JP2018078227A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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勇司 恵木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having stable electrical characteristics; and provide a semiconductor device having high reliability.SOLUTION: A semiconductor device has a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region and a gate insulator, in which the gate insulator has a metal oxide and the metal oxide has a density of not less than 7.0 g/cmand not more than 9.0 g/cmor has route mean square (RMS) roughness equal to or less than 0.5 nm within a measurement range of 1 μm×1 μm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の駆動方法に関する。または、本発明の一態様は、電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for driving the semiconductor device. Another embodiment of the present invention relates to an electronic device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A display device (a liquid crystal display device, a light-emitting display device, or the like), a projection device, a lighting device, an electro-optical device, a power storage device, a memory device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like may include a semiconductor device.

半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)等の電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はIn−Ga−Zn系酸化物を活性層とするトランジスタを用いて、表示装置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)。 For example, a technique for manufacturing a display device using a transistor including zinc oxide or an In—Ga—Zn-based oxide as an active layer as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2). .

さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている(特許文献3参照)。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。 In recent years, a technique for manufacturing an integrated circuit of a memory device using a transistor including an oxide semiconductor has been disclosed (see Patent Document 3). In addition to memory devices, arithmetic devices and the like have been manufactured using transistors including oxide semiconductors.

しかしながら、活性層として酸化物半導体が設けられたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してしまうことがある。 However, a transistor in which an oxide semiconductor is provided as an active layer is known to have a problem in that its electrical characteristics are likely to change due to impurities and oxygen vacancies in the oxide semiconductor, and reliability is low. For example, the threshold voltage of the transistor may fluctuate before and after the bias-thermal stress test (BT test).

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A 特開2011−119674号公報JP 2011-119694 A

本発明の一態様は、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一つとする。本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics. An object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity.

本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long period of time. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high information writing speed. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high design freedom. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing power consumption. An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、金属酸化物は、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下である。 One embodiment of the present invention includes a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator. The gate insulator includes a metal oxide. The metal oxide has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less.

上記構成において、金属酸化物は、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下である。 In the above structure, the metal oxide has a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、金属酸化物は、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下である。 One embodiment of the present invention includes a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator. The gate insulator includes a metal oxide. The metal oxide has a root mean square roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、金属酸化物は、自乗平均面粗さ(RMS)が、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下である。 One embodiment of the present invention includes a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator. The gate insulator includes a metal oxide. The metal oxide has a root mean square roughness (RMS) of 1.0 nm or less in a measurement range of 10 μm × 10 μm.

上記構成において、絶縁体は、金属酸化物と、酸化シリコンとの積層構造を有し、金属酸化物は、酸化物半導体に接して設けられている。 In the above structure, the insulator has a stacked structure of a metal oxide and silicon oxide, and the metal oxide is provided in contact with the oxide semiconductor.

上記構成において、金属酸化物は、酸化ハフニウムである。 In the above structure, the metal oxide is hafnium oxide.

上記構成において、酸化ハフニウムは、ALD法により、200以上280℃以下の成膜温度で、成膜される。 In the above structure, hafnium oxide is deposited at a deposition temperature of 200 to 280 ° C. by ALD.

上記構成において、酸化物半導体は、第1の酸化物半導体、および第2の酸化物半導体の積層構造を有し、第1の酸化物半導体と、第2の酸化物半導体は、同じ原子数比、または近傍の原子数比である。 In the above structure, the oxide semiconductor has a stacked structure of a first oxide semiconductor and a second oxide semiconductor, and the first oxide semiconductor and the second oxide semiconductor have the same atomic ratio. Or the number ratio of nearby atoms.

本発明の一態様により、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置において、トランジスタの電気特性、および信頼性が、安定した半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor, a semiconductor device in which electrical characteristics and reliability of the transistor are stable can be provided.

本発明の一態様により、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。本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided. According to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. According to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided.

本発明の一態様により、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of retaining data for a long period can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high information writing speed can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high design freedom can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can reduce power consumption can be provided. According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention need not have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置の構成を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。1 is a top view of a semiconductor wafer according to one embodiment of the present invention. 電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび斜視模式図。10A and 10B are a flowchart and a perspective schematic diagram illustrating an example of a manufacturing process of an electronic component. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。FIG. 14 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention. 実施例に係る試料の断面を説明する図。The figure explaining the cross section of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料のXRR測定の結果を説明する図。The figure explaining the result of the XRR measurement of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料のXRD測定の結果を説明する図。The figure explaining the result of the XRD measurement of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料のDFM測定の結果を説明する図。The figure explaining the result of the DFM measurement of the sample concerning an example. 実施例に係る試料の断面を説明する図。The figure explaining the cross section of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料のSIMS測定の結果を説明する図。The figure explaining the result of the SIMS measurement of the sample which concerns on an Example. 実施例のId−Vg特性を説明する図。The figure explaining the Id-Vg characteristic of an Example. 実施例のΔVshのストレス時間依存性を説明する図。The figure explaining the stress time dependence of (DELTA) Vsh of an Example. 実施例に係る試料の断面写真を説明する図。The figure explaining the cross-sectional photograph of the sample which concerns on an Example.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。従って、本発明は、以下の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。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化の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。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一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。 In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. In the drawings, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, in the case where the same function is indicated, the hatch pattern is the same, and there is a case where no reference numeral is given.

また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 In this specification and the like, the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In addition, in this specification, terms indicating arrangement such as “above” and “below” are used for convenience to describe the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done. Note that in this specification and the like, a channel region refers to a region through which a current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の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、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the source and drain may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter also referred to as “effective channel width”) and the channel width (hereinafter “apparently” shown in the top view of the transistor). Sometimes referred to as “channel width”). For example, when the gate electrode covers the side surface of the semiconductor, the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence may not be negligible. For example, in a fine transistor whose gate electrode covers a side surface of a semiconductor, the ratio of a channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may increase. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 In such a case, it may be difficult to estimate the effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, the apparent channel width may be referred to as “surrounded channel width (SCW)”. In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets. For example, “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.

なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)等を用いて測定することができる。 Note that in this specification and the like, a nitrided oxide refers to a compound having a higher nitrogen content than oxygen. Further, oxynitride refers to a compound having a higher oxygen content than nitrogen. The content of each element can be measured using, for example, Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be interchanged with each other. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

また、本明細書等において、「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。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。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。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 Further, in this specification and the like, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物、または酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。 Note that in this specification, a barrier film refers to a film having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen or oxygen, and when the barrier film has conductivity, the barrier film is referred to as a conductive barrier film. Sometimes.

また、本明細書等において、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、電源による電位の印加がない(0V)ときにオン状態であることをいう。例えば、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、トランジスタのゲートに与える電圧(Vg)が0Vの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合がある。 In this specification and the like, the normally on property of a transistor means that the transistor is on when no potential is applied by a power supply (0 V). For example, the normally-on characteristic of a transistor may refer to an electric characteristic in which the threshold voltage is negative when the voltage (Vg) applied to the gate of the transistor is 0V.

本明細書等において、酸化物半導体は、金属酸化物(metal oxide)の一種である。金属酸化物とは、金属元素を有する酸化物をいう。金属酸化物は、組成や形成方法によって絶縁性、半導体性、導電性を示す場合がある。半導体性を示す金属酸化物を、金属酸化物半導体または酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)と呼ぶ。また、絶縁性を示す金属酸化物を、金属酸化物絶縁体または酸化物絶縁体と呼ぶ。また、導電性を示す金属酸化物を、金属酸化物導電体または酸化物導電体と呼ぶ。即ち、トランジスタのチャネル形成領域などに用いる金属酸化物を、酸化物半導体と呼びかえることができる。 In this specification and the like, an oxide semiconductor is a kind of metal oxide. A metal oxide refers to an oxide having a metal element. Metal oxides may exhibit insulating properties, semiconductivity, and conductivity depending on the composition and formation method. A metal oxide exhibiting semiconductivity is referred to as a metal oxide semiconductor or an oxide semiconductor (also referred to as an oxide semiconductor or simply OS). A metal oxide exhibiting insulating properties is referred to as a metal oxide insulator or an oxide insulator. A metal oxide exhibiting conductivity is referred to as a metal oxide conductor or an oxide conductor. That is, a metal oxide used for a channel formation region or the like of a transistor can be called an oxide semiconductor.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図1乃至図7を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS.

<トランジスタの構造1>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図1(A)、図1(B)、および図1(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線L1−L2、図1(C)は、一点鎖線W1−W2に対応する断面図である。なお、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。
<Transistor structure 1>
Hereinafter, an example of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described. 1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 200 and the periphery of the transistor 200 according to one embodiment of the present invention. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross-sectional view corresponding to an alternate long and short dash line L1-L2 shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view corresponding to an alternate long and short dash line W1-W2. . Note that in the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for clarity.

本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、層間膜として機能する絶縁体214、絶縁体216、絶縁体272、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286とを有する。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 200 and the insulator 214 functioning as an interlayer film, the insulator 216, the insulator 272, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286. .

トランジスタ200は、第1のゲート電極として機能する導電体205(導電体205a、および導電体205b)と、第2のゲート電極として機能する導電体260(導電体260a、導電体260b、および導電体260c)と、第1のゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224と、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁体250と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体240aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体240bと、導電体240(導電体240a、および導電体240b)と接するバリア層245(バリア層245a、およびバリア層245b)と、絶縁体250、バリア層270と、を有する。 The transistor 200 includes a conductor 205 (a conductor 205a and a conductor 205b) that functions as a first gate electrode, and a conductor 260 (a conductor 260a, a conductor 260b, and a conductor that function as a second gate electrode). 260c), an insulator 220 functioning as a first gate insulating layer, an insulator 222, an insulator 224, an insulator 250 functioning as a second gate insulating film, and an oxide having a region where a channel is formed The material 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c), the conductor 240a that functions as one of the source and the drain, the conductor 240b that functions as the other of the source and the drain, and the conductor 240 (the conductor) 240a and the conductor 240b) and the barrier layer 245 (the barrier layer 245a and the barrier) Having a 245b), an insulator 250, a barrier layer 270, a.

トランジスタ200において、酸化物230は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 In the transistor 200, the oxide 230 is preferably formed using a metal oxide functioning as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor). Since a transistor including an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conduction state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. An oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.

一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。従って、酸素欠損が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 On the other hand, in a transistor including an oxide semiconductor, its electrical characteristics are likely to vary due to impurities and oxygen vacancies in the oxide semiconductor, and reliability may deteriorate. In addition, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that an oxygen vacancy may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing oxygen vacancies is likely to be normally on. Therefore, oxygen vacancies in the oxide semiconductor are preferably reduced as much as possible.

特に、酸化物230におけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体250との界面に、酸素欠損、またはSiのダングリンボンドなどが存在すると、電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。従って、酸化物230におけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体250との界面は、不対結合手、および欠陥が低減されていることが好ましい。 In particular, when an oxygen deficiency or a danglin bond of Si or the like exists in an interface between a region where a channel is formed in the oxide 230 and the insulator 250 functioning as a gate insulating film, a change in electrical characteristics is likely to occur. In addition, reliability may be deteriorated. Therefore, it is preferable that dangling bonds and defects be reduced at the interface between the region where the channel is formed in the oxide 230 and the insulator 250 functioning as a gate insulating film.

そこで、酸化物230c、および絶縁体250の界面において、不対結合手、および欠陥を低減し、界面特性を良好に保つことが好ましい。例えば、酸化物230cとなる膜と接する絶縁体250に、主成分としてSiを含まない膜を用いればよい。例えば、金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ガリウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物を用いることができる。 Therefore, it is preferable to reduce dangling bonds and defects at the interface between the oxide 230c and the insulator 250 and to maintain favorable interface characteristics. For example, a film that does not contain Si as a main component may be used for the insulator 250 in contact with the film to be the oxide 230c. For example, it is preferable to use a metal oxide. As the metal oxide, one kind selected from hafnium, aluminum, yttrium, zirconium, gallium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium, or an oxide containing two or more kinds may be used. it can.

また、酸化物230に形成された酸素欠損は、酸素を供給することで、低減することができる。例えば、酸化物230に接して、酸素含む絶縁体を酸化物230に接して設ければよい。または、絶縁体250に、酸素を拡散する性質を有する酸化物を用いるとよい。絶縁体250が、酸素を拡散する性質を有する場合、絶縁体250に接する構造体(例えば、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体252、または、層間膜として機能する絶縁体280など)が、化学量論的組成を満たす酸素(以下、過剰酸素ともいう)よりも多くの酸素を含むことが好ましい。つまり、絶縁体250を介して、過剰酸素が酸化物230へと拡散することで、酸化物230中の酸素欠損を低減することができる。 In addition, oxygen vacancies formed in the oxide 230 can be reduced by supplying oxygen. For example, an insulator containing oxygen may be provided in contact with the oxide 230 in contact with the oxide 230. Alternatively, an oxide having a property of diffusing oxygen may be used for the insulator 250. In the case where the insulator 250 has a property of diffusing oxygen, a structure in contact with the insulator 250 (eg, the insulator 252 functioning as a gate insulating film or the insulator 280 functioning as an interlayer film) has a stoichiometric amount. It is preferable to contain more oxygen than oxygen that satisfies the theoretical composition (hereinafter also referred to as excess oxygen). That is, excess oxygen diffuses into the oxide 230 through the insulator 250, so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced.

例えば、酸素を拡散する性質を有する絶縁体として、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、好ましくは8.0g/cm以上8.5g/cm以下である絶縁体を用いるとよい。 For example, as an insulator having a property of diffusing oxygen, an insulator having a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less, preferably 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less. Should be used.

また、絶縁体250として、結晶が少ない膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いることが好ましい。結晶が少ない膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いることで、絶縁体250と酸化物230cの界面、および絶縁体250と絶縁体252との界面が良好な状態を有する。 The insulator 250 is preferably a film with few crystals or a film including an amorphous structure. By using a film with few crystals or a film including an amorphous structure, the interface between the insulator 250 and the oxide 230c and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 have a favorable state.

また、絶縁体250として、平坦性が高い膜を用いることが好ましい。平坦性が高い膜を用いることで、絶縁体250と酸化物230cの界面、および絶縁体250と絶縁体252との界面が良好な状態を有する。例えば、平坦性が高い膜として、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下、または、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下である絶縁体を用いるとよい。 The insulator 250 is preferably a film with high flatness. By using a film having high flatness, the interface between the insulator 250 and the oxide 230c and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 have a good state. For example, as a film having high flatness, an insulator having a root mean square roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm or 1.0 nm or less in a measurement range of 10 μm × 10 μm Should be used.

以上より、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。 Hereinafter, a detailed structure of the semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described.

第1のゲート電極として機能する導電体205には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等である。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、酸化しにくい(耐酸化性が高い)ため、好ましい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。 The conductor 205 functioning as the first gate electrode includes a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal containing any of the above elements as a component Nitride films (tantalum nitride, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) and the like. In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and is difficult to oxidize (high oxidation resistance). Or indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.

例えば、導電体205aは、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル、または窒化チタン等を用い、導電体205bは、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物230への水素の拡散を抑制することができる。なお、図1では、導電体205a、および導電体205bの2層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層、または3層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、または導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 For example, the conductor 205a may be formed using tantalum nitride, titanium nitride, or the like having a barrier property against hydrogen, and the conductor 205b may be stacked with tungsten having high conductivity. By using the combination, diffusion of hydrogen into the oxide 230 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. Note that FIG. 1 illustrates a two-layer structure of the conductor 205a and the conductor 205b; however, the structure is not limited thereto, and may be a single layer or a stacked structure including three or more layers. For example, a conductor having a barrier property or a conductor having a high adhesion property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、第1のゲート絶縁体としての機能を有する。 The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 have a function as a first gate insulator.

絶縁体222、および絶縁体224には、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンを含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。または、これらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。 For the insulator 222 and the insulator 224, for example, an insulator containing silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride oxide can be used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having high thermal stability and high relative dielectric constant can be obtained by combining with an insulator having high relative dielectric constant.

特に、酸化物230と接する絶縁体224は、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物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。 In particular, the insulator 224 in contact with the oxide 230 is preferably formed using an oxide insulator containing more oxygen than oxygen that satisfies the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 224. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and reliability can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region. The oxide that desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen atom is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has a thickness of 0.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.

ここで、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。なお、バリア性とは、水素、および水に代表される不純物、または酸素などの拡散を抑制する機能とする。 Here, in the case where the insulator 224 has an excess oxygen region, the insulator 222 preferably has a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. Note that the barrier property refers to a function of suppressing diffusion of hydrogen, impurities typified by water, or oxygen.

絶縁体222が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体220側へ拡散することなく、効率よく酸化物230へ供給することができる。また、導電体205が、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 222 has a barrier property against oxygen, oxygen in the excess oxygen region can be efficiently supplied to the oxide 230 without diffusing to the insulator 220 side. In addition, the conductor 205 can be prevented from reacting with oxygen in the excess oxygen region of the insulator 224.

絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。 The insulator 222 is, for example, so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator including a -k material in a single layer or a stacked layer. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide, is preferably used. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the periphery of the transistor 200.

または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the present invention is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

また、絶縁体220及び絶縁体224の間に、high−k材料を含む絶縁体222を有することで、特定の条件で絶縁体222が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体222が負に帯電する場合がある。 In addition, by including the insulator 222 including a high-k material between the insulator 220 and the insulator 224, the insulator 222 can capture electrons under a specific condition and increase the threshold voltage. . That is, the insulator 222 may be negatively charged.

例えば、絶縁体220、および絶縁体224に、酸化シリコンを用い、絶縁体222に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、導電体205の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、10ミリ秒以上、代表的には1分以上維持することで、トランジスタ200を構成する酸化物から導電体205に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体222の電子捕獲準位に捕獲される。 For example, in the case where silicon oxide is used for the insulator 220 and the insulator 224 and a material with many electron capture levels such as hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide is used for the insulator 222, the operating temperature of the semiconductor device Alternatively, under a temperature higher than the storage temperature (eg, 125 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, typically 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower), the potential of the conductor 205 is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode. By maintaining for 10 milliseconds or longer, typically 1 minute or longer, electrons move from the oxide included in the transistor 200 toward the conductor 205. At this time, some of the moving electrons are captured by the electron capture level of the insulator 222.

絶縁体222の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体205の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。 The threshold voltage of the transistor that captures an amount of electrons necessary for the electron trap level of the insulator 222 is shifted to the positive side. Note that the amount of electrons captured can be controlled by controlling the voltage of the conductor 205, and the threshold voltage can be controlled accordingly. With this structure, the transistor 200 is a normally-off transistor that is non-conductive (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0 V.

また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。 Further, the process for capturing electrons may be performed in the manufacturing process of the transistor. For example, either after the formation of the conductor connected to the source conductor or drain conductor of the transistor, after the completion of the previous process (wafer processing), after the wafer dicing process, after packaging, etc. This should be done in stages.

また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体220の合計膜厚が薄くすることで導電体205からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。 In addition, the threshold voltage can be controlled by appropriately adjusting the film thicknesses of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224. For example, when the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 220 is reduced, a voltage from the conductor 205 is efficiently applied, so that a transistor with low power consumption can be provided.

従って、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。 Accordingly, it is possible to provide a transistor with small leakage current when non-conducting. In addition, a transistor having stable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor with a small subthreshold swing value can be provided. Alternatively, a highly reliable transistor can be provided.

酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。トランジスタ200をオンさせると、主として酸化物230bに電流が流れる(チャネルが形成される)。一方、酸化物230aおよび酸化物230cは、酸化物230bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。 The oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c over the oxide 230b. When the transistor 200 is turned on, a current flows mainly through the oxide 230b (a channel is formed). On the other hand, in the oxide 230a and the oxide 230c, a current may flow in the vicinity of the interface with the oxide 230b (which may be a mixed region), but the other region may function as an insulator. .

図1(C)に示すように、酸化物230cは、酸化物230a、および酸化物230bの側面を覆うように設けることが好ましい。絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230cが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。 As shown in FIG. 1C, the oxide 230c is preferably provided so as to cover side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b. When the oxide 230c is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, impurities such as hydrogen, water, and halogen are transferred from the insulator 280 to the oxide 230b. Diffusion can be suppressed.

また、酸化物230a上に、酸化物230bのチャネルが形成される領域を有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230c、および酸化物230bに対する不純物の拡散を抑制することができる。 In addition, by including a region where the channel of the oxide 230b is formed over the oxide 230a, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230c and the oxide 230b can be performed. Can be suppressed.

酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cは、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、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種、または複数種)等の金属酸化物で形成される。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。 The oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are In-M-Zn oxides (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, It is formed of a metal oxide such as one or more selected from zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. Further, as the oxide 230, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

<<金属酸化物>>
以下に、本発明に係る酸化物230について説明する。酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。
<< Metal oxide >>
Hereinafter, the oxide 230 according to the present invention will be described. As the oxide 230, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used.

酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、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種、または複数種が含まれていてもよい。 The oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するInMZnOである場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, a case where the oxide semiconductor is InMZnO containing indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 Note that in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

[金属酸化物の構成]
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
[Composition of metal oxide]
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.

なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 Note that in this specification and the like, they may be described as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.

CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and the whole material has a function as a semiconductor. Note that in the case where a CAC-OS or a CAC-metal oxide is used for an active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is an electron serving as carriers. It is a function that does not flow. By performing the conductive function and the insulating function in a complementary manner, a switching function (function to turn on / off) can be given to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, the CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in a material with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 0.5 nm to 3 nm. There is.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel region of a transistor, high current driving capability, that is, high on-state current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

[金属酸化物の構造]
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
[Structure of metal oxide]
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. Examples of the non-single-crystal oxide semiconductor include a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor). OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 The CAAC-OS has a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have a strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned in a region where a plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Nanocrystals are based on hexagons, but are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, there may be a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in the distortion. Note that in the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Conceivable.

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 The CAAC-OS includes a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer including elements M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layers) are stacked. There is a tendency to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. Further, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, since CAAC-OS cannot confirm a clear crystal grain boundary, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary hardly occurs. In addition, since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the physical properties of the oxide semiconductor including a CAAC-OS are stable. Therefore, an oxide semiconductor including a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures and different properties. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.

