface of the conductive film 407 can be further improved.

また、CMP処理のかわりに、導電膜407上に該導電膜407とエッチング選択比が同じであるレジストマスクを用いてエッチングをして島状の酸化物半導体膜406が露出するように導電膜407の一部を除去し、ソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成してもよい。   Further, instead of the CMP treatment, the conductive film 407 is etched so that the island-shaped oxide semiconductor film 406 is exposed over the conductive film 407 using a resist mask having the same etching selectivity as the conductive film 407. May be removed to form the source electrode 408a and the drain electrode 408b.

また、本実施の形態では、導電膜407の一部を除去し、該導電膜407を加工してソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成したが、これに限られず、先に導電膜407を加工し、加工後に該導電膜407の一部を除去してソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成してもよい。   In this embodiment mode, a part of the conductive film 407 is removed and the conductive film 407 is processed to form the source electrode 408a and the drain electrode 408b. However, the present invention is not limited to this, and the conductive film 407 is processed first. Then, part of the conductive film 407 may be removed after processing to form the source electrode 408a and the drain electrode 408b.

このように、裏面露光によりゲート電極403と重畳する酸化物半導体膜上にレジストマスクを形成し、エッチング工程により島状の酸化物半導体膜を形成し、導電膜407に対して島状の酸化物半導体膜が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成することができる。これにより、ゲート電極403と重畳しないソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成することができる。そのため、ソース電極408aおよびドレイン電極408bを形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   In this manner, a resist mask is formed over the oxide semiconductor film which overlaps with the gate electrode 403 by backside exposure, an island-shaped oxide semiconductor film is formed by an etching process, and the island-shaped oxide semiconductor film is formed with respect to the conductive film 407. By performing the removal treatment so that the semiconductor film is exposed, the source electrode 408a and the drain electrode 408b can be formed in a self-aligning manner. Accordingly, the source electrode 408a and the drain electrode 408b that do not overlap with the gate electrode 403 can be formed. Therefore, there is no alignment shift when forming the source electrode 408a and the drain electrode 408b, and the channel length can be reduced. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

次に、島状の酸化物半導体膜406、ソース電極408aおよびドレイン電極408b上に絶縁膜410を形成する(図14(C)参照)。   Next, the insulating film 410 is formed over the island-shaped oxide semiconductor film 406, the source electrode 408a, and the drain electrode 408b (see FIG. 14C).

絶縁膜410の形成方法、材料などは、先の実施の形態の絶縁膜110を参酌することができる。   For the formation method, material, and the like of the insulating film 410, the insulating film 110 in the above embodiment can be referred to.

また、島状の酸化物半導体膜406において、先の実施の形態のようなLoff領域(高抵抗領域)がなく、島状の酸化物半導体膜406に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタ450のオン電流を高めることができる。   In addition, the island-shaped oxide semiconductor film 406 does not have the Loff region (high resistance region) as in the above embodiment, and the resistance contributing to the island-shaped oxide semiconductor film 406 can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor 450 can be increased.

また、ゲート電極403とソース電極408a(またはドレイン電極408b)とが重畳しないため、寄生容量を低減させることができ、トランジスタ450を高速駆動させることを可能とすることができる。   In addition, since the gate electrode 403 and the source electrode 408a (or the drain electrode 408b) do not overlap with each other, parasitic capacitance can be reduced and the transistor 450 can be driven at high speed.

また、絶縁膜410上にさらに酸化アルミニウム膜を設けると好ましい。特に膜密度が3.2g/cm以上、さらに好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用いるとよい。酸化アルミニウム膜の膜厚は、30nm以上150nm以下、好ましくは50nm以上100nm以下であるとよい。当該酸化アルミニウム膜の密度を上記数値とすることで、水分や水素が酸化物半導体膜に侵入し、拡散することを抑制することができる。また、島状の酸化物半導体膜406または/および絶縁膜410から酸素が抜けてしまうことを抑制することができる。 In addition, an aluminum oxide film is preferably provided over the insulating film 410. In particular, an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more, more preferably 3.6 g / cm 3 or more is preferably used. The thickness of the aluminum oxide film is 30 nm to 150 nm, preferably 50 nm to 100 nm. By setting the density of the aluminum oxide film to the above value, moisture and hydrogen can be prevented from entering and diffusing into the oxide semiconductor film. In addition, release of oxygen from the island-shaped oxide semiconductor film 406 and / or the insulating film 410 can be suppressed.

以上のように、本実施の形態に示す酸化物半導体を用いた半導体装置において、裏面露光によりゲート電極と重畳する酸化物半導体膜上にレジストマスクを形成し、導電膜に対して島状の酸化物半導体膜が露出するように除去処理を行うことで、自己整合的にソース電極およびドレイン電極を形成することができる。また、Loff領域(高抵抗領域)がなく、島状の酸化物半導体膜に寄与する抵抗を低減することができる。よって、トランジスタのオン電流を高めることができる。   As described above, in the semiconductor device including an oxide semiconductor described in this embodiment, a resist mask is formed over the oxide semiconductor film which overlaps with the gate electrode by backside exposure, and the island-shaped oxide is formed with respect to the conductive film. By performing the removal treatment so that the physical semiconductor film is exposed, the source electrode and the drain electrode can be formed in a self-aligning manner. In addition, there is no Loff region (high resistance region), and the resistance contributing to the island-shaped oxide semiconductor film can be reduced. Thus, the on-state current of the transistor can be increased.

さらにソース電極およびドレイン電極を形成する際にアライメントのずれがなく、チャネル長を微細化することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。   Furthermore, there is no misalignment when forming the source electrode and the drain electrode, and the channel length can be miniaturized. Thus, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

したがって、酸化物半導体を用いた半導体装置のオン電流の低下を抑制することができ、寄生容量を低減させることができるなどの安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、当該半導体装置の作製方法を提供することができる。   Therefore, a reduction in on-state current of a semiconductor device using an oxide semiconductor can be suppressed, and stable electrical characteristics such as reduction in parasitic capacitance can be provided, and a highly reliable semiconductor device is provided. be able to. In addition, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態4に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a semiconductor device which uses the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 and can hold stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing times. This will be described with reference to the drawings.

