JP2018011086A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
該半導体装置に含まれる窒化絶縁膜に関する。
化に関する技術開発が活発に行われている。CPUは、論理回路を有する半導体集積回路
を含み、半導体集積回路は半導体ウェハに形成されたトランジスタ、メモリ及び接続端子
である電極などで構成されている。
にトランジスタなどの半導体素子の微細化が行われている。
も向上するが、その反面、トランジスタのリーク電流が増加してしまう。この結果、CP
Uの消費電力が増加している。
はなく、半導体特性を示す金属酸化物(以下、酸化物半導体と記す。)を用いて作製する
ことができる。
化物半導体を用いて、トランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特
許文献2参照)。
ランジスタを設けることで、消費電力を低減し、高度に集積化した半導体装置を作製する
技術が開示されている(特許文献3参照)。
放出された元素が、チャネル形成領域を構成する酸化物半導体膜に不純物として拡散する
ことで、トランジスタの電気特性(代表的にはしきい値電圧)変動が生じてしまい、半導
体装置の信頼性が低下する場合がある。
れている場合、これらが酸化物半導体膜に拡散することで、トランジスタの電気特性変動
が生じ、半導体装置の信頼性が低下してしまう。
、酸素が脱離した格子(あるいは酸素が脱離した部分)に欠損が形成される。また、水素
の一部が酸素と反応することで、キャリアである電子が生成される。従って、水素が侵入
した酸化物半導体膜を有するトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
明細書において、ゲート電圧が0Vの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすことが
できるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。
縁膜を提供することを課題の1つとする。
めにチャネル形成領域を含むシリコン半導体領域を水素化処理することが知られている。
なお、本明細書などにおいて、シリコン半導体はシリコン、炭化シリコン、シリコンゲル
マニウムなど、シリコンを含む半導体材料全般をいう。
で行われるが、処理時間、安全性及びコストの面などに課題がある。このため、水素化処
理を容易に行うことができれば、安全性及びコストの面などにおいて非常に有意なことで
ある。
たトランジスタの上に、酸化物半導体を用いたトランジスタを設けた半導体装置であって
も、単結晶シリコンを用いたトランジスタの電気特性を良好にするために、水素化処理は
必要である。
用いたトランジスタとを用い、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題
の1つとする。
いたトランジスタとを用い、良好な信頼性を有する半導体装置を提供することを課題の1
つとする。
物半導体を用いたトランジスタと、を含む複数のトランジスタを有する半導体装置であっ
て、半導体装置における集積度を高めるために、シリコン半導体を用いたトランジスタ上
に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設けて、シリコン半導体を用いたトラン
ジスタ及び酸化物半導体を用いたトランジスタの間に異なる機能を有する2つの窒化絶縁
膜を設ける。具体的には、シリコン半導体を用いたトランジスタ上に水素を含む第1の窒
化絶縁膜を設けて、当該第1の窒化絶縁膜と酸化物半導体を用いたトランジスタとの間に
、当該第1の窒化絶縁膜よりも水素含有量が低く、水素に対するバリア膜として機能する
第2の窒化絶縁膜を設けることである。なお、第1の窒化絶縁膜よりも水素含有量が低く
、水素に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜を、第1の窒化絶縁膜に積層し
て設けてもよい。
導体領域にチャネル形成領域が設けられた第1のトランジスタと、第1のトランジスタ上
に設けられ、酸化物半導体膜にチャネル形成領域が設けられた第2のトランジスタと、第
1のトランジスタ及び第2のトランジスタの間に設けられた第1の窒化絶縁膜と、第1の
窒化絶縁膜及び第2のトランジスタの間に設けられた第2の窒化絶縁膜と、を有し、第1
の窒化絶縁膜は、水素を含んでおり、第2の窒化絶縁膜は、第1の窒化絶縁膜よりも水素
含有量が低く、水素に対するバリア膜であることを特徴とする半導体装置である。なお、
第2の窒化絶縁膜は、第1の窒化絶縁膜に積層して設けられてもよい。
測定される水素分子の放出量が5.0×1023分子/cm3以上であり、第2の窒化絶
縁膜は、分光エリプソメトリーで測定され、波長633nmの光に対する屈折率が1.9
5以上であり、且つ20℃以上25℃以下において0.5重量%のフッ酸に対するエッチ
ング速度が2.0nm/分以下である。さらに、第2の窒化絶縁膜は、X線反射率法によ
って測定される膜密度が2.75g/cm3以上である。
エッチング速度は遅くなる。このことから、第2の窒化絶縁膜を上記範囲の屈折率、及び
上記範囲のエッチング速度を有する窒化絶縁膜で形成することで、第2の窒化絶縁膜を緻
密なものにすることができ、水素に対するバリア性を発揮することができる。また、形成
した膜が緻密であるほど膜密度が高くなることから、第2の窒化絶縁膜が水素に対するバ
リア性を十分に発揮するためには、上記範囲の膜密度を有する窒化絶縁膜で第2の窒化絶
縁膜を形成することが好ましい。
子/cm3以上である第1の窒化絶縁膜は、加熱されることで水素が脱離する。
散乱分析によって測定される水素濃度が20原子%以上25原子%以下である。水素に対
するバリア性を有する第2の窒化絶縁膜は、ラザフォード後方散乱分析によって測定され
る水素濃度が10原子%以上15原子%以下である。このように、窒化絶縁膜に含まれる
水素濃度が低いほど、水素を放出しにくく水素に対するバリア性を発揮できる。例えば、
第1の窒化絶縁膜及び第2の窒化絶縁膜は窒化シリコン膜で形成することができる。
る。
の窒化絶縁膜を設けた半導体装置である。
ることで、半導体装置の作製工程における加熱処理などにより放出された水素を第1のト
ランジスタのシリコン半導体領域に移動させ、第1のトランジスタのシリコン半導体領域
を水素化処理することができる。
れており、水素に対してバリア性を有するといえる。また、第2の窒化絶縁膜は、水素が
酸化物半導体膜に拡散することを抑制する絶縁膜、又は酸化物半導体膜に拡散する水素か
ら酸化物半導体膜を保護する絶縁膜ともいえる。
に設けられ、且つ第1の窒化絶縁膜及び第2の窒化絶縁膜に接して設けられた酸化絶縁膜
を有する、半導体装置である。当該酸化絶縁膜は、酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン
膜とすることができる。
て形成されている。それゆえ、第2の窒化絶縁膜は水素に対するバリア膜として機能する
。水素を含む窒化絶縁膜によって形成されている第1の窒化絶縁膜を第2の窒化絶縁膜に
接して設ける場合、第2の窒化絶縁膜の形成方法によっては、第1の窒化絶縁膜に含まれ
ている水素が第2の窒化絶縁膜に混入し、第2の窒化絶縁膜の水素濃度が増大してしまう
可能性がある。そこで、上記のように、第1の窒化絶縁膜と第2の窒化絶縁膜との間に酸
化絶縁膜を設けることで、第2の窒化絶縁膜を形成する際に、第1の窒化絶縁膜に含まれ
ている水素が第2の窒化絶縁膜に混入することを抑制することができ、第2の窒化絶縁膜
を水素に対するバリア膜として十分に機能させることができる。
の窒化絶縁膜に適用できる窒化シリコン膜である。
供できる。
に水素化処理を行うことができる。
たトランジスタとを用い、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
たトランジスタとを用い、良好な信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であ
れば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈
されるものではない。
の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機
能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合が
ある。
ために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するため
の事項として固有の名称を示すものではない。
方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「
ソース」及び「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。た
だし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差
のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多
い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし
、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
、フォトリソグラフィ処理で形成したマスクは除去するものとする。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について、図面を用いて説明する
。
図1(A)に、本発明の一態様である半導体装置の断面図を示す。図1(A)に示す半
導体装置は、複数のトランジスタを有する半導体装置であって、集積化度を高めるために
複数のトランジスタの一部が縦方向に積層されている。
ンジスタ101と、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ103とが電気的に接
続されたCMOS(相補型金属酸化物半導体:Complementary Metal
Oxide Semiconductor)回路105を有し、CMOS回路105上
に容量素子107と、第2の半導体材料を用いたnチャネル型トランジスタであるトラン
ジスタ109とを有し、トランジスタ101及びトランジスタ103上に、水素を含み、
加熱によって水素を放出する第1の窒化絶縁膜111を有し、第1の窒化絶縁膜111と
トランジスタ109の間に、第1の窒化絶縁膜111よりも低い水素含有量を有し、水素
に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜113を有する。
した回路図の接続関係は以下の通りである。トランジスタ101と、トランジスタ103
とが電気的に接続されたCMOS回路105に容量素子107が電気的に接続されており
、CMOS回路105と容量素子107とに酸化物半導体を用いたトランジスタ109が
電気的に接続されている。なお、トランジスタ109に他のトランジスタが電気的に接続
されていてもよい。
、第2の半導体材料として酸化物半導体を用いる。つまり、トランジスタ101及びトラ
ンジスタ103はシリコン半導体を用いたトランジスタであり、トランジスタ109は酸
化物半導体を用いたトランジスタである。
基板や多結晶基板などを用いることで高速に動作するトランジスタを容易に作製すること
ができる。
半導体膜から、水素などの不純物を十分に除去し、高純度化することによってリーク電流
(オフリーク電流又はオフ電流ともいう。)が低減したトランジスタを容易に作製するこ
とができる。これにより、半導体装置の消費電力を低減することができる。
されている。具体的には、昇温脱離ガス分光法(Thermal Desorption
Spectroscopy、以下、TDS法と記す。)で測定される水素分子の放出量
が5.0×1023分子/cm3以上である窒化絶縁膜で形成されている。また、ラザフ
ォード後方散乱分析によって測定される水素濃度が20原子%以上25原子%以下である
窒化絶縁膜で形成されている。当該窒化絶縁膜としては、例えば、窒化シリコン膜又は窒
化酸化シリコン膜などが挙げられる。
性を実現するために、トランジスタの作製工程において水素化処理を行い、少なくとも、
チャネル形成領域が形成されるシリコン半導体領域に含まれる欠陥(ダングリングボンド
)を修復させる(水素終端させる)ことが好ましい。そこで、トランジスタ101及びト
ランジスタ103上に第1の窒化絶縁膜111を設けて、第1の窒化絶縁膜111より放
出される水素により、水素化処理を行うことができる。このようにすることで、従来の方
法とは異なり、安全かつ容易に水素化処理を行うことができる。例えば、第1の窒化絶縁
膜111を設けた後の半導体装置の作製工程で行う加熱処理によって水素化処理を行うこ
とができ、半導体装置の作製にかかる時間を短縮することができ、半導体装置の生産性を
向上させることができる。
対するバリア膜として機能する絶縁膜である。また、第2の窒化絶縁膜113は、少なく
とも第1の窒化絶縁膜111から放出される水素がトランジスタ109の酸化物半導体膜
(詳細にはチャネル形成領域)に拡散することを抑制する絶縁膜、又はトランジスタ10
9の酸化物半導体膜に拡散する水素からチャネル形成領域を保護する絶縁膜である。
きる。具体的には、分光エリプソメトリーで測定され、波長633nmの光に対する屈折
率が1.95以上であり、且つ20℃以上25℃以下において0.5重量%のフッ酸に対
するエッチング速度が2.0nm/分以下である窒化絶縁膜を適用できる。又は、分光エ
リプソメトリーで測定され、波長633nmの光に対する屈折率が1.95以上であり、
且つX線反射率法によって測定される膜密度が2.75g/cm3以上である窒化絶縁膜
が適用できる。そして、第2の窒化絶縁膜113は、ラザフォード後方散乱分析によって
測定される水素濃度が10原子%以上15原子%以下であることが好ましい。
エッチング速度は遅くなる。このことから、第2の窒化絶縁膜113を上記範囲の屈折率
、及び上記範囲のエッチング速度を有する窒化絶縁膜で形成することで、第2の窒化絶縁
膜113を緻密なものにすることができ、水素に対するバリア性を発揮することができる
。また、形成した膜が緻密であるほど膜密度が高くなることから、第2の窒化絶縁膜11
3が水素に対するバリア性を十分に発揮するためには、上記範囲の膜密度を有する窒化絶
縁膜で第2の窒化絶縁膜113を形成することが好ましい。このように、窒化絶縁膜に含
まれる水素濃度が低いほど、水素を放出しにくく水素に対するバリア性を発揮される。ま
た、当該窒化絶縁膜として、例えば窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜などが挙げら
れる。
ランジスタ109よりも下部に存在する水素がトランジスタ109の酸化物半導体膜(少
なくともチャネル形成領域)に不純物として拡散することを抑制できるため、トランジス
タ109の電気特性の変動を抑制することができる。従って、トランジスタ109の電気
特性を良好にすることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
チャネル形成領域は、半導体材料を含む基板115中(バルク中)、又は半導体材料を含
む基板115上に形成することができる。なお、本実施の形態では、基板115として、
p型の導電型を有する単結晶シリコン基板を用い、トランジスタ101及びトランジスタ
103のチャネル形成領域が基板115中に形成される形態について説明する。
形成領域117を挟むように設けられた不純物領域119及び不純物領域119と電気的
に接続された高濃度不純物領域121(これらをあわせて単に不純物領域とも呼ぶ。)と
、チャネル形成領域117上に設けられたゲート絶縁膜123と、ゲート絶縁膜123上
に設けられたゲート電極125と、ゲート電極125の側面に設けられたサイドウォール
129と、チャネル形成領域117の一方に形成された高濃度不純物領域121に接して
設けられたソース電極又はドレイン電極(以下、電極131と記す。)と、を有する。
ステンション領域として機能する。高濃度不純物領域121は、トランジスタ101のソ
ース領域又はドレイン領域として機能する。
成されたnウェル133に設けられる。トランジスタ103は、nウェル133に設けら
れたチャネル形成領域135と、チャネル形成領域135を挟むように設けられた不純物
領域137及び不純物領域137と電気的に接続された高濃度不純物領域139(これら
をあわせて単に不純物領域とも呼ぶ。)と、チャネル形成領域135上に設けられたゲー
ト絶縁膜141と、ゲート絶縁膜141上に設けられたゲート電極143と、ゲート電極
143の側面に設けられたサイドウォール145と、チャネル形成領域135の一方に形
