JP2020027825A - Semiconductor device and manufacture method of the semiconductor device - Google Patents

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寛美 澤井
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Abstract

To provide a semiconductor device having a large ON-current and an excellent reliability.SOLUTION: In a semiconductor device, a transistor 200 includes: an oxidation 230b on an insulation 224; oxidations 243a and 243b on the oxidation 230b; a conductor 242a on the oxidation 243a; a conductor 242b on the oxidation 243b; an oxidation 230c on the oxidation 230b; an insulation 250 on the oxidation 230c; a conductor 260 on the insulation 250; an insulation 272 on the conductor 260; and an insulator 273 on the insulation 272. The oxidation 230c contacts with an upper surface of the oxidation 230b, each side surface of the conductors 242a and 242b; and each side surface of the oxidations 243a and 243b, respectively. The oxidation 230b includes In, an element M, and Zn, and the oxidation 230c includes at least one of a construction element held by the oxidation 230b. Each of the oxidations 243a and 243b has an element M, and has a region of which a concentration of the element M is higher than that of the oxidation 230b.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作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer, a module, and an electronic device.

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得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。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 a semiconductor device in this specification and the like refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor device such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a storage device are one embodiment of a semiconductor device. 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 storage device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like sometimes includes a semiconductor 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 manufacturer, or a composition (composition of matter).

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。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOとも呼ぶ)に関する研究が盛んに行われている。   As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, but an oxide semiconductor is attracting attention as another material. As an oxide semiconductor, for example, not only a single metal oxide such as indium oxide and zinc oxide but also a multimetal oxide is known. Among oxides of multi-component metals, research on In-Ga-Zn oxide (hereinafter, also referred to as IGZO) has been actively conducted.

IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造およびnc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照)。非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。   Through research on IGZO, a CAAC (c-axis aligned crystalline) structure and an nc (nanocrystalline) structure that are neither single crystal nor amorphous in an oxide semiconductor have been found (see Non-Patent Documents 1 to 3). ). Non-Patent Documents 1 and 2 also disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure. Further, Non-Patent Documents 4 and 5 show that even an oxide semiconductor having lower crystallinity than the CAAC structure and the nc structure has minute crystals.

さらに、IGZOを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち(非特許文献6参照)、その特性を利用したLSIおよびディスプレイが報告されている(非特許文献7および非特許文献8参照)。   Further, a transistor using IGZO as an active layer has an extremely low off-state current (see Non-Patent Document 6), and an LSI and a display utilizing the characteristics have been reported (see Non-Patent Documents 7 and 8). .

S. Yamazaki et al., “SID Symposium Digest of Technical Papers”, 2012, volume 43, issue 1, p.183−186S. Yamazaki et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2012, volume 43, issue 1, p. 183-186 S. Yamazaki et al., “Japanese Journal of Applied Physics”, 2014, volume 53, Number 4S, p.04ED18−1−04ED18−10S. Yamazaki et al. , "Japanese Journal of Applied Physics", 2014, volume 53, Number 4S, p. 04ED18-1-04ED18-10 S. Ito et al., “The Proceedings of AM−FPD’13 Digest of Technical Papers”, 2013, p.151−154S. Ito et al. , “The Proceedings of AM-FPD'13 Digest of Technical Papers”, 2013, p. 151-154 S. Yamazaki et al., “ECS Journal of Solid State Science and Technology”, 2014, volume 3, issue 9, p.Q3012−Q3022S. Yamazaki et al. , "ECS Journal of Solid State Science and Technology", 2014, volume 3, issue 9, p. Q3012-Q3022 S. Yamazaki, “ECS Transactions”,2014, volume 64, issue 10, p.155−164S. Yamazaki, "ECS Transactions", 2014, volume 64, issue 10, p. 155-164 K. Kato et al., “Japanese Journal of Applied Physics”, 2012, volume 51, p.021201−1−021201−7K. Kato et al. , “Japanese Journal of Applied Physics”, 2012, volume 51, p. 021201-1-021201-7 S. Matsuda et al., “2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers”, 2015, p.T216−T217S. Matsuda et al. , “2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers”, 2015, p. T216-T217 S. Amano et al., “SID Symposium Digest of Technical Papers”, 2010, volume 41, issue 1, p.626−629S. Amano et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2010, volume 41, issue 1, p. 626-629

本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高い周波数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。または、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。または、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。または、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 highly reliable semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high on-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having high frequency characteristics. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electric characteristics. Another 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 which can hold data for a long time. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high data writing speed. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high design flexibility. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce 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 objects does not disturb the existence of other objects. Note that one embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. It should be noted that issues other than these are naturally evident from the description of the specification, drawings, claims, etc., and that other issues can be extracted from the description of the specifications, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、基板上に第1の絶縁体を形成し、第1の絶縁体の上に、第1の酸化膜、第2の酸化膜および第1の導電膜を順に成膜し、第1の酸化膜、第2の酸化膜および第1の導電膜を加工して、第1の酸化物、酸化物層および導電体層を形成し、第1の酸化物、酸化物層および導電体層を覆って第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を順に成膜し、酸化物層、導電体層、第1の絶縁膜および第2の絶縁膜に第1の酸化物が露出する開口を形成することで、第2の酸化物、第3の酸化物、第1の導電体、第2の導電体、第2絶縁体および第3の絶縁体を形成し、第3の酸化膜、第3の絶縁膜および第2の導電膜を順に成膜し、平坦化処理を行うことによって、第3の酸化膜、第3の絶縁膜および第2の導電膜を第3の絶縁体の一部が露出するまで除去し、第4の酸化物、第4の絶縁体および第3の導電体を形成し、第1の加熱処理を行い、第2の加熱処理を行い、第3の導電体上に第4の絶縁膜を成膜する半導体装置の作製方法である。   According to one embodiment of the present invention, a first insulator is formed over a substrate, and a first oxide film, a second oxide film, and a first conductive film are sequentially formed over the first insulator. Processing the first oxide film, the second oxide film, and the first conductive film to form a first oxide, an oxide layer, and a conductor layer; A first insulating film and a second insulating film are sequentially formed to cover the conductor layer, and the first oxide is exposed to the oxide layer, the conductor layer, the first insulating film, and the second insulating film. Forming an opening to form a second oxide, a third oxide, a first conductor, a second conductor, a second insulator, and a third insulator; A third oxide film, a third insulating film, and a second conductive film are formed by forming a film, a third insulating film, and a second conductive film in this order, and performing a planarization process. Part of is exposed To form a fourth oxide, a fourth insulator, and a third conductor, perform a first heat treatment, perform a second heat treatment, and perform a fourth heat treatment on the third conductor. This is a method for manufacturing a semiconductor device in which an insulating film is formed.

また、第1の加熱処理は、窒素雰囲気において、300℃以上450℃以下で行うことが好ましい。   The first heat treatment is preferably performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of higher than or equal to 300 ° C and lower than or equal to 450 ° C.

また、第1の加熱処理の時間は、1時間以上行うことが好ましい。   It is preferable that the first heat treatment be performed for one hour or more.

また、第2の加熱処理および第4の絶縁膜の成膜は、減圧下において順に行うことが好ましい。   Further, the second heat treatment and the formation of the fourth insulating film are preferably performed sequentially under reduced pressure.

また、第4の絶縁体は、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン、のいずれか一を含むことが好ましい。   Further, the fourth insulator preferably contains any one of aluminum oxide and silicon nitride.

また、第4の絶縁体は、第1の材料および第2の材料を含み、第1の材料は、第2の材料の下側に位置し、第2の材料の下面に接していることが好ましい。   Further, the fourth insulator includes a first material and a second material, and the first material is located below the second material and is in contact with a lower surface of the second material. preferable.

また、第1の材料は、酸化アルミニウムを含み、第2の材料は、窒化シリコンを含み、第2の材料は、第1の材料と異なる材料であることが好ましい。   Further, it is preferable that the first material include aluminum oxide, the second material includes silicon nitride, and the second material be different from the first material.

また、第1乃至第4の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含むことが好ましい。   Further, the first to fourth oxides preferably contain In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.

また、本発明の一態様は、第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の第1の酸化物と、第1の酸化物上の第2の酸化物および第3の酸化物と、第2の酸化物上の第1の導電体と、第3の酸化物上の第2の導電体と、第1の酸化物上の第4の酸化物と、第4の酸化物上の第2の絶縁体と、第2の絶縁体上の第3の導電体と、第3の導電体上の第3の絶縁体と、第3の絶縁体上の第4の絶縁体と、を有し、第4の酸化物は、第1の酸化物の上面、第1の導電体の側面、第2の導電体の側面、第2の酸化物の側面および第3の酸化物の側面と、それぞれ接し、第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、第4の酸化物は、第1の酸化物が有する構成元素の少なくとも一を有し、第2の酸化物、および第3の酸化物は、それぞれ、元素Mを有し、第2の酸化物、および第3の酸化物は、第1の酸化物よりも元素Mの濃度が高い領域を有する半導体装置である。   Further, one embodiment of the present invention includes a first insulator, a first oxide over the first insulator, a second oxide and a third oxide over the first oxide, A first conductor on the second oxide, a second conductor on the third oxide, a fourth oxide on the first oxide, and a fourth conductor on the fourth oxide. A second insulator, a third conductor on the second insulator, a third insulator on the third conductor, and a fourth insulator on the third insulator. And the fourth oxide includes a top surface of the first oxide, a side surface of the first conductor, a side surface of the second conductor, a side surface of the second oxide, and a side surface of the third oxide; Each of the first oxides has In, the element M (M is Al, Ga, Y, or Sn) and Zn, and the first oxide has a fourth oxide. A second oxide having at least one of the constituent elements, and a third oxide Products each have an element M, the second oxide and the third oxide, the concentration of the element M than the first oxide is a semiconductor device having a high region.

また、第3の絶縁体は、酸素、およびアルミニウムを含み、第4の絶縁体は、窒素、およびシリコンを含むことが好ましい。   Further, the third insulator preferably contains oxygen and aluminum, and the fourth insulator preferably contains nitrogen and silicon.

本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、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。または、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。または、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 highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having high frequency characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electric characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.

または、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ができる。または、データ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。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、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ができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。   Alternatively, a semiconductor device capable of holding data for a long period can be provided. Alternatively, a semiconductor device with high data writing speed can be provided. Alternatively, a semiconductor device with high design flexibility can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can reduce power consumption can be provided. Alternatively, 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 does not need to have all of these effects. It should be noted that effects other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other effects can be extracted from the description of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。4A and 4B are a top view and a cross-sectional view 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上面図および断面図。4A and 4B are a top view and a cross-sectional view 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断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and 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上面図および断面図。7A to 7C are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。4A and 4B illustrate an energy band structure of an oxide semiconductor. 酸化物半導体上に配置した導電体の酸化を説明する模式図。FIG. 4 is a schematic view illustrating oxidation of a conductor provided over an oxide semiconductor. 酸化物半導体上に配置した導電体の酸化を説明する模式図。FIG. 4 is a schematic view illustrating oxidation of a conductor provided over an oxide semiconductor. 酸化物半導体上に配置した導電体の酸化を説明する模式図。FIG. 4 is a schematic view illustrating oxidation of a conductor provided over an oxide semiconductor. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 13 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. 13 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例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage 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例を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example 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装置の模式図。FIG. 3 is a schematic view of 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模式図。FIG. 13 is a schematic diagram of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。FIG. 13 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention. 実施例の酸化物のキャリア濃度を示すグラフ。9 is a graph showing the carrier concentration of the oxide of the example. 実施例の酸化物の水素濃度を示すグラフ。9 is a graph showing the hydrogen concentration of the oxide of the example. 初期状態のモデルと最終状態のモデルを説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a model in an initial state and a model in a final state. エネルギーの変化を説明する図。The figure explaining the change of energy.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、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。したがって、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, it is easily understood by those skilled in the art that the embodiment can be implemented in many different modes, and that the mode and details can be variously changed without departing from the spirit and scope. You. Therefore, the present invention is not 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、または領域は、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、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分また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場合がある。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 clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes and values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, a layer or a resist mask may be unintentionally reduced due to processing such as etching, but may not be reflected in the drawings for easy understanding. In the drawings, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description of such portions is not repeated in some cases. Further, when referring to the same function, the hatch pattern is the same, and there is a case where no particular reference numeral is given.

また、特に上面図(「平面図」ともいう)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。   In addition, in some cases, particularly in a top view (also referred to as a “plan view”) or a perspective view, description of some components is omitted in order to facilitate understanding of the invention. In addition, some hidden lines and the like may be omitted.

また、本明細書等において、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、工程順また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」または「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, ordinal numbers given as first, second, and the like 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, ordinal numbers described in this specification and the like do not always coincide with ordinal numbers used for specifying one embodiment of the present invention.

また、本明細書等において、「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。したがって、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。   Further, in this specification and the like, words indicating an arrangement such as "over" and "under" are used for convenience in describing the positional relationship between components with reference to drawings. Further, the positional relationship between the components changes as appropriate according to the direction in which each component is described. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。   For example, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected, and the case where X and Y function It is assumed that a case in which X and Y are directly connected and a case in which X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, the connection relation is not limited to the predetermined connection relation, for example, the connection relation shown in the figure or the text, and it is assumed that anything other than the connection relation shown in the figure or the text is also described in the figure or the text.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。   Here, X and Y are objects (for example, an apparatus, an element, a circuit, a wiring, an electrode, a terminal, a conductive film, a layer, and the like).

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場合がある。   In addition, the functions of the source and the drain may be switched when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes in circuit operation. For this reason, in this specification and the like, the terms of source and drain may be used interchangeably.

なお、本明細書等において、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(チャネル形成領域)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 in this specification and the like, depending on the structure of a transistor, a channel width in a region where a channel is actually formed (a channel formation region) (hereinafter, also referred to as an “effective channel width”) may be different from a top view of the transistor. The indicated channel width (hereinafter, also referred to as “apparent channel width”) may be different. For example, when the gate covers the side surface of the semiconductor, the effective channel width becomes larger than the apparent channel width, and the effect may not be negligible. For example, in a transistor which is minute and covers a side surface of a semiconductor, the proportion of a channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may be large. 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 an effective channel width from a design value, it is necessary to assume that the shape of a semiconductor is known. Therefore, when the shape of the semiconductor is not known accurately, it is difficult to accurately measure the effective channel width.

本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、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。   In this specification, a simple term "channel width" may refer to an apparent channel width. Alternatively, in this specification, a simple term "channel width" may refer to an effective channel width. The values of the channel length, the channel width, the effective channel width, the apparent channel width, and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。   Note that a semiconductor impurity refers to, for example, elements other than the main components of the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be regarded as an impurity. When the impurity is contained, for example, the DOS (Density of States) of the semiconductor may be increased, or the crystallinity may be reduced. In the case where the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element, a Group 2 element, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, and an oxide semiconductor. And transition metals other than the main components such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. In the case of an oxide semiconductor, water may function as an impurity in some cases. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed by entry of impurities, for example. In the case where the semiconductor is silicon, examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element, a Group 2 element, a Group 13 element, and a Group 15 element other than oxygen and hydrogen.

なお、本明細書等において、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ものである。また、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ものである。   Note that in this specification and the like, silicon oxynitride has a higher oxygen content than nitrogen as its composition. In addition, silicon nitride oxide has a higher nitrogen content than oxygen as its composition.

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。   In this specification and the like, the term "insulator" can be referred to as an insulating film or an insulating layer. Further, the term “conductor” can be referred to as a conductive film or a conductive layer. Further, the term “semiconductor” can be referred to as a semiconductor film or a semiconductor layer.

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

なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当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 transmission of impurities such as water and hydrogen and oxygen, and when the barrier film has conductivity, the barrier film is referred to as a conductive barrier film. May be called.

本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OS FETあるいはOSトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。   In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad sense. Metal oxide is classified into an oxide insulator, an oxide conductor (including a transparent oxide conductor), an oxide semiconductor (also referred to as an oxide semiconductor, or simply OS), and the like. For example, in the case where a metal oxide is used for a semiconductor layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor in some cases. That is, the term “OS FET” or “OS transistor” can be referred to as a transistor including an oxide or an oxide semiconductor.

また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅1μmあたりの電流が、室温において1×10−20A以下、85℃において1×10−18A以下、または125℃において1×10−16A以下であることをいう。 In this specification and the like, normally-off means that when a potential is not applied to a gate or a ground potential is applied to a gate, a current per 1 μm of a channel width flowing through a transistor is 1 × 10 −20 at room temperature. A or lower, 1 × 10 −18 A or lower at 85 ° C., or 1 × 10 −16 A or lower at 125 ° C.

(実施の形態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。なお、本発明の一態様においては、トランジスタ作製工程中における、加熱処理を特定の条件、または特定の範囲とすることによって、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。なお、トランジスタ作製工程中における加熱処理については、後述の半導体装置の作製方法にて、詳細を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described. Note that in one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable reliability can be provided by performing heat treatment under a specific condition or a specific range in a transistor manufacturing process. Note that the heat treatment in the transistor manufacturing process will be described in detail in a method for manufacturing a semiconductor device described later.

<半導体装置の構成例>
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。
<Configuration example of semiconductor device>
FIGS. 1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of a transistor 200 according to one embodiment of the present invention and the periphery of the transistor 200. FIG.

図1(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図1(B)、および図1(C)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図1(B)は、図1(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図1(C)は、図1(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。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いる。   FIG. 1A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200. FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 1B is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in a channel length direction. FIG. 1C is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. Note that in the top view of FIG. 1A, some components are not illustrated for clarity.

本発明の一態様の半導体装置は、基板(図示せず)上の絶縁体212と、絶縁体212上の絶縁体214と、絶縁体214上のトランジスタ200と、トランジスタ200上の絶縁体280と、絶縁体280上の絶縁体282と、絶縁体282上の絶縁体283と、絶縁体283上の絶縁体274と、絶縁体274上の絶縁体281と、を有する。絶縁体212、絶縁体214、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体274、および絶縁体281は層間膜として機能する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)とを有する。なお、プラグとして機能する導電体240の側面に接して絶縁体241(絶縁体241a、および絶縁体241b)が設けられる。また、絶縁体281上、および導電体240上には、導電体240と電気的に接続し、配線として機能する導電体246(導電体246a、および導電体246b)が設けられる。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the insulator 212 over the substrate (not illustrated), the insulator 214 over the insulator 212, the transistor 200 over the insulator 214, and the insulator 280 over the transistor 200. , An insulator 282 on the insulator 280, an insulator 283 on the insulator 282, an insulator 274 on the insulator 283, and an insulator 281 on the insulator 274. The insulator 212, the insulator 214, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 274, and the insulator 281 function as an interlayer film. Further, the semiconductor device includes a conductor 240 (a conductor 240a and a conductor 240b) which is electrically connected to the transistor 200 and functions as a plug. Note that the insulator 241 (the insulator 241a and the insulator 241b) is provided in contact with a side surface of the conductor 240 functioning as a plug. In addition, a conductor 246 (a conductor 246a and a conductor 246b) which is electrically connected to the conductor 240 and functions as a wiring is provided over the insulator 281 and the conductor 240.

また、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体274、および絶縁体281の開口の内壁に接して絶縁体241aが設けられ、その側面に接して導電体240aの第1の導電体が設けられ、さらに内側に導電体240aの第2の導電体が設けられている。また、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体274、および絶縁体281の開口の内壁に接して絶縁体241bが設けられ、その側面に接して導電体240bの第1の導電体が設けられ、さらに内側に導電体240bの第2の導電体が設けられている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体281の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体240の第1の導電体および導電体240の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。   Further, an insulator 241a is provided in contact with the insulator 272, the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 274, and the inner wall of the opening of the insulator 281. A first conductor of the body 240a is provided, and a second conductor of the conductor 240a is provided further inside. An insulator 241b is provided in contact with the insulator 272, the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 274, and the inner wall of the opening of the insulator 281. A first conductor of the body 240b is provided, and a second conductor of the conductor 240b is further provided inside. Here, the height of the upper surface of the conductor 240 and the height of the upper surface of the insulator 281 can be approximately equal. Note that although the transistor 200 has a structure in which the first conductor of the conductor 240 and the second conductor of the conductor 240 are stacked, the present invention is not limited to this. For example, a structure in which the conductor 240 is provided as a single layer or a stacked structure of three or more layers may be employed. When the structure has a laminated structure, ordinal numbers may be given in the order of formation to distinguish them.

[トランジスタ200]
図1に示すように、トランジスタ200は、絶縁体214上の絶縁体216と、絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205(導電体205a、および導電体205b)と、絶縁体216上、および導電体205上の絶縁体222と、絶縁体222上の絶縁体224と、絶縁体224上の酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物243aおよび酸化物243bと、酸化物243a上の導電体242aと、酸化物243b上の導電体242bと、酸化物230b上の酸化物230cと、酸化物230c上の絶縁体250と、絶縁体250上に位置し、酸化物230cと重なる導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、絶縁体224の上面の一部、酸化物230aの側面、酸化物230bの側面、酸化物243aの側面、酸化物243bの側面、導電体242aの側面、導電体242aの上面、導電体242bの側面、および導電体242bの上面と接する絶縁体272と、絶縁体272上の絶縁体273と、を有する。また、酸化物230cは、酸化物243aの側面、酸化物243bの側面、導電体242aの側面および導電体242bの側面とそれぞれ接する。導電体260は、導電体260aおよび導電体260bを有し、導電体260bの底面および側面を包むように導電体260aが配置される。ここで、図1(B)に示すように、導電体260の上面は、絶縁体250の上面および酸化物230cの上面と略一致して配置される。また、絶縁体282は、導電体260、酸化物230c、絶縁体250、および絶縁体280のそれぞれの上面と接する。
[Transistor 200]
As illustrated in FIG. 1, the transistor 200 includes an insulator 216 over an insulator 214, a conductor 205 (a conductor 205 a and a conductor 205 b) which is embedded in the insulator 216, An insulator 222 on the conductor 205, an insulator 224 on the insulator 222, an oxide 230a on the insulator 224, an oxide 230b on the oxide 230a, and an oxide on the oxide 230b 243a and an oxide 243b; a conductor 242a on the oxide 243a; a conductor 242b on the oxide 243b; an oxide 230c on the oxide 230b; an insulator 250 on the oxide 230c; A conductor 260 (the conductor 260a and the conductor 260b) which is located above and overlaps with the oxide 230c; a part of the top surface of the insulator 224; An insulator 272 in contact with the side surface, the side surface of the oxide 230b, the side surface of the oxide 243a, the side surface of the oxide 243b, the side surface of the conductor 242a, the upper surface of the conductor 242a, the side surface of the conductor 242b, and the upper surface of the conductor 242b; , An insulator 273 on the insulator 272. The oxide 230c is in contact with the side surface of the oxide 243a, the side surface of the oxide 243b, the side surface of the conductor 242a, and the side surface of the conductor 242b. The conductor 260 has a conductor 260a and a conductor 260b, and the conductor 260a is arranged so as to cover the bottom and side surfaces of the conductor 260b. Here, as shown in FIG. 1B, the upper surface of the conductor 260 is disposed so as to substantially coincide with the upper surface of the insulator 250 and the upper surface of the oxide 230c. In addition, the insulator 282 is in contact with the top surfaces of the conductor 260, the oxide 230c, the insulator 250, and the insulator 280.

また、絶縁体222、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体282、および絶縁体283は、水素(例えば、水素原子、水素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体222、絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体282は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体282は、それぞれ絶縁体224よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体222、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体282、および絶縁体283は、それぞれ絶縁体250よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体222、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体282、および絶縁体283は、それぞれ絶縁体280よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。   Further, the insulator 222, the insulator 272, the insulator 273, the insulator 282, and the insulator 283 preferably have a function of suppressing at least one diffusion of hydrogen (eg, a hydrogen atom or a hydrogen molecule). Further, the insulator 222, the insulator 272, the insulator 273, and the insulator 282 preferably have a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules). For example, the insulator 222, the insulator 272, the insulator 273, and the insulator 282 each preferably have lower permeability to one or both of oxygen and hydrogen than the insulator 224. The insulator 222, the insulator 272, the insulator 273, the insulator 282, and the insulator 283 each preferably have lower permeability to one or both of oxygen and hydrogen than the insulator 250. Each of the insulator 222, the insulator 272, the insulator 273, the insulator 282, and the insulator 283 preferably has lower permeability to one or both of oxygen and hydrogen than the insulator 280.

