JP2017085082A - 半導体装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
<半導体ウエハ100の構成例>
本発明の一態様に係る半導体ウエハ100は、基板101、回路領域102、およびガードレイヤ103を有する。図1(A)は、ダイシング処理が行なわれる直前の半導体ウエハ100の上面図を示している。
トランジスタ291は、チャネル形成領域283、高濃度p型不純物領域285、絶縁層286、電極287を有する。絶縁層286はゲート絶縁層として機能できる。電極287はゲート電極として機能できる。
トランジスタ201は、半導体層242(半導体層242a、半導体層242b、および半導体層242c)、絶縁層226、電極246、電極119、電極121a、電極121bを有する。絶縁層226はゲート絶縁層として機能できる。電極246はゲート電極として機能できる。電極119はバックゲート電極として機能できる。電極121aはソース電極またはドレイン電極の一方として機能できる。電極121bはソース電極またはドレイン電極の他方として機能できる。
本実施の形態では半導体層242として酸化物半導体を用いる。酸化物半導体のバンドギャップは2eV以上あるため、半導体層242に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。また、OSトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタなどを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。
ここで、半導体層242a、半導体層242b、および半導体層242cの積層により構成される半導体層242の機能およびその効果について、図25に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図25(A)は、図3(B)にA1−A2の一点鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。すなわち、図25(A)は、トランジスタ201のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
本実施の形態に示すガードレイヤ103は、層103a上に層103bが積層された構造を有する。層103aは、半導体層242aと同様の材料および方法で半導体層242aと同時に形成することができる。層103bは、半導体層242bと同様の材料および方法で半導体層242bと同時に形成することができる。よって、本実施の形態に示すガードレイヤ103は、絶縁層145の凸部上に形成されている。なお、層103aおよび層103bは、どちらか一方を省略してもよい。
また、図4の断面図に示すように、ガードレイヤ103を層103a、層103b、および層103cの積層としてもよい。層103cは、電極121aおよび電極121bと同様の材料および方法で、電極121aおよび電極121bと同時に形成することができる。
また、図5の断面図に示すように、トランジスタ201を形成する前の工程と、トランジスタ201を形成した後の工程で、それぞれ分離線104と重なる領域にガードレイヤを設けてもよい。図5では、絶縁層141上にガードレイヤ133を形成し、絶縁層147上にガードレイヤ134を形成する例を示している。
また、図6の断面図に示すように、ガードレイヤ103を設けずに、分離線104と重なる領域114において、基板101の一部を露出させてもよい。基板101を露出させることで、ダイシング処理時に生じるESDを基板101側に逃がすことができる。領域114は、図1(A)においてガードレイヤ103が設けられている領域に相当する。
<回路領域102の構成例>
回路領域102内に、ガードレイヤ203を設けることで、半導体装置の作製工程中に生じうる、ESDによる半導体装置の損傷を防止または低減することができる。
図1(B)中の部位106の拡大図を、図7および図8に示す。図7(A)は、トランジスタ211およびパッド202a乃至パッド202dの外側に、ガードレイヤ203を設ける例を示している。
回路領域102の断面構成の一例として、図7(B)に一点鎖線で示した部位L1−L2の断面図を図11(A)に示す。なお、説明の繰り返しを減らすため、本実施の形態で説明しない部分については、他の実施の形態の説明を援用する。また、図11(A)では、絶縁層141より下層の記載を省略している。
トランジスタ211はトランジスタ201と同様の構成を有する。図11(A)において、電極113aおよび電極113b上に絶縁層149が形成されている。絶縁層149は、絶縁層405と同様の材料および方法で形成することができる。絶縁層149上にパッド202cが形成されている。パッド202cは、絶縁層149の一部を除去して形成された開口において、コンタクトプラグ115aを介して電極113aと電気的に接続している。パッド202cは、電極287と同様の材料および方法で形成することができる。
図11(A)に示したガードレイヤ203の拡大図を図11(B)に示す。ガードレイヤ203は、層203a上に層203bが積層された構造を有する。ガードレイヤ103と同様に、層203aは、半導体層242aと同様の材料および方法で半導体層242aと同時に形成することができる。層203bは、半導体層242bと同様の材料および方法で半導体層242bと同時に形成することができる。よって、本実施の形態に示すガードレイヤ203は、絶縁層145の凸部上に形成されている。なお、層203bおよび層203bは、どちらか一方を省略してもよい。
図12(A)および図12(B)の断面図に示すように、ガードレイヤ203を層203a、層203b、および導電層121cの積層としてもよい。導電層121cは、電極121aおよび電極121bと同様の材料および方法で、電極121aおよび電極121bと同時に形成することができる。
