JP2017092490A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
かつ信頼性が高い酸化物半導体トランジスタを提供する。
【解決手段】酸素放出可能な絶縁体によりフィン型の絶縁体を形成し、それを乗り越える
ように酸化物半導体の薄膜を設けた酸化物半導体トランジスタとする。またフィン型の絶
縁体に対し酸素添加処理により酸素を供給して、フィン型の絶縁体から酸化物半導体膜に
酸素をより放出しやすくする。同時に、フィン型の絶縁体の上面と側面の間に曲面を有し
た形状とする。
【選択図】図1
Description
タともいう)を構成する技術が注目されている。
ウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが開示
されている。酸化物半導体はバンドギャップが広く、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は非晶質シリコンを用いたトランジスタと比較して、電界効果移動度
を高くできる、オフ電流を低くできる等の多くの利点がある。
ンジスタの微細化が必須である。
してしまう。これらの問題に対し、フィンのように形成された単結晶シリコンを包み込む
ようにゲート電極を形成することでチャネル形成領域が三次元構造を有するフィン型トラ
ンジスタが開発されている。
け、チャネル形成領域としている。これによりトランジスタを微細化して半導体装置を高
集積化した場合でも、トランジスタのオン電流を高めることが可能となる。
ィン型トランジスタに適用する場合、いくつかの重大な技術的問題が懸念される。
化することを目的の一とする。また、微細化しても電気特性に優れ、かつ信頼性が高い酸
化物半導体トランジスタを提供することを目的の一とする。
り越えるように酸化物半導体の薄膜を設けることとした。
型の絶縁体の断面は、長方形、半円または逆さU字状等になる。また本明細書等において
、「乗り越える」と記載した場合、覆う、跨ぐ、または横切ると言い換えてもよい。
体と接し、フィン型の絶縁体を乗り越えるように設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半
導体膜上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上で、酸化物半導体膜と重畳し、フィン型の絶
縁体を乗り越えるように設けられているゲート電極と、を有し、フィン型の絶縁体の一方
向において、ゲート電極は酸化物半導体膜より長く、また酸化物半導体膜はフィン型の絶
縁体より長い、半導体装置である。
フィン型の絶縁体は酸化物半導体膜より長くしてもよい。または、前述の一方向と直交す
る方向において、フィン型の絶縁体はゲート電極より長く、酸化物半導体膜はフィン型の
絶縁体より長くしてもよい。
ャネル形成領域となる酸化物半導体層の厚さが、通常の薄膜トランジスタ、即ち、チャン
ネル形成領域が二次元平面に限られている場合と比較してはるかに大きくなるため、酸化
物半導体層中の酸素欠損を補償させることが難しくなることが挙げられる。
酸素により、酸化物半導体膜中の酸素欠損を補償させることができる。特に酸化物半導体
が薄膜の場合は、酸化物半導体中の酸素の拡散係数が小さくとも、絶縁膜から十分に酸素
を供給することができる。
から十分に酸素が供給されない恐れがある。酸素が十分に供給されず、酸素欠損が残った
ままの酸化物半導体をチャネル領域に用いると、トランジスタのオフ電流が増大する恐れ
がある。
しい。
ことが好ましい。また、フィン型の絶縁体は、フィン型の絶縁体の上面と側面の間に曲面
を有することが好ましい。
として、酸化物半導体層の厚さが通常の薄膜トランジスタと比較して大きく、また、チャ
ンネル形成領域が三次元構造を有しているなるため、不純物をドーピングして均一に抵抗
値を下げることが難しくなることが挙げられる。
る手法として、半導体に不純物をドーピングする方法がある。
さくするためにソース領域およびドレイン領域に不純物をドーピングする場合、ドーピン
グによる不純物は表面に偏在しやすいため、酸化物半導体の深さ方向に均一に抵抗を低下
させるのが難しい。
の比H/Wが、0.5以上であることが好ましい。
面、ならびにフィン型の絶縁体の上面および側面と接する、酸化物半導体膜を形成し、酸
化物半導体膜上に、ゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に、酸化物半導体膜と重畳し
、フィン型の絶縁体の上面および側面と重畳するゲート電極を形成する、半導体装置の作
製方法である。
化処理を行うことで、フィン型の絶縁体に対して酸素を供給すると共に、フィン型の絶縁
体の上面と側面の間に曲面を有した形状に加工することが好ましい。
することができる。また、微細化した場合でも電気特性に優れ、かつ信頼性が高い酸化物
半導体トランジスタを提供することができる。
以下の説明に限定されず、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。また、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。なお、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場合がある。
をソースとする。すなわち、電位の高低によってそれらを区別しない。したがって、ソー
スとされている部分をドレインと読み替えることもできる。
、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ。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層やドレイ
ン電極層と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極層やドレイン電
極層との記載には、ソース領域やドレイン領域が含まれうる。
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタの例について、図1乃至図4を用
いて説明する。
視図である。図1(B)はトランジスタ201の上面図である。図1(C)は図1(A)
および(B)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図1(D)は図1(A)および
(B)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104と、絶縁膜102およびフィン型の絶縁体104に接し、フィン型の絶縁体1
04を乗り越えるように設けられた酸化物半導体膜106を有する。さらに酸化物半導体
膜106上のゲート絶縁膜108と、ゲート絶縁膜108上で酸化物半導体膜106と重
畳し、フィン型の絶縁体104を図中に矢印Xで示す方向(即ち、チャネル長方向に対し
て垂直な方向)に乗り越えるように設けられたゲート電極110を有する。また図中に矢
印Xで示す方向において、ゲート電極110は酸化物半導体膜106より長く、また酸化
物半導体膜106はフィン型の絶縁体104より長い。また矢印Xと直交する矢印Yで示
す方向(即ち、チャネル長方向)において、フィン型の絶縁体104はゲート電極110
より長く、フィン型の絶縁体104は酸化物半導体膜106より長い。
を有する。低抵抗領域106bは、トランジスタ201のソース領域およびドレイン領域
として機能する。
絶縁膜108、チャネル形成領域106a等)を省略している。
体膜106、ゲート電極110等の端部に傾斜をつけてもよい。言い換えれば、フィン型
の絶縁体104、酸化物半導体膜106、ゲート電極110等の端部はテーパー角を有し
てもよい。フィン型の絶縁体104、酸化物半導体膜106、ゲート電極110等の端部
がテーパー角を有することで、これらに積層して形成される膜の段切れを防止することが
できる。
処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、シリコンや炭化シ
リコンなどの単結晶半導体基板、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。また、バリウムホウケイ酸ガラス
やアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア
基板などを用いることができる。また基板100として、可撓性基板を用いてもよい。
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁体、窒化シリコン、窒化
酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁体、又はこれ
らの混合材料を用いて形成することができる。特にフィン型の絶縁体104よりも酸素の
拡散係数が小さい膜が好ましい。中でも酸化アルミニウム膜は酸素の拡散係数が小さく、
また水素、水分などの不純物に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)が高い
ため好ましい。また、これらの化合物を単層構造または2層以上の積層構造で形成して用
いることができる。
もよい。
化学量論的組成よりも酸素が多い材料をいう。具体的には、酸化シリコン、酸化ガリウム
、酸化アルミニウム、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、等を用いることができ
る。また、多くの過剰酸素をフィン型の絶縁体104に含ませたい場合には、イオン注入
法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加する。
pectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて、基板を520℃まで加熱した
際の酸素原子に換算しての酸素の放出量が1.0×1018cm−3以上、または1.0
×1020cm−3以上である材料をいう。
したイオン強度の積分値と、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。標準試料の基準値とは、所定の密度の原子を含む試料において、当該原子に
相当するイオン強度の積分値に対する当該原子の密度の割合である。
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、数式1で求め
ることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるガスの全てが酸
素分子由来と仮定する。質量数32のものとしてほかにCH3OH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質量数17の
酸素原子および質量数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。
料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、N
H2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析したときのイオン強度の積分値であ
る。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式1の詳細に関して
は、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、例え
ば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/cm2の水素原子を含むシリコンウェハを用いることで
測定できる。
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
いて見積もることができる。
の放出量の2倍となる。
n Resonance)にてg値が2.01に信号が現れる材料をいう。
には、トランジスタの初期特性のバラツキの増大、トランジスタの電気特性に関するチャ
ネル長依存性の増大、さらにBTストレス試験などの外部環境によって大きく劣化するた
め、過剰酸素を含む材料の水素濃度は、7.2×1020atoms/cm3未満とする
。即ち、酸化物半導体膜の水素濃度は5×1019atoms/cm3以下、且つ、過剰
酸素を含む材料の水素濃度は、7.2×1020atoms/cm3未満とすることが好
ましい。
6が設けられているため、厚いチャネル形成領域が要求される一般的なフィン型トランジ
スタと比較して、酸化物半導体膜106に十分に供給することができる。これにより、酸
化物半導体膜106において化学量論的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状態とすることができる。例えば、酸化物半導体膜106がIn−
Ga−Zn系酸化物である場合、化学量論的組成の一例はIn:Ga:Zn:O=1:1
:1:4[原子数比]であるため、酸素の原子数比が4以上含む状態となる。過剰酸素に
より酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補償し、トランジスタの信頼性を向上させるこ
とができる。
極110が設けられているため、酸化物半導体膜106およびゲート電極110を平面状
に設けた場合よりも、占有面積を増大させなくても、チャネル幅を大きくすることができ
る。さらに、フィン型の絶縁体104が設けられているためチャネル形成領域を薄く形成
することができる。このため、チャネル形成領域が厚い一般的なフィン型トランジスタの
場合よりも完全空乏化しやすい。そのためトランジスタのS値を小さくすることができ、
またオフ電流を低減することができる。
な方向の長さ、即ち幅(W)の比H/Wを、0.5以上とすることが好ましく、より好ま
しくは1以上、さらに好ましくは2以上とする。Wに対してHを大きくすることで、トラ
ンジスタ201のチャネル幅をより大きくすることができ、トランジスタ201の占有面
積をより縮小することができる。
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系酸化物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ある程度抑制
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。
、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、D
y、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の代わりにGaまたはSiを用いても構
わない。
物であるIn−Zn系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の
酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系
酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸
化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化
物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物
、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、
In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、I
n−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、
In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al
−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を
用いることができる。
て有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとG
aとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた
一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(
ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸
化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1、In:Sn:Z
n=2:1:3あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5の原子数比のIn−Sn−Zn系
酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
の電気特性(移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい
。また、必要とする電気特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属