図15は、半導体装置の構成の一例である。図15(A)に、半導体装置の断面図を、図15(B)に半導体装置の平面図を、図15(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図15(A)は、図15(B)のI−J、およびK−Lにおける断面に相当する。   FIG. 15 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 15A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 15B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 15C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 15A corresponds to a cross section taken along lines I-J and K-L in FIG.

図15(A)および図15(B)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ760を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ762を有するものである。トランジスタ762としては、上述の実施の形態で示すトランジスタの構造を適用することができる。ここでは、実施の形態1のトランジスタ150を用いた場合の例を記載する。   The semiconductor device illustrated in FIGS. 15A and 15B includes a transistor 760 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 762 using a second semiconductor material in an upper portion. . The transistor structure described in any of the above embodiments can be used as the transistor 762. Here, an example in which the transistor 150 of Embodiment 1 is used will be described.

ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。   Here, it is desirable that the first semiconductor material and the second semiconductor material have different band gaps. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor including a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can hold charge for a long time due to its characteristics.

なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態1に示すようなトランジスタ150に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。   Note that although all the above transistors are described as n-channel transistors, it goes without saying that p-channel transistors can be used. In addition to the transistor 150 in which an oxide semiconductor is used to hold information as in Embodiment 1, a specific structure of a semiconductor device such as a material used in the semiconductor device and a structure of the semiconductor device is described here. It is not necessary to limit to what is shown by.

図15(A)におけるトランジスタ760は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板700に設けられたチャネル形成領域716と、チャネル形成領域716を挟むように設けられた不純物領域720と、不純物領域720に接する金属間化合物領域724と、チャネル形成領域716上に設けられたゲート絶縁膜708と、ゲート絶縁膜708上に設けられたゲート電極710と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。   A transistor 760 in FIG. 15A includes a channel formation region 716 provided in a substrate 700 containing a semiconductor material (eg, silicon), an impurity region 720 provided so as to sandwich the channel formation region 716, and an impurity region. 720 includes an intermetallic compound region 724 in contact with 720, a gate insulating film 708 provided over the channel formation region 716, and a gate electrode 710 provided over the gate insulating film 708. Note that in the drawing, the source electrode and the drain electrode may not be explicitly provided, but for convenience, the state may be referred to as a transistor. In this case, in order to describe the connection relation of the transistors, the source and drain electrodes including the source and drain regions may be expressed. That is, in this specification, the term “source electrode” can include a source region.

基板700上にはトランジスタ760を囲むように素子分離絶縁膜706が設けられており、トランジスタ760を覆うように絶縁膜728、および絶縁膜730が設けられている。なお、トランジスタ760において、ゲート電極710の側面に側壁絶縁膜(サイドウォール絶縁膜)を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域720としてもよい。   An element isolation insulating film 706 is provided over the substrate 700 so as to surround the transistor 760, and an insulating film 728 and an insulating film 730 are provided so as to cover the transistor 760. Note that in the transistor 760, a sidewall insulating film (sidewall insulating film) may be provided on a side surface of the gate electrode 710 so that the impurity region 720 includes regions having different impurity concentrations.

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ760は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ760を覆うように絶縁膜を2層形成する。トランジスタ762および容量素子764の形成前の処理として、2層の該絶縁膜にCMP処理を施して、平坦化した絶縁膜728、絶縁膜730を形成し、同時にゲート電極710の上面を露出させる。   The transistor 760 using a single crystal semiconductor substrate can operate at high speed. Therefore, information can be read at high speed by using the transistor as a reading transistor. Two insulating films are formed so as to cover the transistor 760. As a process before the formation of the transistor 762 and the capacitor 764, the two insulating films are subjected to CMP to form planarized insulating films 728 and 730, and the upper surface of the gate electrode 710 is exposed at the same time.

絶縁膜728、絶縁膜730は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜728、絶縁膜730は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。   The insulating films 728 and 730 are typically a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride oxide film, or the like. An inorganic insulating film can be used. The insulating films 728 and 730 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

また、ポリイミド、アクリル樹脂、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。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁膜728、絶縁膜730を形成してもよい。   Alternatively, an organic material such as polyimide, acrylic resin, 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. In the case of using an organic material, the insulating film 728 and the insulating film 730 may be formed by a wet method such as a spin coating method or a printing method.

なお、本実施の形態において、絶縁膜728として窒化シリコン膜、絶縁膜730として酸化シリコン膜を用いる。   Note that in this embodiment, a silicon nitride film is used as the insulating film 728 and a silicon oxide film is used as the insulating film 730.

トランジスタ762は作製工程において、絶縁膜730表面にゲート電極748およびゲート絶縁膜737を形成し、ゲート電極710上のゲート絶縁膜737に開口を設け、ゲート電極710およびゲート絶縁膜737上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理により除去する工程を用いて、ソース電極742aおよびドレイン電極742bを形成する。   In the manufacturing process of the transistor 762, the gate electrode 748 and the gate insulating film 737 are formed on the surface of the insulating film 730, an opening is formed in the gate insulating film 737 over the gate electrode 710, and the transistor 762 is provided over the gate electrode 710 and the gate insulating film 737. A source electrode 742a and a drain electrode 742b are formed using a process of removing the conductive film by chemical mechanical polishing.

よって、トランジスタ762は、Loff幅を小さくすることができるため、トランジスタ762のオン特性を向上させることが可能となる。   Therefore, the Loff width of the transistor 762 can be reduced, so that the on-state characteristics of the transistor 762 can be improved.

ソース電極742aおよびドレイン電極742bの形成工程におけるゲート電極748と重畳する導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。   In the step of removing the conductive film overlapping with the gate electrode 748 in the step of forming the source electrode 742a and the drain electrode 742b, an etching process using a resist mask is not used, so that precise processing can be performed accurately. Thus, in a manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

除去処理(例えばCMP処理)により十分に平坦化したゲート絶縁膜737、ソース電極742aおよびドレイン電極742b上に酸化物半導体膜744を形成する。   An oxide semiconductor film 744 is formed over the gate insulating film 737, the source electrode 742a, and the drain electrode 742b which are sufficiently planarized by a removal process (eg, a CMP process).