図13に示すように、絶縁層148上に形成した電極113eを、コンタクトプラグ112eを介して導電層121cと電気的に接続してもよい。電極113eは、電極113aおよび電極113bと同様の材料および方法を用いて、同時に形成することができる。コンタクトプラグ112eは、コンタクトプラグ112aおよびコンタクトプラグ112bと同様の材料および方法を用いて、同時に形成することができる。
回路領域102に含まれる半導体装置の一つであるトランジスタ211と、ガードレイヤ203の作製方法例について、図面を用いて説明する。図14乃至図18は、図7(B)に一点鎖線で示した部位L1−L2の断面に相当する図である。また、本実施の形態では、絶縁層141の形成以降の作製工程について例示する。
図7乃至図10において平面図で示したトランジスタ211をTEG(Test Element Group)として作製し電気的特性を測定する場合、まずトランジスタ211を作製し、その後パッド202a乃至パッド202dを作製する。
まず、保護回路として容量素子を用いる例について説明する。本実施の形態では、容量素子としてトランジスタのゲート容量を用いる例について説明する。図19(A)は、トランジスタ211、パッド202a乃至パッド202d、および容量素子の接続例を示す上面図である。また、図19(B)に、図19(A)の等価回路図を示す。また、図20は、図19(A)に一点鎖線で示した部位M1−M2および部位N1−N2の断面図である。
次に、保護回路としてダイオードを用いる例について説明する。本実施の形態では、ダイオードとしてダイオード接続されたトランジスタを用いる例について説明する。図21(A)は、トランジスタ211、パッド202a乃至パッド202d、およびダイオードの接続例を示す上面図である。また、図21(B)に、図21(A)の等価回路図を示す。また、図22は、図21(A)に一点鎖線で示した部位M3−M4、部位N3−N4、および部位N5−N6の断面図である。
<トランジスタの構造例>
本実施の形態では、上記実施の形態に示したトランジスタ201およびトランジスタ211に用いることができるトランジスタ構造の一例を示す。上記トランジスタは、ボトムゲート型のトランジスタや、トップゲート型トランジスタなどの様々な形態のトランジスタを用いて作製することができる。
図25(B)は、図24(B)にB1−B2の一点鎖線で示す部位のエネルギーバンド構造図である。図25(B)は、トランジスタ231のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
本実施の形態では、回路領域102に設けることができる半導体回路の一例について説明する。なお、本実施の形態において、pチャネル型のトランジスタとして上記実施の形態に示したトランジスタ291などを用いることができる。また、pチャネル型のトランジスタとして上記実施の形態に示したトランジスタ201などを用いることができる。
回路領域102には、OR回路、AND回路、NAND回路、およびNOR回路などの論理回路や、インバータ回路、バッファ回路、シフトレジスタ回路、フリップフロップ回路、エンコーダ回路、デコーダ回路、増幅回路、アナログスイッチ回路、積分回路、微分回路、およびメモリ素子などの様々な半導体回路を設けることができる。なお、これらの半導体回路も半導体装置といえる。図26(A)乃至図26(C)に、半導体回路の一例を示す。
回路領域102に記憶装置を設けることもできる。記憶装置に用いることができる回路の一例を図27(A)および図27(B)に示す。図27(A)に示す回路は、トランジスタ289のソースまたはドレインの一方を、トランジスタ1281のゲートおよび容量素子257の一方の電極に接続した記憶装置の構成例を示している。また、図27(B)に示す回路は、トランジスタ289のソースまたはドレインの一方を、容量素子257の一方の電極に接続した記憶装置の構成例を示している。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線254の電位を、トランジスタ289がオン状態となる電位にする。これにより、配線253の電位が、ノード256に与えられる。即ち、ノード256に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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線254の電位を、トランジスタ289がオフ状態となる電位とすることで、ノード256に電荷が保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。配線251に配線252の電位と異なる所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線255に読み出し電位VRを与えると、ノード256に保持されている情報を読み出すことができる。
回路領域102にCPUを設けることもできる。図28はCPUの構成例を示すブロック図である。
回路領域102に撮像装置を設けることもできる。撮像装置に用いることができる回路の一例を図30(A)乃至図30(C)に示す。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例、および該電子部品を具備する電子機器の例について、図31、図32を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、電子部品の一例について説明する。
本発明の一態様は、様々な電子機器に用いることができる。図33に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
本実施の形態では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、nc−OSについて説明する。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
102 回路領域
103 ガードレイヤ
104 分離線
105 チップ
106 部位
109 電極
114 領域
118 電極
119 電極
121 導電層
122 開口
125 導電層