図1(B)に示すように、絶縁体272は、導電体242aの上面と側面、導電体242bの上面と側面、酸化物243aの側面、酸化物243bの側面、酸化物230aの側面、酸化物230bの側面、および絶縁体224の上面に接することが好ましい。また、絶縁体272上に絶縁体273が接して設けられていることが好ましい。これにより、絶縁体280は、絶縁体272、および絶縁体273によって、絶縁体224および酸化物230と離隔される。   As illustrated in FIG. 1B, the insulator 272 includes an upper surface and a side surface of the conductor 242a, an upper surface and a side surface of the conductor 242b, a side surface of the oxide 243a, a side surface of the oxide 243b, a side surface of the oxide 230a, and an oxide. It is preferable to contact the side surface of the object 230b and the upper surface of the insulator 224. It is preferable that the insulator 273 be provided in contact with the insulator 272. Thus, the insulator 280 is separated from the insulator 224 and the oxide 230 by the insulator 272 and the insulator 273.

また、酸化物230は、絶縁体224上の酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上に配置され、少なくとも一部が酸化物230bの上面に接する酸化物230cと、を有することが好ましい。   The oxide 230 includes an oxide 230a over the insulator 224, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c which is provided over the oxide 230b and at least part of which is in contact with the top surface of the oxide 230b. Is preferable.

なお、トランジスタ200では、チャネル形成領域と、その近傍において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200では、導電体260を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。   Note that in the transistor 200, a structure in which three layers of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are stacked in and around the channel formation region is shown; however, the present invention is not limited to this. . For example, a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a stacked structure of four or more layers may be provided. In the transistor 200, the conductor 260 is illustrated as having a two-layer structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 260 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.

ここで、導電体260は、トランジスタのゲートとして機能し、導電体242aおよび導電体242bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。トランジスタ200は、ゲートとして機能する導電体260が、絶縁体280などによって形成される開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体260をこのように形成することにより、導電体242aと導電体242bの間の領域に、導電体260を位置合わせすることなく確実に配置することができる。   Here, the conductor 260 functions as a gate of the transistor, and the conductor 242a and the conductor 242b each function as a source electrode or a drain electrode. In the transistor 200, the conductor 260 functioning as a gate is formed in a self-aligned manner so as to fill an opening formed by the insulator 280 and the like. By forming the conductor 260 in this manner, the conductor 260 can be reliably disposed in a region between the conductor 242a and the conductor 242b without alignment.

また、トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、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。   In the transistor 200, a metal oxide serving as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is used for the oxide 230 including the channel formation region (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c). Is preferred.

チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200は、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。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200に用いることができる。   The transistor 200 including an oxide semiconductor in a channel formation region has extremely low leakage current (off current) in a non-conduction state; thus, 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 the transistor 200 included in a highly integrated semiconductor device.

例えば、酸化物230として、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、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、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)等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。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。   For example, as the oxide 230, an In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium , Neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium, or a plurality thereof). In particular, as the element M, aluminum, gallium, yttrium, or tin is preferably used. Further, as the oxide 230, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

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。酸化物230b下に酸化物230a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230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。   The oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c over the oxide 230b. When the oxide 230a is provided below the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b can be suppressed. In addition, when the oxide 230c is provided over the oxide 230b, diffusion of impurities into the oxide 230b from a structure formed above the oxide 230c can be suppressed.

なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。   Note that the oxide 230 preferably has a stacked structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than that in the metal oxide used for the oxide 230b. Is preferred. Further, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than that in the metal oxide used for the oxide 230b. Further, in the metal oxide used for the oxide 230b, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than that in the metal oxide used for the oxide 230a. As the oxide 230c, a metal oxide that can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.

また、酸化物230bは、結晶性を有することが好ましい。例えば、後述するCAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)を用いることが好ましい。CAAC−OSなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥(酸素欠損など)が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物230bからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物230bから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ200は、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対して安定である。   Further, the oxide 230b preferably has crystallinity. For example, it is preferable to use a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor) described later. An oxide having crystallinity, such as a CAAC-OS, has a high density of impurities and defects (such as oxygen vacancies), high crystallinity, and a dense structure. Thus, extraction of oxygen from the oxide 230b by the source electrode or the drain electrode can be suppressed. Thus, even when heat treatment is performed, extraction of oxygen from the oxide 230b can be reduced, so that the transistor 200 is stable at a high temperature (a so-called thermal budget) in a manufacturing process.

また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。   Further, it is preferable that the energy at the bottom of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c be higher than the energy of the bottom of the conduction band of the oxide 230b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c be smaller than the electron affinity of the oxide 230b.

ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。   Here, at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c, the energy level at the bottom of the conduction band gradually changes. In other words, it can be said that the energy level at the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c changes continuously or forms a continuous junction. In order to achieve this, the defect state density of a mixed layer formed at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c may be reduced.

具体的には、酸化物230aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、または1:1:0.5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230bとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または1:1:1[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、Ga:Zn=2:1[原子数比]、またはGa:Zn=2:5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cを積層構造とする場合の具体例としては、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]との積層構造、Ga:Zn=2:1[原子数比]と、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]との積層構造、Ga:Zn=2:5[原子数比]と、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]との積層構造、酸化ガリウムと、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]との積層構造などが挙げられる。   Specifically, a metal oxide of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio] or 1: 1: 0.5 [atomic ratio] may be used as the oxide 230a. As the oxide 230b, a metal oxide of In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [atomic ratio] or 1: 1: 1 [atomic ratio] may be used. Further, as the oxide 230c, In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio], Ga: Zn = 2: 1 [atomic ratio], or Ga: Zn = 2: 5 [atomic ratio] May be used. As a specific example in the case where the oxide 230c has a stacked structure, In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [atomic ratio] and In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio] , Ga: Zn = 2: 1 [atomic ratio] and In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [atomic ratio], Ga: Zn = 2: 5 [atomic] Number ratio] and a stacked structure of In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [atomic ratio] and a stacked structure of gallium oxide and In: Ga: Zn = 4: 2: 3 [atomic ratio]. And the like.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。   At this time, the main path of the carriers is the oxide 230b. With the above structure of the oxides 230a and 230c, the density of defect states at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be reduced. Therefore, the influence of carrier scattering due to interface scattering is small, and the transistor 200 can have high on-state current and high frequency characteristics.

酸化物230は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。   As the oxide 230, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor is preferably used. For example, it is preferable to use one having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. By using a metal oxide with a large energy gap as described above, the off-state current of the transistor can be reduced. With the use of such a transistor, a semiconductor device with low power consumption can be provided.

電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ecは、図13に示すように、真空準位と価電子帯上端のエネルギーEvとの差であるイオン化ポテンシャルIpと、エネルギーギャップEgから求めることができる。イオン化ポテンシャルIpは、例えば、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップEgは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。   As shown in FIG. 13, the electron affinity or the energy level Ec at the bottom of the conduction band can be obtained from the ionization potential Ip, which is the difference between the vacuum level and the energy Ev at the top of the valence band, and the energy gap Eg. The ionization potential Ip can be measured, for example, using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) device. The energy gap Eg can be measured using, for example, a spectroscopic ellipsometer.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネル形成領域に不純物および酸素欠損が存在すると、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、酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネル形成領域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。例えば、絶縁体250などを介して酸化物230に酸素を供給し、酸素欠損を補填すればよい。これにより、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させたトランジスタを提供することができる。   Further, in a transistor including an oxide semiconductor, when impurities and oxygen vacancies are present in a channel formation region in the oxide semiconductor, electric characteristics are likely to be changed and reliability may be deteriorated in some cases. Further, when oxygen vacancies are contained in a channel formation region in an oxide semiconductor, the transistor is likely to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that oxygen vacancies in the channel formation region be reduced as much as possible. For example, oxygen may be supplied to the oxide 230 through the insulator 250 or the like to compensate for oxygen vacancies. Accordingly, it is possible to provide a transistor in which fluctuation in electric characteristics is suppressed, stable electric characteristics are improved, and reliability is improved.

また、酸化物半導体の近傍に配置された導電体が、金属、または合金からなる場合、酸化物半導体を構成する酸素原子により、当該導電体が酸化する場合がある。当該導電体が、酸化により導電性が低下する場合、半導体装置の電気特性のばらつきや、信頼性の低下などの原因となる蓋然性が高い。   Further, in the case where the conductor arranged in the vicinity of the oxide semiconductor is made of a metal or an alloy, the conductor may be oxidized by oxygen atoms included in the oxide semiconductor. When the conductivity of the conductor decreases due to oxidation, the probability of causing a variation in electrical characteristics of the semiconductor device and a decrease in reliability is high.

ここで、図14乃至図16を用いて、酸化物半導体が有する酸素原子による酸化物半導体と接する金属、または合金からなる構造体の酸化反応について説明する。以下では、具体的に、酸化物半導体としてIn−Ga−Zn酸化物、導電体として窒化タンタルを用いた場合の酸化反応について説明する。   Here, an oxidation reaction of a metal or an alloy in contact with the oxide semiconductor by an oxygen atom included in the oxide semiconductor is described with reference to FIGS. Hereinafter, an oxidation reaction in the case where an In-Ga-Zn oxide is used as an oxide semiconductor and tantalum nitride is used as a conductor will be specifically described.

図14(A)は、In−Ga−Zn酸化物からなる酸化物半導体10と、および窒化タンタルからなる導電体20との積層体の断面において、界面近傍の領域を示す。なお、図中、各構造体に示す黒丸は酸素原子を示す。また、酸化物半導体10に示す白丸は、酸化物半導体中に生じた酸素欠損を示す。   FIG. 14A illustrates a region near an interface in a cross section of a stacked body of the oxide semiconductor 10 including In-Ga-Zn oxide and the conductor 20 including tantalum nitride. Note that, in the drawing, black circles shown in each structure indicate oxygen atoms. White circles shown in the oxide semiconductor 10 indicate oxygen vacancies generated in the oxide semiconductor.

図14(B)は、導電体20の酸化反応の初期過程を示す。なお、導電体20において、酸素が低濃度で固溶した領域を酸素固溶領域22として示す。また、図14(C)は、導電体20の酸化反応により、生じた酸化物30の成長過程を示す。   FIG. 14B shows an initial process of an oxidation reaction of the conductor 20. Note that, in the conductor 20, a region where oxygen forms a solid solution at a low concentration is shown as an oxygen solid solution region 22. FIG. 14C shows a growth process of the oxide 30 generated by the oxidation reaction of the conductor 20.

まず、図15を用いて、導電体20の酸化反応の初期過程を説明する。なお、図中矢印は、酸素原子の移動方向を示す。導電体20の酸化反応の初期過程では、導電体20の界面の金属原子タンタルと、酸化物半導体10の界面の酸素イオンが相互作用していると推測される。   First, an initial process of the oxidation reaction of the conductor 20 will be described with reference to FIG. The arrows in the figure indicate the moving direction of oxygen atoms. In the initial stage of the oxidation reaction of the conductor 20, it is assumed that tantalum metal atoms at the interface of the conductor 20 and oxygen ions at the interface of the oxide semiconductor 10 interact.

図15(A)に示すように、図中黒丸で示す酸素イオンは、酸化物半導体10と導電体20との界面に到達すると、導電体20の界面の金属原子タンタルと、吸着する。   As shown in FIG. 15A, when oxygen ions indicated by black circles in the figure reach the interface between the oxide semiconductor 10 and the conductor 20, the oxygen ions are adsorbed on tantalum metal atoms at the interface of the conductor 20.

図15(B)に示すように、酸素イオンが金属原子タンタルと吸着した状態で、加熱処理が行われた場合、酸素イオンは導電体20の内部に拡散し、窒化タンタル内部に、酸素固溶領域22が形成される(図15(B)参照)。なお、酸素固溶領域22が形成された時点では、まだ酸化反応は生じておらず、酸素イオンは、導電体20の内部に不純物として固溶した状態である。また、酸素イオンが、導電体20に拡散することで、酸化物半導体10の界面には、一時的に、酸素欠損が生じる場合がある。   As shown in FIG. 15B, when heat treatment is performed in a state where oxygen ions are adsorbed on metal atomic tantalum, the oxygen ions diffuse into the conductor 20 and form oxygen solid solution inside the tantalum nitride. A region 22 is formed (see FIG. 15B). When the oxygen solid solution region 22 is formed, the oxidation reaction has not yet occurred, and the oxygen ions are in a solid solution state inside the conductor 20 as impurities. In addition, diffusion of oxygen ions into the conductor 20 may temporarily cause oxygen vacancies at the interface of the oxide semiconductor 10.

なお、導電体20が、酸素を固溶できる容量は、導電体20の結晶性、または緻密さに依存すると推測される。また、酸化物半導体10の界面の酸素イオンが、導電体20に固溶することで、酸化物半導体10の界面に生じた酸素欠損には、酸化物半導体10の内部の酸素原子が補填される(図15(C)参照)。   It is assumed that the capacity of the conductor 20 to dissolve oxygen in a solid solution depends on the crystallinity or the density of the conductor 20. Oxygen ions at the interface of the oxide semiconductor 10 are dissolved in the conductor 20 so that oxygen vacancies generated at the interface of the oxide semiconductor 10 are filled with oxygen atoms inside the oxide semiconductor 10. (See FIG. 15C).

図15(A)乃至図15(C)に示す過程を繰り返すことにより、酸素固溶領域22中の酸素濃度は高くなる。ここで、酸素固溶領域22中の酸素の固溶が飽和すると、酸素固溶領域22中の金属原子タンタルの酸化が開始する。従って、図15(D)に示すように、酸化物半導体10と導電体20との間に、酸化タンタルを含む酸化物30が形成される。   By repeating the processes shown in FIGS. 15A to 15C, the oxygen concentration in the oxygen-solid solution region 22 increases. Here, when the solid solution of oxygen in the oxygen solid solution region 22 is saturated, the oxidation of tantalum metal atoms in the oxygen solid solution region 22 starts. Therefore, as illustrated in FIG. 15D, the oxide 30 containing tantalum oxide is formed between the oxide semiconductor 10 and the conductor 20.

なお、金属の酸化反応の初期過程において、一般的には酸化物の核生成が生じることが知られている。一方で、酸化物半導体を用いた半導体装置の作製工程でかかる熱履歴は、比較的低温であるため、酸化物半導体10と導電体20との界面には非晶質の酸化物の薄膜が形成されると推測される。   It is known that nucleation of an oxide generally occurs in the initial stage of a metal oxidation reaction. On the other hand, since the heat history in the manufacturing process of the semiconductor device using an oxide semiconductor is relatively low, an amorphous oxide thin film is formed at the interface between the oxide semiconductor 10 and the conductor 20. It is supposed to be.

続いて、図16を用いて、酸化物半導体10と導電体20との間に生じた酸化物30の成長過程を説明する。酸化物30が生じることで、酸化物30と酸化物半導体10との界面は、酸素が欠乏し、酸素欠損の濃度が高い状態となる。つまり、酸化物半導体10中には、酸素欠損の濃度勾配が生じていると考えられる。   Subsequently, a growth process of the oxide 30 generated between the oxide semiconductor 10 and the conductor 20 will be described with reference to FIGS. When the oxide 30 is generated, the interface between the oxide 30 and the oxide semiconductor 10 is depleted of oxygen, so that the concentration of oxygen vacancies is high. That is, it is considered that a concentration gradient of oxygen deficiency occurs in the oxide semiconductor 10.

従って、図16(A)乃至図16(C)に示すように、酸化物半導体10において、酸素欠損の濃度を均一化するため、酸化物半導体10の内部の酸素イオンが拡散する。当該酸素イオンが、酸化物30との界面に到達すると考えられる(図16(A)参照)。さらに、当該到達した酸素イオンは、酸化物30が有する酸化タンタルの成長反応に使われ、酸化物30が増膜する(図16(B)および図16(C)参照)。   Therefore, as illustrated in FIGS. 16A to 16C, in the oxide semiconductor 10, oxygen ions in the oxide semiconductor 10 diffuse in order to make the concentration of oxygen vacancies uniform. It is considered that the oxygen ions reach the interface with the oxide 30 (see FIG. 16A). Further, the reached oxygen ions are used for a growth reaction of tantalum oxide included in the oxide 30, and the oxide 30 is increased in film thickness (see FIGS. 16B and 16C).

酸化タンタルを有する酸化物30において、界面の欠陥の影響を考慮しない場合、一般的には酸化反応は酸化物30の薄膜内の金属および酸素イオンの拡散速度に依存する。   In the oxide 30 having tantalum oxide, the oxidation reaction generally depends on the diffusion rates of metal and oxygen ions in the thin film of the oxide 30 when the influence of interface defects is not considered.

従って、酸素イオンの拡散により、酸化物半導体10、および酸化物30の内部では、酸素濃度の勾配が生じる。その場合、酸化物30中での酸素イオンの拡散速度が、酸化物30における酸化タンタルの成長速度を決める要因になると推測できる。なお、拡散種が酸素イオンの場合は、酸化物30の酸化タンタル内で拡散し、酸化物30および導電体20の界面に到達することにより、新たな酸化タンタルを生成し、酸化物30の増膜が起こると考えられる。また、本酸化反応の成長過程において、導電体20の酸素固溶領域22は導電体20内部へと拡張していくと考えられる。   Therefore, a diffusion of oxygen concentration occurs inside the oxide semiconductor 10 and the oxide 30 due to diffusion of oxygen ions. In that case, it can be estimated that the diffusion rate of oxygen ions in the oxide 30 is a factor that determines the growth rate of tantalum oxide in the oxide 30. In the case where the diffusion species is oxygen ions, the diffusion species diffuses in the tantalum oxide of the oxide 30 and reaches the interface between the oxide 30 and the conductor 20, thereby generating new tantalum oxide and increasing the amount of the oxide 30. It is believed that a film occurs. In the growth process of this oxidation reaction, it is considered that the oxygen-solid-solution region 22 of the conductor 20 expands into the conductor 20.

上述のような導電体の酸化反応を抑制するために、本発明の一態様のトランジスタ200は、図1(B)に示すように、酸化物230bと、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体242(導電体242aよび導電体242b)と、の間に酸化物243(酸化物243aおよび酸化物243b)が配置されている。導電体242と、酸化物230とが接しない構成となるので、導電体242が、酸化物230の酸素を吸収することを抑制できる。つまり、導電体242の酸化を防止することで、導電体242の導電率の低下を抑制することができる。従って、酸化物243は、導電体242の酸化を抑制する機能を有することが好ましい。   In order to suppress the above-described oxidation reaction of the conductor, the transistor 200 of one embodiment of the present invention includes an oxide 230b and a conductor which functions as a source electrode or a drain electrode as illustrated in FIG. An oxide 243 (an oxide 243a and an oxide 243b) is provided between the gate electrode 242 and the conductor 242a and the conductor 242b. Since the conductor 242 is not in contact with the oxide 230, the conductor 242 can suppress absorption of oxygen of the oxide 230. That is, by preventing the conductor 242 from being oxidized, a decrease in the conductivity of the conductor 242 can be suppressed. Therefore, the oxide 243 preferably has a function of suppressing oxidation of the conductor 242.

従って、酸化物243は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極やドレイン電極として機能する導電体242と酸化物230bとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物243を配置することで、導電体242と、酸化物230bとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ200の電気特性およびトランジスタ200の信頼性を向上させることができる。   Therefore, the oxide 243 preferably has a function of suppressing transmission of oxygen. By disposing the oxide 243 having a function of suppressing oxygen permeation between the conductor 242 functioning as a source electrode and a drain electrode and the oxide 230b, the electric potential between the conductor 242 and the oxide 230b can be increased. This is preferable because the resistance is reduced. With such a structure, electric characteristics of the transistor 200 and reliability of the transistor 200 can be improved.

酸化物243として、元素Mを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。酸化物243は、酸化物230bよりも元素Mの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物243として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物243として、In−M−Zn酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物243に用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物243の膜厚は、0.5nm以上5nm以下が好ましく、より好ましくは、1nm以上3nm以下である。また、酸化物243は、結晶性を有すると好ましい。酸化物243が結晶性を有する場合、酸化物230中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物243としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物230中の酸素の放出を抑制できる場合がある。   As the oxide 243, a metal oxide containing the element M may be used. In particular, as the element M, aluminum, gallium, yttrium, or tin is preferably used. The oxide 243 preferably has a higher concentration of the element M than the oxide 230b. Gallium oxide may be used as the oxide 243. Further, as the oxide 243, a metal oxide such as an In-M-Zn oxide may be used. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 243, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than that in the metal oxide used for the oxide 230b. The thickness of the oxide 243 is preferably from 0.5 nm to 5 nm, more preferably from 1 nm to 3 nm. Further, the oxide 243 preferably has crystallinity. When the oxide 243 has crystallinity, release of oxygen in the oxide 230 can be favorably suppressed. For example, in the case where the oxide 243 has a crystal structure such as a hexagonal structure, release of oxygen in the oxide 230 can be suppressed in some cases.

本発明の一態様であるトランジスタ200は、図1(B)(C)に示すように、絶縁体282と、絶縁体250とが、直接接する構造となっている。このような構造とすることで、絶縁体280に含まれる酸素が、導電体260に吸収され難くなる。従って、絶縁体280に含まれる酸素は、酸化物230cを介して、酸化物230aおよび酸化物230bへ効率よく注入することができるので、酸化物230a中および酸化物230b中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の電気特性および信頼性を向上させることができる。また、絶縁体280に含まれる水素などの不純物が絶縁体250へ混入することを抑えることができるので、トランジスタ200の電気特性および信頼性への悪影響を抑制することができる。絶縁体282としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いることができる。   As shown in FIGS. 1B and 1C, the transistor 200 of one embodiment of the present invention has a structure in which the insulator 282 and the insulator 250 are in direct contact with each other. With such a structure, oxygen contained in the insulator 280 is less likely to be absorbed by the conductor 260. Accordingly, oxygen contained in the insulator 280 can be efficiently injected into the oxide 230a and the oxide 230b through the oxide 230c; thus, oxygen vacancies in the oxide 230a and the oxide 230b can be reduced. In addition, electric characteristics and reliability of the transistor 200 can be improved. Further, entry of impurities such as hydrogen contained in the insulator 280 into the insulator 250 can be suppressed; thus, adverse effects on electrical characteristics and reliability of the transistor 200 can be suppressed. As the insulator 282, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, or hafnium oxide can be used.

絶縁体272、および絶縁体273は、水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。   It is preferable that the insulator 272 and the insulator 273 have a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and water and oxygen.

図3(A)は、図1(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面を拡大した図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域のチャネル幅方向の断面図でもある。図3(A)に示すように、導電体242bの上面、導電体242bの側面、酸化物230aの側面、および酸化物230bの側面は、絶縁体272、および絶縁体273で覆う構造となっているので、導電体242bの側面および導電体242bの上面方向から導電体242bへの水素や水などの不純物および酸素の拡散を抑制することができる。また、導電体242bの下面は酸化物243bと接する構造となっており、酸化物230bの酸素は、酸化物243bによってブロックされるので導電体242bへ拡散することを抑制する。従って、導電体242bの周囲からの導電体242bへの酸素の拡散を抑制することができるので、導電体242bの酸化を抑制することができる。尚、導電体242aについても同様の効果を有する。また、酸化物230aの側面、および酸化物230bの側面方向から酸化物230aおよび酸化物230bへの水素や水などの不純物の拡散を抑制することができる。絶縁体272としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を用いることができる。また、絶縁体273としては、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いることができる。   FIG. 3A is an enlarged view of a cross section taken along a dashed-dotted line A5-A6 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the source or drain region of the transistor 200 in the channel width direction. As shown in FIG. 3A, the top surface of the conductor 242b, the side surface of the conductor 242b, the side surface of the oxide 230a, and the side surface of the oxide 230b are covered with an insulator 272 and an insulator 273. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water and oxygen from the side surface of the conductor 242b and the top surface of the conductor 242b to the conductor 242b can be suppressed. Further, the lower surface of the conductor 242b is in contact with the oxide 243b, and oxygen in the oxide 230b is blocked by the oxide 243b, so that diffusion of the oxygen to the conductor 242b is suppressed. Accordingly, diffusion of oxygen from the periphery of the conductor 242b to the conductor 242b can be suppressed, so that oxidation of the conductor 242b can be suppressed. Note that the conductor 242a has a similar effect. In addition, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b to the oxide 230a and the oxide 230b can be suppressed. As the insulator 272, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, indium gallium zinc oxide, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon nitride oxide film can be used. As the insulator 273, for example, aluminum oxide or hafnium oxide can be used.