図15(A)に示すトランジスタ762は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ762に含まれる酸化物半導体膜744は、上述の実施の形態にて記載したように、水分や水素などの不純物が極力除去されて高純度化されたものであることが望ましい。また、酸素欠損が十分に補填されたものであることが好ましい。このような酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ762を得ることができる。   A transistor 762 illustrated in FIG. 15A is a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region. Here, as described in the above embodiment, the oxide semiconductor film 744 included in the transistor 762 is preferably highly purified by removing impurities such as moisture and hydrogen as much as possible. Moreover, it is preferable that oxygen deficiency is fully compensated. By using such an oxide semiconductor, a transistor 762 with extremely excellent off characteristics can be obtained.

トランジスタ762は、オフ電流が極めて小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。   Since the transistor 762 has extremely low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 762. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

トランジスタ762上には、層間絶縁膜750が単層または積層で設けられている。本実施の形態では、層間絶縁膜750として、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすることによって、トランジスタ762に安定な電気特性を付与することができる。 An interlayer insulating film 750 is provided as a single layer or a stacked layer over the transistor 762. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the interlayer insulating film 750. By setting the aluminum oxide film to a high density (film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more), stable electrical characteristics can be imparted to the transistor 762.

また、層間絶縁膜750を介して、トランジスタ762のソース電極742aと重畳する領域には、導電膜753が設けられており、ソース電極742aと、層間絶縁膜750と、導電膜753とによって、容量素子764が構成される。すなわち、トランジスタ762のソース電極742aは、容量素子764の一方の電極として機能し、導電膜753は、容量素子764の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子764を設けない構成とすることもできる。また、容量素子764は、別途、トランジスタ762の上方に設けてもよい。   In addition, a conductive film 753 is provided in a region overlapping with the source electrode 742 a of the transistor 762 with the interlayer insulating film 750 interposed therebetween. The source electrode 742 a, the interlayer insulating film 750, and the conductive film 753 provide capacitance. Element 764 is configured. That is, the source electrode 742a of the transistor 762 functions as one electrode of the capacitor 764, and the conductive film 753 functions as the other electrode of the capacitor 764. Note that in the case where a capacitor is not necessary, the capacitor 764 can be omitted. Further, the capacitor 764 may be provided over the transistor 762 separately.

トランジスタ762および容量素子764の上には絶縁膜752が設けられている。そして、絶縁膜752上にはトランジスタ762と、他のトランジスタを接続するための配線756が設けられている。図15(A)には図示しないが、配線756は、層間絶縁膜750および絶縁膜752などに形成された開口に形成された電極を通してドレイン電極742bと電気的に接続される。   An insulating film 752 is provided over the transistor 762 and the capacitor 764. A transistor 762 and a wiring 756 for connecting another transistor are provided over the insulating film 752. Although not illustrated in FIG. 15A, the wiring 756 is electrically connected to the drain electrode 742b through an electrode formed in an opening formed in the interlayer insulating film 750, the insulating film 752, and the like.

図15(A)および図15(B)において、トランジスタ760と、トランジスタ762とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ760のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜744の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ762および容量素子764が、トランジスタ760の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子764の導電膜753は、トランジスタ760のゲート電極710と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。   15A and 15B, the transistor 760 and the transistor 762 are provided so that at least part of them overlaps with each other. The source region or the drain region of the transistor 760 and the oxide semiconductor film 744 It is preferable that a part is provided so as to overlap. Further, the transistor 762 and the capacitor 764 are provided so as to overlap with at least part of the transistor 760. For example, the conductive film 753 of the capacitor 764 is provided so as to overlap with at least part of the gate electrode 710 of the transistor 760. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

なお、ドレイン電極742bおよび配線756の電気的接続は、ドレイン電極742bおよび配線756を直接接触させて行ってもよいし、ドレイン電極742bおよび配線756の間の絶縁膜に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。   Note that the drain electrode 742b and the wiring 756 may be electrically connected to each other by directly contacting the drain electrode 742b and the wiring 756, or an electrode is provided on an insulating film between the drain electrode 742b and the wiring 756. You may go through. A plurality of electrodes may be interposed therebetween.

次に、図15(A)および図15(B)に対応する回路構成の一例を図15(C)に示す。   Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 15A and 15B is illustrated in FIG.

図15(C)において、第1の配線(1st Line)とトランジスタ760のソース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ760のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)とトランジスタ762のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ762のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ760のゲート電極と、トランジスタ762のソース電極またはドレイン電極の一方は、容量素子764の電極の他方と電気的に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子764の電極の一方は電気的に接続されている。   In FIG. 15C, the first wiring (1st Line) and the source electrode of the transistor 760 are electrically connected, and the second wiring (2nd Line) and the drain electrode of the transistor 760 are electrically connected. It is connected. In addition, the third wiring (3rd Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 762 are electrically connected, and the fourth wiring (4th Line) and the gate electrode of the transistor 762 are electrically connected. It is connected to the. One of a gate electrode of the transistor 760 and a source electrode or a drain electrode of the transistor 762 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 764, and a fifth wiring (5th Line) and an electrode of the capacitor 764 One of these is electrically connected.

図15(C)に示す半導体装置では、トランジスタ760のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 15C, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 760 can be held.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、トランジスタ762がオン状態となる電位にして、トランジスタ762をオン状態とする。これにより、第3の配線の電位が、トランジスタ760のゲート電極、および容量素子764に与えられる。すなわち、トランジスタ760のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ762がオフ状態となる電位にして、トランジスタ762をオフ状態とすることにより、トランジスタ760のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。   Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 762 is turned on, so that the transistor 762 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring is supplied to the gate electrode of the transistor 760 and the capacitor 764. That is, predetermined charge is supplied to the gate electrode of the transistor 760 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 762 is turned off and the transistor 762 is turned off, whereby the charge given to the gate electrode of the transistor 760 is held (held).