元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
ら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上
げることができる。
c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C
=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+
(c−C)2≦r2を満たすことをいい、rは、例えば、0.05とすればよい。他の酸
化物でも同様である。
どの状態をとる。
Crystalline Oxide Semiconductor)膜とする。
は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。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 Micro
scope)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。
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、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、8
5°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、−5
°以上5°以下の範囲も含まれることとする。
C−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、CA
AC−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。
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、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軸の方向は、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となる。結晶部は、成膜時に、または成膜後に
熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動
度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を
形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0
.3nm以下、より好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。
ている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準
面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。
)),(x1,y2,f(x1,y2)),(x2,y1,f(x2,y1)),(x2
,y2,f(x2,y2))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面に投
影した長方形の面積をS0、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZ0とする。Raは
原子間力顕微鏡(AFM:Atomic ForceMicroscope)にて測定可
能である。
)とすることが好ましい。
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を
用いて形成することができる。
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(HfSixOyNz(x>0、y>0、z>0))、ハフニウムアルミネート(H
fAlxOy(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh−k材料を用いること
で、ゲートリーク電流を低減できる。さらにゲート絶縁膜108は、単層構造としても良
いし、積層構造としても良い。
ト絶縁膜108が酸素を過剰に含むことで、酸化物半導体膜106に酸素を供給すること
ができる。
好ましい。より好ましくはHの二分の一以下、さらに好ましくはHの三分の一以下とする
。ゲート絶縁膜108の膜厚をHよりも小さくすることで、フィン型の絶縁体104の側
面に接する部分の酸化物半導体膜106にも十分に電界をかけることができる。
、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を
用いて形成することができる。また、ゲート電極110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。ゲート電極110は、単層構造としてもよいし、積層構造としても
よい。
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、酸化インジウム酸化亜鉛、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用いて形成してもよい。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。
Ga−Zn系酸化物膜や、窒素を含むIn−Sn系酸化物膜や、窒素を含むIn−Ga系
酸化物膜や、窒素を含むIn−Zn系酸化物膜や、窒素を含むSn系酸化物膜や、窒素を
含むIn系酸化物膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これ
らの膜は5eV以上、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、ゲート電極として用
いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノー
マリーオフのスイッチング素子を実現できる。
フィン型の絶縁体104の段差を乗り越えるように設けられた酸化物半導体膜106と言
い換えてもよい。同様にフィン型の絶縁体104の上面および側面と接する酸化物半導体
膜106と言い換えてもよい。
ィン型の絶縁体104の段差を乗り越えるように設けられたゲート電極110と言い換え
ても良い。同様にフィン型の絶縁体104の上面および側面と対向して設けられたゲート
電極110と言い換えてもよい。同様にフィン型の絶縁体104の上面および側面と重畳
するゲート電極110と言い換えてもよい。
することができる。また、酸化物半導体膜の酸素欠損を補償することで、信頼性の向上し
たトランジスタとすることができる。また、酸化物半導体をフィンのように形成して一部
をチャネル形成領域とするよりも、酸化物半導体膜を十分薄く形成できるため、トランジ
スタのチャネル形成領域を完全空乏化しやすい。そのため、S値が低く、オフ電流の低い
トランジスタとすることができる。
して作製してもよい。たとえば複数のトランジスタ201のゲート電極110を同一の導
電層で形成してもよい。または、あるトランジスタ201の一対の低抵抗領域106bを
、隣り合うもう一つのトランジスタ201の低抵抗領域106bと兼ねて用いてもよい。
1の上に層間膜を設け、層間膜の上にもう一つのトランジスタ201を形成してもよい。
の斜視図である。図2(B)はトランジスタ202の上面図である。図2(C)は図2(
A)および(B)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図2(D)は図2(A)お
よび(B)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104の上部の形状である。トランジスタ202のフィン型の絶縁体104は、上面
と側面の間に曲面を有している。これはトランジスタ202のフィン型の絶縁体104は
稜が曲線状である、断面形状が逆U字状または逆V字状である、上部側端が丸みを帯びて
いる、または上部が角丸の直方体である等と言い換えることもできる。
導体膜106、ゲート絶縁膜108およびゲート電極110の段切れを防止することがで
きる。また、電界集中を抑制することができるため、トランジスタ202の劣化を抑制で
きる。
ことができる。
の斜視図である。図3(B)はトランジスタ203の上面図である。図3(C)は図3(
