JP2017139276A - 半導体装置 - Google Patents

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【課題】同一の製造方法で広範囲のチャネル長を実現可能な半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置は、下地絶縁体と、下地絶縁体上に配置され、第１側壁を有する第１絶縁層と、下地絶縁体上に配置され、第２側壁を有する第２絶縁層と、下地絶縁体上、第１側壁上、及び第２側壁上に配置された酸化物半導体層と、酸化物半導体層に対向して配置されたゲート電極と、酸化物半導体層とゲート電極との間に配置されたゲート絶縁層と、第１絶縁層の上方に配置され、酸化物半導体層に接続された第１電極と、第２絶縁層の上方に配置され、酸化物半導体層に接続された第２電極と、を有する。【選択図】図１６

Description

本発明は、半導体装置に関し、開示される一実施形態は半導体装置の構造及びレイアウト形状に関する。
近年、表示装置やパーソナルコンピュータなどの駆動回路には微細なスイッチング素子としてトランジスタ、ダイオードなどの半導体装置が用いられている。例えば、表示装置において、半導体装置は、各画素の階調に応じた電圧又は電流を供給するための選択トランジスタだけでなく、電圧又は電流を供給する画素を選択するための駆動回路にも使用されている。半導体装置はその用途に応じて要求される特性が異なる。例えば、選択トランジスタとして使用される半導体装置は、オフ電流が低いことや半導体装置間の特性ばらつきが小さいことが要求される。また、駆動回路として使用される半導体装置は、高いオン電流が要求される。
上記のような表示装置において、従来からアモルファスシリコンや低温ポリシリコン、単結晶シリコンをチャネルに用いた半導体装置が開発されている。アモルファスシリコンをチャネルに用いた半導体装置は、より単純な構造かつ４００℃以下の低温プロセスで形成することができるため、例えば第８世代（２１６０×２４６０ｍｍ）と呼ばれる大型のガラス基板を用いて形成することができる。しかし、アモルファスシリコンをチャネルに用いた半導体装置は移動度が低く、駆動回路に使用することはできない。
また、低温ポリシリコンや単結晶シリコンをチャネルに用いた半導体装置は、アモルファスシリコンをチャネルに用いた半導体装置に比べて移動度が高いため、選択トランジスタだけでなく駆動回路の半導体装置にも使用することができる。しかし、低温ポリシリコンや単結晶シリコンをチャネルに用いた半導体装置は構造及びプロセスが複雑である。また、５００℃以上の高温プロセスで半導体装置を形成する必要があるため、上記のような大型のガラス基板を用いて半導体装置を形成することができない。また、アモルファスシリコンや低温ポリシリコン、単結晶シリコンをチャネルに用いた半導体装置はいずれもオフ電流が高く、これらの半導体装置を選択トランジスタに用いた場合、印加した電圧を長時間保持することが難しかった。
そこで、最近では、アモルファスシリコンや低温ポリシリコンや単結晶シリコンに替わり、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置の開発が進められている。酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置は、アモルファスシリコンをチャネルに用いた半導体装置と同様に単純な構造かつ低温プロセスで半導体装置を形成することができ、アモルファスシリコンをチャネルに用いた半導体装置よりも高い移動度を有することが知られている。また、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置は、オフ電流が非常に低いことが知られている。
特開２０１０−０６２２２９号公報
しかしながら、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置は低温ポリシリコンや単結晶シリコンをチャネルに用いた半導体装置に比べると移動度が低い。したがって、より高いオン電流を得るためには、半導体装置のＬ長（チャネル長）を短くする必要がある。特許文献１に示す半導体装置において、半導体装置のチャネル長を短くするためにはソース・ドレイン間の距離を短くする必要がある。
ここで、ソース・ドレイン間の距離はフォトリソグラフィ及びエッチングの工程によって決定されが、フォトリソグラフィによってパターニングする場合、露光機のマスクパターンサイズによって微細化が制限される。特に、ガラス基板上にフォトリソグラフィによってパターニングする場合、マスクパターンの最小サイズは２μｍ程度であり、半導体装置の短チャネル化はこのマスクパターンサイズに制限される。また、半導体装置のチャネル長がフォトリソグラフィによって決定されるため、半導体装置のチャネル長はフォトリソグラフィの工程における基板面内ばらつきの影響を受けてしまう。
上記の問題を解消するために、ソース・ドレイン間の距離をフォトリソグラフィによるパターニング以外の方法で短チャネルの半導体装置を形成する方法があるが、半導体装置の駆動回路において、オン電流が低く抑制されたトランジスタが要求される場合がある。したがって、上記のように、フォトリソグラフィによるパターニング以外の方法で短チャネルの半導体装置を形成する製造方法において、オン電流が低く抑制されたトランジスタを形成することが要求される。
本発明は、上記実情に鑑み、同一の製造方法で広範囲のチャネル長を実現可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による半導体装置は、下地絶縁体（下地絶縁層１１０）と、下地絶縁体上に配置され、第１側壁（側壁２３１）を有する第１絶縁層（絶縁層２３０）と、下地絶縁体上に配置され、第２側壁（側壁２３２）を有する第２絶縁層（絶縁層２３４）と、下地絶縁体上、第１側壁上、及び第２側壁上に配置された酸化物半導体層（酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４）と、酸化物半導体層に対向して配置されたゲート電極（ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４）と、酸化物半導体層とゲート電極との間に配置されたゲート絶縁層（ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４）と、第１絶縁層の上方に配置され、酸化物半導体層に接続された第１電極（上部電極２８０ａ）と、第２絶縁層の上方に配置され、酸化物半導体層に接続された第２電極（上部電極２８０ｂ）と、を有する。
本発明の一実施形態による半導体装置は、下地絶縁体（下地絶縁層１１０）と、下地絶縁体上に配置され、第１側壁（側壁２３１）及び第２側壁（側壁２３２）を有する絶縁層（絶縁層２３０及び絶縁層２３４）と、下地絶縁体と絶縁層との間に配置され、一部が第１側壁の端部から突出した第１導電層（導電層２２１）と、下地絶縁体と絶縁層との間に配置され、一部が第２側壁の端部から突出した第２導電層（導電層２２３）と、第１導電層と第２導電層との間において、下地絶縁体上に配置され、第１導電層及び第２導電層の各々に接続された第１酸化物半導体層（酸化物半導体層２４０）と、第１酸化物半導体層に対向して配置された第１ゲート電極（ゲート電極２６０）と、第１酸化物半導体層と第１ゲート電極との間に配置された第１ゲート絶縁層（ゲート絶縁層２５０）と、第１側壁上に配置され、一方が第１導電層に接続された第２酸化物半導体層（酸化物半導体層２４２）と、第２酸化物半導体層に対向して配置された第２ゲート電極（ゲート電極２６２）と、第２酸化物半導体層と第２ゲート電極との間に配置された第２ゲート絶縁層（ゲート絶縁層２５２）と、第２側壁上に配置され、一方が第２導電層に接続された第３酸化物半導体層（酸化物半導体層２４４）と、第３酸化物半導体層に対向して配置された第３ゲート電極（ゲート電極２６４）と、第３酸化物半導体層と第３ゲート電極との間に配置された第３ゲート絶縁層（ゲート絶縁層２５４）と、第２酸化物半導体層の他方に接続された第１電極（上部電極２８０ａ）と、第３酸化物半導体層の他方に接続された第２電極（上部電極２８０ｂ）と、を有する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の概要を示す断面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の概要を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
また、以下に示す実施形態の説明において、「第１の部材と第２の部材とを接続する」とは、少なくとも第１の部材と第２の部材とを電気的に接続することを意味する。つまり、第１の部材と第２の部材とが物理的に接続されていてもよく、第１の部材と第２の部材との間に他の部材が設けられていてもよい。
〈実施形態１〉
図１を用いて、本発明の実施形態１に係る半導体装置１０の概要について説明する。実施形態１の半導体装置１０として、表示装置における画素回路や駆動回路に用いられる半導体装置について説明する。なお、以下に説明する半導体装置は、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ：ＬＣＤ）、表示部に有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＯＬＥＤ）や量子ドット等の自発光素子を利用した自発光表示装置、又は電子ペーパー等の反射型表示装置などの表示装置に用いることができる。
ただし、本発明に係る半導体装置は表示装置に用いられるものに限定されず、例えば、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）などの集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）に用いることができる。また、実施形態１の半導体装置１０は、チャネルとして酸化物半導体を用いた構造を例示するが、この構造に限定されず、チャネルとしてシリコンなどの半導体やＧａ−Ａｓ等の化合物半導体、ペンタセン又はテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等の有機半導体を用いることもできる。ここで、実施形態１では半導体装置としてトランジスタを例示するが、これは本発明に係る半導体装置をトランジスタに限定するものではない。
［半導体装置１０の構造］
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、基板１０５と、基板１０５上に配置された下地絶縁層１１０と、下地絶縁層１１０上に配置された第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００を有する。
第１トランジスタ１００は、下部電極１２０と、下部電極１２０上に配置され、側壁１３１を有する絶縁層１３０と、絶縁層１３０の上方に配置された補助電極１９０と、補助電極１９０上及び側壁１３１に配置され、下方に配置された下部電極１２０に接続された酸化物半導体層１４０と、を有する。ここで、補助電極１９０は絶縁層１３０の上方において、絶縁層１３０と酸化物半導体層１４０との間に配置されているということもできる。
また、第１トランジスタ１００は、酸化物半導体層１４０に対向して配置されたゲート電極１６０と、酸化物半導体層１４０とゲート電極１６０との間に配置されたゲート絶縁層１５０と、を有する。さらに、第１トランジスタ１００は、ゲート電極１６０上に形成された層間膜１７０と、層間膜１７０に設けられた開口部１７１（開口部１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃを特に区別しない場合は単に開口部１７１という）において、下部電極１２０、酸化物半導体層１４０、及びゲート電極１６０のそれぞれに接続された上部電極１８０（上部電極１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを特に区別しない場合は単に上部電極１８０という）と、を有する。ここで、上部電極１８０ｂは絶縁層１３０の上方で酸化物半導体層１４０に接続されている。