図3(B)は、図1(B)のトランジスタ200の右半分を拡大した図である。導電体240bの左側の側面(図3(B)に点線で囲んだ箇所)は、酸化物230cが接しており、絶縁体250からの水素や水などの不純物および酸素が導電体240bへ拡散することを抑制することができる。また、導電体240bの右側の側面は、絶縁体272が接しており、絶縁体280からの水素や水などの不純物および酸素が導電体240bへ拡散することを抑制することができる。尚、導電体240aについても、同様の効果を有する。   FIG. 3B is an enlarged view of the right half of the transistor 200 in FIG. An oxide 230c is in contact with the left side surface of the conductor 240b (a portion surrounded by a dotted line in FIG. 3B), and impurities such as hydrogen and water and oxygen from the insulator 250 diffuse into the conductor 240b. Can be suppressed. The insulator 272 is in contact with the right side surface of the conductor 240b, so that diffusion of impurities such as hydrogen and water and oxygen from the insulator 280 to the conductor 240b can be suppressed. Note that the conductor 240a has a similar effect.

以上のように導電体240の周囲を水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体272、酸化物230c、および酸化物243bで囲む構成とすることで、導電体240の酸化を抑制し、トランジスタ200の電気特性の向上およびトランジスタ200の信頼性を向上させることができる。   As described above, the periphery of the conductor 240 is surrounded by the insulator 272, the oxide 230c, and the oxide 243b each having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and water and oxygen, so that the conductor 240 Oxidation can be suppressed, so that the electrical characteristics of the transistor 200 and the reliability of the transistor 200 can be improved.

また、図1(C)に示すように、絶縁体224の底面を基準として、酸化物230aおよび酸化物230bと、導電体260とが、重ならない領域における導電体260の底面の高さは、酸化物230bの底面の高さより低い位置に配置されていることが好ましい。また、酸化物230bと、導電体260とが、重ならない領域における導電体260の底面の高さと、酸化物230bの底面の高さと、の差は、0nm以上100nm以下、好ましくは、3nm以上50nm以下、より好ましくは、5nm以上20nm以下とする。   1C, the height of the bottom surface of the conductor 260 in a region where the oxide 230a and the oxide 230b and the conductor 260 do not overlap with each other with reference to the bottom surface of the insulator 224 is: It is preferable to be arranged at a position lower than the height of the bottom surface of the oxide 230b. The difference between the height of the bottom surface of the conductor 260 and the height of the bottom surface of the oxide 230b in a region where the oxide 230b and the conductor 260 do not overlap with each other is 0 nm to 100 nm, preferably 3 nm to 50 nm. Or less, more preferably 5 nm or more and 20 nm or less.

このように、ゲートとして機能する導電体260が、チャネル形成領域の酸化物230bの側面および上面を酸化物230cおよび絶縁体250を介して覆う構成となっており、導電体260の電界をチャネル形成領域の酸化物230b全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ200のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。   In this manner, the conductor 260 functioning as a gate covers the side surface and the upper surface of the oxide 230b in the channel formation region with the oxide 230c and the insulator 250 interposed therebetween, so that the electric field of the conductor 260 It becomes easy to act on the whole oxide 230b in the region. Thus, the on-state current of the transistor 200 can be increased and frequency characteristics can be improved.

以上より、オン電流が大きい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、高い周波数特性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ともに、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。または、オフ電流が小さい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。   As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor having high frequency characteristics can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which fluctuations in electric characteristics are suppressed, stable electric characteristics are improved, and reliability is improved. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided.

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 a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described.

導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。   The conductor 205 is provided so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260. It is preferable that the conductor 205 be provided so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216.

ここで、導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(ボトムゲートともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体205に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200のVthを制御することができる。特に、導電体205に負の電位を印加することにより、トランジスタ200のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体205に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。   Here, the conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode in some cases. In some cases, the conductor 205 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, Vth of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently of the potential applied to the conductor 260 without changing the potential. In particular, by applying a negative potential to the conductor 205, Vth of the transistor 200 can be made higher than 0 V and off-state current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 205, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be smaller than when no negative potential is applied.

なお、導電体205は、図1(A)に示すように、酸化物230の導電体242aおよび導電体242bと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図1(C)に示すように、導電体205は、酸化物230のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。または、導電体205を大きく設けることによって、導電体205形成以降の作製工程のプラズマを用いた処理において、局所的なチャージング(チャージアップと言う)の緩和ができる場合がある。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。導電体205は、少なくとも導電体242aと、導電体242bとの間に位置する酸化物230と重畳すればよい。   Note that the conductor 205 is preferably provided to be larger than a region of the oxide 230 which does not overlap with the conductors 242a and 242b as illustrated in FIG. In particular, as illustrated in FIG. 1C, the conductor 205 preferably extends in a region outside an end portion of the oxide 230 intersecting with the channel width direction. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 overlap with each other with the insulator interposed outside the side surface of the oxide 230 in the channel width direction. Alternatively, when the conductor 205 is provided to be large, local charging (called charge-up) may be moderated in a process using plasma in a manufacturing process after the conductor 205 is formed. Note that one embodiment of the present invention is not limited to this. The conductor 205 may overlap with at least the oxide 230 located between the conductor 242a and the conductor 242b.

上記構成を有することで、第1のゲートとしての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲートとしての機能を有する導電体205の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート、および第2のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。   With the above structure, the channel formation region can be electrically surrounded by an electric field of the conductor 260 having a function as the first gate and an electric field of the conductor 205 having a function of the second gate. . In this specification, a structure of a transistor which electrically surrounds a channel formation region by an electric field of a first gate and a second gate is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

また、導電体205aは、水または水素などの不純物および酸素の透過を抑制する導電体が好ましい。例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを用いることができる。また、導電体205bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205を2層で図示したが、3層以上の多層構造としてもよい。   Further, the conductor 205a is preferably a conductor which suppresses transmission of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, titanium, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride can be used. It is preferable that the conductor 205b be formed using a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum. Although the conductor 205 is illustrated as having two layers, the conductor 205 may have a multilayer structure of three or more layers.

導電体205を5層とした一例を図2に示す。導電体205は、絶縁体216の開口の内壁に接して導電体205cが形成され、さらに内側に導電体205dが形成されている。また、導電体205dの内側に導電体205eが形成されている。さらに、導電体205dの内壁に接し、かつ導電体205eの上面に接するように導電体205fが形成され、導電体205fの内側に導電体205gが形成されている。ここで、導電体205c、導電体205d、導電体205d、および導電体205fの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。また、導電体205cは、導電体205aと同様の材料を用いることが好ましく、導電体205eおよび導電体205gは、導電体205bと同様の材料を用いることが好ましい。   FIG. 2 shows an example in which the conductor 205 has five layers. In the conductor 205, a conductor 205c is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 216, and a conductor 205d is formed further inside. The conductor 205e is formed inside the conductor 205d. Further, a conductor 205f is formed so as to be in contact with the inner wall of the conductor 205d and the upper surface of the conductor 205e, and a conductor 205g is formed inside the conductor 205f. Here, the height of the upper surface of the conductor 205c, the conductor 205d, the conductor 205d, and the conductor 205f can be approximately equal to the height of the upper surface of the insulator 216. The conductor 205c is preferably formed using a material similar to that of the conductor 205a, and the conductor 205e and the conductor 205g are preferably formed using a material similar to that of the conductor 205b.

ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体とを、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物(特に、水素、水)の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができるので好ましい。   Here, the oxide semiconductor, the insulator or the conductor located in the lower layer of the oxide semiconductor, and the insulator or the conductor located in the upper layer of the oxide semiconductor are formed in different films without opening to the air. It is preferable that the seeds be continuously formed because a substantially high-purity intrinsic oxide semiconductor film in which the concentration of impurities (in particular, hydrogen and water) is reduced can be formed.

例えば、6つの処理チャンバーを有する成膜装置を用いて、絶縁体216、および導電体205上に配置される、絶縁体222、絶縁体224となる絶縁膜、酸化物230aとなる酸化膜、酸化物230bとなる酸化膜、酸化物243となる酸化膜、および導電体242となる導電膜を順に連続成膜すればよい。   For example, with the use of a deposition apparatus having six treatment chambers, the insulator 222, the insulating film which is to be the insulator 224, the oxide film which is to be the oxide 230a, the oxide film which is to be provided over the insulator 216 and the conductor 205. An oxide film to be the object 230b, an oxide film to be the oxide 243, and a conductive film to be the conductor 242 may be sequentially formed.

絶縁体212、絶縁体214、絶縁体272、絶縁体282、絶縁体283および絶縁体281は、水または水素などの不純物が、基板側から、または、上方からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体272、絶縁体282、絶縁体283および絶縁体281は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。 The insulator 212, the insulator 214, the insulator 272, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 281 prevent impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 200 from the substrate side or from above. It preferably functions as a barrier insulating film. Therefore, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 272, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 281 each include a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, It is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as NO and NO 2 and copper atoms (the impurities are hardly transmitted). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule) (the above-described oxygen is not easily transmitted).

例えば、絶縁体212、絶縁体283、および絶縁体281として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体214、絶縁体272、および絶縁体283として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体212、および絶縁体214を介して、基板側からトランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体212、および絶縁体214を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水または水素などの不純物が絶縁体272よりも上方に配置されている絶縁体280、および導電体246などから絶縁体272を介してトランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ200を、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体283で取り囲む構造とすることが好ましい。   For example, it is preferable that silicon nitride or the like be used for the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 281 and aluminum oxide or the like be used for the insulator 214, the insulator 272, and the insulator 283. Thus, diffusion of impurities such as water or hydrogen from the substrate side to the transistor 200 side through the insulator 212 and the insulator 214 can be suppressed. Alternatively, diffusion of oxygen contained in the insulator 224 or the like to the substrate via the insulator 212 and the insulator 214 can be suppressed. In addition, diffusion of impurities such as water or hydrogen from the insulator 280, the conductor 246, or the like which is provided above the insulator 272 to the transistor 200 side via the insulator 272 can be suppressed. As described above, it is preferable that the transistor 200 be surrounded by the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 each having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen.

また、絶縁体212、絶縁体283、および絶縁体281の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体212、絶縁体283、および絶縁体281の抵抗率を概略1×1013Ωcmとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体212、絶縁体283、および絶縁体281が、導電体205、導電体242または導電体260のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体212、絶縁体283、および絶縁体281の抵抗率は、好ましくは、1×1010Ωcm以上1×1015Ωcm以下とする。 In some cases, it is preferable to reduce the resistivity of the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 281. For example, the resistivity of the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 281 is approximately 1 × 10 13 Ωcm, so that the insulator 212, the insulator 283, In some cases, the insulator 281 can reduce charge-up of the conductor 205, the conductor 242, or the conductor 260. Insulator 212, the resistivity of the insulator 283, and the insulator 281 is preferably a 1 × 10 15 Ωcm or less 1 × 10 10 Ωcm or more.

また、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体274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。例えば、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体274として、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。   In addition, the insulator 216, the insulator 280, and the insulator 274 preferably have a lower dielectric constant than the insulator 214. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 216, the insulator 280, and the insulator 274, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, carbon, and nitrogen are added. Silicon oxide, silicon oxide having holes, or the like may be used as appropriate.

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

ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体224は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。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、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 insulator 224 in contact with the oxide 230 preferably releases oxygen by heating. In this specification, oxygen released by heating may be referred to as excess oxygen. For example, the insulator 224 may be formed using silicon oxide or silicon oxynitride as appropriate. By providing an insulator containing oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and the reliability of the transistor 200 can be improved.

絶縁体224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、昇温脱離ガス分析(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析)にて、酸素分子の脱離量が1.0×1018molecules/cm以上、好ましくは1.0×1019molecules/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019molecules/cm以上、または3.0×1020molecules/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, it is preferable to use an oxide material from which part of oxygen is released by heating as the insulator 224. An oxide from which oxygen is released by heating means that the amount of released oxygen molecules is 1.0 × 10 18 molecules / cm 3 or more in thermal desorption spectroscopy (TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis). Is an oxide film having a molecular weight of 1.0 × 10 19 molecules / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 molecules / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 molecules / cm 3 or more. Note that 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.

絶縁体222は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体222は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体222、および絶縁体272によって、絶縁体224および酸化物230などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ200に侵入することを抑制することができる。   The insulator 222 preferably functions as a barrier insulating film for preventing impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 200 from the substrate side. For example, the insulator 222 preferably has lower hydrogen permeability than the insulator 224. By surrounding the insulator 224, the oxide 230, and the like with the insulator 222 and the insulator 272, entry of impurities such as water or hydrogen into the transistor 200 from the outside can be suppressed.

さらに、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。例えば、絶縁体222は、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体222が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素が、絶縁体222より下側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体205が、絶縁体224や、酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。   Further, the insulator 222 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule) (the oxygen is hardly transmitted). For example, the insulator 222 preferably has lower oxygen permeability than the insulator 224. It is preferable that the insulator 222 have a function of suppressing diffusion of oxygen and impurities because diffusion of oxygen included in the oxide 230 to a lower side than the insulator 222 can be reduced. In addition, the conductor 205 can be prevented from reacting with oxygen included in the insulator 224 and the oxide 230.

絶縁体222は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。   As the insulator 222, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials, may be used. It is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like as the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium. In the case where the insulator 222 is formed using such a material, the insulator 222 suppresses release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the periphery of the transistor 200 into the oxide 230. Functions as a layer.

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よい。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, to these insulators, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、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てもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 222 is formed of, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). An insulator including a so-called high-k material may be used in a single layer or a stacked layer. When a transistor is miniaturized and highly integrated, a problem such as a leak current may occur due to thinning of a gate insulator. With the use of a high-k material for an insulator functioning as a gate insulator, reduction in gate potential at the time of transistor operation can be performed while the physical thickness is maintained.

なお、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 222 and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the structure is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

酸化物230b上には、酸化物243が設けられ、酸化物243上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体242(導電体242a、および導電体242b)が設けられる。導電体242の膜厚は、例えば、1nm以上50nm以下、好ましくは2nm以上25nm以下、とすればよい。   An oxide 243 is provided over the oxide 230b, and a conductor 242 (a conductor 242a and a conductor 242b) which functions as a source electrode and a drain electrode is provided over the oxide 243. The thickness of the conductor 242 may be, for example, from 1 nm to 50 nm, preferably from 2 nm to 25 nm.

導電体242としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。   As the conductor 242, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, It is preferable to use a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the above-described metal element as a component, an alloy in which the above-described metal elements are combined, or the like. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferred. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, and oxide containing lanthanum and nickel are not easily oxidized. A conductive material or a material that maintains conductivity even when oxygen is absorbed is preferable.

絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを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に対し安定であるため好ましい。   The insulator 250 functions as a gate insulator. The insulator 250 is preferably provided in contact with the upper surface of the oxide 230c. For the insulator 250, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having holes is used. be able to. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.

絶縁体224と同様に、絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、酸化物230bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。   Similarly to the insulator 224, the insulator 250 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. When an insulator from which oxygen is released by heating is provided as the insulator 250 in contact with the upper surface of the oxide 230c, oxygen can be effectively supplied to a channel formation region of the oxide 230b. Further, similarly to the insulator 224, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is preferably reduced. The thickness of the insulator 250 is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm.

また、絶縁体250と導電体260との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体250から導電体260への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体250の酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。   Further, a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260. It is preferable that the metal oxide suppress oxygen diffusion from the insulator 250 to the conductor 260. By providing a metal oxide that suppresses diffusion of oxygen, diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 260 due to oxygen of the insulator 250 can be suppressed.

また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体250と当該金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。   Further, the metal oxide may function as part of a gate insulator. Therefore, in the case where silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 250, it is preferable that the metal oxide be a high-k material having a high relative dielectric constant. When the gate insulator has a stacked structure of the insulator 250 and the metal oxide, a stacked structure which is stable against heat and has a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during the operation of the transistor while maintaining the physical thickness of the gate insulator. Further, the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulator functioning as a gate insulator can be reduced.

具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、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金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。   Specifically, one selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium, or a metal oxide containing two or more kinds may be used. it can. In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium.

または、当該金属酸化物は、ゲートの一部としての機能を有する場合がある。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。   Alternatively, the metal oxide may function as part of a gate in some cases. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing a conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material is easily supplied to the channel formation region.

特に、ゲートとして機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。   In particular, a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used as a conductor functioning as a gate. Further, a conductive material containing the above-described metal element and nitrogen may be used. In addition, 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, and silicon were added. Indium tin oxide may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in a metal oxide in which a channel is formed may be captured in some cases. Alternatively, in some cases, hydrogen mixed in from an outer insulator or the like can be captured.

導電体260は、図1では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。   Although the conductor 260 is illustrated in FIG. 1 as having a two-layer structure, the conductor 260 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.

導電体260aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 260a has a function of suppressing diffusion of impurities such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (eg, N 2 O, NO, and NO 2 ), and a copper atom. It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule).

また、導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250に含まれる酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。   In addition, since the conductor 260a has a function of suppressing diffusion of oxygen, it is possible to suppress a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 260b due to oxygen contained in the insulator 250. As the conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used.

また、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体260は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。   It is preferable that the conductor 260b be formed using a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum. Further, since the conductor 260 also functions as a wiring, a conductor having high conductivity is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

絶縁体280は、例えば、絶縁体280として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを有することが好ましい。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好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。   The insulator 280 includes, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or vacancies as the insulator 280. It is preferable to have silicon oxide or the like. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, a material such as silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon oxide having a hole is preferable because a region containing oxygen which is released by heating can be easily formed.

絶縁体280中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、絶縁体280の上面は、平坦化されていてもよい。   It is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 280 be reduced. Further, the upper surface of the insulator 280 may be planarized.

絶縁体282は、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体280に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体282としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。   The insulator 282 preferably functions as a barrier insulating film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the insulator 280 from above. As the insulator 282, an insulator such as aluminum oxide, silicon nitride, or silicon nitride oxide may be used, for example.

また、絶縁体282の上に、層間膜として機能する絶縁体274を設けることが好ましい。絶縁体274は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。   It is preferable that the insulator 274 function as an interlayer film be provided over the insulator 282. It is preferable that the insulator 274 have a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 224 and the like.

導電体240aおよび導電体240bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240aおよび導電体240bは積層構造としてもよい。   It is preferable that the conductor 240a and the conductor 240b be formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, the conductor 240a and the conductor 240b may have a stacked structure.

また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体281、絶縁体274、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体272と接する導電体には、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体280に添加された酸素が導電体240aおよび導電体240bに吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体281より上層から水または水素などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。   In the case where the conductor 240 has a stacked-layer structure, the insulator 281, the insulator 274, the insulator 282, the insulator 280, the insulator 273, and the conductor which is in contact with the insulator 272 include impurities such as water or hydrogen. It is preferable to use a conductive material having a function of suppressing transmission. For example, it is preferable to use tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like. Further, a conductive material having a function of suppressing transmission of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or a stacked layer. With the use of the conductive material, oxygen added to the insulator 280 can be prevented from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b. Further, entry of impurities such as water or hydrogen from above the insulator 281 into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b can be suppressed.

絶縁体241aおよび絶縁体241bとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体241aおよび絶縁体241bは、絶縁体272、および絶縁体273に接して設けられるので、絶縁体280などから水または水素などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体280に含まれる酸素が導電体240aおよび導電体240bに吸収されるのを防ぐことができる。   As the insulators 241a and 241b, an insulator such as aluminum oxide, silicon nitride, or silicon nitride oxide may be used, for example. Since the insulator 241a and the insulator 241b are provided in contact with the insulator 272 and the insulator 273, impurities such as water or hydrogen from the insulator 280 or the like are mixed into the oxide 230 through the conductors 240a and 240b. Can be suppressed. In addition, oxygen contained in the insulator 280 can be prevented from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b.

また、導電体240aの上面、および導電体240bの上面に接して配線として機能する導電体246(導電体246a、および導電体246b)を配置してもよい。導電体246は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。   Further, the conductor 246 (the conductor 246a and the conductor 246b) which functions as a wiring may be provided in contact with the upper surface of the conductor 240a and the upper surface of the conductor 240b. The conductor 246 is preferably formed using a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum. Further, the conductor may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium or titanium nitride and the above conductive material. Note that the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in the insulator.

<半導体装置の構成材料>
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
<Structural materials for semiconductor devices>
Hereinafter, constituent materials that can be used for a semiconductor device will be described.

<基板>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
<Substrate>
As a substrate over which the transistor 200 is formed, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used, for example. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria-stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a semiconductor substrate of silicon, germanium, or the like, or a compound semiconductor substrate of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Further, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the above-described semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, a substrate including a metal nitride, a substrate including a metal oxide, and the like are given. Further, there are a substrate provided with a conductor or a semiconductor on an insulator substrate, a substrate provided with a conductor or an insulator on a semiconductor substrate, a substrate provided with a semiconductor or an insulator on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate in which an element is provided may be used. Elements provided on the substrate include a capacitor, a resistor, a switch, a light-emitting element, a storage element, and the like.

<絶縁体>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
<Insulator>
Examples of the insulator include oxides, nitrides, oxynitrides, nitrided oxides, metal oxides, metal oxynitrides, and metal nitrided oxides having insulating properties.

例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high−k材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。   For example, when transistors are miniaturized and highly integrated, problems such as leakage current may occur due to thinning of a gate insulator. When a high-k material is used for an insulator functioning as a gate insulator, a voltage can be reduced during operation of a transistor while a physical thickness is maintained. On the other hand, by using a material having a low relative dielectric constant for an insulator functioning as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, a material may be selected according to the function of the insulator.

また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。   Examples of the insulator having a high relative dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium, an oxynitride containing aluminum and hafnium, an oxide containing silicon and hafnium, and silicon and hafnium. Oxynitride or nitride containing silicon and hafnium.

また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。   The insulator having a low relative dielectric constant includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and holes. Silicon oxide, resin, or the like is given.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。   In addition, a transistor including an oxide semiconductor can have stable electrical characteristics by being surrounded by an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen. Examples of the insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. , Lanthanum, neodymium, hafnium, or an insulator containing tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. Specifically, as an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, Alternatively, a metal oxide such as tantalum oxide, or a metal nitride such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.

また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230と接する構造とすることで、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。   The insulator functioning as a gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen which is released by heating. For example, with a structure in which silicon oxide or silicon oxynitride having a region containing oxygen released by heating is in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.

<導電体>
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
<Conductor>
Aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, lanthanum It is preferable to use a metal element selected from the above, an alloy containing the above-described metal element as a component, an alloy in which the above-described metal elements are combined, or the like. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferred. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, and oxide containing lanthanum and nickel are not easily oxidized. A conductive material or a material that maintains conductivity even when oxygen is absorbed is preferable. Alternatively, a semiconductor having high electric conductivity, represented by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。   Alternatively, a plurality of conductive layers formed using the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined may be employed. Further, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined may be employed. Further, a stacked structure of a combination of the above-described material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen may be used.

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲートとして機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。   Note that in the case where an oxide is used for a channel formation region of a transistor, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are used for a conductor functioning as a gate may be used. preferable. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing a conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material is easily supplied to the channel formation region.

特に、ゲートとして機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。   In particular, a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used as a conductor functioning as a gate. Further, a conductive material containing the above-described metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, 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, and silicon were added. Indium tin oxide may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in a metal oxide in which a channel is formed may be captured in some cases. Alternatively, in some cases, hydrogen mixed in from an outer insulator or the like can be captured.

<金属酸化物>
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を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
<Metal oxide>
As the oxide 230, a metal oxide that functions as an oxide semiconductor is preferably used. Hereinafter, metal oxides applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.

金属酸化物は、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錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、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 metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like be contained in addition thereto. In addition, one or more kinds selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and the like may be included.

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物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、または錫などとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、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, the case where the metal oxide is an In-M-Zn oxide including indium, the element M, and zinc is considered. Note that the element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, in some cases, a combination of a plurality of the aforementioned elements may be used as the element M.

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, a metal oxide containing nitrogen may be collectively referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as metal oxynitride.