A)および(B)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図3(D)は図3(A)お
よび(B)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104の矢印Yの方向の長さである。トランジスタ201のフィン型の絶縁体104
は、酸化物半導体膜106よりも矢印Yの方向(即ち、チャンネル長方向)について長い
のに対して、トランジスタ203のフィン型の絶縁体104は、酸化物半導体膜106よ
りも矢印Yの方向について短い。これは、トランジスタ203のフィン型の絶縁体104
は、酸化物半導体膜106よりもチャネル長方向について短いと言い換えてもよい。さら
にフィン型の絶縁体104を完全に覆うように酸化物半導体膜106が設けられていると
言い換えてもよい。
た酸素をより効果的に酸化物半導体膜106に供給することができる。
ことができる。
の斜視図である。図4(B)はトランジスタ204の上面図である。図4(C)は図4(
A)および(B)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図4(D)は図4(A)お
よび(B)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104の上部の形状および矢印Yの方向の長さである。トランジスタ204のフィン
型の絶縁体104は、上面と側面の間に曲面を有した形状となっている。さらにトランジ
スタ201のフィン型の絶縁体104は、酸化物半導体膜106よりも矢印Yの方向(即
ち、チャンネル長方向)について長いのに対して、トランジスタ204のフィン型の絶縁
体104は、酸化物半導体膜106よりも矢印Yの方向について短い。これは、トランジ
スタ204のフィン型の絶縁体104は、酸化物半導体膜106よりもチャネル長方向に
ついて短いと言い換えてもよい。さらにフィン型の絶縁体104を完全に覆うように酸化
物半導体膜106が設けられていると言い換えてもよい。
絶縁膜108およびゲート電極110の段切れを防止することが容易となる。さらにフィ
ン型の絶縁体104から放出された酸素をより効果的に酸化物半導体膜106に供給する
ことができる。
ことができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタの別の一例について、図5乃至図
8を用いて説明する。
の上面図である。図5(B)は図5(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図
5(C)は図5(A)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104と、絶縁膜102およびフィン型の絶縁体104に接し、フィン型の絶縁体1
04を乗り越えるように設けられた酸化物半導体膜106を有する。さらに酸化物半導体
膜106上で電気的に接続されるソース電極またはドレイン電極112およびドレイン電
極またはソース電極113を有する。さらに酸化物半導体膜106上のゲート絶縁膜10
8と、ゲート絶縁膜108上で酸化物半導体膜と重畳し、フィン型の絶縁体104を乗り
越えるように設けられたゲート電極110を有する。
ドレイン電極またはソース電極113と重畳している。これによりソース抵抗およびドレ
イン抵抗を低減することができ、オン電流を大きくすることが可能となる。
ャネル形成領域106a等)を省略している。
ことができる。
の上面図である。図6(B)は図6(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図
6(C)は図6(A)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
極110の形状である。トランジスタ206ではゲート電極110と、ソース電極または
ドレイン電極112およびドレイン電極またはソース電極113は重畳していない。
うに一対の低抵抗領域106cを有する。一対の低抵抗領域106cは、ゲート電極11
0、ソース電極またはドレイン電極112およびドレイン電極またはソース電極113を
マスクとして、ゲート絶縁膜108を介して不純物を酸化物半導体膜106に添加するこ
とで形成することができる。なお図示しないが、酸化物半導体膜106は一対の低抵抗領
域106cを有さなくてもよい。
ース電極113は重畳せず、また一対の低抵抗領域106cを有する構造とすることで、
チャネル形成領域106aの端の電界集中を防ぎ、チャネル形成領域106aがホットキ
ャリアにより劣化することを防ぐことができる。そのためトランジスタ206の信頼性を
向上させることができる。
ことができる。
の上面図である。図7(B)は図7(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図
7(C)は図7(A)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
縁体104と、ソース電極またはドレイン電極112およびドレイン電極またはソース電
極113を有する。さらに絶縁膜102およびフィン型の絶縁体104に接し、フィン型
の絶縁体104を乗り越えるように設けられ、ソース電極またはドレイン電極112およ
びドレイン電極またはソース電極113上で電気的に接続された酸化物半導体膜106を
有する。さらに酸化物半導体膜106上のゲート絶縁膜108と、ゲート絶縁膜108上
で酸化物半導体膜106と重畳し、フィン型の絶縁体104を乗り越えるように設けられ
たゲート電極110を有する。
ドレイン電極またはソース電極113と重畳している。これにより酸化物半導体膜106
の広い領域をチャネル形成領域とすることができ、オン電流を大きくすることが可能とな
る。
ャネル形成領域106a等)を省略している。
ことができる。
の上面図である。図8(B)は図8(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面図である。図
8(C)は図8(A)の一点鎖線C−Dに対応する断面図である。
極110の形状である。トランジスタ208ではゲート電極110と、ソース電極または
ドレイン電極112およびドレイン電極またはソース電極113は重畳していない。
106cを有していてもよい。一対の低抵抗領域106cは、ゲート電極110をマスク
として、ゲート絶縁膜108を介して不純物を酸化物半導体膜106に添加することで形
成することができる。
ース電極113は重畳せず、また一対の低抵抗領域106cを有する構造とすることで、
チャネル形成領域106aの端の電界集中を防ぎ、チャネル形成領域106aがホットキ
ャリアにより劣化することを防ぐことができる。そのためトランジスタ208の信頼性を
向上させることができる。
ことができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の例について、図9乃
至図11を用いて説明する。
明する。図9および図10では、左に図1(B)の一点鎖線A−Bに対応する断面図、右
に図1(B)の一点鎖線C−Dに対応する断面図を示す。
にトランジスタ201を直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタ201を作
製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離
、転置するために、作製基板とトランジスタ201との間に剥離層を設けるとよい。
温のガスを用いて熱処理を行うGRTA(Gas Rapid Thermal Ann
eal)装置により、650℃、1分〜5分間、熱処理を行えばよい。なお、GRTAに
おける高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、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。また、電気炉により、500℃、30分〜
1時間、熱処理を行ってもよい。
は、10nm以上300nm以下とし、スパッタリング法、CVD法、塗布法などで形成
することができる。なお、基板100からの不純物の影響を無視できる場合などは、絶縁
膜102を形成しなくてもよい。
ルミニウム膜を形成することとする。
が好ましい。
温度は、絶縁膜102の成膜温度より高い方が、脱水化または脱水素化の効果が高いため
好ましい。例えば、熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、基板100および絶
縁膜102に対して減圧下450℃において1時間の熱処理を行う。なお本明細書におい
