JP2017168760A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。【解決手段】半導体装置は、第1電極と、第1電極上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第2電極と、第2電極上の第2絶縁層と、第1電極に達するように第1絶縁層、第2電極、及び第2絶縁層に設けられた第1開口部の内部に配置され、第1電極及び第2電極に接続された第1酸化物半導体層と、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ゲート絶縁層と、を有する。【選択図】図50
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。特に、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半導体装置を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になる。また、500℃以上の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、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400℃以下の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。
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に示す半導体装置では、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。
本発明は、上記実情に鑑み、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を目的とする。または、チャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる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、第1電極と、第1電極上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第2電極と、第2電極上の第2絶縁層と、第1電極に達するように第1絶縁層、第2電極、及び第2絶縁層に設けられた第1開口部の内部に配置され、第1電極及び第2電極に接続された第1酸化物半導体層と、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ゲート絶縁層と、を有する。
本発明の一実施形態による半導体装置は、第1電極と、第1電極上において、第1側壁を有する第1絶縁層と、第1絶縁層上において、第2側壁を有する第2電極と、第2電極上の第2絶縁層と、第1側壁上、第2側壁上、及び第2絶縁層の上面に配置され、第1電極及び第2電極に接続された第1酸化物半導体層と、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ゲート絶縁層と、を有する。
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。
以下の実施形態において半導体装置の概要について説明する。以下の実施形態に示す半導体装置は、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、以下の実施形態における半導体装置では、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。また、以下の実施形態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。
〈実施形態1〉
図1〜図12を用いて、本発明の実施形態1に係る半導体装置10の概要について説明する。
図1〜図12を用いて、本発明の実施形態1に係る半導体装置10の概要について説明する。
[半導体装置10の構造]
図1及び図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平面図及び断面図である。図1及び図2に示すように、半導体装置10は、基板100、下地絶縁層110、下部電極120、絶縁層130、上部電極140、酸化物半導体層160、ゲート絶縁層170、ゲート電極180、ソース配線190、及びドレイン配線192を有する。開口部139は絶縁層130及び上部電極140に設けられており、下部電極120に達している。開口部135は絶縁層130及びゲート絶縁層170に設けられており、下部電極120に達している。開口部177はゲート絶縁層170に設けられており、上部電極140に達している。
図1及び図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平面図及び断面図である。図1及び図2に示すように、半導体装置10は、基板100、下地絶縁層110、下部電極120、絶縁層130、上部電極140、酸化物半導体層160、ゲート絶縁層170、ゲート電極180、ソース配線190、及びドレイン配線192を有する。開口部139は絶縁層130及び上部電極140に設けられており、下部電極120に達している。開口部135は絶縁層130及びゲート絶縁層170に設けられており、下部電極120に達している。開口部177はゲート絶縁層170に設けられており、上部電極140に達している。
下地絶縁層110は基板100上に配置されている。下部電極120は下地絶縁層110上に配置されている。絶縁層130は下部電極120上及び下地絶縁層110上に配置されている。上部電極140は絶縁層130上に配置されている。開口部139において、絶縁層130には絶縁層側壁132が設けられており、上部電極140には電極側壁142が設けられている。酸化物半導体層160は開口部139の内部に配置され、下部電極120及び上部電極140の各々に接続されている。より詳細に説明すると、酸化物半導体層160は下部電極120上、絶縁層側壁132上、及び電極側壁142上に配置されており、開口部139において露出された下部電極120の上面において下部電極120に接続され、開口部139内部の電極側壁142及び上部電極140の上面において上部電極140に接続されている。図2では、酸化物半導体層160は電極側壁142から上部電極140の上面まで連続して延びている。
図1に示すように、開口部139は絶縁層130を四角形に開口している。絶縁層側壁132は開口部139の内壁に相当し、開口部139の形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。この絶縁層側壁132の形状を環状又はリング状ということもできる。絶縁層側壁132と同様に、電極側壁142も開口部139の形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。なお、図1では、開口部139の平面形状が四角形である構成を例示したが、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。
ゲート電極180は酸化物半導体層160に対向して配置されている。ゲート絶縁層170は酸化物半導体層160とゲート電極180との間に配置されている。詳しくは後述するが、半導体装置10において、絶縁層側壁132上に配置された酸化物半導体層160がチャネルとして機能するため、ゲート電極180は少なくとも絶縁層側壁132上に配置された酸化物半導体層160に対向して配置されている。
ソース配線190は開口部135を介して下部電極120に接続されている。ドレイン配線192は開口部177を介して上部電極140に接続されている。なお、ソース配線190及びドレイン配線192は機能が逆であってもよい。つまり、配線190がドレイン配線として機能し、配線192がソース配線として機能してもよい。
[絶縁層側壁132及び電極側壁142の形状]
ここで、絶縁層側壁132及び電極側壁142の形状について詳細に説明する。図2に示すように、絶縁層側壁132及び電極側壁142はともに傾斜面が上方を向くテーパ形状である。当該テーパ形状を順テーパ形状という。また、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は連続している。ただし、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は必ずしも連続している必要はなく、上部電極140の開口径が絶縁層130の開口径よりも大きく、絶縁層130の上面が上部電極140から露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は異なる傾斜角であってもよい。
ここで、絶縁層側壁132及び電極側壁142の形状について詳細に説明する。図2に示すように、絶縁層側壁132及び電極側壁142はともに傾斜面が上方を向くテーパ形状である。当該テーパ形状を順テーパ形状という。また、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は連続している。ただし、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は必ずしも連続している必要はなく、上部電極140の開口径が絶縁層130の開口径よりも大きく、絶縁層130の上面が上部電極140から露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132のテーパ形状及び電極側壁142のテーパ形状は異なる傾斜角であってもよい。
また、図2では、絶縁層側壁132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ない。例えば、絶縁層側壁132の断面形状が上方に向かって凸形状の順テーパ形状であってもよく、逆に上方に向かって凹形状の順テーパ形状であってもよい。また、絶縁層側壁132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。なお、電極側壁142についても上記と同様の形状を有することができる。絶縁層側壁132及び電極側壁142は同様の形状であってもよく、異なる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。絶縁層130が積層の場合、異なる層によって絶縁層側壁132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、絶縁層側壁132の場所によって物性が異なる酸化物半導体層160が形成されるようにしてもよい。つまり、半導体装置10は、特性が異なる酸化物半導体層160が直列に接続されたチャネルを有していてもよい。
[半導体装置10の各部材の材質]
基板100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、遮光性を有する基板を使用することができる。
基板100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、遮光性を有する基板を使用することができる。
下地絶縁層110としては、基板100からの不純物が酸化物半導体層160に拡散することを抑制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。なお、基板100として絶縁性の基板を用いた場合、下地絶縁層110を省略することができる。
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、めっき法、及び分子線エピタキシー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。
また、下地絶縁層110として、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。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。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。下地絶縁層110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。
下部電極120及び上部電極140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、下部電極120及び上部電極140として、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して耐熱性を有し、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160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160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、TEOS層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。また、下地絶縁層110と同様の方法で形成することができる。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。
酸化物半導体層160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、本発明に使用される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160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160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170は、下地絶縁層110及び絶縁層130と同様に、SiOx、SiNx、SiOxNy、SiNxOy、AlOx、AlNx、AlOxNy、AlNxOy、TEOS層などの無機絶縁材料を用いることができる。また、下地絶縁層110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170はこれらの絶縁層を積層した構造を用いることができる。ゲート絶縁層170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180は、下部電極120と同様の材料を用いることができる。ゲート電極180は下部電極120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180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して耐熱性を有し、ゲート電極180に印加される電圧が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。
ソース配線190及びドレイン配線192は、ゲート電極180と同一層で形成されている。つまり、ソース配線190及びドレイン配線192は、ゲート電極180と同じ材料であり、同じ絶縁層上に配置されている。ただし、ソース配線190及びドレイン配線192は、ゲート電極180とは異なる層で形成されてもよい。その場合、ソース配線190及びドレイン配線192としては、下部電極120及び上部電極140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、ソース配線190及びドレイン配線192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。
ソース配線190及びドレイン配線192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して耐熱性を有し、下部電極120及び上部電極140との接触抵抗が低い材料を使用することが好ましい。
[半導体装置10の動作]
図1及び図2に示す半導体装置10の動作について説明する。半導体装置10は酸化物半導体層160をチャネルとするトランジスタである。半導体装置10では、ソース電極として機能する下部電極120とドレイン電極として機能する上部電極140とが異なる層に形成されており、各々がゲート電極180と同一層のソース配線190及びドレイン配線192に接続されている。つまり、半導体装置10を介して異なる層の導電層が接続されている。
図1及び図2に示す半導体装置10の動作について説明する。半導体装置10は酸化物半導体層160をチャネルとするトランジスタである。半導体装置10では、ソース電極として機能する下部電極120とドレイン電極として機能する上部電極140とが異なる層に形成されており、各々がゲート電極180と同一層のソース配線190及びドレイン配線192に接続されている。つまり、半導体装置10を介して異なる層の導電層が接続されている。
半導体装置10において、ゲート電極180にゲート電圧が印加され、下部電極120に接続されたソース配線190にソース電圧が印加され、上部電極140に接続されたドレイン配線192にドレイン電圧が印加される。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180にゲート電圧が印加されると、ゲート絶縁層170を介してゲート電極180に対向する酸化物半導体層160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160にキャリアが生成される。上記のように酸化物半導体層160にキャリアが生成された状態で、下部電極120と上部電極140との間に電位差が生じると、酸化物半導体層160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120から上部電極140へと電子が移動する。
ここで、電子はソース領域124で下部電極120から酸化物半導体層160に供給され、ドレイン領域144で酸化物半導体層160から上部電極140に取り出される。つまり、半導体装置10において、絶縁層側壁132上に配置された酸化物半導体層160がチャネルとして機能する。したがって、半導体装置10のチャネル長は絶縁層130の膜厚及び絶縁層側壁132のテーパ角によって決まる。
図1において、酸化物半導体層160におけるチャネル領域169がチャネルとして機能する領域である。チャネル領域169は開口部139の平面形状と同様の四角形の閉じた形状を有している。このように、閉じた形状のチャネル領域169を「サラウンド型」という。ここで、酸化物半導体層160のパターン端部は、酸化物半導体層160のエッチングの際に物性が変化してしまうことがある。物性が変化した領域は、半導体装置10をオフ状態にしても電流が流れてしまうリークパスの原因となりうる。チャネル領域169をサラウンド型にすることで、チャネル領域169に酸化物半導体層160のパターン端部が含まれない半導体装置を実現することができる。つまり、チャネル領域169を「サラウンド型」にすることで、半導体装置10のリークパスを抑制することができる。
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、絶縁層130の膜厚、絶縁層側壁132のテーパ角、又は絶縁層130の膜厚及び絶縁層側壁132のテーパ角の両方を制御することによって、半導体装置10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、半導体装置10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。このようにして、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10を実現することが可能となる。その結果、半導体装置10のオン電流を向上させることができる。
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に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、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。
また、半導体装置10では、酸化物半導体層160のチャネル領域は、上方がゲート電極180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180及び下部電極120に遮光性を有する金属を用いることで、外部からの光が酸化物半導体層160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〜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〜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100上に下地絶縁層110及び下部電極120となる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図3に示す下部電極120のパターンを形成する。ここで、下部電極120のエッチングは、下部電極120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。そして、パターニングされた下部電極120上に絶縁層130を形成する。
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、上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6に示すように、図4に示す基板の全面に上部電極140となる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図5に示す上部電極140のパターンを形成する。ここで、上部電極140のエッチングは、少なくとも上部電極140のエッチングレートと絶縁層130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、上部電極及び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8に示すように、図6に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、上部電極140及び絶縁層130を開口し下部電極120を露出する開口部139を形成する。このエッチングによって、図7に示す開口部139のパターンを形成する。開口部139の形成によって、絶縁層130の絶縁層側壁132及び上部電極140の電極側壁142が形成される。ここで、開口部139の形成は、上部電極140及び絶縁層130を同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、上部電極140のエッチング条件と、絶縁層130のエッチング条件とを異なるエッチング条件で処理してもよい。また、図7では、開口部139は四角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、絶縁層側壁132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。絶縁層側壁132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、絶縁層130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、絶縁層側壁132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、絶縁層側壁132は垂直となる。一方、絶縁層130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、絶縁層側壁132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。電極側壁142のテーパ形状も上記と同様の方法で制御することができる。
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、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10に示すように、図8に示す基板の全面に酸化物半導体層160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9に示す酸化物半導体層160のパターンを形成する。
酸化物半導体層160はスパッタリング法を用いて成膜することができる。酸化物半導体層160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160をエッチングする場合、シュウ酸を含むエッチャントを用いることができる。
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、下部電極及び上部電極の各々に達する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ゲート絶縁層170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11に示す開口部135、177のパターンを形成する。この工程におけるエッチング条件は、絶縁層130及びゲート絶縁層170のエッチングレートと下部電極120及び上部電極140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。つまり、開口部135、177を形成するエッチングにおいて、下部電極120及び上部電極140はエッチングストッパとして機能する。
そして、図12に示す基板の全面にゲート電極180、ソース配線190、及びドレイン配線192となる導電層を成膜し、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に示すようにゲート電極180、ソース配線190、及びドレイン配線192のパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、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。
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、絶縁層130の膜厚、絶縁層側壁132のテーパ角、又は絶縁層130の膜厚及び絶縁層側壁132のテーパ角の両方をナノメートルオーダーで制御することができる。したがって、半導体装置10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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。
〈実施形態2〉
図13〜図16を用いて、本発明の実施形態2に係る半導体装置10Aの概要について説明する。半導体装置10Aの構造及び各部材の材質は実施形態1の半導体装置10と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Aは半導体装置10とは製造方法が異なるため、実施形態2では半導体装置10Aの製造方法についてのみ説明する。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(数字)の後にアルファベットを付与し、詳細な説明は省略する。
図13〜図16を用いて、本発明の実施形態2に係る半導体装置10Aの概要について説明する。半導体装置10Aの構造及び各部材の材質は実施形態1の半導体装置10と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Aは半導体装置10とは製造方法が異なるため、実施形態2では半導体装置10Aの製造方法についてのみ説明する。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(数字)の後にアルファベットを付与し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Aの製造方法]
図13〜図16を用いて、本発明の実施形態2に係る半導体装置10A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13〜図16を用いて、本発明の実施形態2に係る半導体装置10A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13及び図14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、上部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。実施形態1の図3及び図4に示した製造方法と同様の方法で下部電極120A及び絶縁層130Aが形成された基板の全面に上部電極140Aとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図13に示すように、電極側壁142Aを有する上部電極140Aのパターンを形成する。上部電極140Aのパターン形成によって、上部電極140Aには閉じた形状の電極側壁142Aが形成される。
図15及び図16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16に示すように、図14に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部139Aを形成する。ここでは、上部電極140Aをマスクとして電極側壁142Aによって囲まれた領域の絶縁層130Aをエッチングすることで開口部139Aを形成する。このとき、上部電極140Aから露出された絶縁層130Aのうち、エッチングしない領域の絶縁層130Aを覆うようにレジストを形成してエッチングを行う。
上記のように、実施形態2では、上部電極140をマスクとして絶縁層130をエッチングすることで、実施形態1の図8と同じ構造を得ることができる。以降の工程は、実施形態1の図9〜図12と同様の製造方法で形成することができるため、ここでは説明を省略する。
ここで、絶縁層130Aの詳細なエッチング条件について説明する。当該エッチングはフッ素を含むガスを用いて行われる。例えば、東京エレクトロン社製の平行平板型のドライエッチング装置を用いて、以下の条件でエッチングする。
・エッチングガス:CF4/CHF3/Ar=60/20/300sccm
・エッチング圧力:2.0Torr
・エッチングパワー:200W
・電極間距離:10mm
・上部電極温度:25℃
・下部電極温度:5℃
・エッチングガス:CF4/CHF3/Ar=60/20/300sccm
・エッチング圧力:2.0Torr
・エッチングパワー:200W
・電極間距離:10mm
・上部電極温度:25℃
・下部電極温度:5℃
上記のエッチング条件によるエッチングレートはSiO2=110nm/min、SiN=130nm/minである。一方、Ti、MoW、およびAlはエッチングされない。つまり、上記のエッチング条件を用いることで、金属をほとんどエッチングせず絶縁層を選択的にエッチングすることができる。このエッチング条件によると、絶縁層130Aにテーパ形状の開口部139Aを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態2に係る半導体装置10Aの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態3〉
図17〜図26を用いて、本発明の実施形態3に係る半導体装置10Bの概要について説明する。半導体装置10Bは、図1及び図2に示す半導体装置10と類似しているが、開口部135Bの形状において半導体装置10とは相違する。以下の説明では、半導体装置10と共通する半導体装置10Bの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、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(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図17〜図26を用いて、本発明の実施形態3に係る半導体装置10Bの概要について説明する。半導体装置10Bは、図1及び図2に示す半導体装置10と類似しているが、開口部135Bの形状において半導体装置10とは相違する。以下の説明では、半導体装置10と共通する半導体装置10Bの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、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(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Bの構造]
図17及び図18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10Bの絶縁層130B及びゲート絶縁層170Bに設けられた開口部135Bは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Bにおいて、ゲート絶縁層170Bの開口径は絶縁層130Bの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Bにおけるゲート絶縁層170Bの側壁175Bは絶縁層130Bの上面に位置しており、絶縁層130Bの上面から上方に向かって延びている。開口部135Bの形状は半導体装置10Bの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層130Bの開口工程とゲート絶縁層170Bの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135Bのような形状になる。
図17及び図18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10Bの絶縁層130B及びゲート絶縁層170Bに設けられた開口部135Bは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Bにおいて、ゲート絶縁層170Bの開口径は絶縁層130Bの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Bにおけるゲート絶縁層170Bの側壁175Bは絶縁層130Bの上面に位置しており、絶縁層130Bの上面から上方に向かって延びている。開口部135Bの形状は半導体装置10Bの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層130Bの開口工程とゲート絶縁層170Bの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135Bのような形状になる。
[半導体装置10Bの製造方法]
図19〜図26を用いて、本発明の実施形態3に係る半導体装置10B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〜図26を用いて、本発明の実施形態3に係る半導体装置10B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、上部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。実施形態1の図3及び図4に示した製造方法と同様の方法で下部電極120B及び絶縁層130Bが形成された基板の全面に上部電極140Bとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図19に示すように、電極側壁142Bを有する上部電極140Bのパターンを形成する。
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22に示すように、図20に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層130Bに対応する開口部135B、139Bを形成する。実施形態2の方法と同様に、上部電極140Bをマスクとして電極側壁142Bによって囲まれた領域の絶縁層130Bをエッチングすることで、開口部139Bを形成する。また、上部電極140Bから露出された絶縁層130Bのうち、開口部135Bに対応する領域が開口されたレジストを形成してエッチングを行うことで、開口部139Bと同じ工程で開口部135Bを形成する。
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160B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160Bのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Bは開口部139Bの内部に配置され、開口部135Bの酸化物半導体層160Bはエッチングされる。酸化物半導体層160Bの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
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、下部電極及び上部電極の各々に達する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26に示すように、図24に示す基板の全面にゲート絶縁層170B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に示すように、開口部135B、177Bに対応する領域のゲート絶縁層170Bを開口する。このエッチングによって、開口部135Bにおいて下部電極120Bを露出させ、開口部177Bにおいて上部電極140Bを露出させる。
図26では、ゲート絶縁層170Bのエッチングが絶縁層130Bとゲート絶縁層170Bとの界面で止まっている状態を図示したが、ゲート絶縁層170Bから露出された絶縁層130Bの一部がオーバーエッチングされていてもよい。絶縁層130B及びゲート絶縁層170Bは同様の材料で形成されることが多く、ゲート絶縁層170Bのエッチングを絶縁層130Bとゲート絶縁層170Bとの界面で止めることは難しい場合があり、絶縁層130Bの一部がオーバーエッチングされることがある。この工程におけるエッチング条件は、ゲート絶縁層170Bのエッチングレートと下部電極120B及び上部電極140B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。つまり、開口部135B、177Bを形成するエッチングにおいて、下部電極120B及び上部電極140Bはエッチングストッパとして機能する。
そして、図26に示す基板の全面にゲート電極180B、ソース配線190B、及びドレイン配線192Bとなる導電層を成膜し、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に示すようにゲート電極180B、ソース配線190B、及びドレイン配線192Bのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態3に係る半導体装置10Bを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態3に係る半導体装置10Bの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態4〉
図27〜図38を用いて、本発明の実施形態4に係る半導体装置10Cの概要について説明する。半導体装置10Cは、短チャネル長の第1トランジスタ20C及び長チャネル長の第2トランジスタ30Cを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Cは、図1及び図2に示す実施形態1の半導体装置10と同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Cの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Cについて説明する。なお、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(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図27〜図38を用いて、本発明の実施形態4に係る半導体装置10Cの概要について説明する。半導体装置10Cは、短チャネル長の第1トランジスタ20C及び長チャネル長の第2トランジスタ30Cを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Cは、図1及び図2に示す実施形態1の半導体装置10と同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Cの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Cについて説明する。なお、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(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30Cの構造]
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概要を示す平面図及び断面図である。図27及び図28に示すように、第2トランジスタ30Cは、基板100C、下地絶縁層110C、下部電極220C、バックゲート222C、絶縁層230C、上部電極240C、酸化物半導体層260C、ゲート絶縁層270C、ゲート電極280C、ソース配線290C、及びドレイン配線292Cを有する。基板100C及び下地絶縁層110Cは、第1トランジスタ20C及び第2トランジスタ30Cで共通であり、第1トランジスタ20Cから第2トランジスタ30Cまで連続して延びている。開口部235Cは絶縁層230C及びゲート絶縁層270Cに設けられており、下部電極220Cに達している。開口部239Cは絶縁層230Cに設けられており、下部電極220Cに達している。開口部277Cはゲート絶縁層270Cに設けられており、上部電極240Cに達している。
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概要を示す平面図及び断面図である。図27及び図28に示すように、第2トランジスタ30Cは、基板100C、下地絶縁層110C、下部電極220C、バックゲート222C、絶縁層230C、上部電極240C、酸化物半導体層260C、ゲート絶縁層270C、ゲート電極280C、ソース配線290C、及びドレイン配線292Cを有する。基板100C及び下地絶縁層110Cは、第1トランジスタ20C及び第2トランジスタ30Cで共通であり、第1トランジスタ20Cから第2トランジスタ30Cまで連続して延びている。開口部235Cは絶縁層230C及びゲート絶縁層270Cに設けられており、下部電極220Cに達している。開口部239Cは絶縁層230Cに設けられており、下部電極220Cに達している。開口部277Cはゲート絶縁層270Cに設けられており、上部電極240Cに達している。
下部電極220C及びバックゲート222Cは下地絶縁層110C上に配置されている。絶縁層230Cは下部電極220C上、バックゲート222C上、及び下地絶縁層110C上に配置されている。上部電極240Cは絶縁層230C上に配置されており、平面視において下部電極220Cから離隔して配置されている。酸化物半導体層260Cは、下部電極220Cと上部電極240Cとの間の領域において、絶縁層230C上に配置されている。また、酸化物半導体層260Cは開口部239Cを介して下部電極220Cに接続され、上部電極240Cに乗り上げるようにして、上部電極240Cの側面及び上面で上部電極240Cに接続されている。ここで、バックゲート222Cは絶縁層230Cを介して酸化物半導体層260Cと対向している。
ゲート電極280Cは、下部電極220Cと上部電極240Cとの間の領域において、酸化物半導体層260Cに対向して配置されている。ゲート絶縁層270Cは酸化物半導体層260Cとゲート電極280Cとの間に配置されている。詳しくは後述するが、第2トランジスタ30Cにおいて、下部電極220Cと上部電極240Cとの間の領域の酸化物半導体層260Cがチャネルとして機能する。なお、図27及び図28では、平面視においてバックゲート222Cとは重畳しない位置に上部電極240Cが形成された構成を例示したが、平面視においてバックゲート222C及び上部電極240Cが重畳していてもよい。また、図27及び図28では、酸化物半導体層260Cと基板100Cとの間にバックゲート222Cが配置された構造を例示したが、バックゲート222Cが省略されていてもよい。