<<酸化物半導体を有するトランジスタ>>
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
<< Transistor with Oxide Semiconductor >>
Next, the case where the above oxide semiconductor is used for a transistor is described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that by using the oxide semiconductor for a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 For the transistor, an oxide semiconductor with low carrier density is preferably used. In the case where the carrier density of the oxide semiconductor film is decreased, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be decreased and the defect level density may be decreased. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the oxide semiconductor has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / What is necessary is just to be cm 3 or more.

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, and thus may have a low density of trap states.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in an adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.

<<不純物>>
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
<< Impurities >>
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor is described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 In the oxide semiconductor, when silicon or carbon which is one of Group 14 elements is included, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level is formed and carriers may be generated in some cases. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, when nitrogen is contained in an oxide semiconductor, electrons serving as carriers are generated, the carrier density is increased, and the oxide semiconductor is likely to be n-type. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor is likely to be normally on. Accordingly, nitrogen in the oxide semiconductor is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS, preferably 5 × 10 18. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 In addition, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that an oxygen vacancy may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing hydrogen is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor be reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced for the channel region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

導電体240aと、および導電体240bは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。 One of the conductor 240a and the conductor 240b functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.

導電体240aと、導電体240bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。 For the conductor 240a and the conductor 240b, a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component can be used. . In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.

また、図では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタルとタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム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、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。 Further, although a single layer structure is shown in the figure, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride and tungsten film may be stacked. In addition, a titanium film and an aluminum film are preferably stacked. Also, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and a tungsten film A two-layer structure in which copper films are stacked may be used.

また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 In addition, a titanium film or a titanium nitride film and a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is laminated on the titanium film or the titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are stacked over the molybdenum film or the molybdenum nitride film and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

また、導電体240a、および導電体240b上に、バリア層245a、およびバリア層245bを設けてもよい。バリア層245a、およびバリア層245bは、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、導電体240a、および導電体240bが、酸化物230cを成膜する際に、酸化することを抑制することができる。また、絶縁体280が有する過剰酸素領域の酸素が、導電体240a、および導電体240bと反応し、酸化することを防止することができる。 Further, the barrier layer 245a and the barrier layer 245b may be provided over the conductor 240a and the conductor 240b. The barrier layer 245a and the barrier layer 245b are preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. With this structure, the conductor 240a and the conductor 240b can be prevented from being oxidized when the oxide 230c is formed. In addition, oxygen in the excess oxygen region of the insulator 280 can be prevented from reacting with the conductors 240a and 240b and being oxidized.

バリア層245a、およびバリア層245bには、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 For example, a metal oxide can be used for the barrier layer 245a and the barrier layer 245b. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide, is preferably used. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.

バリア層245を有することで、導電体240の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体240に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 By including the barrier layer 245, the range of material selection for the conductor 240 can be increased. For example, the conductor 240 can be made of a material that has low oxidation resistance but high conductivity, such as tungsten or aluminum. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.

また、導電体240の酸化を抑制し、絶縁体224、および絶縁体280から、脱離した酸素を効率的に酸化物230へと供給することができる。また、導電体240に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。 Further, oxidation of the conductor 240 can be suppressed, and oxygen released from the insulator 224 and the insulator 280 can be efficiently supplied to the oxide 230. In addition, by using a highly conductive conductor for the conductor 240, the transistor 200 with low power consumption can be provided.

第2のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体250は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。 The insulator 250 having a function as the second gate insulator includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, An insulator containing a so-called high-k material such as Sr) TiO 3 (BST) can be used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided.

酸化物230に形成された酸素欠損は、酸素を供給することで、低減することができる。そこで、絶縁体250には、酸素を拡散する性質を有する酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体250を介して、過剰酸素が酸化物230へと拡散することで、酸化物230中の酸素欠損を低減することができる。例えば、酸素を拡散する性質を有する絶縁体として、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、好ましくは8.0g/cm以上8.5g/cm以下である絶縁体を用いるとよい。 Oxygen vacancies formed in the oxide 230 can be reduced by supplying oxygen. Therefore, it is preferable to use an oxide having a property of diffusing oxygen for the insulator 250. That is, excess oxygen diffuses into the oxide 230 through the insulator 250, so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced. For example, as an insulator having a property of diffusing oxygen, an insulator having a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less, preferably 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less. Should be used.

また、絶縁体250として、結晶が少ない膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いることが好ましい。結晶が少ない膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いることで、絶縁体250と酸化物230cの界面、および絶縁体250と絶縁体252との界面が良好な状態を有する。 The insulator 250 is preferably a film with few crystals or a film including an amorphous structure. By using a film with few crystals or a film including an amorphous structure, the interface between the insulator 250 and the oxide 230c and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 have a favorable state.

また、絶縁体250として、平坦性が高い膜を用いることが好ましい。平坦性が高い膜を用いることで、絶縁体250と酸化物230cの界面、および絶縁体250と絶縁体252との界面が良好な状態を有する。例えば、平坦性が高い膜として、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下、または、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下である絶縁体を用いるとよい。 The insulator 250 is preferably a film with high flatness. By using a film having high flatness, the interface between the insulator 250 and the oxide 230c and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 have a good state. For example, as a film having high flatness, an insulator having a root mean square roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm or 1.0 nm or less in a measurement range of 10 μm × 10 μm Should be used.

また、絶縁体250は、水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。水素に対して、バリア性がある絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどを用いればよい。このような材料を用いて形成した場合、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。 The insulator 250 is preferably formed using an insulating film having a barrier property against hydrogen. As the insulating film having a barrier property against hydrogen, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, silicon nitride, or the like may be used. In the case of using such a material, it functions as a layer that prevents external impurities such as hydrogen from entering.

また、第2のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体252を、絶縁体250に積層して設けてもよい。絶縁体250として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、および窒化酸化シリコン、を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 Further, an insulator 252 having a function as a second gate insulator may be stacked over the insulator 250. As the insulator 250, for example, an insulator including silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride oxide can be used as a single layer or a stacked layer. In particular, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having high thermal stability and high relative dielectric constant can be obtained by combining with an insulator having high relative dielectric constant.

例えば、絶縁体250として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いた際に、求められるトランジスタの設計値によっては、絶縁体250の膜厚が厚くなる場合がある。つまり、ゲート絶縁膜が厚くなることで、微細化、または高集積化が難しい場合がある。 For example, the insulator 250 may be so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). When an insulator including a -k material is used as a single layer or a stacked layer, the thickness of the insulator 250 may be increased depending on the required design value of the transistor. In other words, the gate insulating film may be thick and difficult to be miniaturized or highly integrated.

そこで、絶縁体252として、絶縁体250よりも、絶縁破壊耐圧が大きい絶縁物を用い、積層構造とすることで、ゲート絶縁膜の厚みを制御することができる。つまり、酸化物230と接する絶縁体250には酸素を透過し、結晶性が小さい、または平坦性が高い膜を用い、絶縁体252には、絶縁体性の高い膜を用いることで、ゲート絶縁体として十分な機能を有し、かつ求められる膜厚でトランジスタ200を設計することができる。従って、微細化、および高集積化が可能となる。 Thus, as the insulator 252, an insulator having a dielectric breakdown voltage higher than that of the insulator 250 is used to form a stacked structure, whereby the thickness of the gate insulating film can be controlled. In other words, the insulator 250 in contact with the oxide 230 is a film which transmits oxygen and has low crystallinity or high flatness, and the insulator 252 is a film having high insulating properties, whereby gate insulation is achieved. The transistor 200 can be designed to have a sufficient function as a body and have a required film thickness. Therefore, miniaturization and high integration are possible.

また、絶縁体250は、絶縁体224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物絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、絶縁体250を介して過剰酸素が拡散し、酸化物230中の酸素欠損を低減することができる。 The insulator 250 is preferably formed using an oxide insulator containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, like the insulator 224. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, excess oxygen diffuses through the insulator 250, so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced.

なお、絶縁体252上に、さらなる絶縁体を積層してもよい。絶縁体252上に積層する絶縁体としては、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。または、これらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Note that a further insulator may be stacked over the insulator 252. Examples of the insulator stacked over the insulator 252 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), and strontium titanate ( An insulator containing a so-called high-k material such as SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、第2のゲート電極として機能を有する導電体260は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。 The conductor 260 functioning as the second gate electrode is, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, an alloy containing the above-described metal as a component, or the above-described metal. It can be formed using an alloy or the like in combination. In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance. Further, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.

例えば、導電体260aとして、In−Ga−Zn酸化物に代表される酸化物を用いることができる。In−Ga−Zn酸化物に代表される酸化物半導体は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまりと、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)として機能する。そこで、導電体260bとして、金属窒化物を設けることで、酸化物半導体はキャリア密度が高くなるため、導電体260aはゲート電極として機能する。 For example, as the conductor 260a, an oxide typified by an In—Ga—Zn oxide can be used. An oxide semiconductor typified by an In—Ga—Zn oxide has higher carrier density when nitrogen or hydrogen is supplied. In other words, it functions as an oxide conductor (OC). Thus, by providing a metal nitride as the conductor 260b, the carrier density of the oxide semiconductor is increased, so that the conductor 260a functions as a gate electrode.

また、導電体260aとして、インジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを含むインジウム錫酸化物(In−Sn−Si酸化物:ITSOともいう)等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。 As the conductor 260a, indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin containing titanium oxide A light-transmitting conductive material such as an oxide, indium zinc oxide, or indium tin oxide containing silicon (In-Sn-Si oxide: also referred to as ITSO) can be used.

導電体260aの形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電体260aを形成することで、絶縁体250中に、過剰酸素領域を形成することができる。なお、導電体260aの形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばALD法を用いてもよい。 As a method for forming the conductor 260a, it is preferable to use a sputtering method and form it in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. An excess oxygen region can be formed in the insulator 250 by forming the conductor 260a in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. Note that the method for forming the conductor 260a is not limited to the sputtering method, and other methods such as an ALD method may be used.

導電体260bとして、金属窒化物を用いることで、金属窒化物中の構成元素(特に窒素)が導電体260aに拡散し低抵抗化する、また、導電体260bの成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により低抵抗化することができる。また、導電体260cとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。 By using a metal nitride as the conductor 260b, a constituent element (particularly nitrogen) in the metal nitride diffuses into the conductor 260a to reduce resistance, and damage (for example, when the conductor 260b is formed) The resistance can be reduced by sputtering damage or the like. Further, by stacking a low-resistance metal film as the conductor 260c, a transistor with a low driving voltage can be provided.

また、導電体260上に、バリア層245a、およびバリア層270を設けてもよい。バリア層270は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。 Further, the barrier layer 245 a and the barrier layer 270 may be provided over the conductor 260. The barrier layer 270 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen.

例えば、導電体260に用いる材料によっては、熱処理などの後工程において、導電体260が酸化し、抵抗値が高くなる可能性がある。また、酸化物230に過剰酸素を供給する場合において、酸素が導電体260に吸収されてしまう場合がある。バリア層270を設けることで、導電体260の酸化を抑制し、酸化物230に供給される酸素が不足することを抑制することができる。 For example, depending on the material used for the conductor 260, the conductor 260 may be oxidized in a subsequent process such as heat treatment, and the resistance value may be increased. Further, when excess oxygen is supplied to the oxide 230, oxygen may be absorbed by the conductor 260. By providing the barrier layer 270, oxidation of the conductor 260 can be suppressed, and a shortage of oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed.

バリア層270は、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 For the barrier layer 270, for example, a metal oxide can be used. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide, is preferably used. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.

バリア層270を有することで、導電体260の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体260に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 By including the barrier layer 270, the range of material selection for the conductor 260 can be increased. For example, the conductor 260 can be made of a material that has low oxidation resistance but high conductivity, such as tungsten or aluminum. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.

また、層間膜として機能する絶縁体214、絶縁体216、絶縁体272、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 The insulator 214, the insulator 216, the insulator 272, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286 that function as interlayer films are formed using silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, An insulator such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) is used in a single layer or a stacked layer. be able to. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having high thermal stability and high relative dielectric constant can be obtained by combining with an insulator having high relative dielectric constant.

例えば、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体286は、絶縁体214、または絶縁体216よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 For example, the insulator 216, the insulator 280, and the insulator 286 preferably have a lower dielectric constant than the insulator 214 or the insulator 216. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

また、絶縁体214、絶縁体272、絶縁体274、絶縁体282は、例えば、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。 The insulator 214, the insulator 272, the insulator 274, and the insulator 282 include, for example, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), and strontium titanate ( An insulator containing a so-called high-k material such as SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) is preferably used in a single layer or a stacked layer. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide, is preferably used. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.

または、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体272、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, the insulator 214, the insulator 216, the insulator 272, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286 can be formed using, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, or oxide. Titanium, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体272、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。なお、トランジスタ200を覆う絶縁体280は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 The insulator 214, the insulator 216, the insulator 272, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the present invention is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials. Note that the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 280.

上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 With the above structure, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.

<トランジスタの作製方法>
以下に、図1に示したトランジスタ200を有する半導体装置の作製方法の一例を図2乃至図5を参照して説明する。なお、図中に示すL1−L2は、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図である。また、図中に示すW1−W2は、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図である。
<Method for Manufacturing Transistor>
An example of a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 200 illustrated in FIGS. 1A to 1C is described below with reference to FIGS. Note that L1-L2 in the drawing is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction. W1-W2 shown in the drawing is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction.

はじめに、基板を準備する(図示しない)。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、GOI(Germanium on Insulator)基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。 First, a substrate is prepared (not shown). There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate, but it is preferable that the substrate have heat resistance enough to withstand at least heat treatment performed later. For example, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. In addition, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, gallium arsenide, indium arsenide, or indium gallium arsenide, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, or a GOI (Germanium on Insulator). A substrate or the like can also be applied, and a substrate in which a semiconductor element is provided over these substrates may be used.

また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。 Further, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate. In order to manufacture a flexible semiconductor device, a transistor may be directly manufactured over a flexible substrate, or a transistor is manufactured over another manufacturing substrate, and then peeled off and transferred to the flexible substrate. Also good. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor including an oxide semiconductor.

次に、絶縁体214、および絶縁体216を形成する(図2(A)、および図2(B))。 Next, the insulator 214 and the insulator 216 are formed (FIGS. 2A and 2B).

絶縁体214、および絶縁体216は、例えば、スパッタリング法、CVD法、(熱CVD法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、プラズマ励起CVD(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法等を含む)、分子エピキタシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ALD)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をCVD法、好ましくはALD法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい。また、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。 The insulator 214 and the insulator 216 are formed by, for example, a sputtering method, a CVD method, a (thermal CVD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method). Etc.), molecular epitaxy (MBE) method, ALD method, pulsed laser deposition (PLD) method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulator by a CVD method, preferably an ALD method, because coverage can be improved. In order to reduce damage caused by plasma, thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable. Alternatively, a silicon oxide film with good step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen, nitrous oxide, or the like can be used.

例えば、絶縁体214として、スパッタリング法により酸化アルミニウムを形成する。スパッタリング法は、ALD法よりも成膜速度が高いため、生産性を向上することができる。また、例えば、絶縁体216として、CVD法により、酸化窒化シリコンを形成する。絶縁体216は、絶縁体214よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 For example, as the insulator 214, aluminum oxide is formed by a sputtering method. Since the sputtering method has a higher deposition rate than the ALD method, productivity can be improved. For example, silicon oxynitride is formed as the insulator 216 by a CVD method. The insulator 216 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 214. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

続いて、絶縁体216上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成する。絶縁体214、および絶縁体216の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、開口部を形成することができる(図2(C)、および図2(D))。 Subsequently, a resist mask is formed over the insulator 216 using a lithography method or the like. An unnecessary portion of the insulator 214 and the insulator 216 is removed. After that, an opening can be formed by removing the resist mask (FIG. 2C and FIG. 2D).

ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。 Here, a method for processing a film to be processed will be described. In the case of finely processing a film to be processed, various fine processing techniques can be used. For example, a method of performing a slimming process on a resist mask formed by a lithography method or the like may be used. Alternatively, a dummy pattern may be formed by lithography or the like, a sidewall may be formed on the dummy pattern, the dummy pattern may be removed, and the processed film may be etched using the remaining sidewall as a resist mask. In order to realize a high aspect ratio, it is preferable to use anisotropic dry etching as etching of the film to be processed. Further, a hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used.

レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。 As light used for forming the resist mask, for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or light obtained by mixing them can be used. In addition, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can be used. Further, exposure may be performed by an immersion exposure technique. Further, extreme ultraviolet light (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used as light used for exposure. Further, an electron beam can be used instead of the light used for exposure. It is preferable to use extreme ultraviolet light, X-rays, or an electron beam because extremely fine processing is possible. Note that a photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.

また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti−Reflection Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。 Further, an organic resin film having a function of improving the adhesion between the film to be processed and the resist film may be formed before forming the resist film to be a resist mask. The organic resin film can be formed, for example, by a spin coating method so as to cover the level difference below and flatten the surface, and variations in the thickness of the resist mask provided above the organic resin film Can be reduced. In particular, when performing fine processing, it is preferable to use a material that functions as an antireflection film for light used for exposure as the organic resin film. Examples of the organic resin film having such a function include a BARC (Bottom Anti-Reflection Coating) film. The organic resin film may be removed at the same time as the resist mask is removed or after the resist mask is removed.

続いて、絶縁体214、および絶縁体216上に、導電膜205A、および導電膜205Bを成膜する(図2(E)、および図2(F))。導電膜205A、および導電膜205Bは、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい。 Next, a conductive film 205A and a conductive film 205B are formed over the insulator 214 and the insulator 216 (FIGS. 2E and 2F). The conductive films 205A and 205B can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like). In order to reduce damage caused by plasma, thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable.

続いて、導電膜205A、および導電膜205Bの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理などにより、絶縁体216が露出するまで、導電膜205A、および導電膜205Bの一部を除去することで、導電体205a、および導電体205bを形成する(図2(G)、および図2(H)、なお図中矢印はCMP処理を表す。)。この際、絶縁体216をストッパ層として使用することもでき、絶縁体216が薄くなる場合がある。 Subsequently, unnecessary portions of the conductive film 205A and the conductive film 205B are removed. For example, part of the conductive film 205A and the conductive film 205B is removed until the insulator 216 is exposed by an etch-back process or a mechanical chemical polishing (CMP) process. A conductor 205a and a conductor 205b are formed (FIGS. 2G and 2H, where arrows indicate CMP treatment). At this time, the insulator 216 can also be used as a stopper layer, and the insulator 216 may be thin.

ここで、CMP処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー(研磨剤)を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。 Here, the CMP process is a technique for flattening the surface of a workpiece by a combined chemical and mechanical action. More specifically, a polishing cloth is attached on the polishing stage, and the polishing stage and the workpiece are rotated or swung while supplying slurry (abrasive) between the workpiece and the polishing cloth. In this method, the surface of the workpiece is polished by a chemical reaction between the slurry and the surface of the workpiece and by mechanical polishing between the polishing cloth and the workpiece.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。 The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform primary polishing at a low polishing rate after performing primary polishing at a high polishing rate. In this way, polishing with different polishing rates may be combined.

次に、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を形成する。続いて、酸化膜230A、および酸化膜230Bを成膜し、加熱処理を行う(図2(I)、および図2(J)、なお図中破線矢印は加熱処理を表す。)。 Next, the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are formed. Subsequently, an oxide film 230A and an oxide film 230B are formed, and heat treatment is performed (FIGS. 2I and 2J, where broken line arrows represent heat treatment).

なお、絶縁体220、および絶縁体222は必ずしも設ける必要はない。例えば、絶縁体224が過剰酸素領域を有する場合、導電体205上に、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体を形成してもよい。酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体を形成することで、導電体205が、過剰酸素領域の酸素と反応し、酸化物を生成することを抑制することができる。 Note that the insulator 220 and the insulator 222 are not necessarily provided. For example, when the insulator 224 has an excess oxygen region, a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water may be formed over the conductor 205. By forming a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, the conductor 205 can be prevented from reacting with oxygen in an excess oxygen region to generate an oxide.

絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、絶縁体214、絶縁体216と同様の材料および方法で作製することができる。なお、絶縁体222には、酸化ハフニウム、および酸化アルミニウムなどのhigh−k材料を用いることが好ましい。 The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 can be manufactured using a material and a method similar to those of the insulator 214 and the insulator 216. Note that the insulator 222 is preferably formed using a high-k material such as hafnium oxide or aluminum oxide.

また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体220と絶縁体222との界面、および絶縁体222と絶縁体224との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。 The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are preferably formed continuously. By forming a film continuously, an insulator with high reliability can be formed without an impurity adhering to the interface between the insulator 220 and the insulator 222 and the interface between the insulator 222 and the insulator 224. it can.

例えば、絶縁体222として、ALD法により酸化アルミニウムを形成する。ALD法を用いて絶縁層を形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁層を形成することができる。 For example, aluminum oxide is formed as the insulator 222 by an ALD method. By forming the insulating layer using the ALD method, a dense insulating layer with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed.

また、例えば、絶縁体220、および絶縁体224として、CVD法により、酸化窒化シリコンを形成する。特に、絶縁体224は、過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。例えば、絶縁体224の形成後に酸素ドープ処理を行うことで、絶縁体224に過剰酸素領域を形成してもよい。 For example, as the insulator 220 and the insulator 224, silicon oxynitride is formed by a CVD method. In particular, the insulator 224 is preferably an insulating layer containing excess oxygen. For example, an excess oxygen region may be formed in the insulator 224 by performing oxygen doping treatment after the insulator 224 is formed.

続いて、絶縁体224に含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減するために、加熱処理を行うことが好ましい。 Subsequently, heat treatment is preferably performed in order to further reduce impurities such as moisture or hydrogen contained in the insulator 224.

また、加熱処理の前に、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、露出した絶縁層中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。 Further, plasma treatment using an oxidizing gas may be performed before the heat treatment. For example, plasma treatment using nitrous oxide gas is performed. By performing the plasma treatment, the fluorine concentration in the exposed insulating layer can be reduced. In addition, an effect of removing organic substances on the sample surface can be obtained.