トランジスタ762のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ760のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。   Since the off-state current of the transistor 762 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 760 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ760のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ760をnチャネル型とすると、トランジスタ760のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ760のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ760を「オン状態」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth_HとVth_Lの中間の電位Vとすることにより、トランジスタ760のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ760は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ760は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth wiring in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring, the first wiring is changed according to the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 760 The two wirings have different potentials. In general, when the transistor 760 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H when a high level charge is applied to the gate electrode of the transistor 760 is a low level charge applied to the gate electrode of the transistor 760. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring necessary for turning on the transistor 760. Therefore, the charge given to the gate electrode of the transistor 760 can be determined by setting the potential of the fifth wiring to a potential V 0 that is intermediate between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 760 is turned “on” if the potential of the fifth wiring is V 0 (> V th_H ). In the case where the low-level charge is supplied , the transistor 760 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring is V 0 (<V th_L ). Therefore, the held information can be read by looking at the potential of the second wiring.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ760が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ760が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, a potential at which the transistor 760 is turned “off” regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential lower than V th_H may be supplied to the fifth wiring. Alternatively , a potential that turns on the transistor 760 regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。   In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。   In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that there is no problem of deterioration of the gate insulating film. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、および該半導体装置の作製方法を提供することができる。   As described above, a semiconductor device that achieves miniaturization and high integration and is provided with high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態6)
本実施の形態においては、実施の形態1乃至実施の形態4に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態5に示した構成と異なる構成について、図16および図17を用いて説明を行う。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a semiconductor device which uses the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 and can hold stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing operations. A structure different from the structure shown in Embodiment Mode 5 will be described with reference to FIGS.

図16(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図16(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図16(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図16(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。   FIG. 16A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 16B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 16A will be described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 16B will be described below.

図16(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ762のソース電極またはドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ762のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ762のソース電極またはドレイン電極と容量素子764の第1の端子とは電気的に接続されている。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 16A, the bit line BL and the source or drain electrode of the transistor 762 are electrically connected, the word line WL and the gate electrode of the transistor 762 are electrically connected, and the transistor 762 The source electrode or the drain electrode of the capacitor and the first terminal of the capacitor 764 are electrically connected.

次に、図16(A)に示す半導体装置(メモリセル850)に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。   Next, the case where data is written to and stored in the semiconductor device (memory cell 850) illustrated in FIG.

まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ762がオン状態となる電位として、トランジスタ762をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子764の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ762がオフ状態となる電位として、トランジスタ762をオフ状態とすることにより、容量素子764の第1の端子の電位が保持される(保持)。   First, the potential of the word line WL is set to a potential at which the transistor 762 is turned on, so that the transistor 762 is turned on. Accordingly, the potential of the bit line BL is supplied to the first terminal of the capacitor 764 (writing). After that, the potential of the first terminal of the capacitor 764 is held (held) by setting the potential of the word line WL to a potential at which the transistor 762 is turned off and the transistor 762 being turned off.

酸化物半導体を用いたトランジスタ762は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ762をオフ状態とすることで、容量素子764の第1の端子の電位(あるいは、容量素子764に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって保持することが可能である。   A transistor 762 including an oxide semiconductor has a feature of extremely low off-state current. Therefore, when the transistor 762 is turned off, the potential of the first terminal of the capacitor 764 (or the charge accumulated in the capacitor 764) can be held for an extremely long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ762がオン状態となると、浮遊状態であるビット線BLと容量素子764とが導通し、ビット線BLと容量素子764の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電位の変化量は、容量素子764の第1の端子の電位(あるいは容量素子764に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。   Next, reading of information will be described. When the transistor 762 is turned on, the bit line BL in a floating state and the capacitor 764 are brought into conduction, and charge is redistributed between the bit line BL and the capacitor 764. As a result, the potential of the bit line BL changes. The amount of change in the potential of the bit line BL varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 764 (or the charge accumulated in the capacitor 764).

例えば、容量素子764の第1の端子の電位をV、容量素子764の容量をC、ビット線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル850の状態として、容量素子764の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。   For example, the potential of the first terminal of the capacitor 764 is V, the capacitor of the capacitor 764 is C, the capacitor component of the bit line BL (hereinafter also referred to as bit line capacitor) is CB, and before the charge is redistributed. When the potential of the bit line BL is VB0, the potential of the bit line BL after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, when the potential of the first terminal of the capacitor 764 is two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell 850, the bit line BL in the case where the potential V1 is held. It can be seen that the potential (= CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential (= CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)) of the bit line BL when the potential V0 is held. .

そして、ビット線BLの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。   Then, information can be read by comparing the potential of the bit line BL with a predetermined potential.

このように、図16(A)に示す半導体装置は、トランジスタ762のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子764に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。   As described above, the semiconductor device illustrated in FIG. 16A can hold charge that is accumulated in the capacitor 764 for a long time because the off-state current of the transistor 762 is extremely small. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

次に、図16(B)に示す半導体装置について、説明を行う。   Next, the semiconductor device illustrated in FIG. 16B is described.

図16(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図16(A)に示したメモリセル850を複数有するメモリセルアレイ851aおよびメモリセルアレイ851bを有し、下部に、メモリセルアレイ851(メモリセルアレイ851aおよびメモリセルアレイ851b)を動作させるために必要な周辺回路853を有する。なお、周辺回路853は、メモリセルアレイ851と電気的に接続されている。   A semiconductor device illustrated in FIG. 16B includes a memory cell array 851a and a memory cell array 851b each including a plurality of memory cells 850 illustrated in FIG. 16A as a memory circuit in an upper portion, and a memory cell array 851 (memory cell array) in a lower portion. 851a and the memory cell array 851b) are provided with a peripheral circuit 853 necessary for operating. Note that the peripheral circuit 853 is electrically connected to the memory cell array 851.

図16(B)に示した構成とすることにより、周辺回路853をメモリセルアレイ851(メモリセルアレイ851aおよびメモリセルアレイ851b)の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。   With the structure illustrated in FIG. 16B, the peripheral circuit 853 can be provided immediately below the memory cell array 851 (the memory cell array 851a and the memory cell array 851b), so that the semiconductor device can be downsized.