ソース配線290Cは開口部235Cを介して下部電極220Cに接続されている。ドレイン配線292Cは開口部277Cを介して上部電極240Cに接続されている。なお、ソース配線290C及びドレイン配線292Cは機能が逆であってもよい。つまり、配線290Cがドレイン配線として機能し、配線292Cがソース配線として機能してもよい。
ここで、第1トランジスタ20C及び第2トランジスタ30Cの各層の関係について説明する。下部電極220C及びバックゲート222Cは下部電極120Cと同一層であり、いずれも下地絶縁層110Cと接して配置されている。絶縁層230Cは絶縁層130Cと同一層であり、絶縁層230Cは絶縁層130Cと連続している。同様に、上部電極140C及び上部電極240C、酸化物半導体層160C及び酸化物半導体層260C、ゲート絶縁層170C及びゲート絶縁層270C、ゲート電極180C及びゲート電極280C、ソース配線190C及びソース配線290C、並びにドレイン配線192C及びドレイン配線292Cはそれぞれ同一層である。
ただし、上記の構造に限定されない。例えば、ゲート絶縁層について説明すると、ゲート絶縁層170C及びゲート絶縁層270Cが完全に同一な層である必要はなく、ゲート絶縁層170Cの一部がゲート絶縁層270Cと同一層で形成されていてもよい。例えば、ゲート絶縁層270Cは、ゲート絶縁層170Cの同一層に対してさらに他の絶縁層が積層された構造であってもよい。つまり、ゲート絶縁層270Cの膜厚をゲート絶縁層170Cの膜厚よりも厚膜にしてもよい。逆に、ゲート絶縁層270Cの膜厚をゲート絶縁層170Cの膜厚よりも薄膜にしてもよい。
ここでは、ゲート絶縁層170C及びゲート絶縁層270Cを例に挙げて説明したが、下部電極120C、220C、絶縁層130C、230C、上部電極140C、240C、酸化物半導体層160C、260C、ゲート電極180C、280C、ソース配線190C、290C、ドレイン配線192C、292Cについても同様である。
[第2トランジスタ30Cの動作]
図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作について説明する。第2トランジスタ30Cは酸化物半導体層260C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30Cでは、ソース電極として機能する下部電極220Cとドレイン電極として機能する上部電極240Cとが異なる層に形成されており、各々がゲート電極280Cと同一層のソース配線290C及びドレイン配線292Cに接続されている。つまり、第2トランジスタ30Cを介して異なる層の導電層が接続されている。
図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作について説明する。第2トランジスタ30Cは酸化物半導体層260C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30Cでは、ソース電極として機能する下部電極220Cとドレイン電極として機能する上部電極240Cとが異なる層に形成されており、各々がゲート電極280Cと同一層のソース配線290C及びドレイン配線292Cに接続されている。つまり、第2トランジスタ30Cを介して異なる層の導電層が接続されている。
第2トランジスタ30Cにおいて、ゲート電極280Cにはゲート電圧が印加され、下部電極220Cに接続されたソース配線290Cにソース電圧が印加され、上部電極240Cに接続されたドレイン配線292Cにドレイン電圧が印加される。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。なお、バックゲート222Cにはゲート電極280Cと同じゲート電圧が印加される。ただし、バックゲート222Cに上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30Cのしきい値(Vth)を制御してもよい。
ゲート電極280Cにゲート電圧が印加されると、ゲート絶縁層270Cを介してゲート電極280Cに対向する酸化物半導体層260C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260Cにキャリアが生成される。上記のように酸化物半導体層260Cにキャリアが生成された状態で、下部電極220Cと上部電極240Cとの間に電位差が生じると、酸化物半導体層260C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220Cから上部電極240Cへと電子が移動する。
ここで、電子はソース領域228Cで下部電極220Cから酸化物半導体層260Cに供給され、ドレイン領域244Cで酸化物半導体層260Cから上部電極240Cに取り出される。つまり、第2トランジスタ30Cにおいて、下部電極220Cと上部電極240Cとの間の領域の酸化物半導体層260Cがチャネルとして機能する。したがって、第2トランジスタ30Cのチャネル長は下部電極220C及び上部電極240Cのパターニング精度によって決まる。なお、図27において、酸化物半導体層260Cにおけるチャネル領域269Cがチャネルとして機能する領域である。
実施形態2で説明したように、第1トランジスタ20Cのチャネル長は絶縁層130Cの膜厚及び絶縁層側壁132Cの傾斜角度によって調整することができる。したがって、第1トランジスタ20C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、第1トランジスタ20C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30Cのチャネル長は下部電極220Cと上部電極240Cとの間隔によって調整することができる。下部電極220Cと上部電極240Cとの間隔はフォトリソグラフィ及びエッチングによって制御される。フォトリソグラフィ及びエッチングによるパターニング精度はマイクロメートルオーダーで制御されるため、第2トランジスタ30C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30C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10Cにおいて、第2トランジスタ30Cのチャネル長は第1トランジスタ20Cのチャネル長よりも長くすることができる。
以上のように、本発明の実施形態4に係る半導体装置10C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20C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30Cを同一工程で形成することができる。
[第2トランジスタ30Cの製造方法]
図29〜図38を用いて、本発明の実施形態4に係る半導体装置10Cの第2トランジスタ30C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。なお、第1トランジスタ20Cの製造方法は実施形態2の半導体装置10Aの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図29〜図38を用いて、本発明の実施形態4に係る半導体装置10Cの第2トランジスタ30C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。なお、第1トランジスタ20Cの製造方法は実施形態2の半導体装置10Aの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図29及び図30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、下部電極及びバックゲートを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図30に示すように、基板100C上に下地絶縁層110Cを形成し、その上に下部電極220C及びバックゲート222Cとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図29に示す下部電極220C及びバックゲート222Cのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220C上及びバックゲート222C上に絶縁層230Cを形成する。ここで、下部電極220C及びバックゲート222Cのエッチングは、下部電極120Cと同様の条件で処理する。
図31及び図32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、上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32に示すように、図30に示す基板の全面に上部電極240Cとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図31に示す上部電極240Cのパターンを形成する。ここで、上部電極240Cのエッチングは、上部電極140Cと同様の条件で処理する。
図33及び図34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34に示すように、図32に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230Cを開口し下部電極220Cを露出する開口部239Cを形成する。このエッチングによって図33に示す開口部239Cのパターンを形成する。ここで、開口部239Cのエッチングは、開口部139Cと同様の条件で処理する。なお、図33では、開口部239Cは四角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。
図35及び図36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36に示すように、図34に示す基板の全面に酸化物半導体層260C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35に示す酸化物半導体層260Cのパターンを形成する。酸化物半導体層260Cの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図37及び図38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、下部電極及び上部電極の各々に達する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38に示すように、図36に示す基板の全面にゲート絶縁層270C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37に示す開口部235C、238C、277Cのパターンを形成する。ここで、開口部235C、238C、277Cのエッチングは、開口部135C、177Cのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図38に示す基板の全面にゲート電極280C、ソース配線290C、及びドレイン配線292Cとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図27及び図28に示すようにゲート電極280C、ソース配線290C、及びドレイン配線292Cのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態4に係る第2トランジスタ30Cを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態4に係る半導体装置10C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20C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30Cを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態5〉
図39〜図48を用いて、本発明の実施形態5に係る半導体装置10Dの概要について説明する。半導体装置10Dは、短チャネル長の第1トランジスタ20D及び長チャネル長の第2トランジスタ30Dを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Dは実施形態3の半導体装置10Bと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Dの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Dについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Bと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図39〜図48を用いて、本発明の実施形態5に係る半導体装置10Dの概要について説明する。半導体装置10Dは、短チャネル長の第1トランジスタ20D及び長チャネル長の第2トランジスタ30Dを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Dは実施形態3の半導体装置10Bと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Dの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Dについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Bと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30Dは、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cと類似しているが、開口部235Dの形状において第2トランジスタ30Cとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30Cと共通する第2トランジスタ30Dの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30Dの構造]
図39及び図40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及び断面図である。図39及び図40に示すように、第2トランジスタ30Dの絶縁層230D及びゲート絶縁層270Dに設けられた開口部235Dは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235Dにおいて、ゲート絶縁層270Dの開口径は絶縁層230Dの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235Dにおけるゲート絶縁層270Dの側壁275Dは絶縁層230Dの上面に位置しており、絶縁層230Dの上面から上方に向かって延びている。開口部235Dの形状は第2トランジスタ30Dの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層230Dの開口工程とゲート絶縁層270Dの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235Dのような形状になる。
図39及び図40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及び断面図である。図39及び図40に示すように、第2トランジスタ30Dの絶縁層230D及びゲート絶縁層270Dに設けられた開口部235Dは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235Dにおいて、ゲート絶縁層270Dの開口径は絶縁層230Dの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235Dにおけるゲート絶縁層270Dの側壁275Dは絶縁層230Dの上面に位置しており、絶縁層230Dの上面から上方に向かって延びている。開口部235Dの形状は第2トランジスタ30Dの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層230Dの開口工程とゲート絶縁層270Dの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235Dのような形状になる。
[第2トランジスタ30Dの製造方法]
図41〜図48を用いて、本発明の実施形態5に係る半導体装置10Dの第2トランジスタ30D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41〜図48を用いて、本発明の実施形態5に係る半導体装置10Dの第2トランジスタ30D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41及び図42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、上部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。実施形態4の図29及び図30に示した製造方法と同様の方法で下部電極220D、バックゲート222D、及び絶縁層230Dが形成された基板の全面に上部電極240Dとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図41に示すように、上部電極240Dのパターンを形成する。ここで、上部電極240Dのエッチングは、上部電極140Dと同様の条件で処理する。なお、バックゲート222Dは省略されてもよい。
図43及び図44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43及び図44に示すように、図42に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230Dを開口し下部電極220Dを露出する開口部235D、238D、239Dを形成する。このエッチングによって図43に示す開口部235D、238D、239Dのパターンを形成する。ここで、開口部235D、238D、239Dのエッチングは、開口部135D、139Dと同様の条件で処理する。
図45及び図46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46に示すように、図44に示す基板の全面に酸化物半導体層260D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45に示す酸化物半導体層260Dのパターンを形成する。酸化物半導体層260Dの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図47及び図48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、下部電極及び上部電極の各々に達する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48に示すように、図46に示す基板の全面にゲート絶縁層270D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47に示す開口部235D、238D、277Dのパターンを形成する。ここで、開口部235C、238D、277Cのエッチングは、開口部135C、177Cのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図48に示す基板の全面にゲート電極280D、ソース配線290D、及びドレイン配線292Dとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図39及び図40に示すようにゲート電極280D、ソース配線290D、及びドレイン配線292Dのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態5に係る第2トランジスタ30Dを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態5に係る半導体装置10D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20D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30Dを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態6〉
図49〜図60を用いて、本発明の実施形態6に係る半導体装置10Eの概要について説明する。
図49〜図60を用いて、本発明の実施形態6に係る半導体装置10Eの概要について説明する。
[半導体装置10Eの構造]
図49及び図50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及び断面図である。図49及び図50に示すように、半導体装置10Eは、基板100E、下地絶縁層110E、下部電極120E、絶縁層130E、上部電極140E、絶縁層150E、酸化物半導体層160E、ゲート絶縁層170E、ゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eを有する。開口部139Eは絶縁層130E、上部電極140E、及び絶縁層150Eに設けられており、下部電極120Eに達している。開口部135Eは絶縁層130E、150E及びゲート絶縁層170Eに設けられており、下部電極120Eに達している。開口部157Eは絶縁層150E及びゲート絶縁層170Eに設けられており、上部電極140Eに達している。
図49及び図50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及び断面図である。図49及び図50に示すように、半導体装置10Eは、基板100E、下地絶縁層110E、下部電極120E、絶縁層130E、上部電極140E、絶縁層150E、酸化物半導体層160E、ゲート絶縁層170E、ゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eを有する。開口部139Eは絶縁層130E、上部電極140E、及び絶縁層150Eに設けられており、下部電極120Eに達している。開口部135Eは絶縁層130E、150E及びゲート絶縁層170Eに設けられており、下部電極120Eに達している。開口部157Eは絶縁層150E及びゲート絶縁層170Eに設けられており、上部電極140Eに達している。
下地絶縁層110Eは基板100E上に配置されている。下部電極120Eは下地絶縁層110E上に配置されている。絶縁層130Eは下部電極120E上及び下地絶縁層110E上に配置されている。上部電極140Eは絶縁層130E上に配置されている。絶縁層150Eは上部電極140E上及び絶縁層130E上に配置されている。開口部139Eにおいて、絶縁層130Eには絶縁層側壁132Eが設けられており、上部電極140Eには電極側壁142Eが設けられており、絶縁層150Eには絶縁層側壁152Eが設けられている。
酸化物半導体層160Eは開口部139Eの内部に配置され、下部電極120E及び上部電極140Eの各々に接続されている。より詳細に説明すると、酸化物半導体層160Eは下部電極120E上、絶縁層側壁132E上、電極側壁142上、及び絶縁層側壁152E上に配置されており、開口部139Eにおいて露出された下部電極120Eの上面に接触することで下部電極120Eに接続され、開口部139E内部の電極側壁142Eに接触することで上部電極140Eに接続されている。図50では、酸化物半導体層160Eは絶縁層側壁152Eから絶縁層150Eの上面まで連続して延びている。
絶縁層側壁132Eは、図49に示すように開口部139Eの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。絶縁層側壁132Eと同様に、電極側壁142E及び絶縁層側壁152Eも開口部139Eの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。
ゲート電極180Eは酸化物半導体層160Eに対向して配置されている。ゲート絶縁層170Eは酸化物半導体層160Eとゲート電極180Eとの間に配置されている。半導体装置10Eにおいて、絶縁層側壁132E上に配置された酸化物半導体層160Eがチャネルとして機能するため、ゲート電極180Eは少なくとも絶縁層側壁132E上に配置された酸化物半導体層160Eに対向して配置されている。
ソース配線190Eは開口部135Eを介して下部電極120Eに接続されている。ドレイン配線192Eは開口部157Eを介して上部電極140Eに接続されている。なお、ソース配線190E及びドレイン配線192Eは機能が逆であってもよい。つまり、配線190Eがドレイン配線として機能し、配線192Eがソース配線として機能してもよい。なお、図50に示すように、ソース配線190E及びドレイン配線192Eは、ゲート電極180Eと同一層で形成されている。ただし、ソース配線190E及びドレイン配線192Eは、ゲート電極180Eとは異なる層で形成してもよい。
上記の半導体装置10Eの構造を換言すると、半導体装置10Eは、下部電極120Eと、下部電極120E上において、絶縁層側壁132Eを有する絶縁層130Eと、絶縁層130E上において、電極側壁142Eを有する上部電極140Eと、上部電極140E上の絶縁層150Eと、絶縁層側壁132E上、電極側壁142E上、及び絶縁層150Eの上面に配置され、下部電極120E及び上部電極140Eに接続された酸化物半導体層160Eと、酸化物半導体層160Eに対向して配置されたゲート電極180Eと、酸化物半導体層160Eとゲート電極180Eとの間に配置されたゲート絶縁層170Eとを有する、ということもできる。
[絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eの形状]
ここで、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eの形状について詳細に説明する。図50に示すように、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Eに接する領域において、絶縁層130Eの上面は上部電極140Eで覆われており、上部電極140Eの上面は絶縁層150Eで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。つまり、上部電極140Eの開口径が絶縁層130Eの開口径よりも大きく、絶縁層130Eの上面が上部電極140Eから露出されていてもよい。同様に、絶縁層150Eの開口径が上部電極140Eの開口径よりも大きく、上部電極140Eの上面が絶縁層150Eから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132、電極側壁142、及び絶縁層側壁152のテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
ここで、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eの形状について詳細に説明する。図50に示すように、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132E、電極側壁142E、及び絶縁層側壁152Eのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Eに接する領域において、絶縁層130Eの上面は上部電極140Eで覆われており、上部電極140Eの上面は絶縁層150Eで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。つまり、上部電極140Eの開口径が絶縁層130Eの開口径よりも大きく、絶縁層130Eの上面が上部電極140Eから露出されていてもよい。同様に、絶縁層150Eの開口径が上部電極140Eの開口径よりも大きく、上部電極140Eの上面が絶縁層150Eから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132、電極側壁142、及び絶縁層側壁152のテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
また、図50では、絶縁層側壁132E及び絶縁層側壁152E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ない。例えば、絶縁層側壁132E及び絶縁層側壁152Eの断面形状が上方に向かって凸形状の順テーパ形状であってもよく、逆に上方に向かって凹形状の順テーパ形状であってもよい。また、絶縁層側壁132E及び絶縁層側壁152E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。なお、電極側壁142Eについても上記と同様の形状を有することができる。絶縁層側壁132E、絶縁層側壁152E、及び電極側壁142Eは同様の形状であってもよく、異なる形状であってもよい。
また、図50では、絶縁層130E及び絶縁層150E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。絶縁層130E及び絶縁層150Eが積層の場合、異なる層によって絶縁層側壁132及び絶縁層側壁152Eのテーパ角及び形状が異なっていてもよい。また、絶縁層130E及び絶縁層150E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、絶縁層側壁132E及び絶縁層側壁152Eの場所によって物性が異なる酸化物半導体層160Eが形成されるようにしてもよい。つまり、半導体装置10Eは、特性が異なる酸化物半導体層160Eが直列に接続されたチャネルを有していてもよい。なお、後述するが、電極側壁142Eは物性の異なる導電層を積層させた積層構造とすることが好ましい。
[半導体装置10Eの各部材の材質]
基板100E、下地絶縁層110E、下部電極120E、絶縁層130E、上部電極140E、酸化物半導体層160E、ゲート絶縁層170E、ゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
基板100E、下地絶縁層110E、下部電極120E、絶縁層130E、上部電極140E、酸化物半導体層160E、ゲート絶縁層170E、ゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
絶縁層150Eは、SiOx、SiNx、SiOxNy、SiNxOy、AlOx、AlNx、AlOxNy、AlNxOy、TEOS層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。また、実施形態1で説明した下地絶縁層110と同様の方法で形成することができる。絶縁層150Eは、絶縁層130E及び下地絶縁層110Eと同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。
以上のように、本発明の実施形態6に係る半導体装置10Eによると、実施形態1と同様に半導体装置10E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。その結果、半導体装置10Eのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。
また、酸化物半導体層160Eが大面積で導電層と接触する構造の場合、導電層と接触している酸化物半導体層160Eの物性が変化してしまうことがある。酸化物半導体層160Eの物性が変化すると、製造工程中に電蝕反応と思われる現象により、酸化物半導体層160Eの一部が消失してしまうことがある。半導体装置10Eによると、酸化物半導体層160Eが上部電極140Eと接触する領域は、上部電極140Eの電極側壁142Eに限られるため、上記の現象を抑制することができる。なお、図50に示すように、酸化物半導体層160Eが上部電極140Eに接触する面積が小さくても、十分に低い接触抵抗を実現できることが確認されている。
また、半導体装置10Eの構造によると、上部電極140Eとゲート電極180Eとの間に絶縁層150E及びゲート絶縁層170Eが挟まれている。したがって、上部電極140Eと同一層で引き回された配線とゲート電極180Eと同一層で引き回された配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。
[半導体装置10Eの動作]
図49及び図50に示す半導体装置10Eの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Eにおいても、ゲート電極180Eにゲート電圧が印加され、下部電極120Eに接続されたソース配線190Eにソース電圧が印加され、上部電極140Eに接続されたドレイン配線192Eにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Eは酸化物半導体層160Eをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Eは酸化物半導体層160Eをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
図49及び図50に示す半導体装置10Eの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Eにおいても、ゲート電極180Eにゲート電圧が印加され、下部電極120Eに接続されたソース配線190Eにソース電圧が印加され、上部電極140Eに接続されたドレイン配線192Eにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Eは酸化物半導体層160Eをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Eは酸化物半導体層160Eをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
[半導体装置10Eの製造方法]
図51〜図60を用いて、本発明の実施形態6に係る半導体装置10E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51〜図60を用いて、本発明の実施形態6に係る半導体装置10E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51及び図52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52に示すように、基板100E上に下地絶縁層110E及び下部電極120Eとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図51に示す下部電極120Eのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120E上に絶縁層130Eを形成する。
図53及び図54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、上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54に示すように、図52に示す基板の全面に上部電極140Eとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図53に示す上部電極140Eのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極140E上に絶縁層150Eを形成する。
図55及び図56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、上部電極及び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56に示すように、図54に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層150E、上部電極140E、及び絶縁層130Eを開口し下部電極120Eを露出する開口部139Eを形成することで、図55に示す開口部139Eのパターンを形成する。開口部139Eの形成によって、絶縁層側壁132E、電極側壁142、及び絶縁層側壁152Eが形成される。ここで、開口部139Eの形成は、絶縁層150E、上部電極140E、及び絶縁層130Eを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、絶縁層150E、上部電極140E、及び絶縁層130Eの各々を異なるエッチング条件で処理してもよい。絶縁層側壁152Eをテーパ形状するためのエッチング方法は、実施形態1で説明した絶縁層側壁132と同様の方法で形成することができる。
図57及び図58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58に示すように、図56に示す基板の全面に酸化物半導体層160E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57に示す酸化物半導体層160Eのパターンを形成する。酸化物半導体層160Eの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図59及び図60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、下部電極及び上部電極の各々に達する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60に示すように、図58に示す基板の全面にゲート絶縁層170E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59に示す開口部135E、157Eのパターンを形成する。
そして、図60に示す基板の全面にゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図49及び図50に示すようにゲート電極180E、ソース配線190E、及びドレイン配線192Eのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態6に係る半導体装置10Eを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態6に係る半導体装置10Eの製造方法によると、絶縁層130Eの膜厚、絶縁層側壁132Eのテーパ角、又は絶縁層130Eの膜厚及び絶縁層側壁132Eのテーパ角の両方をナノメートルオーダーで制御することができる。したがって、半導体装置10E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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。
〈実施形態7〉
図61〜図72を用いて、本発明の実施形態7に係る半導体装置10Fの概要について説明する。半導体装置10Fは、図49及び図50に示す半導体装置10Eと類似しているが、開口部135F、137Fの形状、開口部137Fの下方にコンタクトパッド122Fが設けられている点、及び開口部135Fがパッド145Fを貫通している点において半導体装置10Eとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Eと共通する半導体装置10Fの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図61〜図72を用いて、本発明の実施形態7に係る半導体装置10Fの概要について説明する。半導体装置10Fは、図49及び図50に示す半導体装置10Eと類似しているが、開口部135F、137Fの形状、開口部137Fの下方にコンタクトパッド122Fが設けられている点、及び開口部135Fがパッド145Fを貫通している点において半導体装置10Eとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Eと共通する半導体装置10Fの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Fの構造]
図61及び図62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及び断面図である。図61及び図62に示すように、半導体装置10Fの絶縁層130F、150F、パッド145F、及びゲート絶縁層170Fに設けられた開口部135Fと、絶縁層130F、150F、上部電極140F、及びゲート絶縁層170Fに設けられた開口部137Fとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135F、137Fにおいて、それぞれゲート絶縁層170Fの開口径は絶縁層150Fの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135F、137Fにおけるゲート絶縁層170Fの側壁175F、177Fは、それぞれ絶縁層150Fの上面に位置しており、絶縁層150Fの上面から上方に向かって延びている。開口部135F、137Fの形状は半導体装置10Fの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150Fの開口工程とゲート絶縁層170Fの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135F、137Fのような形状になる。
図61及び図62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及び断面図である。図61及び図62に示すように、半導体装置10Fの絶縁層130F、150F、パッド145F、及びゲート絶縁層170Fに設けられた開口部135Fと、絶縁層130F、150F、上部電極140F、及びゲート絶縁層170Fに設けられた開口部137Fとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135F、137Fにおいて、それぞれゲート絶縁層170Fの開口径は絶縁層150Fの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135F、137Fにおけるゲート絶縁層170Fの側壁175F、177Fは、それぞれ絶縁層150Fの上面に位置しており、絶縁層150Fの上面から上方に向かって延びている。開口部135F、137Fの形状は半導体装置10Fの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150Fの開口工程とゲート絶縁層170Fの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135F、137Fのような形状になる。
また、図61及び図62に示すように、開口部137Fの下方にコンタクトパッド122Fが配置されており、開口部137Fは絶縁層150F、上部電極140F、及び絶縁層130Fを開口してコンタクトパッド122Fに達している。開口部137Fにおいて、ドレイン配線192Fは上部電極140Fの側面で上部電極140Fに接続され、コンタクトパッド122Fの上面でコンタクトパッド122Fに接続されている。また、開口部135Fの下方に下部電極120Fが配置されており、開口部135Fは絶縁層150F、パッド145F、及び絶縁層130Fを開口して下部電極120Fに達している。ここで、上部電極140Fとパッド145Fとは同じ層で形成されているため、開口部137F及び開口部135Fの開口深さは同じである。
以上のように、本発明の実施形態7に係る半導体装置10Fによると、半導体装置10Fのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Fと上部電極140Fとが接触する領域における酸化物半導体層160Fの物性変化を抑制することができる。また、半導体装置10Fのドレイン電流を下部電極120F及びコンタクトパッド122Fと同一層の配線、上部電極140Fと同一層の配線、並びにドレイン配線192Fと同一層の配線の少なくとも1つの配線に接続可能である。したがって、配線レイアウトの自由度を向上させることができる。