成された不純物領域137と電気的に接続され、高濃度不純物領域139に接して設けら
れたソース電極又はドレイン電極(以下、電極147と記す。)と、を有する。
物領域139は、トランジスタ103のソース領域又はドレイン領域として機能する。
7の他方に形成された高濃度不純物領域121と、トランジスタ103のチャネル形成領
域135の他方に形成された高濃度不純物領域139と、に接して電極149が設けられ
ている。電極149は、トランジスタ101のソース電極又はドレイン電極として機能し
、トランジスタ103のソース電極又はドレイン電極として機能する。また、電極149
によって、トランジスタ101及びトランジスタ103は電気的に接続され、CMOS回
路105が形成される。
子分離絶縁膜151が設けられている。そして、トランジスタ101及びトランジスタ1
03並びに素子分離絶縁膜151を覆うように絶縁膜153が設けられており、絶縁膜1
53上に第1の窒化絶縁膜111が設けられている。
、電極147、及び電極149は、絶縁膜153、第1の窒化絶縁膜111、及び層間絶
縁膜155を貫通して設けられており、それぞれ配線として機能する。
159が設けられている。電極159は、配線としても機能する。電極159は、絶縁膜
153、第1の窒化絶縁膜111、層間絶縁膜155、及び層間絶縁膜157に形成され
た開口を通じてトランジスタ101及びトランジスタ103(CMOS回路105)のゲ
ート配線(図示せず)と電気的に接続されている。ゲート配線は、ゲート絶縁膜123、
及びゲート絶縁膜141上に設けられており、トランジスタ101のゲート電極125及
びトランジスタ103のゲート電極143は当該ゲート配線が分岐して構成されている。
従って、CMOS回路105及び容量素子107は電気的に接続され、容量素子107及
びトランジスタ109は電気的に接続されている。
は、層間絶縁膜161に形成された開口を通じて電極159と接して設けられている。ま
た、層間絶縁膜161上には、電極165及び電極167が設けられている。電極165
は、層間絶縁膜161のトランジスタ109の酸化物半導体膜173と重畳する領域に設
けられている。電極167は、トランジスタ109のドレイン電極177と重畳する領域
に設けられている。なお、電極163、電極165及び電極167は、配線としても機能
する。
163、電極165及び電極167並びに絶縁膜169は平坦化されている。
13が設けられており、第2の窒化絶縁膜113上には絶縁膜171が設けられている。
3と、酸化物半導体膜173に接して設けられたソース電極175及びドレイン電極17
7と、酸化物半導体膜173、ソース電極175及びドレイン電極177上に設けられた
ゲート絶縁膜179と、酸化物半導体膜173と重畳してゲート絶縁膜179上に設けら
れたゲート電極181とを有する。
けられた接続電極172を通じて電極163と接している。従って、ソース電極175は
、トランジスタ101のゲート電極125及びトランジスタ103のゲート電極143と
電気的に接続されている。
設けられた接続電極172を通じて電極167と接している。
る。容量素子107は、ソース電極175を一方の電極とし、ゲート絶縁膜179を誘電
体とし、電極183を他方の電極とすることで構成されている。なお、電極183は配線
としても機能する。
とで、半導体装置の集積度を高めることができる。
ている。
酸化物半導体、又は多結晶酸化物半導体で構成されている。
いることが望ましい。具体的には、酸化物半導体膜173において、二次イオン質量分析
法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)に
より得られる水素濃度を、5×1018atoms/cm3未満、望ましくは1×101
8atoms/cm3以下、より望ましくは5×1017atoms/cm3以下、さら
に望ましくは1×1016atoms/cm3以下とする。酸化物半導体膜173に水素
が含まれていると、当該水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水となると共に、酸
素が脱離した格子(あるいは酸素が脱理した部分)には欠損が形成されてしまう。また、
水素の一部が酸素と結合することで、キャリアを生成する場合があり、トランジスタ10
9のオフ電流が増大することがある。
リ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、望ましく
は2×1016atoms/cm3以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、
酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタ109のオフ電
流を増大させることがある。また、酸化物半導体膜173の窒素濃度は、5×1018a
toms/cm3以下にすることが望ましい。
体膜173を高純度化させることで、トランジスタ109のリーク電流を極めて低減する
ことができる。また、トランジスタ109のしきい値電圧の変動(マイナスシフト)を低
減することができる。従って、良好な電気特性に有する半導体装置を作製できる。また、
信頼性を向上させた半導体装置を作製することができる。
オフ電流が低いことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が1×1
06μmでチャネル長Lが10μmの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電
圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータア
ナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる
。この場合、トランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流は、100zA
/μm以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子
に流入又は容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ
電流の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタを用い、容量素子の単位時間あた
りの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタ
のソース電極とドレイン電極間の電圧が3Vの場合に、数十yA/μmという、さらに低
いオフ電流が得られることが分かった。従って、チャネル形成領域が高純度化された酸化
物半導体膜に形成されるトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。
気特性及び信頼性を低下させる恐れがある。そこで、酸化物半導体膜173において、酸
素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体膜173にお
いて、磁場の向きを膜面に対して平行に印加した電子スピン共鳴法によるg値=1.93
のスピン密度(酸化物半導体膜173に含まれる酸素欠損密度に相当する。)は、測定器
の検出下限以下まで低減されていることが好ましい。酸素欠損をできる限り低減すること
で、トランジスタ109のしきい値電圧の変動(マイナスシフト)を低減することができ
、半導体装置の電気特性及び信頼性を向上させることができる。
した断面図は、図2に示した上面図の1点鎖線XY間の断面図である。図2に示した上面
図において、図面の明瞭化のため構成要素の一部(CMOS回路105、第1の窒化絶縁
膜111、第2の窒化絶縁膜113、その他ゲート絶縁膜や層間絶縁膜など)を図示して
いない。
次に、本発明の一態様である半導体装置及び作製方法について図面を用いて説明する。
以下では、はじめに下部のCMOS回路を構成するトランジスタの作製方法について説明
し、その後、上部の酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法について説明する。
ンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導
体基板、SOI(Silicon on Insulator)基板などを用いることが
でき、トランジスタ101及びトランジスタ103のチャネル形成領域は、半導体基板中
(バルク中)、又は半導体基板上に形成することができる。
晶シリコン基板にトランジスタ101及びトランジスタ103を設けた構成である。つま
り、本実施の形態において、第1の半導体材料として用いるシリコン半導体は、単結晶シ
リコンであり、トランジスタ101及びトランジスタ103のチャネル形成領域は、単結
晶シリコンで構成されている。なお、本実施の形態では、基板115としてp型の導電型
を有する単結晶シリコン基板を用いる例を示す。
素を添加し、nウェル133を形成する。トランジスタ103のチャネル形成領域135
はnウェル133に形成される。n型を付与する不純物元素としては、リン(P)やヒ素
(As)などを用いることができる。
型を付与する不純物元素の添加を行っていないが、p型の導電型を付与する不純物元素を
添加することによりpウェルを形成してもよい。p型の導電型を付与する不純物元素とし
ては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)などを用いることができ
る。
与する不純物元素を添加してpウェルを形成してもよく、トランジスタ101のチャネル
形成領域135をpウェルに形成することができる。
ン注入法などで添加して形成することができる。
で形成することができる。例えば、基板115上に保護膜を形成し、当該保護膜をマスク
としてエッチング処理を行い、当該保護膜に覆われていない領域(露出している領域)の
基板115の一部を除去して、凹部を形成する。当該エッチング処理には、ドライエッチ
ングを用いることが好適であるが、ウェットエッチングを用いてもよい。エッチングガス
やエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。そして
、基板115を覆うように絶縁膜を形成し、凹部以外の領域に形成された絶縁膜を選択的
に除去することで、素子分離絶縁膜151を形成することができる。当該絶縁膜は酸化シ
リコン膜や窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などを用いて形成される。当該絶縁膜の
除去方法としては、CMP(Chemical Mechanical Polishi
ng)などの研磨処理やエッチング処理などがあるがいずれの方法を用いてもよい。なお
、当該保護膜は、凹部を形成した後、又は素子分離絶縁膜151を形成した後に除去する
。また、CMPなどの研磨処理やエッチング処理を行った後は洗浄処理を行い、被処理表
面に付着している水分を除去する加熱処理を行う。
においてもCMPなどの研磨処理やエッチング処理を行った後は、当該洗浄処理及び当該
加熱処理を行う。
Silicon)などの素子分離手段を用いて形成することもできる。
ゲート絶縁膜141に加工される絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に導電材料を含む膜(導
電膜)を形成し、当該導電膜を加工して、ゲート電極125及びゲート電極143を形成
する。ゲート絶縁膜123及びゲート絶縁膜141に加工される絶縁膜は、CVD法又は
スパッタリング法などを用いて得られる酸化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、酸化アルミ
ニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、又は窒化酸化シリコン膜などを含む膜の単
層構造又は積層構造として形成する。他に、高密度プラズマ処理や熱酸化処理によって、
基板115の表面を酸化、窒化させることにより、ゲート絶縁膜123及びゲート絶縁膜
141に加工される絶縁膜を形成してもよい。高密度プラズマ処理は、例えば、He、A
r、Kr、Xeなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などの混合ガ
スを用いて行うことができる。また、当該絶縁膜の厚さは特に限定されないが、例えば、
1nm以上100nm以下とすることができる。
導電材料を用いることができ、例えば、アルミニウムや銅、チタン、タンタル、タングス
テンなどの金属材料を用いることができる。また、導電材料を含む多結晶シリコンなどの
半導体材料を用いて、導電材料を含む膜を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、
蒸着法、CVD法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いること
ができる。なお、本実施の形態では、金属材料を用いて導電膜を形成する。絶縁膜及び導
電膜はドライエッチング又はウェットエッチングにより加工することができる。なお、当
該導電膜の厚さは特に限定されず、形成する時間や所望の抵抗率などを考慮して決めるこ
とができる。
成する領域に、ゲート電極143をマスクとして用いて、p型を付与する不純物元素を添
加して、不純物領域を形成する。また、トランジスタ103を形成する領域に保護膜を形
成し、トランジスタ101を形成する領域に、ゲート電極125をマスクとして用いて、
n型を付与する不純物元素を添加し、不純物領域を形成する。なお、当該不純物領域の形
成により、基板115において、ゲート電極125の下部の領域はトランジスタ101の
チャネル形成領域117となる(図3(A)参照)。添加する不純物の濃度は適宜設定す
ることができるが、半導体素子の微細化の程度に合わせてその濃度を高くすることが望ま
しい。また、ゲート電極125及びゲート電極143を覆う絶縁膜を形成し、当該絶縁膜
を通過させて不純物元素を添加してもよい。
29及びサイドウォール145は、ゲート電極125及びゲート電極143を覆う絶縁膜
を形成した後に、当該絶縁膜に異方性の高いエッチング処理を適用することで、自己整合
的に形成することができる。なお、サイドウォール129及びサイドウォール145を形
成すると同時にゲート絶縁膜123及びゲート絶縁膜141が形成される。
29及びサイドウォール145などを覆うように、絶縁膜153を形成する。そして、絶
縁膜153のトランジスタ103が形成される領域上に保護膜を形成し、ゲート電極12
5及びサイドウォール129をマスクとして用いて、n型を付与する不純物元素を不純物
領域に添加して、不純物領域119及び高濃度不純物領域121を形成する。また、絶縁
膜153のトランジスタ101が形成される領域上に保護膜を形成し、ゲート電極143
及びサイドウォール145をマスクとして用いて、p型を付与する不純物元素を添加して
、不純物領域137及び高濃度不純物領域139を形成する。なお、絶縁膜153を形成
する前に不純物元素を添加し、その後、絶縁膜153を形成してもよい。
例えば、トランジスタ101、トランジスタ103としてシリサイドを有するトランジス
タや、サイドウォールを有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイドを有する構造
であると、ソース領域及びドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能
である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能で
ある。シリサイドを形成できる金属材料としては、例えば、チタン、タンタル、タングス
テン、ニッケル、コバルト、白金などがある。
11の厚さは、少なくともトランジスタ101のチャネル形成領域117及びトランジス
タ103のチャネル形成領域135を十分に水素化処理できるだけの水素を含むことがで
きる厚さとすることが好ましい。例えば、50nm以上1000nm以下、好ましくは1
00nm以上500nm以下である。なお、ここまでの工程で得られた構成を図3(A)
に示す。
1は、水素を含み、加熱により水素を放出する窒化絶縁膜で形成されている。第1の窒化
絶縁膜111として適用できる窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜は、以下の条件を
用いて形成することができる。プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置され
た基板を300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下に保持し、処