周辺回路853に設けられるトランジスタは、実施の形態5のトランジスタ762とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能である。   The transistor provided in the peripheral circuit 853 is preferably formed using a semiconductor material different from that of the transistor 762 in Embodiment 5. For example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. Therefore, various transistors (logic circuits, drive circuits, etc.) that require high-speed operation can be suitably realized by the transistors.

なお、図16(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ851(メモリセルアレイ851aと、メモリセルアレイ851b)が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルアレイの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルアレイを積層する構成としても良い。   Note that the semiconductor device illustrated in FIG. 16B illustrates a structure in which two memory cell arrays 851 (a memory cell array 851a and a memory cell array 851b) are stacked; however, the number of stacked memory cell arrays is not limited thereto. . A structure in which three or more memory cell arrays are stacked may be employed.

次に、図16(A)に示したメモリセル850の具体的な構成について図17を用いて説明を行う。   Next, a specific structure of the memory cell 850 illustrated in FIG. 16A will be described with reference to FIGS.

図17は、メモリセル850の構成の一例である。図17(A)に、メモリセル850の断面図を、図17(B)にメモリセル850の平面図をそれぞれ示す。ここで、図17(A)は、図17(B)のM−N、およびO−Pにおける断面に相当する。   FIG. 17 shows an example of the structure of the memory cell 850. 17A is a cross-sectional view of the memory cell 850, and FIG. 17B is a plan view of the memory cell 850. Here, FIG. 17A corresponds to a cross section taken along line MN and OP in FIG.

図17(A)および図17(B)に示すトランジスタ762は、実施の形態1乃至実施の形態4で示した構成と同一の構成とすることができる。   The transistor 762 illustrated in FIGS. 17A and 17B can have the same structure as those described in Embodiments 1 to 4.

トランジスタ762上には、層間絶縁膜750が単層または積層で設けられている。また、層間絶縁膜750を介して、トランジスタ762のソース電極742aと重畳する領域には、導電膜753が設けられており、ソース電極742aと、層間絶縁膜750と、導電膜753とによって、容量素子764が構成される。すなわち、トランジスタ762のソース電極742aは、容量素子764の一方の電極として機能し、導電膜753は、容量素子764の他方の電極として機能する。   An interlayer insulating film 750 is provided as a single layer or a stacked layer over the transistor 762. In addition, a conductive film 753 is provided in a region overlapping with the source electrode 742 a of the transistor 762 with the interlayer insulating film 750 interposed therebetween. The source electrode 742 a, the interlayer insulating film 750, and the conductive film 753 provide capacitance. Element 764 is configured. That is, the source electrode 742a of the transistor 762 functions as one electrode of the capacitor 764, and the conductive film 753 functions as the other electrode of the capacitor 764.

トランジスタ762および容量素子764の上には絶縁膜752が設けられている。そして、絶縁膜752上にはメモリセル850と、隣接するメモリセル850を接続するための配線756が設けられている。図示しないが、配線756は、層間絶縁膜750および絶縁膜752などに形成された開口を介してトランジスタ762のドレイン電極742bと電気的に接続されている。但し、開口に他の導電膜を設け、該他の導電膜を介して、配線756とドレイン電極742bとを電気的に接続してもよい。なお、配線756は、図16(A)の回路図におけるビット線BLに相当する。   An insulating film 752 is provided over the transistor 762 and the capacitor 764. A memory cell 850 and a wiring 756 for connecting the adjacent memory cell 850 are provided over the insulating film 752. Although not illustrated, the wiring 756 is electrically connected to the drain electrode 742b of the transistor 762 through an opening formed in the interlayer insulating film 750, the insulating film 752, and the like. However, another conductive film may be provided in the opening, and the wiring 756 and the drain electrode 742b may be electrically connected through the other conductive film. Note that the wiring 756 corresponds to the bit line BL in the circuit diagram of FIG.

図17(A)および図17(B)において、トランジスタ762のドレイン電極742bは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。   In FIGS. 17A and 17B, the drain electrode 742b of the transistor 762 can also function as a source electrode of a transistor included in an adjacent memory cell. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

図17(A)に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。   By adopting the planar layout shown in FIG. 17A, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, so that high integration can be achieved.

以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。   As described above, the plurality of memory cells formed in multiple layers in the upper portion are formed using transistors including an oxide semiconductor. Since a transistor including an oxide semiconductor has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor. That is, the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced.

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ(換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ(より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。   As described above, a peripheral circuit using a transistor using a material other than an oxide semiconductor (in other words, a transistor capable of sufficiently high-speed operation) and a transistor using an oxide semiconductor (in a broader sense, sufficiently off) By integrally including a memory circuit using a transistor having a small current, a semiconductor device having characteristics that have never been achieved can be realized. Further, the peripheral circuit and the memory circuit have a stacked structure, whereby the semiconductor device can be integrated.

以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、および該半導体装置の作製方法を提供することができる。   As described above, a semiconductor device that achieves miniaturization and high integration and is provided with high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図18乃至図21を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS.

携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。   In portable devices such as mobile phones, smartphones, and electronic books, SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data. The reason why SRAM or DRAM is used is that the flash memory has a slow response and is not suitable for image processing. On the other hand, when SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data, it has the following characteristics.

通常のSRAMは、図18(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ801〜806の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダー808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ804とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし1つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常100〜150Fである。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。 In an ordinary SRAM, as shown in FIG. 18A, one memory cell includes six transistors 801 to 806, which are driven by an X decoder 807 and a Y decoder 808. The transistors 803 and 805 and the transistors 804 and 806 form an inverter and can be driven at high speed. However, since one memory cell is composed of 6 transistors, there is a disadvantage that the cell area is large. When the minimum dimension of the design rule is F, the SRAM memory cell area is normally 100 to 150 F 2 . For this reason, SRAM has the highest unit price per bit among various memories.

それに対して、DRAMはメモリセルが図18(B)に示すようにトランジスタ811、保持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて駆動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。DRAMのメモリセル面積は通常10F以下である。ただし、DRAMは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。 On the other hand, in the DRAM, a memory cell includes a transistor 811 and a storage capacitor 812 as shown in FIG. 18B, and is driven by an X decoder 813 and a Y decoder 814. One cell has a structure of one transistor and one capacitor, and the area is small. The memory cell area of a DRAM is usually 10F 2 or less. However, the DRAM always needs refreshing and consumes power even when rewriting is not performed.

しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、10F前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力が低減することができる。 However, the memory cell area of the semiconductor device described in the above embodiment is around 10F 2 and frequent refreshing is not necessary. Therefore, the memory cell area can be reduced and the power consumption can be reduced.

図19に携帯機器のブロック図を示す。図19に示す携帯機器はRF回路901、アナログベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス(IF)909を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。   FIG. 19 shows a block diagram of a portable device. 19 includes an RF circuit 901, an analog baseband circuit 902, a digital baseband circuit 903, a battery 904, a power supply circuit 905, an application processor 906, a flash memory 910, a display controller 911, a memory circuit 912, a display 913, and a touch. A sensor 919, an audio circuit 917, a keyboard 918, and the like are included. The display 913 includes a display unit 914, a source driver 915, and a gate driver 916. The application processor 906 includes a CPU 907, a DSP 908, and an interface (IF) 909. In general, the memory circuit 912 includes an SRAM or a DRAM. By adopting the semiconductor device described in the above embodiment for this portion, information can be written and read at high speed, and long-term storage can be performed. In addition, power consumption can be sufficiently reduced.

図20に、ディスプレイのメモリ回路950に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図20に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイッチ954、スイッチ955およびメモリコントローラ951により構成されている。また、メモリ回路は、画像データ(入力画像データ)からの信号線、メモリ952、およびメモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、および制御を行うディスプレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表示するディスプレイ957が接続されている。   FIG. 20 shows an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the memory circuit 950 of the display. A memory circuit 950 illustrated in FIG. 20 includes a memory 952, a memory 953, a switch 954, a switch 955, and a memory controller 951. Further, the memory circuit reads a signal line from the image data (input image data), a memory 952 and data (stored image data) stored in the memory 953, and a display controller 956 that performs control and a display controller 956 A display 957 for displaying by the signal is connected.

まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ(図示しない)によって、形成される(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ954を介してメモリ952に記憶される。そしてメモリ952に記憶された画像データ(記憶画像データA)は、スイッチ955、およびディスプレイコントローラ956を介してディスプレイ957に送られ、表示される。   First, certain image data is formed by an application processor (not shown) (input image data A). The input image data A is stored in the memory 952 via the switch 954. The image data (stored image data A) stored in the memory 952 is sent to the display 957 via the switch 955 and the display controller 956 and displayed.

入力画像データAに変更が無い場合、記憶画像データAは、通常30〜60Hz程度の周期でメモリ952からスイッチ955を介して、ディスプレイコントローラ956から読み出される。   When there is no change in the input image data A, the stored image data A is normally read from the display controller 956 from the memory 952 via the switch 955 at a cycle of about 30 to 60 Hz.

次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき(すなわち、入力画像データAに変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データB)を形成する。入力画像データBはスイッチ954を介してメモリ953に記憶される。この間も定期的にメモリ952からスイッチ955を介して記憶画像データAは読み出されている。メモリ953に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し終わると、ディスプレイ957の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、スイッチ955、およびディスプレイコントローラ956を介して、ディスプレイ957に記憶画像データBが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ952に記憶されるまで継続される。   Next, for example, when the user performs an operation of rewriting the screen (that is, when the input image data A is changed), the application processor forms new image data (input image data B). The input image data B is stored in the memory 953 via the switch 954. During this time, stored image data A is periodically read from the memory 952 via the switch 955. When new image data (stored image data B) is stored in the memory 953, the stored image data B is read from the next frame of the display 957, and is stored in the display 957 via the switch 955 and the display controller 956. The stored image data B is sent and displayed. This reading is continued until new image data is stored in the memory 952 next time.

このようにメモリ952およびメモリ953は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ957の表示を行う。なお、メモリ952およびメモリ953はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ952およびメモリ953に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。   In this manner, the memory 952 and the memory 953 display the display 957 by alternately writing image data and reading image data. Note that the memory 952 and the memory 953 are not limited to different memories, and one memory may be divided and used. By employing the semiconductor device described in any of the above embodiments for the memory 952 and the memory 953, information can be written and read at high speed, data can be stored for a long time, and power consumption can be sufficiently reduced. it can.

図21に電子書籍のブロック図を示す。図21はバッテリー1001、電源回路1002、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、ディスプレイコントローラ1010によって構成される。   FIG. 21 shows a block diagram of an electronic book. 21 includes a battery 1001, a power supply circuit 1002, a microprocessor 1003, a flash memory 1004, an audio circuit 1005, a keyboard 1006, a memory circuit 1007, a touch panel 1008, a display 1009, and a display controller 1010.

ここでは、図21のメモリ回路1007に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路1007は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。例えば、ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、特定の箇所を周囲と区別するハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが指定した箇所の情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。   Here, the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the memory circuit 1007 in FIG. The memory circuit 1007 has a function of temporarily holding the contents of a book. For example, when a user is reading an e-book, use a highlight function that distinguishes a specific part from the surroundings by changing the display color, underlining, making the text thicker, changing the typeface of the text, etc. There are some cases. When information on a location designated by the user is stored for a long time, it may be copied to the flash memory 1004. Even in such a case, by adopting the semiconductor device described in the above embodiment, writing and reading of information can be performed at high speed, long-term storage can be performed, and power consumption can be sufficiently reduced. Can do.

