JP2015019057A - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例として、トランジスタの構成例と、その作製方法例について、図面を参照して説明する。
図1(A)に、本構成例で示すトランジスタ100の上面概略図を示す。また、図1(B)、(C)はそれぞれ、図1(A)中の切断線A−B、C−Dにおける断面概略図を示す。なお、図1(A)では明瞭化のため一部の構成要素を明示していない。
以下では、トランジスタ100の各構成要素について説明する。
トランジスタのチャネルが形成される半導体層に適用可能な半導体として、例えばシリコンやゲルマニウムなどの半導体材料、化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料を用いてもよい。
基板101の材質などに大きな制限はないが、少なくとも工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板などを、基板101として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板または多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。
ゲート電極105は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、上記金属としてマンガンまたはジルコニウムを用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極105は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくはこれらの窒化膜を用いてもよい。
ゲート絶縁層104は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
一対の電極103は、上述した材料の単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いることができる。または、上述した金属や合金の窒化物を用いてもよい。
絶縁層106は、基板101に含有される不純物が拡散することを防ぐバリア層として機能する。
以下では、図1で例示したトランジスタ100の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。図2は、以下で例示する作製方法での各工程における断面概略図である。
まず、基板101上に絶縁層106を形成する。
続いて、絶縁層106上に半導体膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて半導体膜上にレジストマスクを形成し、半導体膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層102を形成することができる(図2(A))。
続いて、絶縁層106、半導体層102上に、導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、一対の電極103を形成することができる(図2(B))。
続いて、半導体層102、一対の電極103、絶縁層106上に絶縁膜114を成膜する。さらに、絶縁膜114上に導電膜115を成膜する(図2(C))。
続いて、被覆層120を酸化させることにより、一対の電極103の構成元素を含む酸化物を含む被覆層110を形成する。
続いて、一対の電極103、ゲート電極105、ゲート絶縁層104、被覆層110上に絶縁層107を形成する(図2(E))。
絶縁層107の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁層106や絶縁層107から半導体層102に対して酸素を供給し、半導体層102中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁層107により絶縁層106や半導体層102からの酸素の外部への放出が抑制される。したがって半導体層102中の酸素欠損の形成が抑制されると共に、絶縁層106から放出され、半導体層102に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体層102中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
上記作製方法例において、被覆層120の酸化処理と、絶縁層107の形成工程を兼ねることにより、工程を簡略化することができるため好ましい。
本実施の形態では、上記で例示したトランジスタとは構成の一部が異なるトランジスタの構成例と、その作製方法例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点についてのみ詳細に説明する。また、位置や形状が異なる構成要素であっても、その機能が同一である場合には、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
図3(A)、(B)に、以下で例示するトランジスタ150の断面概略図を示す。なお、上面概略図については図1(A)を援用できる。図3に示すトランジスタ150は、主に第1の酸化物層151および第2の酸化物層152を有している点で、実施の形態1で例示したトランジスタ100と相違している。
トランジスタ150は、実施の形態1で例示したトランジスタ100の作製方法例やその変形例の一部を異ならせることにより作製できる。
図4(A)、(B)に、以下で例示するトランジスタ160の断面概略図を示す。なお、上面概略図については、図1(A)を援用できる。図4に示すトランジスタ160は、主に第2の酸化物層152の形状が異なる点で、上記トランジスタ150と相違している。
トランジスタ160は、実施の形態1で例示したトランジスタ100の作製方法例や変形例、または上記作製方法例1の一部を異ならせることにより作製できる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の半導体層に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体を備える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、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したトランジスタ、記憶装置、またはCPU等(DSP、カスタムLSI、PLD、RF−IDを含む)などの半導体装置を用いることのできる電子機器の例について説明する。
トランジスタを作製した試料として、試料1乃至試料3の3種類作製した。以下では特に言及する場合を除いては、これら3種類の試料において同様の工程を経るものとして説明を行う。
作製した試料について、走査透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)による断面観察を行った。
続いて、作製した試料1及び試料2のトランジスタについて、電気特性を測定した。ここでは、ソース−ドレイン間の電位差(以下、ドレイン電圧Vdともいう)を0.1Vまたは1.0Vとし、ソース−ゲート間の電位差(以下、ゲート電圧Vgともいう)を−3.0Vから3.0Vまで変化させたときのソース−ドレイン間に流れる電流(以下、ドレイン電流Idともいう)の変化特性、すなわちVg−Id特性を測定した。
101 基板
102 半導体層
103 電極
104 ゲート絶縁層
105 ゲート電極
106 絶縁層
107 絶縁層