127 絶縁層
128 絶縁層
129 導電層
131 層
132 ハードマスク
133 ガードレイヤ
134 ガードレイヤ
135 レジストマスク
141 絶縁層
142 絶縁層
143 絶縁層
144 絶縁層
145 絶縁層
146 絶縁層
147 絶縁層
148 絶縁層
149 絶縁層
201 トランジスタ
203 ガードレイヤ
211 トランジスタ
221 トランジスタ
225 不純物
226 絶縁層
231 トランジスタ
242 半導体層
246 電極
251 配線
252 配線
253 配線
254 配線
255 配線
256 ノード
257 容量素子
269 領域
281 トランジスタ
282 トランジスタ
283 チャネル形成領域
285 高濃度p型不純物領域
286 絶縁層
287 電極
289 トランジスタ
291 トランジスタ
382 Ec
384 Ec
386 Ec
390 トラップ準位
403 絶縁層
405 絶縁層
407 絶縁層
414 素子分離層
601 光電変換素子
602 トランジスタ
603 トランジスタ
604 トランジスタ
605 トランジスタ
606 容量素子
607 ノード
608 配線
609 配線
610 撮像装置
611 配線
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
730 記憶素子
750 電子部品
752 プリント基板
753 半導体装置
754 実装基板
755 リード
1010 電動自転車
1011 モーター
1012 蓄電装置
1013 駆動回路
1020 電気自動車
1021 モーター
1022 蓄電装置
1023 駆動回路
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
1281 トランジスタ
2900 携帯型ゲーム機
2901 筐体
2902 筐体
2903 表示部
2904 表示部
2905 マイクロホン
2906 スピーカ
2907 操作キー
2908 スタイラス
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 ボタン
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 ノート型パーソナルコンピュータ
2921 筐体
2922 表示部
2923 キーボード
2924 ポインティングデバイス
2940 ビデオカメラ
2941 筐体
2942 筐体
2943 表示部
2944 操作キー
2945 レンズ
2946 接続部
2950 情報端末
2951 筐体
2952 表示部
2960 情報端末
2961 筐体
2962 表示部
2963 バンド
2964 バックル
2965 操作ボタン
2966 入出力端子
2967 アイコン
8000 表示装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8004 半導体装置
8005 蓄電装置
8100 照明装置
8101 筐体
8102 光源
8103 半導体装置
8104 天井
8105 蓄電装置
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 半導体装置
8204 室外機
8205 蓄電装置
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 半導体装置
8305 蓄電装置
8405 側壁
8406 床
8407 窓
103a 層
103b 層
103c 層
112a コンタクトプラグ
112b コンタクトプラグ
112c コンタクトプラグ
112d コンタクトプラグ
112e コンタクトプラグ
113a 電極
113b 電極
113c 電極
113d 電極
113e 電極
115a コンタクトプラグ
121a 電極
121b 電極
121c 導電層
124a 半導体層
124b 半導体層
124c 半導体層
126a 開口
126b 開口
136a コンタクトプラグ
137a 開口
202a パッド
202b パッド
202c パッド
202d パッド
203a 層
203b 層
207a 領域
211C トランジスタ
211D1 トランジスタ
211D2 トランジスタ
242a 半導体層
242b 半導体層
242c 半導体層
247a 開口
247b 開口
281a トランジスタ
281b トランジスタ
282a トランジスタ
282b トランジスタ
383a Ec
383b Ec
383c Ec
406a コンタクトプラグ
406b コンタクトプラグ
406c コンタクトプラグ
413a 電極
413b 電極
413c 電極
Claims (6)
- 回路領域と、第1の層と、を有し、
前記回路領域は前記第1の層に囲まれ、
前記第1の層は、バンドギャップが2.5eV以上4.2eV以下であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1の層は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記回路領域は、第1のトランジスタを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、
前記第1のトランジスタが有する半導体層と前記第1の層は、
同じ層に接していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3または請求項4において、
前記回路領域は、第2のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタの半導体層と、
前記第2のトランジスタの半導体層は、
互いに異なるバンドギャップを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置と、
表示部、蓄電装置、操作キー、マイク、または、スピーカと、
を有する電子機器。
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