以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。   As described above, the portable device described in this embodiment includes the semiconductor device according to any of the above embodiments. This realizes a portable device that can read data at high speed, can store data for a long period of time, and has low power consumption.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

100 基板
102 ゲート電極
104 ゲート絶縁膜
105 ゲート絶縁膜
105a ゲート絶縁膜
105b 側壁絶縁膜
106 酸化物半導体膜
107 導電膜
108a ソース電極
108b ドレイン電極
110 絶縁膜
115a 領域
115b 領域
150 トランジスタ
160 トランジスタ
200 基板
202 ゲート電極
204 ゲート絶縁膜
206 酸化物半導体膜
207 導電膜
208a ソース電極
208b ドレイン電極
210 絶縁膜
215a 領域
215b 領域
250 トランジスタ
300 下地絶縁膜
301 下地絶縁膜
302 導電膜
303 ゲート電極
304 ゲート絶縁膜
306 酸化物半導体膜
307 導電膜
308a ソース電極
308b ドレイン電極
310 絶縁膜
320 レジストマスク
330 レジストマスク
350 トランジスタ
401 下地絶縁膜
401a 下地絶縁膜
401b 下地絶縁膜
403 ゲート電極
404 ゲート絶縁膜
405 酸化物半導体膜
406 島状の酸化物半導体膜
407 導電膜
408a ソース電極
408b ドレイン電極
410 絶縁膜
415a 領域
415b 領域
430 レジストマスク
450 トランジスタ
700 基板
706 素子分離絶縁膜
708 ゲート絶縁膜
710 ゲート電極
716 チャネル形成領域
720 不純物領域
724 金属間化合物領域
728 絶縁膜
730 絶縁膜
737 ゲート絶縁膜
742a ソース電極
742b ドレイン電極
744 酸化物半導体膜
748 ゲート電極
750 層間絶縁膜
752 絶縁膜
753 導電膜
756 配線
760 トランジスタ
762 トランジスタ
764 容量素子
801 トランジスタ
803 トランジスタ
804 トランジスタ
805 トランジスタ
806 トランジスタ
807 Xデコーダー
808 Yデコーダー
811 トランジスタ
812 保持容量
813 Xデコーダー
814 Yデコーダー
850 メモリセル
851 メモリセルアレイ
851a メモリセルアレイ
851b メモリセルアレイ
901 RF回路
902 アナログベースバンド回路
903 デジタルベースバンド回路
904 バッテリー
905 電源回路
906 アプリケーションプロセッサ
907 CPU
908 DSP
909 インターフェイス(IF)
910 フラッシュメモリ
911 ディスプレイコントローラ
912 メモリ回路
913 ディスプレイ
914 表示部
915 ソースドライバ
916 ゲートドライバ
917 音声回路
918 キーボード
919 タッチセンサ
950 メモリ回路
951 メモリコントローラ
952 メモリ
953 メモリ
954 スイッチ
955 スイッチ
956 ディスプレイコントローラ
957 ディスプレイ
1001 バッテリー
1002 電源回路
1003 マイクロプロセッサ
1004 フラッシュメモリ
1005 音声回路
1006 キーボード
1007 メモリ回路
1008 タッチパネル
1009 ディスプレイ
1010 ディスプレイコントローラ
2100 基板
2102 絶縁膜
2104 ゲート電極
2106 酸化物半導体膜
2112 ゲート絶縁膜
2116 電極
2118 保護絶縁膜
100 Substrate 102 Gate electrode 104 Gate insulating film 105 Gate insulating film 105a Gate insulating film 105b Side wall insulating film 106 Oxide semiconductor film 107 Conductive film 108a Source electrode 108b Drain electrode 110 Insulating film 115a Region 115b Region 150 Transistor 160 Transistor 200 Substrate 202 Gate Electrode 204 Gate insulating film 206 Oxide semiconductor film 207 Conductive film 208a Source electrode 208b Drain electrode 210 Insulating film 215a Region 215b Region 250 Transistor 300 Base insulating film 301 Base insulating film 302 Conductive film 303 Gate electrode 304 Gate insulating film 306 Oxide semiconductor Film 307 Conductive film 308a Source electrode 308b Drain electrode 310 Insulating film 320 Resist mask 330 Resist mask 350 Transistor 401 Edge film 401a Base insulating film 401b Base insulating film 403 Gate electrode 404 Gate insulating film 405 Oxide semiconductor film 406 Island-shaped oxide semiconductor film 407 Conductive film 408a Source electrode 408b Drain electrode 410 Insulating film 415a Region 415b Region 430 Resist mask 450 Transistor 700 Substrate 706 Element isolation insulating film 708 Gate insulating film 710 Gate electrode 716 Channel formation region 720 Impurity region 724 Intermetallic compound region 728 Insulating film 730 Insulating film 737 Gate insulating film 742a Source electrode 742b Drain electrode 744 Oxide semiconductor film 748 Gate Electrode 750 Interlayer insulating film 752 Insulating film 753 Conductive film 756 Wiring 760 Transistor 762 Transistor 764 Capacitance element 801 Transistor 803 Transistor 804 Transistor 8 5 Transistor 806 Transistor 807 X decoder 808 Y decoder 811 Transistor 812 Holding capacitor 813 X decoder 814 Y decoder 850 Memory cell 851 Memory cell array 851a Memory cell array 851b Memory cell array 901 RF circuit 902 Analog baseband circuit 903 Digital baseband circuit 904 Battery 905 Power supply Circuit 906 Application processor 907 CPU
908 DSP
909 interface (IF)
910 Flash memory 911 Display controller 912 Memory circuit 913 Display 914 Display unit 915 Source driver 916 Gate driver 917 Audio circuit 918 Keyboard 919 Touch sensor 950 Memory circuit 951 Memory controller 952 Memory 953 Memory 954 Switch 955 Switch 956 Display controller 957 Display 1001 Battery 1002 Power supply circuit 1003 Microprocessor 1004 Flash memory 1005 Audio circuit 1006 Keyboard 1007 Memory circuit 1008 Touch panel 1009 Display 1010 Display controller 2100 Substrate 2102 Insulating film 2104 Gate electrode 2106 Oxide semiconductor film 2112 Gate insulating film 2116 Electrode 2118 Storage Insulating film

Claims (12)