110 被覆層
114 絶縁膜
115 導電膜
120 被覆層
150 トランジスタ
151 酸化物層
152 酸化物層
160 トランジスタ
700 記憶素子
701 回路
702 回路
703 スイッチ
704 スイッチ
706 論理素子
707 容量素子
708 容量素子
709 トランジスタ
710 トランジスタ
713 トランジスタ
714 トランジスタ
720 回路
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8004 CPU
8100 警報装置
8101 マイクロコンピュータ
8102 検出部
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (9)
- 絶縁表面上に、酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極、および前記ドレイン電極上に、絶縁膜および導電膜をこの順番で成膜する工程と、
前記導電膜および前記絶縁膜の一部をエッチングしてゲート電極およびゲート絶縁層を形成し、且つ、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上部の一部をエッチングして前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む第1の被覆層を前記ゲート絶縁層の側面に接して形成する工程と、
前記第1の被覆層を酸化させて、第2の被覆層を形成する工程と、
前記第2の被覆層上に、酸化物を含む保護絶縁層を成膜する工程と、を有する、
半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面上に、酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極、および前記ドレイン電極上に、絶縁膜および導電膜をこの順番で成膜する工程と、
前記導電膜および前記絶縁膜の一部をエッチングしてゲート電極およびゲート絶縁層を形成し、且つ、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上部の一部をエッチングして前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む第1の被覆層を前記ゲート絶縁層の側面に接して形成する工程と、
前記第1の被覆層上に酸素を含む雰囲気下で酸化物を含む保護絶縁層を成膜すると共に、前記第1の被覆層を酸化させて、第2の被覆層を形成する工程と、を有する、
半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面上に、第1の酸化物層、および酸化物半導体層をこの順番で積層して形成する工程と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極、および前記ドレイン電極上に、酸化物膜、絶縁膜、および導電膜をこの順番で成膜する工程と、
前記導電膜、前記絶縁膜、および前記酸化物膜の一部をエッチングしてゲート電極、ゲート絶縁層、および第2の酸化物層を形成し、且つ、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上部の一部をエッチングして前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む第1の被覆層を前記ゲート絶縁層の側面および前記第2の酸化物層の側面に接して形成する工程と、
前記第1の被覆層を酸化させて、第2の被覆層を形成する工程と、
前記第2の被覆層上に、酸化物を含む保護絶縁層を成膜する工程と、を有する、
半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面上に、第1の酸化物層、および酸化物半導体層をこの順番で積層して形成する工程と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極、および前記ドレイン電極上に、酸化物膜、絶縁膜、および導電膜をこの順番で成膜する工程と、
前記導電膜、前記絶縁膜、および前記酸化物膜の一部をエッチングしてゲート電極、ゲート絶縁層、および第2の酸化物層を形成し、且つ、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上部の一部をエッチングして前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む第1の被覆層を前記ゲート絶縁層の側面および前記第2の酸化物層の側面に接して形成する工程と、
前記第1の被覆層上に酸素を含む雰囲気下で酸化物を含む保護絶縁層を成膜すると共に、前記第1の被覆層を酸化させて、第2の被覆層を形成する工程と、を有する、
半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極と、
前記酸化物半導体層上に、ゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に、ゲート電極と、
前記ゲート絶縁層の側面に接し、前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む酸化物を含む被覆層と、
前記被覆層を覆い、酸化物を含む保護絶縁層と、を有し、
前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とは、上面形状が概略一致する、
半導体装置。 - 絶縁表面上に第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上に、ソース電極およびドレイン電極と、
前記第2の酸化物層上に、ゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に、ゲート電極と、
前記ゲート絶縁層の側面に接し、前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む酸化物を含む被覆層と、
前記被覆層を覆い、酸化物を含む保護絶縁層と、を有し、
前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とは、上面形状が概略一致する、
半導体装置。 - 絶縁表面上に第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極と、
酸化物半導体層上に、第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上に、ゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に、ゲート電極と、
前記ゲート絶縁層の側面、および前記第2の酸化物層の側面に接し、前記ソース電極および前記ドレイン電極の構成元素を含む酸化物を含む被覆層と、
前記被覆層を覆い、酸化物を含む保護絶縁層と、を有し、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層及び前記第2の酸化物層は、上面形状が概略一致する、
半導体装置。 - 前記保護絶縁層は、酸化アルミニウムを含む、
請求項5乃至請求項7のいずれか一に記載の、半導体装置。 - 前記構成元素は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンである、
請求項5乃至請求項8のいずれか一に記載の、半導体装置。
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