JP2014195049A - 半導体装置及び半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化物半導体層の下側に設けられた下地絶縁層からチャネル形成領域へ酸素を供給することで、チャネル形成領域に形成されうる酸素欠損を補填する。また、酸化物半導体層の上側に設けられた酸化物層及びゲート絶縁層の側面を覆ってゲート電極層上に、水素の含有量が低く、酸素の透過性が低いバリア層として機能する保護絶縁層を形成することで、ゲート絶縁層及び/又は酸化物層からの酸素の脱離を抑制して、チャネル形成領域での酸素欠損を抑制する。また、島状に形成された酸化物半導体層の外周部において、下地絶縁層と保護絶縁層とが接する構成とすることで、下地絶縁層からの酸化物半導体層以外への酸素の放出(脱離)を抑制する。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、及び半導体装置の作製方法の一態様を図1乃至図4を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として、酸化物半導体層を有するトップゲート構造のトランジスタを示す。
図1にトランジスタ200の構成例を示す。図1(A)は、トランジスタ200の平面図であり、図1(B)は図1(A)のV1−W1における断面図であり、図1(C)は図1(A)のX1−Y1における断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になることを避けるため、半導体装置の構成要素の一部(例えば、保護絶縁層116等)を省略して図示している。
基板100は、単なる支持部材に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ200のゲート電極層114、ソース電極層108a、ドレイン電極層108b、配線層120a又は配線層120bの少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
下地絶縁層102は、基板100からの不純物の拡散を防止する役割を有する他、第1の酸化物層104及び/又は酸化物半導体層106に酸素を供給する役割を担う。よって、下地絶縁層102には酸素を含む絶縁層を用いるものとする。下地絶縁層102から酸素が供給されることで、酸化物半導体層106における酸素欠損を低減することが可能となる。また、上述のように基板100が他のデバイスが形成された基板である場合、下地絶縁層102は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で下地絶縁層102に平坦化処理を行うことが好ましい。
トランジスタ200は、下地絶縁層102とゲート絶縁層112との間に、第1の酸化物層104、酸化物半導体層106及び第2の酸化物層110を含む積層構造を有する。
ソース電極層108a及びドレイン電極層108bには、酸素と結合し易い導電材料を好ましく用いることができる。例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wなどを用いることができる。後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いWを用いることが特に好ましい。なお、酸素と結合し易い導電材料には、酸素が拡散し易い材料も含まれる。
ゲート絶縁層112としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜等を用いることができる。ゲート絶縁層112が酸素を含む膜であると、第2の酸化物層110又は酸化物半導体層106へ酸素を供給しうるため好ましい。また、ゲート絶縁層112には、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))、酸化ランタンなどの材料を用いてもよい。さらに、ゲート絶縁層112は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
ゲート電極層114の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、ゲート電極層114としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
トランジスタ200において、第2の酸化物層110及びゲート絶縁層112の側面を覆ってゲート電極層114上に設けられる保護絶縁層116として、第2の酸化物層110及びゲート絶縁層112よりも酸素に対する透過性が低い(酸素に対するバリア性を有する)絶縁層を設ける。第2の酸化物層110及びゲート絶縁層112の側面に接して酸素に対するバリア性を有する保護絶縁層116を設けることで、該第2の酸化物層110及びゲート絶縁層112からの酸素の脱離を抑制することができる。第2の酸化物層110及びゲート絶縁層112からの酸素の脱離を抑制することで、該膜中に含まれる酸素欠損に起因する酸化物半導体層106からの酸素の引き抜きを抑制することができ、結果としてチャネル形成領域の酸素欠損を抑制することができる。また、保護絶縁層116は、島状の酸化物半導体層106の外周部において下地絶縁層102と接する領域を有するため、下地絶縁層102よりも酸素に対する透過性が低い絶縁層を適用すると下地絶縁層102からの酸素の脱離を抑制することができ、好ましい。このような保護絶縁層として、例えば、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜を設けることができる。
トランジスタ200に含まれる下地絶縁層102、第1の酸化物層104、酸化物半導体層106、第2の酸化物層110、及びゲート絶縁層112の有するバンド構造について図2を用いて説明する。
図1に示すトランジスタ200の作製方法の一例を図3及び図4を用いて説明する。
本実施の形態では、実施の形態1のトランジスタに適用可能な酸化物半導体層の一例について図面を用いて詳細に説明する。
酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と、非単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層としては、例えば、非晶質酸化物半導体膜、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜等が挙げられる。
以下に、結晶性を有する酸化物膜のスパッタリング法による形成方法の一モデルについて説明する。なお、以下に示す酸化物膜とは、実施の形態1のトランジスタの作製工程における第1の酸化物膜、酸化物半導体膜及び/又は第2の酸化物膜に相当する。