理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を40Pa以上600Pa以下とし、好
ましくは100Pa以上500Pa以下とし、処理室内に設けられた電極に高周波電力を
供給する。また、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体、及び窒素を用いる。ま
た、原料ガスとしてアンモニアを用いてもよい。シリコンを含む堆積性気体の代表例とし
ては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シランなどがある。第1の窒化絶縁膜11
1は、形成する窒化絶縁膜に水素が含まれるように構成元素に水素を有するアンモニアを
原料ガスとして用いることが好ましい。例えば、プラズマCVD装置を用いて第1の窒化
絶縁膜111を形成する際、真空排気された処理室内に供給する窒素のシリコンを含む堆
積性気体に対する流量は、20倍以上1000倍以下とし、好ましくは150倍以上75
0倍以下とする。そして、アンモニアを原料ガスとして用いる際は、シリコンを含む堆積
性気体に対して1倍以上100倍以下とし、好ましくは1倍以上50倍以下とする。
101のチャネル形成領域117及びトランジスタ103のチャネル形成領域135に含
まれる欠陥を修復(水素終端)させる。当該加熱処理によって、ゲート絶縁膜123及び
ゲート絶縁膜141に含まれる欠陥や、ゲート絶縁膜123とシリコンとの界面に含まれ
る欠陥なども修復することができる。つまり、本発明の一態様である半導体装置は、第1
の窒化絶縁膜111及び加熱処理によって水素化処理することができる。
からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば
、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(L
amp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid T
hermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンラ
ンプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナト
リウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処
理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置で
ある。また、当該加熱処理において、処理時間や処理雰囲気は適宜、選択することができ
る。なお、当該加熱処理を行うタイミングは、第1の窒化絶縁膜111を形成した後であ
れば、どのタイミングでもよく、適宜選択することができる。また、例えば、当該加熱処
理は、層間絶縁膜やトランジスタ109を形成する際に行う加熱処理のように他の加熱処
理と兼ねさせることもできる。
7及び電極149を形成する(図3(B)参照)。電極131、電極147及び電極14
9は、絶縁膜153、第1の窒化絶縁膜111、及び層間絶縁膜155を加工して、高濃
度不純物領域121及び高濃度不純物領域139に達する開口を形成し、当該開口に導電
膜を形成し、当該導電膜をエッチング処理などで加工することによって、形成できる。な
お、当該開口を形成する前にその表面を、CMPなどの研磨処理やエッチング処理などに
よって平坦化しておくことが望ましい。
できる。無機絶縁膜としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム
膜などを用いることができ、有機絶縁膜は、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブ
テン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂、又はシロキサン系樹脂などを用いることができ
る。なお、層間絶縁膜155は、これらの絶縁膜を複数積層させた構造であってもよい。
無機絶縁膜又は有機絶縁膜の形成方法は特に限定されず、用いる材料に応じて適宜選択す
る。例えば、CVD法やスパッタリング法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液
滴吐出法(インクジェット法)、スクリーン印刷、オフセット印刷などを適用することが
できる。
寄生容量が顕著になり信号遅延が増大するため、酸化シリコンの比誘電率(k=4.0〜
4.5)では高く、kが3.0以下の材料を用いて層間絶縁膜155を形成することが好
ましい。また、層間絶縁膜155は、平坦化などを行うため機械的強度が要求される。こ
の機械的強度が確保できる限りにおいて、層間絶縁膜155を多孔質(ポーラス)化させ
て低誘電率化させることができる。
縁膜155、第1の窒化絶縁膜111及び絶縁膜153に埋め込まれた構造とすることが
好ましい。電極131、電極147及び電極149は、特に限定はなく、各種導電材料を
用いることができる。例えば、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、
アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの金属材料を用いることができる。
るように加工することが望ましい。例えば、開口を含む領域にチタン膜や窒化チタン膜を
薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する場合には、その後の
CMPによって、不要なタングステン膜、チタン膜、窒化チタン膜などを除去すると共に
、その表面の平坦性を向上させることができる。
7を形成し、ゲート電極125及びゲート電極143に達する開口を層間絶縁膜157に
形成し(図示せず)、当該開口に電極159を形成する。そして、層間絶縁膜157及び
電極159上に層間絶縁膜161を形成する(図3(C)参照)。
て、層間絶縁膜155と同じようにして形成できる。電極159は、電極131などに適
用できる材料を用いて、電極131などと同じようにして形成できる。
形成する。電極163を形成すると同時に電極165及び電極167を形成することがで
きる。そして、電極163、電極165及び電極167の間を埋めるように絶縁膜169
を形成する。そして、電極163、電極165及び電極167、並びに絶縁膜169上に
第2の窒化絶縁膜113を形成する(図4(A)参照)。
、電極131などと同じようにして形成できる。絶縁膜169は、層間絶縁膜155に適
用できる材料を用いて、層間絶縁膜155と同じようにして形成し、CMPなどの研磨処
理やエッチング処理を電極163、電極165及び電極167の表面が露出するまで行う
ことで形成できる。
窒化絶縁膜113は、水素含有量が低く、緻密な窒化絶縁膜で形成されている。第2の窒
化絶縁膜113として適用できる窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜は、以下の条件
を用いて形成することができる。プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置さ
れた基板を300℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上370℃以下に保持し、
処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を20Pa以上200Pa以下とし、
好ましくは30Pa以上100Pa以下とし、処理室内に設けられた電極に高周波電力を
供給する。また、第2の窒化絶縁膜113の原料ガスとしては、少なくとも、シリコンを
含む堆積性気体及び窒素を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例と
しては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シランなどがある。第2の窒化絶縁膜1
13は、形成する窒化絶縁膜に水素ができる限り含まれないように構成元素に水素を有す
るアンモニアを原料ガスとして用いない、又は少量用いる。例えば、プラズマCVD装置
を用いて第2の窒化絶縁膜113を形成する際、真空排気された処理室内に供給する窒素
のシリコンを含む堆積性気体に対する流量比は10倍以上100倍以下、好ましくは15
倍以上40倍以下とする。そして、アンモニアのシリコンを含む堆積性気体に対する流量
比は、0.1倍以上1倍未満、好ましくは0.2倍以上0.75倍以下とする。
を促すことができる。これは、アンモニアがプラズマエネルギーや熱エネルギーによって
解離し、解離することで生じるエネルギーが、シリコンを含む堆積性気体分子の結合及び
窒素分子の結合の分解に寄与するためである。このようにすることで、水素を透過させに
くく、水素に対するバリア膜として機能する窒化シリコン膜を形成することができる。
09の酸化物半導体膜173に拡散してくる水素に対して十分なバリア性を発揮できる厚
さとすることが好ましい。例えば、5nm以上100nm以下、好ましくは15nm以上
50nm以下である。
膜113とする場合、第2の窒化絶縁膜113の厚さを厚くすることでESD耐性を向上
させることができる。例えば、第2の窒化絶縁膜113の厚さを300nm以上400n
m以下として設けることで絶縁耐圧を300V以上とさせることができる。ESD耐性を
向上させることで、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。
場合、後に形成する絶縁膜171に含まれている酸素が電極163、電極165及び電極
167に拡散してしまい、後に形成する酸化物半導体膜173の酸素欠損を十分に低減す
ることができない可能性がある。第2の窒化絶縁膜113は、水素に対するバリア膜とし
て機能することから水素を透過させにくい。また、第2の窒化絶縁膜113は、水素より
も原子半径の大きな元素である酸素についても透過させにくい。それゆえ、第2の窒化絶
縁膜113は、絶縁膜171に含まれている酸素が電極163、電極165及び電極16
7に拡散することを抑制でき、酸化物半導体膜173の酸素欠損を十分に低減することが
できる。
せることができる。例えば、電位をGND(または固定電位)とすることで、後に形成す
るトランジスタ109の電気的特性を制御することができる。なお、電極165は静電気
に対する静電遮蔽機能も有する。ただし、電極165を用いてトランジスタ109のしき
い値を制御し、ノーマリーオフ特性のトランジスタとする必要がない場合には、電極16
5を設けなくともよい。また、ある特定の回路の一部にトランジスタ109を用いる場合
に電極165を設けると支障がでる恐れがある場合には、その回路には設けなくともよい
。
て、絶縁膜171及び接続電極172上に酸化物半導体膜174を形成する(図4(B)
参照)。
に形成する酸化物半導体膜173に含まれる酸素欠損を低減させるために、酸素を含む絶
縁膜を形成することが好ましい。例えば、絶縁膜171として、酸化シリコン膜、酸化ガ
リウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、若しくは酸化アルミニウム膜などの
酸化絶縁膜、酸化窒化シリコン膜、若しくは酸化窒化アルミニウム膜などの酸化窒化絶縁
膜、又は、窒化酸化シリコン膜などの窒化酸化絶縁膜から選ばれた一の絶縁膜、又は、複
数が積層された絶縁膜を用いて、CVD法又はスパッタリング法などによって形成する。
ることができる。なお、形成した層間絶縁膜にCMPなどの研磨処理やエッチング処理を
行って絶縁膜171を形成する際、接続電極172の表面が露出するまで研磨処理やエッ
チング処理を行う。
を有することがより好ましい。絶縁膜171において、少なくとも、後に形成される酸化
物半導体膜173と接する領域に酸素過剰領域を含むことで、酸化物半導体膜174(又
は酸化物半導体膜173)へ酸素を供給することが可能となり、絶縁膜171に含まれる
酸素を酸化物半導体膜174に移動させ、酸素欠損を補填することが可能となるためであ
る。絶縁膜171に酸素過剰領域を設けるには、例えば、CVD法又はスパッタリング法
を用いて、酸素雰囲気下にて酸化絶縁膜を形成することで絶縁膜171を形成すればよい
。又は、絶縁膜171を形成した後に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。
膜であってもよい。例えば、TDS法により測定される酸素分子の放出量が、1.0×1
018分子/cm3以上ある酸化絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜174に含まれ
る酸素欠損の少なくとも一部を補充することができる。
ことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いた
トランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加え
てガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタ
ン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド(例えば、セリ
ウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニウム(Gd))から選ばれた一種、または複
数種が含まれていることが好ましい。
含む酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn
−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三種
類の金属を含む酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In
−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−
Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Z
r−Zn系酸化物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−
Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Z
n系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn
系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系
酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸
化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四種類の金属を含む酸化
物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−A
l−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系
酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。
物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外
の金属元素が入っていてもよい。
)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれ
た一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザーとしての元素を示
す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数
)で表記される材料を用いてもよい。
n:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその原子数比の近
傍の酸化物をターゲットとして用いるとよい。
ーアブレーション法などを用いて形成することができる。また、酸化物半導体膜174と
して印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体膜を直接形成することができる
。スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源
装置は、RF電源装置、AC電源装置又はDC電源装置などを適宜用いることができる。
スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、希ガス及び酸素の混
合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガ
ス比を高めることが好ましい。
することで酸化物半導体膜173を形成する(図5(A)参照)。当該エッチング処理は
、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用いてもよい。または、ドライエッ
チング及びウェットエッチングの両方を組み合わせて用いることもできる。所望の形状に
エッチングできるよう、材料に合わせてエッチング条件(エッチングガスやエッチング液
、エッチング時間、温度など)を適宜設定する。
上30nm以下、更に好ましくは1nm以上50nm以下、更に好ましくは3nm以上2
0nm以下とすることが好ましい。
は、酸化物半導体膜173を形成した後の少なくとも一方で加熱処理し、酸化物半導体膜
173(又は酸化物半導体膜174)の脱水素化又は脱水化することが好ましい。当該加
熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは200℃以上4
50℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とする。
1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、又は希ガス(アルゴン、ヘリウム等
)の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、又は希ガスに水素、水
などが含まれないことが好ましい。不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱し
てもよい。なお、処理時間は3分〜24時間とする。
適用できる加熱装置を用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、
基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮する
ことができる。
脱水化だけではなく、絶縁膜171に含まれている酸素を酸化物半導体膜173(又は酸
化物半導体膜174)に移動させて、酸化物半導体膜173(又は酸化物半導体膜174
)の酸素欠損を低減することができる。
成する前(即ち、酸化物半導体膜174を形成した後)、又は、酸化物半導体膜173を
形成した後の少なくとも一方において、酸化雰囲気で発生させたプラズマに曝してもよい
。酸化雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素などの雰囲気がある。
さらに、プラズマ処理において、基板115側にバイアスを印加しない状態で発生したプ
ラズマに酸化物半導体膜173を曝すことが好ましい。この結果、酸化物半導体膜173
にダメージを与えず、且つ酸素を供給することが可能であり、酸化物半導体膜173に含
まれる酸素欠損を低減することができる。また、エッチング処理により酸化物半導体膜1
73の表面に残存する不純物、例えば、フッ素、塩素等のハロゲンなどを除去することが
できる。また、後に形成するゲート絶縁膜179が酸化物半導体膜173上に設けられて
いる状態で当該プラズマに曝してもよい。
部電極に27.12MHzの高周波電源を用いて2.5×10−2W/cm2の高周波電
力を供給して発生させた酸素プラズマに酸化物半導体膜173を曝す。
、当該導電膜上にマスクを形成し、当該マスクを用いてエッチング処理をすることで、ソ
ース電極175及びドレイン電極177を形成する。そして、少なくとも、酸化物半導体
膜173、ソース電極175及びドレイン電極177に接してゲート絶縁膜179を形成
する(図5(B)参照)。
ッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、若しくはタング
ステンからなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金を、単層構造又は積層構造とし
て用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタ
ン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネ
シウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜又は窒化チタン膜と
、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにそ
の上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン
膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層
し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造などがある。
なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。また、
リンなどの不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケ
ルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。当該導電膜はスパッタリング法、CV
D法、蒸着法、電解メッキ法、印刷法又はインクジェット法などを用いて形成することが
できる。なお、当該導電膜の厚さは特に限定されず、形成する時間や所望の抵抗率などを
考慮して決めることができる。
Lとなる。トランジスタ109のチャネル長Lを50nm未満、例えば30nm程度とす
る場合には、電子ビームを用いてレジストを露光し、現像したマスクを導電膜のエッチン
グマスクとして用いることが好ましい。電子ビームは、加速電圧が高いほど微細パターン
を得ることができる。また、電子ビームは、マルチビームとして基板1枚あたりの処理時
間を短縮することもできる。電子ビームの照射が可能な電子ビーム描画装置において、例
えば、加速電圧は5kV〜50kVであることが好ましい。また、電流強度は、5×10
−12〜1×10−11Aであることが好ましい。また、最小ビーム径は、2nm以下で
あることが好ましい。また、作製可能なパターンの最小線幅が8nm以下であることが好
ましい。上記条件により、例えばパターンの幅を30nm以下、好ましくは20nm以下
さらに好ましくは8nm以下にすることができる。
2O3(Gd2O3)膜、酸化亜鉛膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化
シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化シリコン膜を用いて、単層構造又は
積層構造として形成することができる。また、他の材料として絶縁性を有するIn−Ga
−Zn系酸化物膜を用いても形成することができる。例えば、絶縁性を有するIn−Ga
−Zn系酸化物膜は、In:Ga:Zn=1:3:2[原子数比]の酸化物ターゲットを
用い、基板温度を室温とし、スパッタリングガスにアルゴン、またはアルゴンと酸素の混
合ガスを用いて形成すればよい。また、ゲート絶縁膜179は、絶縁膜171と同様に化
学量論的組成よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含むことがより好ましい。
さらに、ゲート絶縁膜179は、絶縁膜171と同様に化学量論的組成を満たす酸素より
も多くの酸素を含む酸化絶縁膜を用いて形成してもよい。また、ゲート絶縁膜179は、
第2の窒化絶縁膜113に適用できる窒化絶縁膜を用いて形成してもよい。また、ゲート
絶縁膜179を酸化ガリウム膜で形成する場合、MOCVD(Metal Organi
c Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成することが
できる。
添加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)膜、窒素が添加されたハフニウ
ムアルミネート(HfAlxOyNz)膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜など
のhigh−k材料の絶縁膜を用いることでトランジスタ109のゲートリークを低減で
きる。
できる。ゲート絶縁膜179の厚さは、5nm以上400nm以下、より好ましくは10
nm以上300nm以下、より好ましくは50nm以上250nm以下とするとよい。
導体膜173を脱水素化又は脱水化するために行う加熱処理と同様にして行うことができ
る。当該加熱処理によって、ゲート絶縁膜179に含まれている酸素を酸化物半導体膜1
73に移動させ、酸化物半導体膜173に含まれている酸素欠損を低減させることができ
る。
するため、洗浄処理をすることが好ましい。この洗浄処理を行うことで、ソース電極17
5とドレイン電極177との短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、TMAH(
Tetramethylammonium Hydroxide)溶液などのアルカリ性
の溶液、フッ酸、シュウ酸などの酸性の溶液、又は水を用いて行うことができる。
を形成し、ゲート絶縁膜179のソース電極175と重畳する領域に電極183を形成す
る。ゲート電極181及び電極183は、ゲート絶縁膜179上に導電膜を形成し、当該
導電膜上にマスクを形成し、当該マスクを用いてエッチング処理することでゲート電極1
81及び電極183を形成できる(図1(A)参照)。
できる導電材料を用い、同様にして形成することができる。
上、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有する材料で形成される膜を
ゲート電極181とゲート絶縁膜179との間に設けて、トランジスタのしきい値電圧を
プラスにすることが好ましい。具体的には、In−N結合を有し、且つ、固有抵抗が1×
10−1〜1×10−4Ω・cm、好ましくは固有抵抗が5×10−2〜1×10−4Ω
・cmを有する材料で形成される膜をゲート電極181とゲート絶縁膜179との間に設
ける。その材料の一例としては、窒素を含むIn−Ga−Zn系酸化物膜や、窒素を含む
In−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、
窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InNなど)などが挙げられる。
び電極183上に絶縁膜185を形成してもよい。トランジスタ109が半導体装置の最
上部に設けられる場合は、絶縁膜185を第2の窒化絶縁膜113に適用できる窒化絶縁
膜を用いて形成することが好ましい。このようにすることで、大気に含まれる水素(水な
どの水素化合物を含む。)が半導体装置の内部に侵入することを抑制でき、半導体装置の
電気特性を良好にすることができる。また、半導体装置の信頼性を向上させることができ
る。
173を脱水素化又は脱水化するために行う加熱処理と同様にして行うことができる。当
該加熱処理によって、酸化物半導体膜173に含まれている酸素欠損を低減させることが
できる。
のトランジスタ109は、電極165をバックゲート電極として機能させることができる
ことから、トランジスタ109は、デュアルゲート構造のトランジスタといえる。なお、
第2の窒化絶縁膜113及び絶縁膜171がバックゲート電極に対するゲート絶縁膜にな
る。
スタとすることができる。それゆえ、工程数を変更することなく、レイアウトを変更する
ことで同一基板上にデュアルゲート構造のトランジスタとトップゲート構造のトランジス
タとの両方を作製することができる。
タ101及びトランジスタ103のようにサイドウォールを設ける構成であってもよい。
さらに、酸化物半導体膜173において、チャネル形成領域よりも導電率の高い領域が設
けられている構成であってもよい。例えば、酸化物半導体膜173と、ソース電極175
及びドレイン電極177とが接する領域に、不純物を添加して導電率の高い領域を形成し
てもよい。当該不純物としては、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、リン、ヒ素、イ
ンジウム、スズ、アンチモン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンな
どがある。なお、当該導電率の高い領域はLDDとして機能する領域を形成してもよい。
極175及びドレイン電極177が酸化物半導体膜173の上面と接する構成であるが、
ソース電極175及びドレイン電極177が酸化物半導体膜173の下面と接する構成で
あってもよい。
アウト)は、適宜決定することができる。例えば、トランジスタ101とトランジスタ1
03のチャネル形成領域が、トランジスタ109のチャネル形成領域と直交するように各
トランジスタを配置することができる。
てもよい。つまり、層間絶縁膜にCMPなどの研磨処理やエッチング処理を行うか否かは
適宜選択することができる。
ランジスタとしてもよい。フィン型構造とは、半導体基板の一部を板状の突起形状に加工
し、突起形状の長尺方向を交差するようにゲート電極を設けた構造である。当該ゲート電
極は、ゲート絶縁膜を介して突起構造の上面及び側面を覆う。本発明の一態様である半導
体装置に含まれるトランジスタをフィン型構造のトランジスタとすることで、チャネル幅
Wを縮小してトランジスタの集積化を図ることができる。また、オン電流を大きくするこ
とができる。さらに、制御効率を向上させることができるため、トランジスタのオフ電流
及びしきい値電圧の変動を低減することができる。
電極159及び電極163を通じて、トランジスタ109と電気的に接続される構成であ
るが、トランジスタ101のゲート電極125及びトランジスタ103のゲート電極14
3と、トランジスタ109のソース電極175とが、直接接する構成であってもよい。そ
の際、層間絶縁膜を適宜、削除することができる。
どの半導体素子を設けてもよい。その場合は、適宜、層間絶縁膜を設け、回路の接続関係
に対応させて当該層間絶縁膜に開口を形成し、当該開口に電極を形成し、当該半導体素子
と、トランジスタ101、トランジスタ103、又はトランジスタ109と電気的に接続
させればよい。
体装置に限定されず、少なくともシリコン半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体
を用いたトランジスタとを有する回路に相当し、半導体装置の積層構造として、シリコン
半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタとの間に第1の窒化
絶縁膜及び第2の窒化絶縁膜を有する、半導体装置であればよい。
上に水素を含み、加熱によって水素を放出する第1の窒化絶縁膜と、第1の窒化絶縁膜と
酸化物半導体を用いたトランジスタとの間に、第1の窒化絶縁膜よりも水素含有量が低く
、水素に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜とが設けられた半導体装置であ
る。そして、第1の窒化絶縁膜を設けることで、半導体装置の作製工程における加熱処理
によって、安全且つ簡易にシリコン半導体を水素化処理することができる。また、第2の
窒化絶縁膜を設けることで、半導体装置の作製工程における加熱処理によって放出がされ
る水素が、酸化物半導体に拡散することを抑制できる。従って、本発明の一態様によって
、良好な電気特性を有する半導体装置を作製できる、そして、良好な信頼性を有する半導
体装置を作製できる。
実施の形態1に示す半導体装置の変形例について、図6を用いて説明する。酸素が拡散
しにくい導電膜を用いて電極163、電極165、及び電極167を形成する、又は酸素
に対してバリア性を有する酸化物膜(ルテニウム酸化物など)を積層して電極163、電
極165、及び電極167を構成することで、第2の窒化絶縁膜113を、層間絶縁膜1
61と、電極163、電極165、及び電極167との間に設けることができる(図6参
照)。
実施の形態1に示す半導体装置の変形例について、図7を用いて説明する。図7に示す
半導体装置は、第1の窒化絶縁膜111が第2の窒化絶縁膜113と接する点が図1に示
す半導体装置と異なる。
ンジスタ101と、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ103とが電気的に接
続されたCMOS回路105を有し、CMOS回路105上に容量素子107と、第2の
半導体材料を用いたnチャネル型トランジスタであるトランジスタ109とを有し、トラ
ンジスタ101及びトランジスタ103と、トランジスタ109との間に水素を含み、加
熱によって水素を放出する第1の窒化絶縁膜111を有し、第1の窒化絶縁膜111に積
層され、第1の窒化絶縁膜111よりも低い水素含有量を有し、水素に対するバリア膜と