[金属酸化物の構造]
酸化物半導体(金属酸化物)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、多結晶酸化物半導体、nc−OS、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 (metal oxide) 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, a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS, a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS), and an amorphous oxide semiconductor. Semiconductors.

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 an ab plane direction and has a strain. Note that the strain refers to a region where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is uniform and a region where another lattice arrangement is uniform 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)を確認することは難しい。すなわち、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面方向において酸素原子の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である。   The nanocrystal is basically a hexagon, but is not limited to a regular hexagon and may be a non-regular hexagon. In addition, distortion may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. Note that in the CAAC-OS, it is difficult to confirm a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) even in the vicinity of distortion. 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 because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction, or the bonding distance between atoms changes by substitution with a metal element. That's why.

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 is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter, an In layer) and a layer containing elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, a (M, Zn) layer) are stacked. It tends 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 referred to as an (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can be referred to as an (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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、金属酸化物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(V:oxygen vacancyともいう)など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC−OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is a metal oxide with high crystallinity. On the other hand, in the CAAC-OS, it is difficult to confirm a clear crystal grain boundary; thus, it can be said that electron mobility due to the crystal grain boundary is not easily reduced. Moreover, since the crystallinity of the metal oxide that may be reduced by such generation of contamination and defects impurities, CAAC-OS impurities and defects (oxygen deficiency (V O: also referred to as oxygen vacancy), etc.) with little metal oxide It can be called a thing. Therefore, a metal oxide having a CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the metal oxide including the 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 a periodic atomic arrangement in a minute region (for example, a region with a thickness of 1 nm to 10 nm, particularly, a region with a size of 1 nm to 3 nm). In the nc-OS, there is no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(以下、IGZO)は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、IGZOは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶(ここでは、数mmの結晶、または数cmの結晶)よりも小さな結晶(例えば、上述のナノ結晶)とする方が、構造的に安定となる場合がある。   Note that indium-gallium-zinc oxide (hereinafter, referred to as IGZO), which is a kind of metal oxide including indium, gallium, and zinc, may have a stable structure by being formed using the above-described nanocrystal. is there. In particular, since IGZO tends to be difficult to grow in the air, it is preferable to use a smaller crystal (for example, the above-described nanocrystal) than a large crystal (here, a crystal of several mm or a crystal of several cm). However, it may be structurally stable.

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金属酸化物である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、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 a metal oxide 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(金属酸化物)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 (metal oxides) have various structures and each have different characteristics. 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.

なお、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体(金属酸化物)の構造に特に限定はないが、好ましくは結晶性を有すると好ましい。例えば、酸化物230をCAAC−OS構造とし、酸化物243を六方晶の結晶構造とすることが出来る。酸化物230、及び酸化物243を上記の結晶構造とすることで、高い信頼性を有する半導体装置とすることができる。また、酸化物230a、酸化物230c、および酸化物243を概略同じ組成とすることができる。   Note that in the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the structure of the oxide semiconductor (metal oxide) is not particularly limited, but preferably has crystallinity. For example, the oxide 230 can have a CAAC-OS structure and the oxide 243 can have a hexagonal crystal structure. When the oxide 230 and the oxide 243 have the above crystal structure, a highly reliable semiconductor device can be obtained. Further, the oxide 230a, the oxide 230c, and the oxide 243 can have substantially the same composition.

[不純物]
ここで、金属酸化物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 metal oxide will be described.

また、金属酸化物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。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属酸化物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により得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度(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、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when an alkali metal or an alkaline earth metal is contained in a metal oxide, a defect level may be formed and carriers may be generated in some cases. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region is likely to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal in a metal oxide obtained by SIMS (the concentration obtained by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)) is set to 1 × 10 18 atoms. / Cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物に含まれる水素は、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。当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金属酸化物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。   In addition, hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen vacancy. When hydrogen enters the oxygen vacancy, electrons serving as carriers are generated in some cases. Further, part of hydrogen may bond with oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron serving as a carrier. Therefore, a transistor including a metal oxide containing hydrogen is likely to have normally-on characteristics.

このため、金属酸化物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、金属酸化物において、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。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成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。 Therefore, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, 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. It is set to less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . When a metal oxide with sufficiently reduced impurities is used for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be provided.

トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。   It is preferable to use a thin film with high crystallinity as the metal oxide used for the semiconductor of the transistor. With the use of the thin film, stability or reliability of the transistor can be improved. Examples of the thin film include a single crystal metal oxide thin film and a polycrystalline metal oxide thin film. However, forming a thin film of a single crystal metal oxide or a thin film of a polycrystalline metal oxide on a substrate requires a high-temperature or laser heating step. Therefore, the cost of the manufacturing process increases, and the throughput also decreases.

2009年に、CAAC構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(CAAC−IGZOと呼ぶ)が発見されたことが、非特許文献1および非特許文献2で報告されている。ここでは、CAAC−IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC−IGZOを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。   It was reported in Non-Patent Documents 1 and 2 that an In-Ga-Zn oxide having a CAAC structure (referred to as CAAC-IGZO) was discovered in 2009. Here, it is reported that CAAC-IGZO has c-axis orientation, crystal grain boundaries are not clearly observed, and can be formed on a substrate at a low temperature. Further, it is reported that a transistor using CAAC-IGZO has excellent electric characteristics and reliability.

また、2013年には、nc構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(nc−IGZOと呼ぶ)が発見された(非特許文献3参照)。ここでは、nc−IGZOは、微小な領域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。   In 2013, an In-Ga-Zn oxide having an nc structure (referred to as nc-IGZO) was discovered (see Non-Patent Document 3). Here, it has been reported that nc-IGZO has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 3 nm or less), and that there is no regularity in the crystal orientation between different regions. I have.

非特許文献4および非特許文献5では、上記のCAAC−IGZO、nc−IGZO、および結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOにおいて、完全な非晶質構造(completely amorphous structure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZOの薄膜と比べて、CAAC−IGZOの薄膜およびnc−IGZOの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAAC−IGZOの薄膜またはnc−IGZOの薄膜を用いることが好ましい。   Non-Patent Documents 4 and 5 show changes in the average crystal size due to the irradiation of electron beams to the thin films of the above-described CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO with low crystallinity. In an IGZO thin film having low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before irradiation with an electron beam. Therefore, it is reported here that the existence of a completely amorphous structure in IGZO could not be confirmed. Furthermore, it is shown that the CAAC-IGZO thin film and the nc-IGZO thin film have higher stability to electron beam irradiation than the IGZO thin film having low crystallinity. Therefore, it is preferable to use a thin film of CAAC-IGZO or a thin film of nc-IGZO as a semiconductor of the transistor.

金属酸化物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、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10−24A/μm)オーダである、ことが非特許文献6に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(非特許文献7参照)。 A transistor including a metal oxide has extremely low leakage current in a non-conducting state. Specifically, an off-state current per 1 μm of channel width of the transistor is in the order of yA / μm (10 −24 A / μm). Is shown in Non-Patent Document 6. For example, a low-power-consumption CPU utilizing the characteristic of low leakage current of a transistor including a metal oxide is disclosed (see Non-Patent Document 7).

また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献8参照)。表示装置では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ駆動と呼ぶ。   In addition, application of a transistor using a metal oxide to a display device utilizing the characteristic of low leakage current has been reported (see Non-Patent Document 8). In the display device, the displayed image switches several tens of times per second. The number of times the image is switched per second is called a refresh rate. Also, the refresh rate may be called a drive frequency. Such high-speed switching of the screen, which is difficult for the human eyes to perceive, is considered as a cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to decrease the refresh rate of the display device to reduce the number of times of rewriting of the image. Further, power consumption of the display device can be reduced by driving with a reduced refresh rate. Such a driving method is called idling stop driving.

CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造またはnc構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびLSIへの応用研究が進められている。   The discovery of the CAAC structure and the nc structure contributes to improvement in electrical characteristics and reliability of a transistor including a metal oxide having a CAAC structure or an nc structure, reduction in manufacturing process cost, and improvement in throughput. In addition, research on application of the transistor to a display device and an LSI utilizing the characteristic of the transistor having a low leakage current has been advanced.

<半導体装置の作製方法>
次に、図1に示す、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図4乃至図12を用いて説明する。また、図4乃至図12において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)に示すA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(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いる。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a manufacturing method of the semiconductor device including the transistor 200 according to the present invention illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4A to 12, (A) in each drawing is a top view. FIG. 2B is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by a dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction. Further, (C) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by a dashed line A3-A4 in (A), and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. Note that some components are not illustrated in the top view of FIG.

まず、基板(図示しない)を準備し、当該基板上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、またはALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。   First, a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 212 is formed over the substrate. The insulator 212 is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulsed laser deposition (PLD) method, or a pulsed laser deposition (PLD) method. (Atomic Layer Deposition) method or the like.

なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。   Note that the CVD method can be classified into a plasma enhanced CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD) method using heat, an optical CVD (Photo CVD) method using light, and the like. . Further, the method can be classified into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method according to a source gas used.

プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。   In the plasma CVD method, a high-quality film can be obtained at a relatively low temperature. Further, the thermal CVD method is a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (eg, a transistor or a capacitor) included in a semiconductor device may be charged up by receiving charge from plasma. At this time, the accumulated charges may destroy wirings, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of a thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. Further, in the thermal CVD method, a plasma film having few defects can be obtained because plasma damage does not occur during film formation.

また、ALD法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ALD法には、プラズマを利用した成膜方法PEALD(Plasma Enhanced ALD)法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。   In addition, the ALD method utilizes the self-controlling property of atoms and can deposit atoms one by one, so that an extremely thin film can be formed, a film can be formed on a structure having a high aspect ratio, There are effects such as film formation with few defects such as holes, film formation with excellent coverage, and film formation at a low temperature. The ALD method also includes a plasma enhanced ALD (Plasma Enhanced ALD) method using plasma. Utilization of plasma makes it possible to form a film at a lower temperature, which is preferable in some cases. Some precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon. Therefore, a film formed by an ALD method may contain more impurities such as carbon than a film formed by another film formation method. Note that the determination of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).

CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。   The CVD method and the ALD method are different from a film formation method in which particles emitted from a target or the like are deposited, and are a film formation method in which a film is formed by a reaction on a surface of an object to be processed. Therefore, the film formation method is less affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and thus is suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively low film formation rate, it may be preferable to use the ALD method in combination with another film formation method such as a CVD method with a high film formation rate.

CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。   In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow ratio of the source gas. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed depending on a flow rate ratio of a source gas. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow ratio of the source gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow ratio of the source gas, the time required for film formation is shortened because the time required for transport and pressure adjustment is not required as compared with the case where film formation is performed using a plurality of film formation chambers. can do. Therefore, the productivity of the semiconductor device may be improved in some cases.

本実施の形態では、絶縁体212として、CVD法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体212として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体212より下層(図示せず)の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体212を介して上の層に拡散するのを抑制することができる。また、窒化シリコンのように水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより絶縁体212より下層から水または水素などの不純物の拡散を抑制することができる。   In this embodiment, silicon nitride is formed as the insulator 212 by a CVD method. In this manner, by using an insulator such as silicon nitride which does not easily transmit copper as the insulator 212, even when a metal such as copper which is easily diffused is used as a conductor in a layer (not illustrated) below the insulator 212, Diffusion of the metal into an upper layer through the insulator 212 can be suppressed. In addition, by using an insulator which does not easily transmit impurities such as water or hydrogen, such as silicon nitride, diffusion of impurities such as water or hydrogen from a layer below the insulator 212 can be suppressed.

次に、絶縁体212上に絶縁体214を成膜する。絶縁体214の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体214として、酸化アルミニウムを用いる。   Next, the insulator 214 is formed over the insulator 212. The insulator 214 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, aluminum oxide is used for the insulator 214.

次に、絶縁体214上に絶縁体216を成膜する。絶縁体216の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 216 is formed over the insulator 214. The insulator 216 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体216に絶縁体214に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体214は、絶縁体216をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体216に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体214は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。   Next, an opening reaching the insulator 214 is formed in the insulator 216. The opening includes, for example, a groove and a slit. In some cases, a region where an opening is formed is referred to as an opening. The opening may be formed by wet etching, but dry etching is more preferable for fine processing. Further, as the insulator 214, an insulator which functions as an etching stopper film when the insulator 216 is etched to form a groove is preferably selected. For example, when a silicon oxide film is used for the insulator 216 that forms the groove, the insulator 214 may be a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film.

開口の形成後に、導電体205となる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体205となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   After the formation of the opening, a conductive film to be the conductor 205 is formed. The conductive film preferably includes a conductor having a function of suppressing transmission of oxygen. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, or the like can be used. Alternatively, a stacked film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and a molybdenum tungsten alloy can be used. The conductive film to be the conductor 205 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体205となる導電膜として、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体205となる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体205となる導電膜の上層の導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体205から外に拡散するのを防ぐことができる。   In this embodiment, the conductive film serving as the conductor 205 has a multilayer structure. First, tantalum nitride is formed by a sputtering method, and titanium nitride is stacked on the tantalum nitride. By using such a metal nitride for a lower layer of a conductive film to be the conductor 205, even if a metal such as copper which is easily diffused is used as an upper conductive film of the conductive film to be described later, Can be prevented from diffusing out of the conductor 205.

次に、導電体205となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体205となる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。   Next, a conductive film over the conductive film to be the conductor 205 is formed. The conductive film can be formed by a plating method, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, a low-resistance conductive material such as copper is formed as a conductive film over the conductive film to be the conductor 205.

次に、CMP処理(Chemical Mechanical Polishing)を行うことで、導電体205となる導電膜の上層、ならびに導電体205となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体205を形成することができる。なお、当該CMP処理により、絶縁体216の一部が除去される場合がある(図4参照)。   Next, by performing a CMP process (Chemical Mechanical Polishing), an upper layer of the conductive film to be the conductor 205 and part of a lower layer of the conductive film to be the conductor 205 are removed, so that the insulator 216 is exposed. As a result, the conductive film serving as the conductor 205 remains only in the opening. Thus, the conductor 205 having a flat top surface can be formed. Note that part of the insulator 216 may be removed by the CMP treatment (see FIG. 4).

ここからは、上記と異なる導電体205の形成方法について以下に説明する。   Hereinafter, a method for forming the conductor 205 which is different from the above will be described below.

絶縁体214上に、導電体205となる導電膜を成膜する。導電体205となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。また、導電体205となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体205となる導電膜としてタングステンを成膜する。   A conductive film to be the conductor 205 is formed over the insulator 214. The conductive film to be the conductor 205 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. The conductive film serving as the conductor 205 can be a multilayer film. In this embodiment, tungsten is formed as a conductive film to be the conductor 205.

次に、リソグラフィー法を用いて、導電体205となる導電膜を加工し、導電体205を形成する。   Next, the conductive film serving as the conductor 205 is processed by lithography to form the conductor 205.

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。   In the lithography method, first, a resist is exposed through a mask. Next, a resist mask is formed by removing or leaving the exposed region using a developing solution. Next, by performing an etching treatment through the resist mask, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape. For example, a resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. Further, a liquid immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens to perform exposure. Further, an electron beam or an ion beam may be used instead of the above-described light. When an electron beam or an ion beam is used, a mask is not required. Note that the resist mask can be removed by dry etching such as ashing, wet etching, wet etching after dry etching, or dry etching after wet etching.

また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体205となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体205となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体205となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。   Further, a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. In the case of using a hard mask, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the conductive film serving as the conductor 205, a resist mask is formed thereover, and the hard mask material is etched to have a desired shape. A hard mask can be formed. The etching of the conductive film to be the conductor 205 may be performed after removing the resist mask, or may be performed with the resist mask left. In the latter case, the resist mask may disappear during the etching. After etching the conductive film to be the conductor 205, the hard mask may be removed by etching. On the other hand, if the material of the hard mask does not affect the post-process or can be used in the post-process, it is not always necessary to remove the hard mask.

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。   As the dry etching apparatus, a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having parallel plate electrodes can be used. The capacitively coupled plasma etching apparatus having the parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency power to one of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a configuration in which a plurality of different high-frequency power sources are applied to one of the parallel plate electrodes may be employed. Alternatively, a configuration in which a high-frequency power source having the same frequency is applied to each of the parallel plate electrodes may be employed. Alternatively, a configuration may be employed in which high-frequency power sources having different frequencies are applied to the respective parallel plate electrodes. Alternatively, a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used. As a dry etching apparatus having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus or the like can be used.

次に、絶縁体214上、導電体205上に絶縁体216となる絶縁膜を成膜する。絶縁体216となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体216となる絶縁膜として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   Next, an insulating film to be the insulator 216 is formed over the insulator 214 and the conductor 205. The insulator to be the insulator 216 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, as the insulating film to be the insulator 216, silicon oxide is formed by a CVD method.

ここで、絶縁体216となる絶縁膜の膜厚は、導電体205の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体205の膜厚を1とすると、絶縁体216となる絶縁膜の膜厚は、1以上3以下とする。本実施の形態では、導電体205の膜厚の膜厚を150nmとし、絶縁体216となる絶縁膜の膜厚を350nmとする。   Here, the thickness of the insulating film to be the insulator 216 is preferably greater than or equal to the thickness of the conductor 205. For example, when the thickness of the conductor 205 is 1, the thickness of the insulating film to be the insulator 216 is 1 or more and 3 or less. In this embodiment, the thickness of the conductor 205 is 150 nm, and the thickness of the insulating film serving as the insulator 216 is 350 nm.

次に、絶縁体216となる絶縁膜にCMP処理を行うことで、絶縁体216となる絶縁膜の一部を除去し、導電体205の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体205と、絶縁体216を形成することができる。以上が、導電体205の異なる形成方法である。   Next, CMP treatment is performed on the insulating film to be the insulator 216, so that part of the insulating film to be the insulator 216 is removed and the surface of the conductor 205 is exposed. As a result, the conductor 205 and the insulator 216 having a flat top surface can be formed. The above is a different method for forming the conductor 205.

次に、絶縁体216、および導電体205上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222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の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体222を通じてトランジスタ200の内側へ拡散することが抑制され、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。   Next, the insulator 222 is formed over the insulator 216 and the conductor 205. As the insulator 222, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed. Note that it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like as the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium. An insulator including an oxide of one or both of aluminum and hafnium has a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. Since the insulator 222 has a barrier property to hydrogen and water, diffusion of hydrogen and water contained in a structure provided around the transistor 200 through the insulator 222 to the inside of the transistor 200 is suppressed. In addition, generation of oxygen vacancies in the oxide 230 can be suppressed.

絶縁体222の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。   The insulator 222 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体222上に絶縁膜224Aを成膜する。絶縁膜224Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, an insulating film 224A is formed over the insulator 222. The insulating film 224A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、もしくは10%以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス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。   Subsequently, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C, more preferably 320 ° C to 450 ° C. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, in the heat treatment, heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere, and then heat treatment is performed in an atmosphere including an oxidizing gas at 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more to supplement desorbed oxygen. Good.

本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜224Aに含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。   In this embodiment mode, after the treatment is performed at 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere, the treatment is continuously performed at 400 ° C. for one hour in an oxygen atmosphere. By the heat treatment, impurities such as water and hydrogen contained in the insulating film 224A can be removed.

また、加熱処理は、絶縁体222の成膜後に行ってもよい。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。   The heat treatment may be performed after the insulator 222 is formed. For the heat treatment, the above-described heat treatment conditions can be used.

ここで、絶縁膜224Aに過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁膜224A内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁膜224Aに含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。   Here, in order to form an excess oxygen region in the insulating film 224A, plasma treatment including oxygen may be performed under reduced pressure. For the plasma treatment containing oxygen, it is preferable to use an apparatus having a power supply for generating high-density plasma using microwaves, for example. Alternatively, a power supply for applying RF (Radio Frequency) may be provided on the substrate side. With the use of high-density plasma, high-density oxygen radicals can be generated. By applying RF to the substrate side, oxygen radicals generated by high-density plasma can be efficiently guided into the insulating film 224A. it can. Alternatively, after performing plasma treatment including an inert gas using this apparatus, plasma treatment including oxygen may be performed to supplement desorbed oxygen. Note that by appropriately selecting the conditions of the plasma treatment, impurities such as water and hydrogen contained in the insulating film 224A can be removed. In that case, the heat treatment may not be performed.

ここで、絶縁膜224A上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウムを絶縁膜224Aに達するまで、CMPを行ってもよい。当該CMPを行うことで絶縁膜224A表面の平坦化および絶縁膜224A表面の平滑化を行うことができる。当該酸化アルミニウムを絶縁膜224A上に配置してCMPを行うことで、CMPの終点検出が容易となる。また、CMPによって、絶縁膜224Aの一部が研磨されて、絶縁膜224Aの膜厚が薄くなることがあるが、絶縁膜224Aの成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁膜224A表面の平坦化および平滑化を行うことで、後に成膜する酸化物の被覆率の悪化を防止し、半導体装置の歩留りの低下を防ぐことができる場合がある。また、絶縁膜224A上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することにより、絶縁膜224Aに酸素を添加することができるので好ましい。   Here, aluminum oxide may be formed over the insulating film 224A by, for example, a sputtering method, and CMP may be performed until the aluminum oxide reaches the insulating film 224A. By performing the CMP, planarization of the surface of the insulating film 224A and planarization of the surface of the insulating film 224A can be performed. By arranging the aluminum oxide on the insulating film 224A and performing the CMP, the end point of the CMP can be easily detected. In addition, the insulating film 224A may be partially polished by CMP to reduce the thickness of the insulating film 224A; however, the thickness may be adjusted when the insulating film 224A is formed. By planarizing and smoothing the surface of the insulating film 224A, deterioration of the coverage of an oxide film to be formed later can be prevented, and reduction in the yield of a semiconductor device can be prevented in some cases. It is preferable that aluminum oxide be formed over the insulating film 224A by a sputtering method because oxygen can be added to the insulating film 224A.

次に、絶縁膜224A上に、酸化膜230A、酸化膜230Bを順に成膜する(図4参照)。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜230A、および酸化膜230B上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜230Aと酸化膜230Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。   Next, an oxide film 230A and an oxide film 230B are sequentially formed on the insulating film 224A (see FIG. 4). Note that the oxide film is preferably formed continuously without exposure to the air environment. When the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed without being exposed to the atmosphere, impurities or moisture from the atmospheric environment can be prevented from being attached to the oxide films 230A and 230B, and the vicinity of the interface between the oxide films 230A and 230B can be reduced. Can be kept clean.

酸化膜230Aおよび、酸化膜230Bの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。   The oxide films 230A and 230B can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

例えば、酸化膜230A、および酸化膜230Bをスパッタリング法によって成膜する場合は、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。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のIn−M−Zn酸化物ターゲットを用いることができる。   For example, in the case where the oxide films 230A and 230B are formed by a sputtering method, 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. In the case where the above oxide film is formed by a sputtering method, the above In-M-Zn oxide target can be used.

特に、酸化膜230A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膜224Aに供給される場合がある。したがって、酸化膜230Aの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。   In particular, when the oxide film 230A is formed, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulating film 224A. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230A may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.

また、酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する場合、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チャネル形成領域に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。   In the case where the oxide film 230B is formed by a sputtering method, the proportion of oxygen contained in a sputtering gas is greater than or equal to 1% and less than or equal to 30%, preferably greater than or equal to 5% and less than or equal to 20%. It is formed. A transistor using an oxygen-deficient oxide semiconductor for a channel formation region can have relatively high field-effect mobility.

本実施の形態では、酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:1:0.5[原子数比](2:2:1[原子数比])、あるいは1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]、あるいは1:1:1[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物230に求める特性に合わせて形成するとよい。   In this embodiment mode, In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5 [atomic ratio] (2: 2: 1 [atomic ratio]) or 1: 3 as the oxide film 230A by a sputtering method. : 4 [atomic ratio] is formed using a target. The oxide film 230B is formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio] or 1: 1: 1 [atomic ratio]. Note that each oxide film may be formed in accordance with characteristics required for the oxide 230 by appropriately selecting a deposition condition and an atomic ratio.

次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜230A、および酸化膜230B中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。   Next, heat treatment may be performed. For the heat treatment, the above-described heat treatment conditions can be used. By the heat treatment, impurities such as water and hydrogen in the oxide films 230A and 230B can be removed. In this embodiment mode, after the treatment is performed at 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere, the treatment is continuously performed at 400 ° C. for one hour in an oxygen atmosphere.