て、減圧とは10Pa以下をいう。
射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA装置、LRTA
(Lamp Rapid Thermal Annealing)装置等のRTA(Ra
pid Thermal Annealing)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。
、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。
または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置
に導入する窒素、または希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N
(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm
以下)とすることが好ましい。
厚は、10nm以上1000nm以下とし、成膜ガスを用いたCVD法を用いることがで
きる。CVD法としては、LPCVD法、プラズマCVD法などを用いることができ、ま
た他の方法としては、スパッタリング法、塗布法なども用いることができる。
9(C)参照)。
フィン型の絶縁体104に行う熱処理による脱水化又は脱水素化処理の方法は、基板10
0および絶縁膜102に行う同処理を参酌することができる。
ランジスタの特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が排除されたフィン型の絶
縁体104を形成することができる。
脱水素化処理を行っても良い。
(図9(D)参照)。なお、本実施の形態では、酸化物半導体膜105は島状に形成され
る前の酸化物半導体膜であり、完成したトランジスタ201に含まれる酸化物半導体膜1
06は島状に形成された酸化物半導体膜である。
100%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど)で成膜して、酸素を多く
含む(好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量
が過剰な領域が含まれている)膜とすることが好ましい。
ッタリング装置を用いたスパッタリング法を用い、膜厚35nmのIn−Ga−Zn系酸
化物膜(IGZO膜)を成膜する。本実施の形態において、In:Ga:Zn=1:1:
1の原子比のIn−Ga−Zn系酸化物ターゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及
びアルゴン雰囲気下(酸素流量比率50%)、圧力0.6Pa、電源電力5kW、基板温
度170℃とする。この成膜条件での成膜速度は、16nm/minである。
有する化合物、又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好まし
い。
つつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板10
0上に酸化物半導体膜105を成膜する。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、排気手段としては、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、
水素(水素原子)、水(H2O)など水素(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)等が効率的に排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体膜105に含まれる不純物の濃度を低減できる。
体膜105を連続的に形成することが好ましい。フィン型の絶縁体104を大気に曝露せ
ずにフィン型の絶縁体104と酸化物半導体膜105を連続して形成すると、フィン型の
絶縁体104表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
を過剰に含む酸化物半導体膜105及びフィン型の絶縁体104を形成することが好まし
い。酸素添加処理を行うことにより、酸化物半導体膜105及びフィン型の絶縁体104
中、および/又は該界面近傍に酸素を含有させることができる。
オン)、及び/又は酸素クラスタイオン)は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラ
ズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができ
る。また、イオン注入法にはガスクラスタイオンビームを用いてもよい。酸素の添加処理
は、全面を一度に行ってもよいし、線状のイオンビーム等を用いて移動(スキャン)させ
行ってもよい。
素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオン)は、酸素を含むガスを用いてプラズマ
発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より
具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、レジスト
マスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素を発生させ、酸化物半導体
膜105及びフィン型の絶縁体104を処理することができる。
素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。ま
た、酸素添加処理は、希ガス存在下で行ってもよい。
1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよい。
く(過剰に)含むので、該フィン型の絶縁体104から酸化物半導体膜105へ酸素を供
給することができる。
物半導体膜105とフィン型の絶縁体104とを接した状態で熱処理を行う。熱処理によ
ってフィン型の絶縁体104から酸化物半導体膜105への酸素の供給を効果的に行うこ
とができる。
を、酸化物半導体膜105が島状に加工される前に行うことで、フィン型の絶縁体104
に含まれる酸素が効果的に酸化物半導体膜105に供給されるため好ましい。
を補填することができる。
形成する(図10(A)参照)。なお、酸化物半導体膜105のエッチングは、ドライエ
ッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体
膜105のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜ
た溶液などを用いることができる。また、ITO−07N(関東化学社製)を用いてもよ
い。また、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合
型プラズマ)エッチング法によるドライエッチングによってエッチング加工してもよい。
ゲート絶縁膜108の膜厚は0.5nm以上100nm以下とする。ゲート絶縁膜108
の形成方法は絶縁層103の形成方法を参酌することができる。
。熱処理によって、ゲート絶縁膜108の脱水化または脱水素化を行うことができ、トラ
ンジスタの特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が排除されたゲート絶縁膜1
08を形成することができる。
よび絶縁膜102に行う同処理を参酌することができる。
ト絶縁膜108に酸素添加処理を行った後、熱処理を行ってゲート絶縁膜108から酸化
物半導体膜106に酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜106へ酸素を供給
することにより、酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補填することができる。
から酸化物半導体膜105に行う同処理を参酌することができる。
110を設ける(図10(C)参照)。ゲート電極110は、ゲート絶縁膜108上に導
電層を形成し、該導電層をエッチングにより加工することで形成することができる。
に行っても良い。
化物半導体膜106に一対の低抵抗領域106bを形成する(図10(D)参照)。図1
0(D)図中の矢印はドーパントを示す。
しては、15族元素(代表的には窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、およびアンチ