また、CAACを含む酸化物膜を形成する場合、該酸化物膜は、以下の方法により形成してもよい。ここでは、CAACを含む酸化物膜として、CAAC−OS膜を形成する場合を例に説明する。
本発明の一態様に係る半導体装置の一例として、論理回路であるNOR型回路の回路図の一例を図10(A)に示す。図10(B)はNAND型回路の回路図である。
本実施の形態では、実施の形態1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(記憶装置)の一例を、図面を用いて説明する。
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、電子書籍などの電子機器に応用した場合の例を図12乃至図15を用いて説明する。
102 下地絶縁層
104 第1の酸化物層
104a 第1の酸化物膜
106 酸化物半導体層
106a 酸化物半導体膜
108a ソース電極層
108b ドレイン電極層
110 第2の酸化物層
110a 第2の酸化物膜
112 ゲート絶縁層
112a ゲート絶縁膜
114 ゲート電極層
116 保護絶縁層
118 絶縁層
120a 配線層
120b 配線層
200 トランジスタ
250 メモリセル
251 メモリセルアレイ
251a メモリセルアレイ
251b メモリセルアレイ
253 周辺回路
254 容量素子
260 トランジスタ
262 トランジスタ
264 容量素子
601 イオン
602 スパッタ粒子
603 酸化物膜
604 被形成面
605 劈開面
606 結合
607 プラズマ
801 トランジスタ
802 トランジスタ
803 トランジスタ
804 トランジスタ
811 トランジスタ
812 トランジスタ
813 トランジスタ
814 トランジスタ
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
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
9033 留め具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9630 筐体
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
Claims (6)
- 第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上に接する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に位置し、前記酸化物半導体層と接する第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重なるゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に設けられ、前記第2の酸化物層及び前記ゲート絶縁層の側面を覆う保護絶縁層と、を有し、
前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、前記酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一の金属元素を構成元素として含み、
前記保護絶縁層は、前記第2の酸化物層及び前記ゲート絶縁層よりも酸素に対する透過性が低い層である半導体装置。 - 酸素を含む下地絶縁層と、
前記下地絶縁層上に接する第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上に接する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に位置し、前記酸化物半導体層と接する第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重なるゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に設けられ、前記第2の酸化物層及び前記ゲート絶縁層の側面を覆う保護絶縁層と、を有し、
前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、前記酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一の金属元素を構成元素として含み、
前記保護絶縁層は、前記第2の酸化物層及び前記ゲート絶縁層よりも酸素に対する透過性が低い層である半導体装置。 - 請求項2において、
前記保護絶縁層は、前記酸化物半導体層の外周部において前記下地絶縁層と接する領域を有する半導体装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一において、
断面形状において、前記第2の酸化物層の上端部は、前記ゲート絶縁層の下端部と一致し、前記ゲート絶縁層の上端部は、前記ゲート電極層の下端部と一致する半導体装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記第1の酸化物層、前記第2の酸化物層及び前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムを含み、前記酸化物半導体層は、前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層よりも高い原子数比でインジウムを含有する半導体装置。 - 酸素を含む下地絶縁層上に第1の酸化物膜及び酸化物半導体膜を形成し、
前記第1の酸化物膜及び前記酸化物半導体膜を加工して、島状の第1の酸化物層及び島状の酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に接してソース電極層及びドレイン電極層を形成し、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に、前記酸化物半導体層に接する第2の酸化物膜を形成し、
前記第2の酸化物膜上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして、前記ゲート絶縁膜及び前記第2の酸化物膜を加工して、ゲート絶縁層及び第2の酸化物層とし、
前記第2の酸化物層及び前記ゲート絶縁層の側面を覆い、前記ゲート電極層上に位置する保護絶縁層を形成し、
前記保護絶縁層を形成後に、加熱処理を行い、前記下地絶縁層に含まれる酸素を前記酸化物半導体層に供給する半導体装置の作製方法。
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