加熱処理は、例えば、窒素や希ガスなどを含む不活性雰囲気下、酸化性ガス雰囲気下、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で行なう。なお、「酸化性ガス雰囲気」とは、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを10ppm以上含有する雰囲気をいう。また、「不活性雰囲気」とは、前述の酸化性ガスが10ppm未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。加熱処理中の圧力に特段の制約はないが、加熱処理は減圧下で行なうことが好ましい。 The heat treatment is, for example, moisture in an inert atmosphere containing nitrogen or a rare gas, in an oxidizing gas atmosphere, or when measured using a super dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter). The amount is 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less). The “oxidizing gas atmosphere” refers to an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas such as oxygen, ozone or oxygen nitride. The “inert atmosphere” refers to an atmosphere in which the above-described oxidizing gas is less than 10 ppm and is filled with nitrogen or a rare gas. There is no particular restriction on the pressure during the heat treatment, but the heat treatment is preferably performed under reduced pressure.

なお、不活性雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下で行えばよい。処理時間は24時間以内とする。24時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。 Note that after heat treatment in an inert atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 400 ° C. The processing time is within 24 hours. Heat treatment for more than 24 hours is not preferable because it causes a decrease in productivity.

例えば、窒素ガス雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに400℃、1時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、絶縁体224に含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、絶縁体224中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより絶縁体224中に酸素が導入される。 For example, after heat treatment is performed at 400 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere, the heat treatment may be performed at 400 ° C. for 1 hour by replacing the nitrogen gas with oxygen gas. First, by performing heat treatment in a nitrogen gas atmosphere, impurities such as moisture or hydrogen contained in the insulator 224 are released, and the impurity concentration in the insulator 224 is reduced. Subsequently, oxygen is introduced into the insulator 224 by performing heat treatment in an oxygen gas atmosphere.

続いて、酸化物230aとなる酸化膜230Aと、酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する。当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。 Subsequently, an oxide film 230A to be the oxide 230a and an oxide film 230B to be the oxide 230b are sequentially formed. The oxide is preferably formed continuously without being exposed to the atmosphere.

例えば、酸化膜230A、および酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する。また、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。 For example, the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by a sputtering method. Further, oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as a sputtering gas. By increasing the proportion of oxygen contained in the sputtering gas, excess oxygen in the oxide film to be formed can be increased.

特に、酸化膜230Aの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体224に供給される場合がある。 In particular, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 224 when the oxide film 230A is formed.

スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。 During film formation by sputtering, ions and sputtered particles exist between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power source and is supplied with the potential E0. The substrate is given a potential E1 such as a ground potential. However, the substrate may be electrically floating. In addition, there is a region having the potential E2 between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2> E1> E0.

プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体224に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体224の内部まで到達する。イオンが絶縁体224に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体224に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体224に過剰酸素領域が形成される。 Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, whereby particles sputtered from the target are ejected. The sputtered particles adhere to and deposit on the film formation surface to form a film. Some ions recoil by the target and may be taken into the insulator 224 below the formed film through the film formed as recoil ions. Further, ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E1, and impact the film formation surface. At this time, some of the ions reach the inside of the insulator 224. When the ions are taken into the insulator 224, a region into which the ions are taken is formed in the insulator 224. That is, when the ions are oxygen-containing ions, an excess oxygen region is formed in the insulator 224.

絶縁体224に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体224の過剰な酸素は、酸化物230に供給され、酸化物230の酸素欠損が補填することができる。 By introducing excess oxygen into the insulator 224, an excess oxygen region can be formed. Excess oxygen in the insulator 224 is supplied to the oxide 230, so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be filled.

従って、酸化膜230Aを成膜すると同時に、絶縁体224に過剰酸素を有する領域を形成することができる。なお、スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体224に供給される酸素も増加する。また、絶縁体224に供給された酸素の一部は、絶縁体224中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体224から放出される。従って、絶縁体224中の水素濃度を低減することができる。 Accordingly, a region having excess oxygen can be formed in the insulator 224 at the same time that the oxide film 230A is formed. Note that as the amount of oxygen contained in the sputtering gas increases, the amount of oxygen supplied to the insulator 224 also increases. Further, part of oxygen supplied to the insulator 224 reacts with hydrogen remaining in the insulator 224 to be water, and is released from the insulator 224 by a subsequent heat treatment. Accordingly, the hydrogen concentration in the insulator 224 can be reduced.

なお、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。酸化膜230Aに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化物230bに酸素を供給することができる。 Note that the ratio of oxygen contained in the sputtering gas may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%. By using an oxide containing excess oxygen for the oxide film 230A, oxygen can be supplied to the oxide 230b by heat treatment performed later.

続いて、酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する。この時、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を1%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。 Subsequently, an oxide film 230B is formed by a sputtering method. At this time, when the film is formed so that the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 1% to 30%, preferably 5% to 20%, an oxygen-deficient oxide semiconductor is formed. A transistor including an oxygen-deficient oxide semiconductor can have a relatively high field-effect mobility.

酸化膜230Bに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化膜230Aに過剰酸素を含む酸化膜を用いることが好ましい。また、酸化膜230Bの形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。 In the case where an oxygen-deficient oxide semiconductor is used for the oxide film 230B, an oxide film containing excess oxygen is preferably used for the oxide film 230A. Further, oxygen doping treatment may be performed after the formation of the oxide film 230B.

なお、酸化物を、スパッタリング法により成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。例えば、成膜時の基板温度によっては、ターゲットにおける亜鉛(Zn)の原子数比よりも、膜における亜鉛(Zn)の原子数比が小さくなる場合がある。 Note that in the case where an oxide is formed by a sputtering method, a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target may be formed. For example, depending on the substrate temperature during film formation, the atomic ratio of zinc (Zn) in the film may be smaller than the atomic ratio of zinc (Zn) in the target.

具体的に、In−M−Zn酸化物を成膜する場合について説明する。ターゲットにIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、スパッタリング法により、成膜した膜は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]以上、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]以下となる場合がある。また、同じ原子数比であるターゲットを用いて成膜した膜でも、他の成膜条件が異なる場合、厳密には、組成が異なる膜が成膜される場合がある。 Specifically, the case where an In—M—Zn oxide film is formed is described. A film formed by sputtering using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio] as a target was In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [number of atoms]. Ratio] above, In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio] may be below. Even when a film is formed using a target having the same atomic ratio, strictly different films may be formed when other film formation conditions are different.

続いて、酸化膜230A、および酸化膜230Bに含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減して、酸化膜230A、および酸化膜230Bを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。 Subsequently, heat treatment is preferably performed to further reduce impurities such as moisture or hydrogen contained in the oxide film 230A and the oxide film 230B so that the oxide film 230A and the oxide film 230B are highly purified.

また、加熱処理を行うことにより、酸化膜230A、および酸化膜230B中の不純物の放出と同時に、絶縁体224に含まれる酸素を酸化膜230A、および酸化膜230B中に拡散させ、該酸化物に含まれる酸素欠損を低減することができる。 Further, by performing heat treatment, oxygen contained in the insulator 224 is diffused into the oxide film 230A and the oxide film 230B at the same time as the release of the impurities in the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the oxides Oxygen deficiency contained can be reduced.

加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下で行えばよい。処理時間は24時間以内とする。24時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。 The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 400 ° C. The processing time is within 24 hours. Heat treatment for more than 24 hours is not preferable because it causes a decrease in productivity.

例えば、窒素ガス雰囲気中で400℃、1時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに400℃、1時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜230A、および酸化膜230Bに含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化膜230A、および酸化膜230B中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜230A、および酸化膜230B中に酸素が導入される。 For example, after heat treatment is performed at 400 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere, the heat treatment may be performed at 400 ° C. for 1 hour by replacing the nitrogen gas with oxygen gas. First, by performing heat treatment in a nitrogen gas atmosphere, impurities such as moisture or hydrogen contained in the oxide film 230A and the oxide film 230B are released, and the impurity concentration in the oxide film 230A and the oxide film 230B is reduced. Is done. Subsequently, by performing heat treatment in an oxygen gas atmosphere, oxygen is introduced into the oxide film 230A and the oxide film 230B.

また、加熱処理の前に、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、露出した絶縁層中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。 Further, plasma treatment using an oxidizing gas may be performed before the heat treatment. For example, plasma treatment using nitrous oxide gas is performed. By performing the plasma treatment, the fluorine concentration in the exposed insulating layer can be reduced. In addition, an effect of removing organic substances on the sample surface can be obtained.

次に、導電膜240A、バリア膜245A、およびハードマスクとなる膜290Aを形成する(図3(A)、および図3(B))。 Next, a conductive film 240A, a barrier film 245A, and a film 290A to be a hard mask are formed (FIGS. 3A and 3B).

例えば、導電膜240Aとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。窒化タンタルは、耐酸化性が高いため、後工程において加熱処理を行う場合に好ましい。 For example, tantalum nitride is formed as the conductive film 240A by a sputtering method. Since tantalum nitride has high oxidation resistance, it is preferable when heat treatment is performed in a later step.

また、導電膜240Aが酸化膜230Bと接することで、酸化膜230Bの表面に不純物元素が導入する場合がある。酸化膜230Bに不純物が添加されることで、トランジスタ200のしきい値電圧を変化させることができる。なお、導電膜240Aを形成する前に、イオン注入法、またはプラズマイマージョン注入法、または不純物元素を含むガスを用いたプラズマ処理などを行うことで、不純物元素を導入してもよい。また、導電膜240Aの形成後に不純物元素の導入をイオン注入法などで行なってもよい。 Further, when the conductive film 240A is in contact with the oxide film 230B, an impurity element may be introduced into the surface of the oxide film 230B. By adding an impurity to the oxide film 230B, the threshold voltage of the transistor 200 can be changed. Note that the impurity element may be introduced by ion implantation, plasma immersion implantation, plasma treatment using a gas containing an impurity element, or the like before the conductive film 240A is formed. Alternatively, the impurity element may be introduced by an ion implantation method or the like after the conductive film 240A is formed.

例えば、バリア膜245Aとして、ALD法により酸化アルミニウムを形成するとよい。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える膜を形成することができる。 For example, aluminum oxide may be formed as the barrier film 245A by an ALD method. By forming using the ALD method, a dense film with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed.

例えば、ハードマスクとなる膜290Aとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。なお、該ハードマスクは、後の工程で、導電膜240Aと同時に加工するため、導電膜240Aと同じ材料、または、エッチングレートが近い材料で形成することが好ましい。 For example, tantalum nitride is formed by a sputtering method as the film 290A to be a hard mask. Note that since the hard mask is processed at the same time as the conductive film 240A in a later step, the hard mask is preferably formed using the same material as the conductive film 240A or a material with a similar etching rate.

次に、ハードマスクとなる膜290A上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜290Aの一部を選択的に除去することで、開口を有するハードマスクとなる膜290Bを形成する(図3(C)、および図3(D))。なお、本レジストマスクによる開口の形成は、最小加工寸法を用いて行うことが好ましい。従って、バリア膜245Bは、幅が最小加工寸法の開口を有する。 Next, a resist mask is formed over the film 290A to be a hard mask by a photolithography method. A part of the film 290A to be a hard mask is selectively removed using the resist mask to form a film 290B to be a hard mask having an opening (FIGS. 3C and 3D). ). Note that it is preferable to form the opening using the resist mask by using the minimum processing dimension. Therefore, the barrier film 245B has an opening having a minimum processing dimension.

なお、開口を形成する際に、ハードマスクとなる膜290Bの開口側の側面は、導電膜240Aの上面に対して、角度を有することが好ましい。なお、角度は、30度以上90度以下、好ましくは45度以上80度以下とする。 Note that when the opening is formed, the side surface on the opening side of the film 290B to be a hard mask preferably has an angle with respect to the upper surface of the conductive film 240A. The angle is 30 degrees or more and 90 degrees or less, preferably 45 degrees or more and 80 degrees or less.

次に、ハードマスクとなる膜290B、およびバリア膜245A上に、フォトリソグラフィ法により、レジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜290B、バリア膜245A、および導電膜240Aの一部を選択的に除去し、島状の導電膜240B、ハードマスク290a、ハードマスク290b、およびバリア膜245Bを形成する(図3(E)、および図3(F))。 Next, a resist mask is formed over the film 290B to be a hard mask and the barrier film 245A by photolithography. The resist mask is used to selectively remove part of the hard mask film 290B, the barrier film 245A, and the conductive film 240A, and the island-shaped conductive film 240B, the hard mask 290a, the hard mask 290b, and the barrier film 245B is formed (FIGS. 3E and 3F).

続いて、島状の導電膜240B、ハードマスク290a、ハードマスク290bをマスクとして、バリア膜245Bの一部、酸化物230a、および酸化物230bの一部を選択的に除去する。なお、本工程において、同時に絶縁体224の一部も除去される場合がある。その後、レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物230a、島状の酸化物230b、を形成することができる(図3(G)、および図3(H))。 Subsequently, part of the barrier film 245B, the oxide 230a, and part of the oxide 230b are selectively removed using the island-shaped conductive film 240B, the hard mask 290a, and the hard mask 290b as masks. Note that in this step, part of the insulator 224 may be removed at the same time. After that, by removing the resist mask, an island-shaped oxide 230a and an island-shaped oxide 230b can be formed (FIGS. 3G and 3H).

なお、この時、バリア膜245Bから、バリア層245a、およびバリア層245bが形成する。つまり、ハードマスクとなる膜290Bにおける開口を最小加工寸法とした場合、バリア層245a、およびバリア層245bの間の距離は、最小寸法となる。 At this time, a barrier layer 245a and a barrier layer 245b are formed from the barrier film 245B. That is, when the opening in the film 290B serving as the hard mask is the minimum processing dimension, the distance between the barrier layer 245a and the barrier layer 245b is the minimum dimension.

続いて、ハードマスク290a、およびハードマスク290bを除去すると同時に、島状の導電膜240Bの一部を選択的に除去する。本工程により、導電膜240Bを、導電体240a、導電体240bに分離する(図4(A)、および図4(B))。 Subsequently, the hard mask 290a and the hard mask 290b are removed, and at the same time, a part of the island-shaped conductive film 240B is selectively removed. Through this step, the conductive film 240B is separated into the conductor 240a and the conductor 240b (FIGS. 4A and 4B).

導電体240a、および導電体240bは、トランジスタ200のソース電極およびドレイン電極としての機能を有するので、導電体240aと導電体240bのお互いに向かい合う間隔の長さは、本トランジスタのチャネル長と呼ぶことができる。つまり、バリア膜245Bの開口を最小加工寸法とした場合、バリア層245a、およびバリア層245bの間の距離は、最小寸法であるため、最小加工寸法より小さなゲート線幅およびチャネル長を形成することができる。 Since the conductor 240a and the conductor 240b function as a source electrode and a drain electrode of the transistor 200, the length of the distance between the conductor 240a and the conductor 240b facing each other is referred to as a channel length of the transistor. Can do. That is, when the opening of the barrier film 245B is set to the minimum processing dimension, the distance between the barrier layer 245a and the barrier layer 245b is the minimum dimension, and therefore, a gate line width and a channel length smaller than the minimum processing dimension are formed. Can do.

なお、酸化膜230A、酸化膜230B、導電膜240A、およびバリア膜245Aの除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。 Note that the oxide film 230A, the oxide film 230B, the conductive film 240A, and the barrier film 245A can be removed by a dry etching method, a wet etching method, or the like. Both dry etching and wet etching may be used.

また、ドライエッチング法により導電体240a、および導電体240bを形成した場合は、露出した酸化物230bにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、酸化物230bの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物の低減は、例えば、希フッ酸などを用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。 In the case where the conductor 240a and the conductor 240b are formed by a dry etching method, an impurity element such as a residual component of an etching gas may adhere to the exposed oxide 230b. For example, when a chlorine-based gas is used as an etching gas, chlorine or the like may adhere. In addition, when a hydrocarbon-based gas is used as an etching gas, carbon or hydrogen may adhere. For this reason, it is preferable to reduce the impurity element adhering to the exposed surface of the oxide 230b. The reduction of the impurities may be performed by, for example, a cleaning process using dilute hydrofluoric acid, a cleaning process using ozone, or a cleaning process using ultraviolet rays. A plurality of cleaning processes may be combined.

また、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、酸化物230b中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。 Further, plasma treatment using an oxidizing gas may be performed. For example, plasma treatment using nitrous oxide gas is performed. By performing the plasma treatment, the fluorine concentration in the oxide 230b can be reduced. In addition, an effect of removing organic substances on the sample surface can be obtained.

また、露出した酸化物230bに対して、酸素ドープ処理を行ってもよい。 Further, oxygen doping treatment may be performed on the exposed oxide 230b.

次に、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260B、および導電膜260Cを形成する(図4(C)、および図4(D))。 Next, an oxide film 230C, an insulating film 250A, a conductive film 260A, a conductive film 260B, and a conductive film 260C are formed (FIGS. 4C and 4D).

また、酸化膜230Cとして、酸化物230aと同様に、過剰酸素を多く含む酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物230aと同様に、酸化膜230Cの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体224に供給され、過剰酸素領域を形成する場合がある。また、絶縁体224中に供給された酸素の一部は、絶縁体224中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体224から放出される。よって、絶縁体224中の水素濃度を低減することができる。 As the oxide film 230C, an oxide containing a large amount of excess oxygen is preferably used as in the oxide 230a. Similarly to the oxide 230a, when the oxide film 230C is formed, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 224 to form an excess oxygen region. Further, part of oxygen supplied to the insulator 224 reacts with hydrogen remaining in the insulator 224 to be water, and is released from the insulator 224 by a subsequent heat treatment. Thus, the hydrogen concentration in the insulator 224 can be reduced.

なお、スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体224に供給される酸素も増加する。また、絶縁体224に供給された酸素の一部は、絶縁体224中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体224から放出される。従って、絶縁体224中の水素濃度を低減することができる。 Note that as the amount of oxygen contained in the sputtering gas increases, the amount of oxygen supplied to the insulator 224 also increases. Further, part of oxygen supplied to the insulator 224 reacts with hydrogen remaining in the insulator 224 to be water, and is released from the insulator 224 by a subsequent heat treatment. Accordingly, the hydrogen concentration in the insulator 224 can be reduced.

なお、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。酸化膜230Aに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化物230bに酸素を供給することができる。 Note that the ratio of oxygen contained in the sputtering gas may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%. By using an oxide containing excess oxygen for the oxide film 230A, oxygen can be supplied to the oxide 230b by heat treatment performed later.

なお、酸化膜230Cを形成後に、酸素ドープ処理、または加熱処理の一方、あるいは両方を行ってもよい。加熱処理を行うことで、酸化物230aおよび酸化物230cに含まれる酸素を酸化物230bに供給することができる。酸化物230bに酸素を供給することで、酸化物230b中の酸素欠損を低減することができる。よって、酸化物230bに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化物230cに過剰酸素を含む半導体を用いることが好ましい。 Note that after the oxide film 230C is formed, one or both of oxygen doping treatment and heat treatment may be performed. By performing the heat treatment, oxygen contained in the oxide 230a and the oxide 230c can be supplied to the oxide 230b. By supplying oxygen to the oxide 230b, oxygen vacancies in the oxide 230b can be reduced. Therefore, in the case where an oxygen-deficient oxide semiconductor is used for the oxide 230b, a semiconductor containing excess oxygen is preferably used for the oxide 230c.

続いて、絶縁体250となる絶縁膜250Aを成膜する。例えば、絶縁膜250AとしてALD法により酸化ハフニウムを形成する。ALD法を用いて成膜することで、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁膜250Aを形成することができる。なお、絶縁膜250Aは、酸素を透過する膜であることが好ましい。また、絶縁膜250Aは、結晶性が小さく、平坦性が高い膜を用いることが好ましい。 Subsequently, an insulating film 250A to be the insulator 250 is formed. For example, hafnium oxide is formed as the insulating film 250A by an ALD method. By forming the film using the ALD method, the insulating film 250A with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed. Note that the insulating film 250A is preferably a film that transmits oxygen. The insulating film 250A is preferably a film with low crystallinity and high flatness.

絶縁膜250Aを成膜する場合に、例えば、基板温度を適宜設定することで、成膜される膜の密度、結晶性、および平坦性を調節することができる。 When the insulating film 250A is formed, for example, the density, crystallinity, and flatness of the formed film can be adjusted by appropriately setting the substrate temperature.

例えば、絶縁膜520Aとして、ALD法により、酸化ハフニウム膜を成膜する場合、基板温度を180℃以上300℃以下、好ましくは、200℃以上280℃以下とすればよい。 For example, in the case where a hafnium oxide film is formed as the insulating film 520A by an ALD method, the substrate temperature may be 180 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 280 ° C. or lower.

基板温度を適宜設定することで、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、好ましくは8.0g/cm以上8.5g/cm以下である酸化ハフニウム膜を成膜することができる。または、結晶が少ない膜、またはアモルファス構造を含む酸化ハフニウム膜を成膜することができる。または、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下、または、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下である酸化ハフニウム膜を成膜することができる。 By appropriately setting the substrate temperature, a hafnium oxide film having a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less, preferably 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less is formed. can do. Alternatively, a film with few crystals or a hafnium oxide film including an amorphous structure can be formed. Alternatively, a hafnium oxide film having a root mean square roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm or 1.0 nm or less in a measurement range of 10 μm × 10 μm may be formed. it can.

続いて、絶縁体252となる絶縁膜252Aを成膜する。例えば、絶縁膜252AとしてCVD法により酸化窒化シリコンを形成する。なお、絶縁膜252Aは過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。また、絶縁膜252Aに酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁膜252A形成後に、加熱処理を行ってもよい。 Subsequently, an insulating film 252A to be the insulator 252 is formed. For example, silicon oxynitride is formed as the insulating film 252A by a CVD method. Note that the insulating film 252A is preferably an insulating layer containing excess oxygen. The insulating film 252A may be subjected to oxygen doping treatment. Further, heat treatment may be performed after the insulating film 252A is formed.

次に、例えば、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、In−Ga−Zn酸化物を形成する。また、例えば、導電膜260Bとして、スパッタリング法により、金属窒化物を用いる。 Next, for example, an In—Ga—Zn oxide is formed as the conductive film 260 </ b> A by a sputtering method. For example, a metal nitride is used for the conductive film 260B by a sputtering method.