第２トランジスタ２００は、下部電極２２０、下部電極２２２、酸化物半導体層２４０、ゲート絶縁層２５０、及びゲート電極２６０を有する。下部電極２２０及び下部電極２２２は下部電極１２０と同一層に形成されており、下部電極２２２は下部電極２２０から離隔して配置されている。ここで、下部電極２２０と下部電極２２２とは平面視において離隔して配置されているということもできる。また、換言すると、下部電極２２０と下部電極２２２とは異なるパターンで形成されているということもできる。
酸化物半導体層２４０は下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置され、下部電極２２０及び下部電極２２２の側方及び上方と接触している。また、酸化物半導体層２４０は、下部電極２２０と下部電極２２２との間において下地絶縁層１１０と接している。
ゲート電極２６０は酸化物半導体層２４０に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５０は酸化物半導体層２４０とゲート電極２６０との間に配置されている。
また、第２トランジスタ２００は、ゲート電極２６０上に形成された層間膜２７０と、層間膜２７０に設けられた開口部２７１（開口部２７１ａ、２７１ｂを特に区別しない場合は単に開口部２７１という）において、下部電極２２０及び下部電極２２２のそれぞれに接続された上部電極２８０（上部電極２８０ａ、２８０ｂを特に区別しない場合は単に上部電極２８０という）と、を有する。
ここで、酸化物半導体層２４０は酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５０はゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６０はゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４０は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５０は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６０は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
例えば、酸化物半導体層２４０は、酸化物半導体層１４０の同一層に対してさらに他の酸化物半導体層を積層することで形成されてもよい。つまり、酸化物半導体層２４０の積層数を酸化物半導体層１４０の積層数よりも多くしてもよい。逆に、酸化物半導体層２４０の積層数を酸化物半導体層１４０の積層数よりも少なくしてもよい。また、ゲート絶縁層２５０は、ゲート絶縁層１５０の同一層に対してさらに他の絶縁層を積層することで形成されてもよい。つまり、ゲート絶縁層２５０の積層数をゲート絶縁層１５０の積層数よりも多くしてもよい。逆に、ゲート絶縁層２５０の積層数をゲート絶縁層１５０の積層数よりも少なくしてもよい。
ここで、酸化物半導体層１４０は、酸化物半導体層１４０の一方が領域１３２において下部電極１２０に接続され、酸化物半導体層１４０の他方が領域１９２において補助電極１９０に接続されている。下部電極１２０は上部電極１８０ａに接続され、補助電極１９０は上部電極１８０ｂに接続されている。また、上部電極１８０ｂは補助電極１９０とは反対側で酸化物半導体層１４０に接続されている。ここで、上部電極１８０ａにソース電圧を印加し、上部電極１８０ｂにドレイン電圧を印加する場合、領域１３２をソース領域、領域１９２をドレイン領域ということもできる。
つまり、第１トランジスタ１００において、下部電極１２０と補助電極１９０との間の側壁１３１に配置された酸化物半導体層１４０の長さが第１トランジスタ１００のチャネル長である。また、第２トランジスタ２００において、下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０の長さが第２トランジスタ２００のチャネル長である。
第１トランジスタ１００のチャネル長は絶縁層１３０の膜厚及び側壁１３１の傾斜角度によって調整することができる。絶縁層１３０の膜厚はナノメートルオーダーで制御可能であるため、第１トランジスタ１００のチャネル長をナノメートルオーダーで制御することができる。つまり、第１トランジスタ１００は短チャネル長のトランジスタに好適である。一方、第２トランジスタ２００のチャネル長は下部電極２２０と下部電極２２２との間隔によって調整することができる。
下部電極２２０と下部電極２２２との間隔はフォトリソグラフィによって制御されるため、第２トランジスタ２００のチャネル長をマイクロメートルオーダーで制御することができる。つまり、第２トランジスタ２００は長チャネル長のトランジスタに好適である。半導体装置１０において、第２トランジスタ２００のチャネル長は第１トランジスタ１００のチャネル長よりも長い。
ここで、側壁１３１は傾斜面が上方を向くテーパ形状であってもよい。当該形状を順テーパ形状ということもできる。この場合、酸化物半導体層１４０は側壁１３１上に配置されているということもできる。また、側壁１３１上においてゲート絶縁層１５０は酸化物半導体層１４０上に配置されているということもできる。また、側壁１３１上においてゲート電極１６０はゲート絶縁層１５０上に配置されているということもできる。
図２では、補助電極１９０は絶縁層１３０の上面を覆うように配置されているが、補助電極１９０は絶縁層１３０の上面全てに形成されている必要なく、少なくとも絶縁層１３０の上面の一部に形成されていればよい。また、補助電極１９０は、絶縁層１３０の上面だけではなく、側壁１３１の一部に形成されていてもよい。
［半導体装置１０の各部材の材質］
図１及び図２に示す半導体装置１０に含まれる各部材（各層）の材料について詳細に説明する。
基板１０５としては、ガラス基板を使用することができる。また、ガラス基板の他にも、石英基板、サファイア基板、樹脂基板などの透光性を有する絶縁基板を使用することができる。また、表示装置ではない集積回路の場合は、シリコン基板、炭化シリコン基板、化合物半導体基板などの半導体基板、ステンレス基板などの導電性基板など、透光性を有さない基板を使用することができる。ここで、例えば、基板１０５として石英基板を用いた場合、下地絶縁層１１０を省略することもできる。その場合、基板１０５として用いた石英基板が下地絶縁体となる。
下地絶縁層１１０としては、基板１０５からの不純物が酸化物半導体層１４０に拡散することを抑制することができる材料を使用することができる。例えば、下地絶縁層１１０として、窒化シリコン（ＳｉＮx）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮxＯy）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯxＮy）、窒化アルミニウム（ＡｌＮx）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮxＯy）、酸化アルミニウム（ＡｌＯx）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯxＮy）などを使用することができる（ｘ、ｙは任意）。また、これらの膜を積層した構造を使用してもよい。
ここで、ＳｉＯxＮy及びＡｌＯxＮyとは、酸素（Ｏ）よりも少ない量の窒素（Ｎ）を含有するシリコン化合物及びアルミニウム化合物である。また、ＳｉＮxＯy及びＡｌＮxＯyとは、窒素よりも少ない量の酸素を含有するシリコン化合物及びアルミニウム化合物である。
上記に例示した下地絶縁層１１０は、物理蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ法）で形成してもよく、化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）で形成してもよい。ＰＶＤ法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法などを用いることができる。また、ＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法（Ｃａｔ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ）−ＣＶＤ法又はホットワイヤＣＶＤ法）などを用いることができる。また、ナノメートルオーダー（１μｍ未満の範囲）で膜厚を制御することができれば、上記に例示した蒸着法以外の方法を用いることができる。
下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２は、一般的な金属材料又は導電性半導体材料を使用することができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）などを使用することができる。また、これらの材料の合金を使用してもよい。また、これらの材料の窒化物を使用してもよい。また、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）、ＩＧＯ（酸化インジウム・ガリウム）、ＩＺＯ（酸化インジウム・亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウムがドーパントとして添加された酸化亜鉛）等の導電性酸化物半導体を使用してもよい。また、これらの膜を積層した構造を使用してもよい。
ここで、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２として使用する材料は、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置の製造工程における熱処理工程に対する耐熱性を有し、酸化物半導体との接触抵抗が低い材料を使用することが好ましい。ここで、酸化物半導体層１４０又は酸化物半導体層２４０と良好な電気的接触を得るために、仕事関数が酸化物半導体層１４０又は酸化物半導体層２４０より小さい金属材料を用いることができる。
絶縁層１３０は、下地絶縁層１１０と同様に、ＳｉＯx、ＳｉＮx、ＳｉＯxＮy、ＳｉＮxＯy、ＡｌＯx、ＡｌＮx、ＡｌＯxＮy、ＡｌＮxＯyなどの無機絶縁材料や、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、シロキサン樹脂などの有機絶縁材料を用いることができる。無機絶縁材料は、下地絶縁層１１０と同様の方法で形成することができる。有機絶縁材料は、上記の有機材料が溶解された溶媒を塗布し、熱処理によって溶媒を除去することで得ることができる。溶媒の塗布方法としては、スピンコート法、ディップ法などを用いることができる。絶縁層１３０と下地絶縁層１１０とは同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。
また、図２では、絶縁層１３０の側壁１３１の断面形状が直線状の順テーパ形状である構造を例示したが、この構造に限定されず、側壁１３１の形状が上方に対して凸形状の順テーパ形状であってもよく、逆に上方に対して凹形状の順テーパ形状であってもよい。また、側壁１３１は傾斜面が上方を向いた順テーパ形状以外にも、垂直形状であってもよく、傾斜面が下方を向いた逆テーパ形状であってもよい。
また、図２では、絶縁層１３０が単層である構造を例示したが、この構造に限定されず、複数の異なる層が積層された構造であってもよい。この場合、異なる層によって側壁１３１のテーパ角及び形状が異なっていてもよい。また、絶縁層１３０として、異なる物性の層（例えば、ＳｉＮx及びＳｉＯx）を積層させることで、側壁１３１の場所によって物性が異なる酸化物半導体層１４０が形成されるようにしてもよい。つまり、第１トランジスタ１００は、特性が異なる酸化物半導体層１４０が直列に接続されたチャネルを有していてもよい。
酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０は、半導体の特性を有する酸化金属を用いることができる。例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む酸化物半導体を用いることができる。特に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４の組成比を有する酸化物半導体を用いることができる。ただし、本発明に使用されＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む酸化物半導体は上記の組成に限定されるものではなく、上記とは異なる組成の酸化物半導体を用いることもできる。例えば、移動度を向上させるためにＩｎの比率を大きくしてもよい。また、バンドギャップを大きくし、光照射による影響を小さくするためにＧａの比率を大きくしてもよい。
また、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む酸化物半導体に他の元素が添加されていてもよく、例えばＡｌ、Ｓｎなどの金属元素が添加されていてもよい。また、上記の酸化物半導体以外にも酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化バナジウム（ＶＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）などを用いることができる。なお、酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０はアモルファスであってもよく、結晶性であってもよい。また、酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０はアモルファスと結晶の混相であってもよい。
ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０は、下地絶縁層１１０及び絶縁層１３０のいずれかと同様に、ＳｉＯx、ＳｉＮx、ＳｉＯxＮy、ＳｉＮxＯy、ＡｌＯx、ＡｌＮx、ＡｌＯxＮy、ＡｌＮxＯyなどの無機絶縁材料を用いることができる。また、無機絶縁材料は下地絶縁層１１０及び絶縁層１３０のいずれかと同様の方法で形成することができる。また、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０はこれらの絶縁層を積層した構造を使用することができる。ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０は、下地絶縁層１１０及び絶縁層１３０と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
ゲート電極１６０及びゲート電極２６０は、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２のいずれかと同様の材料を用いることができる。ゲート電極１６０及びゲート電極２６０は下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２と同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。ゲート電極１６０及びゲート電極２６０として使用する材料は、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置の製造工程における熱処理工程に対する耐熱性を有し、ゲート電極が０Ｖのときにトランジスタがオフするエンハンスメント型となる仕事関数を有する材料を用いることが好ましい。
層間膜１７０及び層間膜２７０は、下地絶縁層１１０、絶縁層１３０、ゲート絶縁層１５０、及びゲート絶縁層２５０のいずれかと同様に、ＳｉＯx、ＳｉＮx、ＳｉＯxＮy、ＳｉＮxＯy、ＡｌＯx、ＡｌＮx、ＡｌＯxＮy、ＡｌＮxＯyなどの無機絶縁材料を用いることができる。また、層間膜１７０及び層間膜２７０は、下地絶縁層１１０、絶縁層１３０、ゲート絶縁層１５０、及びゲート絶縁層２５０のいずれかと同様の方法で形成することができる。層間膜１７０及び層間膜２７０としては、上記の無機絶縁材料の他にＴＥＯＳ層や有機絶縁材料を用いることができる。
ここで、ＴＥＯＳ層とはＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料としたＣＶＤ層を指すもので、下地の段差を緩和して平坦化する効果を有する膜である。ここで、下地絶縁層１１０、絶縁層１３０、ゲート絶縁層１５０、及びゲート絶縁層２５０にＴＥＯＳ層を用いることもできる。
また、有機絶縁材料としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、シロキサン樹脂などを用いることができる。層間膜１７０及び層間膜２７０は、上記の材料を単層で用いてもよく、積層させてもよい。例えば、無機絶縁材料及び有機絶縁材料を積層させてもよい。
上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０は、下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、ゲート電極１６０、及びゲート電極２６０のいずれかと同様の材料を用いることができる。上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０は下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、ゲート電極１６０、及びゲート電極２６０と異なる材料を用いてもよい。
上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０の各々は同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。また、上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０は、下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、ゲート電極１６０、及びゲート電極２６０として列挙した材料以外に銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを用いることもできる。特に、上部電極１８０及び上部電極２８０にＣｕを用いる場合は、熱によるＣｕの拡散を抑制するＴｉやＴｉＮなどのバリア層と積層させてもよい。
上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０として使用する材料は、酸化物半導体をチャネルに用いた半導体装置の製造工程における熱処理工程に対する耐熱性を有し、酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０との接触抵抗が低い材料を使用することが好ましい。ここで、例えば酸化物半導体層１４０と良好な電気的接触を得るために、上部電極１８０、上部電極２８０、及び補助電極１９０として仕事関数が酸化物半導体層１４０より小さい金属材料を用いることができる。酸化物半導体層２４０についても同様である。ここで、補助電極１９０上に配置された酸化物半導体層１４０が、他の領域の酸化物半導体層１４０に比べて高い導電率を有していてもよい。
［半導体装置１０の動作］
図１及び図２に示す第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００を用いて、それらの動作について説明する。第１トランジスタ１００は酸化物半導体層１４０の一部をチャネルとするトランジスタである。第２トランジスタ２００は酸化物半導体層２４０の一部をチャネルとするトランジスタである。以下に第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００の各々の動作について説明する。
第１トランジスタ１００において、ゲート電極１６０に接続された上部電極１８０ｃにはゲート電圧が印加され、下部電極１２０に接続された上部電極１８０ａにドレイン電圧が印加され、酸化物半導体層１４０に接続された上部電極１８０ｂにソース電圧が印加される。ただし、ソース電圧とドレイン電圧とが逆に印加されてもよい。ここで、上部電極１８０ｂに印加されたソース電圧は、酸化物半導体層１４０を介して補助電極１９０に供給される。
ゲート電極１６０にゲート電圧が印加されると、ゲート絶縁層１５０を介してゲート電極１６０に対向する酸化物半導体層１４０に、ゲート電圧に応じた電界が形成される。その電界によって酸化物半導体層１４０にキャリアが生成される。上記のように酸化物半導体層１４０にキャリアが生成された状態で、下部電極１２０と補助電極１９０との間に電位差が生じると、酸化物半導体層１４０に生成されたキャリアが電位差に応じて移動する。つまり、補助電極１９０から下部電極１２０へと電子が移動する。
ここで、下部電極１２０及び補助電極１９０はキャリアが生成された酸化物半導体層１４０よりも高い導電率を有しているため、電子はソース領域１９２で酸化物半導体層１４０に供給され、ドレイン領域１３２で下部電極１２０に取り出される。つまり、第１トランジスタ１００において、絶縁層１３０の側壁１３１に配置された酸化物半導体層１４０がチャネルとして機能する。図１において、第１トランジスタ１００のチャネル領域１４１がチャネルとして機能する領域である。したがって、第１トランジスタ１００におけるチャネル長は絶縁層１３０の膜厚及び側壁１３１のテーパ角によって決まる。
第２トランジスタ２００において、ゲート電極２６０に接続された上部電極２８０ｃ（図１参照）にはゲート電圧が印加され、下部電極２２０に接続された上部電極２８０ａにドレイン電圧が印加され、下部電極２２２に接続された上部電極２８０ｂにソース電圧が印加される。ただし、ソース電圧とドレイン電圧とが逆に印加されてもよい。
ゲート電極２６０にゲート電圧が印加されると、ゲート絶縁層２５０を介してゲート電極２６０に対向する酸化物半導体層２４０に、ゲート電圧に応じた電界が形成される。その電界によって酸化物半導体層２４０にキャリアが生成される。上記のように酸化物半導体層２４０にキャリアが生成された状態で、下部電極２２０と下部電極２２２との間に電位差が生じると、酸化物半導体層２４０に生成されたキャリアが電位差に応じて移動する。つまり、下部電極２２２から下部電極２２０へと電子が移動する。
第２トランジスタ２００において、下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０がチャネルとして機能する。図１において、第２トランジスタ２００のチャネル領域２４１がチャネルとして機能する領域である。したがって、第２トランジスタ２００におけるチャネル長は、下部電極２２０のパターンと下部電極２２２のパターンとの間隔によって決まる。
以上のように、本発明の実施形態１に係る半導体装置１０によると、第１トランジスタ１００は、絶縁層１３０の側壁１３１に配置された酸化物半導体層１４０がチャネルとなる。したがって、絶縁層１３０の膜厚、側壁１３１のテーパ角、又は絶縁層１３０の膜厚及び側壁１３１のテーパ角の両方を制御することによって、第１トランジスタ１００のチャネル長が制御される。上記のように、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法によって形成された絶縁層１３０の膜厚はナノメートルオーダーで制御することができるため、第１トランジスタ１００のチャネル長はナノメートルオーダーで制御することができる。つまり、ばらつきのオーダーがマイクロメートルオーダーであるフォトリソグラフィのパターニング限界よりも小さいチャネル長を有する半導体装置を実現することが可能となる。その結果、オン電流を向上させることができる半導体装置を提供することができる。