して機能する第2の窒化絶縁膜113を有する。
子分離絶縁膜151が設けられている。そして、トランジスタ101及びトランジスタ1
03並びに素子分離絶縁膜151を覆うように絶縁膜153が設けられている。
111が設けられている。第1の窒化絶縁膜111に接して第2の窒化絶縁膜113が設
けられており、第2の窒化絶縁膜113上には絶縁膜171が設けられている。
71に形成された開口に設けられた接続電極172を通じて電極163と接している。ソ
ース電極175は、トランジスタ101のゲート電極125及びトランジスタ103のゲ
ート電極143と電気的に接続されている。
171に形成された開口に設けられた接続電極172を通じて電極167と接している。
次に、上記半導体装置の変形例の作製方法について、図4乃至図6、図8、及び図9を
用いて説明する。
びトランジスタ103を作製する。次に、トランジスタ101及びトランジスタ103上
に絶縁膜153を形成する。
及び電極149を形成する(図8(B)参照)
7を形成し、ゲート電極125及びゲート電極143に達する開口を層間絶縁膜157に
形成し(図示せず)、当該開口に電極159を形成する。そして、層間絶縁膜157及び
電極159上に層間絶縁膜161を形成する(図8(C)参照)。
形成する。電極163を形成すると同時に電極165及び電極167を形成することがで
きる。そして、電極163、電極165及び電極167の間を埋めるように絶縁膜169
を形成する。そして、電極163、電極165及び電極167、並びに絶縁膜169上に
第1の窒化絶縁膜111を形成し、第1の窒化絶縁膜111上に第2の窒化絶縁膜113
を形成する(図9参照)。
117及びトランジスタ103のチャネル形成領域135を十分に水素化処理できるだけ
の水素を含むことができる厚さとすることが好ましい。例えば、50nm以上1000n
m以下、好ましくは100nm以上500nm以下である。
適宜用いることができる。
09の酸化物半導体膜173に拡散してくる水素に対して十分なバリア性を発揮できる厚
さとすることが好ましい。例えば、5nm以上100nm以下、好ましくは15nm以上
50nm以下である。
適宜用いることができる。
続電極172、トランジスタ109、容量素子107、絶縁膜185を作製することがで
きる。
また、本発明の一態様である半導体装置は、半導体装置の変形例2の構成において、第
1の窒化絶縁膜111と第2の窒化絶縁膜113との間に、第1の窒化絶縁膜111及び
第2の窒化絶縁膜113に接して酸化絶縁膜が設けられた構成であってもよい。当該酸化
絶縁膜は、酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜とすることができる。
縁膜111より水素濃度が低く、緻密な窒化絶縁膜によって形成されている。それゆえ、
第2の窒化絶縁膜113は水素に対するバリア膜として機能する。水素を含む窒化絶縁膜
によって形成されている第1の窒化絶縁膜111を第2の窒化絶縁膜113に接して設け
る場合、第2の窒化絶縁膜113の形成方法によっては、第1の窒化絶縁膜111に含ま
れている水素が第2の窒化絶縁膜113に混入し、第2の窒化絶縁膜113の水素濃度が
増大してしまう可能性がある。そこで、上記のように、第1の窒化絶縁膜111と第2の
窒化絶縁膜113との間に酸化絶縁膜を設けることで、第2の窒化絶縁膜113を形成す
る際に、第1の窒化絶縁膜111に含まれている水素が第2の窒化絶縁膜113に混入す
ることを抑制することができ、第2の窒化絶縁膜113を水素に対するバリア膜として十
分に機能させることができる。
半導体装置の変形例2、変形例3の構造は、図7に示した構成に限定されない。例えば
、酸素が拡散しにくい導電膜を用いて電極163、電極165、及び電極167を形成す
る、又は酸素に対してバリア性を有する酸化物膜(ルテニウム酸化物など)を積層して電
極163、電極165、及び電極167を構成することで、第1の窒化絶縁膜111及び
第2の窒化絶縁膜113を、層間絶縁膜161と、電極163、電極165、及び電極1
67との間に設けることができる(図10(A)参照)。または、第1の窒化絶縁膜11
1と第2の窒化絶縁膜113との間に電極163、電極165、及び電極167が設けら
れた構成であってもよい(図10(B)参照)。このような構造とすることで、電極16
3、165、167の酸化を防ぐことが可能であるため、電極163、165、167の
抵抗値の上昇を防ぐことができる。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本発明の一態様である半導体装置の他の例として、論理回路であるNOR型回路の断面
図の一例を図11(A)に示す。図11(B)は図11(A)に対応するNOR型回路の
回路図であり、図11(C)はNAND型回路の回路図である。
ジスタであるトランジスタ202と、nチャネル型トランジスタであるトランジスタ20
3との断面図である。また、図12に当該NOR型回路の一部の上面図を示す。図11(
A)に示した断面図は、図12に示した上面図の1点鎖線XY間の断面に相当する。図1
2に示した上面図において、図面の明瞭化のため構成要素の一部(トランジスタ202、
第1の窒化絶縁膜211、第2の窒化絶縁膜213、その他ゲート絶縁膜や層間絶縁膜な
ど)を図示していない。
半導体装置であり、実施の形態1で説明した半導体装置の作製方法を適宜用いることで作
製できる。
て、集積化度を高めるために複数のトランジスタの一部が縦方向に積層されている。そし
て、図11(A)及び図11(B)に示すNOR型回路図に相当する半導体装置は、pチ
ャネル型トランジスタであるトランジスタ201及びpチャネル型トランジスタであるト
ランジスタ202の上に、水素を含み、加熱によって水素を放出する第1の窒化絶縁膜2
11を有し、第1の窒化絶縁膜211と、トランジスタ203及びトランジスタ204の
間に、第1の窒化絶縁膜211よりも低い水素含有量を有し、水素に対するバリア膜とし
て機能する第2の窒化絶縁膜213を有する。
晶シリコン基板にトランジスタ202を設けて、トランジスタ202の上に酸化物半導体
を用いたトランジスタ203を積層した構成である。図示していないが、トランジスタ2
02が設けられる基板200にトランジスタ201を設けることができる。また、図示し
ていないが、酸化物半導体を用いたトランジスタ204もトランジスタ202上に設ける
ことができる。
明した半導体装置の第1の窒化絶縁膜111と同じ構成である。それゆえ、本実施の形態
で説明する半導体装置においても、少なくとも、トランジスタ201及びトランジスタ2
02のチャネル形成領域が形成される単結晶シリコン基板に含まれる欠陥(ダングリング
ボンド)を加熱処理によって修復させることができる。
膜213は、実施の形態1で説明した半導体装置の第2の窒化絶縁膜113と同じ構成で
ある。それゆえ、本実施の形態で説明する半導体装置においても、第1の窒化絶縁膜21
1を含め、トランジスタ203よりも下部に存在する水素がトランジスタ203の酸化物
半導体膜(少なくともチャネル形成領域)に不純物として拡散することを抑制できる。
トランジスタ103と同じ構造である。また、トランジスタ203は、実施の形態1で説
明した半導体装置のトランジスタ109と同じ構造である。そこで、トランジスタ202
及びトランジスタ203の詳細は実施の形態1を参酌できる。また、ここでは、実施の形
態1で説明した半導体装置と構造が異なる部分について説明する。なお、トランジスタ2
01、トランジスタ204も実施の形態1で説明した半導体装置のトランジスタ103及
びトランジスタ109と同じ構造である。
じてトランジスタ203のソース電極245aと電気的に接続する。電極231は層間絶
縁膜230に形成された開口に設けられ、電極234は層間絶縁膜233に形成された開
口に設けられている。なお、トランジスタ203のドレイン電極245bは、接続電極2
39を通じて電極236と電気的に接続している。
5は、層間絶縁膜233に形成された開口に設けられる。
接続しており、これらを通じてトランジスタ202のゲート電極と電気的に接続している
。また、トランジスタ203のゲート電極205は、電極280と電気的に接続し、電極
280は、電極242と電気的に接続している。なお、電極280は、第1のバリア金属
膜286と、第2のバリア金属膜287と、第1のバリア金属膜286と第2のバリア金
属膜287で囲まれた低抵抗導電膜288とで構成される。
に達する開口を層間絶縁膜285に形成し、第1のバリア金属膜286を形成し、その上
に低抵抗導電膜288を形成する。そして、平坦化するために研磨処理を行い、少なくと
も、低抵抗導電膜288の表面を露出させる。露出した低抵抗導電膜288を保護するた
め、第2のバリア金属膜287を形成する。
膜286、及び第2のバリア金属膜287は、低抵抗導電膜288に含まれる銅の拡散を
抑える導電材料を用いればよく、例えば窒化タンタル膜、窒化モリブデン膜、窒化タング
ステン膜などを用いて形成する。
工程で形成できる電極237は、電圧を印加できる構成とすることで、トランジスタ20
3のバックゲート電極としても機能させることができる。
238として酸素を含む絶縁膜を用いる場合、第2の窒化絶縁膜213は、水素に加えて
酸素についても透過させにくいことから、層間絶縁膜238に含まれている酸素が層間絶
縁膜238よりも下方(例えば電極234、電極235、電極236及び電極237)に
拡散することを抑制でき、酸化物半導体膜273の酸素欠損を十分に低減することができ
る。従って、良好な電気特性、及び良好な信頼性を有するトランジスタ203を得ること
ができる。さらには、良好な電気特性、及び良好な信頼性を有する半導体装置を得ること
ができる。
た、高速に動作するトランジスタと、酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成された、
オフ電流の極めて小さいトランジスタとを用いていることから、高速に動作させることが
でき、消費電力を十分に低減することができる。
様に、図11及び図12に示した構成に限定されない。例えば、酸素が拡散しにくい導電
膜を用いて電極234、電極235、電極236及び電極237を形成する、又は酸素に
対してバリア性を有する酸化物膜(ルテニウム酸化物など)を積層して電極234、電極
235、電極236及び電極237を構成することで、第2の窒化絶縁膜213を、層間
絶縁膜233と、電極234、電極235、電極236及び電極237との間に設けるこ
とができる(図13参照)。
タ251及びpチャネル型トランジスタであるトランジスタ254は、図1(A)に示す
トランジスタ103と同様な構造を有し、シリコン半導体領域にチャネル形成領域が形成
されたトランジスタである。そして、nチャネル型トランジスタであるトランジスタ25
2及びnチャネル型トランジスタであるトランジスタ253は、図1(A)に示すトラン
ジスタ109と同様な構造を有し、酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されたトラ
ンジスタを用いる。また、トランジスタ103及びトランジスタ109の詳細は実施の形
態1を参酌できる。なお、図11(C)に示すNAND型回路は、図11(B)に示すN
OR型回路と接続関係が異なるだけであることから、当該NAND型回路の断面構造、又
は当該NAND型回路におけるトランジスタの積層構造は上記を参酌できる。
本実施の形態に示す半導体装置の変形例を図14に示す。図14(A)に示すNOR型
回路図に相当する半導体装置は、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ201及
びpチャネル型トランジスタであるトランジスタ202と、トランジスタ203及びトラ
ンジスタ204との間に、水素を含み、加熱によって水素を放出する第1の窒化絶縁膜2
11を有し、第1の窒化絶縁膜211に積層され、第1の窒化絶縁膜211よりも低い水
素含有量を有し、水素に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜213を有する
。
4、電極235、電極236及び電極237を形成する、又は酸素に対してバリア性を有
する導電膜を積層して電極234、電極235、電極236及び電極237を構成するこ
とで、第2の窒化絶縁膜213を、層間絶縁膜233と、電極234、電極235、電極
236及び電極237との間に設けることができる(図15(A)参照)。また、第1の
窒化絶縁膜211と第2の窒化絶縁膜213との間に、電極234、電極235、及び電
極236が設けられた構成であってもよい(図15(B)参照)。
また、本実施の形態では、NOR型回路とNAND型回路の例を示したが、特に限定さ
れず、シリコン半導体を用いたトランジスタ及び酸化物半導体を用いたトランジスタを使
用してAND型回路やOR型回路などを形成することができる。例えば、シリコン半導体
を用いたトランジスタ及び酸化物半導体を用いたトランジスタを使用して、電力が供給さ
れない状況でもデータの保持が可能で、且つ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(
記憶装置)を作製することもできる。
トランジスタ301のソース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Lin
e)とトランジスタ301のドレイン電極とは、電気的に接続されている。トランジスタ
301は、実施の形態1で説明したトランジスタ101又はトランジスタ103を適用す
ることができる。
ン電極の一方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジス
タ303のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ301のゲ
ート電極と、トランジスタ303のソース電極又はドレイン電極の一方は、容量素子30
5の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子30
5の電極の他方は電気的に接続されている。
できる。なお、容量素子305は、実施の形態1で説明した容量素子107を適用するこ
とができる。
位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出し
が可能である。
タ303がオン状態となる電位にして、トランジスタ303をオン状態とする。これによ
り、第3の配線の電位が、トランジスタ301のゲート電極、および容量素子305に与
えられる。すなわち、トランジスタ301のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(
書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、
Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線の
電位を、トランジスタ303がオフ状態となる電位にして、トランジスタ303をオフ状
態とすることにより、トランジスタ301のゲート電極に与えられた電荷が保持される(
保持)。
の電荷は長時間にわたって保持される。
態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ301のゲー
ト電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジ
スタ301をnチャネル型とすると、トランジスタ301のゲート電極にHighレベル
電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ301のゲー
ト電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低く
なるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ301を「オン状態
」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電
位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、トランジスタ301のゲ
ート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電
荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トラ
ンジスタ301は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第
5の配線の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ301は「オフ状態」
のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出
すことができる。
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ301が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_H
より小さい電位を第5の配線に与えればよい。又は、ゲート電極の状態にかかわらずトラ
ンジスタ301が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を
第5の配線に与えればよい。
としてメモリセルを複数含む、メモリセルアレイ(メモリセルアレイ401(1)乃至メ
モリセルアレイ401(n)nは2以上の整数)を複数層有し、下部にメモリセルアレイ
401(1)乃至メモリセルアレイ401(n)を動作させるために必要な論理回路40
3を有する。
01(2)を図示しており、メモリセルアレイ401(1)又はメモリセルアレイ401
(2)に含まれる複数のメモリセルのうち、メモリセル405aと、メモリセル405b
を代表で示す。メモリセル405a及びメモリセル405bとしては、例えば、本実施の
形態において説明した図16の回路構成と同様の構成とすることもできる。
半導体膜にチャネル形成領域が形成されたトランジスタを用いる。酸化物半導体膜にチャ
ネル形成領域が形成されたトランジスタの構成については、実施の形態1における説明と
同様である。
れたトランジスタを有する。例えば、実施の形態1で説明したシリコン半導体を用いたト
ランジスタ(トランジスタ101又はトランジスタ103)を用いることができる。
は、層間絶縁膜を間に介して積層され、層間絶縁膜を貫通する電極(配線を含む)によっ
て適宜、電気的に接続されている。
オフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を
保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、又は、リフレッ
シュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減すること
ができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい
)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲー
トへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため
、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導
体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、
信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報
の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
有し、高速に動作するトランジスタと、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するオフ
電流の極めて小さいトランジスタとを用いていることから、高速に動作させることができ
、消費電力を十分に低減することができる。また、水素を含み、加熱によって水素を放出
する第1の窒化絶縁膜を有し、第1の窒化絶縁膜よりも低い水素含有量を有し、水素に対
するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜を有することから、良好な電気特性、及び
良好な信頼性を有する半導体装置を得ることができる。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した半導体装置に適用でき、酸化物半導体を
用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に適用可能な一態様について説明する。
、単結晶酸化物半導体、及び多結晶酸化物半導体の他に、結晶部分を有する酸化物半導体
(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semico
nductor:CAAC−OS)で構成されていることが好ましい。
晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−O
S膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内
に収まる大きさの場合も含まれる。CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠
陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC−OS膜について詳細な説明を行う
。
tron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち
結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、C
AAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原
子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹
凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。本
明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置され
ている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは
、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、8
5°以上95°以下の場合も含まれる。
EM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列している
ことを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られ
ない。
ていることがわかる。
装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS
膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピーク
が現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属され
ることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
lane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピーク
は、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸
化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)
として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面
に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを
56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に
配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上
面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CA
AC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部
分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍
にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
ことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のc軸が、被形成面の法線ベクトルまたは表面
の法線ベクトルに平行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。
熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のc軸が、被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。
℃以下の熱処理を行い、さらに二層目の酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導
体膜に含まれる結晶部のc軸が、被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平
行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。
したトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、酸
化物半導体膜にCAAC−OSを適用したトランジスタは、良好な信頼性を有する。
用い、スパッタリング法によって成膜することが好ましい。当該スパッタリング用ターゲ
ットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面
から劈開し、a−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子
として剥離することがある。この場合、当該平板状またはペレット状のスパッタリング粒
子が、結晶状態を維持したまま被成膜面に到達することで、CAAC−OS膜を成膜する
ことができる。
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)
を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点
が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
に到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、被成膜面の温
度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として成膜する。
成膜時の被成膜面の温度を高めることで、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子
が被成膜面に到達した場合、当該被成膜面上でマイグレーションが起こり、スパッタリン
グ粒子の平らな面が被成膜面に付着する。
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100
体積%とする。
ついて以下に示す。
、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−Ga
−Zn系金属酸化物ターゲットとする。なお、当該加圧処理は、冷却しながら行ってもよ
いし、加熱しながら行ってもよい。なお、X、Y及びZは任意の正数である。ここで、所
定のmol比は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末及びZnOZ粉末が、2:2:1
、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3又は3:1:2である。なお、粉末
の種類、及びその混合するmol比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適
宜変更すればよい。
導体を適用する場合、CAAC−OSを形成し、当該CAAC−OSにレーザ照射処理す
ることによって加熱し、単結晶酸化物半導体を形成してもよい。なお、レーザ照射処理と
しては、連続発振若しくはパルス発振の気体レーザ又は固体レーザを用いることができる
。気体レーザとしては、エキシマレーザ、YAGレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ
、YAlO3レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、Ti:サファイアレーザなどを用い
ることができる。固体レーザとしては、Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti又は
TmがドーピングされたYAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶を使ったレー
ザを用いることができる。
半導体膜が積層された構造でもよい。一例としては、酸化物半導体膜を、第1の酸化物半
導体膜及び第2の酸化物半導体膜の積層構造とし、第1の酸化物半導体膜及び第2の酸化
物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜を、第
1の酸化物半導体膜及び第2の酸化物半導体膜に含まれる金属元素の原子数比が異なる積
層構造とすることができる。または、酸化物半導体膜を、第1の酸化物半導体膜及び第2
の酸化物半導体膜に含まれる金属元素が異なる積層構造とすることができる。なお、第1
の酸化物半導体膜及び第2の酸化物半導体膜としては、二種類の金属を含む酸化物、三種
類の金属を含む酸化物、または四種類の金属を含む酸化物を適宜用いることができる。
成を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=
1:1:1とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2とし
てもよい。また、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2とし
、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3としてもよい。なお
、各酸化物半導体膜の原子数比は、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス20%の
変動を含む。
チャネル側)の酸化物半導体膜のInとGaの含有率をIn>Gaとするとよい。またゲ
ート電極から遠い側(バックチャネル側)の酸化物半導体膜のInとGaの含有率をIn
≦Gaとするとよい。
1の酸化物半導体膜乃至第3の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、且つそれぞれの組
成を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=
1:3:2とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2とし
、第3の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1としてもよい。
:Ga:Zn=1:3:2である第1の酸化物半導体膜は、Ga及びZnよりInの原子
数比が大きい酸化物半導体膜、代表的には第2の酸化物半導体膜、並びにGa、Zn、及
びInの原子数比が同じ酸化物半導体膜、代表的には第3の酸化物半導体膜と比較して、
酸素欠損が生じにくいため、キャリア密度が増加することを抑制することができる。また
、原子数比がIn:Ga:Zn=1:3:2である第1の酸化物半導体膜が非晶質構造で
あると、第2の酸化物半導体膜がCAAC−OS膜となりやすい。
第1の酸化物半導体膜は、第2の酸化物半導体膜との界面における欠陥準位(トラップ準
位)が少ない。このため、酸化物半導体膜を上記構造とすることで、トランジスタの経時
変化や光BTストレス試験によるしきい値電圧の変動量を低減することができる。
率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、In>Gaの組成となる酸化
物はIn≦Gaの組成となる酸化物と比較して高いキャリア移動度を備える。また、Ga
はInと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、In≦
Gaの組成となる酸化物はIn>Gaの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備え
る。
となる酸化物半導体膜を適用し、バックチャネル側にIn≦Gaの組成となる酸化物半導