In−Ga−Zn酸化物に代表される酸化物半導体は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまりと、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)として機能する。そこで、導電膜260Bとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素(特に窒素)が導電膜260Aに拡散し低抵抗化する、また、導電膜260Bの成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により低抵抗化する。従って、導電膜260Aは、キャリア密度が高くなるため、導電膜260Aの導電性が高くなる。 An oxide semiconductor typified by an In—Ga—Zn oxide has higher carrier density when nitrogen or hydrogen is supplied. In other words, it functions as an oxide conductor (OC). Therefore, by forming a metal nitride as the conductive film 260B by a sputtering method, a constituent element (particularly nitrogen) in the metal nitride diffuses into the conductive film 260A to reduce the resistance, and the conductive film 260B is formed. The resistance is lowered by film damage (for example, sputtering damage). Accordingly, since the conductive film 260A has a high carrier density, the conductivity of the conductive film 260A is increased.

導電膜260Aの形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜260Aを形成することで、絶縁体250中に、過剰酸素領域を形成することができる。なお、導電膜260Aの形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばALD法を用いてもよい。 As a method for forming the conductive film 260A, a sputtering method is preferably used in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. An excess oxygen region can be formed in the insulator 250 by forming the conductive film 260A in an atmosphere containing oxygen gas at the time of formation. Note that the method for forming the conductive film 260A is not limited to the sputtering method, and other methods such as an ALD method may be used.

また、導電膜260Cとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。 Further, by stacking a low-resistance metal film as the conductive film 260C, a transistor with a low driving voltage can be provided.

次に、導電膜260C上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、導電膜260A、導電膜260Bおよび導電膜260Cの一部を選択的に除去して、導電体260を形成する(図4(E)、および図4(F))。 Next, a resist mask is formed over the conductive film 260C by a photolithography method. Part of the conductive film 260A, the conductive film 260B, and the conductive film 260C is selectively removed using the resist mask, so that the conductor 260 is formed (FIGS. 4E and 4F).

続いて、導電体260、および絶縁膜250A上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、絶縁膜250A、および酸化膜230Cの一部を選択的に除去して、絶縁体250a、および酸化物230cを形成する(図4(G)、および図4(H))。 Subsequently, a resist mask is formed over the conductor 260 and the insulating film 250A by photolithography. By using the resist mask, part of the insulating film 250A and the oxide film 230C are selectively removed to form the insulator 250a and the oxide 230c (FIGS. 4G and 4H). ).

ここで、酸化膜230C、および絶縁膜250Aを含む積層構造を、加工処理を同時に行うことで、酸化物230cと、絶縁体250とを形成する。従って、酸化物230cと絶縁体250との界面に、加工処理の際に生じる不純物やダメージが生じることなく、酸化物230cと絶縁体250とを形成することができる。つまり、酸化物230cと、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。 Here, the stacked structure including the oxide film 230C and the insulating film 250A is processed at the same time, whereby the oxide 230c and the insulator 250 are formed. Therefore, the oxide 230c and the insulator 250 can be formed at the interface between the oxide 230c and the insulator 250 without causing impurities or damage generated during processing. In other words, formation of oxygen vacancies at the interface between the oxide 230c and the insulator 250 is suppressed, and the reliability of the transistor 200 can be improved.

次に、バリア膜270Aを成膜する(図5(A)、および図5(B))。バリア膜270Aには、被膜性が高く、緻密な膜を用いることが好ましい。また、バリア膜270Aには、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。バリア膜270Aが、酸素に対するバリア性を有することで、導電体260が過剰酸素領域の酸素を、吸収することを抑制し、また、導電体260が酸化することによる導電性の低下を抑制することができる。 Next, a barrier film 270A is formed (FIGS. 5A and 5B). As the barrier film 270A, it is preferable to use a dense film with high coating properties. The barrier film 270A preferably has a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. The barrier film 270A has a barrier property against oxygen, thereby suppressing the conductor 260 from absorbing oxygen in the excess oxygen region and suppressing the decrease in conductivity due to the oxidation of the conductor 260. Can do.

例えば、バリア膜270Aとして、ALD法により、酸化アルミニウムを成膜するとよい。ALD法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備えるバリア膜270Aを形成することができる。 For example, aluminum oxide may be formed as the barrier film 270A by an ALD method. By forming a film using the ALD method, a dense barrier film 270A with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed.

次に、バリア膜270A上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、バリア膜270Aの一部を選択的に除去して、バリア層270を形成する(図5(C)、および図4(D))。 Next, a resist mask is formed over the barrier film 270A by photolithography. Using the resist mask, part of the barrier film 270A is selectively removed to form the barrier layer 270 (FIGS. 5C and 4D).

以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ200を作製することができる。 Through the above steps, the transistor 200 of one embodiment of the present invention can be manufactured.

続いて、トランジスタ200を覆うように、絶縁体272、および絶縁体274を設ける。 Next, an insulator 272 and an insulator 274 are provided so as to cover the transistor 200.

絶縁体224、および絶縁体252が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体272、および絶縁体274の積層体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体272、および絶縁体274の積層体が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、トランジスタ200の外側へ拡散することなく、効率よく酸化物230へ供給することができる。 In the case where the insulator 224 and the insulator 252 have an excess oxygen region, the stacked body of the insulator 272 and the insulator 274 preferably has a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. Since the insulator 272 and the stacked body of the insulator 274 have a barrier property against oxygen, oxygen in the excess oxygen region can be efficiently supplied to the oxide 230 without diffusing outside the transistor 200. .

また、絶縁体272、および絶縁体274の積層体が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200の外側領域の水素、および水は、トランジスタ200の内側へ拡散することなく、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。 In addition, since the insulator 272 and the stacked body of the insulator 274 have a barrier property against hydrogen and water, hydrogen and water in the outer region of the transistor 200 are not diffused into the transistor 200 and oxide The generation of oxygen vacancies in 230 can be suppressed.

絶縁体272、および絶縁体274は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。 For example, the insulator 272 and the insulator 274 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), and strontium titanate (SrTiO 3). ) Or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) or the like is preferably used as a single layer or a stacked layer. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide, is preferably used. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.

または、上述した絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、上述した絶縁体に対して、窒化処理しても良い。上述した絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to the above-described insulator. Alternatively, nitriding treatment may be performed on the above-described insulator. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the insulator described above.

例えば、絶縁体272は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する酸化物絶縁体であることが好ましい。例えば、絶縁体272として、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。酸化アルミニウムを形成する場合、スパッタリング法は、ALD法と比較して、成膜速度が速いため、酸素、水素、および水に対する十分なバリア性を確保することができる膜厚の絶縁体272を、歩留まり高く形成することができる。 For example, the insulator 272 is preferably an oxide insulator having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. For example, the insulator 272 can be formed using aluminum oxide by a sputtering method. In the case of forming aluminum oxide, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the insulator 272 having a thickness that can secure a sufficient barrier property against oxygen, hydrogen, and water is used. It can be formed with a high yield.

なお、絶縁体272にスパッタリング装置により成膜した酸化物を用いることで、絶縁体250、および絶縁体224に、過剰酸素領域を形成することができる。 Note that an excess oxygen region can be formed in the insulator 250 and the insulator 224 by using an oxide formed by a sputtering apparatus for the insulator 272.

また、例えば、絶縁体274は、被膜性が高く、緻密な膜を用いることが好ましい。被膜性が高く緻密な膜としては、例えば、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。ALD法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体274を形成することができる。 For example, the insulator 274 is preferably a dense film with high coating properties. As the dense film having a high film property, for example, aluminum oxide using an atomic layer deposition (ALD) method can be used. By forming a film using the ALD method, a dense insulator 274 with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed.

バリア性を有する絶縁体272上に被膜性が高く緻密な絶縁体274を積層することで、バリア性の高い絶縁体とすることができる。また、スパッタリング法により成膜した酸化アルミニウムに、ALD法により成膜した酸化アルミニウムを積層することで、信頼性、および生産性が高い積層体を設けることができる。 By stacking a dense insulator 274 with a high film property over the insulator 272 having a barrier property, an insulator with a high barrier property can be obtained. Further, by stacking aluminum oxide formed by an ALD method on aluminum oxide formed by a sputtering method, a stacked body with high reliability and productivity can be provided.

続いて、トランジスタ200上に、絶縁体280を形成する。また、絶縁体280となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。 Subsequently, an insulator 280 is formed over the transistor 200. Further, after an insulator to be the insulator 280 is formed, a planarization process using a CMP method or the like may be performed in order to improve the planarity of the upper surface.

続いて、絶縁体280上に、絶縁体282を形成する。絶縁体282は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。当該構造とすることで、絶縁体282よりも下層の構造に水素の侵入を防ぐことができる。 Subsequently, an insulator 282 is formed over the insulator 280. The insulator 282 is preferably formed with a sputtering apparatus. With this structure, entry of hydrogen into a structure below the insulator 282 can be prevented.

続いて、絶縁体282上に、絶縁体286を形成する(図5(E)、および図5(F))。例えば、絶縁体286として、CVD法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体286は、絶縁体282よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Next, the insulator 286 is formed over the insulator 282 (FIGS. 5E and 5F). For example, as the insulator 286, an insulator containing oxygen such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is formed by a CVD method. The insulator 286 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 282. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。 Through the above steps, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be manufactured.

<トランジスタ構造2>
図6には、トランジスタ200を有する半導体装置の一例を示す。図6(A)は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図6(A)において一部の膜は省略されている。また、図6(B)は、図6(A)に示す一点鎖線L1−L2に対応する断面図であり、図6(C)はW1−W2に対応する断面図である。
<Transistor structure 2>
FIG. 6 illustrates an example of a semiconductor device including the transistor 200. FIG. 6A illustrates the top surface of the semiconductor device. Note that some films are omitted in FIG. 6A for clarity. 6B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line L1-L2 illustrated in FIG. 6A, and FIG. 6C is a cross-sectional view corresponding to W1-W2.

なお、図6に示す半導体装置において、図1に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 Note that in the semiconductor device illustrated in FIG. 6, a structure having the same function as a structure of the semiconductor device illustrated in FIG.

図6に示す構造において、酸化物230cの組成は、酸化物230bの原子数比と、等しい、またはその近傍であるものとする。当該構成とすることで、酸化物230c、および酸化物230bに、チャネルが形成された場合において、酸化物230cと酸化物230bとの界面で、電流が阻害されることなく、良好なオン特性を有するトランジスタ200とすることができる。 In the structure illustrated in FIG. 6, the composition of the oxide 230c is equal to or close to the atomic ratio of the oxide 230b. With this structure, when a channel is formed in the oxide 230c and the oxide 230b, the current is not inhibited at the interface between the oxide 230c and the oxide 230b, and a favorable on characteristic is obtained. The transistor 200 can be obtained.

つまり、酸化物230bにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面に、ソース電極、またはドレイン電極を形成する際の加工ダメージが生じる場合がある。そこで、酸化物230cに、酸化物230bと、同じ原子数比、または近傍の原子数比であるの酸化物半導体を用いることで、酸化物230cとなる酸化物を成膜する際に、酸化物230bにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面に生じた加工ダメージを補填する場合がある。 That is, in the oxide 230b, processing damage may occur when a source electrode or a drain electrode is formed on the upper surface and side surfaces of a region where a channel is formed. Therefore, when an oxide semiconductor that has the same atomic ratio as that of the oxide 230b or an atomic ratio in the vicinity of the oxide 230b is used for the oxide 230c, In 230b, processing damage generated on the upper surface and side surfaces of the region where the channel is formed may be compensated.

従って、図6に示す構造は、トランジスタ200をオンさせると、主として、酸化物230c、および酸化物230bに電流が流れる(チャネルが形成される)。一方、酸化物230aは、酸化物230bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。 Therefore, in the structure shown in FIG. 6, when the transistor 200 is turned on, a current flows mainly through the oxide 230c and the oxide 230b (a channel is formed). On the other hand, in the oxide 230a, current may flow near the interface with the oxide 230b (which may be a mixed region), but the other region may function as an insulator.

また、図6(C)に示すように、酸化物230cは、酸化物230a、および酸化物230bの側面を覆うように設けることが好ましい。従って、チャネルが形成される領域において、酸化物230の側面において、絶縁体250と酸化物230cとの界面、および酸化物230cと酸化物230bとの界面が形成される。つまり、絶縁体250と、酸化物230bとの間に、酸化物230cが介在することにより、側面においても、酸化物230bと絶縁体250とが、接することないため、絶縁体250と酸化物230との界面において酸素欠損の生成を抑制することができる。 As shown in FIG. 6C, the oxide 230c is preferably provided so as to cover the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b. Therefore, in the region where the channel is formed, an interface between the insulator 250 and the oxide 230c and an interface between the oxide 230c and the oxide 230b are formed on the side surface of the oxide 230. That is, since the oxide 230c is interposed between the insulator 250 and the oxide 230b, the oxide 230b and the insulator 250 are not in contact with each other even on the side surface. The generation of oxygen vacancies can be suppressed at the interface.

また、図6に示す構造は、絶縁体272に、被膜性が高く、緻密な膜を用いる。被膜性が高く緻密な膜としては、例えば、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。ALD法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体272を形成することができる。 In the structure illustrated in FIGS. 6A and 6B, a dense film with high coating properties is used for the insulator 272. As the dense film having a high film property, for example, aluminum oxide using an atomic layer deposition (ALD) method can be used. By forming a film using the ALD method, a dense insulator 272 with reduced defects such as cracks and pinholes or a uniform thickness can be formed.

また、絶縁体274として、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。酸化アルミニウムを形成する場合、スパッタリング法は、ALD法と比較して、成膜速度が速いため、酸素、水素、および水に対する十分なバリア性を確保することができる膜厚の絶縁体274を、歩留まり高く形成することができる。 As the insulator 274, aluminum oxide using a sputtering method can be used. In the case of forming aluminum oxide, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the insulator 274 having a thickness that can secure a sufficient barrier property against oxygen, hydrogen, and water is used. It can be formed with a high yield.

なお、図6に示す構造において、バリア層270は、設けなくてもよい。絶縁体272を、絶縁体274よりも先に設けることで、絶縁体274をスパッタリング法により成膜した場合に生じる、トランジスタ200への成膜ダメージは、絶縁体272により、低減することができる。 Note that the barrier layer 270 is not necessarily provided in the structure illustrated in FIG. By providing the insulator 272 before the insulator 274, the insulator 272 can reduce film formation damage to the transistor 200 that occurs when the insulator 274 is formed by a sputtering method.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

<トランジスタ構造3>
図7には、トランジスタ200を有する半導体装置の一例を示す。図7(A)は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図7(A)において一部の膜は省略されている。また、図7(B)は、図7(A)に示す一点鎖線L1−L2に対応する断面図であり、図7(C)はW1−W2に対応する断面図である。
<Transistor structure 3>
FIG. 7 illustrates an example of a semiconductor device including the transistor 200. FIG. 7A illustrates the top surface of the semiconductor device. Note that some films are omitted in FIG. 7A for clarity. 7B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line L1-L2 illustrated in FIG. 7A, and FIG. 7C is a cross-sectional view corresponding to W1-W2.

なお、図7に示す半導体装置において、図1に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 Note that in the semiconductor device illustrated in FIG. 7, the structure having the same function as the structure of the semiconductor device illustrated in FIG.

なお、図7に示す構造は、導電体260を、2層構造で設けている。例えば、導電体260aは、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、ALDを用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。 In the structure shown in FIG. 7, the conductor 260 is provided in a two-layer structure. For example, the conductor 260a is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method. In particular, it is preferable to form using ALD. By forming by the ALD method or the like, damage during film formation on the insulator 250 can be reduced. Moreover, it is preferable because the coverage can be improved. Therefore, the transistor 200 with high reliability can be provided.

続いて、導電体260bはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体250上に、導電体260aを有することで、導電体260bの成膜時のダメージが、絶縁体250に影響することを抑制することができる。また、ALD法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。 Subsequently, the conductor 260b is formed by a sputtering method. At this time, by including the conductor 260 a over the insulator 250, it is possible to prevent the damage on the insulator 250 from being damaged when the conductor 260 b is formed. Further, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the yield is high and the productivity can be improved.

また、図7に示す構造は、絶縁体272、および絶縁体274を有さない。この場合、絶縁体、絶縁体280は、過剰酸素領域を有することが好ましい。従って、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を用いるとよい。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、CVD法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。 The structure illustrated in FIG. 7 does not include the insulator 272 and the insulator 274. In this case, the insulator, the insulator 280 preferably has an excess oxygen region. Therefore, an insulator containing oxygen such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is preferably used. As a method for forming an insulator containing excess oxygen, a film formation condition in a CVD method or a sputtering method can be set as appropriate to form a silicon oxide film or a silicon oxynitride film containing a large amount of oxygen in the film. .

なお、絶縁体280に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁体280の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁体280に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。 Note that in order to make the insulator 280 contain excessive oxygen, for example, the insulator 280 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen may be introduced into the insulator 280 after film formation to form a region containing excess oxygen, or both means may be combined.

例えば、成膜後の絶縁体280に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。 For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulator 280 after being formed, so that a region containing excess oxygen is formed. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

また、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。 In addition, a gas containing oxygen can be used as the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a rare gas may be included in the gas containing oxygen. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon can be used.

また、図7に示す構造は、バリア層270の端部と、絶縁体250、絶縁体252、および酸化物230cと、の端部が重なっている。つまり、バリア層270、絶縁体250、絶縁体252、および酸化物230c、は、同一工程で加工処理を行うことができる。バリア層270、酸化物230c、および絶縁体250を同一工程で加工処理を行うことにより、工程を簡略化することができる。 In the structure illustrated in FIG. 7, the end portion of the barrier layer 270 and the end portions of the insulator 250, the insulator 252, and the oxide 230 c overlap. That is, the barrier layer 270, the insulator 250, the insulator 252, and the oxide 230c can be processed in the same step. When the barrier layer 270, the oxide 230c, and the insulator 250 are processed in the same process, the process can be simplified.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図8乃至図13を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS.

[記憶装置1]
図8および図9に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。
[Storage device 1]
The semiconductor device illustrated in FIGS. 8 and 9 includes the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 for a memory device. That is, the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, so that the power consumption of the storage device can be sufficiently reduced.

図8および図9に示すにおいて、配線3001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線3002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線3003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線3004はトランジスタ200の第1のゲートと電気的に接続され、配線3006はトランジスタ200の第2のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線3005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。 8 and 9, the wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 200, the wiring 3004 is electrically connected to the first gate of the transistor 200, and the wiring 3006 is electrically connected to the second gate of the transistor 200. It is connected to the. The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .

図8および図9に示す半導体装置は、トランジスタ300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。 The semiconductor device illustrated in FIGS. 8 and 9 has the characteristic that the potential of the gate of the transistor 300 can be held, so that information can be written, held, and read as described below.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, so that the transistor 200 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the node FG that is electrically connected to one of the gate of the transistor 300 and the electrode of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing). Here, it is assumed that one of two charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as a Low level charge and a High level charge) is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off and the transistor 200 is turned off, so that charge is held at the node FG (holding).

トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードFGの電荷は長期間にわたって保持される。 When the off-state current of the transistor 200 is small, the charge of the node FG is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードFG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、ノードFGにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, the second wiring 3002 has a charge held in the node FG. Take a potential according to the amount. This is because, when the transistor 300 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H when the gate of the transistor 300 is supplied with a high level charge is the low level charge applied to the gate of the transistor 300. This is because it becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L in the case of being present. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for bringing the transistor 300 into a “conductive state”. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L , the charge given to the node FG can be determined. For example, in writing, when a high-level charge is applied to the node FG, the transistor 300 is turned “on” when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). On the other hand, when a low-level charge is supplied to the node FG, the transistor 300 remains in a “non-conduction state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, information held in the node FG can be read.

<半導体装置1の構造>
本発明の一態様の半導体装置は、図8に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
<Structure of Semiconductor Device 1>
The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。 The transistor 300 includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 including a part of the substrate 311, a low resistance region 314a which functions as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. Have.

トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 The transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 The region in which the channel of the semiconductor region 313 is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 314a that serves as the source region or the drain region, the low resistance region 314b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 The low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or a p-type conductivity property such as boron, in addition to the semiconductor material used for the semiconductor region 313. Containing elements.

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 316 functioning as a gate electrode includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Note that the threshold voltage can be adjusted by determining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.

なお、図8に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that the transistor 300 illustrated in FIGS. 8A and 8B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked so as to cover the transistor 300.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used. That's fine.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may function as a planarization film that planarizes a step generated by the transistor 300 or the like provided thereunder. For example, the upper surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to improve planarity.

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 The insulator 324 is preferably formed using a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from the substrate 311 or the transistor 300 to a region where the transistor 200 is provided.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of desorption of hydrogen can be analyzed using, for example, a temperature programmed desorption gas analysis method (TDS). For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 × 10 5 in terms of the amount of desorbed hydrogen atoms converted to hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in TDS analysis. It may be 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体324の比誘電率は、絶縁体326の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Note that the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3. For example, the relative dielectric constant of the insulator 324 is preferably equal to or less than 0.7 times that of the insulator 326, and more preferably equal to or less than 0.6 times. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 The insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a conductor 328 that is electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200, the conductor 330, and the like. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings. In addition, a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by collecting a plurality of structures. In this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As a material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked layer. Can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed using a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low-resistance conductive material.

絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 8, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked. A conductor 356 is formed in the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 350, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as in the case of the insulator 324. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 For example, tantalum nitride may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体350、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 350 and the conductor 356. For example, in FIG. 8, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked. Further, a conductor 366 is formed in the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 366 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, the insulator 360 is preferably an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. The conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 8, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked. A conductor 376 is formed in the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, as the insulator 324, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as the insulator 370. The conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 8, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked. A conductor 386 is formed over the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 386 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, as the insulator 324, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as the insulator 380. The conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体384上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 384. Any of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen.