一方、第２トランジスタ２００は下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０がチャネルとなるため、下部電極２２０のパターン及び下部電極２２２のパターンによって、第２トランジスタ２００のチャネル長が制御される。つまり、フォトリソグラフィに用いるマスク設計により、数マイクロメートルから数百マイクロメートルオーダーのチャネル長を有する半導体装置を実現することが可能となる。
以上のように、チャネル長がナノメートルオーダーの第１トランジスタ１００及びチャネル長がマイクロメートルオーダーの第２トランジスタ２００を同一工程で形成することができる。つまり、同一の製造方法でナノメートルオーダーから数百マイクロメートルオーダーまでの広範囲のチャネル長を実現することができる。
また、絶縁層１３０の膜厚は上記のようにナノメートルオーダーで制御することが可能であるため、絶縁層１３０の膜厚の基板面内ばらつきもナノメートルオーダーで制御することができる。また、絶縁層１３０のテーパ角は、絶縁層１３０のエッチングレート及びレジストの後退量によって制御され、これらのばらつき制御も絶縁層１３０の膜厚ばらつきと同等のオーダーで制御することが可能である。その結果、第１トランジスタ１００のチャネル長の基板面内ばらつきをナノメートルオーダーで抑制することができる。
また、第１トランジスタ１００に関して、酸化物半導体層１４０のチャネル領域は、上方がゲート電極１６０で覆われ、下方が下部電極１２０で覆われている。したがって、ゲート電極１６０と下部電極１２０に透光性を有さない金属を用いた場合、外部からの光が酸化物半導体層１４０に照射されることを抑制することができる。その結果、光が照射された環境においても特性の変動が小さい半導体装置を実現することができる。
［半導体装置１０の製造方法］
図３乃至図１２を用いて、本発明の実施形態１に係る半導体装置１０の製造方法について、平面図及び断面図を参照しながら説明する。図３及び図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図４に示すように、基板１０５上に下地絶縁層１１０と、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２を含む導電層と、を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図３に示す下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２のパターンを形成する。ここで、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２を含む導電層のエッチングは、当該導電層のエッチングレートと下地絶縁層１１０のエッチングレートとの選択比が大きい条件で処理することが好ましい。
図５及び図６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図６に示すように、図４に示す基板の全面に絶縁層１３０を含む絶縁層及び補助電極１９０を含む導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図５に示す絶縁層１３０のパターンを形成する。ここで、絶縁層１３０を含む絶縁層及び補助電極１９０を含む導電層を一括でエッチングしてもよく、それぞれを別の工程でエッチングしてもよい。例えば、絶縁層１３０のパターンを形成した後に補助電極１９０を含む導電層を絶縁層１３０の上面及び側壁に成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって補助電極１９０のパターンを形成してもよい。
絶縁層１３０を含む絶縁層のエッチングは、少なくとも当該絶縁層のエッチングレートと下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２のエッチングレートとの選択比が大きい条件で処理することが好ましい。より好ましくは、当該絶縁層のエッチングは、絶縁層１３０のエッチングレートと下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、及び下地絶縁層１１０のエッチングレートとの選択比が大きい条件で処理するとよい。
絶縁層１３０及び下地絶縁層１１０が同じ材料で形成されるなど、絶縁層１３０を含む絶縁層と下地絶縁層１１０との高い選択比を確保することが困難な場合、下地絶縁層１１０上にエッチングストッパとなる層を配置してもよい。また、図５では、絶縁層１３０は方形のパターンであるが、このパターン形状に限定されず、例えば、円形、楕円形、多角形、湾曲形など多様な形状であってもよい。
ここで、絶縁層１３０の側壁１３１をテーパ形状にするためのエッチング方法について説明する。側壁１３１のテーパ角は、絶縁層１３０のエッチングレートと絶縁層１３０を含む絶縁層をエッチングする際にマスクとして用いるレジストの水平方向のエッチングレート（以下、レジストの後退量という）とによって制御することができる。例えば、当該絶縁層のエッチングレートに比べてレジストの後退量が小さい場合、側壁１３１のテーパ角は大きく（垂直に近い角度）なり、レジストの後退量がゼロの場合は、側壁１３１は垂直となる。一方、当該絶縁層のエッチングレートに比べてレジストの後退量が大きい場合、側壁１３１のテーパ角は小さく（緩やかな傾斜）なる。ここで、レジストの後退量はレジストパターン端部のテーパ角やレジストのエッチングレートによって調整することができる。
図７及び図８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図８に示すように、図６に示す基板の全面に酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を含む酸化物半導体層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図７に示す酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０のパターンを形成する。
酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を含む酸化物半導体層はスパッタリング法を用いて成膜することができる。当該酸化物半導体層のエッチングはドライエッチングで行ってもよく、ウェットエッチングで行ってもよい。ウェットエッチングで酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を形成する場合、シュウ酸を含むエッチャントを用いることができる。
ここで、酸化物半導体層１４０が絶縁層１３０の一側面にだけ形成された構成を例示したが、この構成に限定されず、例えば絶縁層１３０のパターンを覆うような形状、つまり絶縁層１３０の全ての側壁１３１に酸化物半導体層１４０が形成された構成であってもよい。
図９及び図１０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図１０に示すように、図８に示す基板の全面にゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層と、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層と、を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図９に示すゲート電極１６０及びゲート電極２６０のパターンを形成する。
図１０では、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層は、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層のエッチングストッパとして機能しており、当該導電層だけがエッチングされた状態を示す。ただし、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層と、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層と、を一括でエッチングしてもよい。
ここで、図９に示すように、ゲート電極１６０は酸化物半導体層１４０のチャネル幅（Ｗ長）方向（図９の紙面上下方向）のパターン端部を覆うように形成されている。換言すると、第１トランジスタ１００のゲート電極１６０は酸化物半導体層１４０のチャネルよりもＷ長方向に大きい。また、換言すると、側壁１３１において、ゲート電極１６０のＷ長は酸化物半導体層１４０のＷ長よりも長い。酸化物半導体層１４０のパターン端部は、酸化物半導体層１４０のエッチングの際に物性が変化してしまうことがある。図９のようなパターン形状にすることで、酸化物半導体層１４０のパターン端部がエッチングの影響で欠陥が多く発生している場合であっても、当該パターン端部における上記欠陥に起因したリークパスを抑制することができる。
図１１及び図１２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図１２に示すように、図１０に示す基板の全面に層間膜１７０及び層間膜２７０を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図１１に示す開口部１７１及び開口部２７１のパターンを形成する。ここで、開口部１７１ａは下部電極１２０を露出し、開口部１７１ｂは酸化物半導体層１４０を露出し、開口部１７１ｃはゲート電極１６０を露出する。また、開口部２７１ａは下部電極２２０を露出し、開口部２７１ｂは下部電極２２２を露出し、開口部２７１ｃはゲート電極２６０を露出する（図１１参照）。
ここで、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層、並びに、層間膜１７０及び層間膜２７０のエッチングレートと、これらの絶縁層の開口部で露出される下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、酸化物半導体層１４０、酸化物半導体層２４０、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０のエッチングレートとの高い選択比を確保することが好ましい。
そして、図１２に示す基板の全面に上部電極１８０及び上部電極２８０を含む導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図１及び図２に示すように上部電極１８０及び上部電極２８０のパターンを形成する。上記に示す製造工程によって、本発明の実施形態１に係る半導体装置１０を形成することができる。ここで、図２における側壁１３１に形成された酸化物半導体層１４０、及び下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０が第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００のチャネル領域の一部となる。
以上のように、本発明の実施形態１に係る半導体装置１０の製造方法によると、チャネル長がナノメートルオーダーの第１トランジスタ１００及びチャネル長がマイクロメートルオーダーの第２トランジスタ２００を同一工程で形成することができる。
〈実施形態１の変形例１〉
図１３及び図１４を用いて、本発明の実施形態１の変形例について説明する。実施形態１の変形例１に係る半導体装置１１は、実施形態１で説明した半導体装置１０と類似しているが、半導体装置１１が第２トランジスタ２００に加えて、絶縁層２３０の側壁２３１に設けられた第３トランジスタ３００を有している点において半導体装置１０と相違する。以下の説明において、半導体装置１０と同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