[半導体装置10Fの製造方法]
図63〜図72を用いて、本発明の実施形態7に係る半導体装置10F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63〜図72を用いて、本発明の実施形態7に係る半導体装置10F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63及び図64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、下部電極及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図64に示すように、基板100F上に下地絶縁層110Fを形成し、その上に下部電極120F及びコンタクトパッド122Fとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図63に示す下部電極120F及びコンタクトパッド122Fのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120F上に絶縁層130Fを形成する。
図65及び図66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、上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66に示すように、図64に示す基板の全面に上部電極140Fとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図65に示す上部電極140F及びパッド145Fのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極140F上及びパッド145F上に絶縁層150Fを形成する。
図67及び図68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、上部電極及び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68に示すように、図66に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層130F、150F及びパッド145Fを開口し下部電極120Fを露出する開口部135Fと、絶縁層130F、150F及び上部電極140Fを開口し下部電極120Fを露出する開口部139Fと、絶縁層130F、150F及び上部電極140Fを開口しコンタクトパッド122Fを露出する開口部137Fと、を形成する。このエッチングによって、図67に示す開口部135F、137F、139Fのパターンを形成する。開口部135Fにパッド145Fが設けられていることで、開口部135Fが設けられる位置の層構造は開口部137F、139Fが設けられる位置の層構造と同じ構造である。
開口部139Fの形成によって、絶縁層130Fの絶縁層側壁132F、上部電極140Fの電極側壁142F、及び絶縁層150Fの絶縁層側壁152Fが形成される。ここで、開口部135F、137F、139Fの形成は、絶縁層150F、上部電極140F、及び絶縁層130Fを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、絶縁層150F、上部電極140F、及び絶縁層130Fの各々を異なるエッチング条件で処理してもよい。
図69及び図70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70に示すように、図68に示す基板の全面に酸化物半導体層160F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69に示す酸化物半導体層160Fのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Fは開口部139Fの内部に配置され、開口部135F、137Fの酸化物半導体層160Fはエッチングされる。酸化物半導体層160Fの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図71及び図72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、下部電極及び上部電極の各々に達する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72に示すように、図70に示す基板の全面にゲート絶縁層170F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71に示すように、開口部135F、137Fに対応する領域のゲート絶縁層170Fを開口する。このエッチングによって、開口部135Fにおいて下部電極120Fを露出させ、開口部137Fにおいて上部電極140Fの側壁及びコンタクトパッド122Fを露出させる。
なお、図72では、ゲート絶縁層170Fのエッチングが絶縁層150Fとゲート絶縁層170Fとの界面で止まっている状態を図示したが、ゲート絶縁層170Fから露出された絶縁層150Fの一部がオーバーエッチングされていてもよい。
そして、図72に示す基板の全面にゲート電極180F、ソース配線190F、及びドレイン配線192Fとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図61及び図62に示すようにゲート電極180F、ソース配線190F、及びドレイン配線192Fのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態7に係る半導体装置10Fを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態7に係る半導体装置10Fの製造方法によると、半導体装置10F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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。また、開口部135F、137F、139Fが設けられる位置の層構造が同構造であることで、当該開口部のエッチング条件の調整が容易になる。
〈実施形態8〉
図73〜図84を用いて、本発明の実施形態8に係る半導体装置10Gの概要について説明する。半導体装置10Gは、短チャネル長の第1トランジスタ20G及び長チャネル長の第2トランジスタ30Gを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Gは、図49及び図50に示す実施形態6の半導体装置10Eと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Gの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Gについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図73〜図84を用いて、本発明の実施形態8に係る半導体装置10Gの概要について説明する。半導体装置10Gは、短チャネル長の第1トランジスタ20G及び長チャネル長の第2トランジスタ30Gを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Gは、図49及び図50に示す実施形態6の半導体装置10Eと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Gの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Gについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30Gの構造]
図73及び図74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及び断面図である。図73及び図74に示すように、第2トランジスタ30Gは、基板100G、下地絶縁層110G、下部電極220G、バックゲート222G、コンタクトパッド224G、絶縁層230G、上部電極240G、絶縁層250G、酸化物半導体層260G、ゲート絶縁層270G、ゲート電極280G、ソース配線290G、及びドレイン配線292Gを有する。基板100G及び下地絶縁層110Gは、第1トランジスタ20G及び第2トランジスタ30Gで共通であり、第1トランジスタ20Gから第2トランジスタ30Gまで連続して延びている。
図73及び図74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及び断面図である。図73及び図74に示すように、第2トランジスタ30Gは、基板100G、下地絶縁層110G、下部電極220G、バックゲート222G、コンタクトパッド224G、絶縁層230G、上部電極240G、絶縁層250G、酸化物半導体層260G、ゲート絶縁層270G、ゲート電極280G、ソース配線290G、及びドレイン配線292Gを有する。基板100G及び下地絶縁層110Gは、第1トランジスタ20G及び第2トランジスタ30Gで共通であり、第1トランジスタ20Gから第2トランジスタ30Gまで連続して延びている。
開口部235Gは絶縁層230G、250G、及びゲート絶縁層270Gに設けられており、下部電極220Gに達している。開口部239Gは絶縁層230G、250Gに設けられており、下部電極220Gに達している。開口部236Gは絶縁層230G、250G、及び上部電極240Gに設けられており、コンタクトパッド224Gに達している。開口部257Gは絶縁層250G及びゲート絶縁層270Gに設けられており、上部電極240Gに達している。
下部電極220G、バックゲート222G、及びコンタクトパッド224Gは下地絶縁層110G上に配置されている。絶縁層230Gは下部電極220G上、バックゲート222G上、コンタクトパッド224G上、及び下地絶縁層110G上に配置されている。上部電極240Gは絶縁層230G上に配置されており、平面視において下部電極220Gから離隔して配置されている。絶縁層250Gは上部電極240G上及び絶縁層230G上に配置されている。酸化物半導体層260Gは、下部電極220Gと上部電極240Gとの間の領域において、絶縁層250G上に配置されている。また、酸化物半導体層260Gは開口部239Gを介して下部電極220Gに接続され、開口部236Gを介して上部電極240G及びコンタクトパッド224Gに接続されている。
バックゲート222Gは絶縁層230G、250Gを介して酸化物半導体層260Gと対向している。換言すると、バックゲート222Gは酸化物半導体層260Gとゲート電極280Gとが対向する領域の少なくとも一部の領域において、酸化物半導体層260Gに対してゲート電極280Gとは反対側に配置されている。また、絶縁層230G、250Gは酸化物半導体層260Gとバックゲート222Gとの間に配置されている。なお、バックゲート222Gは省略されてもよい。
ゲート電極280Gは、下部電極220Gと上部電極240Gとの間の領域において、酸化物半導体層260Gに対向して配置されている。ゲート絶縁層270Gは酸化物半導体層260Gとゲート電極280Gとの間に配置されている。第2トランジスタ30Gにおいて、下部電極220Gと上部電極240Gとの間の領域の酸化物半導体層260Gがチャネルとして機能する。
ソース配線290Gは開口部235Gを介して下部電極220Gに接続されている。ドレイン配線292Gは開口部257Gを介して上部電極240Gに接続されている。なお、ソース配線290G及びドレイン配線292Gは機能が逆であってもよい。つまり、配線290Gがドレイン配線として機能し、配線292Gがソース配線として機能してもよい。
ここで、第1トランジスタ20G及び第2トランジスタ30Gの各層の関係について説明する。下部電極220G、バックゲート222G、及びコンタクトパッド224Gは下部電極120Gと同一層であり、いずれも下地絶縁層110Gと接して配置されている。絶縁層230Gは絶縁層130Gと同一層であり、絶縁層230Gは絶縁層130Gと連続している。絶縁層250Gは絶縁層150Gと同一層であり、絶縁層250Gは絶縁層150Gと連続している。同様に、上部電極140G及び上部電極240G、酸化物半導体層160G及び酸化物半導体層260G、ゲート絶縁層170G及びゲート絶縁層270G、ゲート電極180G及びゲート電極280G、ソース配線190G及びソース配線290G、並びにドレイン配線192G及びドレイン配線292Gはそれぞれ同一層である。
[第2トランジスタ30Gの動作]
図73及び図74に示す第2トランジスタ30Gの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30Gにおいても、ゲート電極280Gにゲート電圧が印加され、下部電極220Gに接続されたソース配線290Gにソース電圧が印加され、上部電極240Gに接続されたドレイン配線292Gにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220Gは酸化物半導体層260Gをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240Gは酸化物半導体層260Gをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222Gには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30Gのしきい値(Vth)を制御する。
図73及び図74に示す第2トランジスタ30Gの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30Gにおいても、ゲート電極280Gにゲート電圧が印加され、下部電極220Gに接続されたソース配線290Gにソース電圧が印加され、上部電極240Gに接続されたドレイン配線292Gにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220Gは酸化物半導体層260Gをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240Gは酸化物半導体層260Gをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222Gには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30Gのしきい値(Vth)を制御する。
[第2トランジスタ30Gの製造方法]
図75〜図84を用いて、本発明の実施形態8に係る半導体装置10Gの第2トランジスタ30G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。なお、第1トランジスタ20Gの製造方法は実施形態6の半導体装置10Eの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図75〜図84を用いて、本発明の実施形態8に係る半導体装置10Gの第2トランジスタ30G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。なお、第1トランジスタ20Gの製造方法は実施形態6の半導体装置10Eの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図75及び図76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、バックゲート、及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図76に示すように、基板100G上に下地絶縁層110Gを形成し、その上に下部電極220G、バックゲート222G、及びコンタクトパッド224Gとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図75に示す下部電極220G、バックゲート222G、及びコンタクトパッド224Gのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220G上、バックゲート222G上、及びコンタクトパッド224G上に絶縁層230Gを形成する。ここで、下部電極220G、バックゲート222G、及びコンタクトパッド224Gのエッチングは、下部電極120Gと同様の条件で処理する。
図77及び図78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、上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78に示すように、図76に示す基板の全面に上部電極240Gとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図77に示す上部電極240Gのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極240G上に絶縁層250Gを形成する。ここで、上部電極240Gのエッチングは、上部電極140Gと同様の条件で処理する。
図79及び図80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、絶縁層及び上部電極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80に示すように、図78に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230G、250Gを開口し下部電極220Gを露出する開口部239Gと、絶縁層230G、250G及び上部電極240Gを開口しコンタクトパッド224Gを露出する開口部236Gとを形成する。このエッチングによって図79に示す開口部236G、239Gのパターンを形成する。ここで、開口部236G、239Gのエッチングは、開口部139Gと同様の条件で処理する。
図81及び図82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82に示すように、図80に示す基板の全面に酸化物半導体層260G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81に示す酸化物半導体層260Gのパターンを形成する。酸化物半導体層260Gの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図83及び図84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、下部電極及び上部電極の各々に達する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84に示すように、図82に示す基板の全面にゲート絶縁層270G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83に示す開口部235G、238G、257Gのパターンを形成する。ここで、開口部235G、238G、277Gのエッチングは、開口部135G、157Gのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図84に示す基板の全面にゲート電極280G、ソース配線290G、及びドレイン配線292Gとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図73及び図74に示すようにゲート電極280G、ソース配線290G、及びドレイン配線292Gのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態8に係る第2トランジスタ30Gを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態8に係る半導体装置10G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20G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30Gを同一の製造方法で形成することができる。
〈実施形態9〉
図85〜図96を用いて、本発明の実施形態9に係る半導体装置10Hの概要について説明する。半導体装置10Hは、短チャネル長の第1トランジスタ20H及び長チャネル長の第2トランジスタ30Hを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Hは実施形態7の半導体装置10Fと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Hの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Hについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Fと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図85〜図96を用いて、本発明の実施形態9に係る半導体装置10Hの概要について説明する。半導体装置10Hは、短チャネル長の第1トランジスタ20H及び長チャネル長の第2トランジスタ30Hを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Hは実施形態7の半導体装置10Fと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Hの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Hについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Fと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30Hは、図73及び図74に示す第2トランジスタ30Gと類似しているが、開口部235H、237Hの形状において第2トランジスタ30Gとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30Gと共通する第2トランジスタ30Hの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30Hの構造]
図85及び図86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及び断面図である。図85及び図86に示すように、第2トランジスタ30Hの絶縁層230H、250H及びゲート絶縁層270Hに設けられた開口部235Hと、絶縁層230H、250H、上部電極140H、及びゲート絶縁層270Hに設けられた開口部237Hとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235H、237Hにおいて、それぞれゲート絶縁層270Hの開口径は絶縁層250Hの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235H、237Hにおけるゲート絶縁層270Hの側壁275H、277Hは、それぞれ絶縁層250Hの上面に位置しており、絶縁層250Hの上面から上方に向かって延びている。開口部235H、237Hの形状は第2トランジスタ30Hの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250Hの開口工程とゲート絶縁層270Hの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235H、237Hのような形状になる。
図85及び図86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及び断面図である。図85及び図86に示すように、第2トランジスタ30Hの絶縁層230H、250H及びゲート絶縁層270Hに設けられた開口部235Hと、絶縁層230H、250H、上部電極140H、及びゲート絶縁層270Hに設けられた開口部237Hとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235H、237Hにおいて、それぞれゲート絶縁層270Hの開口径は絶縁層250Hの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235H、237Hにおけるゲート絶縁層270Hの側壁275H、277Hは、それぞれ絶縁層250Hの上面に位置しており、絶縁層250Hの上面から上方に向かって延びている。開口部235H、237Hの形状は第2トランジスタ30Hの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250Hの開口工程とゲート絶縁層270Hの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235H、237Hのような形状になる。
また、図85及び図86に示すように、開口部237Hの下方にコンタクトパッド226Hが配置されており、開口部237Hは絶縁層250H、上部電極240H、及び絶縁層230Hを開口してコンタクトパッド226Hに達している。開口部237Hにおいて、ドレイン配線292Hは上部電極240Hの側面で上部電極240Hに接続され、コンタクトパッド226Hの上面でコンタクトパッド226Hに接続されている。
[第2トランジスタ30Hの製造方法]
図87〜図96を用いて、本発明の実施形態9に係る半導体装置10Hの第2トランジスタ30H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87〜図96を用いて、本発明の実施形態9に係る半導体装置10Hの第2トランジスタ30H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87及び図88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、バックゲート、及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図88に示すように、基板100H上に下地絶縁層110Hを形成し、その上に下部電極220H、バックゲート222H、及びコンタクトパッド224H、226Hとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図87に示す下部電極220H、バックゲート222H、及びコンタクトパッド224H、226Hのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220H上、バックゲート222H上、及びコンタクトパッド224H上に絶縁層230Hを形成する。ここで、下部電極220H、バックゲート222H、及びコンタクトパッド224H、226Hのエッチングは、下部電極120H及びコンタクトパッド122Hと同様の条件で処理する。
図89及び図90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、上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90に示すように、図88に示す基板の全面に上部電極240Hとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図89に示す上部電極240Hのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極240H上に絶縁層250Hを形成する。ここで、上部電極240Hのエッチングは、上部電極140Hと同様の条件で処理する。
図91及び図92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、上部電極及び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92に示すように、図90に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230H、250Hを開口し下部電極220Hを露出する開口部235H、239Hと、絶縁層230H、250H及び上部電極240Hを開口しコンタクトパッド224Hを露出する開口部236Hと、絶縁層230H、250H及び上部電極240Hを開口しコンタクトパッド226Hを露出する開口部237Hと、を形成する。このエッチングによって、図91に示す開口部235H、236H、237H、238H、239Hのパターンを形成する。ここで、開口部235H、236H、237H、238H、239Hのエッチングは、開口部135H、137H、139Hと同様の条件で処理する。
図93及び図94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94に示すように、図92に示す基板の全面に酸化物半導体層260H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93に示す酸化物半導体層260Hのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260Hは開口部236H、239Hの内部に配置され、開口部235H、237Hの酸化物半導体層260Hはエッチングされる。酸化物半導体層260Hの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図95及び図96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、下部電極及び上部電極の各々に達する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96に示すように、図94に示す基板の全面にゲート絶縁層270H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95に示すように、開口部235H、237H、238Hに対応する領域のゲート絶縁層270Hを開口する。このエッチングによって、開口部235Hにおいて下部電極220Hを露出させ、開口部237Hにおいて上部電極240Hの側壁及びコンタクトパッド226Hを露出させる。ここで、開口部235H、237H、238Hのそれぞれに対応する領域のゲート絶縁層270Hのエッチングは、開口部135H、137Hのそれぞれに対応する領域のゲート絶縁層170Hのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図96に示す基板の全面にゲート電極280H、ソース配線290H、及びドレイン配線292Hとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図85及び図86に示すようにゲート電極280H、ソース配線290H、及びドレイン配線292Hのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態9に係る半導体装置10Hを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態9に係る半導体装置10H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20H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30Hを同一の製造方法で形成することができる。
[実施形態6〜9における下部電極120I及び上部電極140Iの構造]
図97を用いて、実施形態6〜9における下部電極及び上部電極の構造について説明する。実施形態6〜9では、図97に示すように、開口部139Iにおける下部電極120Iの上面で酸化物半導体層160Iが下部電極120Iと接触し、上部電極140Iの側壁で酸化物半導体層160Iが上部電極140Iと接触する。ここでは、特に下部電極120I及び上部電極140IとしてAl層を含む積層構造を用いた場合について説明する。
図97を用いて、実施形態6〜9における下部電極及び上部電極の構造について説明する。実施形態6〜9では、図97に示すように、開口部139Iにおける下部電極120Iの上面で酸化物半導体層160Iが下部電極120Iと接触し、上部電極140Iの側壁で酸化物半導体層160Iが上部電極140Iと接触する。ここでは、特に下部電極120I及び上部電極140IとしてAl層を含む積層構造を用いた場合について説明する。
図97は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の下部電極及び上部電極の構造を示す断面図である。上記の半導体装置において、下部電極120I及び上部電極140Iの各々と同一層を用いて回路内、回路間の配線を形成する。これらの配線は低い電気抵抗が要求されるため、低抵抗な材料かつ安価な材料としてAlが用いられる。しかし、Alは電気抵抗は低いが表面が酸化して絶縁体になりやすいため、例えば、TiなどのAlに比べて酸化しにくい、又は酸化しても高抵抗化しにくい材料とAlとを積層させた配線構造が用いられる。
例えば、図97に示す構造では、下部電極120IはAl層128I及びTi層129Iの2層構造であり、上部電極140IはAl層147I及びTi層146I、148Iの3層構造である。下部電極120Iについては、最表面がTi層129Iなので、酸化物半導体層160Iは下部電極120Iに接続される。上部電極140Iについては、開口部139IによってAl層147Iの側面が露出される。そのため、酸化物半導体層160Iの成膜時にAl層147Iの側面は酸化されてAlOx層149Iに変質してしまい、Al層147Iの側面が絶縁体になってしまう。しかし、Al層147Iの上下にはTi層146I、148Iが配置されているため、Ti層146I、148Iの側面において酸化物半導体層160Iは上部電極140Iに接続される。
つまり、Al層を含む上部電極140Iの側壁において上部電極140Iと酸化物半導体層160Iとを接続させる場合、Alの上層、下層、又は上層及び下層の両方にAlよりも酸化しにくい、又は酸化しても高抵抗化しにくい導電層を積層させることで、より安定した上部電極140Iと酸化物半導体層160Iとの電気的接触を実現することができる。ここでは、絶縁層130Iの側壁上に配置された酸化物半導体層160Iがチャネルとして機能するため、上部電極140Iの下層にAlよりも酸化しにくい、又は酸化しても高抵抗化しにくい導電層を設けることが好ましい。
〈実施形態10〉
図98〜図107を用いて、本発明の実施形態10に係る半導体装置10Jの概要について説明する。半導体装置10Jは、図49及び図50に示す半導体装置10Eと類似しているが、開口部139Jの形状が139Eとは異なる点において半導体装置10Eとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Eと共通する半導体装置10Jの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図98〜図107を用いて、本発明の実施形態10に係る半導体装置10Jの概要について説明する。半導体装置10Jは、図49及び図50に示す半導体装置10Eと類似しているが、開口部139Jの形状が139Eとは異なる点において半導体装置10Eとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Eと共通する半導体装置10Jの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Eと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Jの構造]
図98及び図99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及び断面図である。図98及び図99に示すように、半導体装置10Jの絶縁層130J、150J、及び上部電極140Jに設けられた開口部139Jは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139Jにおいて、絶縁層150Jの開口径は上部電極140J及び絶縁層130Jの開口径に比べて大きい。換言すると、上部電極140Jの上面の一部は絶縁層150Jから露出されている。また、換言すると、絶縁層150Jの側壁152Jは、上部電極140Jの上面に位置しており、上部電極140Jの上面から上方に向かって延びている。開口部139Jの形状は半導体装置10Jの製造方法によるものである。具体的には、上部電極140Jの開口工程と絶縁層130J、150Jの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139Jのような形状になる。
図98及び図99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及び断面図である。図98及び図99に示すように、半導体装置10Jの絶縁層130J、150J、及び上部電極140Jに設けられた開口部139Jは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139Jにおいて、絶縁層150Jの開口径は上部電極140J及び絶縁層130Jの開口径に比べて大きい。換言すると、上部電極140Jの上面の一部は絶縁層150Jから露出されている。また、換言すると、絶縁層150Jの側壁152Jは、上部電極140Jの上面に位置しており、上部電極140Jの上面から上方に向かって延びている。開口部139Jの形状は半導体装置10Jの製造方法によるものである。具体的には、上部電極140Jの開口工程と絶縁層130J、150Jの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139Jのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態10に係る半導体装置10Jによると、半導体装置10Jのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、絶縁層150Jを開口する際のパターニングによって酸化物半導体層160Jが上部電極140Jの上面に接触する面積を制限することができるため、酸化物半導体層160Jと上部電極140Jとが接触する領域における酸化物半導体層160Jの広範囲の物性変化を抑制することができる。また、上部電極140Jと同一層の配線とゲート電極180Jと同一層の配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。
[半導体装置10Jの製造方法]
図100〜図107を用いて、本発明の実施形態10に係る半導体装置10J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100〜図107を用いて、本発明の実施形態10に係る半導体装置10J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100及び図101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、上部電極を形成する工程を示す平面図及び断面図である。実施形態1の図3及び図4に示した製造方法と同様の方法で下部電極120J及び絶縁層130Jが形成された基板の全面に上部電極140Jとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図100に示すように、上部電極140Jのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極140J上に絶縁層150Jを形成する。
図102及び図103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103に示すように、図101に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部139Jを形成する。具体的には、フォトリソグラフィによって形成されたレジストをマスクとして絶縁層側壁152Jによって囲まれた領域の絶縁層150Jがエッチングされ、上部電極140Jをマスクとして電極側壁142Jによって囲まれた領域の絶縁層130Jがエッチングされる。このようにして、開口部139Jを形成する。
この工程におけるエッチングは絶縁層だけをエッチングすればよいため、絶縁層130J、150Jを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングすることができる。なお、この工程におけるエッチング条件は、絶縁層130J、150Jのエッチングレートと、上部電極140J及び下部電極120Jのエッチングレートとの選択比が大きいエッチング条件を用いることができる。この工程では、上部電極140J及び下部電極120Jが露出すればよいので、エッチング中のプラズマをモニタし、当該プラズマ中において検出される上部電極140J及び下部電極120Jに起因する信号に基づいてエッチングのエンドポイントを設定してもよい。
図103では、開口部139Jのエッチングが上部電極140Jの上面で止まっている状態を図示したが、絶縁層150Jから露出された上部電極140Jの一部がオーバーエッチングされていてもよい。ただし、この工程におけるエッチング条件は、絶縁層130J、150Jのエッチングレートと下部電極120J及び上部電極140J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104及び図105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105に示すように、図103に示す基板の全面に酸化物半導体層160J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104に示す酸化物半導体層160Jのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Jは開口部139Jの内部に配置される。酸化物半導体層160Fの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図106及び図107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、下部電極及び上部電極の各々に達する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107に示すように、図105に示す基板の全面にゲート絶縁層170J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106に示す開口部135J、157Jのパターンを形成する。
そして、図107に示す基板の全面にゲート電極180J、ソース配線190J、及びドレイン配線192Jとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図98及び図99に示すようにゲート電極180J、ソース配線190J、及びドレイン配線192Jのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態10に係る半導体装置10Jを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態10に係る半導体装置10Jの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態11〉
図108〜図115を用いて、本発明の実施形態11に係る半導体装置10Kの概要について説明する。半導体装置10Kは、図98及び図99に示す半導体装置10Jと類似しているが、開口部135K、157Kの形状において半導体装置10Jとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Jと共通する半導体装置10Kの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Jと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図108〜図115を用いて、本発明の実施形態11に係る半導体装置10Kの概要について説明する。半導体装置10Kは、図98及び図99に示す半導体装置10Jと類似しているが、開口部135K、157Kの形状において半導体装置10Jとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Jと共通する半導体装置10Kの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Jと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Kの構造]