例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, the insulator 210 and the insulator 214 are each formed using a film having a barrier property such that hydrogen or an impurity does not diffuse from a region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to a region where the transistor 200 is provided. Is preferred. Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 As the film having a barrier property against hydrogen, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 210 and the insulator 214.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体212、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、および絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 For example, the insulator 212 and the insulator 216 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant for the insulating film as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 212 and the insulator 216, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are embedded with a conductor 218, a conductor (conductor 205) included in the transistor 200, and the like. Note that the conductor 218 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300. The conductor 218 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the insulator 210 and the conductor 218 in a region in contact with the insulator 214 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 are layers having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water and can be completely separated from each other, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed. .

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図8に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 A transistor 200 is provided above the insulator 216. Note that as the structure of the transistor 200, a transistor included in the semiconductor device described in the above embodiment may be used. The transistor 200 illustrated in FIGS. 8A and 8B is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.

トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。絶縁体280には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200が有する酸化物230の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ200を覆う絶縁体280は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 280 is provided above the transistor 200. It is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 280. In particular, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 200, an insulator having an excess oxygen region is provided in an interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200, so that oxygen vacancies in the oxide 230 included in the transistor 200 are reduced. Can be improved. Further, the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 200.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region. The oxide which desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 in TDS analysis. An oxide film having atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。 For example, as such a material, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used. Alternatively, a metal oxide can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

絶縁体280上には、絶縁体282が設けられている。絶縁体282は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 282 is provided over the insulator 280. The insulator 282 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. Therefore, the insulator 282 can be formed using a material similar to that of the insulator 214. For example, the insulator 282 is preferably formed using a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体286として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 An insulator 286 is provided over the insulator 282. The insulator 286 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant for the insulating film as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 286, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体280絶縁体282、および絶縁体286には、導電体246、および導電体248等が埋め込まれている。 A conductor 246, a conductor 248, and the like are embedded in the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286.

導電体246、および導電体248は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体246、および導電体248は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 246 and the conductor 248 function as plugs or wirings that are electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 246 and the conductor 248 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ200の上方には、容量素子100が設けられている。容量素子100は、導電体110と、導電体120、および絶縁体130とを有する。 Subsequently, the capacitor element 100 is provided above the transistor 200. The capacitor 100 includes a conductor 110, a conductor 120, and an insulator 130.

また、導電体246、および導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体110は、容量素子100の電極として機能を有する。なお、導電体112、および導電体110は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 112 may be provided over the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 110 functions as an electrode of the capacitor 100. Note that the conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.

導電体112、および導電体110には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。 The conductor 112 and the conductor 110 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above-described element as a component. (Tantalum nitride, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Or indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.

図8では、導電体112、および導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 In FIG. 8, the conductor 112 and the conductor 110 have a single-layer structure; however, the structure is not limited thereto, and a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a conductor having a high barrier property and a conductor having a high barrier property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

また、導電体112、および導電体110上に、容量素子100の誘電体のとして、絶縁体130を設ける。絶縁体130は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。 Further, an insulator 130 is provided as a dielectric of the capacitor 100 over the conductor 112 and the conductor 110. Examples of the insulator 130 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, hafnium nitride oxide, and hafnium nitride. What is necessary is just to use, and it can provide by lamination | stacking or single layer.

例えば、絶縁体130には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子100は、絶縁体130を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。 For example, the insulator 130 may be formed using a material having high dielectric strength such as silicon oxynitride. With this configuration, the capacitor 100 includes the insulator 130, whereby the dielectric strength is improved and electrostatic breakdown of the capacitor 100 can be suppressed.

絶縁体130上に、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 A conductor 120 is provided over the insulator 130 so as to overlap with the conductor 110. Note that the conductor 120 can be formed using a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.

導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130. The insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Further, the insulator 150 may function as a planarization film that covers the concave and convex shapes below the insulator 150.

以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 The above is the description of the configuration example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

<記憶装置1の変形例1>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図9に示す。図9は、図8と、トランジスタ300の構成が異なる。
<Variation 1 of Storage Device 1>
Moreover, an example of the modification of this Embodiment is shown in FIG. FIG. 9 is different from FIG. 8 in the configuration of the transistor 300.

図9に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 In the transistor 300 illustrated in FIG. 9, a semiconductor region 313 where a channel is formed (a part of the substrate 311) has a convex shape. In addition, a conductor 316 is provided so as to cover a side surface and an upper surface of the semiconductor region 313 with an insulator 315 interposed therebetween. Note that the conductor 316 may be formed using a material that adjusts a work function. Such a transistor 300 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is described here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

以上が変形例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 The above is the description of the modified example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

<記憶装置1の変形例2>
記憶装置の変形例の一例を、図10に示す。図10は、図8および図9と、容量素子100の配置などが異なる。
<Modification 2 of storage device 1>
An example of a modification of the storage device is shown in FIG. 10 differs from FIGS. 8 and 9 in the arrangement of the capacitor element 100 and the like.

図10に示す容量素子100は、トランジスタ200と同じ層で形成している。図10に示す容量素子100は、バリア層122、導電体120、絶縁体250、酸化物230c、バリア層245b、および導電体240bを有する。導電体120、および導電体240bは、容量素子100の電極として機能を有し、バリア層245b、酸化物230c、および絶縁体250は容量素子100の誘電体として機能を有する。なお、バリア層122は、導電体120の酸化を防ぐ機能を有する。 A capacitor 100 illustrated in FIG. 10 is formed using the same layer as the transistor 200. 10 includes a barrier layer 122, a conductor 120, an insulator 250, an oxide 230c, a barrier layer 245b, and a conductor 240b. The conductor 120 and the conductor 240b function as electrodes of the capacitor 100, and the barrier layer 245b, the oxide 230c, and the insulator 250 function as a dielectric of the capacitor 100. Note that the barrier layer 122 has a function of preventing the conductor 120 from being oxidized.

導電体120は導電体260と同じ層であり、バリア層122は、バリア層270と同じ層である。従って、導電体120は、導電体260と、同一の工程で形成することができる。また、バリア層122は、バリア層270と同一の工程で形成することができる。つまり、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。 The conductor 120 is the same layer as the conductor 260, and the barrier layer 122 is the same layer as the barrier layer 270. Therefore, the conductor 120 can be formed in the same process as the conductor 260. The barrier layer 122 can be formed in the same process as the barrier layer 270. That is, since the process can be shortened, productivity can be improved.

また、図10に示す構成を用いることで、トランジスタ200と、容量素子100合わせて形成することで、工程を短縮することが可能となる。 Further, by using the structure illustrated in FIG. 10, the process can be shortened by forming the transistor 200 and the capacitor 100 together.

本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された記憶装置を提供することができる。 By using this structure, in a memory device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a memory device with reduced power consumption can be provided.

以上が変形例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 The above is the description of the modified example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

<メモリセルアレイの構造>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図11に示す。図8および図9に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。図11は、図8に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
<Structure of memory cell array>
An example of the memory cell array of this embodiment is illustrated in FIG. A memory cell array can be formed by arranging the semiconductor devices shown in FIGS. 8 and 9 in a matrix. FIG. 11 is a cross-sectional view of a part of a row in the case where the storage device illustrated in FIG. 8 is arranged in a matrix.

図11には、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する半導体装置と、トランジスタ340、トランジスタ201、および容量素子101を有する半導体装置と、を有する半導体装置とが、同じ行に配置されている。 In FIG. 11, a semiconductor device including the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100 and a semiconductor device including the transistor 340, the transistor 201, and the capacitor 101 are arranged in the same row. Yes.

図11に示すように、メモリセルアレイは、複数個のトランジスタ(図ではトランジスタ200、およびトランジスタ201)を有する。 As shown in FIG. 11, the memory cell array has a plurality of transistors (a transistor 200 and a transistor 201 in the figure).

なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがNOR型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される第5の配線3005に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがNAND型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報をのみ読み出すことができる。この場合、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される第5の配線3005に与えればよい。 Note that when memory cells are arranged in an array, information of a desired memory cell must be read at the time of reading. For example, when the memory cell array has a NOR structure, only information on a desired memory cell can be read by turning off the transistor 300 of the memory cell from which information is not read. In this case, a fifth wiring which is connected to a memory cell from which information is not read with a potential at which the transistor 300 becomes “non-conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential lower than V th_H. It may be given to 3005. Alternatively, for example, when the memory cell array has a NAND configuration, information on a desired memory cell can be read only by turning on the transistor 300 of the memory cell from which information is not read. In this case, a fifth wiring 3005 connected to a memory cell from which information is not read with a potential at which the transistor 300 is in a “conducting state” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential higher than V th_L. To give.

[記憶装置2]
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12に示す。
[Storage device 2]
FIG. 12 illustrates an example of a memory device using the semiconductor device which is one embodiment of the present invention.

図12に示す記憶装置は、図8で示したトランジスタ200、トランジスタ300、および容量素子100を有する半導体装置に加え、トランジスタ345を有している。 The memory device illustrated in FIG. 12 includes a transistor 345 in addition to the semiconductor device including the transistor 200, the transistor 300, and the capacitor 100 illustrated in FIG.

トランジスタ345は、トランジスタ200の第2のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ345の第1のゲート及び第2のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ345のソースと、トランジスタ200の第2のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ200の第2のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ345の第1のゲートーソース間の電圧および、第2のゲートーソース間の電圧は、0Vになる。トランジスタ345において、第2のゲート電圧及び第1のゲート電圧が0Vのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ200およびトランジスタ345に電源供給をしなくても、トランジスタ200の第2のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ200、およびトランジスタ345を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。 The transistor 345 can control the second gate voltage of the transistor 200. For example, the first gate and the second gate of the transistor 345 are diode-connected to the source, and the source of the transistor 345 is connected to the second gate of the transistor 200. When the negative potential of the second gate of the transistor 200 is held with this structure, the voltage between the first gate and the source of the transistor 345 and the voltage between the second gate and the source are 0V. In the transistor 345, since the drain current when the second gate voltage and the first gate voltage are 0 V is very small, the power supply to the transistor 200 and the transistor 345 is not supplied, so that the second gate voltage of the transistor 200 Negative potential can be maintained for a long time. Thus, the memory device including the transistor 200 and the transistor 345 can hold stored data for a long time.

従って、図12において、配線3001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線3002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線3003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線3004はトランジスタ200のゲートと電気的に接続され、配線3006はトランジスタ200のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線3005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。配線3007はトランジスタ345のソースと電気的に接続され、配線3008はトランジスタ345のゲートと電気的に接続され、配線3009はトランジスタ345のバックゲートと電気的に接続され、配線3010はトランジスタ345のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線3006、配線3007、配線3008、及び配線3009が電気的に接続されている。 Accordingly, in FIG. 12, the wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 200, the wiring 3004 is electrically connected to the gate of the transistor 200, and the wiring 3006 is electrically connected to the back gate of the transistor 200. . The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. . The wiring 3007 is electrically connected to the source of the transistor 345, the wiring 3008 is electrically connected to the gate of the transistor 345, the wiring 3009 is electrically connected to the back gate of the transistor 345, and the wiring 3010 is connected to the drain of the transistor 345. And are electrically connected. Here, the wiring 3006, the wiring 3007, the wiring 3008, and the wiring 3009 are electrically connected.

図12に示す記憶装置は、トランジスタ300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。 The memory device illustrated in FIG. 12 has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 300 can be held; thus, information can be written, held, and read as described below.

また、図12に示す記憶装置は、図8に示す記憶装置と同様に、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、1個のトランジスタ345は、複数のトランジスタ200の第2のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ345は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 The memory device illustrated in FIG. 12 can form a memory cell array by being arranged in a matrix like the memory device illustrated in FIG. Note that one transistor 345 can control the second gate voltage of the plurality of transistors 200. Therefore, the transistor 345 may be provided in a smaller number than the transistor 200.

<記憶装置2の構造>
トランジスタ345は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ345は、第1のゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、第2のゲート電極として機能する導電体405(導電体405a、および導電体405b)と、導電体460と接するバリア層470と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体440a、酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体440b、酸化物432a、および酸化物432bと、導電体440(導電体440a、および導電体440b)バリア層445(バリア層445a、およびバリア層445b)を有する。
<Structure of storage device 2>
The transistor 345 is formed in the same layer as the transistor 200 and can be manufactured in parallel. The transistor 345 includes a conductor 460 (a conductor 460a and a conductor 460b) that functions as a first gate electrode, a conductor 405 (a conductor 405a and a conductor 405b) that functions as a second gate electrode, A barrier layer 470 in contact with the conductor 460, an insulator 220 functioning as a gate insulating layer, an insulator 222, an insulator 224, and an insulator 450, an oxide 430c having a region where a channel is formed, a source or a drain The conductor 440a, the oxide 431a, and the oxide 431b functioning as one of the above, the conductor 440b, the oxide 432a, and the oxide 432b functioning as the other of the source and the drain, and the conductor 440 (the conductor 440a, and Conductor 440b) barrier layer 445 (barrier layer 445a and barrier layer 4) Having 5b).

トランジスタ345において、導電体405は、導電体205と、同じ層である。酸化物431a、および酸化物432aと、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bと、酸化物230bと、同じ層である。導電体440は、導電体240と、同じ層である。酸化物430cは、酸化物230cは同じ層である。絶縁体450は、絶縁体250と、同じ層である。導電体460は、導電体260と、同じ層である。バリア層470は、バリア層270と、同じ層である。 In the transistor 345, the conductor 405 is in the same layer as the conductor 205. The oxide 431a, the oxide 432a, and the oxide 230a are the same layer, and the oxide 431b, the oxide 432b, and the oxide 230b are the same layer. The conductor 440 is the same layer as the conductor 240. The oxide 430c is the same layer as the oxide 230c. The insulator 450 is the same layer as the insulator 250. The conductor 460 is the same layer as the conductor 260. The barrier layer 470 is the same layer as the barrier layer 270.

トランジスタ345の活性層として機能する酸化物430cは、酸化物230などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ345のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減し、第2のゲート電圧及び第1のゲート電圧が0Vのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。 In the oxide 430c functioning as an active layer of the transistor 345, oxygen vacancies are reduced and impurities such as hydrogen or water are reduced as in the oxide 230 and the like. Accordingly, the threshold voltage of the transistor 345 can be made higher than 0 V, the off-current can be reduced, and the drain current when the second gate voltage and the first gate voltage are 0 V can be made extremely small.

また、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン(スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある)について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝(ダイシングライン)を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断(分割)する場合がある。例えば、図12に示す構造500は、ダイシングライン近傍の断面図を示している。 A dicing line (which may be referred to as a scribe line, a dividing line, or a cutting line) provided when a plurality of semiconductor devices are taken out in a chip shape by dividing the large-area substrate into semiconductor elements will be described. As a dividing method, for example, a groove (dicing line) for dividing a semiconductor element may first be formed on a substrate, and then cut in the dicing line to be divided (divided) into a plurality of semiconductor devices. For example, the structure 500 shown in FIG. 12 shows a cross-sectional view near the dicing line.

例えば、構造500に示すように、トランジスタ200、またはトランジスタ345を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインと重なる領域近傍において、絶縁体280、絶縁体224、絶縁体222、絶縁体220、及び絶縁体216に開口を設ける。また、絶縁体280、絶縁体224、絶縁体222、絶縁体220、及び絶縁体216の側面を覆うように、絶縁体282を設ける。 For example, as illustrated in the structure 500, the insulator 280, the insulator 224, the insulator 222, the insulator 220, and the insulator are formed in the vicinity of a region overlapping with a dicing line provided on the outer edge of the memory cell including the transistor 200 or the transistor 345 An opening is provided in the body 216. The insulator 282 is provided so as to cover side surfaces of the insulator 280, the insulator 224, the insulator 222, the insulator 220, and the insulator 216.

つまり、該開口部において、絶縁体222、および絶縁体210と、絶縁体282とが接する。このとき、絶縁体222、絶縁体210の少なくとも一と、絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることができる。 That is, the insulator 222, the insulator 210, and the insulator 282 are in contact with each other in the opening. At this time, adhesion can be improved by forming at least one of the insulator 222 and the insulator 210 and the insulator 282 using the same material and the same method. For example, aluminum oxide can be used.

当該構造により、絶縁体210、絶縁体222、絶縁体282で、絶縁体280、トランジスタ200、およびトランジスタ345を包み込むことができる。絶縁体210、絶縁体222、絶縁体282は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された基板を複数有する回路領域ごとに、分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ200、またはトランジスタ345に拡散することを防ぐことができる。 With this structure, the insulator 280, the transistor 200, and the transistor 345 can be wrapped with the insulator 210, the insulator 222, and the insulator 282. Since the insulator 210, the insulator 222, and the insulator 282 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water, a circuit region including a plurality of substrates over which the semiconductor element described in this embodiment is formed By dividing each of them, even when processed into a plurality of chips, impurities such as hydrogen or water can be prevented from being mixed into the transistor 200 or the transistor 345 from the side surface direction of the divided substrate. .

また、当該構造により、絶縁体280の過剰酸素が絶縁体282、および絶縁体222の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体280の過剰酸素は、効率的にトランジスタ200、またはトランジスタ345におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ200、またはトランジスタ345におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ200、またはトランジスタ345におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200、またはトランジスタ345の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。 Further, with this structure, excess oxygen in the insulator 280 can be prevented from diffusing outside the insulator 282 and the insulator 222. Accordingly, excess oxygen in the insulator 280 is efficiently supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 or the transistor 345 is formed. With the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 or the transistor 345 is formed can be reduced. Accordingly, an oxide in which a channel is formed in the transistor 200 or the transistor 345 can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 or the transistor 345 can be suppressed and reliability can be improved.

<記憶装置2の変形例1>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図13に示す。図13は、図12と、トランジスタ345の構成が異なる。
<Modification 1 of Storage Device 2>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. FIG. 13 is different from FIG. 12 in the structure of the transistor 345.

図13に示すトランジスタ345は、導電体440a、導電体441a、導電体440b、および導電体441bが、導電体405と同層に設けられている。つまり、トランジスタ345において、ソース電極またはドレイン電極は、第2のゲート電極と同時に設けることができる。 A transistor 345 illustrated in FIG. 13 includes a conductor 440a, a conductor 441a, a conductor 440b, and a conductor 441b provided in the same layer as the conductor 405. That is, in the transistor 345, the source electrode or the drain electrode can be provided at the same time as the second gate electrode.

以上が変形例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 The above is the description of the modified example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

(実施の形態3)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図14、および図15を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS.

<半導体ウエハ、チップ>
図14(A)は、ダイシング処理が行なわれる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
<Semiconductor wafer, chip>
FIG. 14A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed. As the substrate 711, for example, a semiconductor substrate (also referred to as a “semiconductor wafer”) can be used. A plurality of circuit regions 712 are provided on the substrate 711. The circuit region 712 can be provided with a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

複数の回路領域712は、それぞれが分離領域713に囲まれている。分離領域713と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)714が設定される。分離線714に沿って基板711を切断することで、回路領域712を含むチップ715を基板711から切り出すことができる。図14(B)にチップ715の拡大図を示す。 Each of the plurality of circuit regions 712 is surrounded by the isolation region 713. A separation line (also referred to as “dicing line”) 714 is set at a position overlapping with the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, the chip 715 including the circuit region 712 can be cut out from the substrate 711. FIG. 14B shows an enlarged view of the chip 715.

また、分離領域713に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるESDを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。 Further, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like may be provided in the separation region 713. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, ESD that may occur in the dicing process can be reduced, and a reduction in yield due to the dicing process can be prevented. In general, the dicing step is performed while supplying pure water having a specific resistance lowered by dissolving carbon dioxide gas or the like for the purpose of cooling the substrate, removing shavings, and preventing charging. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, the amount of pure water used can be reduced. Thus, the production cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, productivity of the semiconductor device can be increased.

<電子部品>
チップ715を用いた電子部品の一例について、図15(A)および図15(B)を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
<Electronic parts>
An example of an electronic component using the chip 715 will be described with reference to FIGS. 15A and 15B. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Electronic parts have a plurality of standards, names, and the like depending on the terminal take-out direction, the terminal shape, and the like.

電子部品は、組み立て工程(後工程)において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。 Electronic components are completed by combining the semiconductor device described in the above embodiment and components other than the semiconductor device in an assembly process (post-process).

図15(A)に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板711に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板711の裏面(半導体装置などが形成されていない面)を研削する「裏面研削工程」を行なう(ステップS721)。研削により基板711を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。 The post-process will be described with reference to the flowchart shown in FIG. After the semiconductor device or the like according to one embodiment of the present invention is formed over the substrate 711 in the previous step, a “back surface grinding step” of grinding the back surface (the surface where the semiconductor device or the like is not formed) of the substrate 711 is performed (step S721). . By reducing the thickness of the substrate 711 by grinding, the electronic component can be downsized.

次に、基板711を複数のチップ715に分離する「ダイシング工程」を行う(ステップS722)。そして、分離したチップ715を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う(ステップS723)。ダイボンディング工程におけるチップ715とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ715を接合してもよい。 Next, a “dicing process” for separating the substrate 711 into a plurality of chips 715 is performed (step S722). Then, a “die bonding step” is performed in which the separated chip 715 is bonded onto each lead frame (step S723). For the bonding of the chip 715 and the lead frame in the die bonding step, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. Note that the chip 715 may be bonded on the interposer substrate instead of the lead frame.

次いで、リードフレームのリードとチップ715上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う(ステップS724)。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。 Next, a “wire bonding process” is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip 715 are electrically connected with a thin metal wire (step S724). A silver wire, a gold wire, etc. can be used for a metal fine wire. For wire bonding, for example, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップ715は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程(モールド工程)」が施される(ステップS725)。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ715とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化(信頼性の低下)を低減することができる。 The chip 715 that has been wire bonded is subjected to a “sealing process (molding process)” that is sealed with an epoxy resin or the like (step S725). By performing the sealing process, the inside of the electronic component is filled with resin, the wire connecting the chip 715 and the lead can be protected from mechanical external force, and deterioration of characteristics due to moisture, dust, etc. (reliability Reduction) can be reduced.

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう(ステップS726)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう(ステップS727)。 Next, a “lead plating process” for plating the leads of the lead frame is performed (step S726). The plating process prevents rusting of the lead, and soldering when mounted on a printed circuit board later can be performed more reliably. Next, a “molding process” for cutting and molding the lead is performed (step S727).