図１３及び図１４は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置１１の概要を示す平面図及び断面図である。半導体装置１１は、半導体装置１０における下部電極２２０の代わりに絶縁層２３０及び補助電極２９０が配置されている点において、図１及び図２に示す半導体装置１０と相違する。具体的に説明すると、半導体装置１１は第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００に加えて第３トランジスタ３００を有している。ただし、第２トランジスタ２００及び第３トランジスタ３００を併せて１つのトランジスタということもできる。
第３トランジスタ３００は、下地絶縁層１１０上に配置され、側壁２３１を有する絶縁層２３０と、絶縁層２３０の上方に配置された補助電極２９０と、補助電極２９０上及び側壁２３１上に配置された酸化物半導体層２４２と、を有する。酸化物半導体層２４２は、絶縁層２３０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０に接続されている。
補助電極２９０は絶縁層２３０の上方において、絶縁層２３０と酸化物半導体層２４２との間に配置されているということもできる。また、半導体装置１１は、酸化物半導体層２４２に対向して配置されたゲート電極２６２と、酸化物半導体層２４２とゲート電極２６２との間に配置されたゲート絶縁層２５２と、を有する。半導体装置１１では、上部電極２８０ａは開口部２７１ａを介して補助電極２９０に接続されている。上部電極２８０ｂは半導体装置１０と同様に開口部２７１ｂを介して下部電極２２２に接続されている。
ここで、酸化物半導体層２４２は酸化物半導体層２４０と連続しており、酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５２はゲート絶縁層２５０と連続しており、ゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６２はゲート電極２６０と連続しており、ゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４２は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５２は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６２は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
上記のように、半導体装置１１は、下地絶縁層１１０上に配置された酸化物半導体層２４０をチャネルとした第２トランジスタ２００と、側壁２３１上に配置された酸化物半導体層２４２をチャネルとした第３トランジスタ３００と、が直列に接続されている。図１３に示すように、第２トランジスタ２００はチャネル領域２４１がチャネルとして機能し、第３トランジスタ３００はチャネル領域２４３がチャネルとして機能する。なお、チャネル領域２４１は下地絶縁層１１０上に設けられた酸化物半導体層２４０に対応し、チャネル領域２４３は絶縁層２３０の側壁２３１に設けられた酸化物半導体層２４２に対応する。ここで、第２トランジスタ２００及び第３トランジスタ３００を併せて１つのトランジスタということもできる。
図１４では、第３トランジスタ３００のチャネル長は第１トランジスタ１００のチャネル長と等しい。ただし、例えば、絶縁層２３０の膜厚を絶縁層１３０の膜厚と異なるようにする、又は、側壁２３１の傾斜角を側壁１３１の傾斜角と異なるようにすることで、第３トランジスタ３００のチャネル長を第１トランジスタ１００のチャネル長と異なるようにしてもよい。
〈実施形態１の変形例２〉
図１５及び図１６を用いて、本発明の実施形態１の変形例２について説明する。実施形態１の変形例２に係る半導体装置１２は、実施形態１の変形例１で説明した半導体装置１１と類似しているが、半導体装置１２が第２トランジスタ２００及び第３トランジスタ３００に加えて、絶縁層２３４の側壁２３２に設けられた第４トランジスタ４００を有している点において半導体装置１１と相違する。以下の説明において、半導体装置１１と同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
図１５及び図１６は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置１２の概要を示す平面図及び断面図である。図１６に示すように、半導体装置１２は、半導体装置１１における下部電極２２２の代わりに絶縁層２３４及び補助電極２９４が配置されている点において、半導体装置１１と相違する。具体的に説明すると、半導体装置１２は、半導体装置１０の第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００に加えて第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００を有している。ただし、第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００を併せて１つのトランジスタということもできる。
第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００は、下地絶縁層１１０、絶縁層２３０、絶縁層２３４、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、ゲート絶縁層２５４、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、ゲート電極２６４、上部電極２８０ａ、２８０ｂ、補助電極２９０、及び補助電極２９４を有する。
絶縁層２３０は下地絶縁層１１０上に配置され、側壁２３１を有する。絶縁層２３４は下地絶縁層１１０上に配置され、側壁２３２を有する。酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は、それぞれ下地絶縁層１１０上、側壁２３１上、及び側壁２３２上に配置されている。ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４は、それぞれ酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５０は酸化物半導体層２４０とゲート電極２６０との間に配置され、ゲート絶縁層２５２は酸化物半導体層２４２とゲート電極２６２との間に配置され、ゲート絶縁層２５４は酸化物半導体層２４４とゲート電極２６４との間に配置されている。上部電極２８０ａは絶縁層２３０の上方に配置され、補助電極２９０を介して酸化物半導体層２４２に接続されている。上部電極２８０ｂは絶縁層２３４の上方に配置され、補助電極２９４を介して酸化物半導体層２４４に接続されている。
ここで、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は連続しており、これらを併せて１つの酸化物半導体層ということもできる。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４は連続しており、これらを併せて１つのゲート絶縁層ということもできる。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４は連続しており、これらを併せて１つのゲート電極ということもできる。
上記の構造を換言すると、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４はゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４はゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
酸化物半導体層２４２は補助電極２９０上にも延在している。換言すると、補助電極２９０は、絶縁層２３０と酸化物半導体層２４２との間に配置されている。酸化物半導体層２４４は補助電極２９４上にも延在している。換言すると、補助電極２９４は、絶縁層２３４と酸化物半導体層２４４との間に配置されている。また、上部電極２８０ａは開口部２７１ａを介して補助電極２９０に接触しており、上部電極２８０ｂは開口部２７１ａを介して補助電極２９４に接触している。
上記のように、半導体装置１２は、下地絶縁層１１０上に配置された酸化物半導体層２４０をチャネルとした第２トランジスタ２００と、側壁２３１上に配置された酸化物半導体層２４２をチャネルとした第３トランジスタ３００と、側壁２３２上に配置された酸化物半導体層２４４をチャネルとした第４トランジスタ４００と、が直列に接続されている。図１５に示すように、第２トランジスタ２００はチャネル領域２４１がチャネルとして機能し、第３トランジスタ３００はチャネル領域２４３がチャネルとして機能し、第４トランジスタ４００はチャネル領域２４５がチャネルとして機能する。なお、チャネル領域２４１は下地絶縁層１１０上に設けられた酸化物半導体層２４０に対応し、チャネル領域２４３は絶縁層２３０の側壁２３１に設けられた酸化物半導体層２４２に対応し、チャネル領域２４５は絶縁層２３４の側壁２３２に設けられた酸化物半導体層２４４に対応する。ここで、第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００を併せて１つのトランジスタということもできる。
第３トランジスタ３００のチャネル長は絶縁層２３０の膜厚及び側壁２３１の傾斜角度によって調整することができる。また、第４トランジスタ４００のチャネル長は絶縁層２３４の膜厚及び側壁２３２の傾斜角度によって調整することができる。絶縁層２３０及び絶縁層２３４の膜厚はナノメートルオーダーで制御可能であるため、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００のチャネル長はナノメートルオーダーで制御される。一方、第２トランジスタ２００のチャネル長はマイクロメートルオーダーで制御される。つまり、第２トランジスタ２００のチャネル長は、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長よりも長い。
図１６では、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長は第１トランジスタ１００のチャネル長と等しい。ただし、例えば、絶縁層２３０及び絶縁層２３４の各々の膜厚を絶縁層１３０の膜厚と異なるようにする、又は、側壁２３１及び側壁２３２の各々の傾斜角を側壁１３１の傾斜角と異なるようにすることで、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長を第１トランジスタ１００のチャネル長と異なるようにしてもよい。
以上のように、本発明の実施形態１の変形例に係る半導体装置においても、半導体装置１０と同様の効果を得ることができる。
〈実施形態２〉
図１７及び図１８を用いて、本発明の実施形態２に係る半導体装置２０の概要について説明する。実施形態２の半導体装置２０は、実施形態１と同様に表示装置や駆動回路に用いられる半導体装置である。また、実施形態２の半導体装置２０は、チャネルとして酸化物半導体を用いた構造を例示するが、この構造に限定されず、チャネルとしてシリコンなどの半導体やＧａ−Ａｓ等の化合物半導体、ペンタセン又はテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等の有機半導体を用いることもできる。ここで、実施形態２では半導体装置としてトランジスタを例示するが、これは本発明に係る半導体装置をトランジスタに限定するものではない。