次に、酸化膜230B上に酸化膜243Aを成膜する。酸化膜243Aの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。酸化膜243Aは、Inに対するGaの原子数比が、酸化膜230BのInに対するGaの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜243Aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。次に、酸化膜243A上に導電膜242Aを成膜する。導電膜242Aの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる(図4参照)。   Next, an oxide film 243A is formed on the oxide film 230B. The oxide film 243A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In the oxide film 243A, the atomic ratio of Ga to In is preferably larger than the atomic ratio of Ga to In in the oxide film 230B. In this embodiment, the oxide film 243A is formed by a sputtering method with a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio]. Next, a conductive film 242A is formed over the oxide film 243A. The conductive film 242A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 4).

次に、酸化膜230A、酸化膜230B、酸化膜243A、および導電膜242Aを島状に加工して、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bを形成する(図5参照)。なお、図示しないが、当該工程において、絶縁膜224Aの酸化物230aと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある。   Next, the oxide film 230A, the oxide film 230B, the oxide film 243A, and the conductive film 242A are processed into an island shape to form an oxide 230a, an oxide 230b, an oxide layer 243B, and a conductor layer 242B (FIG. 5). Although not illustrated, in this step, the thickness of a region of the insulating film 224A which does not overlap with the oxide 230a may be reduced.

ここで、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bの側面は、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bの側面が、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ200を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bと絶縁体222の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bの側面と絶縁体222の上面のなす角は60°以上70°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体272などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。   Here, the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductor layer 242B are formed so that at least a part thereof overlaps with the conductor 205. In addition, the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductor layer 242B are preferably substantially perpendicular to the top surface of the insulator 222. When the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductor layer 242B are substantially perpendicular to the top surface of the insulator 222, the area can be reduced when the plurality of transistors 200 is provided. Higher densities are possible. Alternatively, the angle formed between the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the top surface of the conductor layer 242B and the insulator 222 may be low. In that case, the angle formed between the side surface of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductor layer 242B and the upper surface of the insulator 222 is preferably greater than or equal to 60 ° and less than 70 °. By adopting such a shape, coverage with the insulator 272 and the like can be improved in a process after this, and defects such as voids can be reduced.

また、導電体層242Bの側面と導電体層242Bの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、導電体層242B層の端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。   In addition, a curved surface is provided between a side surface of the conductor layer 242B and an upper surface of the conductor layer 242B. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface are preferably curved (hereinafter also referred to as a round shape). The curved surface has, for example, a radius of curvature of 3 nm or more and 10 nm or less, preferably 5 nm or more and 6 nm or less at an end of the conductive layer 242B. By not having a corner at the end, coverage of the film in the subsequent film forming process is improved.

なお、当該酸化膜および導電膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。   Note that the oxide film and the conductive film may be processed by a lithography method. In addition, the processing can use a dry etching method or a wet etching method. Processing by dry etching is suitable for fine processing.

次に絶縁膜224A、酸化物230a、酸化物230b、酸化物層243B、および導電体層242Bの上に、絶縁膜272Aを成膜する(図6参照)。   Next, an insulating film 272A is formed over the insulating film 224A, the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductor layer 242B (see FIG. 6).

絶縁膜272Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁膜272Aは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、スパッタリング法またはALD法によって、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、または、酸化ガリウムを成膜してもよい。   The insulating film 272A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the insulating film 272A, an insulating film having a function of suppressing transmission of oxygen is preferably used. For example, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxide, or gallium oxide may be formed by a sputtering method or an ALD method.

次に、絶縁膜272A上に、絶縁膜273Aを成膜する。絶縁膜273Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、ALD法によって、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。本実施の形態では、ALD法によって、酸化アルミニウムを成膜する(図6参照)。なお、絶縁膜273Aを成膜しない構成とすることもできる。   Next, an insulating film 273A is formed over the insulating film 272A. The insulating film 273A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, it is preferable to form an aluminum oxide film by an ALD method. In this embodiment mode, an aluminum oxide film is formed by an ALD method (see FIG. 6). Note that a structure in which the insulating film 273A is not formed may be employed.

次に、絶縁膜273A上に、絶縁体280となる絶縁膜を成膜する。絶縁体280となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。次に、絶縁体280となる絶縁膜にCMP処理を行い、上面が平坦な絶縁体280を形成する(図7参照)。   Next, an insulating film to be the insulator 280 is formed over the insulating film 273A. The insulating film to be the insulator 280 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Next, CMP treatment is performed on the insulating film to be the insulator 280, so that the insulator 280 having a flat top surface is formed (see FIG. 7).

次に、絶縁体280の一部、絶縁膜273Aの一部、絶縁膜272Aの一部、酸化物層243B、および導電体層242Bの一部を加工して、酸化物230bに達する開口を形成する。該開口は、導電体205と重なるように形成することが好ましい。該開口の形成によって、酸化物243a、酸化物243b、導電体242a、導電体242b、絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体224を形成する(図7参照)。   Next, part of the insulator 280, part of the insulating film 273A, part of the insulating film 272A, part of the oxide layer 243B, and part of the conductor layer 242B are processed to form openings reaching the oxide 230b. I do. The opening is preferably formed so as to overlap with the conductor 205. Through the formation of the opening, the oxide 243a, the oxide 243b, the conductor 242a, the conductor 242b, the insulator 272, the insulator 273, and the insulator 224 are formed (see FIG. 7).

また、絶縁体280の一部、絶縁膜273Aの一部、絶縁膜272Aの一部、酸化物層243B、および導電体層242Bの一部の加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体280の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁膜273Aの一部をウェットエッチング法で加工し、絶縁膜272Aの一部、酸化物層243B、および導電体層242Bの一部をドライエッチング法で加工してもよい。   Processing of part of the insulator 280, part of the insulating film 273A, part of the insulating film 272A, part of the oxide layer 243B, and part of the conductor layer 242B may be performed under different conditions. For example, part of the insulator 280 is processed by a dry etching method, part of the insulating film 273A is processed by a wet etching method, part of the insulating film 272A, part of the oxide layer 243B, and part of the conductor layer 242B. May be processed by a dry etching method.

これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物230a、および酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。   By performing a conventional process such as dry etching, impurities due to an etching gas or the like may be attached or diffused to the surface or inside of the oxide 230a and the oxide 230b. Examples of the impurities include fluorine and chlorine.

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。   Cleaning is performed to remove the above impurities and the like. Examples of the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleaning may be appropriately combined.

ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、アンモニア水、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。   As the wet cleaning, a cleaning treatment may be performed using an aqueous solution in which oxalic acid, phosphoric acid, ammonia water, hydrofluoric acid, or the like is diluted with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed.

次に、第1の加熱処理を行っても良い。第1の加熱処理は、酸素を含む雰囲気下で行うと好適である。または、第1の加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜230Cを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化物230bの表面などに表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物230aおよび酸化物230b中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。第1の加熱処理の温度は、100℃以上400℃以下が好ましく、さらに好ましくは150℃以上350℃以下である。本実施の形態では、第1の加熱処理の温度を200℃とし、減圧下で行う(図8参照)。   Next, first heat treatment may be performed. It is preferable that the first heat treatment be performed in an atmosphere containing oxygen. Alternatively, the first heat treatment may be performed under reduced pressure and the oxide film 230C may be formed continuously without exposure to the air. By performing such a treatment, moisture and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide 230b and the like can be removed, and the moisture concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230a and the oxide 230b can be further reduced. . The temperature of the first heat treatment is preferably from 100 ° C to 400 ° C, more preferably from 150 ° C to 350 ° C. In this embodiment, the temperature of the first heat treatment is set to 200 ° C. and the pressure is reduced under reduced pressure (see FIG. 8).

ここで、酸化膜230Cは、少なくとも酸化物230aの側面の一部、酸化物230bの側面の一部および上面の一部、酸化物243の側面の一部、導電体242の側面の一部、絶縁体272の側面、絶縁体273の側面、および絶縁体280の側面と接するように設けられることが好ましい。導電体242は、酸化物243、絶縁体272、酸化膜230Cに囲まれることで、以降の工程において導電体242の酸化による導電率の低下を抑制することができる。   Here, at least part of the side surface of the oxide 230a, part of the side surface and part of the top surface of the oxide 230b, part of the side surface of the oxide 243, part of the side surface of the conductor 242, It is preferable to be provided so as to be in contact with the side surface of the insulator 272, the side surface of the insulator 273, and the side surface of the insulator 280. Since the conductor 242 is surrounded by the oxide 243, the insulator 272, and the oxide film 230C, a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 242 in subsequent steps can be suppressed.

酸化膜230Cの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。酸化膜230Cとして、Inに対するGaの原子数比が、酸化膜230BのInに対するGaの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜230Cとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。   The oxide film 230C can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the oxide film 230C, the atomic ratio of Ga to In is preferably larger than the atomic ratio of Ga to In in the oxide film 230B. In this embodiment, the oxide film 230C is formed by a sputtering method with the use of a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio].

尚、酸化膜230Cは、積層としてもよい。例えば、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて成膜して、連続してIn:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜してもよい。   Note that the oxide film 230C may be stacked. For example, a film is formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio], and successively, In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atom]. [Numerical ratio].

特に、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酸化物230aおよび酸化物230bに供給される場合がある。または、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280に供給される場合がある。したがって、酸化膜230Cの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。   In particular, when the oxide film 230C is formed, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the oxide 230a and the oxide 230b. Alternatively, part of oxygen contained in a sputtering gas may be supplied to the insulator 280 when the oxide film 230C is formed. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230C may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.

次に、第2の加熱処理を行っても良い。第2の加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜250Aを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜230Cの表面などに表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物230a、酸化物230bおよび酸化膜230C中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。第2の加熱処理の温度は、100℃以上400℃以下が好ましい。本実施の形態では、第2の加熱処理の温度を200℃とする(図9参照)。   Next, a second heat treatment may be performed. The second heat treatment may be performed under reduced pressure, and the insulating film 250A may be formed continuously without exposure to the air. By performing such a treatment, moisture and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide film 230C and the like are removed, and the moisture concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide film 230C are further reduced. Can be done. The temperature of the second heat treatment is preferably from 100 ° C to 400 ° C. In this embodiment, the temperature of the second heat treatment is set to 200 ° C. (see FIG. 9).

絶縁膜250Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜250Aとして、CVD法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜250Aを成膜する際の成膜温度は、250℃以上450℃未満、特に350℃前後とすることが好ましい。絶縁膜250Aを、350℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。   The insulating film 250A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. It is preferable that silicon oxynitride be formed by a CVD method as the insulating film 250A. Note that the temperature at which the insulating film 250A is formed is preferably higher than or equal to 250 ° C. and lower than 450 ° C., and particularly preferably about 350 ° C. By forming the insulating film 250A at 350 ° C., an insulator with few impurities can be formed.

次に、導電膜260Aaおよび導電膜260Abを成膜する。導電膜260Aaおよび導電膜260Abの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、CVD法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ALD法を用いて、導電膜260Aaを成膜し、CVD法を用いて導電膜260Abを成膜する(図10参照)。   Next, a conductive film 260Aa and a conductive film 260Ab are formed. The conductive films 260Aa and 260Ab can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, it is preferable to use a CVD method. In this embodiment, the conductive film 260Aa is formed by an ALD method, and the conductive film 260Ab is formed by a CVD method (see FIG. 10).

次に、CMP処理によって、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260Aaおよび導電膜260Abを絶縁体280が露出するまで研磨することによって、酸化物230c、絶縁体250および導電体260(導電体260aおよび導電体260b)を形成する(図11参照)。   Next, by polishing the oxide film 230C, the insulating film 250A, the conductive film 260Aa, and the conductive film 260Ab by CMP until the insulator 280 is exposed, the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 (the conductor 260a And a conductor 260b) (see FIG. 11).

ここで、導電体242は、酸化物243、絶縁体272、酸化物230cに囲まれるように設けられているため、導電体242の酸化による導電率の低下を抑制することができる。   Here, since the conductor 242 is provided so as to be surrounded by the oxide 243, the insulator 272, and the oxide 230c, a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 242 can be suppressed.

次に、第3の加熱処理を行う。本発明の一態様では、第3の加熱処理を行うことによって、酸化膜230C、絶縁体280中に含まれる不純物(代表的には、水、水素など)を好適に除去することが可能である。例えば、第3の加熱処理を行うことによって、酸化膜230C中に含まれる水、水素などを除去(脱水・脱水素化)することによって、酸化膜230Cを高純度真性に近づけることができる。また、第3の加熱処理を行うことによって、絶縁体280中に含まれる水、水素などを除去(脱水・脱水素化)することによって、酸化膜230Cに拡散しうる水、水素などをトランジスタの作製工程中で除去することができる(図11参照)。   Next, a third heat treatment is performed. In one embodiment of the present invention, by performing the third heat treatment, impurities (typically, water, hydrogen, or the like) contained in the oxide film 230C and the insulator 280 can be preferably removed. . For example, by performing the third heat treatment, water, hydrogen, and the like contained in the oxide film 230C are removed (dehydration / dehydrogenation), so that the oxide film 230C can be made to have a high purity. Further, by performing the third heat treatment, water, hydrogen, and the like contained in the insulator 280 are removed (dehydrated and dehydrogenated), so that water, hydrogen, and the like that can diffuse into the oxide film 230C are removed from the transistor. It can be removed during the fabrication process (see FIG. 11).

なお、第3の加熱処理は、窒素雰囲気または、酸素が含まれる雰囲気で行うことができる。好ましくは、第3の加熱処理として、窒素と酸素とが含まれる雰囲気下で行うと好適である。窒素と酸素とが含まれる雰囲気下で行う場合、酸素の割合は、窒素と酸素の合計の5%以上20%以下とすることが好ましい。また、第3の加熱処理の温度は、好ましくは、300℃以上450℃以下、より好ましくは、300℃以上400℃以下である。代表的には、350℃、またはその近傍の温度が好適である。また、加熱処理時間は、100時間以下、好ましくは、1時間以上48時間以下である。代表的には、24時間、またはその近傍の処理時間が好適である。該加熱処理を行うことで、酸化物230、絶縁体250および絶縁体280中の水分濃度および水素濃度を低減させ、酸化物230のチャネル形成領域のキャリア密度を低減することができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて、350℃の温度で、24時間の加熱処理を行う。なお、第3の加熱処理によって、導電体260が酸化されない条件で実施するのが好ましい。 Note that the third heat treatment can be performed in a nitrogen atmosphere or an atmosphere containing oxygen. It is preferable that the third heat treatment be performed in an atmosphere containing nitrogen and oxygen. When the treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen and oxygen, the proportion of oxygen is preferably 5% or more and 20% or less of the total of nitrogen and oxygen. Further, the temperature of the third heat treatment is preferably from 300 ° C to 450 ° C, more preferably from 300 ° C to 400 ° C. Typically, a temperature of 350 ° C. or near it is suitable. The heat treatment time is 100 hours or less, preferably 1 hour to 48 hours. Typically, a processing time of 24 hours or a time in the vicinity thereof is preferable. By performing the heat treatment, the moisture concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230, the insulator 250, and the insulator 280 can be reduced, and the carrier density of the oxide 230 in a channel formation region can be reduced. In this embodiment, heat treatment is performed at 350 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere. Note that the heat treatment is preferably performed under such a condition that the conductor 260 is not oxidized by the third heat treatment.

または、RTA装置を用いて、RTA(Rapid thermal anneal)処理を行ってもよい。RTA処理とは、短時間にて高温の加熱処理を行うことである。例えば、窒素雰囲気にて、400℃以上700℃以下の温度にて60秒以上、120秒以下の加熱処理を行うことができる。なお、RTA装置に用いる光源としては、ランプ方式を用いることができる。ランプ方式のRTA装置を用いることで、処理タクトを高め、生産性を向上させることができる。   Alternatively, RTA (Rapid thermal anneal) processing may be performed using an RTA apparatus. The RTA treatment is to perform a high-temperature heat treatment in a short time. For example, heat treatment can be performed at a temperature of 400 to 700 ° C. for 60 seconds to 120 seconds in a nitrogen atmosphere. Note that a lamp method can be used as a light source for the RTA apparatus. By using the RTA apparatus of the lamp system, the processing tact can be increased and the productivity can be improved.

次に、第4の加熱処理を行っても良い。第4の加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して、導電体260上、酸化物230c上、絶縁体250上、および絶縁体280上に、絶縁体282となる絶縁膜および絶縁体283となる絶縁膜を順に形成すると好ましい。このような処理を行うことによって、導電体260表面、酸化物230c表面、絶縁体250表面、および絶縁体280表面などに吸着している水分および水素を除去することができるので好ましい。絶縁体282となる絶縁膜および絶縁体283となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体282となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。また、絶縁体283となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、窒化シリコンを成膜することが好ましい。このように絶縁体282および絶縁体283を配置することによって、外方から水または水素などの不純物が絶縁体282および絶縁体283を介してトランジスタ200へ拡散することを抑制できる。また、導電体260の上面に接して、絶縁体282を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体280が有する酸素が導電体260へ吸収されることを抑制することができるので好ましい(図12参照)。   Next, a fourth heat treatment may be performed. The fourth heat treatment is performed under reduced pressure and becomes an insulator 282 over the conductor 260, the oxide 230c, the insulator 250, and the insulator 280 without exposure to the air. It is preferable to form an insulating film and an insulating film to be the insulator 283 in that order. By performing such a treatment, moisture and hydrogen adsorbed on the surface of the conductor 260, the surface of the oxide 230c, the surface of the insulator 250, the surface of the insulator 280, and the like can be removed, which is preferable. The insulating film to be the insulator 282 and the insulating film to be the insulator 283 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As an insulating film to be the insulator 282, for example, aluminum oxide is preferably formed by a sputtering method. As the insulating film to be the insulator 283, for example, silicon nitride is preferably formed by a sputtering method. By arranging the insulator 282 and the insulator 283 in this manner, diffusion of impurities such as water or hydrogen from the outside to the transistor 200 through the insulator 282 and the insulator 283 can be suppressed. Further, by forming the insulator 282 in contact with the upper surface of the conductor 260, oxygen in the insulator 280 can be prevented from being absorbed by the conductor 260 in a heat treatment performed later, which is preferable. (See FIG. 12).

上述のように本発明の一態様においては、第3の加熱処理を行うことによって、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。   As described above, in one embodiment of the present invention, by performing the third heat treatment, a highly reliable semiconductor device can be provided.

次に、第5の加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体282の成膜によって添加された酸素を絶縁体280へ注入することができる。また、該酸素は、酸化物230cを介して、酸化物230a、および酸化物230bへ注入することができる。   Next, a fifth heat treatment may be performed. In this embodiment mode, treatment is performed at 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. By the heat treatment, oxygen added by the formation of the insulator 282 can be injected into the insulator 280. The oxygen can be injected into the oxide 230a and the oxide 230b through the oxide 230c.

次に絶縁体283上に、絶縁体274となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体274となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる(図12参照)。   Next, an insulator to be the insulator 274 may be formed over the insulator 283. The insulating film to be the insulator 274 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 12).

次に絶縁体274上に、絶縁体281となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体281となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体281となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、窒化シリコンを成膜することが好ましい。(図12参照)。   Next, an insulator to be the insulator 281 may be formed over the insulator 274. The insulating film to be the insulator 281 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As an insulating film to be the insulator 281, for example, silicon nitride is preferably formed by a sputtering method. (See FIG. 12).

次に、絶縁体272、絶縁体273、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体274および絶縁体281に、導電体242aおよび導電体242bに達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。   Next, openings which reach the conductors 242a and 242b are formed in the insulator 272, the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 274, and the insulator 281. The formation of the opening may be performed using a lithography method.

次に、絶縁体241となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体241を形成する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体241となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ALD法によって、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを成膜することが好ましい。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体240aおよび導電体240bの酸化を防止することができる。また、導電体240aおよび導電体240bから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。   Next, an insulating film to be the insulator 241 is formed, and the insulator 241 is formed by anisotropic etching of the insulating film. The conductive film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the insulating film to be the insulator 241, an insulating film having a function of suppressing transmission of oxygen is preferably used. For example, aluminum oxide or silicon nitride is preferably formed by an ALD method. The anisotropic etching may be performed by, for example, a dry etching method. With such a structure of the side wall of the opening, permeation of oxygen from the outside can be suppressed, and oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b to be formed next can be prevented. In addition, diffusion of impurities such as water and hydrogen from the conductor 240a and the conductor 240b to the outside can be prevented.

次に、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜を成膜する。導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体240となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed. It is preferable that the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b have a stacked structure including a conductor having a function of suppressing transmission of impurities such as water and hydrogen. For example, a stack of tantalum nitride, titanium nitride, or the like and tungsten, molybdenum, copper, or the like can be used. The conductive film to be the conductor 240 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、CMP処理を行うことで、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体281を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240aおよび導電体240bを形成することができる(図1参照)。なお、当該CMP処理により、絶縁体281の一部が除去される場合がある。   Next, by performing CMP treatment, part of the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is removed, so that the insulator 281 is exposed. As a result, the conductive film remains only in the opening, so that the conductor 240a and the conductor 240b having a flat top surface can be formed (see FIG. 1). Note that part of the insulator 281 may be removed by the CMP treatment.

次に、導電体246となる導電膜を成膜する。導電体246となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductive film to be the conductor 246 is formed. The conductive film to be the conductor 246 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、導電体246となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体240aの上面と接する導電体246aおよび導電体240bの上面と接する導電体246bを形成する(図1参照)。   Next, the conductive film serving as the conductor 246 is processed by lithography to form the conductor 246a in contact with the upper surface of the conductor 240a and the conductor 246b in contact with the upper surface of the conductor 240b (see FIG. 1).

以上により、図1に示すトランジスタ200を有する半導体装置を作製することができる。図4乃至図12に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200を作製することができる。   Through the above, a semiconductor device including the transistor 200 illustrated in FIG. 1 can be manufactured. As illustrated in FIGS. 4 to 12, the transistor 200 can be manufactured by using the method for manufacturing a semiconductor device described in this embodiment.

本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、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。または、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。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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。または、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 with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having high frequency characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electric characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.

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、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   As described above, the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, 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17および図18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]
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図17に示す。本発明の一態様の半導体装置は、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。なお、トランジスタ200として、先の実施の形態で説明したトランジスタ200を用いることができる。
[Storage device 1]
FIG. 17 illustrates an example of a semiconductor device (memory device) using the capacitor which is one embodiment of the present invention. In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200. Note that as the transistor 200, the transistor 200 described in the above embodiment can be used.

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 off-state current of the transistor 200 is small, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 in a memory device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the storage device can be sufficiently reduced.

図17に示す半導体装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002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1003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1004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1006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1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 17, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. Further, the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the first gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the second gate of the transistor 200. It is connected to the. Further, 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 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .

また、図17に示す記憶装置は、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。   The memory devices illustrated in FIG. 17 can be arranged in a matrix, so that a memory cell array can be formed.

<トランジスタ300>
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、ゲートとして機能する導電体316、ゲート絶縁体として機能する絶縁体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。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。
<Transistor 300>
The transistor 300 is provided over a substrate 311 and has a conductor 316 functioning as a gate, an insulator 315 functioning as a gate insulator, a semiconductor region 313 which is part of the substrate 311, and a low-voltage transistor functioning as a source or drain region. It has a resistance region 314a and a low resistance region 314b. The transistor 300 may be either a p-channel transistor or an n-channel transistor.

ここで、図17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。   Here, in the transistor 300 illustrated in FIG. 17, a semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) in which a channel is formed has a convex shape. The conductor 316 is provided so as to cover the side surface and the top surface of the semiconductor region 313 with the insulator 315 interposed therebetween. Note that the conductor 316 may be formed using a material whose work function is adjusted. Such a transistor 300 is also called a FIN transistor because it utilizes a projection of a semiconductor substrate. Note that an insulator may be provided in contact with an upper portion of the projection and functioning as a mask for forming the projection. Although a case where a part of a semiconductor substrate is processed to form a convex portion is described here, a semiconductor film having a convex shape may be formed by processing an SOI substrate.