次いで、パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す「マーキング工程」を行なう(ステップS728)。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」(ステップS729)を経て、電子部品が完成する。 Next, a “marking process” is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728). An electronic component is completed through an “inspection process” (step S729) for checking whether the external shape is good or not, and whether there is a malfunction.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図15(B)に示す。図15(B)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図15(B)に示す電子部品750は、リード755およびチップ715を有する。電子部品750は、チップ715を複数有していてもよい。 FIG. 15B is a schematic perspective view of the completed electronic component. FIG. 15B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An electronic component 750 illustrated in FIG. 15B includes a lead 755 and a chip 715. The electronic component 750 may have a plurality of chips 715.

図15(B)に示す電子部品750は、例えばプリント基板752に実装される。このような電子部品750が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板752上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板754)が完成する。完成した実装基板754は、電子機器などに用いられる。 An electronic component 750 illustrated in FIG. 15B is mounted on a printed board 752, for example. A plurality of such electronic components 750 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 752 to complete a substrate (mounting substrate 754) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 754 is used for an electronic device or the like.

(実施の形態4)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図16に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
(Embodiment 4)
<Electronic equipment>
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. FIG. 16 illustrates a specific example of an electronic device including the semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図16(A)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、車体2981、車輪2982、ダッシュボード2983、およびライト2984等を有する。また、自動車2980は、アンテナ、バッテリなどを備える。 FIG. 16A is an external view illustrating an example of an automobile. The automobile 2980 includes a vehicle body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984, and the like. The automobile 2980 includes an antenna, a battery, and the like.

図16(B)に示す情報端末2910は、筐体2911に、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、および操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。 An information terminal 2910 illustrated in FIG. 16B includes a housing 2911, a display portion 2912, a microphone 2917, a speaker portion 2914, a camera 2913, an external connection portion 2916, an operation switch 2915, and the like. The display portion 2912 includes a display panel using a flexible substrate and a touch screen. In addition, the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet personal computer, an electronic book terminal, or the like.

図16(C)に示すノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921、表示部2922、キーボード2923、およびポインティングデバイス2924等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。 A laptop personal computer 2920 illustrated in FIG. 16C includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. The laptop personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2921.

図16(D)に示すビデオカメラ2940は、筐体2941、筐体2942、表示部2943、操作スイッチ2944、レンズ2945、および接続部2946等を有する。操作スイッチ2944およびレンズ2945は筐体2941に設けられており、表示部2943は筐体2942に設けられている。また、ビデオカメラ2940は、筐体2941の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体2941と筐体2942は、接続部2946により接続されており、筐体2941と筐体2942の間の角度は、接続部2946により変えることが可能な構造となっている。筐体2941に対する筐体2942の角度によって、表示部2943に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り換えを行うことができる。 A video camera 2940 illustrated in FIG. 16D includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2944, operation switches 2944, a lens 2945, a connection portion 2946, and the like. The operation switch 2944 and the lens 2945 are provided on the housing 2941, and the display portion 2944 is provided on the housing 2942. In addition, the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2941. The housing 2941 and the housing 2942 are connected to each other by a connection portion 2946. The angle between the housing 2941 and the housing 2942 can be changed by the connection portion 2946. Depending on the angle of the housing 2942 with respect to the housing 2941, the orientation of the image displayed on the display portion 2943 can be changed, and display / non-display of the image can be switched.

図16(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末2950は、筐体2951、および表示部2952等を有する。また、情報端末2950、筐体2951の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部2952は、曲面を有する筐体2951に支持されている。表示部2952には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末2950を提供することができる。 FIG. 16E illustrates an example of a bangle information terminal. The information terminal 2950 includes a housing 2951, a display portion 2952, and the like. In addition, an antenna, a battery, and the like are provided inside the information terminal 2950 and the housing 2951. The display portion 2952 is supported by a housing 2951 having a curved surface. Since the display portion 2952 includes a display panel using a flexible substrate, an information terminal 2950 that is flexible, light, and easy to use can be provided.

図16(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。 FIG. 16F illustrates an example of a wristwatch-type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display portion 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input / output terminal 2966, and the like. Further, an antenna, a battery, and the like are provided inside the information terminal 2960 and the housing 2961. The information terminal 2960 can execute various applications such as mobile phone, e-mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.

表示部2962の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部2962はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部2962に表示されたアイコン2967に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ2965は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末2960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ2965の機能を設定することもできる。 The display surface of the display portion 2962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. The display portion 2962 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, an application can be started by touching an icon 2967 displayed on the display unit 2962. The operation switch 2965 can have various functions such as time setting, power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution and release, and power saving mode execution and release. . For example, the function of the operation switch 2965 can be set by an operating system incorporated in the information terminal 2960.

また、情報端末2960は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末2960は入出力端子2966を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子2966を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子2966を介さずに無線給電により行ってもよい。 In addition, the information terminal 2960 can execute short-range wireless communication that is a communication standard. For example, it is possible to talk hands-free by communicating with a headset capable of wireless communication. Further, the information terminal 2960 includes an input / output terminal 2966, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Charging can also be performed via the input / output terminal 2966. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal 2966.

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, a memory device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information, a control program, and the like of the above electronic devices for a long period. With the use of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be realized.

本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments and examples.

本実施例では、ALD法を用いて成膜した酸化ハフニウムについて、密度、結晶性、および平坦性の分析を行った。なお、密度は、X線反射率分析法(XRR:X−ray Reflectmetry Analysis)を用いて測定した。結晶性は、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)を用いて分析した。また、平坦性は原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)を用いて測定と観察を行った。 In this example, the density, crystallinity, and flatness of the hafnium oxide film formed using the ALD method were analyzed. In addition, the density was measured using the X-ray reflectivity analysis method (XRR: X-ray Reflectometry Analysis). The crystallinity was analyzed using X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction). The flatness was measured and observed using an atomic force microscope (AFM).

また、本実施例では、試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、および試料1Eを作成し、各試料の加熱処理前後において、分析を行った。 In this example, Sample 1A, Sample 1B, Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E were prepared, and analyzed before and after the heat treatment of each sample.

<試料の構成と作製方法>
図17に、試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、および試料1Eの積層構造を示す。試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、および試料1Eは、それぞれ、基板910と、基板910上の絶縁体912と、絶縁体912上の絶縁体914と、を有する。
<Sample configuration and production method>
FIG. 17 shows a stacked structure of Sample 1A, Sample 1B, Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E. Sample 1A, Sample 1B, Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E each include a substrate 910, an insulator 912 over the substrate 910, and an insulator 914 over the insulator 912.

なお、試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、および試料1Eには、絶縁体914として、成膜温度がそれぞれ異なる酸化ハフニウム膜を用いた。下表に、試料1A乃至試料1Eにおける絶縁体914の成膜温度を示す。 Note that for the samples 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E, hafnium oxide films having different film formation temperatures were used as the insulator 914. The following table shows the film formation temperature of the insulator 914 in Samples 1A to 1E.

次に、各試料の作製方法について、説明する。 Next, a method for manufacturing each sample will be described.

まず、基板910として、シリコンウエハを用意した。次に、基板910上に、絶縁体912として、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を100nmの膜厚で成膜した。 First, a silicon wafer was prepared as the substrate 910. Next, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm was formed as the insulator 912 over the substrate 910 by a thermal oxidation method.

続いて、ALD装置を用いて、絶縁体912上に絶縁体914として、酸化ハフニウム膜を50nmの膜厚で、成膜した。なお、酸化ハフニウム膜は、熱ALD法により、プリカーサとしてTEMAH(Tetrakis (ethymethylamino) hafnium:Hf[N(C2H)(CH)])と、オゾンと、を用いて成膜した。 Subsequently, a hafnium oxide film having a thickness of 50 nm was formed as the insulator 914 over the insulator 912 by using an ALD apparatus. Incidentally, hafnium oxide film, by a thermal ALD process, TEMAH as precursor (Tetrakis (ethymethylamino) hafnium: Hf [N (C2H 5) (CH 3)] 4) and was deposited with the ozone, the.

なお、試料1Aは、酸化ハフニウム膜を、200℃で成膜した。試料1Bは、酸化ハフニウム膜を、250℃で成膜した。試料1Cは、酸化ハフニウム膜を、300℃で成膜した。試料1Dは、酸化ハフニウム膜を、350℃で成膜した。また、試料1Eは、酸化ハフニウム膜を、400℃で成膜した。 In Sample 1A, a hafnium oxide film was formed at 200 ° C. In sample 1B, a hafnium oxide film was formed at 250 ° C. In sample 1C, a hafnium oxide film was formed at 300 ° C. In sample 1D, a hafnium oxide film was formed at 350 ° C. In Sample 1E, a hafnium oxide film was formed at 400 ° C.

以上の工程により、本実施例の試料1A乃至試料1Eを作製した。 Through the above steps, Sample 1A to Sample 1E of this example were manufactured.

また、試料1A乃至試料1Eに対し、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気下で400℃において、1時間行った。 Further, heat treatment was performed on the samples 1A to 1E. The heat treatment was performed for 1 hour at 400 ° C. in a nitrogen atmosphere.

<試料の密度の測定>
試料1A乃至試料1Eについて、加熱処理前の絶縁体914の密度と、加熱処理後の絶縁層914の密度を、X線反射率分析法を用いて測定した。なお、XRR装置として、Bruker社製D8 ADVANCEを用いた。
<Measurement of sample density>
For Samples 1A to 1E, the density of the insulator 914 before heat treatment and the density of the insulating layer 914 after heat treatment were measured using an X-ray reflectance analysis method. A D8 ADVANCE manufactured by Bruker was used as the XRR apparatus.

図18に、試料1A乃至試料1Eにおける、加熱処理前後の密度の測定結果を示す。 FIG. 18 shows the measurement results of the density before and after the heat treatment in Samples 1A to 1E.

試料1Aにおける絶縁体914の密度は、加熱処理前は7.2g/cm、加熱処理後は8.4g/cmであった。試料1Bにおける絶縁体914の密度は、加熱処理前は8.4g/cm、加熱処理後は8.5g/cmであった。試料1Cにおける絶縁体914の密度は、加熱処理前は9.7g/cm、加熱処理後は9.8g/cmであった。試料1Dにおける絶縁体914の密度は、加熱処理前は9.8g/cm、加熱処理後は9.8g/cmであった。試料1Eにおける絶縁体914の密度は、加熱処理前は9.9g/cm、加熱処理後は10.0g/cmであった。 The density of the insulator 914 in Sample 1A was 7.2 g / cm 3 before the heat treatment and 8.4 g / cm 3 after the heat treatment. The density of the insulator 914 in Sample 1B was 8.4 g / cm 3 before the heat treatment and 8.5 g / cm 3 after the heat treatment. The density of the insulator 914 in Sample 1C was 9.7 g / cm 3 before the heat treatment and 9.8 g / cm 3 after the heat treatment. The density of the insulator 914 in the sample. 1D, before the heat treatment is 9.8 g / cm 3, after the heat treatment was 9.8 g / cm 3. The density of the insulator 914 in Sample 1E was 9.9 g / cm 3 before the heat treatment and 10.0 g / cm 3 after the heat treatment.

従って、絶縁体914は、成膜温度が高いほど、密度が高くなる傾向があることが分かった。特に、絶縁体914の成膜温度が300℃以下である試料1A、試料1B、および試料1Cにおいて、成膜温度が高い方が、密度が高くなることがわかった。一方、絶縁体914の成膜温度が300℃以上である試料1C、試料1D、および試料1Eは、密度が9.5g/cm以上であり、あまり差が見られないことがわかった。 Therefore, it was found that the insulator 914 tends to increase in density as the film formation temperature increases. In particular, it was found that in Sample 1A, Sample 1B, and Sample 1C in which the film formation temperature of the insulator 914 is 300 ° C. or lower, the higher the film formation temperature, the higher the density. On the other hand, Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E in which the film formation temperature of the insulator 914 is 300 ° C. or higher have a density of 9.5 g / cm 3 or higher, and it was found that there is not much difference.

また、絶縁体914の成膜温度が250℃以上である試料1B、試料1C、試料1D、および試料1Eは、絶縁体914の成膜後に行った加熱処理前後において、絶縁体914の密度の変化は、絶縁体914の成膜温度が200℃以下である試料1Aよりも、小さいことがわかった。 In addition, in Sample 1B, Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E in which the film formation temperature of the insulator 914 is 250 ° C. or higher, change in density of the insulator 914 before and after the heat treatment performed after the film formation of the insulator 914 It was found that the film formation temperature of the insulator 914 was smaller than that of the sample 1A having a temperature of 200 ° C. or lower.

以上より、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃以下では、密度が9.5g/cm以下であることがわかった。また、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が200℃以上、250℃以下では、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下であることがわかった。さらに、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が200℃以上、250℃以下では、成膜後に加熱処理を行った場合でも、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下であることがわかった。 From the above, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 9.5 g / cm 3 or less at a film forming temperature of 300 ° C. or lower. Further, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less at a film forming temperature of 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. Furthermore, the hafnium oxide film formed by the ALD method has a film formation temperature of 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm even when heat treatment is performed after the film formation. It was found to be cm 3 or less.

<試料の結晶性の解析>
試料1A乃至試料1Eについて、絶縁体914を、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定を行った。なお、XRD装置として、Bruker社製D8 ADVANCEを用いた。また、条件は、Out−of−plane法によるθ/2θスキャンにて、走査範囲を15deg.乃至50deg.、ステップ幅を0.02deg.、走査速度を3.0deg./分とした。
<Analysis of crystallinity of sample>
For the samples 1A to 1E, the insulator 914 was measured by X-ray diffraction (XRD). Note that Bruker D8 ADVANCE was used as the XRD apparatus. The condition is that the scanning range is 15 deg. In θ / 2θ scanning by the out-of-plane method. To 50 deg. , The step width is 0.02 deg. The scanning speed is 3.0 deg. / Min.

図19に、Out−of−plane法を用いてXRDスペクトルを測定した結果を示す。なお、図19(A)に、加熱処理前のXRDスペクトルを測定した結果、図19(B)に、加熱処理後のXRDスペクトルを測定した結果を示す。 FIG. 19 shows the results of measuring the XRD spectrum using the out-of-plane method. Note that FIG. 19A shows the result of measuring the XRD spectrum before the heat treatment, and FIG. 19B shows the result of measuring the XRD spectrum after the heat treatment.

図19(A)、および図19(B)に示すXRDスペクトルは、試料1D、および試料1Eにおいて、2θ=24.2°、および2θ=28.4°付近のピーク強度(intensity)が検出された。従って、成膜温度が高くなるほど、絶縁体914は、結晶化されていると考えられる。 In the XRD spectra shown in FIGS. 19A and 19B, peak intensities around 2θ = 24.2 ° and 2θ = 28.4 ° are detected in sample 1D and sample 1E. It was. Therefore, it is considered that the insulator 914 is crystallized as the deposition temperature increases.

なお、2θ=24.2°、および2θ=28.4°付近のピークは、単斜晶系の結晶に由来するピークである。また、2θ=31.7°付近のピークは、シリコンウエハに由来するピークであると考えられる。 The peaks near 2θ = 24.2 ° and 2θ = 28.4 ° are peaks derived from monoclinic crystals. Further, it is considered that the peak around 2θ = 31.7 ° is a peak derived from the silicon wafer.

以上より、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃より大きい場合、単斜晶系の結晶構造を有することがわかった。 From the above, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a monoclinic crystal structure when the film forming temperature is higher than 300 ° C.

次に、試料1A乃至試料1Eの平坦性評価を、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムSPA−500を用いて行った。なお、測定範囲は1μm×1μm、および10μm×10μmとした。また、走査型プローブ顕微鏡による測定条件は、走査速度を1.0Hzとし、データ数をX=512、Y=512とし、測定点数は10点とした。また、当該測定には、カンチレバーを共振させた状態で、レバーの振動振幅が一定になるように探針と試料との間の距離を制御しながら、表面形状を測定する方法を用いた。 Next, the flatness evaluation of Samples 1A to 1E was performed using a scanning probe microscope system SPA-500 manufactured by SII Nano Technology Co., Ltd. The measurement range was 1 μm × 1 μm and 10 μm × 10 μm. The measurement conditions with the scanning probe microscope were a scanning speed of 1.0 Hz, a number of data of X = 512, Y = 512, and a number of measurement points of 10. Further, for the measurement, a method was used in which the surface shape was measured while controlling the distance between the probe and the sample so that the vibration amplitude of the lever was constant while the cantilever was resonated.

試料1A乃至試料1Eの平坦性は、表面荒さの自乗和平方根(RMS)によって評価した。その結果を図20に示す。なお、図20(A)に、加熱処理前の表面荒さの自乗和平方根(RMS)を評価した結果、図20(B)に、加熱処理後の表面荒さの自乗和平方根(RMS)を評価した結果を示す。 The flatness of Samples 1A to 1E was evaluated by the root sum square of surface roughness (RMS). The result is shown in FIG. In addition, as a result of evaluating the square sum square root (RMS) of the surface roughness before the heat treatment in FIG. 20A, the square sum square root (RMS) of the surface roughness after the heat treatment was evaluated in FIG. 20B. Results are shown.

図20(A)より、1μm×1μmの測定範囲において、試料1Aの自乗平均面粗さ(RMS)は、3.780×10−1nm(加熱前)、および2.968×10−1nm(加熱後)であった。試料Bの自乗平均面粗さ(RMS)は、3.793×10−1nm(加熱前)、および3.544×10−1nm(加熱後)であった。試料1Cの自乗平均面粗さ(RMS)は、1.761nm(加熱前)、および2.143nm(加熱後)であった。試料1Dの自乗平均面粗さ(RMS)は、1.792nm(加熱前)であった。また、試料1Eの自乗平均面粗さ(RMS)は、2.070nm(加熱前)であった。 From FIG. 20A, in the measurement range of 1 μm × 1 μm, the root mean square roughness (RMS) of sample 1A is 3.780 × 10 −1 nm (before heating) and 2.968 × 10 −1 nm. (After heating). The root mean square roughness (RMS) of Sample B was 3.793 × 10 −1 nm (before heating) and 3.544 × 10 −1 nm (after heating). The root mean square roughness (RMS) of Sample 1C was 1.761 nm (before heating) and 2.143 nm (after heating). Sample 1D had a root mean square roughness (RMS) of 1.792 nm (before heating). The root mean square roughness (RMS) of Sample 1E was 2.070 nm (before heating).

図20(B)より、10μm×10μmの測定範囲において、試料1Aの自乗平均面粗さ(RMS)は、8.764×10−1nm(加熱前)、および3.181×10−1nm(加熱後)であった。試料Bの自乗平均面粗さ(RMS)は、8.238×10−1nm(加熱前)、および7.649×10−1nm(加熱後)であった。試料1Cの自乗平均面粗さ(RMS)は、3.12nm(加熱前)、および3.636nm(加熱後)であった。試料1Dの自乗平均面粗さ(RMS)は、2.920nm(加熱前)であった。また、試料1Eの自乗平均面粗さ(RMS)は、2.779nm(加熱前)であった。 From FIG. 20B, in the measurement range of 10 μm × 10 μm, the root mean square roughness (RMS) of the sample 1A is 8.764 × 10 −1 nm (before heating) and 3.181 × 10 −1 nm. (After heating). Sample B had a root mean square roughness (RMS) of 8.238 × 10 −1 nm (before heating) and 7.649 × 10 −1 nm (after heating). Sample 1C had a root mean square roughness (RMS) of 3.12 nm (before heating) and 3.636 nm (after heating). The root mean square roughness (RMS) of Sample 1D was 2.920 nm (before heating). The root mean square roughness (RMS) of Sample 1E was 2.779 nm (before heating).

従って、試料1A、および試料1Bは、試料1C、試料1D、および試料1Eよりも、平坦性が高い成膜できることがわかった。また、成膜後に加熱処理を行った場合、試料1A、および試料1Bは、加熱処理前よりも、自乗平均面粗さ(RMS)の値が低くなった。一方、試料1Cは、自乗平均面粗さ(RMS)の値が高くなった。 Therefore, it was found that Sample 1A and Sample 1B can be formed with higher flatness than Sample 1C, Sample 1D, and Sample 1E. In addition, when heat treatment was performed after film formation, Sample 1A and Sample 1B had lower root mean square roughness (RMS) values than before heat treatment. On the other hand, Sample 1C had a high root mean square roughness (RMS) value.

以上より、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、成膜温度が300℃未満では、0.50nm以下であることがわかった。さらに、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃未満では、成膜後に加熱処理を行った場合に、自乗平均面粗さ(RMS)の値が小さくなることがわかった。 From the above, it is found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a root mean square roughness (RMS) of 0.50 nm or less at a film forming temperature of less than 300 ° C. in a measurement range of 1 μm × 1 μm. It was. Further, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a smaller root mean square roughness (RMS) value when the film formation temperature is less than 300 ° C. and heat treatment is performed after the film formation. .

また、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、自乗平均面粗さ(RMS)が、10μm×10μmの測定範囲において、成膜温度が300℃未満では、1.0nm以下であることがわかった。さらに、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃未満では、成膜後に加熱処理を行った場合に、自乗平均面粗さ(RMS)の値が小さくなり、特に成膜温度が200℃では、0.5nm以下となることがわかった。 Further, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a root mean square roughness (RMS) of 1.0 nm or less at a film forming temperature of less than 300 ° C. in a measurement range of 10 μm × 10 μm. . Further, the hafnium oxide film formed by the ALD method has a root mean square roughness (RMS) value of less than 300 ° C. when the heat treatment is performed after the film formation. It was found that when the temperature was 200 ° C., it was 0.5 nm or less.

本実施例より、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃未満では、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、および自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下、または、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下であることがわかった。 From this example, the hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less and a root mean square roughness (RMS) when the film forming temperature is less than 300 ° C. ) Was 0.5 nm or less in the measurement range of 1 μm × 1 μm, or 1.0 nm or less in the measurement range of 10 μm × 10 μm.

本実施例に示す構成は、他の実施例または他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this example can be used in appropriate combination with any of the other examples or the other embodiments.

本実施例では、本発明の一態様である酸化物、および絶縁体の積層構造を用いて、SIMSを用いて分析した。なお、本実施例においては、試料2A乃至試料2Eを作製した。 In this example, analysis was performed using SIMS using a stacked structure of an oxide and an insulator which is one embodiment of the present invention. In this example, samples 2A to 2E were manufactured.