［半導体装置２０の構造］
図１７及び図１８は、本発明の実施形態２に係る半導体装置の概要を示す平面図及び断面図である。図１７及び図１８に示すように、半導体装置２０は、基板１０５と、基板１０５上に配置された下地絶縁層１１０と、下地絶縁層１１０上に配置された第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００を有する。
第１トランジスタ１００は、下部電極１２０と、下部電極１２０上に配置され、下部電極１２０に達する開口部１３７ｄが設けられ、開口部１３７ｄを囲む側壁１３１を有する絶縁層１３０と、絶縁層１３０の上方に配置された補助電極１９０と、補助電極１９０上、下部電極１２０上、及び側壁１３１上に配置され、下部電極１２０に接続された酸化物半導体層１４０と、を有する。ここで、補助電極１９０は絶縁層１３０の上方において、絶縁層１３０と酸化物半導体層１４０との間に配置されているということもできる。
また、第１トランジスタ１００は、酸化物半導体層１４０に対向して配置されたゲート電極１６０と、酸化物半導体層１４０とゲート電極１６０との間に配置されたゲート絶縁層１５０と、を有する。さらに、第１トランジスタ１００は、ゲート電極１６０上に形成された層間膜１７０と、層間膜１７０に設けられた開口部１７１（１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃ）において、下部電極１２０、酸化物半導体層１４０、及びゲート電極１６０のそれぞれに接続された上部電極１８０（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）と、を有する。ここで、上部電極１８０ｂは絶縁層１３０の上方で酸化物半導体層１４０に接続されている。また、開口部１７１ａは開口部１３７ａ内部に設けられている。つまり、上部電極１８０ａは開口部１７１ａ及び開口部１３７ａを介して下部電極１２０に接続されている。
第２トランジスタ２００は、下部電極２２０、下部電極２２２、絶縁層２３０、絶縁層２３４、補助電極２９０、補助電極２９４、酸化物半導体層２４０、ゲート絶縁層２５０、及びゲート電極２６０を有する。下部電極２２０及び下部電極２２２は下部電極１２０と同一層に形成されており、下部電極２２２は下部電極２２０から離隔して配置されている。ここで、下部電極２２０と下部電極２２２とは平面視において離隔して配置されているということもできる。また、下部電極２２０と下部電極２２２とは異なるパターンで形成されているということもできる。
絶縁層２３０は下部電極２２０上に配置されている。下部電極２２０は絶縁層２３０のパターン端部から絶縁層２３０の外へ突出した突出部２２４を有している。また、絶縁層２３４は下部電極２２２上に配置されている。下部電極２２２は絶縁層２３４のパターン端部から絶縁層２３４の外へ突出した突出部２２６を有している。
絶縁層２３０及び絶縁層２３４には開口部２３７（２３７ａ、２３７ｂ、２３７ｄ）が設けられている。開口部２３７ａは下部電極２２０に達しており、開口部２３７ｂは下部電極２２２に達している。開口部２３７ｄは突出部２２４、突出部２２６、及び下部電極２２０と下部電極２２２との間の下地絶縁層１１０に達している。ここで、絶縁層１３０、絶縁層２３０、及び絶縁層２３４を併せて１つの絶縁層ということもできる。
補助電極２９０は絶縁層２３０上に配置されており、補助電極２９４は絶縁層２３４上に配置されている。補助電極２９０及び補助電極２９４は、酸化物半導体層２４０のパターンの下方に配置されており、それ以外の領域には配置されていない。つまり、補助電極２９０及び補助電極２９４は、絶縁層２３０及び絶縁層２３４と酸化物半導体層２４０との間に配置されている。
酸化物半導体層２４０は、開口部２３７ｄにおいて、下地絶縁層１１０、突出部２２４、突出部２２６、絶縁層２３０の側壁２３１、及び絶縁層２３４の側壁２３２に対応して配置されている。ここで、酸化物半導体層２４０は少なくとも下部電極２２０及び下部電極２２２に接続されていればよい。
ゲート電極２６０は酸化物半導体層２４０に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５０は酸化物半導体層２４０とゲート電極２６０との間に配置されている。
また、第２トランジスタ２００は、ゲート電極２６０上に形成された層間膜２７０と、層間膜２７０に設けられた開口部２７１（２７１ａ、２７１ｂ）において、下部電極２２０及び下部電極２２２のそれぞれに接続された上部電極２８０（２８０ａ、２８０ｂ）と、を有する。
ここで、酸化物半導体層２４０は酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５０はゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６０はゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４０は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５０は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６０は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
例えば、酸化物半導体層２４０は、酸化物半導体層１４０の同一層に対してさらに他の酸化物半導体層を積層することで形成されてもよい。つまり、酸化物半導体層２４０の積層数を酸化物半導体層１４０の積層数よりも多くしてもよい。逆に、酸化物半導体層２４０の積層数を酸化物半導体層１４０の積層数よりも少なくしてもよい。また、ゲート絶縁層２５０は、ゲート絶縁層１５０の同一層に対してさらに他の絶縁層を積層することで形成されてもよい。つまり、ゲート絶縁層２５０の積層数をゲート絶縁層１５０の積層数よりも多くしてもよい。逆に、ゲート絶縁層２５０の積層数をゲート絶縁層１５０の積層数よりも少なくしてもよい。
実施形態２に係る半導体装置２０において、実施形態１に係る半導体装置１０と同一の符号が付けられている部材については、半導体装置１０において列挙した材料と同様の材料を用いることができる。
また、半導体装置２０の第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００の動作は半導体装置１０の第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００の動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上のように、本発明の実施形態２に係る半導体装置２０によると、チャネル長をナノメートルオーダーで制御することができる第１トランジスタ１００と、チャネル長をマイクロメートルオーダーで制御することができる第２トランジスタ２００とを同一工程で形成することができる。つまり、同一の製造方法でナノメートルオーダーから数百マイクロメートルオーダーまでの広範囲のチャネル長を実現することができる。また、下部電極１２０及び下部電極２２０、下部電極２２２を露出する必要がある領域のみ絶縁層１３０、絶縁層２３０及び絶縁層２３４をエッチングして開口部を設ければ良いため、上記絶縁層のエッチング工程において、エッチング装置に対する負担を軽減することができる。
［半導体装置２０の製造方法］
図１９乃至図２８を用いて、本発明の実施形態２に係る半導体装置２０の製造方法について、平面図及び断面図を参照しながら説明する。図１９及び図２０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、下部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図２０に示すように、基板１０５上に下地絶縁層１１０と、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２を含む導電層と、を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図１９に示す下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２のパターンを形成する。ここで、下部電極１２０、下部電極２２０、及び下部電極２２２を含む導電層のエッチングは、当該導電層のエッチングレートと下地絶縁層１１０のエッチングレートとの選択比が大きい条件で処理することが好ましい。
図２１及び図２２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、絶縁層及び補助電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図２２に示すように、図２０に示す基板の全面に絶縁層１３０、絶縁層２３０、絶縁層２３４、及び導電層３９０を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図２１及び図２２に示す開口部１３７及び開口部２３７のパターンを形成する。ここで、絶縁層１３０は開口部１３７ｄにおいて側壁１３１を有し、絶縁層２３０は開口部２３７ｄにおいて側壁２３１を有し、絶縁層２３４は開口部２３７ｄにおいて側壁２３２を有している。ここで、説明の便宜上、絶縁層１３０、絶縁層２３０、及び絶縁層２３４に分けて説明したが、単に１つの絶縁層に側壁１３１、側壁２３１、及び側壁２３２が設けられている、ということもできる。
導電層３９０は後に補助電極１９０、補助電極２９０、及び補助電極２９４となる層である。絶縁層１３０、絶縁層２３０、絶縁層２３４、及び導電層３９０を一括でエッチングしてもよく、それぞれを別の工程でエッチングしてもよい。例えば、絶縁層１３０、絶縁層２３０、及び絶縁層２３４のパターンを形成した後に導電層３９０を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって導電層３９０のパターンを形成してもよい。
絶縁層１３０、絶縁層２３０、及び絶縁層２３４のエッチングは、少なくともこれらの絶縁層のエッチングレートと下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、及び下地絶縁層１１０のエッチングレートとの選択比が大きい条件で処理することが好ましい。ここで、絶縁層１３０及び下地絶縁層１１０が同じ材料で形成されるなど、絶縁層１３０、絶縁層２３０、及び絶縁層２３４と下地絶縁層１１０との高い選択比を確保することが困難な場合、下地絶縁層１１０上にエッチングストッパとなる層を配置してもよい。
図２３及び図２４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、酸化物半導体層を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図２４に示すように、図２２に示す基板の全面に酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を含む酸化物半導体層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図２３に示す酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０のパターンを形成する。
酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を含む酸化物半導体層はスパッタリング法を用いて成膜することができる。当該酸化物半導体層のエッチングはドライエッチングで行ってもよく、ウェットエッチングで行ってもよい。ウェットエッチングで酸化物半導体層１４０及び酸化物半導体層２４０を形成する場合、シュウ酸を含むエッチャントを用いることができる。