モン(Sb))、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(
He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、フッ素(F)、塩素(Cl)、チタン(
Ti)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用いることができる。
半導体膜106に導入することができる。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法
、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用い
ることができる。その際には、ドーパントの単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイ
オンを用いると好ましい。
を適宜設定して制御すればよい。たとえばドーパントのドーズ量は1×1013ions
/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすることができる。
3以下であることが好ましい。
こととする。またリンイオンの注入条件は加速電圧30kV、ドーズ量を1.0×101
5ions/cm2とする。
パントの種類も複数種用いてもよい。
℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下で1時間、酸素雰囲気下で行
うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気(超乾燥エア)下で熱処理を行っ
てもよい。またドーパント導入処理後の熱処理は、図10(A)および図10(B)にお
いて行うことのできる酸素添加処理後の熱処理と兼ねて行ってもよい。
晶質化する場合がある。この場合、ドーパントの導入後に加熱処理を行うことによって、
酸化物半導体膜106の結晶性を回復することができる。
抗領域106bを形成することができる。
て、図11を用いて説明する。
面図を示し、右に一点鎖線C−Dに対応する断面図を示す。
ンジスタ202では、フィン型の絶縁体104の上面と側面の間に曲面を有した形状に形
成している点である。
上に絶縁膜102、絶縁層103を形成し、絶縁層103をエッチングにより加工してフ
ィン型の絶縁体104を形成する。
ラズマ処理、酸素イオンインプランテーション処理、酸素ドーピング処理、アッシング処
理等により行うことができる。
状とすると共に、フィン型の絶縁体104に酸素を添加することができる。
体膜106、ゲート絶縁膜108およびゲート電極110の段切れを防止することが容易
となる。またフィン型の絶縁体104に酸素を添加することで、フィン型の絶縁体104
から酸化物半導体膜105へ酸素を供給することができる。
01の作製方法の記載を参酌することができる。
面図を示し、右に一点鎖線C−Dに対応する断面図を示す。
ンジスタ203では、フィン型の絶縁体104を、酸化物半導体膜106よりも矢印Yの
方向(即ち、チャネル長方向)について短く形成している点である。
状に絶縁層103を加工することができる。
することで、フィン型の絶縁体104から放出される酸素を効率的に酸化物半導体膜10
6に供給することができる。
01の作製方法の記載を参酌することができる。
図を示し、右に一点鎖線C−Dに対応する断面図を示す。
ンジスタ204では、フィン型の絶縁体104を、酸化物半導体膜106よりも矢印Yの
方向(即ち、チャネル長方向)について短く形成し、かつ上面と側面の間に曲面を有した
形状に形成している点である。
に酸素添加処理を行い、かつフィン型の絶縁体104を形成する際のマスクを変更するこ
とで、上記のような形状に絶縁層103を加工することができる。
体膜106、ゲート絶縁膜108およびゲート電極110の段切れを防止することができ
る。またフィン型の絶縁体104に酸素を添加することで、フィン型の絶縁体104から
酸化物半導体膜105へ酸素を供給することができる。
形成することで、フィン型の絶縁体104から放出される酸素を効果的に酸化物半導体膜
106に供給することができる。
01の作製方法の記載を参酌することができる。
スタ201の作製方法を参酌することができる。
本実施の形態では、本明細書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。
12(B)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。
ランジスタ3200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ3202を有
するものである。トランジスタ3202としては、実施の形態1で示すトランジスタ20
1の構造を適用する例である。
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、高速動作が可能である。一方で、実施の形態1または実施の形態
2で示した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。
ちらを用いても構わない。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および実施の形態2に示すようなトランジスタを用いる他は、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。
含む基板3000に設けられたチャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設け
られた不純物元素領域と、不純物元素領域に接する金属間化合物領域と、チャネル形成領
域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極層と、を有す
る。
れており、トランジスタ3200を覆うように絶縁層3220が設けられている。
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3202および容量素子3204の形成前の処理と
して、トランジスタ3200を覆う絶縁層3220にCMP処理を施して、絶縁層322
0を平坦化すると同時にトランジスタ3200のゲート電極層の上面を露出させる。
ボトムゲート型トランジスタである。ここで、トランジスタ3202に含まれる酸化物半
導体膜は、高純度化されたものであることが望ましい。即ち、実施の形態3で示したよう
に、酸化物半導体膜は不純物を可能な限り含まず、且つ酸素欠損が極めて少ないことが望
ましい。高純度化された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3202を得ることができる。
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。
0のゲート電極層と電気的に接続されている。
方とによって、容量素子3204が構成される。すなわち、電極3208は容量素子32
04の一方の電極として機能し、トランジスタ3202のソース電極層またはドレイン電
極層の一方は容量素子3204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3204を設けない構成とすることもできる。また、容量素子3204は、
別途、トランジスタ3202の上方に設けてもよい。
200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3204の
電極3208は、トランジスタ3200のゲート電極層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。
ス電極層とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ32
00のドレイン電極層とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Li
ne)とトランジスタ3202のソース電極層またはドレイン電極層の他方とは、電気的
に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ3202のゲート電極層
とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極層と、トラ
ンジスタ3202のソース電極層またはドレイン電極層の一方は、容量素子3204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3204の