<試料の構成と作製方法>
以下では、本発明の一態様に係る試料2A、試料2B、試料2C、試料2D、および試料2Eについて説明する。試料2A乃至試料2Eは、図21に示す積層構造を有する。図21に示す構造は、基板920と、基板920上の絶縁体922と、絶縁体922上の絶縁体924と、絶縁体924上の絶縁体926と、絶縁体926上の絶縁体928と、を有する。
<Sample configuration and production method>
Hereinafter, Sample 2A, Sample 2B, Sample 2C, Sample 2D, and Sample 2E according to one embodiment of the present invention will be described. Samples 2A to 2E have a stacked structure shown in FIG. The structure shown in FIG. 21 includes a substrate 920, an insulator 922 over the substrate 920, an insulator 924 over the insulator 922, an insulator 926 over the insulator 924, an insulator 928 over the insulator 926, Have

なお、3A、試料2B、試料2C、試料2D、および試料2Eには、絶縁体924として、成膜温度がそれぞれ異なる酸化ハフニウム膜を用いた。下表に、試料2A乃至試料2Eにおける絶縁体924の成膜温度を示す。 Note that hafnium oxide films having different film formation temperatures were used as the insulator 924 for 3A, Sample 2B, Sample 2C, Sample 2D, and Sample 2E. The following table shows the film formation temperature of the insulator 924 in Samples 2A to 2E.

次に、各試料の作製方法について、説明する。 Next, a method for manufacturing each sample will be described.

まず、基板920として、シリコン基板を準備した。続いて、基板920上に、絶縁体922として、熱酸化膜を100nm形成した。 First, a silicon substrate was prepared as the substrate 920. Subsequently, a thermal oxide film having a thickness of 100 nm was formed as an insulator 922 over the substrate 920.

続いて、ALD装置を用いて、絶縁体922上に絶縁体924として、酸化ハフニウム膜を50nmの膜厚で、成膜した。なお、酸化ハフニウム膜は、熱ALD法により、プリカーサとしてTEMAH(Tetrakis (ethymethylamino) hafnium:Hf[N(C2H)(CH)])と、酸化ガスとしてオゾンと、を用いて成膜した。 Subsequently, a hafnium oxide film having a thickness of 50 nm was formed as the insulator 924 over the insulator 922 by using an ALD apparatus. Note that the hafnium oxide film was formed by thermal ALD using TEMAH (Tetrakis (ethylmethylamino) hafnium: Hf [N (C2H 5 ) (CH 3 )] 4 ) as a precursor and ozone as an oxidizing gas. .

なお、試料2Aは、酸化ハフニウム膜を、200℃で成膜した。試料2Bは、酸化ハフニウム膜を、250℃で成膜した。試料2Cは、酸化ハフニウム膜を、300℃で成膜した。試料2Dは、酸化ハフニウム膜を、350℃で成膜した。また、試料2Eは、酸化ハフニウム膜を、400℃で成膜した。 In Sample 2A, a hafnium oxide film was formed at 200 ° C. In sample 2B, a hafnium oxide film was formed at 250 ° C. In sample 2C, a hafnium oxide film was formed at 300 ° C. In sample 2D, a hafnium oxide film was formed at 350 ° C. In Sample 2E, a hafnium oxide film was formed at 400 ° C.

次に、絶縁体924となる酸化窒化シリコン膜をCVD法によって20nmの膜厚で成膜した。 Next, a silicon oxynitride film to be the insulator 924 was formed to a thickness of 20 nm by a CVD method.

次に、酸化物926上に、絶縁体928として、RFスパッタリング法を用いて、40nmの酸化アルミニウムを成膜した。絶縁体928は、Alターゲットを用い、成膜ガスとして、流量25sccmのアルゴン(Ar)、および流量25sccmの酸素(18)を用い、成膜圧力を0.4Paとし、成膜電力を2500Wとし、ターゲット−基板間距離を60mmとして、成膜した。 Next, an aluminum oxide film having a thickness of 40 nm was formed as an insulator 928 over the oxide 926 by an RF sputtering method. The insulator 928 uses an Al 2 O 3 target, uses argon (Ar) at a flow rate of 25 sccm and oxygen ( 18 O 2 ) at a flow rate of 25 sccm as a film formation gas, forms a film formation pressure at 0.4 Pa, and forms a film. The film was formed with an electric power of 2500 W and a target-substrate distance of 60 mm.

以上の工程により、本実施例の試料2A乃至試料2Eを作製した。 Through the above steps, Sample 2A to Sample 2E of this example were manufactured.

<試料のSIMSの測定結果>
次に、試料2A乃至試料2Hの酸化物924を定量層として、基板側からSIMS分析を行い、酸素(18O)濃度を検出した結果を図22に示す。なお、酸素濃度評価は、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により行い、分析装置としてCAMECA社製ダイナミックSIMS装置IMS−7fを用いた。
<Measurement result of SIMS of sample>
Next, SIMS analysis was performed from the substrate side using the oxide 924 of Samples 2A to 2H as a quantitative layer, and the result of detecting the oxygen ( 18 O) concentration is shown in FIG. The oxygen concentration was evaluated by secondary ion mass spectrometry (SIMS), and a dynamic SIMS device IMS-7f manufactured by CAMECA was used as an analyzer.

図22は、試料2A(実線(太))、試料2B(破線(太))、試料2C(実線(細))、試料2D(破線(細))、および試料2E(一点破線(細))の絶縁体924膜中の酸素(18O)濃度の深さ方向プロファイルを示す。なお、図中の両矢印は、各絶縁体の範囲を示す。 FIG. 22 shows sample 2A (solid line (thick)), sample 2B (broken line (thick)), sample 2C (solid line (thin)), sample 2D (dashed line (thin)), and sample 2E (single dotted line (thin)). 2 shows a depth profile of oxygen ( 18 O) concentration in the insulator 924 film. In addition, the double arrow in a figure shows the range of each insulator.

ここで、酸化ハフニウム膜である絶縁体924の主成分は、16Oであるため、18Oは酸化物928から拡散した酸素であることがわかる。 Here, since the main component of the insulator 924 which is a hafnium oxide film is 16 O, it can be seen that 18 O is oxygen diffused from the oxide 928.

従って、図22より、成膜温度が200℃の試料2A、および成膜温度が250℃の試料2Bは、絶縁体928を成膜することで、絶縁体926を介して、絶縁体924へ酸素が拡散することがわかった。特に試料2Aにおいて、絶縁体924と、絶縁体922との界面まで、酸素が拡散したことがわかった。また、試料2Bにおいては、絶縁体924の厚さ方向に10nm以上20nm以下の範囲で、酸素が拡散していることがわかった。一方、成膜温度が300℃以上の試料2C乃至試料2Dは、絶縁体924への酸素の拡散が少ないことがわかった。 Therefore, as shown in FIG. 22, the sample 2A with a film formation temperature of 200 ° C. and the sample 2B with a film formation temperature of 250 ° C. are formed with an insulator 928, whereby oxygen is transferred to the insulator 924 through the insulator 926. Was found to diffuse. In particular, in Sample 2A, it was found that oxygen diffused to the interface between the insulator 924 and the insulator 922. In Sample 2B, it was found that oxygen diffused in the thickness direction of the insulator 924 in the range of 10 nm to 20 nm. On the other hand, it was found that Samples 2C to 2D having a film formation temperature of 300 ° C. or higher have less oxygen diffusion into the insulator 924.

ここで、先の実施例において、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が低くなると、密度が小さい、結晶性が低い膜が成膜されることがわかっている。例えば、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃以下では、密度が9.5g/cm以下であることがわかった。また、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が200℃以上、250℃以下では、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下であることがわかった。さらに、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が200℃以上、250℃以下では、成膜後に加熱処理を行った場合でも、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下であることがわかった。 Here, in the previous embodiment, it has been found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a low density and low crystallinity when the film forming temperature is lowered. For example, it has been found that a hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 9.5 g / cm 3 or less at a film forming temperature of 300 ° C. or lower. Further, it was found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less at a film forming temperature of 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. Furthermore, the hafnium oxide film formed by the ALD method has a film formation temperature of 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm even when heat treatment is performed after the film formation. It was found to be cm 3 or less.

以上より、密度が小さい、または結晶性が低い膜の方が、酸素を拡散しやすいと考えられる。例えば、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、好ましくは、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下の酸化ハフニウム膜は、酸素を拡散することが確認できた。 From the above, it is considered that a film having a lower density or lower crystallinity is more likely to diffuse oxygen. For example, a hafnium oxide film with a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less, preferably a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less can diffuse oxygen. It could be confirmed.

以上、本実施例に示す構成は、他の実施例または他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the structure described in this example can be combined as appropriate with any of the other examples or the other embodiments.

本実施例では、試料3A、試料3Bおよび試料3Cとして、本発明の一態様である、図1に示すトランジスタ200を有する半導体装置を作製し、トランジスタ200の電気特性および信頼性試験を行った。なお、トランジスタ200のチャネル長は0.18μm、チャネル幅は0.35μmとした。また、試料3A、試料3B、および試料3Cは、同一工程にて、36個のトランジスタ200を形成した。 In this example, as the sample 3A, the sample 3B, and the sample 3C, a semiconductor device including the transistor 200 illustrated in FIG. 1, which is one embodiment of the present invention, was manufactured, and electrical characteristics and reliability tests of the transistor 200 were performed. Note that the channel length of the transistor 200 was 0.18 μm and the channel width was 0.35 μm. Sample 3A, sample 3B, and sample 3C formed 36 transistors 200 in the same process.

なお、試料3A、試料3Bおよび試料3Cには、絶縁体250として、成膜温度がそれぞれ異なる酸化ハフニウム膜を用いた。下表に、試料3A乃至試料3Cにおける絶縁体250の成膜温度を示す。 Note that hafnium oxide films having different film formation temperatures were used as the insulator 250 in the samples 3A, 3B, and 3C. The following table shows the film formation temperature of the insulator 250 in the samples 3A to 3C.

ここで、先の実施例より、絶縁体250に用いた、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度により、密度、結晶性、および平坦性が異なることがわかっているものとする。 Here, it is assumed from the previous embodiment that the hafnium oxide film formed by the ALD method used for the insulator 250 has different density, crystallinity, and flatness depending on the film formation temperature. .

<試料の作製方法>
以下に、試料3A、試料3B、および試料3Cの作製方法を説明する。
<Sample preparation method>
Hereinafter, a method for manufacturing Sample 3A, Sample 3B, and Sample 3C will be described.

まず、絶縁体212として、p型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を400nmの膜厚で成膜した。続いて、絶縁体212上に絶縁体214として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を40nmの膜厚で成膜した。また、絶縁体214上に絶縁体216として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を160nmの膜厚で成膜した。 First, a silicon oxide film having a thickness of 400 nm was formed as an insulator 212 on a p-type silicon single crystal wafer by a thermal oxidation method. Subsequently, an aluminum oxide film having a thickness of 40 nm was formed as an insulator 214 over the insulator 212 by a sputtering method. Further, a silicon oxynitride film with a thickness of 160 nm was formed as the insulator 216 over the insulator 214 by a CVD method.

次に、絶縁体216上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を35nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜を加工し、タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 Next, a tungsten film was formed to a thickness of 35 nm over the insulator 216 by a sputtering method. Next, using a resist mask formed by a lithography method, the tungsten film was processed to form a hard mask having the tungsten film.

次に、ダマシン法によって、絶縁体216を加工し、開口部および配線となる溝を形成した。なお、図に示すように、本工程では、絶縁体214の一部が除去される場合がある。 Next, the insulator 216 was processed by a damascene method to form an opening and a groove to be a wiring. Note that as shown in the drawing, in this step, part of the insulator 214 may be removed.

続いて、上記開口部および上記溝に、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を成膜し、窒化タンタル膜上に、ALD法によって、窒化チタン膜を成膜し、窒化チタン膜上に、CVD法によって、タングステン膜を成膜した。次にCMP処理によって、酸化窒化シリコン膜の上面に達するまで、タングステン膜、窒化チタン膜、および窒化タンタル膜を研磨し、開口部内および溝にタングステン、窒化チタン、および窒化タンタルの不要な一部を除去することで、導電体205(導電体205a、導電体205b、および導電体205c)に対応する導電体を形成した。 Subsequently, a tantalum nitride film is formed in the opening and the groove by a sputtering method, a titanium nitride film is formed on the tantalum nitride film by an ALD method, and a CVD method is formed on the titanium nitride film. A tungsten film was formed. Next, by CMP treatment, the tungsten film, titanium nitride film, and tantalum nitride film are polished until the upper surface of the silicon oxynitride film is reached, and unnecessary portions of tungsten, titanium nitride, and tantalum nitride are removed in the openings and in the grooves. By removal, a conductor corresponding to the conductor 205 (the conductor 205a, the conductor 205b, and the conductor 205c) was formed.

次に、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224として、酸化窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、および酸化窒化シリコン膜を順に成膜した。酸化窒化シリコン膜は、CVD法によって10nmの膜厚で成膜し、酸化ハフニウム膜は、ALD法によって20nmの膜厚で成膜し、酸化窒化シリコン膜は、CVD法によって、30nmの膜厚で成膜した。 Next, as the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224, a silicon oxynitride film, a hafnium oxide film, and a silicon oxynitride film were sequentially formed. The silicon oxynitride film is formed with a thickness of 10 nm by a CVD method, the hafnium oxide film is formed with a thickness of 20 nm by an ALD method, and the silicon oxynitride film is formed with a thickness of 30 nm by a CVD method. A film was formed.

次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.

次に、酸化物230aとなる第1の酸化物をスパッタリング法によって、In−Ga−Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。第1の酸化物は、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, an In—Ga—Zn oxide film was formed to a thickness of 5 nm by a sputtering method with the first oxide to be the oxide 230a. The first oxide was formed using an In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio] target under conditions of an oxygen gas flow rate of 45 sccm, a pressure of 0.7 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. .

次に、第1の酸化物上に、酸化物230bとなる第2の酸化物をスパッタリング法によって、In−Ga−Zn酸化物を20nmの膜厚で成膜した。第2の酸化物は、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、アルゴンガス流量30sccm、酸素ガス流量15sccm、圧力0.7Pa、基板温度130℃の条件にて成膜した。なお、第1の酸化物と第2の酸化物とは、連続成膜した。 Next, an In—Ga—Zn oxide was formed to a thickness of 20 nm over the first oxide by a sputtering method to form the second oxide to be the oxide 230b. The second oxide uses a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio], an argon gas flow rate of 30 sccm, an oxygen gas flow rate of 15 sccm, a pressure of 0.7 Pa, and a substrate temperature of 130 ° C. The film was formed under the following conditions. Note that the first oxide and the second oxide were continuously formed.

次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen, and then at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.

次に、第2の酸化物上に、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を30nmの膜厚で成膜した。次に窒化タンタル膜上に、ALD法によって、酸化アルミニウム膜を5nmの膜厚で成膜した。次に、酸化アルミニウム膜上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を15nmの膜厚で成膜した。 Next, a tantalum nitride film with a thickness of 30 nm was formed over the second oxide by a sputtering method. Next, an aluminum oxide film having a thickness of 5 nm was formed on the tantalum nitride film by ALD. Next, a tungsten film with a thickness of 15 nm was formed on the aluminum oxide film by a sputtering method.

次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、チャネルが形成される領域の上記タングステン膜をエッチングした。該エッチングは、ドライエッチング法を用いた。 Next, the tungsten film in a region where a channel is to be formed was etched using a resist mask formed by a lithography method. For this etching, a dry etching method was used.

次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜、酸化アルミニウム、および窒化タンタル膜の不要部分をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, unnecessary portions of the tungsten film, the aluminum oxide, and the tantalum nitride film were etched using a resist mask formed by a lithography method. The etching was performed using a dry etching method.

続いて、不要な領域を除去したタングステン膜、および酸化アルミニウムを、ハードマスクとして用い、第2の酸化物、および第1の酸化物をエッチングし、トランジスタのチャネルが形成される領域を有するアイランドを形成した。また該エッチングと同時に、チャネルが形成される領域の酸化アルミニウム膜をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、酸化物230a、酸化物230b、バリア層245a、およびバリア層245bを形成した。 Subsequently, the tungsten film from which unnecessary regions are removed and aluminum oxide are used as a hard mask, and the second oxide and the first oxide are etched to form an island having a region where a channel of the transistor is formed. Formed. Simultaneously with the etching, the aluminum oxide film in the region where the channel is formed was etched. The etching was performed using a dry etching method. Through the processing, the oxide 230a, the oxide 230b, the barrier layer 245a, and the barrier layer 245b were formed.

次に、不要な領域を除去したタングステン膜をハードマスクとして用い、チャネルが形成される領域の窒化タンタル膜をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、導電体240a、および導電体240bを形成した。なお、該エッチングにより、ハードマスクとして用いたタングステン膜は消失した。 Next, the tungsten film from which the unnecessary region was removed was used as a hard mask, and the tantalum nitride film in the region where the channel was formed was etched. The etching was performed using a dry etching method. By the processing, the conductor 240a and the conductor 240b were formed. Note that the tungsten film used as the hard mask disappeared by the etching.

次に、酸化物230cとなる第3の酸化物をスパッタリング法によって、In−Ga−Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。第3の酸化物は、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度R.T.の条件にて成膜した。 Next, a third oxide to be the oxide 230c was formed to a thickness of 5 nm by sputtering using an In—Ga—Zn oxide. The third oxide uses an In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] target, an oxygen gas flow rate of 45 sccm, a pressure of 0.7 Pa, a substrate temperature of R.P. T.A. The film was formed under the following conditions.

次に、絶縁体250となる酸化ハフニウム膜を、ALD法により、プリカーサとしてTEMAHと、オゾンと、を用いて熱ALD法10nmの膜厚で成膜した。 Next, a hafnium oxide film to be the insulator 250 was formed to a thickness of 10 nm by a thermal ALD method using TEMAH and ozone as a precursor by an ALD method.

なお、試料3Aは、酸化ハフニウム膜を、200℃で成膜した。また、試料3Bは、酸化ハフニウム膜を、250℃で成膜した。また、試料3Cは、酸化ハフニウム膜を、350℃で成膜した。 In Sample 3A, a hafnium oxide film was formed at 200 ° C. In Sample 3B, a hafnium oxide film was formed at 250 ° C. In Sample 3C, a hafnium oxide film was formed at 350 ° C.

次に、絶縁体252となる酸化窒化シリコン膜をCVD法によって10.5nmの膜厚で成膜した。 Next, a silicon oxynitride film to be the insulator 252 was formed to a thickness of 10.5 nm by a CVD method.

次に、熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.

次に、絶縁体252となる酸化窒化シリコン膜上に、酸化物260aとなる金属酸化物をスパッタリング法によって、In−Ga−Zn酸化物を10nmの膜厚で成膜した。金属酸化物は、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 10 nm was formed over the silicon oxynitride film to be the insulator 252 by a sputtering method with a metal oxide to be the oxide 260a. The metal oxide was formed using an In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio] target under conditions of an oxygen gas flow rate of 45 sccm, a pressure of 0.7 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. .

続いて、スパッタリング法によって、導電体260bとなる窒化チタン膜を5nmの膜厚で成膜し、該窒化チタン膜上に、スパッタリング法によって、導電体260cとなるタングステン膜を50nmの膜厚で成膜した。なお、窒化チタン膜とタングステン膜は、連続成膜した。 Subsequently, a titanium nitride film to be a conductor 260b is formed to a thickness of 5 nm by a sputtering method, and a tungsten film to be a conductor 260c is formed to a thickness of 50 nm on the titanium nitride film by a sputtering method. Filmed. Note that the titanium nitride film and the tungsten film were continuously formed.

次に、熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.

次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜、および窒化チタン膜をエッチングした。タングステン膜、窒化チタン膜のエッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、導電体260を形成した。 Next, the tungsten film and the titanium nitride film were etched using a resist mask formed by a lithography method. A dry etching method was used for etching the tungsten film and the titanium nitride film. The conductor 260 was formed by the processing.

次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、絶縁体250となる酸化ハフニウム膜、絶縁体252となる酸化窒化シリコン膜、および第3の酸化物の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。また、当該加工により、絶縁体252、絶縁体250、および酸化物230cを形成した。 Next, a hafnium oxide film to be the insulator 250, a silicon oxynitride film to be the insulator 252 and part of the third oxide were etched using a resist mask formed by a lithography method. The etching was performed using a dry etching method. In addition, the insulator 252, the insulator 250, and the oxide 230c were formed by the processing.

次に、ALD法によって、バリア層270となる酸化アルミニウム膜を7nmの膜厚で成膜した。続いて、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、該酸化アルミニウム膜の一部をエッチングした。酸化アルミニウム膜のエッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、バリア層270を形成した。 Next, an aluminum oxide film to be the barrier layer 270 was formed to a thickness of 7 nm by the ALD method. Subsequently, a part of the aluminum oxide film was etched using a resist mask formed by a lithography method. A dry etching method was used for etching the aluminum oxide film. A barrier layer 270 was formed by the processing.

次に、CVD法によって、絶縁体280となる酸化窒化シリコン膜を450nmの膜厚で成膜した。次に、CMP処理を行ない、酸化窒化シリコン膜を研磨し、酸化窒化シリコン膜の表面を平坦化することで、ゲート電極として機能する導電体260上の膜厚が、絶縁体280を60nmの膜厚となるように、形成した。 Next, a silicon oxynitride film to be the insulator 280 was formed to a thickness of 450 nm by a CVD method. Next, CMP is performed, the silicon oxynitride film is polished, and the surface of the silicon oxynitride film is planarized so that the film thickness on the conductor 260 functioning as the gate electrode is 60 nm. It formed so that it might become thick.

次に、絶縁体280上に、スパッタリング法によって、絶縁体282として、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量25sccm、酸素ガス流量25sccm、圧力0.4Pa、基板温度250℃の条件にて40nmの膜厚で成膜した。 Next, an aluminum oxide film having a thickness of 40 nm is formed over the insulator 280 by sputtering as an insulator 282 under the conditions of an argon gas flow rate of 25 sccm, an oxygen gas flow rate of 25 sccm, a pressure of 0.4 Pa, and a substrate temperature of 250 ° C. A film was formed.

