JP2015130466A5

JP2015130466A5 - 半導体装置及びその作製方法

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Publication number: JP2015130466A5
Application number: JP2014046636A
Authority: JP
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2034-03-10

Description

はじめに、試料Ａ６に含まれるトランジスタの作製工程について説明する。本実施例では図２を参照して説明する。

以上の工程により、トランジスタを有する試料Ａ６を作製した。

次に、試料Ａ７及び試料Ａ６に含まれるトランジスタの初期特性としてＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。ここでは、基板温度を２５℃とし、ソース−ドレイン間の電位差（以下、ドレイン電圧という。）を１Ｖ、１０Ｖとし、ソース−ゲート電極間の電位差（以下、ゲート電圧という。）を−１５Ｖ以上＋２０Ｖ以下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、ドレイン電流という。）の変化特性、すなわちＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。

図２２に、それぞれの試料に含まれるトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を示す。図２２に示す各グラフにおいて、横軸はゲート電圧Ｖｇ、縦軸はドレイン電流Ｉｄを表す。また、実線はそれぞれ、ドレイン電圧Ｖｄが１Ｖ、１０ＶのときのＶｇ−Ｉｄ特性であり、破線はドレイン電圧Ｖｄを１０Ｖとしたときのゲート電圧に対する電界効果移動度を表す。なお、当該電界効果移動度は各試料の飽和領域での結果である。

図２２（Ｂ）に示す試料Ａ７と比較して、図２２（Ａ）に示す試料Ａ６において、良好なスイッチング特性が得られていることが分かる。

試料Ａ７に含まれるトランジスタは、第２のＩＧＺＯ膜のみがゲート絶縁膜１７と酸化物絶縁膜２３との間に設けられている。このため、チャネル領域は第２のＩＧＺＯ膜に形成される。第２のＩＧＺＯ膜及び酸化物絶縁膜２３の界面において一対の電極に含まれる金属元素、ここでは銅が付着すると、該領域において電子トラップ準位が形成される。即ち、チャネル領域近傍に電子トラップ準位が形成される。このため、チャネル領域を流れるキャリア、例えば電子が、電子トラップ準位に捕獲されてしまい、図２２（Ｂ）に示すように、トランジスタのオン電流が低下してしまう。また、ゲート絶縁膜１７及び第２のＩＧＺＯ膜の界面に銅が移動することにより、ゲート絶縁膜１７及び第２のＩＧＺＯ膜の界面に電子とラップ準位が形成される。この結果、トランジスタのＳ値が悪化している。

一方、試料Ａ６に含まれるトランジスタは、チャネル領域となる第２のＩＧＺＯ膜上に第３のＩＧＺＯ膜が設けられているため、さらには第２のＩＧＺＯ膜が第１のＩＧＺＯ膜及び第３のＩＧＺＯ膜で挟持されている。また、第３のＩＧＺＯ膜及び酸化物絶縁膜２３の界面において、電子トラップ準位が形成される。このため、チャネル領域と電子トラップ準位が形成される領域との間が広がり、チャネル領域を流れるキャリア、例えば電子が電子トラップ準位に捕獲されにくくなる。この結果、試料Ａ６で作製されたトランジスタは、図２２（Ａ）に示すように、優れた電気特性を有する。

Claims

ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向した結晶部を有することを特徴とする半導体装置。
ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、第１の膜と、前記第１の膜上の第２の膜とを有し、
前記第２の膜は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向した結晶部を有することを特徴とする半導体装置。
ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、第１の膜と、前記第１の膜上の第２の膜とを有し、
前記第１の膜は、Ｔｉを有し、
前記第２の膜は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎの原子数比は、ＩｎよりもＧａが大きく、且つ、ＧａよりもＺｎが大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向した結晶部を有することを特徴とする半導体装置。
ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、第１の膜と、前記第１の膜上の第２の膜とを有し、
前記第１の膜は、Ｔｉを有し、
前記第２の膜は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎの原子数比は、ＩｎよりもＧａが大きく、且つ、ＧａよりもＺｎが大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向した結晶部を有し、
前記第１の酸化物膜は、前記第２の酸化物膜よりもＣｕの濃度が低い第１の領域を有し、
前記第１の領域のＣｕの濃度は、１×１０ ^１８ａｔｏｍｉｃ／ｃｍ ^３未満であることを特徴とする半導体装置。
ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、第１の膜と、前記第１の膜上の第２の膜とを有し、
前記第１の膜は、Ｔｉを有し、
前記第２の膜は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎの原子数比は、ＩｎよりもＧａが大きく、且つ、ＧａよりもＺｎが大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向していることを特徴とする半導体装置。
ゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上の、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上の、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極上及び前記ドレイン電極上の絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間で、前記第２の酸化物膜と接する領域を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各々は、第１の膜と、前記第１の膜上の第２の膜とを有し、
前記第１の膜は、Ｔｉを有し、
前記第２の膜は、Ｃｕを有し、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎの原子数比は、ＩｎよりもＧａが大きく、且つ、ＧａよりもＺｎが大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向しており、
前記第１の酸化物膜は、前記第２の酸化物膜よりもＣｕの濃度が低い第１の領域を有し、
前記第１の領域のＣｕの濃度は、１×１０ ^１８ａｔｏｍｉｃ／ｃｍ ^３未満であることを特徴とする半導体装置。
請求項３乃至請求項６のいずれか一において、
前記第２の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーは、前記第１の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーよりも真空準位に近く、
前記第２の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーと、前記第１の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下であることを特徴とする半導体装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記第１の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎとの原子数比は、１：１：１のプラスマイナス２０％の範囲内であり、
前記第２の酸化物膜のＩｎとＧａとＺｎとの原子数比は、１：３：６のプラスマイナス２０％の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記第２の酸化物膜の膜厚は１０ｎｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
基板上にゲート電極を形成し、
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、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第１の酸化物膜を形成し、
前記第１の酸化物膜上に、ＩｎとＧａとＺｎとを有する第２の酸化物膜を形成し、
前記第２の酸化物膜を形成した後、第１の加熱処理を行い、
前記第１の加熱処理後、前記第２の酸化物膜上に、Ｃｕを有する一対の電極を形成し、
前記一対の電極上に、酸化物絶縁膜を形成し、
前記酸化物絶縁膜を形成後、第２の加熱処理を行い、
前記第２の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比は、前記第１の酸化物膜のＩｎに対するＧａの原子数比よりも大きく、
前記第２の酸化物膜は、非単結晶構造を有し、且つ、ｃ軸配向した結晶部を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１０において、
前記酸化物絶縁膜は、酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上の酸化窒化シリコン膜とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１０または請求項１１において、
前記第２の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーは、前記第１の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーよりも真空準位に近く、
前記第２の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーと、前記第１の酸化物膜の伝導帯の下端のエネルギーとの差は０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。