なお、図17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 FIG. 17 is an example, and there is no limitation on the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

<容量素子100>
容量素子100は、トランジスタ200の上方に設けられる。容量素子100は、第1の電極として機能する導電体110と、第2の電極として機能する導電体120、および誘電体として機能する絶縁体130とを有する。
<Capacitance element 100>
The capacitor 100 is provided above the transistor 200. The capacitor 100 includes a conductor 110 functioning as a first electrode, a conductor 120 functioning as a second electrode, and an insulator 130 functioning as a dielectric.

また、例えば、導電体246上に設けた導電体112と、導電体110は、同時に形成することができる。なお、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、または配線としての機能を有する。   Further, for example, the conductor 112 provided over the conductor 246 and the conductor 110 can be formed at the same time. Note that the conductor 112 functions as a plug or a wiring which is electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.

図17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. 17, the conductor 112 and the conductor 110 have a single-layer structure; however, this embodiment is not limited to this structure and may have a stacked structure of two or more layers. For example, a conductor having a barrier property and a conductor having high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

また、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。   The insulator 130 is formed using, for example, 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, or hafnium nitride. Or the like may be used, and they can be provided in a stacked 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と、高誘電率(high−k)材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子100は、高誘電率(high−k)の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、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, it is preferable that the insulator 130 have a stacked structure of a material with high dielectric strength, such as silicon oxynitride, and a high dielectric constant (high-k) material. With this structure, the capacitor 100 has an insulator with a high dielectric constant (high-k), so that sufficient capacitance can be secured. Since the capacitor 100 has an insulator with a large dielectric strength, the dielectric strength is improved, and the capacitance is improved. Electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.

なお、高誘電率(high−k)材料(高い比誘電率の材料)の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。   Gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium, oxynitrides containing aluminum and hafnium are given as insulators of a high dielectric constant (high-k) material (a material having a high relative dielectric constant). , An oxide containing silicon and hafnium, an oxynitride containing silicon and hafnium, or a nitride containing silicon and hafnium.

一方、絶縁耐力が大きい材料(低い比誘電率の材料)としては、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。   On the other hand, materials having high dielectric strength (materials having a low dielectric constant) include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, carbon and nitrogen. There is silicon oxide added, silicon oxide having pores, or a resin.

<配線層>
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての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。
<Wiring layer>
A wiring layer provided with an interlayer film, a wiring, a plug, and the like may be provided between the structures. Further, a plurality of wiring layers can be provided depending on the design. Here, a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by combining a plurality of structures. Further, in this specification and the like, a wiring and a plug that is electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor functions as a wiring and a part of the conductor functions as a plug in some cases.

例えば、トランジスタ300上には、層間膜として、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。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する。   For example, over the transistor 300, an insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked as interlayer films. In the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, a conductor 328 that is electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200, a conductor 330, or the like is embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings.

また、層間膜として機能する絶縁体は、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。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。   Further, the insulator functioning as an interlayer film may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator. 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.

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17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する。   A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 17, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked. Further, a conductor 356 is formed over the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wiring.

同様に、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。さらに、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。   Similarly, the conductor 218, the conductor (the conductor 205) included in the transistor 200, and the like are embedded in the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. Note that the conductor 218 functions as a plug or a wiring which is electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300. Further, an insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130.

層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。   Examples of an insulator that can be used as the interlayer film include an oxide, a nitride, an oxynitride, a nitrided oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, and a metal nitride oxide having an insulating property.

例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。   For example, by using a material having a low relative dielectric constant for an insulator functioning as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, a material may be selected according to the function of the insulator.

例えば、絶縁体150、絶縁体210、絶縁体352、および絶縁体354等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂との積層構造を有することが好ましい。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、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。   For example, the insulator 150, the insulator 210, the insulator 352, the insulator 354, or the like preferably includes an insulator having a low relative dielectric constant. For example, the insulator may include silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide or resin having holes, or the like. preferable. Alternatively, the insulator is silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having holes. And a resin. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, they can be combined with a resin to have a stacked structure that is thermally stable and has a low relative dielectric constant. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, and the like), polyimide, polycarbonate, and acryl.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体214、絶縁体212および絶縁体350等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。   In addition, a transistor including an oxide semiconductor can have stable electrical characteristics by being surrounded by an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used for the insulator 214, the insulator 212, the insulator 350, and the like.

水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。   Examples of the insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. , Lanthanum, neodymium, hafnium, or an insulator containing tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. Specifically, as an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or A metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.

配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。   Conductors that can be used for wiring and plugs include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, and indium. A material containing at least one metal element selected from ruthenium and the like can be used. Alternatively, a semiconductor having high electric conductivity, represented by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.

例えば、導電体328、導電体330、導電体356、導電体218、および導電体112等としては、上記の材料で形成される金属材料、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。   For example, as the conductor 328, the conductor 330, the conductor 356, the conductor 218, the conductor 112, and the like, a metal material, an alloy material, a metal nitride material, a metal oxide material, or the like formed using the above materials. Can be used as a single layer or a stacked layer. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum, which has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferable to use a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. By using a low-resistance conductive material, wiring resistance can be reduced.

<酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ>
なお、トランジスタ200に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
<Wiring or plug in a layer provided with an oxide semiconductor>
Note that in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 200, an insulator having an excess oxygen region may be provided in the vicinity of the oxide semiconductor in some cases. In that case, an insulator having a barrier property is preferably provided between the insulator having the excess oxygen region and a conductor provided in the insulator having the excess oxygen region.

例えば、図17では、過剰酸素を有する絶縁体224と、導電体245との間に、絶縁体276を設けるとよい。絶縁体276と、絶縁体222、および絶縁体272とが接して設けられることで、絶縁体224、およびトランジスタ200は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体276は、絶縁体280の一部とも接することが好ましい。絶縁体276が、絶縁体280まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。   For example, in FIG. 17, an insulator 276 may be provided between the insulator 224 containing excess oxygen and the conductor 245. When the insulator 276 is provided in contact with the insulator 222 and the insulator 272, the insulator 224 and the transistor 200 can have a structure in which the insulator 224 and the transistor 200 are sealed with an insulator having a barrier property. Further, it is preferable that the insulator 276 be in contact with part of the insulator 280. When the insulator 276 extends to the insulator 280, diffusion of oxygen and impurities can be further suppressed.

つまり、絶縁体276を設けることで、絶縁体224が有する過剰酸素が、導電体245に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体276を有することで、不純物である水素が、導電体245を介して、トランジスタ200へ拡散することを抑制することができる。   That is, by providing the insulator 276, the excess oxygen included in the insulator 224 can be suppressed from being absorbed by the conductor 245. In addition, with the use of the insulator 276, diffusion of hydrogen which is an impurity to the transistor 200 through the conductor 245 can be suppressed.

なお、絶縁体276としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。   Note that as the insulator 276, an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used. For example, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or the like. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.

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. With the use of this structure, in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor, change 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18に示す。図18に示す記憶装置は、図17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400を有している。
[Storage device 2]
FIG. 18 illustrates an example of a memory device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. The memory device illustrated in FIG. 18 includes a transistor 400 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400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400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400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400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400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400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400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 400 can control the second gate voltage of the transistor 200. For example, the first gate and the second gate of the transistor 400 are diode-connected to the source, and the source of the transistor 400 is connected to the second gate of the transistor 200. When the negative potential of the second gate of the transistor 200 is held in this structure, the voltage between the first gate and the source and the voltage between the second gate and the source of the transistor 400 become 0 V. In the transistor 400, the drain current when the second gate voltage and the first gate voltage are 0 V is extremely small; therefore, without supplying power to the transistor 200 and the transistor 400, the second gate of the transistor 200 A negative potential can be maintained for a long time. Thus, the memory device including the transistor 200 and the transistor 400 can hold stored data for a long time.

従って、図18において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002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1003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1004はトランジスタ200のゲートと電気的に接続され、配線1006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1005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1007はトランジスタ400のソースと電気的に接続され、配線1008はトランジスタ400のゲートと電気的に接続され、配線1009はトランジスタ400のバックゲートと電気的に接続され、配線1010はトランジスタ400のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線1006、配線1007、配線1008、及び配線1009が電気的に接続されている。   Therefore, in FIG. 18, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the back gate of the transistor 200. . Further, 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 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. . The wiring 1007 is electrically connected to the source of the transistor 400; the wiring 1008 is electrically connected to the gate of the transistor 400; the wiring 1009 is electrically connected to the back gate of the transistor 400; Is electrically connected to Here, the wiring 1006, the wiring 1007, the wiring 1008, and the wiring 1009 are electrically connected.

また、図18に示す記憶装置は、図17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400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400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. 18 can form a memory cell array by being arranged in a matrix, similarly to the memory device illustrated in FIG. Note that one transistor 400 can control the second gate voltage of the plurality of transistors 200. Therefore, the number of the transistors 400 is preferably smaller than that of the transistor 200.

<トランジスタ400>
トランジスタ400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400は、第1のゲート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のゲートとして機能する導電体405(導電体405a、および導電体405b)と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体222、および絶縁体450と、チャネル形成領域を有する酸化物430cと、ソースとして機能する導電体442a、酸化物443a、酸化物431a、および酸化物431bと、ドレインとして機能する導電体442b、酸化物443b、酸化物432a、および酸化物432bと、プラグとして機能する導電体440(導電体440a、および導電体440b)と、を有する。
<Transistor 400>
The transistor 400 is formed in the same layer as the transistor 200 and can be manufactured in parallel. The transistor 400 includes a conductor 460 (a conductor 460a and a conductor 460b) functioning as a first gate, a conductor 405 (a conductor 405a and a conductor 405b) functioning as a second gate, An insulator 222 and an insulator 450 functioning as layers, an oxide 430c including a channel formation region, a conductor 442a, an oxide 443a, an oxide 431a, and an oxide 431b functioning as a source, and functioning as a drain The semiconductor device includes the conductor 442b, the oxide 443b, the oxide 432a, and the oxide 432b, and the conductor 440 (the conductor 440a and the conductor 440b) functioning as a plug.

トランジスタ400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は、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bは、酸化物230bと、同じ層である。導電体442は、導電体242と、同じ層である。酸化物443は、酸化物243と、同じ層である。酸化物430cは、酸化物230cと、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。   In the transistor 400, the conductor 405 is the same layer as the conductor 205. The oxide 431a and the oxide 432a are the same layer as the oxide 230a, and the oxide 431b and the oxide 432b are the same layer as the oxide 230b. The conductor 442 is the same layer as the conductor 242. The oxide 443 is the same layer as the oxide 243. 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.

なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物430cは、酸化物230cとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。   Note that the structures formed in the same layer can be formed at the same time. For example, the oxide 430c can be formed by processing an oxide film to be the oxide 230c.

トランジスタ400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400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 400, oxygen vacancies are reduced and impurities such as hydrogen and water are reduced as in the oxide 230 and the like. Accordingly, the threshold voltage of the transistor 400 is higher than 0 V, the off-state current is reduced, and the drain current when the second gate voltage and the first gate voltage are 0 V can be extremely low.

<ダイシングライン>
以下では、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。
<Dicing line>
Hereinafter, a dicing line (which may be referred to as a scribe line, a division line, or a cutting line) provided when a large-area substrate is divided into semiconductor elements to take out a plurality of semiconductor devices in a chip shape will be described. . As a dividing method, for example, there is a case where a groove (dicing line) for dividing a semiconductor element is first formed on a substrate, and then cut along the dicing line to be divided (divided) into a plurality of semiconductor devices.

ここで、例えば、図18に示すように、絶縁体272と、絶縁体222とが接する領域をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ200を有するメモリセル、およびトランジスタ400の外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体224に開口を設ける。また、絶縁体224の側面を覆うように、絶縁体272を設ける。   Here, for example, as shown in FIG. 18, it is preferable to design a region where the insulator 272 and the insulator 222 are in contact with each other to be a dicing line. That is, an opening is provided in the insulator 224 in the vicinity of a memory cell including a plurality of transistors 200 and a region to be a dicing line provided at an outer edge of the transistor 400. Further, an insulator 272 is provided so as to cover a side surface of the insulator 224.

つまり、上記絶縁体224に設けた開口において、絶縁体222と、絶縁体272とが接する。例えば、このとき、絶縁体222と、絶縁体272とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体222、および絶縁体272を、同材料、および同方法で設けることで、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好ましい。   That is, the insulator 222 and the insulator 272 are in contact with each other at the opening provided in the insulator 224. For example, at this time, the insulator 222 and the insulator 272 may be formed using the same material and the same method. When the insulator 222 and the insulator 272 are provided using the same material and the same method, adhesion can be improved. For example, it is preferable to use aluminum oxide.

当該構造により、絶縁体222、および絶縁体272で、絶縁体224、トランジスタ200、およびトランジスタ400を包み込むことができる。絶縁体222、および絶縁体272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回路領域ごとに、基板を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、およびトランジスタ400に拡散することを防ぐことができる。   With the structure, the insulator 224, the transistor 200, and the transistor 400 can be covered with the insulator 222 and the insulator 272. Since the insulator 222 and the insulator 272 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water, the substrate is divided for each circuit region where the semiconductor element described in this embodiment is formed. Accordingly, even when the chip is processed into a plurality of chips, impurities such as hydrogen or water can be prevented from entering the transistor 200 and the transistor 400 from the lateral direction of the separated substrate.

また、当該構造により、絶縁体224の過剰酸素が絶縁体272、および絶縁体222を介して外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体224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400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400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400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400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 224 can be prevented from diffusing to the outside through the insulator 272 and the insulator 222. Accordingly, the excess oxygen in the insulator 224 is efficiently supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 or the transistor 400 is formed. With the use of the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 or the transistor 400 is formed can be reduced. Accordingly, the oxide in which the channel is formed in the transistor 200 or the transistor 400 can be an oxide semiconductor having low density of defect states and stable characteristics. That is, change in electrical characteristics of the transistor 200 or the transistor 400 can be suppressed and reliability can be improved.

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、構造、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, structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態3)
本実施の形態では、図19および図20を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ場合がある)、および容量素子が適用されている記憶装置(以下、OSメモリ装置と呼ぶ場合がある)について説明する。OSメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するOSトランジスタを有する記憶装置である。OSトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、OSメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a transistor including an oxide as a semiconductor (hereinafter, may be referred to as an OS transistor) and a capacitor according to one embodiment of the present invention are described with reference to FIGS. A storage device (hereinafter, may be referred to as an OS memory device) that is located will be described. An OS memory device is a storage device including at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent holding characteristics and can function as a nonvolatile memory.

<記憶装置の構成例>
図19(A)にOSメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置1400は、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470を有する。周辺回路1411は、行回路1420、列回路1430、出力回路1440、コントロールロジック回路1460を有する。
<Configuration example of storage device>
FIG. 19A illustrates an example of a configuration of an OS memory device. The storage device 1400 includes a peripheral circuit 1411 and a memory cell array 1470. The peripheral circuit 1411 includes a row circuit 1420, a column circuit 1430, an output circuit 1440, and a control logic circuit 1460.

列回路1430は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ1470が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路1440を介して、データ信号RDATAとして記憶装置1400の外部に出力される。また、行回路1420は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。   The column circuit 1430 includes, for example, a column decoder, a precharge circuit, a sense amplifier, a write circuit, and the like. The precharge circuit has a function of precharging a wiring. The sense amplifier has a function of amplifying a data signal read from a memory cell. Note that the above wiring is a wiring connected to a memory cell included in the memory cell array 1470, and will be described later in detail. The amplified data signal is output to the outside of the storage device 1400 as a data signal RDATA via the output circuit 1440. The row circuit 1420 includes, for example, a row decoder, a word line driver circuit, and the like, and can select a row to be accessed.

記憶装置1400には、外部から電源電圧として低電源電圧(VSS)、周辺回路1411用の高電源電圧(VDD)、メモリセルアレイ1470用の高電源電圧(VIL)が供給される。また、記憶装置1400には、制御信号(CE、WE、RE)、アドレス信号ADDR、データ信号WDATAが外部から入力される。アドレス信号ADDRは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、WDATAは書き込み回路に入力される。   A low power supply voltage (VSS), a high power supply voltage (VDD) for the peripheral circuit 1411, and a high power supply voltage (VIL) for the memory cell array 1470 are externally supplied to the storage device 1400. Further, a control signal (CE, WE, RE), an address signal ADDR, and a data signal WDATA are externally input to the storage device 1400. The address signal ADDR is input to a row decoder and a column decoder, and WDATA is input to a write circuit.

コントロールロジック回路1460は、外部からの入力信号(CE、WE、RE)を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。CEは、チップイネーブル信号であり、WEは、書き込みイネーブル信号であり、REは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路1460が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。   The control logic circuit 1460 processes an external input signal (CE, WE, RE) to generate a control signal for a row decoder and a column decoder. CE is a chip enable signal, WE is a write enable signal, and RE is a read enable signal. The signal processed by the control logic circuit 1460 is not limited to this, and another control signal may be input as needed.

メモリセルアレイ1470は、行列状に配置された、複数個のメモリセルMCと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ1470と行回路1420とを接続している配線の数は、メモリセルMCの構成、一列に有するメモリセルMCの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ1470と列回路1430とを接続している配線の数は、メモリセルMCの構成、一行に有するメモリセルMCの数などによって決まる。   The memory cell array 1470 has a plurality of memory cells MC and a plurality of wirings arranged in a matrix. Note that the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the row circuit 1420 is determined by the configuration of the memory cells MC, the number of memory cells MC in one column, and the like. Further, the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the column circuit 1430 is determined by the configuration of the memory cells MC, the number of memory cells MC included in one row, and the like.

なお、図19(A)において、周辺回路1411とメモリセルアレイ1470を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図19(B)に示すように、周辺回路1411の一部の上に、メモリセルアレイ1470が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ1470の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。   Note that FIG. 19A illustrates an example in which the peripheral circuit 1411 and the memory cell array 1470 are formed on the same plane; however, this embodiment is not limited to this. For example, as illustrated in FIG. 19B, a memory cell array 1470 may be provided over part of a peripheral circuit 1411. For example, a structure in which a sense amplifier is provided so as to overlap below the memory cell array 1470 may be employed.

図20に上述のメモリセルMCに適用できるメモリセルの構成例について説明する。   FIG. 20 illustrates a configuration example of a memory cell applicable to the above-described memory cell MC.

[DOSRAM]
図20(A)乃至(C)に、DRAMのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、1OSトランジスタ1容量素子型のメモリセルを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ場合がある。図20(A)に示す、メモリセル1471は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、ゲート(フロントゲートと呼ぶ場合がある)、及びバックゲートを有する。
[DOSRAM]
20A to 20C show circuit configuration examples of a memory cell of a DRAM. In this specification and the like, a DRAM including a memory cell of one OS transistor and one capacitor may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). A memory cell 1471 illustrated in FIG. 20A includes a transistor M1 and a capacitor CA. Note that the transistor M1 has a gate (sometimes called a front gate) and a back gate.

トランジスタM1の第1端子は、容量素子CAの第1端子と接続され、トランジスタM1の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM1のゲートは、配線WOLと接続され、トランジスタM1のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子CAの第2端子は、配線CALと接続されている。   A first terminal of the transistor M1 is connected to a first terminal of the capacitor CA, a second terminal of the transistor M1 is connected to a wiring BIL, a gate of the transistor M1 is connected to a wiring WOL, and a back gate of the transistor M1. Are connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitor CA is connected to the wiring CAL.

配線BILは、ビット線として機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線CALは、容量素子CAの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線BGLは、トランジスタM1のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM1のしきい値電圧を増減することができる。   The wiring BIL functions as a bit line, and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitor CA. It is preferable that a low-level potential be applied to the wiring CAL during data writing and data reading. The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased.

また、メモリセルMCは、メモリセル1471に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルMCは、図20(B)に示すメモリセル1472のように、トランジスタM1のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図20(C)に示すメモリセル1473ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタM1で構成されたメモリセルとしてもよい。   Further, the memory cell MC is not limited to the memory cell 1471, and the circuit configuration can be changed. For example, the memory cell MC may have a structure in which the back gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL as in a memory cell 1472 illustrated in FIG. For example, the memory cell MC may be a single-gate transistor, that is, a memory cell including a transistor M1 without a back gate, like the memory cell 1473 illustrated in FIG. 20C.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1471等に用いる場合、トランジスタM1としてトランジスタ200を用い、容量素子CAとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM1のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM1によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル1471、メモリセル1472、メモリセル1473に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。   In the case where the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory cell 1471 or the like, the transistor 200 can be used as the transistor M1 and the capacitor 100 can be used as the capacitor CA. By using an OS transistor as the transistor M1, the leakage current of the transistor M1 can be extremely low. That is, the written data can be held for a long time by the transistor M1, so that the frequency of refreshing the memory cell can be reduced. Further, the refresh operation of the memory cell can be made unnecessary. Further, since the leak current is extremely low, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1471, the memory cell 1472, and the memory cell 1473.

また、DOSRAMにおいて、上記のように、メモリセルアレイ1470の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。   In the DOSRAM, as described above, when the sense amplifier is provided so as to overlap below the memory cell array 1470, the bit line can be shortened. As a result, the bit line capacity is reduced, and the storage capacity of the memory cell can be reduced.

[NOSRAM]
図20(D)乃至(H)に、2トランジスタ1容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図20(D)に示す、メモリセル1474は、トランジスタM2と、トランジスタM3と、容量素子CBと、を有する。なお、トランジスタM2は、フロントゲート(単にゲートと呼ぶ場合がある)、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタM2にOSトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM)と呼ぶ場合がある。
[NOSRAM]
FIGS. 20D to 20H show circuit configuration examples of a gain cell memory cell having two transistors and one capacitor. The memory cell 1474 illustrated in FIG. 20D includes a transistor M2, a transistor M3, and a capacitor CB. Note that the transistor M2 has a front gate (which may be simply referred to as a gate) and a back gate. In this specification and the like, a storage device including a gain cell memory cell including an OS transistor as the transistor M2 may be referred to as a NOSRAM (Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM).

トランジスタM2の第1端子は、容量素子CBの第1端子と接続され、トランジスタM2の第2端子は、配線WBLと接続され、トランジスタM2のゲートは、配線WOLと接続され、トランジスタM2のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子CBの第2端子は、配線CALと接続されている。トランジスタM3の第1端子は、配線RBLと接続され、トランジスタM3の第2端子は、配線SLと接続され、トランジスタM3のゲートは、容量素子CBの第1端子と接続されている。   A first terminal of the transistor M2 is connected to a first terminal of the capacitor CB, a second terminal of the transistor M2 is connected to a wiring WBL, a gate of the transistor M2 is connected to a wiring WOL, and a back gate of the transistor M2. Are connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitor CB is connected to the wiring CAL. A first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, a second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and a gate of the transistor M3 is connected to a first terminal of the capacitor CB.

配線WBLは、書き込みビット線として機能し、配線RBLは、読み出しビット線として機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線CALは、容量素子CBの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線BGLは、トランジスタM2のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM2のしきい値電圧を増減することができる。   The wiring WBL functions as a write bit line, the wiring RBL functions as a read bit line, and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitor CB. It is preferable that a low-level potential be applied to the wiring CAL during data writing, data holding, and data reading. The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M2. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased.

また、メモリセルMCは、メモリセル1474に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルMCは、図20(E)に示すメモリセル1475のように、トランジスタM2のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図20(F)に示すメモリセル1476のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタM2で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図20(G)に示すメモリセル1477のように、配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとしてまとめた構成であってもよい。   Further, the memory cell MC is not limited to the memory cell 1474, and the circuit configuration can be changed as appropriate. For example, the memory cell MC may have a structure in which the back gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL as in a memory cell 1475 illustrated in FIG. For example, the memory cell MC may be a single-gate transistor, that is, a memory cell including a transistor M2 without a back gate, like the memory cell 1476 illustrated in FIG. For example, the memory cell MC may have a structure in which the wiring WBL and the wiring RBL are combined as one wiring BIL as in a memory cell 1477 illustrated in FIG.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1474等に用いる場合、トランジスタM2としてトランジスタ200を用い、トランジスタM3としてトランジスタ300を用い、容量素子CBとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM2としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM2のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタM2によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル1474に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル1475乃至1477も同様である。   In the case where the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory cell 1474 or the like, the transistor 200 can be used as the transistor M2, the transistor 300 can be used as the transistor M3, and the capacitor 100 can be used as the capacitor CB. By using an OS transistor as the transistor M2, the leakage current of the transistor M2 can be extremely low. Thus, the written data can be held for a long time by the transistor M2, so that the frequency of refreshing the memory cell can be reduced. Further, the refresh operation of the memory cell can be made unnecessary. Further, since the leakage current is extremely low, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1474. The same applies to memory cells 1475 to 1477.