図108及び図109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及び断面図である。図108及び図109に示すように、半導体装置10Kの絶縁層130K、150K及びゲート絶縁層170Kに設けられた開口部135Kと、絶縁層150K及びゲート絶縁層170Kに設けられた開口部157Kとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135K、157Kにおいて、それぞれゲート絶縁層170Kの開口径は絶縁層150Kの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135K、157Kにおけるゲート絶縁層170Kの側壁175K、177Kは、それぞれ絶縁層150Kの上面に位置しており、絶縁層150Kの上面から上方に向かって延びている。開口部135K、157Kの形状は半導体装置10Kの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150Kの開口工程とゲート絶縁層170Kの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135K、157Kのような形状になる。
図108及び図109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及び断面図である。図108及び図109に示すように、半導体装置10Kの絶縁層130K、150K及びゲート絶縁層170Kに設けられた開口部135Kと、絶縁層150K及びゲート絶縁層170Kに設けられた開口部157Kとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135K、157Kにおいて、それぞれゲート絶縁層170Kの開口径は絶縁層150Kの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135K、157Kにおけるゲート絶縁層170Kの側壁175K、177Kは、それぞれ絶縁層150Kの上面に位置しており、絶縁層150Kの上面から上方に向かって延びている。開口部135K、157Kの形状は半導体装置10Kの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150Kの開口工程とゲート絶縁層170Kの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135K、157Kのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態11に係る半導体装置10Kによると、半導体装置10Kのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Kと上部電極140Kとが接触する領域における酸化物半導体層160Kの広範囲の物性変化を抑制することができる。
[半導体装置10Kの製造方法]
図110〜図115を用いて、本発明の実施形態11に係る半導体装置10K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110〜図115を用いて、本発明の実施形態11に係る半導体装置10K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110及び図111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。実施形態10の図100及び図101に示した製造方法と同様の方法で電極側壁142Kを有する上部電極140K及び絶縁層150Kを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部135K、139K、157Kを形成する。
図112及び図113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113に示すように、図111に示す基板の全面に酸化物半導体層160K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112に示す酸化物半導体層160Kのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Kは開口部139Kの内部に配置され、開口部135K、157Kの酸化物半導体層160Kはエッチングされる。酸化物半導体層160Kの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図114及び図115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、下部電極及び上部電極の各々に達する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115に示すように、図113に示す基板の全面にゲート絶縁層170K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114に示すように、開口部135K、157Kに対応する領域のゲート絶縁層170Kを開口する。このエッチングによって、開口部135Kにおいて下部電極120Kを露出させ、開口部157Kにおいて上部電極140Kを露出させる。
そして、図115に示す基板の全面にゲート電極180K、ソース配線190K、及びドレイン配線192Kとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図108及び図109に示すようにゲート電極180K、ソース配線190K、及びドレイン配線192Kのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態11に係る半導体装置10Kを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態11に係る半導体装置10Kの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態12〉
図116〜図127を用いて、本発明の実施形態12に係る半導体装置10Lの概要について説明する。半導体装置10Lは、短チャネル長の第1トランジスタ20L及び長チャネル長の第2トランジスタ30Lを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Lは、図98及び図99に示す実施形態10の半導体装置10Jと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Lの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Lについて説明する。
図116〜図127を用いて、本発明の実施形態12に係る半導体装置10Lの概要について説明する。半導体装置10Lは、短チャネル長の第1トランジスタ20L及び長チャネル長の第2トランジスタ30Lを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Lは、図98及び図99に示す実施形態10の半導体装置10Jと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Lの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Lについて説明する。
第2トランジスタ30Lは、図73及び図74に示す第2トランジスタ30Gと類似しているが、開口部256Lが上部電極240Lで止められ、絶縁層230Lに到達していない点、及び開口部256Lが設けられた領域に図73に示すコンタクトパッド224Gに対応するコンタクトパッドが配置されていない点において第2トランジスタ30Gとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Gと共通する半導体装置10Lの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Gと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30Lの構造]
図116及び図117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及び断面図である。図116及び図117に示すように、第2トランジスタ30Lの開口部256Lは上部電極240Lで止められている。換言すると、開口部256Lは上部電極240Lの上面を露出するように形成されており、酸化物半導体層260Lは上部電極240Lの上面と接触している。また、開口部256Lが絶縁層230Lに達していないため、開口部256Lの下方にはコンタクトパッドは配置されていない。
図116及び図117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及び断面図である。図116及び図117に示すように、第2トランジスタ30Lの開口部256Lは上部電極240Lで止められている。換言すると、開口部256Lは上部電極240Lの上面を露出するように形成されており、酸化物半導体層260Lは上部電極240Lの上面と接触している。また、開口部256Lが絶縁層230Lに達していないため、開口部256Lの下方にはコンタクトパッドは配置されていない。
[第2トランジスタ30Lの製造方法]
図118〜図127を用いて、本発明の実施形態12に係る半導体装置10Lの第2トランジスタ30L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。なお、第1トランジスタ20Lの製造方法は実施形態6の半導体装置10Jの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図118〜図127を用いて、本発明の実施形態12に係る半導体装置10Lの第2トランジスタ30L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。なお、第1トランジスタ20Lの製造方法は実施形態6の半導体装置10Jの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図118及び図119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、下部電極及びバックゲートを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図119に示すように、基板100L上に下地絶縁層110Lを形成し、その上に下部電極220L及びバックゲート222Lとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図118に示す下部電極220L及びバックゲート222Lのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220L上及びバックゲート222L上に絶縁層230Lを形成する。ここで、下部電極220L及びバックゲート222Lのエッチングは、下部電極120Lと同様の条件で処理する。
図120及び図121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、上部電極及び絶縁層を形成する工程を示す平面図及び断面図である。図121に示すように、図119に示す基板の全面に上部電極240Lとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図120に示す上部電極240Lのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極240L上に絶縁層250Lを形成する。ここで、上部電極240Lのエッチングは、上部電極140Lと同様の条件で処理する。
図122及び図123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123に示すように、図121に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230L、250Lを開口し下部電極220Lを露出する開口部239Lと、絶縁層250Lを開口し上部電極240Lを露出する開口部256Lとを形成する。このエッチングによって図122に示す開口部239L、256Lのパターンを形成する。ここで、開口部239L、256Lのエッチングは、開口部139Lと同様の条件で処理する。
図124及び図125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125に示すように、図123に示す基板の全面に酸化物半導体層260L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124に示す酸化物半導体層260Lのパターンを形成する。酸化物半導体層260Lの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図126及び図127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、下部電極及び上部電極の各々に達する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127に示すように、図125に示す基板の全面にゲート絶縁層270L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126に示す開口部235L、238L、257Lのパターンを形成する。ここで、開口部235L、238L、257Lのエッチングは、開口部135L、157Lのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図127に示す基板の全面にゲート電極280L、ソース配線290L、及びドレイン配線292Lとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図116及び図117に示すようにゲート電極280L、ソース配線290L、及びドレイン配線292Lのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態12に係る第2トランジスタ30Lを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態12に係る半導体装置10L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20L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30Lを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態13〉
図128〜図135を用いて、本発明の実施形態13に係る半導体装置10Mの概要について説明する。半導体装置10Mは、短チャネル長の第1トランジスタ20M及び長チャネル長の第2トランジスタ30Mを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Mは、図108及び図109に示す実施形態11の半導体装置10Kと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Mの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Mについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Kと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図128〜図135を用いて、本発明の実施形態13に係る半導体装置10Mの概要について説明する。半導体装置10Mは、短チャネル長の第1トランジスタ20M及び長チャネル長の第2トランジスタ30Mを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Mは、図108及び図109に示す実施形態11の半導体装置10Kと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Mの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Mについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Kと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30Mは、図116及び図117に示す第2トランジスタ30Lと類似しているが、開口部235M、257Mの形状において第2トランジスタ30Lとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30Lと共通する第2トランジスタ30Mの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30Mの構造]
図128及び図129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及び断面図である。図128及び図129に示すように、第2トランジスタ30Mの絶縁層230M、250M及びゲート絶縁層270Mに設けられた開口部235Mと、絶縁層250M及びゲート絶縁層270Mに設けられた開口部257Mとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235M、257Mにおいて、それぞれゲート絶縁層270Mの開口径は絶縁層250Mの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235M、257Mにおけるゲート絶縁層270Mの側壁275M、277Mは、それぞれ絶縁層250Mの上面に位置しており、絶縁層250Mの上面から上方に向かって延びている。開口部235M、257Mの形状は第2トランジスタ30Mの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250Mの開口工程とゲート絶縁層270Mの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235M、257Mのような形状になる。
図128及び図129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及び断面図である。図128及び図129に示すように、第2トランジスタ30Mの絶縁層230M、250M及びゲート絶縁層270Mに設けられた開口部235Mと、絶縁層250M及びゲート絶縁層270Mに設けられた開口部257Mとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235M、257Mにおいて、それぞれゲート絶縁層270Mの開口径は絶縁層250Mの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235M、257Mにおけるゲート絶縁層270Mの側壁275M、277Mは、それぞれ絶縁層250Mの上面に位置しており、絶縁層250Mの上面から上方に向かって延びている。開口部235M、257Mの形状は第2トランジスタ30Mの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250Mの開口工程とゲート絶縁層270Mの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235M、257Mのような形状になる。
[第2トランジスタ30Mの製造方法]
図130〜図135を用いて、本発明の実施形態13に係る半導体装置10Mの第2トランジスタ30M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130〜図135を用いて、本発明の実施形態13に係る半導体装置10Mの第2トランジスタ30M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130及び図131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。実施形態12の図118〜図121に示した製造方法と同様の方法で下部電極220M、バックゲート222M、及び上部電極240Mを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部235M、238M、239M、256M、257Mを形成する。
図132及び図133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133に示すように、図131に示す基板の全面に酸化物半導体層260M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132に示す酸化物半導体層260Mのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260Mは開口部239M、256Mの内部に配置され、開口部235M、238M、257Mの酸化物半導体層260Mはエッチングされる。酸化物半導体層260Mの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図134及び図135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、下部電極及び上部電極の各々に達する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135に示すように、図133に示す基板の全面にゲート絶縁層270M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134に示すように、開口部235M、238M、257Mに対応する領域のゲート絶縁層270Mを開口する。このエッチングによって、開口部235Mにおいて下部電極220Mを露出させ、開口部257Mにおいて上部電極240Mを露出させる。
そして、図135に示す基板の全面にゲート電極280M、ソース配線290M、及びドレイン配線292Mとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図128及び図129に示すようにゲート電極280M、ソース配線290M、及びドレイン配線292Mのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態13に係る半導体装置10Mを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態13に係る半導体装置10M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20M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30Mを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態14〉
図136〜図147を用いて、本発明の実施形態14に係る半導体装置10Nの概要について説明する。
図136〜図147を用いて、本発明の実施形態14に係る半導体装置10Nの概要について説明する。
[半導体装置10Nの構造]
図136及び図137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及び断面図である。図136及び図137に示すように、半導体装置10Nは、基板100N、下地絶縁層110N、下部電極120N、絶縁層130N、上部電極140N、酸化物半導体層160N、ゲート絶縁層170N、ゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nを有する。
図136及び図137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及び断面図である。図136及び図137に示すように、半導体装置10Nは、基板100N、下地絶縁層110N、下部電極120N、絶縁層130N、上部電極140N、酸化物半導体層160N、ゲート絶縁層170N、ゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nを有する。
開口部139Nは下部電極120N、絶縁層130N、及び上部電極140Nに設けられており、下地絶縁層110Nに達している。なお、図137に示すように、下地絶縁層110Nには、開口部139Nによって露出された領域に凹部が設けられている。換言すると、開口部139Nは下地絶縁層110Nを一部開口しており、開口部139Nの底部が下部電極120Nと絶縁層130Nとの界面よりも基板100N側に位置している。開口部135Nは絶縁層130N及びゲート絶縁層170Nに設けられており、下部電極120Nに達している。開口部177Nはゲート絶縁層170Nに設けられており、上部電極140Nに達している。
下地絶縁層110Nは基板100N上に配置されている。下部電極120Nは下地絶縁層110N上に配置されている。絶縁層130Nは下部電極120N上及び下地絶縁層110N上に配置されている。上部電極140Nは絶縁層130N上に配置されている。開口部139Nにおいて、下部電極120Nには電極側壁322Nが設けられており、絶縁層130Nには絶縁層側壁132Nが設けられており、上部電極140Nには電極側壁142Nが設けられている。
酸化物半導体層160Nは開口部139Nの内部に配置され、下部電極120N及び上部電極140Nの各々に接続されている。より詳細に説明すると、酸化物半導体層160Nは下地絶縁層110Nの凹部、電極側壁322N上、絶縁層側壁132N上、及び電極側壁142上に配置されており、開口部139Nにおいて露出された下部電極120Nの電極側壁322Nに接触することで下部電極120Nに接続され、開口部139N内部の電極側壁142N及び上部電極140Nの上面に接触することで上部電極140Nに接続されている。図137では、酸化物半導体層160Nは電極側壁142Nから上部電極140Nの上面まで連続して延びている。
図136に示すように、絶縁層側壁132Nは開口部139Nの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。絶縁層側壁132Nと同様に、電極側壁322N、142Nも開口部139Nの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。
ゲート電極180Nは酸化物半導体層160Nに対向して配置されている。ゲート絶縁層170Nは酸化物半導体層160Nとゲート電極180Nとの間に配置されている。半導体装置10Nにおいて、絶縁層側壁132N上に配置された酸化物半導体層160Nがチャネルとして機能するため、ゲート電極180Nは少なくとも絶縁層側壁132N上に配置された酸化物半導体層160Nに対向して配置されている。また、詳しくは後述するが、開口部139Nの底部におけるゲート絶縁層170Nの上面は、下部電極120Nと絶縁層130Nとの界面よりも下地絶縁層110N側に位置している。
ソース配線190Nは開口部135Nを介して下部電極120Nに接続されている。ドレイン配線192Nは開口部177Nを介して上部電極140Nに接続されている。なお、ソース配線190N及びドレイン配線192Nは機能が逆であってもよい。つまり、配線190Nがドレイン配線として機能し、配線192Nがソース配線として機能してもよい。なお、図137に示すように、ソース配線190N及びドレイン配線192Nは、ゲート電極180Nと同一層で形成されている。ただし、ソース配線190N及びドレイン配線192Nは、ゲート電極180Nとは異なる層で形成してもよい。
[絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nの形状]
ここで、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nの形状について詳細に説明する。図137に示すように、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Nに接する領域において、下部電極120Nの上面は絶縁層130Nで覆われており、絶縁層130Nの上面は上部電極140Nで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。つまり、絶縁層130Nの開口径が下部電極120Nの開口径よりも大きく、下部電極120Nの上面が絶縁層130Nから露出されていてもよい。同様に、上部電極140Nの開口径が絶縁層130Nの開口径よりも大きく、絶縁層130Nの上面が上部電極140Nから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nのテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
ここで、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nの形状について詳細に説明する。図137に示すように、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Nに接する領域において、下部電極120Nの上面は絶縁層130Nで覆われており、絶縁層130Nの上面は上部電極140Nで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。つまり、絶縁層130Nの開口径が下部電極120Nの開口径よりも大きく、下部電極120Nの上面が絶縁層130Nから露出されていてもよい。同様に、上部電極140Nの開口径が絶縁層130Nの開口径よりも大きく、絶縁層130Nの上面が上部電極140Nから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nのテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
また、図137では、絶縁層側壁132N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ない。例えば、絶縁層側壁132Nの断面形状が上方に向かって凸形状の順テーパ形状であってもよく、逆に上方に向かって凹形状の順テーパ形状であってもよい。また、絶縁層側壁132N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。なお、電極側壁142N、322Nについても上記と同様の形状を有することができる。絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nは同様の形状であってもよく、異なる形状であってもよい。
[半導体装置10Nの各部材の材質]
基板100N、下地絶縁層110N、下部電極120N、絶縁層130N、上部電極140N、酸化物半導体層160N、ゲート絶縁層170N、ゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
基板100N、下地絶縁層110N、下部電極120N、絶縁層130N、上部電極140N、酸化物半導体層160N、ゲート絶縁層170N、ゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
以上のように、本発明の実施形態14に係る半導体装置10Nによると、実施形態1と同様に半導体装置10N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。その結果、半導体装置10Nのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。
また、酸化物半導体層160Nが大面積で導電層と接触する構造の場合、導電層と接触している酸化物半導体層160Nの物性が変化してしまうことがある。酸化物半導体層160Nの物性が変化すると、製造工程中に電蝕反応と思われる現象により、酸化物半導体層160Nの一部が消失してしまうことがある。半導体装置10Nによると、酸化物半導体層160Nが下部電極120Nと接触する領域は、電極側壁322Nに限られるため、上記の現象を抑制することができる。なお、図137に示すように、酸化物半導体層160Nが下部電極120Nに接触する面積が小さくても、十分に低い接触抵抗を実現できることが確認されている。
また、半導体装置10Nの構造によると、開口部139Nが下部電極120Nと絶縁層130Nとの界面よりも十分に下地絶縁層110N側まで設けられていることで、絶縁層側壁132における酸化物半導体層160N及びゲート絶縁層170Nの膜厚を均一に形成することができる。その結果、チャネル長方向において、ゲート電圧に基づいて半導体装置10Nに形成される電界を均一化することができ、より急峻なオン/オフを切り替え可能なスイッチング特性を得ることができる。
[半導体装置10Nの動作]
図136及び図137に示す半導体装置10Nの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Nにおいても、ゲート電極180Nにゲート電圧が印加され、下部電極120Nに接続されたソース配線190Nにソース電圧が印加され、上部電極140Nに接続されたドレイン配線192Nにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Nは酸化物半導体層160Nをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Nは酸化物半導体層160Nをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
図136及び図137に示す半導体装置10Nの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Nにおいても、ゲート電極180Nにゲート電圧が印加され、下部電極120Nに接続されたソース配線190Nにソース電圧が印加され、上部電極140Nに接続されたドレイン配線192Nにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Nは酸化物半導体層160Nをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Nは酸化物半導体層160Nをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
[半導体装置10Nの製造方法]
図138〜図147を用いて、本発明の実施形態14に係る半導体装置10N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138〜図147を用いて、本発明の実施形態14に係る半導体装置10N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138及び図139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139に示すように、基板100N上に下地絶縁層110N及び下部電極120Nとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図138に示す下部電極120Nのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120N上に絶縁層130Nを形成する。
図140及び図141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、上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141に示すように、図139に示す基板の全面に上部電極140Nとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図140に示す上部電極140Nのパターンを形成する。
図142及び図143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、上部電極、絶縁層、及び下地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143に示すように、図141に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、上部電極140N、絶縁層130N、及び下部電極120Nを開口し、さらに下地絶縁層110Nに凹部を形成する開口部139Nを形成することで、図142に示す開口部139Nのパターンを形成する。開口部139Nの形成によって、絶縁層側壁132N、電極側壁142N、322Nが形成される。
ここで、開口部139Nの形成は、上部電極140N、絶縁層130N、下部電極120N、及び下地絶縁層110Nを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、上部電極140N、絶縁層130N、下部電極120N、及び下地絶縁層110Nの各々を異なるエッチング条件で処理してもよい。絶縁層側壁132N及び電極側壁142N、322Nをテーパ形状するためのエッチング方法は、実施形態1で説明した絶縁層側壁132と同様の方法で形成することができる。
なお、図143では、開口部139Nの底部が下地絶縁層110Nの膜中に位置するように開口部139Nを形成する製造方法を例示したが、この製造方法に限定されない。例えば、詳細は後述するが、開口部139Nの底部が下部電極120Nの膜中に位置するように開口部139Nを形成してもよい。また、開口部139Nの底部が基板100Nに達するように開口部139Nを形成してもよい。
図144及び図145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145に示すように、図143に示す基板の全面に酸化物半導体層160N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144に示す酸化物半導体層160Nのパターンを形成する。酸化物半導体層160Nの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図146及び図147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、下部電極及び上部電極の各々に達する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147に示すように、図145に示す基板の全面にゲート絶縁層170N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146に示す開口部135N、177Nのパターンを形成する。
そして、図147に示す基板の全面にゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図136及び図137に示すようにゲート電極180N、ソース配線190N、及びドレイン配線192Nのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態14に係る半導体装置10Nを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態14に係る半導体装置10Nの製造方法によると、絶縁層130Nの膜厚、絶縁層側壁132Nのテーパ角、又は絶縁層130Nの膜厚及び絶縁層側壁132Nのテーパ角の両方をナノメートルオーダーで制御することができる。したがって、半導体装置10N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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。また、絶縁層側壁132Nに酸化物半導体層160N及びゲート絶縁層170Nを均一な膜厚で形成することができる。
〈実施形態15〉
図148〜図159を用いて、本発明の実施形態15に係る半導体装置10Pの概要について説明する。半導体装置10Pは、図136及び図137に示す半導体装置10Nと類似しているが、開口部135P及び開口部137Pの形状、並びに開口部137Pの下方にコンタクトパッド122Pが設けられている点において半導体装置10Nとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Nと共通する半導体装置10Pの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図148〜図159を用いて、本発明の実施形態15に係る半導体装置10Pの概要について説明する。半導体装置10Pは、図136及び図137に示す半導体装置10Nと類似しているが、開口部135P及び開口部137Pの形状、並びに開口部137Pの下方にコンタクトパッド122Pが設けられている点において半導体装置10Nとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Nと共通する半導体装置10Pの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Pの構造]
図148及び図149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及び断面図である。図148及び図149に示すように、半導体装置10Pの開口部135P、137Pの各々は下地絶縁層110Pの内部まで達している。また、開口部137Pに対応する領域にはコンタクトパッド122Pが配置され、開口部137Pはコンタクトパッド122Pを貫通するように設けられている。
図148及び図149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及び断面図である。図148及び図149に示すように、半導体装置10Pの開口部135P、137Pの各々は下地絶縁層110Pの内部まで達している。また、開口部137Pに対応する領域にはコンタクトパッド122Pが配置され、開口部137Pはコンタクトパッド122Pを貫通するように設けられている。
また、開口部135Pは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Pにおいて、ゲート絶縁層170Pの開口径は絶縁層130Pの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Pにおけるゲート絶縁層170Pの側壁175Pは、絶縁層130Pの上面に位置しており、絶縁層130Pの上面から上方に向かって延びている。同様に、開口部137Pにおいて、ゲート絶縁層170Pの開口径は上部電極140Pの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部137Pにおけるゲート絶縁層170Pの側壁177Pは、上部電極140Pの上面に位置しており、上部電極140Pの上面から上方に向かって延びている。開口部135P、137Pの形状は半導体装置10Pの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層130Pの開口工程とゲート絶縁層170Pの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135P、137Pのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態15に係る半導体装置10Pによると、半導体装置10Pのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Pと下部電極120Pとが接触する領域における酸化物半導体層160Pの物性変化を抑制することができる。また、半導体装置10Pのドレイン電流を下部電極120P及びコンタクトパッド122Pと同一層の配線、上部電極140Pと同一層の配線、並びにドレイン配線192Pと同一層の配線の少なくとも1つの配線に接続可能である。したがって、配線レイアウトの自由度を向上させることができる。