次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen, and then at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.

次に、CVD法によって、絶縁体286として、酸化窒化シリコン膜を150nmの膜厚で成膜した。 Next, a silicon oxynitride film with a thickness of 150 nm was formed as the insulator 286 by a CVD method.

以上の工程より、試料3A、乃至試料3Cを作製した。 Through the above steps, Sample 3A to Sample 3C were prepared.

<トランジスタの電気特性および断面観察>
次に、試料3A、乃至試料3Cの電気特性として、Id−Vg特性を測定し、断面観察を行った。また、試料3Aに対し、GBTストレス試験を行った。
<Electrical characteristics and cross-sectional observation of transistor>
Next, as the electrical characteristics of Samples 3A to 3C, Id-Vg characteristics were measured, and cross-sectional observation was performed. Further, a GBT stress test was performed on the sample 3A.

なお、Id−Vg特性の測定では、トランジスタ200の第1のゲート電極として機能する導電体260に印加する電位(以下、ゲート電位(Vg)ともいう)を、第1の値から第2の値まで変化させたときの、ソース電極として機能する導電体240aとドレイン電極として機能する導電体240bとの間の電流(以下、ドレイン電流(Id)ともいう)の変化を測定する。 Note that in the measurement of Id-Vg characteristics, a potential applied to the conductor 260 functioning as the first gate electrode of the transistor 200 (hereinafter also referred to as a gate potential (Vg)) is changed from a first value to a second value. The change in the current (hereinafter also referred to as drain current (Id)) between the conductor 240a functioning as the source electrode and the conductor 240b functioning as the drain electrode is measured.

ここでは、導電体240aと導電体240bとの間の電位(以下、ドレイン電位Vdともいう)を+0.1V、+3.3Vとし、導電体240aと導電体260との間の電位を−3.3Vから+3.3Vまで変化させたときのドレイン電流(Id)の変化を測定した。 Here, the potential between the conductor 240a and the conductor 240b (hereinafter also referred to as the drain potential Vd) is set to + 0.1V and + 3.3V, and the potential between the conductor 240a and the conductor 260 is set to −3. The change in drain current (Id) was measured when the voltage was changed from 3V to + 3.3V.

なお、本測定においては、第2のゲート電極(バックゲート電極)として機能する導電体205の電位(以下、バックゲート電位(Vbg)ともいう)を、0.00V、−1.00V、または−3.00Vに設定し、それぞれの場合を測定した。 Note that in this measurement, the potential of the conductor 205 functioning as the second gate electrode (back gate electrode) (hereinafter also referred to as a back gate potential (Vbg)) is 0.00 V, −1.00 V, or − It was set to 3.00 V and each case was measured.

図23に、試料3A、試料3B、および試料3Cのそれぞれ36個のトランジスタに対し、Id−Vg特性の初期特性を測定した結果を示す。 FIG. 23 shows the results of measuring initial characteristics of the Id-Vg characteristics for 36 transistors of Sample 3A, Sample 3B, and Sample 3C.

試料3A、および試料3Bは、優れた電気特性を有することがわかった。一方、試料3Cは、ゲート電位に関わらず、導通状態となった。試料3Cは絶縁体250の酸素バリア性が高いためチャネル部への酸素供給が遮断され、加酸素化不足に陥ったことが原因と考えられる。 Sample 3A and sample 3B were found to have excellent electrical properties. On the other hand, Sample 3C became conductive regardless of the gate potential. It can be considered that the sample 3C has a high oxygen barrier property of the insulator 250, so that the supply of oxygen to the channel portion is cut off, resulting in insufficient oxygenation.

次に、試料3A、試料3B、および試料3Cの断面観察を行った。図25に、試料3A乃至試料3Cにおいて、図1(A)にD1−D2で示す箇所の走査透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)による明視野像である。なお、図25(A)は試料3A、図25(B)は試料3B、図25(C)は試料3Cの断面観察を行った。試料3A、試料3Bは酸素バリア性が低いためSD電極側面が酸化されているが、試料3Cは酸素バリア性が高いためSD電極の側面が酸化されていないことが確認できる。また、資料3Cにのみ結晶性が確認できる。 Next, cross sections of Sample 3A, Sample 3B, and Sample 3C were observed. FIG. 25 is a bright-field image obtained by a scanning transmission electron microscope (STEM) at the position indicated by D1-D2 in FIG. 1A in Samples 3A to 3C. Note that FIG. 25A is a sample 3A, FIG. 25B is a sample 3B, and FIG. 25C is a cross-section of the sample 3C. Since the sample 3A and the sample 3B have low oxygen barrier properties, the side surfaces of the SD electrode are oxidized. However, since the sample 3C has high oxygen barrier properties, it can be confirmed that the side surfaces of the SD electrodes are not oxidized. Moreover, crystallinity can be confirmed only in the material 3C.

図25(A)より、試料3Aにおいて、絶縁体250と酸化物230cとの界面が明瞭に観察できた。また、図25(B)より、試料3Bにおいて、絶縁体250と酸化物230cとの界面が、試料3Aよりも不明瞭な状態で観察できた。図25(C)より、試料3Cにおいて、絶縁体250の一部が結晶化しており、酸化物230と絶縁体252との界面、および絶縁体250と絶縁体252との界面が明確に観察できなかった。 FIG. 25A clearly shows the interface between the insulator 250 and the oxide 230c in the sample 3A. Further, from FIG. 25B, in the sample 3B, the interface between the insulator 250 and the oxide 230c was observed in a state that was less clear than in the sample 3A. From FIG. 25C, in the sample 3C, part of the insulator 250 is crystallized, and the interface between the oxide 230 and the insulator 252 and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 can be clearly observed. There wasn't.

また、トランジスタの信頼性を調べるために、試料3Aにおいて、1個のトランジスタに対し、GBT(Gate Bias Temperature)ストレス試験を行った。GBTストレス試験は信頼性試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化を、評価することができる。 In addition, in order to examine the reliability of the transistor, a GBT (Gate Bias Temperature) stress test was performed on one transistor in the sample 3A. The GBT stress test is a kind of reliability test and can evaluate a change in characteristics of a transistor caused by long-term use.

GBTストレス試験では、トランジスタが形成されている基板を一定の温度に維持し、トランジスタのソース電位とドレイン電位を同電位とし、第1のゲート電位にはソース電位及びドレイン電位とは異なる電位を一定時間与える。 In the GBT stress test, the substrate on which the transistor is formed is maintained at a constant temperature, the source potential and the drain potential of the transistor are set to the same potential, and the first gate potential is set to a potential different from the source potential and the drain potential. Give time.

なお、トランジスタの第1のゲート電位が、トランジスタのソース電位とドレイン電位よりも高い場合をプラス(+)ストレスとした(+GBT)。また、トランジスタのゲート電位が、トランジスタのソース電位とドレイン電位よりも低い場合をマイナス(−)ストレスとした(−GBT)。 Note that a case where the first gate potential of the transistor is higher than the source potential and the drain potential of the transistor is defined as plus (+) stress (+ GBT). Further, a negative (−) stress was defined as a case where the gate potential of the transistor was lower than the source potential and drain potential of the transistor (−GBT).

また、第1のゲート電位、第2のゲート電位、およびソース電位またはドレイン電位の一方を同電位とし、ソース電位またはドレイン電位の他方に、第1のゲート電位、第2のゲート電位、およびソース電位またはドレイン電位の一方よりも高い電位を一定時間印加するストレス試験を、+DBT(+ Drain Bias Temperature)ストレス試験とする。さらに、第1のゲート電位、ソース電位、およびドレイン電位を同電位とし、第2のゲート電位に、第1のゲート電位、ソース電位、およびドレイン電位を同電位よりも低い電位を一定時間印加するストレス試験を、−BGBT(− BackGate Bias Temperature)ストレス試験とする。 In addition, one of the first gate potential, the second gate potential, and the source potential or the drain potential is set to the same potential, and the other of the source potential or the drain potential is the first gate potential, the second gate potential, and the source potential. A stress test in which a potential higher than one of the potential and the drain potential is applied for a certain period of time is referred to as a + DBT (+ Drain Bias Temperature) stress test. Further, the first gate potential, the source potential, and the drain potential are set to the same potential, and the first gate potential, the source potential, and the drain potential that are lower than the same potential are applied to the second gate potential for a certain period of time. The stress test is a -BGBT (-BackGate Bias Temperature) stress test.

本実施例では、+GBTストレス試験として、試料温度=150℃にて、第1のゲート電位Vg=+3.63V、ドレイン電位Vd=0V、ソース電位Vs=0V、および第2のゲート電位Vbg=0Vに設定した。また、−GBTストレス試験として、試料温度=150℃にて、第1のゲート電位Vg=−3.63V、ドレイン電位Vd=0V、ソース電位Vs=0V、および第2のバックゲート電位Vbg=0Vに設定した。 In this embodiment, as the + GBT stress test, the first gate potential Vg = + 3.63 V, the drain potential Vd = 0 V, the source potential Vs = 0 V, and the second gate potential Vbg = 0 V at the sample temperature = 150 ° C. Set to. As the -GBT stress test, the first gate potential Vg = -3.63 V, the drain potential Vd = 0 V, the source potential Vs = 0 V, and the second back gate potential Vbg = 0 V at the sample temperature = 150 ° C. Set to.

また、+DBTストレス試験として、試料温度=150℃にて、ドレイン電位Vd=+3.63V、第1のゲート電位Vd=0V、ソース電位Vs=0V、および第2のゲート電位Vbg=0に設定した。また、−BGBTストレス試験として、試料温度=150℃にて、第2のゲート電位Vbg=−5V、ドレイン電位Vd=0V、ソース電位Vs=0V、および第1のゲート電位Vbg=0Vに設定した。 Further, as the + DBT stress test, the drain potential Vd = + 3.63 V, the first gate potential Vd = 0 V, the source potential Vs = 0 V, and the second gate potential Vbg = 0 at the sample temperature = 150 ° C. . Further, as the -BGBT stress test, the second gate potential Vbg = -5 V, the drain potential Vd = 0 V, the source potential Vs = 0 V, and the first gate potential Vbg = 0 V at the sample temperature = 150 ° C. .

また、トランジスタの電気特性の変動量の指標として、トランジスタのしきい値電圧(以下、Vshともいう)の経時変化(以下、ΔVshともいう)を用いた。なお、Vshとは、Id−Vg特性において、Id=1.0×10−12[A]の時のVgの値と定義する。ここで、ΔVshは、例えば、ストレス開始時のVshが+0.50Vであり、ストレス100sec経過時のVshが、−0.55Vであったとすると、ストレス100sec経過時のΔVshは、−1.05Vとなる。 As an index of the amount of change in the electrical characteristics of the transistor, a change with time (hereinafter also referred to as ΔVsh) of the threshold voltage (hereinafter also referred to as Vsh) of the transistor was used. Vsh is defined as the value of Vg when Id = 1.0 × 10 −12 [A] in the Id−Vg characteristic. Here, ΔVsh is, for example, that Vsh at the start of stress is +0.50 V, and Vsh at the time of stress 100 sec is −0.55 V, ΔVsh at the time of stress 100 sec is −1.05 V Become.

GBTストレス試験において、試料3Aの試験結果を、図24に示す。なお、図24において、左軸は、トランジスタのしきい値電圧の変化量(ΔVsh)を示す。 FIG. 24 shows the test result of Sample 3A in the GBT stress test. In FIG. 24, the left axis indicates the amount of change in threshold voltage (ΔVsh) of the transistor.

図24に示す結果から、試料1Aは、各BT試験における、しきい値電圧の変化量(ΔVsh)が、±0.03V以内であった。したがって、試料3Aは、高い信頼性を有すること分かった。 From the results shown in FIG. 24, Sample 1A had a threshold voltage change amount (ΔVsh) within ± 0.03 V in each BT test. Therefore, it was found that Sample 3A has high reliability.

ここで、先の実施例において、密度が小さい、または結晶性が低い膜の方が、酸素を拡散しやすいと考えられる。例えば、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、好ましくは、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下の酸化ハフニウム膜は、酸素を拡散することが確認できている。 Here, in the previous embodiment, it is considered that a film having a lower density or lower crystallinity is more likely to diffuse oxygen. For example, a hafnium oxide film with a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less, preferably a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less can diffuse oxygen. Confirmed.

また、先の実施例において、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が低くなると、平坦性が高い膜が成膜されることがわかっている。例えば、ALD法により成膜した酸化ハフニウム膜は、成膜温度が300℃未満では、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下、および自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下、または、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下であることが確認できている。 In the previous embodiment, it has been found that the hafnium oxide film formed by the ALD method has a high flatness when the film forming temperature is lowered. For example, a hafnium oxide film formed by the ALD method has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less and a root mean square roughness (RMS) when the film forming temperature is less than 300 ° C. It has been confirmed that it is 0.5 nm or less in the measurement range of 1 μm × 1 μm, or 1.0 nm or less in the measurement range of 10 μm × 10 μm.

以上より、酸素を拡散しやすい膜をゲート絶縁膜として機能する絶縁体250として用いることで、絶縁体282を成膜した際に添加された過剰酸素が、絶縁体280、および絶縁体252を介して、絶縁体250へと拡散したと推測される。また、絶縁体250へと供給された過剰酸素は、絶縁体250と酸化物230との界面に形成された酸素欠損を補償することで、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させたと考えられる。 As described above, by using a film that easily diffuses oxygen as the insulator 250 that functions as a gate insulating film, excess oxygen added when the insulator 282 is formed is interposed through the insulator 280 and the insulator 252. Thus, it is estimated that it has diffused into the insulator 250. In addition, excess oxygen supplied to the insulator 250 compensates for oxygen vacancies formed at the interface between the insulator 250 and the oxide 230, thereby suppressing fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 200 and stabilizing electricity. It is considered that it has characteristics and improved reliability.

また、平坦性が高い膜をゲート絶縁膜として機能する絶縁体250として用いることで、絶縁体250と酸化物230との界面特性が良好となり、酸素欠損の生成が抑制されたため、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させたと考えられる。 Further, by using a highly flat film as the insulator 250 functioning as a gate insulating film, interface characteristics between the insulator 250 and the oxide 230 are improved and generation of oxygen vacancies is suppressed; It is considered that the fluctuation of characteristics is suppressed, the electric characteristics are stable, and the reliability is improved.

以上より、本発明の一態様を用いたトランジスタは、優れた信頼性を有するトランジスタを有する半導体装置であることが確認できた。また、本発明の一態様を用いたトランジスタは良好な電気特性を有し、また、ばらつきが小さいことがわかった。 From the above, it was confirmed that the transistor using one embodiment of the present invention was a semiconductor device including a transistor with excellent reliability. Further, it was found that a transistor using one embodiment of the present invention has favorable electrical characteristics and small variation.

本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

100 容量素子
101 容量素子
110 導電体
112 導電体
120 導電体
122 バリア層
130 絶縁体
150 絶縁体
200 トランジスタ
201 トランジスタ
205 導電体
205a 導電体
205A 導電膜
205b 導電体
205B 導電膜
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化膜
230b 酸化物
230B 酸化膜
230c 酸化物
230C 酸化膜
240 導電体
240a 導電体
240A 導電膜
240b 導電体
240B 導電膜
245 バリア層
245a バリア層
245A バリア膜
245b バリア層
245B バリア膜
246 導電体
248 導電体
250 絶縁体
250a 絶縁体
250A 絶縁膜
252 絶縁体
252A 絶縁膜
260 導電体
260a 導電体
260A 導電膜
260b 導電体
260B 導電膜
260c 導電体
260C 導電膜
270 バリア層
270A バリア膜
272 絶縁体
274 絶縁体
280 絶縁体
282 絶縁体
286 絶縁体
290a ハードマスク
290A 膜
290b ハードマスク
290B 膜
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
340 トランジスタ
345 トランジスタ
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
405 導電体
405a 導電体
405b 導電体
430c 酸化物
431a 酸化物
431b 酸化物
432a 酸化物
432b 酸化物
440 導電体
440a 導電体
440b 導電体
441a 導電体
441b 導電体
445 バリア層
445a バリア層
445b バリア層
450 絶縁体
460 導電体
460a 導電体
460b 導電体
470 バリア層
500 構造
520A 絶縁膜
711 基板
712 回路領域
713 分離領域
714 分離線
715 チップ
750 電子部品
752 プリント基板
754 実装基板
755 リード
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 操作スイッチ
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 ノート型パーソナルコンピュータ
2921 筐体
2922 表示部
2923 キーボード
2924 ポインティングデバイス
2940 ビデオカメラ
2941 筐体
2942 筐体
2943 表示部
2944 操作スイッチ
2945 レンズ
2946 接続部
2950 情報端末
2951 筐体
2952 表示部
2960 情報端末
2961 筐体
2962 表示部
2963 バンド
2964 バックル
2965 操作スイッチ
2966 入出力端子
2967 アイコン
2980 自動車
2981 車体
2982 車輪
2983 ダッシュボード
2984 ライト
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
100 capacitive element 101 capacitive element 110 conductor 112 conductor 120 conductor 122 barrier layer 130 insulator 150 insulator 200 transistor 201 transistor 205 conductor 205a conductor 205A conductor film 205b conductor 205B conductor film 210 insulator 212 insulator 214 Insulator 216 insulator 218 conductor 220 insulator 222 insulator 224 insulator 230 oxide 230a oxide 230A oxide film 230b oxide 230B oxide film 230c oxide 230C oxide film 240 conductor 240a conductor 240A conductor 240A conductor 240b conductor 240B Conductive film 245 Barrier layer 245a Barrier layer 245A Barrier film 245b Barrier layer 245B Barrier film 246 Conductor 248 Conductor 250 Insulator 250a Insulator 250A Insulating film 252 Insulator 252A Insulating film 60 conductor 260a conductor 260A conductive film 260b conductor 260B conductive film 260c conductor 260C conductive film 270 barrier layer 270A barrier film 272 insulator 274 insulator 280 insulator 282 insulator 286 insulator 290a hard mask 290A film 290b hard mask 290B film 300 transistor 311 substrate 313 semiconductor region 314a low resistance region 314b low resistance region 315 insulator 316 conductor 320 insulator 322 insulator 324 insulator 326 insulator 328 conductor 330 conductor 340 transistor 345 transistor 350 insulator 352 insulation Body 354 insulator 356 conductor 360 insulator 362 insulator 364 insulator 366 conductor 370 insulator 372 insulator 374 insulator 376 conductor 380 insulator 382 insulator 384 insulation Body 386 conductor 405 conductor 405a conductor 405b conductor 430c oxide 431a oxide 431b oxide 432a oxide 432b oxide 440 conductor 440a conductor 440b conductor 441a conductor 441b conductor 445 barrier layer 445a barrier layer 445b Barrier layer 450 Insulator 460 Conductor 460a Conductor 460b Conductor 470 Barrier layer 500 Structure 520A Insulating film 711 Substrate 712 Circuit region 713 Separation region 714 Separation line 715 Chip 750 Electronic component 752 Printed circuit board 754 Mounting substrate 755 Lead 2910 Information terminal 2911 Housing 2912 Display unit 2913 Camera 2914 Speaker unit 2915 Operation switch 2916 External connection unit 2917 Microphone 2920 Notebook personal computer 2921 Housing 2922 Display 2923 Keyboard 2924 Pointing device 2940 Video camera 2941 Housing 2942 Housing 2943 Display unit 2944 Operation switch 2945 Lens 2946 Connection unit 2950 Information terminal 2951 Housing 2952 Display unit 2960 Information terminal 2961 Housing 2962 Display unit 2963 Band 2964 Buckle 2965 Operation switch 2966 Input / output terminal 2967 Icon 2980 Car 2981 Car body 2982 Wheel 2983 Dashboard 2984 Light 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3006 Wiring 3007 Wiring 3008 Wiring 3009 Wiring 3010 Wiring

Claims (8)

ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、
前記ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、密度が7.0g/cm以上9.0g/cm以下であることを特徴とする半導体装置。
A gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator;
The gate insulator comprises a metal oxide;
The metal oxide has a density of 7.0 g / cm 3 or more and 9.0 g / cm 3 or less.
請求項1において、
前記金属酸化物は、密度が8.0g/cm以上8.5g/cm以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The metal oxide has a density of 8.0 g / cm 3 or more and 8.5 g / cm 3 or less.
ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、
前記ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.5nm以下であることを特徴とする半導体装置。
A gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator;
The gate insulator comprises a metal oxide;
The metal oxide has a root mean square roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm.
ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、を有し、
前記ゲート絶縁体は、金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、自乗平均面粗さ(RMS)が、10μm×10μmの測定範囲において、1.0nm以下であることを特徴とする半導体装置。
A gate electrode, a source electrode, a drain electrode, an oxide semiconductor having a channel formation region, and a gate insulator;
The gate insulator comprises a metal oxide;
The metal oxide has a root mean square roughness (RMS) of 1.0 nm or less in a measurement range of 10 μm × 10 μm.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記絶縁体は、前記金属酸化物と、酸化シリコンとの積層構造を有し、
前記金属酸化物は、前記酸化物半導体に接して設けられていることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The insulator has a stacked structure of the metal oxide and silicon oxide,
The semiconductor device, wherein the metal oxide is provided in contact with the oxide semiconductor.
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記金属酸化物は、酸化ハフニウムであることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The semiconductor device, wherein the metal oxide is hafnium oxide.
請求項6において、
前記酸化ハフニウムは、ALD法により、200以上280℃以下の成膜温度で、成膜されたことを特徴とする半導体装置。
In claim 6,
The semiconductor device is characterized in that the hafnium oxide is formed at a film formation temperature of 200 to 280 ° C. by an ALD method.
請求項7において、
前記酸化物半導体は、第1の酸化物半導体、および第2の酸化物半導体の積層構造を有し、
前記第1の酸化物半導体と、前記第2の酸化物半導体は、同じ原子数比、または近傍の原子数比であることを特徴とする半導体装置。
In claim 7,
The oxide semiconductor has a stacked structure of a first oxide semiconductor and a second oxide semiconductor,
The semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor and the second oxide semiconductor have the same atomic ratio or a nearby atomic ratio.
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