なお、トランジスタM3は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ場合がある)であってもよい。Siトランジスタの導電型は、nチャネル型としてもよいし、pチャネル型としてもよい。Siトランジスタは、OSトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタM3として、Siトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタM3にSiトランジスタを用いることで、トランジスタM3の上に積層してトランジスタM2を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。   Note that the transistor M3 may be a transistor including silicon in a channel formation region (hereinafter, may be referred to as a Si transistor). The conductivity type of the Si transistor may be an n-channel type or a p-channel type. The Si transistor may have higher field-effect mobility than the OS transistor. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 functioning as a reading transistor. In addition, by using a Si transistor as the transistor M3, the transistor M2 can be provided over the transistor M3, so that the area occupied by the memory cell can be reduced and the memory device can be highly integrated.

また、トランジスタM3はOSトランジスタであってもよい。トランジスタM2、M3にOSトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。   Further, the transistor M3 may be an OS transistor. In the case where OS transistors are used for the transistors M2 and M3, a circuit can be formed using the memory cell array 1470 using only n-type transistors.

また、図20(H)に3トランジスタ1容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図20(H)に示すメモリセル1478は、トランジスタM4乃至M6、および容量素子CCを有する。容量素子CCは適宜設けられる。メモリセル1478は、配線BIL、RWL、WWL、BGL、およびGNDLに電気的に接続されている。配線GNDLは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル1478を、配線BILに代えて、配線RBL、WBLに電気的に接続してもよい。   FIG. 20H illustrates an example of a gain cell memory cell including three transistors and one capacitor. The memory cell 1478 illustrated in FIG. 20H includes transistors M4 to M6 and a capacitor CC. The capacitor CC is provided as appropriate. The memory cell 1478 is electrically connected to the wirings BIL, RWL, WWL, BGL, and GNDL. The wiring GNDL is a wiring that applies a low-level potential. Note that the memory cell 1478 may be electrically connected to the wirings RBL and WBL instead of the wiring BIL.

トランジスタM4は、バックゲートを有するOSトランジスタであり、バックゲートは配線BGLに電気的に接続されている。なお、トランジスタM4のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタM4はバックゲートを有さなくてもよい。   The transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL. Note that the back gate and the gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, the transistor M4 may not have a back gate.

なお、トランジスタM5、M6はそれぞれ、nチャネル型Siトランジスタまたはpチャネル型Siトランジスタでもよい。或いは、トランジスタM4乃至M6がOSトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。   Note that each of the transistors M5 and M6 may be an n-channel Si transistor or a p-channel Si transistor. Alternatively, the transistors M4 to M6 may be OS transistors. In this case, a circuit can be formed using the memory cell array 1470 using only n-type transistors.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1478に用いる場合、トランジスタM4としてトランジスタ200を用い、トランジスタM5、M6としてトランジスタ300を用い、容量素子CCとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM4としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM4のリーク電流を非常に低くすることができる。   In the case where the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory cell 1478, the transistor 200 can be used as the transistor M4, the transistor 300 can be used as the transistors M5 and M6, and the capacitor 100 can be used as the capacitor CC. When an OS transistor is used as the transistor M4, the leakage current of the transistor M4 can be extremely low.

なお、本実施の形態に示す、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。   Note that the structures of the peripheral circuit 1411, the memory cell array 1470, and the like described in this embodiment are not limited to the above. Arrangement or function of these circuits and wirings, circuit elements, and the like connected to the circuits may be changed, deleted, or added as necessary.

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、構造、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, structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態4)
本実施の形態では、図21を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ1200の一例を示す。チップ1200には、複数の回路(システム)が実装されている。このように、複数の回路(システム)を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ(System on Chip:SoC)と呼ぶ場合がある。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a chip 1200 in which the semiconductor device of the present invention is mounted is described with reference to FIGS. A plurality of circuits (systems) are mounted on the chip 1200. Such a technique of integrating a plurality of circuits (systems) on a single chip may be referred to as a system-on-chip (SoC).

図21(A)に示すように、チップ1200は、CPU(Central Processing Unit)1211、GPU(Graphics Processing Unit)1212、一または複数のアナログ演算部1213、一または複数のメモリコントローラ1214、一または複数のインターフェース1215、一または複数のネットワーク回路1216等を有する。   As shown in FIG. 21A, a chip 1200 includes a CPU (Central Processing Unit) 1211, a GPU (Graphics Processing Unit) 1212, one or a plurality of analog operation units 1213, one or a plurality of memory controllers 1214, one or a plurality of Interface 1215, one or a plurality of network circuits 1216, and the like.

チップ1200には、バンプ(図示しない)が設けられ、図21(B)に示すように、プリント基板(Printed Circuit Board:PCB)1201の第1の面と接続する。また、PCB1201の第1の面の裏面には、複数のバンプ1202が設けられており、マザーボード1203と接続する。   The chip 1200 is provided with bumps (not shown) and is connected to a first surface of a printed circuit board (PCB) 1201 as shown in FIG. In addition, a plurality of bumps 1202 are provided on the back surface of the first surface of the PCB 1201, and are connected to the motherboard 1203.

マザーボード1203には、DRAM1221、フラッシュメモリ1222等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、DRAM1221に先の実施の形態に示すDOSRAMを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ1222に先の実施の形態に示すNOSRAMを用いることができる。   The motherboard 1203 may be provided with storage devices such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222. For example, the DOSRAM described in the above embodiment can be used as the DRAM 1221. For example, the NOSRAM described in the above embodiment can be used for the flash memory 1222.

CPU1211は、複数のCPUコアを有することが好ましい。また、GPU1212は、複数のGPUコアを有することが好ましい。また、CPU1211、およびGPU1212は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、CPU1211、およびGPU1212に共通のメモリが、チップ1200に設けられていてもよい。該メモリには、前述したNOSRAMや、DOSRAMを用いることができる。また、GPU1212は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。GPU1212に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。   The CPU 1211 preferably has a plurality of CPU cores. Further, the GPU 1212 preferably has a plurality of GPU cores. Further, the CPU 1211 and the GPU 1212 may each have a memory for temporarily storing data. Alternatively, a memory common to the CPU 1211 and the GPU 1212 may be provided in the chip 1200. As the memory, the above-described NOSRAM or DOSRAM can be used. In addition, the GPU 1212 is suitable for parallel calculation of a large number of data, and can be used for image processing and product-sum operation. By providing the GPU 1212 with an image processing circuit or a product-sum operation circuit using the oxide semiconductor of the present invention, image processing and product-sum operation can be performed with low power consumption.

また、CPU1211、およびGPU1212が同一チップに設けられていることで、CPU1211およびGPU1212間の配線を短くすることができ、CPU1211からGPU1212へのデータ転送、CPU1211、およびGPU1212が有するメモリ間のデータ転送、およびGPU1212での演算後に、GPU1212からCPU1211への演算結果の転送を高速に行うことができる。   In addition, since the CPU 1211 and the GPU 1212 are provided on the same chip, wiring between the CPU 1211 and the GPU 1212 can be shortened, data transfer from the CPU 1211 to the GPU 1212, data transfer between the memories of the CPU 1211 and the GPU 1212, After the calculation by the GPU 1212, the calculation result can be transferred from the GPU 1212 to the CPU 1211 at high speed.

アナログ演算部1213はA/D(アナログ/デジタル)変換回路、およびD/A(デジタル/アナログ)変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部1213に上記積和演算回路を設けてもよい。   The analog operation unit 1213 includes one or both of an A / D (analog / digital) conversion circuit and a D / A (digital / analog) conversion circuit. Further, the above-described product-sum operation circuit may be provided in the analog operation unit 1213.

メモリコントローラ1214は、DRAM1221のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ1222のインターフェースとして機能する回路を有する。   The memory controller 1214 includes a circuit functioning as a controller of the DRAM 1221 and a circuit functioning as an interface of the flash memory 1222.

インターフェース1215は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、USB(Universal Serial Bus)、HDMI(登録商標)(High−Definition Multimedia Interface)などを用いることができる。   The interface 1215 has an interface circuit with an external device such as a display device, a speaker, a microphone, a camera, or a controller. The controller includes a mouse, a keyboard, a game controller, and the like. USB (Universal Serial Bus), HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface), or the like can be used as such an interface.

ネットワーク回路1216は、LAN(Local Area Network)などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。   The network circuit 1216 includes a network circuit such as a LAN (Local Area Network). Further, a circuit for network security may be provided.

チップ1200には、上記回路(システム)を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ1200に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ1200を低コストで作製することができる。   The circuit (system) can be formed on the chip 1200 by the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip 1200 increases, the number of manufacturing processes does not need to be increased, and the chip 1200 can be manufactured at low cost.

GPU1212を有するチップ1200が設けられたPCB1201、DRAM1221、およびフラッシュメモリ1222が設けられたマザーボード1203は、GPUモジュール1204と呼ぶことができる。   The PCB 1201 provided with the chip 1200 having the GPU 1212, the DRAM 1221, and the motherboard 1203 provided with the flash memory 1222 can be referred to as a GPU module 1204.

GPUモジュール1204は、SoC技術を用いたチップ1200を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップPC、携帯型(持ち出し可能な)ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、GPU1212を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク(DNN)、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、自己符号化器、深層ボルツマンマシン(DBM)、深層信念ネットワーク(DBN)などの演算を実行することができるため、チップ1200をAIチップ、またはGPUモジュール1204をAIシステムモジュールとして用いることができる。   Since the GPU module 1204 has the chip 1200 using the SoC technology, the size can be reduced. In addition, since it is excellent in image processing, it is preferably used for portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, and portable (portable) game machines. In addition, a product-sum operation circuit using the GPU 1212 allows a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recursive neural network (RNN), a self-encoder, a deep Boltzmann machine (DBM), a deep belief network ( Since operations such as DBN) can be performed, the chip 1200 can be used as an AI chip or the GPU module 1204 can be used as an AI system module.

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、構造、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, structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態5)
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図22にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an application example of a memory device including the semiconductor device described in the above embodiment will be described. The semiconductor device described in the above embodiment is, for example, a storage device of various electronic devices (for example, an information terminal, a computer, a smartphone, an electronic book terminal, a digital camera (including a video camera), a recording and playback device, a navigation system, and the like). Applicable to Here, the computer includes a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, and a large computer such as a server system. Alternatively, the semiconductor device described in the above embodiment is applied to various types of removable storage devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, and an SSD (solid state drive). FIG. 22 schematically illustrates some configuration examples of the removable storage device. For example, the semiconductor device described in any of the above embodiments is processed into a packaged memory chip, and used for various storage devices and removable memories.

図22(A)はUSBメモリの模式図である。USBメモリ1100は、筐体1101、キャップ1102、USBコネクタ1103および基板1104を有する。基板1104は、筐体1101に収納されている。例えば、基板1104には、メモリチップ1105、コントローラチップ1106が取り付けられている。基板1104のメモリチップ1105などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。   FIG. 22A is a schematic diagram of a USB memory. The USB memory 1100 includes a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a board 1104. The substrate 1104 is housed in the housing 1101. For example, a memory chip 1105 and a controller chip 1106 are attached to the substrate 1104. The semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1105 or the like of the substrate 1104.

図22(B)はSDカードの外観の模式図であり、図22(C)は、SDカードの内部構造の模式図である。SDカード1110は、筐体1111、コネクタ1112および基板1113を有する。基板1113は筐体1111に収納されている。例えば、基板1113には、メモリチップ1114、コントローラチップ1115が取り付けられている。基板1113の裏面側にもメモリチップ1114を設けることで、SDカード1110の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板1113に設けてもよい。これによって、ホスト装置とSDカード1110間の無線通信によって、メモリチップ1114のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板1113のメモリチップ1114などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。   FIG. 22B is a schematic diagram of the external appearance of the SD card, and FIG. 22C is a schematic diagram of the internal structure of the SD card. The SD card 1110 has a housing 1111, a connector 1112, and a board 1113. The substrate 1113 is housed in the housing 1111. For example, a memory chip 1114 and a controller chip 1115 are attached to the substrate 1113. By providing the memory chip 1114 also on the back side of the substrate 1113, the capacity of the SD card 1110 can be increased. Further, a wireless chip having a wireless communication function may be provided over the substrate 1113. Thus, data can be read from and written to the memory chip 1114 by wireless communication between the host device and the SD card 1110. The semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1114 or the like of the substrate 1113.

図22(D)はSSDの外観の模式図であり、図22(E)は、SSDの内部構造の模式図である。SSD1150は、筐体1151、コネクタ1152および基板1153を有する。基板1153は筐体1151に収納されている。例えば、基板1153には、メモリチップ1154、メモリチップ1155、コントローラチップ1156が取り付けられている。メモリチップ1155はコントローラチップ1156のワークメモリであり、例えばDOSRAMチップを用いればよい。基板1153の裏面側にもメモリチップ1154を設けることで、SSD1150の容量を増やすことができる。基板1153のメモリチップ1154などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。   FIG. 22D is a schematic diagram of the external appearance of the SSD, and FIG. 22E is a schematic diagram of the internal structure of the SSD. The SSD 1150 includes a housing 1151, a connector 1152, and a board 1153. The substrate 1153 is housed in the housing 1151. For example, a memory chip 1154, a memory chip 1155, and a controller chip 1156 are attached to the substrate 1153. The memory chip 1155 is a work memory of the controller chip 1156, and for example, a DOSRAM chip may be used. By providing the memory chip 1154 also on the back surface side of the substrate 1153, the capacity of the SSD 1150 can be increased. The semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1154 or the like of the substrate 1153.

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、構造、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, structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態6)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に適用可能な電子機器の具体例について図23を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, specific examples of electronic devices that can be applied to the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

より具体的には、本発明の一態様に係る半導体装置は、CPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図23に、本発明の一態様に係るCPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。   More specifically, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a processor such as a CPU or a GPU or a chip. FIG. 23 illustrates a specific example of an electronic device including a processor such as a CPU or a GPU or a chip according to one embodiment of the present invention.

<電子機器・システム>
本発明の一態様に係るGPU又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
<Electronic equipment and systems>
The GPU or the chip according to one embodiment of the present invention can be mounted on various electronic devices. Examples of the electronic device include a relatively large game machine such as a television device, a desktop or notebook personal computer, a monitor for a computer, a digital signage (digital signage), and a large game machine such as a pachinko machine. In addition to an electronic device having a screen, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone, a portable game machine, a portable information terminal, a sound reproducing device, and the like can be given. In addition, by providing an integrated circuit or a chip according to one embodiment of the present invention in an electronic device, artificial intelligence can be mounted on the electronic device.

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。   The electronic device of one embodiment of the present invention may include an antenna. By receiving a signal with the antenna, an image, information, or the like can be displayed on the display portion. When the electronic device includes an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for wireless power transmission.

本発明の一態様の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)を有していてもよい。   The electronic device of one embodiment of the present invention includes sensors (force, displacement, position, speed, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, (Including a function of measuring voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor, or infrared light).

本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図23に、電子機器の例を示す。   The electronic device of one embodiment of the present invention can have various functions. For example, a function of displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function of displaying a calendar, date or time, a function of executing various software (programs), a wireless communication It can have a function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, and the like. FIG. 23 illustrates an example of an electronic device.

[携帯電話]
図23(A)には、情報端末の一種である携帯電話(スマートフォン)が図示されている。情報端末5500は、筐体5510と、表示部5511と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5511に備えられ、ボタンが筐体5510に備えられている。
[mobile phone]
FIG. 23A illustrates a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal. The information terminal 5500 includes a housing 5510 and a display portion 5511. A touch panel is provided in the display portion 5511 as an input interface, and buttons are provided in the housing 5510.

情報端末5500は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部5511に表示するアプリケーション、表示部5511に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部5511に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。   The information terminal 5500 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention. Examples of the application using artificial intelligence include an application that recognizes a conversation and displays the content of the conversation on a display portion 5511, and recognizes characters, graphics, and the like input by a user on a touch panel provided in the display portion 5511, An application displayed on the display portion 5511, an application for performing biometric authentication such as a fingerprint or a voiceprint, and the like can be given.

[情報端末1]
図23(B)には、デスクトップ型情報端末5300が図示されている。デスクトップ型情報端末5300は、情報端末の本体5301と、ディスプレイ5302と、キーボード5303と、を有する。
[Information terminal 1]
FIG. 23B illustrates a desktop information terminal 5300. The desktop information terminal 5300 includes a main body 5301 of the information terminal, a display 5302, and a keyboard 5303.

デスクトップ型情報端末5300は、先述した情報端末5500と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末5300を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。   The desktop information terminal 5300 can execute an application utilizing artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention, similarly to the information terminal 5500 described above. Examples of applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, menu automatic generation software, and the like. In addition, by using the desktop information terminal 5300, a new artificial intelligence can be developed.

なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図23(A)、(B)に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。   Note that, in the above description, a smartphone and a desktop information terminal are illustrated as examples in FIGS. 23A and 23B, respectively. However, an information terminal other than the smartphone and the desktop information terminal may be applied. it can. Examples of the information terminal other than the smartphone and the desktop information terminal include a PDA (Personal Digital Assistant), a notebook information terminal, and a workstation.

[電化製品]
図23(C)は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫5800を示している。電気冷凍冷蔵庫5800は、筐体5801、冷蔵室用扉5802、冷凍室用扉5803等を有する。
[Electric appliances]
FIG. 23C illustrates an electric refrigerator-freezer 5800 which is an example of an electric appliance. The electric refrigerator-freezer 5800 includes a housing 5801, a refrigerator door 5802, a refrigerator door 5803, and the like.

電気冷凍冷蔵庫5800に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫5800を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫5800は、電気冷凍冷蔵庫5800に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫5800に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。   By applying the chip of one embodiment of the present invention to the electric refrigerator-freezer 5800, the electric refrigerator-freezer 5800 having artificial intelligence can be realized. By utilizing artificial intelligence, the electric refrigerator-freezer 5800 has a function of automatically generating menus based on the ingredients stored in the electric refrigerator-freezer 5800, the expiration date of the ingredients, and the like, and is stored in the electric refrigerator-freezer 5800. It can have a function of automatically adjusting the temperature to the food material.

本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。   In this example, the electric refrigerator-freezer has been described as an electric appliance. Utensils, washing machines, dryers, audiovisual equipment and the like.

[ゲーム機]
図23(D)は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機5200を示している。携帯ゲーム機は、筐体5201、表示部5202、ボタン5203等を有する。
[game machine]
FIG. 23D illustrates a portable game machine 5200 which is an example of a game machine. The portable game machine includes a housing 5201, a display portion 5202, a button 5203, and the like.

携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機5200を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。   By applying the GPU or the chip of one embodiment of the present invention to the portable game machine 5200, the portable game machine 5200 with low power consumption can be realized. In addition, heat generation from a circuit can be reduced by low power consumption, so that influence of the heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules can be reduced.

更に、携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機5200を実現することができる。   Further, by applying the GPU or the chip of one embodiment of the present invention to the portable game machine 5200, the portable game machine 5200 having artificial intelligence can be realized.

本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機5200に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。   Originally, the expression of the progress of the game, the behavior of the creature appearing in the game, the phenomenon occurring in the game, etc. is determined by the program of the game, but by applying artificial intelligence to the portable game machine 5200, Thus, expressions that are not limited to game programs are possible. For example, it is possible to express such a content that a player asks a question, a progress of a game, a time, a behavior of a person appearing in the game changes.

また、携帯ゲーム機5200で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、1人でもゲームを行うことができる。   In addition, when a game requiring a plurality of players is performed on the portable game machine 5200, a game player can be configured as an anthropomorphic person by artificial intelligence. Can play games.

図23(D)では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のGPU又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のGPU又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設(ゲームセンター、遊園地など)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。   FIG. 23D illustrates a portable game machine as an example of a game machine; however, a game machine to which the GPU or the chip of one embodiment of the present invention is applied is not limited thereto. As a game machine to which the GPU or the chip of one embodiment of the present invention is applied, for example, a stationary game machine for home use, an arcade game machine installed in an entertainment facility (a game center, an amusement park, or the like), or a sport facility Pitching machine for batting practice.

[移動体]
本発明の一態様のGPU又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
[Mobile]
The GPU or the chip of one embodiment of the present invention can be applied to an automobile which is a mobile object and a periphery of a driver's seat of the automobile.

図23(E1)は移動体の一例である自動車5700を示し、図23(E2)は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図23(E2)では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。   FIG. 23E1 illustrates an automobile 5700 which is an example of a moving object, and FIG. 23E2 illustrates an area around a windshield in the interior of the automobile. FIG. 23E2 illustrates a display panel 5701, a display panel 5702, and a display panel 5703 attached to a dashboard, and a display panel 5704 attached to a pillar.

表示パネル5701乃至表示パネル5703は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル5701乃至表示パネル5703は、照明装置として用いることも可能である。   The display panels 5701 to 5703 can provide various kinds of information such as a speedometer, a tachometer, a traveling distance, a refueling amount, a gear state, and setting of an air conditioner. Further, display items, layouts, and the like displayed on the display panel can be appropriately changed in accordance with the user's preference, and the design can be improved. The display panels 5701 to 5703 can also be used as lighting devices.

表示パネル5704には、自動車5700に設けられた撮像装置(図示しない)からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界(死角)を補完することができる。すなわち、自動車5700の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル5704は、照明装置として用いることもできる。   By displaying an image from an imaging device (not shown) provided in the car 5700 on the display panel 5704, the field of view (blind spot) blocked by the pillar can be complemented. That is, by displaying an image from an imaging device provided outside the automobile 5700, blind spots can be compensated and safety can be improved. In addition, by displaying an image that complements an invisible part, safety can be confirmed more naturally and without a sense of incongruity. The display panel 5704 can be used as a lighting device.

本発明の一態様のGPU又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車5700の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル5701乃至表示パネル5704には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。   Since the GPU or the chip of one embodiment of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence, the chip or the chip can be used for an automatic driving system of an automobile 5700, for example. Further, the chip can be used in a system for performing road guidance, danger prediction, and the like. The display panels 5701 to 5704 may be configured to display information such as road guidance and danger prediction.

なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプター、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。   In the above description, a car is described as an example of a moving body, but the moving body is not limited to a car. For example, examples of a moving object include a train, a monorail, a ship, and a flying object (a helicopter, an unmanned aerial vehicle (drone), an airplane, a rocket), and the like. The chip of one embodiment of the present invention is applied to these moving objects. Thus, a system using artificial intelligence can be provided.

[放送システム]
本発明の一態様のGPU又はチップは、放送システムに適用することができる。
[Broadcasting system]
The GPU or the chip of one embodiment of the present invention can be applied to a broadcast system.

図23(F)は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図23(F)は、放送局5680から送信された電波(放送信号)が、各家庭のテレビジョン受信装置(TV)5600に届くまでの経路を示している。TV5600は、受信装置を備え(図示しない)、アンテナ5650で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、TV5600に送信される。   FIG. 23F schematically shows data transmission in a broadcast system. Specifically, FIG. 23F illustrates a path until a radio wave (broadcast signal) transmitted from the broadcast station 5680 reaches a television receiver (TV) 5600 in each home. The TV 5600 includes a receiving device (not shown), and a broadcast signal received by the antenna 5650 is transmitted to the TV 5600 via the receiving device.

図23(F)では、アンテナ5650は、UHF(Ultra High Frequency)アンテナを図示しているが、アンテナ5650としては、BS・110°CSアンテナ、CSアンテナなども適用できる。   FIG. 23F illustrates an UHF (Ultra High Frequency) antenna as the antenna 5650, but a BS / 110 ° CS antenna, a CS antenna, or the like can be used as the antenna 5650.

電波5675A、電波5675Bは地上波放送用の放送信号であり、電波塔5670は受信した電波5675Aを増幅して、電波5675Bの送信を行う。各家庭では、アンテナ5650で電波5675Bを受信することで、TV5600で地上波TV放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図23(F)に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。   The radio waves 5675A and 5675B are broadcast signals for terrestrial broadcasting, and the radio tower 5670 amplifies the received radio wave 5675A and transmits the radio wave 5675B. At each home, a terrestrial TV broadcast can be viewed on the TV 5600 by receiving the radio wave 5675B with the antenna 5650. Note that the broadcasting system is not limited to the terrestrial broadcasting shown in FIG. 23F, and may be a satellite broadcasting using an artificial satellite, a data broadcasting using an optical line, or the like.