[半導体装置10Pの製造方法]
図150〜図159を用いて、本発明の実施形態15に係る半導体装置10P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150〜図159を用いて、本発明の実施形態15に係る半導体装置10P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150及び図151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、下部電極及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図151に示すように、基板100P上に下地絶縁層110Pを形成し、その上に下部電極120P及びコンタクトパッド122Pとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図150に示す下部電極120P及びコンタクトパッド122Pのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120P上に絶縁層130Pを形成する。
図152及び図153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、上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153に示すように、図151に示す基板の全面に上部電極140Pとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図152に示す上部電極140Pのパターンを形成する。
図154及び図155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、上部電極、絶縁層、及び下地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155に示すように、図153に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層130P及び下部電極120Pを開口し、下地絶縁層110Pに凹部を形成する開口部135Pと、上部電極140P、絶縁層130P、及びコンタクトパッド122Pを開口し、下地絶縁層110Pに凹部を形成する開口部137Pと、上部電極140P、絶縁層130P、及び下部電極120Pを開口し、下地絶縁層110Pに凹部を形成する開口部139Pと、を形成する。このエッチングによって、図154に示す開口部135P、137P、及び139Pのパターンを形成する。
開口部139Pの形成によって、下部電極120Pの電極側壁322P、絶縁層130Pの絶縁層側壁132P、及び上部電極140Pの電極側壁142Pが形成される。ここで、開口部135P、137P、及び139Pの形成は、上部電極140P、絶縁層130P、及び下部電極120P(又はコンタクトパッド122P)を同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、各層を異なるエッチング条件で処理してもよい。
図156及び図157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157に示すように、図155に示す基板の全面に酸化物半導体層160P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156に示す酸化物半導体層160Pのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Pは開口部139Pの内部に配置され、開口部135P、137Pの酸化物半導体層160Pはエッチングされる。酸化物半導体層160Pの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図158及び図159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、下部電極及び上部電極の各々に達する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159に示すように、図157に示す基板の全面にゲート絶縁層170P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158に示すように、開口部135P、137Pに対応する領域のゲート絶縁層170Pを開口する。このエッチングによって、開口部135Pにおいて下部電極120Pの側壁を露出させ、開口部137Pにおいて上部電極140Pの側壁及びコンタクトパッド122Pの側壁を露出させる。
そして、図159に示す基板の全面にゲート電極180P、ソース配線190P、及びドレイン配線192Pとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図148及び図149に示すようにゲート電極180P、ソース配線190P、及びドレイン配線192Pのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態15に係る半導体装置10Pを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態15に係る半導体装置10Pの製造方法によると、半導体装置10P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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。また、コンタクトパッド122Pが配置されていることで、開口部137P形成時に開口部137P底部の下地絶縁層110Pが過剰にエッチングされることを抑制することができる。また、絶縁層側壁132Pに酸化物半導体層160P及びゲート絶縁層170Pを均一な膜厚で形成することができる。
〈実施形態16〉
図160〜図171を用いて、本発明の実施形態16に係る半導体装置10Rの概要について説明する。半導体装置10Rは、短チャネル長の第1トランジスタ20R及び長チャネル長の第2トランジスタ30Rを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Rは、図136及び図137に示す実施形態14の半導体装置10Nと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Rの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Rについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図160〜図171を用いて、本発明の実施形態16に係る半導体装置10Rの概要について説明する。半導体装置10Rは、短チャネル長の第1トランジスタ20R及び長チャネル長の第2トランジスタ30Rを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Rは、図136及び図137に示す実施形態14の半導体装置10Nと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Rの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Rについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30Rの構造]
図160及び図161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及び断面図である。図160及び図161に示すように、第2トランジスタ30Rは、基板100R、下地絶縁層110R、下部電極220R、バックゲート222R、コンタクトパッド224R、絶縁層230R、上部電極240R、酸化物半導体層260R、ゲート絶縁層270R、ゲート電極280R、ソース配線290R、及びドレイン配線292Rを有する。基板100R及び下地絶縁層110Rは、第1トランジスタ20R及び第2トランジスタ30Rで共通であり、第1トランジスタ20Rから第2トランジスタ30Rまで連続して延びている。
図160及び図161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及び断面図である。図160及び図161に示すように、第2トランジスタ30Rは、基板100R、下地絶縁層110R、下部電極220R、バックゲート222R、コンタクトパッド224R、絶縁層230R、上部電極240R、酸化物半導体層260R、ゲート絶縁層270R、ゲート電極280R、ソース配線290R、及びドレイン配線292Rを有する。基板100R及び下地絶縁層110Rは、第1トランジスタ20R及び第2トランジスタ30Rで共通であり、第1トランジスタ20Rから第2トランジスタ30Rまで連続して延びている。
開口部235Rは絶縁層230R及びゲート絶縁層270Rに設けられており、下部電極220Rに達している。開口部239Rは絶縁層230R及び下部電極220Rに設けられており、下地絶縁層110Rに凹部を形成している。開口部236Rは上部電極240R、絶縁層230R、及びコンタクトパッド224Rに設けられており、下地絶縁層110Rに凹部を形成している。開口部277Rはゲート絶縁層270Rに設けられており、上部電極240Rに達している。
下部電極220R、バックゲート222R、及びコンタクトパッド224Rは下地絶縁層110R上に配置されている。絶縁層230Rは下部電極220R上、バックゲート222R上、コンタクトパッド224R上、及び下地絶縁層110R上に配置されている。上部電極240Rは絶縁層230R上に配置されており、平面視において下部電極220Rから離隔して配置されている。酸化物半導体層260Rは、下部電極220Rと上部電極240Rとの間の領域において、絶縁層230R上に配置されている。また、酸化物半導体層260Rは開口部239Rを介して下部電極220Rに接続され、上部電極240Rに乗り上げるようにして、上部電極240Rの側面及び上面で上部電極240Rに接続されている。また、酸化物半導体層260Rは開口部236Rを介してコンタクトパッド224Rにも接続されている。
バックゲート222Rは絶縁層230Rを介して酸化物半導体層260Rと対向している。換言すると、バックゲート222Rは酸化物半導体層260Rとゲート電極280Rとが対向する領域の少なくとも一部の領域において、酸化物半導体層260Rに対してゲート電極280Rとは反対側に配置されている。また、絶縁層230Rは酸化物半導体層260Rとバックゲート222Rとの間に配置されている。なお、バックゲート222Rは省略されてもよい。
ゲート電極280Rは、下部電極220Rと上部電極240Rとの間の領域において、酸化物半導体層260Rに対向して配置されている。ゲート絶縁層270Rは酸化物半導体層260Rとゲート電極280Rとの間に配置されている。第2トランジスタ30Rにおいて、下部電極220Rと上部電極240Rとの間の領域の酸化物半導体層260Rがチャネルとして機能する。
ソース配線290Rは開口部235Rを介して下部電極220Rに接続されている。ドレイン配線292Rは開口部277Rを介して上部電極240Rに接続されている。なお、ソース配線290R及びドレイン配線292Rは機能が逆であってもよい。つまり、配線290Rがドレイン配線として機能し、配線292Rがソース配線として機能してもよい。
ここで、第1トランジスタ20R及び第2トランジスタ30Rの各層の関係について説明する。下部電極220R、バックゲート222R、及びコンタクトパッド224Rは下部電極120Rと同一層であり、いずれも下地絶縁層110Rと接して配置されている。絶縁層230Rは絶縁層130Rと同一層であり、絶縁層230Rは絶縁層130Rと連続している。同様に、上部電極140R及び上部電極240R、酸化物半導体層160R及び酸化物半導体層260R、ゲート絶縁層170R及びゲート絶縁層270R、ゲート電極180R及びゲート電極280R、ソース配線190R及びソース配線290R、並びにドレイン配線192R及びドレイン配線292Rはそれぞれ同一層である。
[第2トランジスタ30Rの動作]
図160及び図161に示す第2トランジスタ30Rの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30Rにおいても、ゲート電極280Rにゲート電圧が印加され、下部電極220Rに接続されたソース配線290Rにソース電圧が印加され、上部電極240Rに接続されたドレイン配線292Rにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220Rは酸化物半導体層260Rをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240Rは酸化物半導体層260Rをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222Rには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30Rのしきい値(Vth)を制御する。
図160及び図161に示す第2トランジスタ30Rの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30Rにおいても、ゲート電極280Rにゲート電圧が印加され、下部電極220Rに接続されたソース配線290Rにソース電圧が印加され、上部電極240Rに接続されたドレイン配線292Rにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220Rは酸化物半導体層260Rをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240Rは酸化物半導体層260Rをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222Rには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30Rのしきい値(Vth)を制御する。
[第2トランジスタ30Rの製造方法]
図162〜図171を用いて、本発明の実施形態16に係る半導体装置10Rの第2トランジスタ30R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。なお、第1トランジスタ20Rの製造方法は実施形態14の半導体装置10Nの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図162〜図171を用いて、本発明の実施形態16に係る半導体装置10Rの第2トランジスタ30R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。なお、第1トランジスタ20Rの製造方法は実施形態14の半導体装置10Nの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図162及び図163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、バックゲート、及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図163に示すように、基板100R上に下地絶縁層110Rを形成し、その上に下部電極220R、バックゲート222R、及びコンタクトパッド224Rとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図162に示す下部電極220R、バックゲート222R、及びコンタクトパッド224Rのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220R上、バックゲート222R上、及びコンタクトパッド224R上に絶縁層230Rを形成する。ここで、下部電極220R、バックゲート222R、及びコンタクトパッド224Rのエッチングは、下部電極120Rと同様の条件で処理する。
図164及び図165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、上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165に示すように、図163に示す基板の全面に上部電極240Rとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図164に示す上部電極240Rのパターンを形成する。ここで、上部電極240Rのエッチングは、上部電極140Rと同様の条件で処理する。
図166及び図167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、上部電極、絶縁層、及び下地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167に示すように、図165に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230R及び下部電極220Rを開口し、さらに下地絶縁層110Rに凹部を形成する開口部239Rと、上部電極240R、絶縁層230R、及びコンタクトパッド224Rを開口し、さらに下地絶縁層110Rに凹部を形成する開口部236Rとを形成することで、図166に示す開口部236R、239Rのパターンを形成する。ここで、開口部236R、239Rのエッチングは、開口部139Rと同様の条件で処理する。
図168及び図169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169に示すように、図167に示す基板の全面に酸化物半導体層260R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168に示す酸化物半導体層260Rのパターンを形成する。酸化物半導体層260Rの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図170及び図171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、下部電極及び上部電極の各々に達する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171に示すように、図169に示す基板の全面にゲート絶縁層270R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170に示す開口部235R、238R、277Rのパターンを形成する。ここで、開口部235R、238R、277Rのエッチングは、開口部135R、177Rのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図171に示す基板の全面にゲート電極280R、ソース配線290R、及びドレイン配線292Rとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図160及び図161に示すようにゲート電極280R、ソース配線290R、及びドレイン配線292Rのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態16に係る第2トランジスタ30Rを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態16に係る半導体装置10R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20R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30Rを同一の製造方法で形成することができる。
〈実施形態17〉
図172〜図183を用いて、本発明の実施形態17に係る半導体装置10Sの概要について説明する。半導体装置10Sは、短チャネル長の第1トランジスタ20S及び長チャネル長の第2トランジスタ30Sを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Sは実施形態15の半導体装置10Pと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Sの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Sについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Pと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図172〜図183を用いて、本発明の実施形態17に係る半導体装置10Sの概要について説明する。半導体装置10Sは、短チャネル長の第1トランジスタ20S及び長チャネル長の第2トランジスタ30Sを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Sは実施形態15の半導体装置10Pと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Sの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Sについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Pと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30Sは、図160及び図161に示す第2トランジスタ30Rと類似しているが、開口部235S、237Sの形状において第2トランジスタ30Rとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30Rと共通する第2トランジスタ30Sの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30Sの構造]
図172及び図173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及び断面図である。図172及び図173に示すように、第2トランジスタ30Sの開口部235S、237Sの各々は下地絶縁層110Sの内部まで達している。
図172及び図173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及び断面図である。図172及び図173に示すように、第2トランジスタ30Sの開口部235S、237Sの各々は下地絶縁層110Sの内部まで達している。
また、開口部235Sは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235Sにおいて、ゲート絶縁層270Sの開口径は絶縁層230Sの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235Sにおけるゲート絶縁層270Sの側壁275Sは、絶縁層230Sの上面に位置しており、絶縁層230Sの上面から上方に向かって延びている。開口部235Sの形状は第2トランジスタ30Sの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層230Sの開口工程とゲート絶縁層270Sの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235Sのような形状になる。
[第2トランジスタ30Sの製造方法]
図174〜図183を用いて、本発明の実施形態17に係る半導体装置10Sの第2トランジスタ30S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174〜図183を用いて、本発明の実施形態17に係る半導体装置10Sの第2トランジスタ30S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174及び図175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、バックゲート、及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図175に示すように、基板100S上に下地絶縁層110Sを形成し、その上に下部電極220S、バックゲート222S、及びコンタクトパッド224Sとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図174に示す下部電極220S、バックゲート222S、及びコンタクトパッド224Sのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220S上、バックゲート222S上、及びコンタクトパッド224S上に絶縁層230Sを形成する。ここで、下部電極220S、バックゲート222S、及びコンタクトパッド224Sのエッチングは、下部電極120S及びコンタクトパッド122Sと同様の条件で処理する。
図176及び図177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、上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177に示すように、図175に示す基板の全面に上部電極240Sとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図176に示す上部電極240Sのパターンを形成する。ここで、上部電極240Sのエッチングは、上部電極140Sと同様の条件で処理する。
図178及び図179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、上部電極、絶縁層、及び下地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179に示すように、図177に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230S及び下部電極220Sを開口し、下地絶縁層110Sに凹部を形成する開口部235S、239Sと、上部電極240S、絶縁層230S、及びコンタクトパッド224Sを開口し、下地絶縁層110Sに凹部を形成する開口部236Sと、上部電極240S及び絶縁層230Sを開口し、下地絶縁層110Sに凹部を形成する開口部237Sと、を形成する。このエッチングによって、図178に示す開口部235S、236S、237S、238S、239Sのパターンを形成する。ここで、開口部235S、236S、237S、238S、239Sのエッチングは、開口部135S、137S、139Sと同様の条件で処理する。
図180及び図181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181に示すように、図179に示す基板の全面に酸化物半導体層260S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180に示す酸化物半導体層260Sのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260Sは開口部236S、239Sの内部に配置され、開口部235S、237S、238Sの酸化物半導体層260Sはエッチングされる。酸化物半導体層260Sの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図182及び図183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、下部電極及び上部電極の各々に達する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183に示すように、図181に示す基板の全面にゲート絶縁層270S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182に示すように、開口部235S、237S、238Sに対応する領域のゲート絶縁層270Sを開口する。このエッチングによって、開口部235Sにおいて下部電極220Sの側壁を露出させ、開口部237Sにおいて上部電極240Sの側壁を露出させる。ここで、開口部235S、237S、238Sに対応する領域のゲート絶縁層270Sのエッチングは、開口部135S及び開口部137Sに対応する領域のゲート絶縁層170Sのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図183に示す基板の全面にゲート電極280S、ソース配線290S、及びドレイン配線292Sとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図172及び図173に示すようにゲート電極280S、ソース配線290S、及びドレイン配線292Sのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態17に係る半導体装置10Sを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態17に係る半導体装置10S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20S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30Sを同一の製造方法で形成することができる。
[実施形態14〜17における開口部139Tの構造]
図184Aを用いて、実施形態14〜17における開口部の構造について説明する。特に、図184Aに示すように、下地絶縁層110Tに達する開口部139Tの底部と絶縁層130Tとの位置関係について説明する。図184Aは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の開口部の構造を示す断面図である。図184Aに示すように、開口部139Tの底部におけるゲート絶縁層170Tの上面375Tは、下部電極120Tと絶縁層130Tとの界面325Tよりも下地絶縁層110T側に位置している。
図184Aを用いて、実施形態14〜17における開口部の構造について説明する。特に、図184Aに示すように、下地絶縁層110Tに達する開口部139Tの底部と絶縁層130Tとの位置関係について説明する。図184Aは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の開口部の構造を示す断面図である。図184Aに示すように、開口部139Tの底部におけるゲート絶縁層170Tの上面375Tは、下部電極120Tと絶縁層130Tとの界面325Tよりも下地絶縁層110T側に位置している。
スパッタリング法又はCVD法を用いて開口部の内部に酸化物半導体層160T又はゲート絶縁層170Tを成膜する場合、開口底部の周縁部315Tにおいて酸化物半導体層160T及びゲート絶縁層170Tの膜厚が不均一になる問題が生じる場合がある。図184Aに示す構造では、絶縁層側壁132T上に配置された酸化物半導体層160Tがチャネルとして機能する。図184Aでは、周縁部315Tが絶縁層側壁132Tの下端(界面325Tに相当する)よりも下地絶縁層110T側に位置しているため、絶縁層側壁132Tには均一な膜厚の酸化物半導体層160T及びゲート絶縁層170Tを形成することができる。
図184Bを用いて、実施形態14〜17における開口部139Tの構造の変形例について説明する。図184Bは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の開口部の構造を示す断面図である。図184Bでは、開口部139Tは絶縁層130Tを開口し、下部電極120Tに凹部を形成している。酸化物半導体層160Tは電極側壁142T、絶縁層側壁132T、及び電極側壁122Tを含む下部電極120Tの凹部に配置されている。この場合においても、開口部139Tの底部におけるゲート絶縁層170Tの上面375Tは、下部電極120Tと絶縁層130Tとの界面325Tよりも下地絶縁層110T側に位置している。
図184Bに示す開口部139Tを有する半導体装置の構造を換言すると、半導体装置は、下地絶縁層110Tと、下地絶縁層110T上の下部電極120Tと、下部電極120T上の絶縁層130Tと、絶縁層130T上の上部電極140Tと、開口部139Tの内部及び開口部139Tの底部に対応する領域に設けられた下部電極120Tの凹部に配置され、下部電極120T及び上部電極140Tに接続された酸化物半導体層160Tと、を有する、ということもできる。
なお、図184Bに示した構造は、上記の実施形態14〜17の他にも、以下の実施形態において、開口部139Tに相当する開口部が下部電極120Tを開口して下地絶縁層110Tに凹部を形成する構造に適用することができる。
〈実施形態18〉
図185A〜図194を用いて、本発明の実施形態18に係る半導体装置10Uの概要について説明する。半導体装置10Uは、図136及び図137に示す半導体装置10Nと類似しているが、開口部139Uの形状が139Nとは異なる点において半導体装置10Nとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Nと共通する半導体装置10Uの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図185A〜図194を用いて、本発明の実施形態18に係る半導体装置10Uの概要について説明する。半導体装置10Uは、図136及び図137に示す半導体装置10Nと類似しているが、開口部139Uの形状が139Nとは異なる点において半導体装置10Nとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Nと共通する半導体装置10Uの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Nと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Uの構造]
図185A及び図185B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及び断面図である。図185A及び図185Bに示すように、半導体装置10Uの下部電極120U、絶縁層130U、及び上部電極140Uに設けられた開口部139Uは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139Uにおいて、絶縁層130Uの開口径は下部電極120Uの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139Uに接する領域において、下部電極120Uの上面の一部は絶縁層130Uから露出されている。また、換言すると、絶縁層130Uの側壁132Uは、下部電極120Uの上面に位置しており、下部電極120Uの上面から上方に向かって延びている。開口部139Uの形状は半導体装置10Uの製造方法によるものである。具体的には、下部電極120U及び上部電極140Uの開口工程と絶縁層130Uの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139Uのような形状になる。
図185A及び図185B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及び断面図である。図185A及び図185Bに示すように、半導体装置10Uの下部電極120U、絶縁層130U、及び上部電極140Uに設けられた開口部139Uは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139Uにおいて、絶縁層130Uの開口径は下部電極120Uの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139Uに接する領域において、下部電極120Uの上面の一部は絶縁層130Uから露出されている。また、換言すると、絶縁層130Uの側壁132Uは、下部電極120Uの上面に位置しており、下部電極120Uの上面から上方に向かって延びている。開口部139Uの形状は半導体装置10Uの製造方法によるものである。具体的には、下部電極120U及び上部電極140Uの開口工程と絶縁層130Uの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139Uのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態18に係る半導体装置10Uによると、半導体装置10Uのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Uが下部電極120Uに接触する面積を制限することができるため、酸化物半導体層160Uと下部電極120Uとが接触する領域における酸化物半導体層160Uの広範囲の物性変化を抑制することができる。
[半導体装置10Uの製造方法]
図186A〜図194を用いて、本発明の実施形態18に係る半導体装置10U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186A〜図194を用いて、本発明の実施形態18に係る半導体装置10U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186A及び図186B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186Bに示すように、基板100U上に下地絶縁層110U及び下部電極120Uとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図186Aに示す電極側壁322Uによって囲まれた開口部が設けられた下部電極120Uのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120U上に絶縁層130Uを形成する。
図187及び図188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、上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188に示すように、図186Bに示す基板の全面に上部電極140Uとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図187に示すように、電極側壁142Uによって囲まれた開口部が設けられた上部電極140Uのパターンを形成する。ここで、電極側壁142Uが電極側壁322Uを囲むように下部電極120Uに対する上部電極140Uの位置が調整される。
図189及び図190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、絶縁層及び下地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190に示すように、図188に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、上部電極140Uをマスクとして絶縁層130Uを開口し、下部電極120Uをマスクとして下地絶縁層110Uに凹部を形成することで、図189に示す開口部139Uのパターンを形成する。具体的には、上部電極140Uから露出された絶縁層130Uのうち、開口部を形成する領域以外をマスクするレジストを形成してエッチングする。このエッチングによって、電極側壁142Uによって囲まれた領域の絶縁層130U、及び電極側壁322Uによって囲まれた領域の下地絶縁層110Uがエッチングされる。このようにして、開口部139Uを形成する。
この工程では絶縁層だけをエッチングすればよいため、絶縁層130U及び下地絶縁層110Uを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングすることができる。なお、この工程におけるエッチング条件は、絶縁層130U及び下地絶縁層110Uのエッチングレートと、上部電極140U及び下部電極120Uのエッチングレートとの選択比が大きいエッチング条件を用いることができる。この工程では、上部電極140U及び下部電極120Uが露出されればよいので、エッチング中のプラズマをモニタし、当該プラズマ中において検出される上部電極140U及び下部電極120Uに起因する信号に基づいてエッチングのエンドポイントを設定してもよい。
図191及び図192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192に示すように、図190に示す基板の全面に酸化物半導体層160U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191に示す酸化物半導体層160Uのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Uは開口部139Uの内部に配置される。酸化物半導体層160Uの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図193及び図194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、下部電極及び上部電極の各々に達する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194に示すように、図192に示す基板の全面にゲート絶縁層170U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193に示す開口部135U、177Uのパターンを形成する。
そして、図194に示す基板の全面にゲート電極180U、ソース配線190U、及びドレイン配線192Uとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図185A及び図185Bに示すようにゲート電極180U、ソース配線190U、及びドレイン配線192Uのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態18に係る半導体装置10Uを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態18に係る半導体装置10Uの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態19〉
図195〜図202を用いて、本発明の実施形態19に係る半導体装置10Vの概要について説明する。半導体装置10Vは、図185A及び図185Bに示す半導体装置10Uと類似しているが、開口部135Vの形状において半導体装置10Uとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Uと共通する半導体装置10Vの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Uと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図195〜図202を用いて、本発明の実施形態19に係る半導体装置10Vの概要について説明する。半導体装置10Vは、図185A及び図185Bに示す半導体装置10Uと類似しているが、開口部135Vの形状において半導体装置10Uとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Uと共通する半導体装置10Vの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Uと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Vの構造]
図195及び図196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及び断面図である。図195及び図196に示すように、半導体装置10Vの絶縁層130V及びゲート絶縁層170Vに設けられた開口部135Vは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Vにおいて、ゲート絶縁層170Vの開口径は絶縁層130Vの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Vにおけるゲート絶縁層170Vの側壁175Vは、絶縁層150Vの上面に位置しており、絶縁層150Vの上面から上方に向かって延びている。開口部135Vの形状は半導体装置10Vの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層130Vの開口工程とゲート絶縁層170Vの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135Vのような形状になる。
