JP2018019073A - トランジスタおよび半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、金属酸化物を有し、ゲート絶縁体は、ゲート電極と金属酸化物との間に位置し、ゲート電極は、ゲート絶縁体を介して、金属酸化物と重なる領域を有し、第1の導電体および第2の導電体は、金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物と、第1のバンドギャップを有する酸化物に接する第2のバンドギャップを有する酸化物と、が交互に重なる積層構造を有し、金属酸化物は、第1のバンドギャップを有する酸化物を、2層以上を有し、第1のバンドギャップは、第2のバンドギャップより小さく、第2のバンドギャップと第1のバンドギャップの差は、0.3eV以上1.3eV以下であるトランジスタ。
【選択図】図1
Description
<トランジスタの構成1>
図1(A)は、本発明の一態様であるトランジスタの上面図である。また、図1(B)は、図1(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル形成領域におけるチャネル幅方向の断面図を示す。図1(C)は、図1(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル長方向の断面図を示す。図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
基板400としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
なお、トランジスタを、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば絶縁体401a、絶縁体401b、絶縁体408aおよび絶縁体408bとして、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
導電体404、導電体310、導電体416a1、導電体416a2としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
図1に示すトランジスタと異なる構成のトランジスタを図2に示す。図2(A)は、本発明の一態様であるトランジスタの上面図である。また、図2(B)は、図2(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル形成領域におけるチャネル幅方向の断面図を示す。図2(C)は、図2(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル長方向の断面図を示す。図2(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図1に示すトランジスタと異なる構成のトランジスタを図6に示す。図6(A)はトランジスタの上面図である。また、図6(B)は、図6(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル形成領域におけるチャネル幅方向の断面図を示す。図6(C)は、図6(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル長方向の断面図を示す。図6(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図17(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図17(B)は、図17(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図17(C)は、図17(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図17(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ100の構成要素の一部(ゲート絶縁体として機能する絶縁体等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図17(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
図18(A)は、トランジスタ500の上面図であり、図18(B)は、図18(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図18(C)は、図18(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
<トランジスタの作製方法>
以下では、本発明に係る図1に示すトランジスタの作製方法を図1および図7乃至図10を用いて説明する。図1および図7乃至図10において、各図の(A)は上面図であり、各図の(B)は、(A)に示す一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。各図の(C)は、(A)に示す一点鎖線A1−A2に対応する断面図である。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図19および図20を用いて説明する。
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図19および図20に示す。
図19、および図20に示す記憶装置は、トランジスタ800のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
図19、および図20に示す記憶装置は、トランジスタ800を有さない構成としてもよい。トランジスタ800を有さない場合も、先に述べた記憶装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
本発明の一態様の記憶装置の一例を、図19に示す。記憶装置は、トランジスタ900、トランジスタ800、トランジスタ700、容量素子600を有する。トランジスタ700はトランジスタ800の上方に設けられ、容量素子600はトランジスタ800、およびトランジスタ700の上方に設けられている。
記憶装置の変形例の一例を、図20に示す。図20は、図19と、トランジスタ800の構成が異なる。
12 スパッタリングターゲット
50a バッキングプレート
50c バッキングプレート
66 シャッタ
67 切欠き部
100 トランジスタ
100a 部分
100b 部分
102 基板
104 絶縁体
106 導電体
108 酸化物
108a 酸化物
108b 酸化物
108c 酸化物
108n 領域
110 絶縁体
112 導電体
116 絶縁体
118 絶縁体
120a 導電体
120b 導電体
141a 開口部
141b 開口部
143 開口部
301 絶縁体
302 絶縁体
303 絶縁体
310 導電体
310a 導電体
310b 導電体
310c 導電体
400 基板
401a 絶縁体
401b 絶縁体
402 絶縁体
404 導電体
404a 導電体
406a 酸化物
406a1 酸化物
406b 酸化物
406b1 酸化物
406b1n 酸化物
406b1w 酸化物
406bn 酸化物
406bn_n 酸化物
406bn_1 酸化物
406bn_2 酸化物
406bw 酸化物
406bw_n 酸化物
406bw_1 酸化物
406bw_2 酸化物
406c 酸化物
406d 酸化物
408a 絶縁体
408b 絶縁体
410 絶縁体
412 絶縁体
412a 絶縁体
416a1 導電体
416a2 導電体
417a1 バリア膜
417a2 バリア膜
500 トランジスタ
502 基板
504 導電体
506 絶縁体
507 絶縁体
508 酸化物
508a 酸化物
508b 酸化物
508c 酸化物
508n 領域
512a 導電体
512b 導電体
514 絶縁体
516 絶縁体
518 絶縁体
520a 導電体
520b 導電体
542a 開口部
542b 開口部
542c 開口部
600 容量素子
610 絶縁体
612 導電体
616 導電体
630 絶縁体
632 絶縁体
634 絶縁体
650 絶縁体
700 トランジスタ
710 絶縁体
712 絶縁体
714 絶縁体
716 絶縁体
718 導電体
720 絶縁体
722 絶縁体
724 絶縁体
772 絶縁体
774 絶縁体
780 絶縁体
782 絶縁体
784 絶縁体
785 導電体
787 導電体
800 トランジスタ
811 基板
812 半導体領域
814 絶縁体
816 導電体
818a 低抵抗領域
818b 低抵抗領域
820 絶縁体
822 絶縁体
824 絶縁体
826 絶縁体
828 導電体
830 導電体
850 絶縁体
852 絶縁体
854 絶縁体
856 導電体
858 絶縁体
900 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3006 配線
3007 配線
3008 配線
3009 配線
3010 配線
Claims (22)
- ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、金属酸化物を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極と前記金属酸化物との間に位置し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁体を介して、前記金属酸化物と重なる領域を有し、
前記第1の導電体および前記第2の導電体は、前記金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
前記金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物層と、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層に接する第2のバンドギャップを有する酸化物層と、が交互に重なる積層構造を有し、
前記金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、2層以上を有し、
前記第1のバンドギャップは、前記第2のバンドギャップより小さく、