上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局5680から各家庭のTV5600に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ5650が当該放送データを受信したとき、TV5600に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いTV5600で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。   The above-described broadcasting system may be a broadcasting system using artificial intelligence to which the chip of one embodiment of the present invention is applied. When the broadcast data is transmitted from the broadcast station 5680 to the TV 5600 of each home, the broadcast data is compressed by the encoder. When the antenna 5650 receives the broadcast data, the decoder of the receiving device included in the TV 5600 decodes the broadcast data. Restore is performed. By using artificial intelligence, for example, in a motion compensation prediction which is one of the compression methods of an encoder, a display pattern included in a display image can be recognized. In addition, it is also possible to perform intra-frame prediction using artificial intelligence. Further, for example, when receiving broadcast data having a low resolution and displaying the broadcast data on a TV 5600 having a high resolution, an image interpolation process such as up-conversion can be performed in the restoration of the broadcast data by the decoder.

上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン(UHDTV:4K、8K)放送に対して好適である。   The above-described broadcasting system using artificial intelligence is suitable for ultra-high definition television (UHDTV: 4K, 8K) broadcasting in which the amount of broadcast data increases.

また、TV5600側における人工知能の応用として、例えば、TV5600に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。   Further, as an application of artificial intelligence on the TV 5600 side, for example, a recording device having artificial intelligence may be provided in the TV 5600. With such a configuration, the recording device can automatically record a program that meets the user's preference by causing the artificial intelligence to learn the user's preference.

本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。   The electronic device described in this embodiment, functions of the electronic device, application examples of artificial intelligence, effects thereof, and the like can be combined with descriptions of other electronic devices as appropriate.

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、構造、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, structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

本実施例では、金属酸化物を含む試料を作製し、金属酸化物のキャリア濃度を測定した。金属酸化物のキャリア濃度は、ホール効果測定器を用いて測定した。   In this example, a sample containing a metal oxide was prepared, and the carrier concentration of the metal oxide was measured. The carrier concentration of the metal oxide was measured using a Hall effect meter.

試料の作製方法について説明する。まず、石英基板上にスパッタリング法により、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、膜厚40nmの金属酸化物を形成した。次に、窒素雰囲気にて、400℃の温度で1時間の加熱処理と、酸素雰囲気にて、400℃の温度で1時間の加熱処理を連続して行った。次に、金属酸化物上に、CVD法を用いて酸化窒化シリコン膜を110nm形成した。   A method for manufacturing a sample will be described. First, a 40-nm-thick metal oxide was formed over a quartz substrate by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio]. Next, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for one hour, and in an oxygen atmosphere, heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for one hour. Next, a 110-nm-thick silicon oxynitride film was formed over the metal oxide by a CVD method.

ここで、試料を試料A、試料B、および試料Cの3つに分割し、試料Aは、加熱処理を行わず、試料Bは、窒素雰囲気にて350℃の温度で1時間の加熱処理を行い、試料Cは、窒素雰囲気にて350℃の温度で24時間の加熱処理を行った。   Here, the sample was divided into three samples, Sample A, Sample B, and Sample C. Sample A was not subjected to heat treatment, and Sample B was subjected to heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Sample C was subjected to a heat treatment at 350 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere.

次に、試料A、試料B、および試料Cについてホール効果測定器を用いて、キャリア濃度を測定した。   Next, the carrier concentration of each of Sample A, Sample B, and Sample C was measured using a Hall effect meter.

図24に各試料のキャリア濃度測定結果のグラフを示す。加熱処理を行わなかった試料Aは、1.8×1020/cm、窒素雰囲気にて350℃の温度で1時間の加熱処理を行った試料Bは、5.6×1019/cm、窒素雰囲気にて350℃の温度で24時間の加熱処理を行った試料Cは、3.0×1018/cmとなった。 FIG. 24 shows a graph of the carrier concentration measurement result of each sample. Sample A, which was not subjected to the heat treatment, was 1.8 × 10 20 / cm 3 , and Sample B, which was subjected to a heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, was 5.6 × 10 19 / cm 3. Sample C that had been subjected to a heat treatment at 350 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere was 3.0 × 10 18 / cm 3 .

以上の結果より、窒素雰囲気にて350℃の温度にて加熱処理を行うことで、金属酸化物のキャリア濃度が低減され、また、加熱処理の時間が長いほど、さらにキャリア濃度が低減されることが確認された。   From the above results, by performing the heat treatment at a temperature of 350 ° C. in a nitrogen atmosphere, the carrier concentration of the metal oxide is reduced, and the longer the heat treatment time, the lower the carrier concentration. Was confirmed.

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

本実施例では、金属酸化物を含む試料を作製し、金属酸化物中の水素濃度を測定した。金属酸化物中の水素濃度は、2次イオン質量分析法(SIMS)を用いて測定した。   In this example, a sample containing a metal oxide was prepared, and the hydrogen concentration in the metal oxide was measured. The hydrogen concentration in the metal oxide was measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS).

試料の作製方法について説明する。まず、シリコン基板上に熱酸化法によって、シリコン酸化膜を100nmの膜厚で形成した。次に、スパッタリング法により、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、膜厚40nmの金属酸化物を形成した。次に、窒素雰囲気にて、400℃の温度で1時間の加熱処理と、酸素雰囲気にて、400℃の温度で1時間の加熱処理を連続して行った。次に、金属酸化物上に、CVD法を用いて酸化窒化シリコン膜を110nm形成した。   A method for manufacturing a sample will be described. First, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm was formed on a silicon substrate by a thermal oxidation method. Next, a 40-nm-thick metal oxide was formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio]. Next, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for one hour, and in an oxygen atmosphere, heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for one hour. Next, a 110-nm-thick silicon oxynitride film was formed over the metal oxide by a CVD method.

ここで、試料を試料D、試料E、および試料Fの3つに分割し、試料Dは、加熱処理を行わず、試料Eは、窒素雰囲気にて350℃の温度で1時間の加熱処理を行い、試料Fは、窒素雰囲気にて350℃の温度で24時間の加熱処理を行った。   Here, the sample was divided into three samples, Sample D, Sample E, and Sample F. Sample D was not subjected to heat treatment, and Sample E was subjected to heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. The sample F was subjected to a heat treatment at 350 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere.

次に、試料D、試料E、および試料FについてSIMS分析を行い、各試料の金属酸化物中の水素濃度プロファイルを測定した。なお、分析方向は、試料の裏面から表面に向かって分析し、金属酸化物中を水素の定量範囲とした。   Next, SIMS analysis was performed on Sample D, Sample E, and Sample F, and the hydrogen concentration profile in the metal oxide of each sample was measured. The analysis was performed from the back surface to the front surface of the sample, and the amount of hydrogen in the metal oxide was determined.

図25に各試料の水素濃度のプロファイルを示す。試料Dの金属酸化物中の水素濃度は概略1×1020atoms/cmであり、試料Eの金属酸化物中の水素濃度は概略8×1019atoms/cmであり、試料Fの金属酸化物中の水素濃度は概略5×1019atoms/cmであった。すなわち、加熱処理を行わなかった試料Dの水素濃度が最も高く、窒素雰囲気にて350℃の温度で1時間の加熱処理を行った試料Eの水素濃度は、試料Dよりも低く、窒素雰囲気にて350℃の温度で24時間の加熱処理を行った試料Fは、試料Eよりも低かった。 FIG. 25 shows a profile of the hydrogen concentration of each sample. The hydrogen concentration in the metal oxide of Sample D is approximately 1 × 10 20 atoms / cm 3 , the hydrogen concentration in the metal oxide of Sample E is approximately 8 × 10 19 atoms / cm 3 , and the metal concentration of Sample F is The hydrogen concentration in the oxide was approximately 5 × 10 19 atoms / cm 3 . That is, the hydrogen concentration of the sample D that was not subjected to the heat treatment was the highest, and the hydrogen concentration of the sample E that was subjected to the heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in the nitrogen atmosphere was lower than that of the sample D, and the hydrogen concentration was lower than the sample D. Sample F that had been subjected to a heat treatment at a temperature of 350 ° C. for 24 hours was lower than Sample E.

以上の結果より、窒素雰囲気にて350℃の温度にて加熱処理を行うことで、金属酸化物中の水素濃度が低減され、また、加熱処理の時間が長いほど、さらに水素濃度が低減されることが確認された。   From the above results, by performing the heat treatment at 350 ° C. in a nitrogen atmosphere, the hydrogen concentration in the metal oxide is reduced, and the longer the heat treatment time, the further the hydrogen concentration is reduced. It was confirmed that.

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

本実施例では、金属酸化物中に、酸素欠損内に位置する水素および過剰酸素が存在する場合、酸素欠損内に位置する水素が、酸素欠損から抜け出すかを、計算により評価した。具体的には、1つの酸素サイトに余剰酸素を有するIGZOにおいて、酸素欠損内に位置する水素原子が、酸素欠損から抜け出すのに必要なエネルギー(活性化障壁ともいう。)および酸素欠損から抜け出す頻度を算出した。ここで、酸素欠損内に位置する水素原子をH(VHと表記する場合もある。)と表記する。また、当該酸素サイトに存在する酸素原子の一方を、便宜上、余剰酸素と呼ぶ。 In this example, when hydrogen and excess oxygen located in oxygen vacancies were present in the metal oxide, whether or not hydrogen located in the oxygen vacancies escaped from the oxygen vacancies was evaluated by calculation. Specifically, in IGZO having surplus oxygen at one oxygen site, a hydrogen atom located in an oxygen vacancy requires energy (also referred to as an activation barrier) required to escape from the oxygen vacancy and frequency of exiting from the oxygen vacancy. Was calculated. Here, a hydrogen atom located in the oxygen vacancy is referred to as H 2 O (sometimes referred to as V O H). Further, one of the oxygen atoms present at the oxygen site is referred to as surplus oxygen for convenience.

酸素欠損内に位置する水素原子が酸素欠損から抜け出し、当該酸素欠損近傍の酸素原子と結合するまでの水素原子および余剰酸素の移動経路におけるエネルギー変化を、NEB(Nudged Elastic Band)法を用いて計算した。計算には、第一原理計算ソフトウェアVASP(The Vienna Ab initio simulation package)を用いた。計算条件を表1に示す。   Using a NEB (Nudged Elastic Band) method, the energy change in the movement path of hydrogen atoms and excess oxygen until a hydrogen atom located in the oxygen vacancy escapes from the oxygen vacancy and bonds with an oxygen atom near the oxygen vacancy is calculated. did. For the calculation, first-principles calculation software VASP (The Vienna Ab initio simulation package) was used. Table 1 shows the calculation conditions.

初期状態のモデルを図26(A)に示し、最終状態のモデルを図26(B)に示す。なお、ここでの初期状態とは、水素原子が酸素欠損内に位置し、かつ、当該酸素欠損近傍に余剰酸素が存在する状態である。なお、当該余剰酸素は、当該酸素欠損に近接し、In層の酸素サイトに存在するとする。つまり、図26(A)の破線で示すように、当該酸素サイトには、2つの酸素原子(うち1つは余剰酸素である。)が存在する。また、最終状態とは、水素原子が1個のGa及び2個のZnと結合した酸素原子と結合した状態である。つまり、最終状態では、酸素欠損は、余剰酸素により補償(修復)されている。   FIG. 26A shows a model in an initial state, and FIG. 26B shows a model in a final state. Here, the initial state is a state in which a hydrogen atom is located in an oxygen vacancy and excess oxygen exists near the oxygen vacancy. Note that the surplus oxygen is close to the oxygen vacancy and is present at an oxygen site in the In layer. That is, as indicated by a broken line in FIG. 26A, two oxygen atoms (one of which is surplus oxygen) exist in the oxygen site. The final state is a state in which a hydrogen atom is bonded to an oxygen atom bonded to one Ga and two Zns. That is, in the final state, the oxygen deficiency is compensated (restored) by the excess oxygen.

酸素欠損内に位置する水素、および、酸素原子と結合した水素原子は、電子を放出するドナーとして機能する場合がある。そこで、モデル内の電子数が、本来の電子数から1引いた数となるよう設定して、計算を行っている。これにより、初期状態のモデルおよび最終状態のモデルにおいて、電子が占有される最高の準位が、価電子帯上端の準位となる。 Hydrogen located in an oxygen vacancy and a hydrogen atom bonded to an oxygen atom may function as a donor which emits electrons. Therefore, the calculation is performed by setting the number of electrons in the model to be a number obtained by subtracting 1 from the original number of electrons. Thus, in the model in the initial state and the model in the final state, the highest level occupied by electrons is the level at the upper end of the valence band.

モデルが初期状態から最終状態まで変化する際の、各モデルのエネルギーの変化を図27に示す。図27の横軸は、水素原子と余剰酸素の中点の移動距離[nm]である。また、図27の縦軸は、最終状態のモデルのエネルギーを基準(0.0eV)とした、各モデルのエネルギー[eV]である。図27より、酸素欠損近傍に余剰酸素が存在する場合、酸素欠損内に位置する水素原子が酸素欠損から抜け出す際の活性化障壁Eは約0.36eVであった。 FIG. 27 shows a change in energy of each model when the model changes from the initial state to the final state. The horizontal axis in FIG. 27 is the movement distance [nm] between the hydrogen atom and the middle point of surplus oxygen. The vertical axis in FIG. 27 is the energy [eV] of each model, with the energy of the model in the final state as a reference (0.0 eV). From FIG. 27, if the excess oxygen is present in the vicinity of the oxygen deficiency, activation barrier E a at the time of the hydrogen atoms located inside the oxygen vacancies get out of oxygen vacancies was about 0.36 eV.

次に、酸素欠損近傍に余剰酸素が存在する場合、酸素欠損内に位置する水素原子が酸素欠損から抜け出す頻度Γを、数式1を用いて、計算により得られた活性化障壁Eの値から算出した。 Next, if the excess oxygen is present in the vicinity of the oxygen deficiency, the frequency with which the hydrogen atom located in the oxygen vacancies get out of oxygen deficiency gamma, using Equation 1, the obtained value of activation barrier E a by calculation Calculated.

ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度[K]、νは頻度因子を示す。また、頻度因子ν=1013−1と仮定する。 Here, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature [K], [nu denotes a frequency factor. Also assume that the frequency factor ν = 10 13 s −1 .

上記頻度Γは、室温(27℃)では、1時間あたり約8.3×10回であった。このことから、酸素欠損近傍に余剰酸素が存在することで、酸素欠損内に位置する水素原子が酸素欠損から抜け出すことが示唆される。 The frequency Γ was about 8.3 × 10 6 times per hour at room temperature (27 ° C.). This suggests that the presence of excess oxygen near the oxygen vacancy causes hydrogen atoms located in the oxygen vacancy to escape from the oxygen vacancy.

以上のことから、酸素欠損内に位置する水素は、過剰酸素によって、酸素欠損から抜け出すことが分かった。また、酸素欠損から抜け出した水素は、金属酸化物中から放出されやすいことが分かった。   From the above, it was found that hydrogen located in the oxygen vacancy escapes from the oxygen vacancy due to excess oxygen. It was also found that hydrogen that escaped from oxygen vacancies was easily released from the metal oxide.

以上、本実施例に示す構成、構造、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、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   As described above, the structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, structures, methods, and the like described in the other embodiments and other examples.

10 酸化物半導体、20 導電体、22 酸素固溶領域、30 酸化物、100 容量素子、110 導電体、112 導電体、120 導電体、130 絶縁体、150 絶縁体、200 トランジスタ、205 導電体、205a 導電体、205b 導電体、205c 導電体、205d 導電体、205e 導電体、205f 導電体、205g 導電体、210 絶縁体、212 絶縁体、214 絶縁体、216 絶縁体、218 導電体、222 絶縁体、224 絶縁体、224A 絶縁膜、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、240b 導電体、241 絶縁体、241a 絶縁体、241b 絶縁体、242 導電体、242a 導電体、242A 導電膜、242b 導電体、242B 導電体層、243 酸化物、243a 酸化物、243A 酸化膜、243b 酸化物、243B 酸化物層、245 導電体、246 導電体、246a 導電体、246b 導電体、250 絶縁体、250A 絶縁膜、260 導電体、260a 導電体、260Aa 導電膜、260Ab 導電膜、260b 導電体、272 絶縁体、272A 絶縁膜、273 絶縁体、273A 絶縁膜、274 絶縁体、276 絶縁体、280 絶縁体、281 絶縁体、282 絶縁体、283 絶縁体、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、350 絶縁体、352 絶縁体、354 絶縁体、356 導電体、400 トランジスタ、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、442 導電体、442a 導電体、442b 導電体、443 酸化物、443a 酸化物、443b 酸化物、450 絶縁体、460 導電体、460a 導電体、460b 導電体、1001 配線、1002 配線、1003 配線、1004 配線、1005 配線、1006 配線、1007 配線、1008 配線、1009 配線、1010 配線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Oxide semiconductor, 20 conductor, 22 solid solution region of oxygen, 30 oxide, 100 capacitor element, 110 conductor, 112 conductor, 120 conductor, 130 insulator, 150 insulator, 200 transistor, 205 conductor, 205a conductor, 205b conductor, 205c conductor, 205d conductor, 205e conductor, 205f conductor, 205g conductor, 210 insulator, 212 insulator, 214 insulator, 216 insulator, 218 conductor, 222 insulation Body, 224 insulator, 224A insulating film, 230 oxide, 230a oxide, 230A oxide film, 230b oxide, 230B oxide film, 230c oxide, 230C oxide film, 240 conductor, 240a conductor, 240b conductor, 241 Insulator, 241a insulator, 241b insulator, 242 conductor, 242a conductor, 242A conductive film, 242b conductor, 242B conductor layer, 243 oxide, 243a oxide, 243A oxide film, 243b oxide, 243B oxidation Object layer, 245 conductor, 246 conductor, 246a conductor, 246b conductor, 250 insulator, 250A insulating film, 260 conductor, 260a conductor, 260Aa conductive film, 260Ab conductive film, 260b conductor, 272 insulator 272A insulator, 273A insulator, 273A insulator, 274 insulator, 276 insulator, 280 insulator, 281 insulator, 282 insulator, 283 insulator, 300 transistor, 311 substrate, 313 semiconductor region, 14a low resistance region, 314b low resistance region, 315 insulator, 316 conductor, 320 insulator, 322 insulator, 324 insulator, 326 insulator, 328 conductor, 330 conductor, 350 insulator, 352 insulator, 354 insulator, 356 conductor, 400 transistor, 405 conductor, 405a conductor, 405b conductor, 430c oxide, 431a oxide, 431b oxide, 432a oxide, 432b oxide, 440 conductor, 440a conductor 440b conductor, 442 conductor, 442a conductor, 442b conductor, 443 oxide, 443a oxide, 443b oxide, 450 insulator, 460 conductor, 460a conductor, 460b conductor, 1001 wiring, 10 02 wiring, 1003 wiring, 1004 wiring, 1005 wiring, 1006 wiring, 1007 wiring, 1008 wiring, 1009 wiring, 1010 wiring

Claims (10)

基板上に第1の絶縁体を形成し、
前記第1の絶縁体の上に、第1の酸化膜、第2の酸化膜および第1の導電膜を順に成膜し、
前記第1の酸化膜、前記第2の酸化膜および前記第1の導電膜を加工して、第1の酸化物、酸化物層および導電体層を形成し、
前記第1の酸化物、前記酸化物層および前記導電体層を覆って第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を順に成膜し、
前記酸化物層、前記導電体層、前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜に前記第1の酸化物が露出する開口を形成することで、
第2の酸化物、第3の酸化物、第1の導電体、第2の導電体、第2絶縁体および第3の絶縁体を形成し、
第3の酸化膜、第3の絶縁膜および第2の導電膜を順に成膜し、
平坦化処理を行うことによって、前記第3の酸化膜、前記第3の絶縁膜および前記第2の導電膜を前記第3の絶縁体の一部が露出するまで除去し、第4の酸化物、第4の絶縁体および第3の導電体を形成し、
第1の加熱処理を行い、
第2の加熱処理を行い、
前記第3の導電体上に第4の絶縁膜を成膜する、
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first insulator on the substrate,
Forming a first oxide film, a second oxide film, and a first conductive film on the first insulator in order;
Processing the first oxide film, the second oxide film, and the first conductive film to form a first oxide, an oxide layer, and a conductor layer;
A first insulating film and a second insulating film are sequentially formed to cover the first oxide, the oxide layer, and the conductor layer;
Forming an opening in which the first oxide is exposed in the oxide layer, the conductor layer, the first insulating film, and the second insulating film;
Forming a second oxide, a third oxide, a first conductor, a second conductor, a second insulator, and a third insulator;
Forming a third oxide film, a third insulating film, and a second conductive film in this order;
By performing a planarization process, the third oxide film, the third insulating film, and the second conductive film are removed until a part of the third insulator is exposed, and a fourth oxide film is removed. Forming a fourth insulator and a third conductor;
Perform a first heat treatment,
Perform a second heat treatment,
Forming a fourth insulating film on the third conductor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1において、
前記第1の加熱処理は、窒素雰囲気において、300℃以上450℃以下で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first heat treatment is performed at 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in a nitrogen atmosphere.
請求項1または請求項2において、
前記第1の加熱処理の時間は、1時間以上行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first heat treatment is performed for one hour or more.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第2の加熱処理および前記第4の絶縁膜の成膜は、減圧下において順に行うこと、を特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 3,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second heat treatment and the formation of the fourth insulating film are sequentially performed under reduced pressure.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第4の絶縁体は、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン、のいずれか一を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 4,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the fourth insulator includes one of aluminum oxide and silicon nitride.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記第4の絶縁体は、第1の材料および第2の材料を含み、
前記第1の材料は、第2の材料の下側に位置し、第2の材料の下面に接することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 5,
The fourth insulator includes a first material and a second material,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first material is located below the second material and is in contact with a lower surface of the second material.
請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記第1の材料は、酸化アルミニウムを含み、
前記第2の材料は、窒化シリコンを含み、
前記第2の材料は、前記第1の材料と異なる材料であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 6,
The first material comprises aluminum oxide;
The second material comprises silicon nitride;
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second material is different from the first material.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記第1乃至前記第4の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first to fourth oxides include In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体上の第1の酸化物と、
前記第1の酸化物上の第2の酸化物および第3の酸化物と、
前記第2の酸化物上の第1の導電体と、
前記第3の酸化物上の第2の導電体と、
前記第1の酸化物上の第4の酸化物と、
前記第4の酸化物上の第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体上の第3の導電体と、
前記第3の導電体上の第3の絶縁体と、
前記第3の絶縁体上の第4の絶縁体と、を有し、
前記第4の酸化物は、前記第1の酸化物の上面、前記第1の導電体の側面、前記第2の導電体の側面、前記第2の酸化物の側面および前記第3の酸化物の側面と、それぞれ接し、
前記第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、
前記第4の酸化物は、前記第1の酸化物が有する構成元素の少なくとも一を有し、
前記第2の酸化物、および前記第3の酸化物は、それぞれ、元素Mを有し、
前記第2の酸化物、および前記第3の酸化物は、前記第1の酸化物よりも前記元素Mの濃度が高い領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
A first insulator;
A first oxide on the first insulator;
A second oxide and a third oxide on the first oxide;
A first conductor on the second oxide;
A second conductor on the third oxide;
A fourth oxide on the first oxide;
A second insulator on the fourth oxide;
A third conductor on the second insulator;
A third insulator on the third conductor,
A fourth insulator on the third insulator,
The fourth oxide includes an upper surface of the first oxide, a side surface of the first conductor, a side surface of the second conductor, a side surface of the second oxide, and the third oxide. Touching the sides of
The first oxide includes In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn;
The fourth oxide has at least one of the constituent elements of the first oxide,
The second oxide and the third oxide each include an element M,
The second oxide and the third oxide have a region where the concentration of the element M is higher than that of the first oxide.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項9において、
前記第3の絶縁体は、酸素、およびアルミニウムを含み、
前記第4の絶縁体は、窒素、およびシリコンを含む、ことを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
The third insulator includes oxygen and aluminum,
The semiconductor device, wherein the fourth insulator contains nitrogen and silicon.
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