図195及び図196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及び断面図である。図195及び図196に示すように、半導体装置10Vの絶縁層130V及びゲート絶縁層170Vに設けられた開口部135Vは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Vにおいて、ゲート絶縁層170Vの開口径は絶縁層130Vの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Vにおけるゲート絶縁層170Vの側壁175Vは、絶縁層150Vの上面に位置しており、絶縁層150Vの上面から上方に向かって延びている。開口部135Vの形状は半導体装置10Vの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層130Vの開口工程とゲート絶縁層170Vの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135Vのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態19に係る半導体装置10Vによると、半導体装置10Vのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Vと下部電極120Vとが接触する領域における酸化物半導体層160Vの広範囲の物性変化を抑制することができる。
[半導体装置10Vの製造方法]
図197〜図202を用いて、本発明の実施形態19に係る半導体装置10V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197〜図202を用いて、本発明の実施形態19に係る半導体装置10V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197及び図198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。実施形態18の図186A〜図188に示した製造方法と同様の方法で電極側壁142Vを有する上部電極140V及び電極側壁322Vを有する下部電極120Vを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部135V、139Vを形成する。
図199及び図200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200に示すように、図198に示す基板の全面に酸化物半導体層160V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199に示す酸化物半導体層160Vのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Vは開口部139Vの内部に配置され、開口部135Vの酸化物半導体層160Vはエッチングされる。酸化物半導体層160Vの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図201及び図202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、下部電極及び上部電極の各々に達する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202に示すように、図200に示す基板の全面にゲート絶縁層170V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201に示すように、開口部135V、177Vに対応する領域のゲート絶縁層170Vを開口する。このエッチングによって、開口部135Vにおいて下部電極120Vを露出させ、開口部177Vにおいて上部電極140Vを露出させる。
そして、図202に示す基板の全面にゲート電極180V、ソース配線190V、及びドレイン配線192Vとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図195及び図196に示すようにゲート電極180V、ソース配線190V、及びドレイン配線192Vのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態19に係る半導体装置10Vを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態19に係る半導体装置10Vの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。また、絶縁層側壁132Vに酸化物半導体層160V及びゲート絶縁層170Vを均一な膜厚で形成することができる。
〈実施形態20〉
図203〜図214を用いて、本発明の実施形態20に係る半導体装置10Wの概要について説明する。半導体装置10Wは、短チャネル長の第1トランジスタ20W及び長チャネル長の第2トランジスタ30Wを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Wは、図185A及び図185Bに示す実施形態18の半導体装置10Uと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Wの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Wについて説明する。
図203〜図214を用いて、本発明の実施形態20に係る半導体装置10Wの概要について説明する。半導体装置10Wは、短チャネル長の第1トランジスタ20W及び長チャネル長の第2トランジスタ30Wを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Wは、図185A及び図185Bに示す実施形態18の半導体装置10Uと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Wの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Wについて説明する。
第2トランジスタ30Wは、図160及び図161に示す第2トランジスタ30Rと類似しているが、開口部239Wの形状が異なる点、及び第2トランジスタ30Rの開口部236Rが設けられていない点において第2トランジスタ30Rとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Rと共通する半導体装置10Wの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Rと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30Wの構造]
図203及び図204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及び断面図である。図203及び図204に示すように、第2トランジスタ30Wの開口部239Wは、第1トランジスタ20Wの開口部139Wと同様に、開口部側壁の断面形状が階段状である。また、第2トランジスタ30Wは、図161に示す第2トランジスタ30Rの開口部236R及びコンタクトパッド224Rが設けられておらず、酸化物半導体層260Wは上部電極240Wに乗り上げるようにして、上部電極240Wの側面及び上面で上部電極240Wに接続されている。ただし、第2トランジスタ30Wにおいても、第2トランジスタ30Rに示す開口部236R及びコンタクトパッド224Rが設けられていてもよい。
図203及び図204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及び断面図である。図203及び図204に示すように、第2トランジスタ30Wの開口部239Wは、第1トランジスタ20Wの開口部139Wと同様に、開口部側壁の断面形状が階段状である。また、第2トランジスタ30Wは、図161に示す第2トランジスタ30Rの開口部236R及びコンタクトパッド224Rが設けられておらず、酸化物半導体層260Wは上部電極240Wに乗り上げるようにして、上部電極240Wの側面及び上面で上部電極240Wに接続されている。ただし、第2トランジスタ30Wにおいても、第2トランジスタ30Rに示す開口部236R及びコンタクトパッド224Rが設けられていてもよい。
[第2トランジスタ30Wの製造方法]
図205〜図214を用いて、本発明の実施形態20に係る半導体装置10Wの第2トランジスタ30W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。なお、第1トランジスタ20Wの製造方法は実施形態18の半導体装置10Uの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図205〜図214を用いて、本発明の実施形態20に係る半導体装置10Wの第2トランジスタ30W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。なお、第1トランジスタ20Wの製造方法は実施形態18の半導体装置10Uの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図205及び図206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、下部電極及びバックゲートを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図206に示すように、基板100W上に下地絶縁層110Wを形成し、その上に下部電極220W及びバックゲート222Wとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図205に示す開口部229Wが設けられた下部電極220W及びバックゲート222Wのパターンを形成する。ここで、下部電極220W及びバックゲート222Wのエッチングは、下部電極120Wと同様の条件で処理する。
図207及び図208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、上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208に示すように、図206に示す基板の全面に上部電極240Wとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図207に示す上部電極240Wのパターンを形成する。
図209及び図210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210に示すように、図208に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230Wを開口し、さらに下地絶縁層110Wに凹部を形成する開口部239Wを形成する。このエッチングによって図209に示す開口部239Wのパターンを形成する。具体的には、上部電極240Wから露出された絶縁層230Wのうち、開口部239Wを形成する領域以外をマスクするレジストを形成してエッチングする。なお、図209及び図210では、絶縁層230Wに設けられた開口部と下部電極220Wに設けられた開口部とを併せて開口部239Wとして表示している。ここで、開口部239Wのエッチングは、開口部139Wと同様の条件で処理する。
図211及び図212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212に示すように、図210に示す基板の全面に酸化物半導体層260W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211に示す酸化物半導体層260Wのパターンを形成する。酸化物半導体層260Wの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図213及び図214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、下部電極及び上部電極の各々に達する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214に示すように、図212に示す基板の全面にゲート絶縁層270W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213に示す開口部235W、238W、277Wのパターンを形成する。ここで、開口部235W、238W、277Wのエッチングは、開口部135W、157Wのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図214に示す基板の全面にゲート電極280W、ソース配線290W、及びドレイン配線292Wとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図203及び図204に示すようにゲート電極280W、ソース配線290W、及びドレイン配線292Wのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態20に係る第2トランジスタ30Wを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態20に係る半導体装置10W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20W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30Wを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態21〉
図215〜図222を用いて、本発明の実施形態21に係る半導体装置10Xの概要について説明する。半導体装置10Xは、短チャネル長の第1トランジスタ20X及び長チャネル長の第2トランジスタ30Xを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Xは、図195及び図196に示す実施形態19の半導体装置10Vと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Xの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Xについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Vと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図215〜図222を用いて、本発明の実施形態21に係る半導体装置10Xの概要について説明する。半導体装置10Xは、短チャネル長の第1トランジスタ20X及び長チャネル長の第2トランジスタ30Xを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20Xは、図195及び図196に示す実施形態19の半導体装置10Vと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20Xの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30Xについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Vと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30Xは、図203及び図204に示す第2トランジスタ30Wと類似しているが、開口部235Xの形状において第2トランジスタ30Wとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30Wと共通する第2トランジスタ30Xの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30Xの構造]
図215及び図216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及び断面図である。図215及び図216に示すように、第2トランジスタ30Xの絶縁層230X及びゲート絶縁層270Xに設けられた開口部235Xは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235Xにおいて、ゲート絶縁層270Xの開口径は絶縁層230Xの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235Xにおけるゲート絶縁層270Xの側壁275Xは、絶縁層230Xの上面に位置しており、絶縁層230Xの上面から上方に向かって延びている。開口部235Xの形状は第2トランジスタ30Xの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層230Xの開口工程とゲート絶縁層270Xの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235Xのような形状になる。
図215及び図216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及び断面図である。図215及び図216に示すように、第2トランジスタ30Xの絶縁層230X及びゲート絶縁層270Xに設けられた開口部235Xは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235Xにおいて、ゲート絶縁層270Xの開口径は絶縁層230Xの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235Xにおけるゲート絶縁層270Xの側壁275Xは、絶縁層230Xの上面に位置しており、絶縁層230Xの上面から上方に向かって延びている。開口部235Xの形状は第2トランジスタ30Xの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層230Xの開口工程とゲート絶縁層270Xの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235Xのような形状になる。
[第2トランジスタ30Xの製造方法]
図217〜図222を用いて、本発明の実施形態21に係る半導体装置10Xの第2トランジスタ30X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217〜図222を用いて、本発明の実施形態21に係る半導体装置10Xの第2トランジスタ30X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217及び図218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。実施形態20の図205〜図208に示した製造方法と同様の方法で下部電極220X及び上部電極240Xを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部235X、238X、239Xを形成する。
図219及び図220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220に示すように、図218に示す基板の全面に酸化物半導体層260X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219に示す酸化物半導体層260Xのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260Xは開口部239Xの内部に配置され、開口部235X、238Xの酸化物半導体層260Xはエッチングされる。酸化物半導体層260Xの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図221及び図222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、下部電極及び上部電極の各々に達する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222に示すように、図220に示す基板の全面にゲート絶縁層270X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221に示すように、開口部235X、238X、277Xに対応する領域のゲート絶縁層270Xを開口する。このエッチングによって、開口部235Xにおいて下部電極220Xを露出させ、開口部277Xにおいて上部電極240Xを露出させる。
そして、図222に示す基板の全面にゲート電極280X、ソース配線290X、及びドレイン配線292Xとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図215及び図216に示すようにゲート電極280X、ソース配線290X、及びドレイン配線292Xのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態21に係る半導体装置10Xを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態21に係る半導体装置10X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20X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30Xを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態22〉
図223〜図234を用いて、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Yの概要について説明する。
図223〜図234を用いて、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Yの概要について説明する。
[半導体装置10Yの構造]
図223及び図224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及び断面図である。図223及び図224に示すように、半導体装置10Yは、基板100Y、下地絶縁層110Y、下部電極120Y、絶縁層130Y、上部電極140Y、絶縁層150Y、酸化物半導体層160Y、ゲート絶縁層170Y、ゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yを有する。
図223及び図224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及び断面図である。図223及び図224に示すように、半導体装置10Yは、基板100Y、下地絶縁層110Y、下部電極120Y、絶縁層130Y、上部電極140Y、絶縁層150Y、酸化物半導体層160Y、ゲート絶縁層170Y、ゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yを有する。
開口部139Yは下部電極120Y、絶縁層130Y、上部電極140Y、及び絶縁層150Yに設けられており、下地絶縁層110Yに達している。なお、図224に示すように、下地絶縁層110Yには、開口部139Yによって露出された領域に凹部が設けられている。換言すると、開口部139Yは下地絶縁層110Yを一部開口しており、開口部139Yの底部が下部電極120Yと絶縁層130Yとの界面よりも基板100Y側に位置している。開口部135Yは絶縁層130Y、150Y及びゲート絶縁層170Yに設けられており、下部電極120Yに達している。開口部157Yは絶縁層150Y及びゲート絶縁層170Yに設けられており、上部電極140Yに達している。
下地絶縁層110Yは基板100Y上に配置されている。下部電極120Yは下地絶縁層110Y上に配置されている。絶縁層130Yは下部電極120Y上及び下地絶縁層110Y上に配置されている。上部電極140Yは絶縁層130Y上に配置されている。絶縁層150Yは上部電極140Y上及び絶縁層130Y上に配置されている。開口部139Yにおいて、下部電極120Yには電極側壁322Yが設けられており、絶縁層130Yには絶縁層側壁132Yが設けられており、上部電極140Yには電極側壁142Yが設けられており、絶縁層150Yには絶縁層側壁152Yが設けられている。
酸化物半導体層160Yは開口部139Yの内部に配置され、下部電極120Y及び上部電極140Yの各々に接続されている。より詳細に説明すると、酸化物半導体層160Yは下地絶縁層110Yの凹部、電極側壁322Y上、絶縁層側壁132Y上、電極側壁142上、及び絶縁層側壁152Y上に配置されており、開口部139Yにおいて露出された下部電極120Yの電極側壁322Yに接触することで下部電極120Yに接続され、開口部139Y内部の電極側壁142Yに接触することで上部電極140Yに接続されている。図224では、酸化物半導体層160Yは絶縁層側壁152Yから絶縁層150Yの上面まで連続して延びている。つまり、酸化物半導体層160Yは絶縁層150Y上に配置されている。
図223に示すように、絶縁層側壁132Yは開口部139Yの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。絶縁層側壁132Yと同様に、電極側壁322Y、142Y、及び絶縁層側壁152Yも開口部139Yの形状に沿って四角形の閉じた形状を有している。
ゲート電極180Yは酸化物半導体層160Yに対向して配置されている。ゲート絶縁層170Yは酸化物半導体層160Yとゲート電極180Yとの間に配置されている。半導体装置10Yにおいて、絶縁層側壁132Y上に配置された酸化物半導体層160Yがチャネルとして機能するため、ゲート電極180Yは少なくとも絶縁層側壁132Y上に配置された酸化物半導体層160Yに対向して配置されている。また、開口部139Yの底部におけるゲート絶縁層170Yの上面は、下部電極120Yと絶縁層130Yとの界面よりも下地絶縁層110Y側に位置している。
ソース配線190Yは開口部135Yを介して下部電極120Yに接続されている。ドレイン配線192Yは開口部157Yを介して上部電極140Yに接続されている。なお、ソース配線190Y及びドレイン配線192Yは機能が逆であってもよい。つまり、配線190Yがドレイン配線として機能し、配線192Yがソース配線として機能してもよい。なお、図224に示すように、ソース配線190Y及びドレイン配線192Yは、ゲート電極180Yと同一層で形成されている。ただし、ソース配線190Y及びドレイン配線192Yは、ゲート電極180Yとは異なる層で形成してもよい。
[絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yの形状]
ここで、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yの形状について詳細に説明する。図224に示すように、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Yに接する領域において、下地絶縁層110Yの上面は下部電極120Yで覆われており、下部電極120Yの上面は絶縁層130Yで覆われており、絶縁層130Yの上面は上部電極140Yで覆われており、上部電極140Yの上面は絶縁層150Yで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。例えば、絶縁層130Yの開口径が下部電極120Yの開口径よりも大きく、下部電極120Yの上面が絶縁層130Yから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yのテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
ここで、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yの形状について詳細に説明する。図224に示すように、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yの形状はともに順テーパ形状である。また、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yのテーパ形状は連続している。つまり、開口部139Yに接する領域において、下地絶縁層110Yの上面は下部電極120Yで覆われており、下部電極120Yの上面は絶縁層130Yで覆われており、絶縁層130Yの上面は上部電極140Yで覆われており、上部電極140Yの上面は絶縁層150Yで覆われている。ただし、これらの側壁のテーパ形状は必ずしも連続している必要はない。例えば、絶縁層130Yの開口径が下部電極120Yの開口径よりも大きく、下部電極120Yの上面が絶縁層130Yから露出されていてもよい。また、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yのテーパ形状はそれぞれ異なる傾斜角であってもよい。
また、図224では、絶縁層側壁132Y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ない。例えば、絶縁層側壁132Yの断面形状が上方に向かって凸形状の順テーパ形状であってもよく、逆に上方に向かって凹形状の順テーパ形状であってもよい。また、絶縁層側壁132Y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。なお、電極側壁142Y、322Y及び絶縁層側壁152Yについても上記と同様の形状を有することができる。絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yは同様の形状であってもよく、異なる形状であってもよい。
[半導体装置10Yの各部材の材質]
基板100Y、下地絶縁層110Y、下部電極120Y、絶縁層130Y、上部電極140Y、絶縁層150Y、酸化物半導体層160Y、ゲート絶縁層170Y、ゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
基板100Y、下地絶縁層110Y、下部電極120Y、絶縁層130Y、上部電極140Y、絶縁層150Y、酸化物半導体層160Y、ゲート絶縁層170Y、ゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yについては、実施形態1の説明で例示した材料と同じものを用いることができる。
以上のように、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Yによると、実施形態1と同様に半導体装置10Y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。その結果、半導体装置10Yのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、実施形態14と同様に、酸化物半導体層160Yと下部電極120Y及び上部電極140Yとが接触する領域における酸化物半導体層160Yの物性変化を抑制することができる。また、チャネル領域における酸化物半導体層160Y及びゲート絶縁層170Yの膜厚を均一に形成することができる。また、上部電極140Yと同一層の配線とゲート電極180Yと同一層の配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。
[半導体装置10Yの動作]
図223及び図224に示す半導体装置10Yの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Yにおいても、ゲート電極180Yにゲート電圧が印加され、下部電極120Yに接続されたソース配線190Yにソース電圧が印加され、上部電極140Yに接続されたドレイン配線192Yにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Yは酸化物半導体層160Yをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Yは酸化物半導体層160Yをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
図223及び図224に示す半導体装置10Yの動作は、図1及び図2に示す半導体装置10の動作と同様なので、詳細な説明は省略する。半導体装置10Yにおいても、ゲート電極180Yにゲート電圧が印加され、下部電極120Yに接続されたソース配線190Yにソース電圧が印加され、上部電極140Yに接続されたドレイン配線192Yにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極120Yは酸化物半導体層160Yをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極140Yは酸化物半導体層160Yをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。
[半導体装置10Yの製造方法]
図225〜図234を用いて、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Y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225〜図234を用いて、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Y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225及び図226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226に示すように、基板100Y上に下地絶縁層110Y及び下部電極120Yとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図225に示す下部電極120Yのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120Y上に絶縁層130Yを形成する。
図227及び図228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、上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228に示すように、図226に示す基板の全面に上部電極140Yとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図227に示す上部電極140Yのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極140Y上に絶縁層150Yを形成する。
図229及び図230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、上部電極、絶縁層、及び下地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230に示すように、図228に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、上部電極140Y、絶縁層130Y、150Y、及び下部電極120Yを開口し、さらに下地絶縁層110Yに凹部を形成する開口部139Yを形成することで、図229に示す開口部139Yのパターンを形成する。開口部139Yの形成によって、絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yが形成される。
ここで、開口部139Yの形成は、上部電極140Y、絶縁層130Y、150Y、下部電極120Y、及び下地絶縁層110Yを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、上部電極140Y、絶縁層130Y、150Y、下部電極120Y、及び下地絶縁層110Yの各々を異なるエッチング条件で処理してもよい。絶縁層側壁132Y、152Y及び電極側壁142Y、322Yをテーパ形状するためのエッチング方法は、実施形態1で説明した絶縁層側壁132と同様の方法で形成することができる。
なお、図230では、開口部139Yの底部が下地絶縁層110Yの膜中に位置するように開口部139Yを形成する製造方法を例示したが、この製造方法に限定されない。例えば、図184Bに示すように、開口部139Nの底部が下部電極120Nの膜中に位置するように開口部139Nを形成してもよい。また、開口部139Nの底部が基板100Nに達するように開口部139Nを形成してもよい。
図231及び図232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232に示すように、図230に示す基板の全面に酸化物半導体層160Y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231に示す酸化物半導体層160Yのパターンを形成する。酸化物半導体層160Yの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図233及び図234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、下部電極及び上部電極の各々に達する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234に示すように、図232に示す基板の全面にゲート絶縁層170Y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233に示す開口部135Y、157Yのパターンを形成する。
そして、図234に示す基板の全面にゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図223及び図224に示すようにゲート電極180Y、ソース配線190Y、及びドレイン配線192Yのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Yを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態22に係る半導体装置10Yの製造方法によると、絶縁層130Yの膜厚、絶縁層側壁132Yのテーパ角、又は絶縁層130Yの膜厚及び絶縁層側壁132Yのテーパ角の両方をナノメートルオーダーで制御することができる。したがって、半導体装置10Y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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。また、絶縁層側壁132Yに酸化物半導体層160Y及びゲート絶縁層170Yを均一な膜厚で形成することができる。
〈実施形態23〉
図235〜図246を用いて、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Zの概要について説明する。半導体装置10Zは、図223及び図224に示す半導体装置10Yと類似しているが、開口部135Z、137Zの形状において半導体装置10Yとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Yと共通する半導体装置10Zの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図235〜図246を用いて、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Zの概要について説明する。半導体装置10Zは、図223及び図224に示す半導体装置10Yと類似しているが、開口部135Z、137Zの形状において半導体装置10Yとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Yと共通する半導体装置10Zの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10Zの構造]
図235及び図236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及び断面図である。図235及び図236に示すように、半導体装置10Zの開口部135Z、137Zの各々は下地絶縁層110Zの内部まで達している。また、開口部137Zに対応する領域にはコンタクトパッド122Zが配置され、開口部137Zはコンタクトパッド122Zを貫通するように設けられている。
図235及び図236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及び断面図である。図235及び図236に示すように、半導体装置10Zの開口部135Z、137Zの各々は下地絶縁層110Zの内部まで達している。また、開口部137Zに対応する領域にはコンタクトパッド122Zが配置され、開口部137Zはコンタクトパッド122Zを貫通するように設けられている。
また、開口部135Z、137Zは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135Z、137Zにおいて、それぞれゲート絶縁層170Zの開口径は絶縁層150Zの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135Z、137Zにおけるゲート絶縁層170Zの側壁175Z、177Zは、それぞれ絶縁層150Zの上面に位置しており、絶縁層150Zの上面から上方に向かって延びている。開口部135Z、137Zの形状は半導体装置10Zの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150Zの開口工程とゲート絶縁層170Zの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135Z、137Zのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Zによると、半導体装置10Zのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160Zの物性変化を抑制することができる。また、上部電極140Zと同一層の配線とゲート電極180Zと同一層の配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。また、半導体装置10Zのドレイン電流を下部電極120Z及びコンタクトパッド122Zと同一層の配線、上部電極140Zと同一層の配線、並びにドレイン配線192Zと同一層の配線の少なくとも1つの配線に接続可能である。したがって、配線レイアウトの自由度を向上させることができる。
[半導体装置10Zの製造方法]
図237〜図246を用いて、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Z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237〜図246を用いて、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Z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237及び図238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、下部電極及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図238に示すように、基板100Z上に下地絶縁層110Zを形成し、その上に下部電極120Z及びコンタクトパッド122Zとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図237に示す下部電極120Z及びコンタクトパッド122Zのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120Z上に絶縁層130Zを形成する。