電極の一方は電気的に接続されている。
間に渡って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。
3202がオン状態となる電位にして、トランジスタ3202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3200のゲート電極層、および容量素子32
04に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲート電極層には、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3202がオフ状態となる電位にして、トランジスタ
3202をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極層に与えられ
た電荷が保持される(保持)。
極層の電荷は長時間にわたって保持される。
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3200のゲー
ト電極層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3200をpチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極層にHig
h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32
00のゲート電極層に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320
0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の間の電位V0とすることにより、トランジ
スタ3200のゲート電極層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V0(<Vth_
L)となれば、トランジスタ3200は「オフ状態」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V0(>Vth_H)となっても、トランジスタ
3200は「オン状態」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。
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、ゲート電極層の状態
にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_
Lより高い電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらず
トランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電
位を第5の配線に与えればよい。
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、少なくとも第4の配線の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。
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。
置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態においては、実施の形態1または実施の形態2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、図13及び図14を用いて説明を行う。
を示す概念図である。まず、図13(A)に示す装置について説明を行い、続けて図13
(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。
403が縦m個(行)×横n個(列)のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、
n本のビット線BLに接続する第1の駆動回路410と、m本のワード線WLに接続する
第2の駆動回路411と、を有する。
、トランジスタ401のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続され、ワード
線WLは、トランジスタ401のゲート電極と電気的に接続され、トランジスタ401の
ソース電極又はドレイン電極の他方と容量素子402の第1の端子とは電気的に接続され
ている。
持を行う場合について説明する。
態となる電位として、トランジスタ401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402の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線W
Lの電位を、トランジスタ401がオフ状態となる電位として、トランジスタ401をオ
フ状態とすることにより、容量素子402の第1の端子の電位が保持される(保持)。
ている。このため、トランジスタ401をオフ状態とすることで、容量素子402の第1
の端子の電位(あるいは、容量素子402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。
状態であるビット線BLと、容量素子402とが導通し、ビット線BLと容量素子402
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402の第1の端子の電位(あるいは容量素子402に蓄積さ
れた電荷)によって、異なる値をとる。
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403の状態とし
て、容量素子402の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2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。
る。
小さいという特徴から、容量素子402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。
ル403を複数有するメモリセルアレイ420a及び420bを有し、下部に、メモリセ
ルアレイ430(メモリセルアレイ420a及び420b)を動作させるために必要な周
辺回路431を有する。なお、周辺回路431は、メモリセルアレイ420a、メモリセ
ルアレイ420bとそれぞれ電気的に接続されている。
(メモリセルアレイ420a及び420b)の真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。
を用いることがより好ましい。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。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。他に、有機半導体材料などを用いても
よい。トランジスタ401については、実施の形態1および実施の形態2におけるトラン
ジスタ201乃至トランジスタ208の記載を参酌できる。
イ420aと、メモリセルアレイ420b)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。
て説明する。
断面図を、図14(B)にメモリセル403回路図を示す。
形態2で示したトランジスタ201乃至トランジスタ208と同様の構成とすることがで
きるため、詳細な説明は省略する。
る。電極405の材料や方法については、トランジスタ201乃至トランジスタ208の
ゲート電極110の記載を参酌することができる。図14に示す容量素子402では、電
極405が絶縁膜404およびソース電極またはドレイン電極406の一方を介してフィ
ン型の絶縁体407を乗り越えている。このような構成の容量素子402とすることで、
平面状に容量素子を形成する場合よりも小さな面積で必要な容量を得ることができ、高集
積な半導体装置とすることができる。
成し、該絶縁膜上にトランジスタ401と同様の酸化物半導体を用いたトランジスタを形
成すればよい。
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。
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)を用いた半導体装置とを一体に備え
た半導体装置を実現することができる。
宜組み合わせて用いることができる。