前記第2のバンドギャップと前記第1のバンドギャップの差は、0.3eV以上1.3eV以下であることを特徴とするトランジスタ。 - ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、金属酸化物を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極と前記金属酸化物との間に位置し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁体を介して、前記金属酸化物と重なる領域を有し、
前記第1の導電体および前記第2の導電体は、前記金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
前記金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物層と、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層に接する第2のバンドギャップを有する酸化物層と、が交互に重なる積層構造を有し、
前記金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、2層以上を有し、
前記第1のバンドギャップは、前記第2のバンドギャップより小さく、
前記第2のバンドギャップを有する酸化物層の伝導帯下端と前記第1のバンドギャップを有する酸化物層の伝導帯下端の差は、0.3eV以上1.3eV以下であることを特徴とするトランジスタ。 - ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、金属酸化物を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極と前記金属酸化物との間に位置し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁体を介して、前記金属酸化物と重なる領域を有し、
前記第1の導電体および前記第2の導電体は、前記金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
前記金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物層と、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層に接する第2のバンドギャップを有する酸化物層と、が交互に重なる積層構造を有し、
前記金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、2層以上を有し、
前記第1のバンドギャップは、前記第2のバンドギャップより小さく、
前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方を有し、
前記第2のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方と、元素Mとを有し、前記元素Mは、アルミニウム、ガリウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一、または複数を含むこと特徴とするトランジスタ。 - ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、金属酸化物を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極と前記金属酸化物との間に位置し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁体を介して、前記金属酸化物と重なる領域を有し、
前記第1の導電体および前記第2の導電体は、前記金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
前記金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物層と、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層に接する第2のバンドギャップを有する酸化物層と、が交互に重なる積層構造を有し、
前記金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、2層以上を有し、
前記第1のバンドギャップは、前記第2のバンドギャップより小さく、
前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方と、元素Mとを有し、前記元素Mは、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一、または複数を含み、
前記第2のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方と、前記元素Mとを有し、
前記第2のバンドギャップを有する酸化物層は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層より、前記元素Mが多いこと特徴とするトランジスタ。 - ゲート電極と、第1の導電体と、第2の導電体と、ゲート絶縁体と、第1の金属酸化物と、第2の金属酸化物と、第3の金属酸化物を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極と前記第1の金属酸化物との間に位置し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁体および前記第1の金属酸化物を介して、前記第2の金属酸化物と重なる領域を有し、
前記第1の導電体および前記第2の導電体は、前記第2の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
前記第2の金属酸化物は、前記第3の金属酸化物の上面と接する領域を有し、
前記第2の金属酸化物は、膜厚方向に第1のバンドギャップを有する酸化物層と、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層に接する第2のバンドギャップを有する酸化物層と、が交互に重なる積層構造を有し、
前記第2の金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、2層以上を有し、
前記第1のバンドギャップは、前記第2のバンドギャップより小さく、
前記第2のバンドギャップと前記第1のバンドギャップの差は、0.3eV以上1.3eV以下であることを特徴とするトランジスタ。 - 前記第2の金属酸化物は、チャネル形成領域を有し、
前記チャネル形成領域のチャネル幅方向において、前記第1の金属酸化物は、前記第2の金属酸化物を覆う様に配されることを特徴とする請求項5に記載のトランジスタ。 - 前記第2の金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、3層以上10層以下を有することを特徴とする請求項5または請求項6に記載のトランジスタ。
- 前記第1の金属酸化物のバンドギャップおよび前記第3の金属酸化物のバンドギャップは、前記第2の金属酸化物のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項5乃至請求項7に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層の膜厚は、0.5nm以上10nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層の膜厚は、0.5nm以上2.0nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第2のバンドギャップを有する酸化物層の膜厚は、0.1nm以上10nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第2のバンドギャップを有する酸化物層の膜厚は、0.1nm以上3.0nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1の導電体の端部と前記第2の導電体の端部との互いに向かい合う距離は、10nm以上300nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記ゲート電極の幅は、10nm以上300nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層のキャリア密度は、6×1018cm−3以上5×1020cm−3以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項14のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、縮退していることを特徴とする請求項1乃至請求項15のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方を有すること特徴とする請求項1乃至請求項16のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム及び亜鉛の一方または双方と、前記元素Mとを有すること特徴とする請求項1、及び4乃至請求項17のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第2のバンドギャップを有する酸化物層は、インジウム、亜鉛、及び前記元素Mを有すること特徴とする請求項1、及び4乃至請求項18のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層は、前記第2のバンドギャップを有する酸化物層より多くの水素を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項19のいずれか一に記載のトランジスタ。
- 前記第1のバンドギャップを有する酸化物層の水素濃度が1×1019cm−3より大きいことを特徴とする請求項20に記載のトランジスタ。
- 前記金属酸化物は、前記第1のバンドギャップを有する酸化物層を、3層以上10層以下を有することを特徴とする請求項1乃至請求項21のいずれか一に記載のトランジスタ。
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