図239及び図240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、上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240に示すように、図238に示す基板の全面に上部電極140Zとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図239に示す上部電極140Zのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極140Z上に絶縁層150Zを形成する。
図241及び図242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、上部電極、絶縁層、及び下地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242に示すように、図240に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層130Z、150Z及び下部電極120Zを開口し、下地絶縁層110Zに凹部を形成する開口部135Zと、上部電極140Z、絶縁層130Z、150Z、及びコンタクトパッド122Zを開口し、下地絶縁層110Zに凹部を形成する開口部137Zと、上部電極140Z、絶縁層130Z、150Z、及び下部電極120Zを開口し、下地絶縁層110Zに凹部を形成する開口部139Zと、を形成する。このエッチングによって、図241に示す開口部135Z、137Z、139Zのパターンを形成する。
開口部139Zの形成によって、下部電極120Zの電極側壁322Z、絶縁層130Zの絶縁層側壁132Z、上部電極140Zの電極側壁142Z、及び絶縁層150Zの絶縁層側壁152Zが形成される。ここで、開口部135Z、137Z、139Zの形成は、上部電極140Z、絶縁層130Z、150Z、及び下部電極120Z(又はコンタクトパッド122Z)を同一のエッチング条件を用いて一括エッチングしてもよく、各層を異なるエッチング条件で処理してもよい。
図243及び図244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244に示すように、図242に示す基板の全面に酸化物半導体層160Z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243に示す酸化物半導体層160Zのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160Zは開口部139Zの内部に配置され、開口部135Z、137Zの酸化物半導体層160Zはエッチングされる。酸化物半導体層160Zの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図245及び図246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、下部電極及び上部電極の各々に達する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246に示すように、図244に示す基板の全面にゲート絶縁層170Z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245に示すように、開口部135Z、137Zに対応する領域のゲート絶縁層170Zを開口する。このエッチングによって、開口部135Zにおいて下部電極120Zの側壁を露出させ、開口部137Zにおいて上部電極140Zの側壁及びコンタクトパッド122Zの側壁を露出させる。
そして、図246に示す基板の全面にゲート電極180Z、ソース配線190Z、及びドレイン配線192Zとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図235及び図236に示すようにゲート電極180Z、ソース配線190Z、及びドレイン配線192Zのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Zを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態23に係る半導体装置10Zの製造方法によると、半導体装置10Z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、チャネル長のばらつきをナノメートルオーダーに抑えることができる。また、コンタクトパッド122Zが配置されていることで、開口部137Z形成時に開口部137Z底部の下地絶縁層110Zが過剰にエッチングされることを抑制することができる。また、絶縁層側壁132Zに酸化物半導体層160Z及びゲート絶縁層170Zを均一な膜厚で形成することができる。
〈実施形態24〉
図247〜図258を用いて、本発明の実施形態24に係る半導体装置10AAの概要について説明する。半導体装置10AAは、短チャネル長の第1トランジスタ20AA及び長チャネル長の第2トランジスタ30AAを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AAは、図223及び図224に示す実施形態22の半導体装置10Yと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AAの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AAについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図247〜図258を用いて、本発明の実施形態24に係る半導体装置10AAの概要について説明する。半導体装置10AAは、短チャネル長の第1トランジスタ20AA及び長チャネル長の第2トランジスタ30AAを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AAは、図223及び図224に示す実施形態22の半導体装置10Yと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AAの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AAについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30AAの構造]
図247及び図248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及び断面図である。図247及び図248に示すように、第2トランジスタ30AAは、基板100AA、下地絶縁層110AA、下部電極220AA、バックゲート222AA、コンタクトパッド224AA、絶縁層230AA、上部電極240AA、絶縁層250AA、酸化物半導体層260AA、ゲート絶縁層270AA、ゲート電極280AA、ソース配線290AA、及びドレイン配線292AAを有する。基板100AA及び下地絶縁層110AAは、第1トランジスタ20AA及び第2トランジスタ30AAで共通であり、第1トランジスタ20AAから第2トランジスタ30AAまで連続して延びている。
図247及び図248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及び断面図である。図247及び図248に示すように、第2トランジスタ30AAは、基板100AA、下地絶縁層110AA、下部電極220AA、バックゲート222AA、コンタクトパッド224AA、絶縁層230AA、上部電極240AA、絶縁層250AA、酸化物半導体層260AA、ゲート絶縁層270AA、ゲート電極280AA、ソース配線290AA、及びドレイン配線292AAを有する。基板100AA及び下地絶縁層110AAは、第1トランジスタ20AA及び第2トランジスタ30AAで共通であり、第1トランジスタ20AAから第2トランジスタ30AAまで連続して延びている。
開口部235AAは絶縁層230AA、250AA及びゲート絶縁層270AAに設けられており、下部電極220AAに達している。開口部239AAは絶縁層230AA、250AA及び下部電極220AAに設けられており、下地絶縁層110AAに凹部を形成している。開口部236AAは上部電極240AA、絶縁層230AA、250AA、及び下部電極220AAに設けられており、下地絶縁層110AAに凹部を形成している。開口部257AAは絶縁層250AA及びゲート絶縁層270AAに設けられており、上部電極240AAに達している。
下部電極220AA、バックゲート222AA、及びコンタクトパッド224AAは下地絶縁層110AA上に配置されている。絶縁層230AAは下部電極220AA上、バックゲート222AA上、コンタクトパッド224AA上、及び下地絶縁層110AA上に配置されている。上部電極240AAは絶縁層230AA上に配置されており、平面視において下部電極220AAから離隔して配置されている。絶縁層250AAは上部電極240AA上及び絶縁層230AA上に配置されている。酸化物半導体層260AAは、下部電極220AAと上部電極240AAとの間の領域において、絶縁層250AA上に配置されている。また、酸化物半導体層260AAは開口部239AAを介して下部電極220AAに接続され、開口部236AAを介して上部電極240AAに接続されている。また、酸化物半導体層260AAは開口部236AAを介してコンタクトパッド224AAにも接続されている。
バックゲート222AAは絶縁層230AA、250AAを介して酸化物半導体層260AAと対向している。換言すると、バックゲート222AAは酸化物半導体層260AAとゲート電極280AAとが対向する領域の少なくとも一部の領域において、酸化物半導体層260AAに対してゲート電極280AAとは反対側に配置されている。また、絶縁層230AA、250AAは酸化物半導体層260AAとバックゲート222AAとの間に配置されている。なお、バックゲート222AAは省略されてもよい。
ゲート電極280AAは、下部電極220AAと上部電極240AAとの間の領域において、酸化物半導体層260AAに対向して配置されている。ゲート絶縁層270AAは酸化物半導体層260AAとゲート電極280AAとの間に配置されている。第2トランジスタ30AAにおいて、下部電極220AAと上部電極240AAとの間の領域の酸化物半導体層260AAがチャネルとして機能する。
ソース配線290AAは開口部235AAを介して下部電極220AAに接続されている。ドレイン配線292AAは開口部257AAを介して上部電極240AAに接続されている。なお、ソース配線290AA及びドレイン配線292AAは機能が逆であってもよい。つまり、配線290AAがドレイン配線として機能し、配線292AAがソース配線として機能してもよい。
ここで、第1トランジスタ20AA及び第2トランジスタ30AAの各層の関係について説明する。下部電極220AA、バックゲート222AA、及びコンタクトパッド224AAは下部電極120AAと同一層であり、いずれも下地絶縁層110AAと接して配置されている。絶縁層230AAは絶縁層130AAと同一層であり、絶縁層230AAは絶縁層130AAと連続している。同様に、上部電極140AA及び上部電極240AA、絶縁層150AA及び絶縁層250AA、酸化物半導体層160AA及び酸化物半導体層260AA、ゲート絶縁層170AA及びゲート絶縁層270AA、ゲート電極180AA及びゲート電極280AA、ソース配線190AA及びソース配線290AA、並びにドレイン配線192AA及びドレイン配線292AAはそれぞれ同一層である。
[第2トランジスタ30AAの動作]
図247及び図248に示す第2トランジスタ30AAの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30AAにおいても、ゲート電極280AAにゲート電圧が印加され、下部電極220AAに接続されたソース配線290AAにソース電圧が印加され、上部電極240AAに接続されたドレイン配線292AAにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220AAは酸化物半導体層260AAをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240AAは酸化物半導体層260AAをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222AAには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30AAのしきい値(Vth)を制御する。
図247及び図248に示す第2トランジスタ30AAの動作は、図27及び図28に示す第2トランジスタ30Cの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。第2トランジスタ30AAにおいても、ゲート電極280AAにゲート電圧が印加され、下部電極220AAに接続されたソース配線290AAにソース電圧が印加され、上部電極240AAに接続されたドレイン配線292AAにドレイン電圧が印加される。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。換言すると、下部電極220AAは酸化物半導体層260AAをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、上部電極240AAは酸化物半導体層260AAをチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方である。なお、バックゲート222AAには上記のゲート電圧とは独立した補助ゲート電圧が印加され、第2トランジスタ30AAのしきい値(Vth)を制御する。
[第2トランジスタ30AAの製造方法]
図249〜図258を用いて、本発明の実施形態24に係る半導体装置10AAの第2トランジスタ30AA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。なお、第1トランジスタ20AAの製造方法は実施形態22の半導体装置10Yの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図249〜図258を用いて、本発明の実施形態24に係る半導体装置10AAの第2トランジスタ30AA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。なお、第1トランジスタ20AAの製造方法は実施形態22の半導体装置10Yの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図249及び図250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、バックゲート、及びコンタクトパッドを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図250に示すように、基板100AA上に下地絶縁層110AAを形成し、その上に下部電極220AA、バックゲート222AA、及びコンタクトパッド224AAとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図249に示す下部電極220AA、バックゲート222AA、及びコンタクトパッド224AAのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220AA上、バックゲート222AA上、及びコンタクトパッド224AA上に絶縁層230AAを形成する。ここで、下部電極220AA、バックゲート222AA、及びコンタクトパッド224AAのエッチングは、下部電極120AAと同様の条件で処理する。
図251及び図252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、上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252に示すように、図250に示す基板の全面に上部電極240AAとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図251に示す上部電極240AAのパターンを形成する。ここで、上部電極240AAのエッチングは、上部電極140AAと同様の条件で処理する。そして、パターニングされた上部電極140AA上に絶縁層150AAを形成する。
図253及び図254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、上部電極、絶縁層、及び下地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254に示すように、図252に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230AA、250AA及び下部電極220AAを開口し、さらに下地絶縁層110AAに凹部を形成する開口部239AAと、絶縁層230AA、250AA、上部電極240AA、及び下部電極220AAを開口し、さらに下地絶縁層110AAに凹部を形成する開口部236AAを形成することで、図253に示す開口部236AA、239AAのパターンを形成する。ここで、開口部236AA、239AAのエッチングは、開口部139AAと同様の条件で処理する。
図255及び図256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256に示すように、図254に示す基板の全面に酸化物半導体層260AA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255に示す酸化物半導体層260AAのパターンを形成する。酸化物半導体層260AAの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図257及び図258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、下部電極及び上部電極の各々に達する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258に示すように、図256に示す基板の全面にゲート絶縁層270AA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257に示す開口部235AA、238AA、257AAのパターンを形成する。ここで、開口部235AA、238AA、257AAのエッチングは、開口部135AA、157AAのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図258に示す基板の全面にゲート電極280AA、ソース配線290AA、及びドレイン配線292AAとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図247及び図248に示すようにゲート電極280AA、ソース配線290AA、及びドレイン配線292AAのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態16に係る第2トランジスタ30AAを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態24に係る半導体装置10AA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20AA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30AAを同一の製造方法で形成することができる。
〈実施形態25〉
図259〜図268を用いて、本発明の実施形態25に係る半導体装置10ABの概要について説明する。半導体装置10ABは、短チャネル長の第1トランジスタ20AB及び長チャネル長の第2トランジスタ30ABを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20ABは実施形態23の半導体装置10Zと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20ABの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30ABについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Zと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図259〜図268を用いて、本発明の実施形態25に係る半導体装置10ABの概要について説明する。半導体装置10ABは、短チャネル長の第1トランジスタ20AB及び長チャネル長の第2トランジスタ30ABを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20ABは実施形態23の半導体装置10Zと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20ABの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30ABについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Zと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30ABは、図247及び図248に示す第2トランジスタ30AAと類似しているが、開口部235AB、237ABの形状において第2トランジスタ30AAとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30AAと共通する第2トランジスタ30ABの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30ABの構造]
図259及び図260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及び断面図である。図259及び図260に示すように、第2トランジスタ30ABの開口部235AB、237ABの各々は下地絶縁層110ABの内部まで達している。
図259及び図260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及び断面図である。図259及び図260に示すように、第2トランジスタ30ABの開口部235AB、237ABの各々は下地絶縁層110ABの内部まで達している。
また、開口部235AB、237ABは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235AB、237ABにおいて、それぞれゲート絶縁層270ABの開口径は絶縁層250ABの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235AB、237ABにおけるゲート絶縁層270ABの側壁275AB、277ABは、それぞれ絶縁層250ABの上面に位置しており、絶縁層250ABの上面から上方に向かって延びている。開口部235AB、237ABの形状は第2トランジスタ30ABの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250ABの開口工程とゲート絶縁層270ABの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235AB、237ABのような形状になる。
[第2トランジスタ30ABの製造方法]
図261〜図268を用いて、本発明の実施形態25に係る半導体装置10ABの第2トランジスタ30AB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261〜図268を用いて、本発明の実施形態25に係る半導体装置10ABの第2トランジスタ30AB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261及び図262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、バックゲート、コンタクトパッド、及び上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262に示すように、基板100AB上に下地絶縁層110ABを形成し、その上に下部電極220AB、バックゲート222AB、及びコンタクトパッド224ABとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図261に示す下部電極220AB、バックゲート222AB、及びコンタクトパッド224ABのパターンを形成する。ここで、下部電極220AB、バックゲート222AB、及びコンタクトパッド224ABのエッチングは、下部電極120AB及びコンタクトパッド122ABと同様の条件で処理する。
パターニングされた下部電極220AB上、バックゲート222AB上、及びコンタクトパッド224AB上に絶縁層230ABを形成し、その上に上部電極240ABとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図261に示す上部電極240ABのパターンを形成する。ここで、上部電極240ABのエッチングは、上部電極140ABと同様の条件で処理する。
図263及び図264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、上部電極、絶縁層、及び下地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264に示すように、図262に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230AB、250AB及び下部電極220ABを開口し、下地絶縁層110ABに凹部を形成する開口部235AB、239ABと、上部電極240AB、絶縁層230AB、250AB、及びコンタクトパッド224ABを開口し、下地絶縁層110ABに凹部を形成する開口部236ABと、上部電極240AB及び絶縁層230AB、250ABを開口し、下地絶縁層110ABに凹部を形成する開口部237ABと、を形成する。このエッチングによって、図263に示す開口部235AB、236AB、237AB、238AB、239ABのパターンを形成する。ここで、開口部235AB、236AB、237AB、238AB、239ABのエッチングは、開口部135AB、137AB、139ABと同様の条件で処理する。
図265及び図266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266に示すように、図264に示す基板の全面に酸化物半導体層260AB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265に示す酸化物半導体層260ABのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260ABは開口部236AB、239ABの内部に配置され、開口部235AB、237AB、238ABの酸化物半導体層260ABはエッチングされる。酸化物半導体層260ABの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図267及び図268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、下部電極及び上部電極の各々に達する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268に示すように、図266に示す基板の全面にゲート絶縁層270AB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267に示すように、開口部235AB、237AB、238ABに対応する領域のゲート絶縁層270ABを開口する。このエッチングによって、開口部235ABにおいて下部電極220ABの側壁を露出させ、開口部237ABにおいて上部電極240ABの側壁を露出させる。ここで、開口部235AB、237AB、238ABに対応する領域のゲート絶縁層270ABのエッチングは、開口部135AB、137ABに対応する領域のゲート絶縁層170ABのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図268に示す基板の全面にゲート電極280AB、ソース配線290AB、及びドレイン配線292ABとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図259及び図260に示すようにゲート電極280AB、ソース配線290AB、及びドレイン配線292ABのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態25に係る半導体装置10ABを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態25に係る半導体装置10AB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20AB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30ABを同一の製造方法で形成することができる。
〈実施形態26〉
図269〜図280を用いて、本発明の実施形態26に係る半導体装置10ACの概要について説明する。半導体装置10ACは、図223及び図224に示す半導体装置10Yと類似しているが、開口部139ACの形状が139Yとは異なる点において半導体装置10Yとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Yと共通する半導体装置10ACの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図269〜図280を用いて、本発明の実施形態26に係る半導体装置10ACの概要について説明する。半導体装置10ACは、図223及び図224に示す半導体装置10Yと類似しているが、開口部139ACの形状が139Yとは異なる点において半導体装置10Yとは相違する。以下の説明では、半導体装置10Yと共通する半導体装置10ACの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10Yと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10ACの構造]
図269及び図270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及び断面図である。図269及び図270に示すように、半導体装置10ACの下部電極120AC、絶縁層130AC、150AC、及び上部電極140ACに設けられた開口部139ACは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139ACにおいて、絶縁層130ACの開口径は下部電極120ACの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139ACに接する領域において、下部電極120ACの上面の一部は絶縁層130ACから露出されている。さらに換言すると、絶縁層130ACの側壁132ACは、下部電極120ACの上面に位置しており、下部電極120ACの上面から上方に向かって延びている。また、開口部139ACにおいて、絶縁層150ACの開口径は上部電極140ACの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139ACに接する領域において、上部電極140ACの上面の一部は絶縁層150ACから露出されている。さらに換言すると、絶縁層150ACの側壁152ACは、上部電極140ACの上面に位置しており、上部電極140ACの上面から上方に向かって延びている。開口部139ACの形状は半導体装置10ACの製造方法によるものである。具体的には、下部電極120AC及び上部電極140ACの開口工程と絶縁層130AC、150ACの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139ACのような形状になる。
図269及び図270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及び断面図である。図269及び図270に示すように、半導体装置10ACの下部電極120AC、絶縁層130AC、150AC、及び上部電極140ACに設けられた開口部139ACは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部139ACにおいて、絶縁層130ACの開口径は下部電極120ACの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139ACに接する領域において、下部電極120ACの上面の一部は絶縁層130ACから露出されている。さらに換言すると、絶縁層130ACの側壁132ACは、下部電極120ACの上面に位置しており、下部電極120ACの上面から上方に向かって延びている。また、開口部139ACにおいて、絶縁層150ACの開口径は上部電極140ACの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部139ACに接する領域において、上部電極140ACの上面の一部は絶縁層150ACから露出されている。さらに換言すると、絶縁層150ACの側壁152ACは、上部電極140ACの上面に位置しており、上部電極140ACの上面から上方に向かって延びている。開口部139ACの形状は半導体装置10ACの製造方法によるものである。具体的には、下部電極120AC及び上部電極140ACの開口工程と絶縁層130AC、150ACの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部139ACのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態26に係る半導体装置10ACによると、半導体装置10ACのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160ACが下部電極120AC及び上部電極140ACに接触する面積を制限することができるため、酸化物半導体層160ACと下部電極120AC及び上部電極140ACとが接触する領域における酸化物半導体層160ACの広範囲の物性変化を抑制することができる。また、上部電極140ACと同一層の配線とゲート電極180ACと同一層の配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。
[半導体装置10ACの製造方法]
図271〜図280を用いて、本発明の実施形態26に係る半導体装置10AC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271〜図280を用いて、本発明の実施形態26に係る半導体装置10AC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271及び図272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272に示すように、基板100AC上に下地絶縁層110AC及び下部電極120ACとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図271に示す電極側壁322ACによって囲まれた開口部が設けられた下部電極120ACのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極120AC上に絶縁層130ACを形成する。
図273及び図274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、上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274に示すように、図272に示す基板の全面に上部電極140ACとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図273に示すように、電極側壁142ACによって囲まれた開口部が設けられた上部電極140ACのパターンを形成する。ここで、電極側壁142ACが電極側壁322ACを囲むように下部電極120ACに対する上部電極140ACの位置が調整される。
図275及び図276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、絶縁層及び下地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276に示すように、図274に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、レジストから露出された絶縁層150ACを開口し、上部電極140ACをマスクとして絶縁層130ACを開口し、下部電極120ACをマスクとして下地絶縁層110ACに凹部を形成する。この工程によって、図275に示す開口部139ACのパターンを形成する。具体的には、絶縁層側壁152ACによって囲まれた領域が開口されたレジストをマスクとして絶縁層150ACをエッチングする。このエッチングによって、電極側壁142ACによって囲まれた領域の絶縁層130AC、及び電極側壁322ACによって囲まれた領域の下地絶縁層110ACがエッチングされる。このようにして、開口部139ACを形成する。
この工程では絶縁層だけをエッチングすればよいため、絶縁層130AC、150AC及び下地絶縁層110ACを同一のエッチング条件を用いて一括エッチングすることができる。なお、この工程におけるエッチング条件は、絶縁層130AC、150AC及び下地絶縁層110ACのエッチングレートと、上部電極140AC及び下部電極120ACのエッチングレートとの選択比が大きいエッチング条件を用いることができる。この工程では、上部電極140AC及び下部電極120ACが露出されればよいので、エッチング中のプラズマをモニタし、当該プラズマ中において検出される上部電極140AC及び下部電極120ACに起因する信号に基づいてエッチングのエンドポイントを設定してもよい。
図277及び図278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278に示すように、図276に示す基板の全面に酸化物半導体層160AC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277に示す酸化物半導体層160ACのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160ACは開口部139ACの内部に配置される。酸化物半導体層160ACの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図279及び図280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、下部電極及び上部電極の各々に達する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280に示すように、図278に示す基板の全面にゲート絶縁層170AC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279に示す開口部135AC、157ACのパターンを形成する。
そして、図280に示す基板の全面にゲート電極180AC、ソース配線190AC、及びドレイン配線192ACとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図269及び図270に示すようにゲート電極180AC、ソース配線190AC、及びドレイン配線192ACのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態26に係る半導体装置10ACを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態26に係る半導体装置10ACの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態27〉
図281〜図288を用いて、本発明の実施形態27に係る半導体装置10ADの概要について説明する。半導体装置10ADは、図269及び図270に示す半導体装置10ACと類似しているが、開口部135AD、157ADの形状において半導体装置10ACとは相違する。以下の説明では、半導体装置10ACと共通する半導体装置10ADの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10ACと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図281〜図288を用いて、本発明の実施形態27に係る半導体装置10ADの概要について説明する。半導体装置10ADは、図269及び図270に示す半導体装置10ACと類似しているが、開口部135AD、157ADの形状において半導体装置10ACとは相違する。以下の説明では、半導体装置10ACと共通する半導体装置10ADの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10ACと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[半導体装置10ADの構造]
図281及び図282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及び断面図である。図281及び図282に示すように、半導体装置10ADの絶縁層130AD、150AD及びゲート絶縁層170ADに設けられた開口部135ADと、絶縁層150AD及びゲート絶縁層170ADに設けられた開口部157ADとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135AD、157ADにおいて、それぞれゲート絶縁層170ADの開口径は絶縁層150ADの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135AD、157ADにおけるゲート絶縁層170ADの側壁175AD、177ADは、それぞれ絶縁層150ADの上面に位置しており、絶縁層150ADの上面から上方に向かって延びている。開口部135AD、157ADの形状は半導体装置10ADの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150ADの開口工程とゲート絶縁層170ADの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135AD、157ADのような形状になる。
図281及び図282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及び断面図である。図281及び図282に示すように、半導体装置10ADの絶縁層130AD、150AD及びゲート絶縁層170ADに設けられた開口部135ADと、絶縁層150AD及びゲート絶縁層170ADに設けられた開口部157ADとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部135AD、157ADにおいて、それぞれゲート絶縁層170ADの開口径は絶縁層150ADの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部135AD、157ADにおけるゲート絶縁層170ADの側壁175AD、177ADは、それぞれ絶縁層150ADの上面に位置しており、絶縁層150ADの上面から上方に向かって延びている。開口部135AD、157ADの形状は半導体装置10ADの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層150ADの開口工程とゲート絶縁層170ADの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部135AD、157ADのような形状になる。