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機器に適用する場合に
ついて、図15を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機(携帯
電話、携帯電話装置ともいう)、携帯情報端末(携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含
む)、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどのカメラ、電子ペーパー、テレビジョ
ン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)などの電子機器に、上述の半導体
装置を適用する場合について説明する。
表示部503、キーボード504などによって構成されている。筐体501と筐体502
の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装
置が設けられている。そのため、情報の演算、書き込みおよび読み出しが高速で、且つ消
費電力が十分に低減されたノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
12を有する筐体511と、表示部514を有する筐体513と、操作ボタン515と、
外部インターフェイス516を有する。また、タブレット型端末510を操作するスタイ
ラス517などを備えている。筐体511と筐体513の内部には、電子回路が設けられ
ており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、
情報の演算、書き込みおよび読み出しが高速で、且つ消費電力が十分に低減された携帯情
報端末が実現される。
3の2つの筐体で構成されている。筐体521および筐体523には、それぞれ表示部5
25および表示部527が設けられている。筐体521と筐体523は、軸部537によ
り接続されており、該軸部537を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体5
21は、電源531、操作キー533、スピーカー535などを備えている。筐体521
、筐体523の少なくとも一つの内部には、メモリ回路が設けられており、メモリ回路に
は、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の演算、書き込
みおよび読み出しが高速で、且つ消費電力が十分に低減された電子書籍が実現される。
いる。さらに、筐体540と筐体541は、スライドし、図15(D)のように展開して
いる状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。ま
た、筐体541は、表示パネル542、スピーカー543、マイクロフォン544、操作
キー545、ポインティングデバイス546、カメラ用レンズ547、外部接続端子54
8などを備えている。また、筐体540は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル549
、外部メモリスロット550などを備えている。また、アンテナは、筐体541に内蔵さ
れている。筐体540と筐体541の少なくとも一つの内部には、電子回路が設けられて
おり、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情
報の演算、書き込みおよび読み出しが高速で、且つ消費電力が十分に低減された携帯電話
機が実現される。
作スイッチ564、表示部565、バッテリー566などによって構成されている。本体
561内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導
体装置が設けられている。そのため、情報の演算、書き込みおよび読み出しが高速で、且
つ消費電力が十分に低減されたデジタルカメラが実現される。
575などで構成されている。テレビジョン装置570の操作は、筐体571が備えるス
イッチや、リモコン操作機580により行うことができる。筐体571およびリモコン操
作機580のいずれか一方の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の
実施の形態に示す半導体装置が搭載されている。そのため、情報の演算、書き込みおよび
読み出しが高速で、且つ消費電力が十分に低減されたテレビジョン装置が実現される。
載されている。このため、消費電力を低減した電子機器が実現される。
102 絶縁膜
103 絶縁層
104 フィン型の絶縁体
105 酸化物半導体膜
106 酸化物半導体膜
106a チャネル形成領域
106b 低抵抗領域
106c 低抵抗領域
108 ゲート絶縁膜
110 ゲート電極
112 ソース電極またはドレイン電極
113 ドレイン電極またはソース電極
201 トランジスタ
202 トランジスタ
203 トランジスタ
204 トランジスタ
205 トランジスタ
206 トランジスタ
207 トランジスタ
208 トランジスタ
401 トランジスタ
402 容量素子
403 メモリセル
404 絶縁膜
405 電極
406 ソース電極またはドレイン電極
407 フィン型の絶縁体
410 駆動回路
411 駆動回路
420a メモリセルアレイ
420b メモリセルアレイ
430 メモリセルアレイ
431 周辺回路
501 筐体
502 筐体
503 表示部
504 キーボード
510 タブレット型端末
511 筐体
512 表示部
513 筐体
514 表示部
515 操作ボタン
516 外部インターフェイス
517 スタイラス
520 電子書籍
521 筐体
523 筐体
525 表示部
527 表示部
531 電源
533 操作キー
535 スピーカー
537 軸部
540 筐体
541 筐体
542 表示パネル
543 スピーカー
544 マイクロフォン
545 操作キー
546 ポインティングデバイス
547 カメラ用レンズ
548 外部接続端子
549 太陽電池セル
550 外部メモリスロット
561 本体
563 接眼部
564 操作スイッチ
565 表示部
566 バッテリー
567 表示部
570 テレビジョン装置
571 筐体
573 表示部
575 スタンド
580 リモコン操作機
3000 基板
3106 素子分離絶縁層
3200 トランジスタ
3202 トランジスタ
3204 容量素子
3208 電極
3220 絶縁層
Claims (4)
- 上部に丸みを帯びた絶縁体と、
前記絶縁体の側面及び前記上部と重なる半導体膜と、
前記半導体膜と重なるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜と重なるゲート電極と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 側面にテーパー角を有し、且つ上部に丸みを帯びた絶縁体と、
前記絶縁体の前記側面及び前記上部と重なる半導体膜と、
前記半導体膜と重なるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜と重なるゲート電極と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 上部に丸みを帯びた絶縁体と、
前記絶縁体の側面及び前記上部と重なる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と重なるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜と重なるゲート電極と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 側面にテーパー角を有し、且つ上部に丸みを帯びた絶縁体と、
前記絶縁体の前記側面及び前記上部と重なる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と重なるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜と重なるゲート電極と、を有することを特徴とする半導体装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012002321 | 2012-01-10 | ||
JP2012002321 | 2012-01-10 |
Related Parent Applications (1)
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