ここで、酸化物半導体層１４０が開口部１３７ｄの一側面にだけ形成された構成を例示したが、この構成に限定されず、例えば開口部１３７ｄのパターンを覆うような形状、つまり絶縁層１３０の全ての側壁１３１に酸化物半導体層１４０が形成された構成であってもよい。
図２５及び図２６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図２６に示すように、図２４に示す基板の全面にゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層と、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層と、を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図２５に示すゲート電極１６０及びゲート電極２６０のパターンを形成する。
図２６では、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層は、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層のエッチングストッパとして機能しており当該導電層だけがエッチングされた状態を示す。ただし、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層と、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０を含む導電層と、を一括でエッチングしてもよい。
図２７及び図２８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間膜及びゲート絶縁層に開口部を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図２８に示すように、図２６に示す基板の全面に層間膜１７０及び層間膜２７０を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図２７に示す開口部１７１及び開口部２７１のパターンを形成する。ここで、開口部１７１ａは下部電極１２０を露出し、開口部１７１ｂは酸化物半導体層１４０を露出し、開口部１７１ｃはゲート電極１６０を露出する。また、開口部２７１ａは下部電極２２０を露出し、開口部２７１ｂは下部電極２２２を露出し、開口部２７１ｃはゲート電極２６０を露出する（図２７参照）。
ここで、ゲート絶縁層１５０及びゲート絶縁層２５０を含む絶縁層、並びに、層間膜１７０及び層間膜２７０を含む絶縁層のエッチングレートと、これらの絶縁層の開口部で露出される下部電極１２０、下部電極２２０、下部電極２２２、酸化物半導体層１４０、酸化物半導体層２４０、ゲート電極１６０及びゲート電極２６０のエッチングレートとの高い選択比を確保することが好ましい。
そして、図２８に示す基板の全面に上部電極１８０及び上部電極２８０を含む導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図１７及び図１８に示すように上部電極１８０及び上部電極２８０のパターンを形成する。上記に示す製造工程によって、本発明の実施形態２に係る半導体装置２０を形成することができる。ここで、図１８における側壁１３１に形成された酸化物半導体層１４０及び下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０がそれぞれ第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００のチャネル領域の一部となる。
以上のように、本発明の実施形態２に係る半導体装置２０の製造方法によると、チャネル長がナノメートルオーダーの第１トランジスタ１００及びチャネル長がマイクロメートルオーダーの第２トランジスタ２００を同一工程で形成することができる。
〈実施形態２の変形例１〉
図２９及び図３０を用いて、本発明の実施形態２の変形例１について説明する。実施形態２の変形例１に係る半導体装置２１は、実施形態２で説明した半導体装置２０と類似しているが、半導体装置２１が第２トランジスタ２００に加えて、絶縁層２３０の側壁２３１に設けられた第３トランジスタ３００を有している点において半導体装置２０と相違する。以下の説明において、半導体装置２０と同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
図２９及び図３０は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置２１の概要を示す平面図及び断面図である。半導体装置２１では、半導体装置２０における開口部２３７ａが絶縁層２３０に設けられていない。したがって、上部電極２８０ａは絶縁層２３０の上方において補助電極２９０に接続されている。また、開口部２３７ｅが半導体装置２０の開口部２３７ｄに比べて広く設けられており、半導体装置２０における絶縁層２３４及び補助電極２９４が設けられていない。なお、図１８に示す半導体装置２０における下部電極２２０に対応する位置には、導電層２２１が設けられている。導電層２２１の電位は固定されておらず、フローティングである。
半導体装置２１は第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００に加えて第３トランジスタ３００を有している。第３トランジスタ３００は、下部電極２２０上に配置され、側壁２３１を有する絶縁層２３０と、絶縁層２３０の上方に配置された補助電極２９０と、補助電極２９０上及び側壁２３１に配置された酸化物半導体層２４２と、を有する。酸化物半導体層２４２は、下部電極２２０と下部電極２２２との間に配置された酸化物半導体層２４０に接続されている。ただし、第２トランジスタ２００及び第３トランジスタ３００を併せて１つのトランジスタということもできる。
補助電極２９０は絶縁層２３０の上方において、絶縁層２３０と酸化物半導体層２４２との間に配置されているということもできる。また、第３トランジスタ３００は、酸化物半導体層２４２に対向して配置されたゲート電極２６２と、酸化物半導体層２４２とゲート電極２６２との間に配置されたゲート絶縁層２５２と、を有する。半導体装置２１では、上部電極２８０ａは開口部２７１ａを介して補助電極２９０に接続されている。上部電極２８０ｂは開口部２７１ｂを介して下部電極２２２に接続されている。
ここで、酸化物半導体層２４２は酸化物半導体層２４０と連続しており、酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５２はゲート絶縁層２５０と連続しており、ゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６２はゲート電極２６０と連続しており、ゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４０及び酸化物半導体層２４２は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５０及びゲート絶縁層２５２は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６０及びゲート電極２６２は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
上記のように、半導体装置２１は、下地絶縁層１１０上に配置された酸化物半導体層２４０をチャネルとした第２トランジスタ２００と、側壁２３１上に配置された酸化物半導体層２４２をチャネルとした第３トランジスタ３００と、が直列に接続されている。図２９に示すように、第２トランジスタ２００はチャネル領域２４１がチャネルとして機能し、第３トランジスタ３００はチャネル領域２４３がチャネルとして機能する。
図３０では、第３トランジスタ３００のチャネル長は第１トランジスタ１００のチャネル長と等しい。ただし、例えば、絶縁層２３０の膜厚を絶縁層１３０の膜厚と異なるようにする、又は、側壁２３１の傾斜角を側壁１３１の傾斜角と異なるようにすることで、第３トランジスタ３００のチャネル長を第１トランジスタ１００のチャネル長と異なるようにしてもよい。
〈実施形態２の変形例２〉
図３１及び図３２を用いて、本発明の実施形態２の変形例２について説明する。実施形態２の変形例２に係る半導体装置２２は、実施形態２で説明した半導体装置２１と類似しているが、半導体装置２２が第２トランジスタ２００及び第３トランジスタ３００に加えて、絶縁層２３４の側壁２３２に設けられた第４トランジスタ４００を有している点において半導体装置２１と相違する。以下の説明において、半導体装置２１と同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
図３１及び図３２は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置２２の概要を示す平面図及び断面図である。半導体装置２２では、半導体装置２０における開口部２３７ａ及び開口部２３７ｂが絶縁層２３０及び絶縁層２３４に設けられていない。したがって、上部電極２８０ａは絶縁層２３０の上方において補助電極２９０に接続され、上部電極２８０ｂは絶縁層２３４の上方において補助電極２９４に接続されている。なお、図１８に示す半導体装置２０における下部電極２２０に対応する位置には導電層２２１が設けられ、下部電極２２２に対応する位置には導電層２２３が設けられている。導電層２２３の電位は固定されておらず、フローティングである。
図３２に示すように、半導体装置２２は、半導体装置２０の第１トランジスタ１００及び第２トランジスタ２００に加えて第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００を有している。ただし、第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００を併せて１つのトランジスタということもできる。
第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００は、下地絶縁層１１０、導電層２２１、導電層２２３、絶縁層２３０、絶縁層２３４、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、ゲート絶縁層２５４、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、ゲート電極２６４、上部電極２８０ａ、２８０ｂ、補助電極２９０、及び補助電極２９４を有する。
絶縁層２３０及び絶縁層２３４は、下地絶縁層１１０上に配置され、側壁２３１及び側壁２３２を有する。前述のように、絶縁層２３０及び絶縁層２３４を併せて１つの絶縁層ということもできる。導電層２２１は、下地絶縁層１１０と絶縁層２３０との間に配置され、導電層２２１の一部が側壁２３１の端部から絶縁層２３０の外部に突出している。導電層２２３は、下地絶縁層１１０と絶縁層２３４との間に配置され、導電層２２３の一部が側壁２３２の端部から絶縁層２３４の外部に突出している。
酸化物半導体層２４０は、導電層２２１と導電層２２３との間において、下地絶縁層１１０上に配置され、導電層２２１及び導電層２２３の各々に接続されている。ゲート電極２６０は、酸化物半導体層２４０に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５０は、酸化物半導体層２４０とゲート電極２６０との間に配置されている。
酸化物半導体層２４２は、側壁２３１上に配置され、酸化物半導体層２４２の一方が導電層２２１に接続されている。ゲート電極２６２は、酸化物半導体層２４２に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５２は、酸化物半導体層２４２とゲート電極２６２との間に配置されている。