以上のように、本発明の実施形態27に係る半導体装置10ADによると、半導体装置10ADのオン電流を向上させることができ、半導体装置のチャネル長の基板面内ばらつきを抑制することができる。また、酸化物半導体層160ADの物性変化を抑制することができる。また、上部電極140ADと同一層の配線とゲート電極180ADと同一層の配線とが交差する領域における寄生容量を小さくすることができる。
[半導体装置10ADの製造方法]
図283〜図288を用いて、本発明の実施形態27に係る半導体装置10AD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283〜図288を用いて、本発明の実施形態27に係る半導体装置10AD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283及び図284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。実施形態26の図271〜図274に示した製造方法と同様の方法で電極側壁142ADを有する上部電極140AD及び電極側壁322ADを有する下部電極120ADを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部135AD、139AD、157ADを形成する。
図285及び図286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286に示すように、図284に示す基板の全面に酸化物半導体層160AD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285に示す酸化物半導体層160ADのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層160ADは開口部139ADの内部に配置され、開口部135AD、157ADの酸化物半導体層160ADはエッチングされる。酸化物半導体層160ADの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図287及び図288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、下部電極及び上部電極の各々に達する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288に示すように、図286に示す基板の全面にゲート絶縁層170AD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287に示すように、開口部135AD、157ADに対応する領域のゲート絶縁層170ADを開口する。このエッチングによって、開口部135ADにおいて下部電極120ADを露出させ、開口部157ADにおいて上部電極140ADを露出させる。
そして、図288に示す基板の全面にゲート電極180AD、ソース配線190AD、及びドレイン配線192ADとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図281及び図282に示すようにゲート電極180AD、ソース配線190AD、及びドレイン配線192ADのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態27に係る半導体装置10ADを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態27に係る半導体装置10ADの製造方法によると、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態28〉
図289〜図300を用いて、本発明の実施形態28に係る半導体装置10AEの概要について説明する。半導体装置10AEは、短チャネル長の第1トランジスタ20AE及び長チャネル長の第2トランジスタ30AEを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AEは、図269及び図270に示す実施形態26の半導体装置10ACと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AEの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AEについて説明する。
図289〜図300を用いて、本発明の実施形態28に係る半導体装置10AEの概要について説明する。半導体装置10AEは、短チャネル長の第1トランジスタ20AE及び長チャネル長の第2トランジスタ30AEを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AEは、図269及び図270に示す実施形態26の半導体装置10ACと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AEの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AEについて説明する。
第2トランジスタ30AEは、図247及び図248に示す第2トランジスタ30AAと類似しているが、開口部239AE、256AEの形状が異なる点、及び第2トランジスタ30AAにおけるコンタクトパッド224AAが設けられていない点において第2トランジスタ30AAとは相違する。以下の説明では、半導体装置10AAと共通する半導体装置10AEの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10AAと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
[第2トランジスタ30AEの構造]
図289及び図290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及び断面図である。図289及び図290に示すように、第2トランジスタ30AEの開口部239AEは、第1トランジスタ20AEの開口部139AEと同様に、開口部側壁の断面形状が階段状である。また、開口部256AEは上部電極240AEを貫通しておらず、絶縁層250AEから上部電極240AEを露出するように設けられている。酸化物半導体層260AEは開口部256AEを介して上部電極240AEに接続されている。また、第2トランジスタ30AEでは、図248に示す第2トランジスタ30AAのコンタクトパッド224AAが設けられていない。
図289及び図290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及び断面図である。図289及び図290に示すように、第2トランジスタ30AEの開口部239AEは、第1トランジスタ20AEの開口部139AEと同様に、開口部側壁の断面形状が階段状である。また、開口部256AEは上部電極240AEを貫通しておらず、絶縁層250AEから上部電極240AEを露出するように設けられている。酸化物半導体層260AEは開口部256AEを介して上部電極240AEに接続されている。また、第2トランジスタ30AEでは、図248に示す第2トランジスタ30AAのコンタクトパッド224AAが設けられていない。
[第2トランジスタ30AEの製造方法]
図291〜図300を用いて、本発明の実施形態28に係る半導体装置10AEの第2トランジスタ30AE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。なお、第1トランジスタ20AEの製造方法は実施形態26の半導体装置10ACの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図291〜図300を用いて、本発明の実施形態28に係る半導体装置10AEの第2トランジスタ30AE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。なお、第1トランジスタ20AEの製造方法は実施形態26の半導体装置10ACの製造方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
図291及び図292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、下部電極及びバックゲートを形成する工程を示す平面図及び断面図である。図292に示すように、基板100AE上に下地絶縁層110AEを形成し、その上に下部電極220AE及びバックゲート222AEとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図291に示す開口部229AEが設けられた下部電極220AE及びバックゲート222AEのパターンを形成する。そして、パターニングされた下部電極220AE上及びバックゲート222AE上に絶縁層230AEを形成する。ここで、下部電極220AE及びバックゲート222AEのエッチングは、下部電極120AEと同様の条件で処理する。
図293及び図294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、上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294に示すように、図292に示す基板の全面に上部電極240AEとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図293に示す上部電極240AEのパターンを形成する。そして、パターニングされた上部電極240AE上に絶縁層250AEを形成する。
図295及び図296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296に示すように、図294に示す基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層230AE、250AEを開口し、さらに下地絶縁層110AEに凹部を形成する開口部239AEと、絶縁層250AEを開口し上部電極240AEを露出する開口部256AEとを形成する。このエッチングによって図295に示す開口部239AE、256AEのパターンを形成する。なお、図295及び図296では、絶縁層230AE、250AEに設けられた開口部と下部電極220AEに設けられた開口部とを併せて開口部239AEとして表示している。ここで、開口部239AEのエッチングは、開口部139AEと同様の条件で処理する。
図297及び図298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298に示すように、図296に示す基板の全面に酸化物半導体層260AE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297に示す酸化物半導体層260AEのパターンを形成する。酸化物半導体層260AEの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図299及び図300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、下部電極及び上部電極の各々に達する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300に示すように、図298に示す基板の全面にゲート絶縁層270AE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299に示す開口部235AE、238AE、257AEのパターンを形成する。ここで、開口部235AE、238AE、257AEのエッチングは、開口部135AE、157AEのエッチングと同様の条件で処理する。
そして、図300に示す基板の全面にゲート電極280AE、ソース配線290AE、及びドレイン配線292AEとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図289及び図290に示すようにゲート電極280AE、ソース配線290AE、及びドレイン配線292AEのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態28に係る第2トランジスタ30AEを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態28に係る半導体装置10AE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20AE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30AEを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態29〉
図301〜図308を用いて、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AFの概要について説明する。半導体装置10AFは、短チャネル長の第1トランジスタ20AF及び長チャネル長の第2トランジスタ30AFを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AFは、図281及び図282に示す実施形態27の半導体装置10ADと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AFの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AFについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10ADと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
図301〜図308を用いて、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AFの概要について説明する。半導体装置10AFは、短チャネル長の第1トランジスタ20AF及び長チャネル長の第2トランジスタ30AFを有する。なお、短チャネル長の第1トランジスタ20AFは、図281及び図282に示す実施形態27の半導体装置10ADと同様の構造である。したがって、以下の説明では、第1トランジスタ20AFの特徴の説明は省略し、長チャネル長の第2トランジスタ30AFについて説明する。なお、以下の説明において、半導体装置10ADと同じ構造及び機能を有する要素には同一の符号(数字)の後のアルファベットを変更し、詳細な説明は省略する。
第2トランジスタ30AFは、図289及び図290に示す第2トランジスタ30AEと類似しているが、開口部235AF、257AFの形状において第2トランジスタ30AEとは相違する。以下の説明では、第2トランジスタ30AEと共通する第2トランジスタ30AFの特徴の説明は省略し、上記の相違点について説明する。
[第2トランジスタ30AFの構造]
図301及び図302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及び断面図である。図301及び図302に示すように、第2トランジスタ30AFの絶縁層230AF、250AF及びゲート絶縁層270AFに設けられた開口部235AFと、絶縁層250AF及びゲート絶縁層270AFに設けられた開口部257AFとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235AF、257AFにおいて、それぞれゲート絶縁層270AFの開口径は絶縁層250AFの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235AF、257AFにおけるゲート絶縁層270AFの側壁275AF、277AFは、それぞれ絶縁層250AFの上面に位置しており、絶縁層250AFの上面から上方に向かって延びている。開口部235AF、257AFの形状は第2トランジスタ30AFの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250AFの開口工程とゲート絶縁層270AFの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235AF、257AFのような形状になる。
図301及び図302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及び断面図である。図301及び図302に示すように、第2トランジスタ30AFの絶縁層230AF、250AF及びゲート絶縁層270AFに設けられた開口部235AFと、絶縁層250AF及びゲート絶縁層270AFに設けられた開口部257AFとは、開口部側壁の断面形状が階段状である。具体的には、開口部235AF、257AFにおいて、それぞれゲート絶縁層270AFの開口径は絶縁層250AFの開口径に比べて大きい。換言すると、開口部235AF、257AFにおけるゲート絶縁層270AFの側壁275AF、277AFは、それぞれ絶縁層250AFの上面に位置しており、絶縁層250AFの上面から上方に向かって延びている。開口部235AF、257AFの形状は第2トランジスタ30AFの製造方法によるものである。具体的には、絶縁層250AFの開口工程とゲート絶縁層270AFの開口工程とを異なるタイミングで行うため、開口部235AF、257AFのような形状になる。
[第2トランジスタ30AFの製造方法]
図303〜図308を用いて、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AFの第2トランジスタ30AF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303〜図308を用いて、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AFの第2トランジスタ30AF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303及び図304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。実施形態28の図291〜図294に示した製造方法と同様の方法で下部電極220AF、バックゲート222AF、及び上部電極240AFを形成し、その基板に対するフォトリソグラフィ及びエッチングによって、開口部235AF、238AF、239AF、256AF、257AFを形成する。
図305及び図306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306に示すように、図304に示す基板の全面に酸化物半導体層260AF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305に示す酸化物半導体層260AFのパターンを形成する。ここで、酸化物半導体層260AFは開口部239AF、256AFの内部に配置され、開口部235AF、238AF、257AFの酸化物半導体層260AFはエッチングされる。酸化物半導体層260AFの成膜及びエッチングは実施形態1と同様の方法で処理することができる。
図307及び図308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、下部電極及び上部電極の各々に達する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308に示すように、図306に示す基板の全面にゲート絶縁層270AF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307に示すように、開口部235AF、238AF、257AFに対応する領域のゲート絶縁層270AFを開口する。このエッチングによって、開口部235AFにおいて下部電極220AFを露出させ、開口部257AFにおいて上部電極240AFを露出させる。
そして、図308に示す基板の全面にゲート電極280AF、ソース配線290AF、及びドレイン配線292AFとなる導電層を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図301及び図302に示すようにゲート電極280AF、ソース配線290AF、及びドレイン配線292AFのパターンを形成する。上記に示す製造方法によって、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AFを形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態29に係る半導体装置10AF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20AF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30AFを同一の製造方法で形成することができる。また、導電層のエッチングと絶縁層のエッチングとをそれぞれ別の工程で処理することができる。したがって、エッチング装置にかかる負担を軽減することができる。
〈実施形態30〉
図309〜図317を用いて、本発明の実施形態30に係る表示装置40の概要について説明する。表示装置40は、複数のサブ画素を有するメイン画素がマトリクス状に配置されている。表示装置40に配置された各サブ画素の選択トランジスタとして、実施形態1〜実施形態29で説明した半導体装置10〜10AFを用いることができる。ここでは、選択トランジスタとして図50に示す実施形態6の半導体装置10Eを用いた例について説明する。なお、実施形態30では、表示装置40として横電界方式で液晶分子を制御する液晶表示装置について説明する。
図309〜図317を用いて、本発明の実施形態30に係る表示装置40の概要について説明する。表示装置40は、複数のサブ画素を有するメイン画素がマトリクス状に配置されている。表示装置40に配置された各サブ画素の選択トランジスタとして、実施形態1〜実施形態29で説明した半導体装置10〜10AFを用いることができる。ここでは、選択トランジスタとして図50に示す実施形態6の半導体装置10Eを用いた例について説明する。なお、実施形態30では、表示装置40として横電界方式で液晶分子を制御する液晶表示装置について説明する。
[表示装置40のレイアウト]
図309は、本発明の一実施形態に係る表示装置の概要を示す平面図である。図309に示すように、表示装置40は、第1サブ画素410、第2サブ画素420、及び第3サブ画素430を有する。第1サブ画素410における第1画素電極560はパッド520に接続されており、第1選択トランジスタ470を介して第1データ線440に接続されている。第2サブ画素420における第2画素電極562はパッド522に接続されており、第2選択トランジスタ472を介して第2データ線450に接続されている。第3サブ画素430における第3画素電極564はパッド524に接続されており、第3選択トランジスタ474を介して第3データ線452に接続されている。なお、第1選択トランジスタ470、第2選択トランジスタ472、及び第3選択トランジスタ474のそれぞれのゲート電極はいずれもゲート線460に接続されている。
図309は、本発明の一実施形態に係る表示装置の概要を示す平面図である。図309に示すように、表示装置40は、第1サブ画素410、第2サブ画素420、及び第3サブ画素430を有する。第1サブ画素410における第1画素電極560はパッド520に接続されており、第1選択トランジスタ470を介して第1データ線440に接続されている。第2サブ画素420における第2画素電極562はパッド522に接続されており、第2選択トランジスタ472を介して第2データ線450に接続されている。第3サブ画素430における第3画素電極564はパッド524に接続されており、第3選択トランジスタ474を介して第3データ線452に接続されている。なお、第1選択トランジスタ470、第2選択トランジスタ472、及び第3選択トランジスタ474のそれぞれのゲート電極はいずれもゲート線460に接続されている。
第1サブ画素410、第2サブ画素420、及び第3サブ画素430にはそれぞれ異なる色の画素が配置されている。例えば、第1サブ画素410が緑色の画素に対応し、第2サブ画素420が赤色の画素に対応し、第3サブ画素430が青色の画素に対応してもよい。また、サブ画素の数は4つ以上でもよい。なお、後述するように、第1データ線440と第3データ線452とは異なる層に設けられているため、図309に示すメイン画素の第3データ線452と、当該メイン画素に隣接するメイン画素の第1データ線446とが平面視において重畳するように配置することができる。
上記の構成を換言すると、表示装置40は、第1色の画像データを伝達する第1データ線440、第1データ線440にソース電極及びドレイン電極の一方が接続された第1選択トランジスタ470、及び第1選択トランジスタ470のソース電極及びドレイン電極の他方に接続された第1画素電極560を有する第1サブ画素410と、第2色の画像データを伝達する第2データ線450、第2データ線450にソース電極及びドレイン電極の一方が接続された第2選択トランジスタ472、及び第2選択トランジスタ472のソース電極及びドレイン電極の他方に接続された第2画素電極562を有する第2サブ画素420と、第3色の画像データを伝達する第3データ線452、第3データ線452にソース電極及びドレイン電極の一方が接続された第3選択トランジスタ474、及び第3選択トランジスタ474のソース電極及びドレイン電極の他方に接続された第3画素電極564を有する第3サブ画素430と、を有する。なお、第1データ線440は、第2データ線450及び第3データ線452とは異なる層である。
[第1選択トランジスタ470の構造]
図310は、図309のAG−AG’断面図である。図310に示す第1選択トランジスタ470の構造と、図50に示す半導体装置10Eの構造との対比を以下に説明する。第1選択トランジスタ470の第1データ線440は半導体装置10Eの下部電極120Eに対応する。第1選択トランジスタ470の配線454は半導体装置10Eの上部電極140Eに対応する。第1選択トランジスタ470のゲート線460は半導体装置10Eのゲート電極180Eに対応する。第1選択トランジスタ470のパッド520は半導体装置10Eのドレイン配線192Eに対応する。つまり、第1選択トランジスタ470のソース電極及びドレイン電極は、それぞれ異なる層である。
図310は、図309のAG−AG’断面図である。図310に示す第1選択トランジスタ470の構造と、図50に示す半導体装置10Eの構造との対比を以下に説明する。第1選択トランジスタ470の第1データ線440は半導体装置10Eの下部電極120Eに対応する。第1選択トランジスタ470の配線454は半導体装置10Eの上部電極140Eに対応する。第1選択トランジスタ470のゲート線460は半導体装置10Eのゲート電極180Eに対応する。第1選択トランジスタ470のパッド520は半導体装置10Eのドレイン配線192Eに対応する。つまり、第1選択トランジスタ470のソース電極及びドレイン電極は、それぞれ異なる層である。
図310に示すように、第1選択トランジスタ470は半導体装置10Eの構造に加えて、さらに第1層間膜530、コモン電極540、第2層間膜550、及び第1画素電極560を有する。第1層間膜530はゲート線460を覆っている。第1層間膜530にはパッド520に達する開口部が設けられている。コモン電極540は第1層間膜530上において、複数の画素に共通して設けられている。第2層間膜550はコモン電極540を覆っている。第2層間膜550にはパッド520に達する開口部が設けられている。第1画素電極560は第2層間膜550上に設けられており、第2層間膜550に設けられた開口部を介してパッド520に接続されている。
[第3選択トランジスタ474の構造]
図311は、図309のAG’’−AG’’’断面図である。図311に示す第3選択トランジスタ474の構造と、図50に示す半導体装置10Eの構造との対比を以下に説明する。第3選択トランジスタ474の配線444は半導体装置10Eの下部電極120Eに対応する。第1選択トランジスタ470の第3データ線452は半導体装置10Eの上部電極140Eに対応する。第1選択トランジスタ470のゲート線460は半導体装置10Eのゲート電極180Eに対応する。第1選択トランジスタ470のパッド524は半導体装置10Eのドレイン配線192Eに対応する。つまり、第3選択トランジスタ474のソース電極及びドレイン電極は、それぞれ異なる層である。
図311は、図309のAG’’−AG’’’断面図である。図311に示す第3選択トランジスタ474の構造と、図50に示す半導体装置10Eの構造との対比を以下に説明する。第3選択トランジスタ474の配線444は半導体装置10Eの下部電極120Eに対応する。第1選択トランジスタ470の第3データ線452は半導体装置10Eの上部電極140Eに対応する。第1選択トランジスタ470のゲート線460は半導体装置10Eのゲート電極180Eに対応する。第1選択トランジスタ470のパッド524は半導体装置10Eのドレイン配線192Eに対応する。つまり、第3選択トランジスタ474のソース電極及びドレイン電極は、それぞれ異なる層である。
第3選択トランジスタ474は、第1選択トランジスタ470に類似しているが、第1選択トランジスタ470では下部電極がデータ線として用いられているのに対して第3選択トランジスタ474では上部電極がデータ線として用いられている点において、第1選択トランジスタ470とは相違する。つまり、第1選択トランジスタ470に接続された第1データ線440と、第3選択トランジスタ474に接続された第3データ線452と、は異なる層に設けられている。なお、説明は省略するが、第2選択トランジスタ472の構造は第3選択トランジスタ474の構造と同様である。
ここで、図50及び図309〜図311を参照すると、図309〜図311において平面視において重畳する第3データ線452と隣接するメイン画素の第1データ線446とを絶縁する絶縁層は、図50において絶縁層側壁132Eが設けられた絶縁層130Eに相当する。
表示装置40において、櫛形状の第1画素電極560、第2画素電極562、及び第3画素電極564と、コモン電極540との間に形成される横電界によって液晶分子が制御される。
[表示装置40の製造方法]
図312〜図317を用いて、本発明の実施形態30に係る表示装置40の製造方法について、平面図を参照しながら説明する。なお、表示装置40の製造方法は実施形態6の半導体装置10Eの製造方法と同様であるので、断面図を用いた説明は省略する。
図312〜図317を用いて、本発明の実施形態30に係る表示装置40の製造方法について、平面図を参照しながら説明する。なお、表示装置40の製造方法は実施形態6の半導体装置10Eの製造方法と同様であるので、断面図を用いた説明は省略する。
図312は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、データ線及び配線を形成する工程を示す平面図である。図312に示すように、半導体装置10Eの下部電極120Eに相当する層で第1データ線440、配線442、444、及び隣接するメイン画素の第1データ線446を形成する。
図313は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、データ線及び配線を形成する工程を示す平面図である。図313に示すように、半導体装置10Eの上部電極140Eに相当する層で第2データ線450、第3データ線452、及び配線454を形成する。
図314は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、データ線及び配線を露出する開口部を形成する工程を示す平面図である。図314に示すように、各データ線及び配線が重畳する領域において、半導体装置10Eの開口部139Eに相当する開口部490、492、494を形成する。開口部490は第1データ線440の上面、及び配線454の側壁を露出する。開口部492は配線442の上面、及び第2データ線450の側壁を露出する。開口部494は配線444の上面、及び第3データ線452の側壁を露出する。
図315は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、開口部に酸化物半導体層を形成する工程を示す平面図である。図315に示すように、開口部490、492、494に対応する領域に酸化物半導体層500、502、504を形成する。酸化物半導体層500は第1データ線440の上面、及び配線454の側壁と接触する。酸化物半導体層502は配線442の上面、及び第2データ線450の側壁と接触する。酸化物半導体層504は配線444の上面、及び第3データ線452の側壁と接触する。
図316は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、配線を露出する開口部を形成する工程を示す平面図である。図316に示すように、配線454、442、444をそれぞれ露出する開口部510、512、514を形成する。
図317は、本発明の一実施形態に係る表示装置の製造方法において、パッドを形成する工程を示す平面図である。図317に示すように、平面視において開口部490、492、494と重畳する領域にゲート線460を形成し、開口部510、512、514と重畳する領域にパッド520、522、524を形成する。
そして、パッド520、522、524のそれぞれを開口する第1層間膜530を形成し、コモン電極540、第2層間膜550、並びに第1画素電極560、第2画素電極562、及び第3画素電極564を形成することで、図309〜図311に示す表示装置40を形成することができる。
以上のように、本発明の実施形態30に係る表示装置40によると、データ線とゲート線との交差領域に選択トランジスタを配置することができる。また、当該選択トランジスタのソース電極とドレイン電極とが異なる層で形成されているため、当該選択トランジスタを介して異なる層の配線同士を接続することができる。したがって、配線レイアウトの自由度が向上し、配線や選択トランジスタなどの占有率を低くすることができる。その結果、画素の開口率を向上させることができる。さらに、第3データ線452と隣接するメイン画素の第1データ線446とが平面視において重畳することで、1つのメイン画素単位に配置されるデータ線の数を減らすことができる。これにより、画素の開口率を向上させることができる。
ここでは、表示装置40として、横電界方式の液晶表示装置を例示したが、本発明はその他の表示装置に適用することもできる。例えば、本発明をEL表示装置に適用することができる。本発明をEL表示装置に適用する場合は、例えば図310における第1層間膜530及びコモン電極540を省略し、発光領域の画素電極上に発光層及びカソード電極を配置すればよい。
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:半導体装置
20:第1トランジスタ
30:第2トランジスタ
40:表示装置
100:基板
110:下地絶縁層
120、220:下部電極
122、224、226:コンタクトパッド
124、228:ソース領域
128、129、147:Al層
130、150、230、250:絶縁層
132、152:絶縁層側壁
135、137、139、157、177、229、235、236、237、238、239、256、257、277、490、492、494、510、512、514:開口部
140、240:上部電極
142、322:電極側壁
144、244:ドレイン領域
145:パッド
146、148:Ti層
149:AlOx層
160、260:酸化物半導体層
169、269:チャネル領域
170、270:ゲート絶縁層
175、275、277:側壁
180、280:ゲート電極
190、290:ソース配線
192、292:ドレイン配線
222:バックゲート
315:周縁部
325:界面
375:上面
410:第1サブ画素
420:第2サブ画素
430:第3サブ画素
440:第1データ線
442、444、454:配線
446:第1データ線
450:第2データ線
452:第3データ線
460:ゲート線
470:第1選択トランジスタ
472:第2選択トランジスタ
474:第3選択トランジスタ
500、502、504:酸化物半導体層
520、522、524:パッド
530:第1層間膜
540:コモン電極
550:第2層間膜
560:第1画素電極
562:第2画素電極
564:第3画素電極
20:第1トランジスタ
30:第2トランジスタ
40:表示装置
100:基板
110:下地絶縁層
120、220:下部電極
122、224、226:コンタクトパッド
124、228:ソース領域
128、129、147:Al層
130、150、230、250:絶縁層
132、152:絶縁層側壁
135、137、139、157、177、229、235、236、237、238、239、256、257、277、490、492、494、510、512、514:開口部
140、240:上部電極
142、322:電極側壁
144、244:ドレイン領域
145:パッド
146、148:Ti層
149:AlOx層
160、260:酸化物半導体層
169、269:チャネル領域
170、270:ゲート絶縁層
175、275、277:側壁
180、280:ゲート電極
190、290:ソース配線
192、292:ドレイン配線
222:バックゲート
315:周縁部
325:界面
375:上面
410:第1サブ画素
420:第2サブ画素
430:第3サブ画素
440:第1データ線
442、444、454:配線
446:第1データ線
450:第2データ線
452:第3データ線
460:ゲート線
470:第1選択トランジスタ
472:第2選択トランジスタ
474:第3選択トランジスタ
500、502、504:酸化物半導体層
520、522、524:パッド
530:第1層間膜
540:コモン電極
550:第2層間膜
560:第1画素電極
562:第2画素電極
564:第3画素電極
Claims (20)
- 第1電極と、
前記第1電極上の第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上の第2電極と、
前記第2電極上の第2絶縁層と、
前記第1電極に達するように前記第1絶縁層、前記第2電極、及び前記第2絶縁層に設けられた第1開口部の内部に配置され、前記第1電極及び前記第2電極に接続された第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、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記第1酸化物半導体層は、前記第1絶縁層の側壁上に配置され、前記第2電極の側壁と接することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1酸化物半導体層は、前記第2絶縁層の上面に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、前記第1酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、
前記第2電極は、前記ソース電極及びドレイン電極の他方であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層に設けられた第2開口部を介して前記第1電極に接続された第1配線と、
前記第2絶縁層に設けられた第3開口部を介して前記第2電極に接続された第2配線と、
をさらに有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 - 前記第1配線及び前記第2配線は、前記第1ゲート電極と同一層であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記第2電極の上面は、前記第2絶縁層で覆わ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。
- 前記第2電極の上面の一部は、前記第2絶縁層から露出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。
- 前記第1電極と同一層の第3電極と、
平面視において前記第3電極から離隔して配置された、前記第2電極と同一層の第4電極と、
前記第3電極と前記第4電極との間に配置され、前記第1酸化物半導体層と同一層の第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、
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。 - 前記第3電極と前記第4電極との間の前記第2酸化物半導体層の長さは、前記第1電極と前記第2電極との間の前記第1酸化物半導体層の長さに比べて長いことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記第2酸化物半導体層と前記第2ゲート電極とが対向する領域の少なくとも一部の領域において、前記第2酸化物半導体層に対して前記第2ゲート電極とは反対側に配置された、前記第1電極と同一層の第3ゲート電極と、
前記第2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、
をさらに有することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。 - 第1電極と、
前記第1電極上において、第1側壁を有する第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上において、第2側壁を有する第2電極と、
前記第2電極上の第2絶縁層と、
前記第1側壁上、前記第2側壁上、及び前記第2絶縁層の上面に配置され、前記第1電極及び前記第2電極に接続された第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、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記第1電極は、前記第1酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方であり、
前記第2電極は、前記ソース電極及びドレイン電極の他方であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層に設けられた第1開口部を介して前記第1電極に接続された第1配線と、
前記第2絶縁層に設けられた第2開口部を介して前記第2電極に接続された第2配線と、
をさらに有することを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。 - 前記第1配線及び前記第2配線は、前記第1ゲート電極と同一層であることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記第2電極の上面は、前記第2絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
- 前記第2電極の上面の一部は、前記第2絶縁層から露出されていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
- 前記第1電極と同一層の第3電極と、
平面視において前記第3電極から離隔して配置された、前記第2電極と同一層の第4電極と、
前記第3電極と前記第4電極との間に配置され、前記第1酸化物半導体層に接続された第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、
をさらに有することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 - 前記第3電極と前記第4電極との間の前記第2酸化物半導体層の長さは、前記第1電極と前記第2電極との間の前記第1酸化物半導体層の長さに比べて長いことを特徴とする請求項18に記載の半導体装置。
- 前記第2酸化物半導体層と前記第2ゲート電極とが対向する領域の少なくとも一部の領域において、前記第2酸化物半導体層に対して前記第2ゲート電極とは反対側に配置された、前記第1電極と同一層の第3ゲート電極と、
前記第2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、
をさらに有することを特徴とする請求項19に記載の半導体装置。
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