絶縁表面上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆っているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を挟み、前記ゲート電極の上面と重畳しないソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と重畳して設けられ、かつ、前記ソース電極および前記ドレイン電極の少なくとも一部が接する酸化物半導体膜と、を有する半導体装置。
A gate electrode provided on an insulating surface;
A gate insulating film covering the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode sandwiching the gate electrode through the gate insulating film and not overlapping with an upper surface of the gate electrode;
A semiconductor device comprising: an oxide semiconductor film which is provided so as to overlap with the gate electrode with the gate insulating film interposed therebetween and in which at least part of the source electrode and the drain electrode are in contact with each other.
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜、前記ソース電極および前記ドレイン電極上に設けられる請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide semiconductor film is provided on the gate insulating film, the source electrode, and the drain electrode. 前記ゲート絶縁膜の上面と前記ソース電極および前記ドレイン電極の上面との高さが揃う請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the top surface of the gate insulating film and the top surfaces of the source electrode and the drain electrode are aligned. 前記酸化物半導体膜は、前記ソース電極および前記ドレイン電極に挟まれている請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide semiconductor film is sandwiched between the source electrode and the drain electrode. 前記酸化物半導体膜の上面と前記ソース電極および前記ドレイン電極の上面との高さが揃う請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the height of the upper surface of the oxide semiconductor film is uniform with the upper surfaces of the source electrode and the drain electrode. 下地絶縁膜と、
前記下地絶縁膜中に埋め込まれ、かつ、上面の少なくとも一部が前記下地絶縁膜から露出したゲート電極と、
少なくとも前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極と重畳せず、前記ゲート絶縁膜上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、
少なくとも前記ゲート電極と重畳し、少なくとも一部が前記ソース電極および前記ドレイン電極と接し、前記ゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、を有する半導体装置。
A base insulating film;
A gate electrode embedded in the base insulating film and having at least a part of an upper surface exposed from the base insulating film;
A gate insulating film provided on at least the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode provided on the gate insulating film without overlapping with the gate electrode;
A semiconductor device comprising: an oxide semiconductor film that overlaps at least the gate electrode, at least part of which is in contact with the source electrode and the drain electrode, and is provided over the gate insulating film.
前記酸化物半導体膜の上面と前記ソース電極および前記ドレイン電極の上面との高さが揃う請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein heights of the upper surface of the oxide semiconductor film and the upper surfaces of the source electrode and the drain electrode are uniform. 絶縁表面上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成し、
少なくとも前記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜が露出するように前記導電膜の一部に除去処理を行い、
前記除去処理を行った前記導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成し、
前記ゲート絶縁膜、前記ソース電極および前記ドレイン電極上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法。
Forming a gate electrode on the insulating surface;
Forming a gate insulating film covering the gate electrode;
Forming a conductive film on at least the gate insulating film;
A part of the conductive film is removed so that the gate insulating film is exposed,
Processing the conductive film subjected to the removal treatment to form a source electrode and a drain electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, in which an oxide semiconductor film is formed over the gate insulating film, the source electrode, and the drain electrode.
絶縁表面上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成し、
少なくとも前記ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記酸化物半導体膜上に導電膜を形成し、
前記酸化物半導体膜が露出するように前記導電膜の一部に除去処理を行い、
前記除去処理を行った前記導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成する半導体装置の作製方法。
Forming a gate electrode on the insulating surface;
Forming a gate insulating film covering the gate electrode;
Forming an oxide semiconductor film on at least the gate insulating film;
Forming a conductive film on the gate insulating film and the oxide semiconductor film;
A part of the conductive film is removed so that the oxide semiconductor film is exposed,
A method for manufacturing a semiconductor device, in which the conductive film subjected to the removal treatment is processed to form a source electrode and a drain electrode.
凹部を有する下地絶縁膜を形成し、
前記下地絶縁膜上に第1の導電膜を形成し、
前記下地絶縁膜が露出するように前記第1の導電膜の一部に除去処理を行い、前記下地絶縁膜の凹部にゲート電極を形成し、
少なくとも前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に第2の導電膜を形成し、
裏面露光を行い、前記ゲート電極と重畳しない前記第2の導電膜上にレジストマスクを形成し、
前記レジストマスクを用いて、前記ゲート電極と重畳しない前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成し、
少なくとも前記ゲート電極と重畳する前記ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法。
Forming a base insulating film having a recess,
Forming a first conductive film on the base insulating film;
A part of the first conductive film is removed so that the base insulating film is exposed, and a gate electrode is formed in a recess of the base insulating film,
Forming a gate insulating film on at least the gate electrode;
Forming a second conductive film on the gate insulating film;
Back exposure is performed, and a resist mask is formed on the second conductive film that does not overlap with the gate electrode,
Using the resist mask, a source electrode and a drain electrode are formed on the gate insulating film that does not overlap with the gate electrode,
A method for manufacturing a semiconductor device, in which an oxide semiconductor film is formed over at least the gate insulating film overlapping with the gate electrode.
絶縁表面上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極上に下地絶縁膜を形成し、
前記ゲート電極が露出するように前記下地絶縁膜の一部に除去処理を行い、
少なくとも前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
裏面露光を行い、前記ゲート電極と重畳する前記酸化物半導体膜上にレジストマスクを形成し、
前記レジストマスクを用いて、前記ゲート電極と重畳する前記ゲート絶縁膜上に島状の酸化物半導体膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記島状の酸化物半導体膜上に導電膜を形成し、
前記島状の酸化物半導体膜が露出するように前記導電膜の一部に除去処理を行い、
前記除去処理を行った前記導電膜を加工してソース電極およびドレイン電極を形成する半導体装置の作製方法。
Forming a gate electrode on the insulating surface;
Forming a base insulating film on the gate electrode;
A part of the base insulating film is removed so that the gate electrode is exposed,
Forming a gate insulating film on at least the gate electrode;
Forming an oxide semiconductor film on the gate insulating film;
Back exposure is performed, a resist mask is formed on the oxide semiconductor film overlapping the gate electrode,
Using the resist mask, an island-shaped oxide semiconductor film is formed over the gate insulating film overlapping the gate electrode,
Forming a conductive film over the gate insulating film and the island-shaped oxide semiconductor film;
A removal treatment is performed on a part of the conductive film so that the island-shaped oxide semiconductor film is exposed,
A method for manufacturing a semiconductor device, in which the conductive film subjected to the removal treatment is processed to form a source electrode and a drain electrode.
前記除去処理は、化学的機械研磨により行う、請求項8乃至請求項11のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the removal treatment is performed by chemical mechanical polishing.
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