体膜を適用することで、トランジスタの電界効果移動度及び信頼性をさらに高めることが
可能となる。
体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化
物半導体、及びCAAC−OSを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化
物半導体膜乃至第3の酸化物半導体膜のいずれか一に非晶質酸化物半導体を適用すると、
酸化物半導体膜の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低
減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置に含まれる酸化物半導体を用いた
トランジスタに適用可能な一態様について説明する。
部異なるトランジスタ110を示す。なお、図18は、酸化物半導体を用いたトランジス
タ110のみを示し、シリコン半導体を用いたトランジスタ、及び容量素子などは省略し
ており、本実施の形態で説明するトランジスタ110には、図1(A)に示した半導体装
置を説明する際に用いた符号を付する。
173と、酸化物半導体膜173に接するソース電極175及びドレイン電極177と、
酸化絶縁膜178及び窒化絶縁膜180が積層されたゲート絶縁膜179と、ゲート絶縁
膜179上に設けられたゲート電極181と、絶縁膜171、ソース電極175、ドレイ
ン電極177、ゲート絶縁膜179及びゲート電極181を覆う絶縁膜184及び絶縁膜
185と、を有する。
極175及びドレイン電極177の端部に段差を有している。ゲート絶縁膜179は、酸
化物半導体膜173と接する側に、酸化絶縁膜178が設けられ、酸化絶縁膜178上に
窒化絶縁膜180が積層されている。また、ゲート絶縁膜179は、エッチング処理によ
ってソース電極175及びドレイン電極177の一部が露出するように加工されている。
また、絶縁膜184及び絶縁膜185が積層して設けられている。
、トランジスタ110は、トランジスタ109の作製方法を適宜用いて作製することがで
きる。例えば、加熱処理のタイミングなどはトランジスタ109の作製方法と同じとする
ことができる。
タ109と同様にして形成できる。
スタ109のソース電極175及びドレイン電極177に適用できる導電膜を用いて形成
でき、当該導電膜上に形成したマスクを用いて、所望のチャネル長Lが得られるように当
該導電膜を加工して導電膜を形成し、その後、アッシングなどによって当該マスクを縮小
し、縮小したマスクを用いて加工することにより、当該導電膜の端部に段差を有する形状
となる。このようにすることで、ソース電極175及びドレイン電極177の端部におけ
る絶縁膜の被覆性を高めることができる。
80とが積層されており、酸化物半導体膜173に接する酸化絶縁膜178は、化学量論
的組成よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含むことが好ましく、例えば、化
学量論的組成よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含む酸化シリコン膜又は酸
化窒化シリコン膜とすることができる。また、窒化絶縁膜180は、第2の窒化絶縁膜1
13に適用可能な窒化絶縁膜を用いて形成することが好ましい。
形成条件を用いて形成することができる。当該形成条件は、プラズマCVD装置の真空排
気された処理室内に載置された基板を180℃以上250℃以下、さらに好ましくは18
0℃以上230℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を1
00Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは100Pa以上200Pa以下とし、処
理室内に設けられた電極に0.17W/cm2以上0.5W/cm2以下、さらに好まし
くは0.25W/cm2以上0.35W/cm2以下の高周波電力を供給する、ことであ
る。なお、原料ガスには、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いる。
の形態を参照することができる。
工される導電膜を形成し、当該導電膜上にマスクを形成し、当該マスクを用いて当該酸化
絶縁膜、窒化絶縁膜及び当該導電膜をドライエッチングなどで一緒に加工することによっ
て、トランジスタ110のゲート絶縁膜179及びゲート電極181を形成することがで
きる。
とで、以下の効果を得ることができる。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比
誘電率が高く、同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁膜を物理
的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ110の絶縁耐圧の低下を抑制、さ
らには絶縁耐圧を向上させて、半導体装置のESD耐性を向上させることができる。これ
により、トランジスタ110の歩留まりを向上させることができることから、半導体装置
の歩留まりを向上させることができる。
組成よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含む酸化絶縁膜が好ましく、例えば
、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含む酸化シリコン膜又
は酸化窒化シリコン膜とすることができる。
よりも過剰に酸素を含む領域(酸素過剰領域)を含むことで、トランジスタ110の作製
工程中の加熱処理によって、酸化物半導体膜173中の酸素欠損を低減することができる
。例えば、本実施の形態で説明するトランジスタ110を作製する場合は、絶縁膜185
を形成した後に加熱処理を行うことが好ましい。酸素欠損を低減することにより、トラン
ジスタ110の電気特性及び信頼性を向上することができる。このことから、半導体装置
の電気特性及び信頼性を向上させることができる。
の実施の形態を参照することができる。絶縁膜185に適用できる窒化シリコン膜は水素
を透過させにくいことから、外部から水素が侵入してくることを抑制することができ、ト
ランジスタ110の電気特性及び信頼性を向上することができる。このことから、半導体
装置の電気特性及び信頼性を向上させることができる。
説明した半導体装置に含まれているトランジスタだけではなく、実施の形態2及びその変
形例で説明した半導体装置に含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタと置き換え
ることができる。また、トランジスタ110は、シリコン半導体を用いたトランジスタの
上に設けられ、配線としても機能する電極と電気的に接続させる場合には、トランジスタ
110のソース電極175及びドレイン電極177の形状を適宜変更することができる。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置の一例として、先の実施の形態で
説明した半導体装置を少なくとも一部に用いたCPU(Central Process
ing Unit)について説明する。
CPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic log
ic unit:演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコー
ダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レ
ジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bu
s I/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(
ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板
などを用いる。ROM1199及びROMインターフェース1189は、別チップに設け
てもよい。もちろん、図19(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例に
すぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。
ンデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、イン
タラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントロー
ラ1195に入力される。
ーラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御す
るための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログ
ラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマス
ク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のア
ドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう
。
92、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、及び
レジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号
CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記
各種回路に供給する。
レジスタ1196のメモリセルには、先の実施の形態で説明したメモリセルを用いること
ができる。
1からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジ
スタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行う
か、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータ
の保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が
行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの
書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止すること
ができる。
、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子
を設けることにより行うことができる。以下に図19(B)及び図19(C)の回路の説
明を行う。
チング素子に、先の実施の形態で説明した半導体装置に含まれる酸化物半導体を用いたト
ランジスタを適用した構成の一例を示す。
複数有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には
、先の実施の形態で説明したメモリセルを用いることができる。メモリセル群1143が
有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電
源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1
142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。
体装置に含まれる酸化物半導体を用いたトランジスタを適用でき、当該トランジスタは、
そのゲート電極に与えられる信号SigAによりスイッチングが制御される。
構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチ
ング素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場
合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていても
よいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
有する各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されている
が、スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されて
いてもよい。
イッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶
装置の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各
メモリセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
スイッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場
合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。
具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置
への情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより
消費電力を低減することができる。
Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmab
le Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した半導体装置を搭載した電子機器の例につ
いて図20を用いて説明する。先の実施の形態で説明した半導体装置は、スイッチング特
性の良い酸化物半導体を用いたトランジスタを有するので、各電子機器の消費電力を低減
することができる。また、酸化物半導体の特性を利用した新たな半導体装置(例えば、メ
モリ素子又はメモリセルなどの記憶装置など)が提供されるため、新たな構成の電子機器
を提供することが可能である。なお、先の実施の形態で説明した半導体装置は、単体、ま
たは集積化されて回路基板などに実装され、各電子機器の内部に搭載される。
の形態で説明した半導体装置の構成以外に、抵抗、コンデンサ、コイルなどの各種回路素
子を組み込んで構成されることが多い。集積回路の例としては、演算回路、変換回路、増
幅回路、メモリ回路、これらの組み合わせに係る回路などを高度に集積化したものがある
。
用いることも可能である。この場合、同一の基板上に、駆動回路を併せて設けるのが好適
である。もちろん、表示装置の駆動回路のみに対して上記半導体装置を用いることもでき
る。
トップ型又はノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ブルーレイディス
ク及びDVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体に記憶
された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テー
プレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯
無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子
書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ
、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディ
ショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵
庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析
装置等の医療機器、などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレ
ベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。
また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進す
る移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電
気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグイ
ンハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動
アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型
又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星
探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図20に示す。
が組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声
を出力することが可能である。
装置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devi
ce)、PDP(Plasma Display Panel)などの半導体表示装置を
用いることができる。
装置8000は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデム
を介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者か
ら受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行
うことも可能である。
いてもよい。テレビジョン装置8000は、先の実施の形態で説明したメモリやCPUを
用いることが可能である。
ナーは、先の実施の形態のCPUを用いた電子機器の一例である。具体的に、室内機82
00は、筐体8201、送風口8202、CPU8203などを有する。図20(A)に
おいて、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、C
PU8203は室外機8204に設けられていてもよい。或いは、室内機8200と室外
機8204の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。先の実施の形態で説明し
たCPUをエアコンディショナーのCPUに用いることによって省電力化が図れる。
を備える電子機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、
冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図20(A)で
は、CPU8304が、筐体8301の内部に設けられている。先の実施の形態で説明し
たCPUを電気冷凍冷蔵庫8300のCPU8304に用いることによって省電力化が図
れる。
00には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電力は、制御回路9
702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、
ROM、RAM、CPU(図示せず)などを有する処理装置9704によって制御される
。先の実施の形態で説明したCPUを電気自動車9700のCPUに用いることによって
省電力化が図れる。
を組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情
報(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる
負荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路
9702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気
エネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場
合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
膜に適用できる窒化絶縁膜を評価した結果について説明する。ここでは、第1の窒化絶縁
膜に適用できる窒化絶縁膜として、水素を含み、水素を放出する窒化絶縁膜であることを
説明する。
とする。構造1は、シリコンウエハ991上に窒化シリコン膜993が設けられている(
図21(A)参照)。
形成した。それぞれの条件で形成した試料を試料A1〜試料A4とした。なお、試料A1
〜試料A4ともに窒化シリコン膜993の厚さを50nmとした。
シランと、流量5000sccmの窒素とを原料ガスとし、処理室内の圧力を260Pa
とし、平行平板電極に供給する高周波電力を27.12MHz、100W(電力密度とし
ては1.8W/cm2)とした。なお、シランの流量に対する窒素の流量比は500倍で
ある。
シランと、流量500sccmの窒素とを原料ガスとし、処理室内の圧力を40Paとし
、平行平板電極に供給する高周波電力を27.12MHz、900W(電力密度としては
1.8W/cm2)とした。なお、シランの流量に対する窒素の流量比は25倍である。
ウエハ991を保持する温度を350℃とし、流量20sccmのシランと、流量500
sccmの窒素と、流量10sccmのアンモニアとを原料ガスとし、処理室内の圧力を
40Paとし、平行平板電極に供給する高周波電力を27.12MHz、900W(電力
密度としては1.93W/cm2)とした。なお、シランの流量に対する窒素の流量比は
25倍であり、シランの流量に対するアンモニアの流量比は0.5倍である。
ニアの流量は15sccmとし、他の条件は条件3と同じとした。なお、シランの流量に
対する窒素の流量比は25倍であり、シランの流量に対するアンモニアの流量比は0.7
5倍である。
のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算す
ることができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値
に対する原子の密度の割合である。
び絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の水素分子の放出量(NH2)は、数式1で求め
ることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数2で検出されるスペクトルの全て
が水素分子由来と仮定する。また、質量数が1以外の水素原子の同位体は、自然界におけ
る存在比率が極微量であるため考慮しない。
を密度で換算した値である。SH2(s)は、標準試料をTDS分析したときのスペクト
ルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2(s)/SH2(s)とする。
SH2は、絶縁膜をTDS分析したときのスペクトルの積分値である。αは、TDS分析
におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式1の詳細に関しては、特開平6−2
75697公報を参照できる。
製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として1×1016
atoms/cm2の水素原子を含むシリコンウエハを用いて測定した。
(A)は、横軸が基板温度を示し、縦軸が水素分子の放出量に対応するTDS強度を示し
たグラフである。なお、本TDS分析における水素分子の検出下限は1.0×1021分
子/cm3である。
素分子の放出を示すピークが確認されたが、試料によってTDS強度に差があった。つま
り、試料によって水素の放出量に差があった。
分子の放出量は1.1×1023分子/cm3であり、試料A3の水素分子の放出量は7
.4×1022分子/cm3であり、試料A4の水素分子の放出量は8.4×1022分
子/cm3であった。
より高いと確認できた。つまり、試料A1は、試料A2〜試料A4よりも窒化シリコン膜
993に含まれる水素の量が多いと確認できた。これより、試料A1の条件である条件1
のように、シランに対して窒素の流量を大きくすることで、膜中に水素を含み、加熱によ
って水素を放出できる窒化絶縁膜を形成できることが確認された。
装置に含まれる第1の窒化絶縁膜に好適であると確認できた。
て機能する第2の窒化絶縁膜に適用できる窒化絶縁膜を評価した結果について説明する。
ここでは、第2の窒化絶縁膜に適用できる窒化絶縁膜として、水素を透過させにくく、水
素に対するバリア性を有する膜であることを説明する。
た構造1とは一部異なり、当該構造を構造2とする。構造2は、シリコンウエハ991上
に窒化シリコン膜995が設けられており、窒化シリコン膜995上に窒化シリコン膜9
93が設けられている(図21(B)参照)。
VD法によって形成した。具体的には、実施例1で説明した条件1を用いて窒化シリコン
膜995を形成した。窒化シリコン膜993は、第2の窒化絶縁膜に適用できる形成条件
を用いてプラズマCVD法によって形成した。
で形成した試料を試料B1〜試料B4とした。なお、試料B1〜試料B4ともに、窒化シ
リコン膜993及び窒化シリコン膜995それぞれの厚さを50nmとした。
流量比は25倍である。
窒素の流量比は25倍であり、シランの流量に対するアンモニアの流量比は0.50倍で
ある。
モニアの流量を変化させた条件とした。なお、シランの流量に対する窒素の流量比は25
倍であり、シランの流量に対するアンモニアの流量比は0.75倍である。
した。具体的には、条件4において、アンモニアの流量を20sccmとした。なお、シ
ランの流量に対する窒素の流量比は25倍であり、シランの流量に対するアンモニアの流
量比は1.0倍である。
ン膜であることから、試料B1〜試料B4における水素の放出に対応するTDS強度を比
較することで、窒化シリコン膜993が水素に対するバリア膜として機能するか否か評価
できる。
て高いことが確認された。また、TDS強度は、窒化シリコン膜993の原料ガスとして
用いたアンモニア流量が多くなるにつれて、高くなることが確認された。
ているにもかかわらず、図22(B)に示したTDS強度は、実施例1で説明した試料A
2〜試料A4のTDS強度と比較して概ね同じであることが確認できた。つまり、試料B
1〜試料B3の窒化シリコン膜993は、水素を透過させにくい窒化シリコン膜であるこ
とが確認できた。従って、実施の形態1で説明したように、原料ガスとして窒素の流量を
シランの流量に対して10倍以上100倍以下(好ましくは15倍以上40倍以下)とし
、アンモニアの流量をシランの流量に対して0.1倍以上1倍未満(好ましくは0.2倍
以上0.75倍以下)として窒化シリコン膜を形成することで、水素を透過させにくく、
水素に対するバリア性を有する窒化シリコン膜を形成できることが確認された。
態様である半導体装置に含まれ、水素に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜
に適用できる。
透過させにくく、水素に対するバリア性を有する窒化シリコン膜であることが確認できた
。これを踏まえて、本実施例では、このような窒化シリコン膜について、屈折率、膜密度
、エッチング速度、及び膜中の水素濃度を評価した結果を説明する。
。窒化シリコン膜993は、実施例2で説明した条件5〜条件8の条件を用いて、プラズ
マCVD法により形成した。本実施例で作製した試料は、条件5〜条件8に対応して試料
C1〜試料C4とする。なお、試料C1〜試料C4の全てにおいて窒化シリコン膜993
の厚さは50nmとした。
を用いて、波長633nmの光に対する屈折率を求めた。膜密度はX線反射率法によって
求めた。エッチング速度は、20℃以上25℃以下において0.5重量%のフッ酸に対す
るエッチング速度を求めた。
定した窒化シリコン膜993の屈折率を図23(A)に示す。測定した窒化シリコン膜9
93の膜密度を図23(B)に示す。測定した窒化シリコン膜993のエッチング速度を
図24に示す。
流量比に対する、各試料の屈折率を示したグラフである。図23(B)は、窒化シリコン
膜993を形成した際に供給したシランとアンモニアの流量比に対する、各試料の膜密度
を示したグラフである。図24は窒化シリコン膜993を形成した際に供給したシランと
アンモニアの流量比に対する、エッチング速度を示したグラフである。なお、図23及び
図24ともに、試料C1はアンモニアを供給していない。
95以上であることが確認できた(図23(A)参照)。また、膜密度は2.75g/c
m3以上であることが確認できた(図23(B)参照)。また、エッチング速度は概ね2
.0nm/分未満であることが確認できた(図24参照)。
について評価した結果を説明する。評価した項目は、屈折率、膜密度、エッチング速度、
及び窒化シリコン膜993に含まれている水素濃度を評価した結果を説明する。
9〜条件12に対応して作製した試料を試料D1〜試料D4とする。
のシランと、流量5000sccmの窒素とを原料ガスとし、処理室内の圧力を100P
aとし、平行平板電極に供給する高周波電力を27.12MHz、2000W(電力密度
としては3.0×10−1W/cm2)とした。なお、シランの流量に対する窒素の流量
比は25倍である。
のシランと、流量2000sccmの窒素、流量100sccmのアンモニアとを原料ガ
スとし、処理室内の圧力を100Paとし、平行平板電極に供給する高周波電力を27.
12MHz、2000W(電力密度としては3.0×10−1W/cm2)とした。なお
、シランの流量に対する窒素の流量比は10倍であり、シランの流量に対するアンモニア
の流量比は0.5倍である。
なお、シランの流量に対する窒素の流量比は10倍であり、シランの流量に対するアンモ
ニアの流量比は2.5倍である。
。なお、シランの流量に対する窒素の流量比は10倍であり、シランの流量に対するアン
モニアの流量比は10倍である。
コン膜993において、分光エリプソメトリー測定を用いて波長633nmの光に対する
屈折率を求めた。膜密度はX線反射率法によって求めた。エッチング速度は20℃以上2
5℃以下において0.5重量%のフッ酸に対するエッチング速度を求めた。
25(B)に示す。エッチング速度の結果を図26に示す。
5(A)参照)。また、膜密度は2.75g/cm3以上であることが確認できた(図2
5(B)参照)。また、エッチング速度は2.0nm/分未満であることが確認できた(
図26参照)。
成された構造1の試料を作製した。作製した試料は、条件9の試料は試料E1、条件10
の試料は試料E2、条件12の試料は試料E3とした。
化シリコン膜993に含まれている水素濃度を測定した。その結果を表1に示す。
共に窒化シリコン膜に含まれている水素濃度が15原子%以下であることが確認された。
また、原料ガスとして、シランに対するアンモニアの流量が多い(具体的にはシランの流
量に対するアンモニアの流量比は10倍)ため、水素を放出する窒化シリコン膜が形成さ
れた試料E3は、窒化シリコン膜に含まれている水素濃度が20原子%以上であることが
確認された。
窒化シリコン膜は、ラザフォード後方散乱分析で測定される水素濃度が10原子%以上1
5原子%以下であることが確認できた。また、本発明の一態様である半導体装置に含まれ
、水素に対するバリア膜として機能する第2の窒化絶縁膜に好適である窒化シリコン膜は
、ラザフォード後方散乱分析で測定される水素濃度が20原子%以上25原子%以下であ
ることが確認できた。
Claims (3)
- シリコン半導体に第1のチャネル形成領域を有する第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタ上の第1の窒化絶縁膜と、
前記第1の窒化絶縁膜上の第2の窒化絶縁膜と、
前記第2の窒化絶縁膜上に位置し、酸化物半導体に第2のチャネル形成領域を有する第2のトランジスタと、
前記第2のトランジスタ上の第3の窒化絶縁膜と、を有し、
前記第2の窒化絶縁膜の密度が2.75g/cm3以上であり、
前記第3の窒化絶縁膜の密度が2.75g/cm3以上であることを特徴とする半導体装置。 - シリコン半導体に第1のチャネル形成領域を有する第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタ上の第1の窒化絶縁膜と、
前記第1の窒化絶縁膜上の第2の窒化絶縁膜と、
前記第2の窒化絶縁膜上に位置し、酸化物半導体に第2のチャネル形成領域を有する第2のトランジスタと、
前記第2のトランジスタ上の第3の窒化絶縁膜と、を有し、
前記第2の窒化絶縁膜は、X線反射率法によって測定される密度が2.75g/cm3以上であり、
前記第3の窒化絶縁膜は、X線反射率法によって測定される密度が2.75g/cm3以上であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は請求項2において、
前記第2の窒化絶縁膜は、20℃以上25℃以下において0.5重量%のフッ酸に対するエッチング速度が2.0nm/分以下であり、
前記第3の窒化絶縁膜は、20℃以上25℃以下において0.5重量%のフッ酸に対するエッチング速度が2.0nm/分以下であることを特徴とする半導体装置。
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