酸化物半導体層２４４は、側壁２３２上に配置され、酸化物半導体層２４４の一方が導電層２２３に接続されている。ゲート電極２６４は、酸化物半導体層２４４に対向して配置されている。ゲート絶縁層２５４は、酸化物半導体層２４４とゲート電極２６４との間に配置されている。
ここで、補助電極２９０は絶縁層２３０の上方に配置され、補助電極２９４は絶縁層２３４の上方に配置されている。なお、酸化物半導体層２４２は、補助電極２９０上にも延在しており、補助電極２９０と上部電極２８０ａとの間に配置されている。また、酸化物半導体層２４４は、補助電極２９４上にも延在しており、補助電極２９４と上部電極２８０ｂとの間に配置されている。つまり、上部電極２８０ａは絶縁層２３０の上方に配置され、酸化物半導体層２４２の他方に接続されている。また、上部電極２８０ｂは絶縁層２３４の上方に配置され、酸化物半導体層２４４の他方に接続されている。
なお、図３２では、上部電極２８０ａが酸化物半導体層２４２に接触し、上部電極２８０ｂが酸化物半導体層２４４に接触した構造を例示したが、この構造に限定されない。例えば、開口部２７１ａの領域の酸化物半導体層２４２を除去することで、上部電極２８０ａが補助電極２９０に接触してもよい。また、同様に、開口部２７１ｂの領域の酸化物半導体層２４４を除去することで、上部電極２８０ｂが補助電極２９４に接触してもよい。
ここで、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は連続しており、これらを併せて１つの酸化物半導体層ということもできる。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４は連続しており、これらを併せて１つのゲート絶縁層ということもできる。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４は連続しており、これらを併せて１つのゲート電極ということもできる。ここで、説明の便宜上、絶縁層２３０及び絶縁層２３４に分けて説明したが、単に１つの絶縁層に設けられた開口部に側壁２３１及び側壁２３２が設けられている、ということもできる。
上記の構造を換言すると、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は酸化物半導体層１４０と同一層で形成されている。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４はゲート絶縁層１５０と同一層で形成されている。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４はゲート電極１６０と同一層で形成されている。ただし、上記の構造に限定されず、酸化物半導体層２４０、酸化物半導体層２４２、及び酸化物半導体層２４４は、少なくとも一部が酸化物半導体層１４０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート絶縁層２５０、ゲート絶縁層２５２、及びゲート絶縁層２５４は、少なくとも一部がゲート絶縁層１５０と同一層で形成されていてもよい。また、ゲート電極２６０、ゲート電極２６２、及びゲート電極２６４は、ゲート電極１６０とは異なる材質で形成されていてもよい。
上記のように、半導体装置２２は、下地絶縁層１１０上に配置された酸化物半導体層２４０をチャネルとした第２トランジスタ２００と、側壁２３１上に配置された酸化物半導体層２４２をチャネルとした第３トランジスタ３００と、側壁２３２上に配置された酸化物半導体層２４４をチャネルとした第４トランジスタ４００と、が直列に接続されている。図３１に示すように、第２トランジスタ２００はチャネル領域２４１がチャネルとして機能し、第３トランジスタ３００はチャネル領域２４３がチャネルとして機能し、第４トランジスタ４００はチャネル領域２４５がチャネルとして機能する。ここで、第２トランジスタ２００、第３トランジスタ３００、及び第４トランジスタ４００を併せて１つのトランジスタということもできる。
第３トランジスタ３００のチャネル長は絶縁層２３０の膜厚及び側壁２３１の傾斜角度によって調整することができる。また、第４トランジスタ４００のチャネル長は絶縁層２３４の膜厚及び側壁２３２の傾斜角度によって調整することができる。絶縁層２３０及び絶縁層２３４の膜厚はナノメートルオーダーで制御可能であるため、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００のチャネル長はナノメートルオーダーで制御される。一方、第２トランジスタ２００のチャネル長はマイクロメートルオーダーで制御される。つまり、第２トランジスタ２００のチャネル長は、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長よりも長い。
図３２では、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長は第１トランジスタ１００のチャネル長と等しい。ただし、例えば、絶縁層２３０及び絶縁層２３４の各々の膜厚を絶縁層１３０の膜厚と異なるようにする、又は、側壁２３１及び側壁２３２の各々の傾斜角を側壁１３１の傾斜角と異なるようにすることで、第３トランジスタ３００及び第４トランジスタ４００の各々のチャネル長を第１トランジスタ１００のチャネル長と異なるようにしてもよい。
以上のように、本発明の実施形態２の変形例に係る半導体装置においても、半導体装置２０と同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１０、１１、１２、２０、２１、２２：半導体装置、 １００：第１トランジスタ、 １０５：基板、 １１０：下地絶縁層、 １２０、２２０、２２２：下部電極、 １３０、１５０、２３０、２３４：絶縁層、 １３１、２３１、２３２：側壁、 １３２：ドレイン領域、 １３２：領域、 １３７、１７１、２３７、２７１：開口部、 １４０、２４０、２４２、２４４：酸化物半導体層、 １４１、２４１、２４３、２４５：チャネル領域、 １５０、２５０、２５２、２５４：ゲート絶縁層、 １６０、２６０、２６２、２６４：ゲート電極、 １７０、２７０：層間膜、 １８０、２８０：上部電極、 １９０、２９０、２９４：補助電極、 １９２：ソース領域、 ２００：第２トランジスタ、 ２２１、２２３、３９０：導電層、 ２２４、２２６：突出部、 ３００：第３トランジスタ、 ４００：第４トランジスタ

Claims (12)

  1. 下地絶縁体と、
    前記下地絶縁体上に配置され、第１側壁を有する第１絶縁層と、
    前記下地絶縁体上に配置され、第２側壁を有する第２絶縁層と、
    前記下地絶縁体上、前記第１側壁上、及び前記第２側壁上に配置された酸化物半導体層と、
    前記酸化物半導体層に対向して配置されたゲート電極と、
    前記酸化物半導体層と前記ゲート電極との間に配置されたゲート絶縁層と、
    前記第１絶縁層の上方に配置され、前記酸化物半導体層に接続された第１電極と、
    前記第２絶縁層の上方に配置され、前記酸化物半導体層に接続された第２電極と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１絶縁層上に配置され、前記酸化物半導体層及び前記第１電極に接続された第１補助電極と、
    前記第２絶縁層上に配置され、前記酸化物半導体層及び前記第２電極に接続された第２補助電極と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１補助電極は、前記第１絶縁層と前記酸化物半導体層との間に配置され、
    前記第２補助電極は、前記第２絶縁層と前記酸化物半導体層との間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１電極は、前記第１補助電極に接触し、
    前記第２電極は、前記第２補助電極に接触することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記下地絶縁体と前記酸化物半導体層とが接触する領域の第１チャネル長は、前記第１側壁と前記酸化物半導体層とが接触する領域の第２チャネル長、及び前記第２側壁と前記酸化物半導体層とが接触する領域の第３チャネル長の各々よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  6. 下地絶縁体と、
    前記下地絶縁体上に配置され、第１側壁及び第２側壁を有する絶縁層と、
    前記下地絶縁体と前記絶縁層との間に配置され、一部が前記第１側壁の端部から突出した第１導電層と、
    前記下地絶縁体と前記絶縁層との間に配置され、一部が前記第２側壁の端部から突出した第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間において、前記下地絶縁体上に配置され、前記第１導電層及び前記第２導電層の各々に接続された第１酸化物半導体層と、
    前記第１酸化物半導体層に対向して配置された第１ゲート電極と、
    前記第１酸化物半導体層と前記第１ゲート電極との間に配置された第１ゲート絶縁層と、
    前記第１側壁上に配置され、一方が前記第１導電層に接続された第２酸化物半導体層と、
    前記第２酸化物半導体層に対向して配置された第２ゲート電極と、
    前記第２酸化物半導体層と前記第２ゲート電極との間に配置された第２ゲート絶縁層と、
    前記第２側壁上に配置され、一方が前記第２導電層に接続された第３酸化物半導体層と、
    前記第３酸化物半導体層に対向して配置された第３ゲート電極と、
    前記第３酸化物半導体層と前記第３ゲート電極との間に配置された第３ゲート絶縁層と、
    前記第２酸化物半導体層の他方に接続された第１電極と、
    前記第３酸化物半導体層の他方に接続された第２電極と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  7. 前記第１酸化物半導体層、前記第２酸化物半導体層、及び前記第３酸化物半導体層は連続しており、
    前記第１ゲート電極、前記第２ゲート電極、及び前記第３ゲート電極は連続しており、
    前記第１ゲート絶縁層、前記第２ゲート絶縁層、及び前記第３ゲート絶縁層は連続していることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記第１電極及び前記第２電極は、いずれも前記絶縁層の上方に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  9. 前記絶縁層上に配置され、前記第２酸化物半導体層及び前記第１電極に接続された第１補助電極と、
    前記絶縁層上に配置され、前記第３酸化物半導体層及び前記第２電極に接続された第２補助電極と、
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記第２酸化物半導体層は、前記第１補助電極上にも延在しており、前記第１補助電極と前記第１電極との間に配置され、
    前記第３酸化物半導体層は、前記第２補助電極上にも延在しており、前記第２補助電極と前記第２電極との間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記下地絶縁体と前記第１酸化物半導体層とが接触する領域の第１チャネル長は、前記第１側壁と前記第２酸化物半導体層とが接触する領域の第２チャネル長、及び前記第２側壁と前記第３酸化物半導体層とが接触する領域の第３チャネル長の各々よりも長いことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  12. 前記第１導電層及び前記第２導電層は、いずれも電位がフローティングであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
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