JP2020123612A - Manufacturing method of semiconductor device and manufacturing apparatus of the semiconductor device - Google Patents

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JP2020123612A JP2019013038A JP2019013038A JP2020123612A JP 2020123612 A JP2020123612 A JP 2020123612A JP 2019013038 A JP2019013038 A JP 2019013038A JP 2019013038 A JP2019013038 A JP 2019013038A JP 2020123612 A JP2020123612 A JP 2020123612A
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山崎 舜平
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
達也 大貫
tatsuya Onuki
達也 大貫
熱海 知昭
Tomoaki Atami
知昭 熱海
大吾 伊藤
Daigo Ito
大吾 伊藤
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Abstract

To provide a memory device having high reliability to achieve a high capacity memory device in a low cost.SOLUTION: A transistor (which is also called as a first transistor) as a semiconductor in which a channel is formed in one part of a substrate is formed. Sequentially, a functional layer containing the transistor to which an oxide semiconductor is applied, and a capacity element, or the like, and a first barrier layer are alternately repeatedly formed by a predetermined time to form a lamination body in which the plurality of functional layer and the plurality of first barrier layers are alternately laminated. Sequentially, one part of the lamination body is etched so that the lamination body is divided into a plurality of areas to form a plurality of lamination blocks. After that, a second barrier layer covering each lamination block and an insulator layer embedding a gap between the lamination blocks on the second barrier layer are formed. Sequentially, in a region which is not overlapped with each lamination block, a second plug electrode embedded into the insulator layer and the battier layer is formed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。本発明の一態様は、半導体装置の製造方法に関する。本発明の一態様は、半導体装置の製造装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device. One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device manufacturing apparatus.

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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification and the like includes a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a storage device, an electronic device, a lighting device, an input device, an input/output device, and a driving method thereof. , Or their manufacturing method can be given as an example. A semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics.

メモリデバイスであるDRAMは低コスト化が求められており、さらなる低コスト化を図るうえで、大容量化の研究開発が活発に行われている。例えば、メモリセルのレイアウト変更、及び素子の微細化によって、ある程度の低コスト化が達成できるものの、メモリセルの寸法の縮小や、素子の小型化には限界がある。 DRAM, which is a memory device, is required to be low in cost, and in order to further reduce the cost, research and development for increasing the capacity are being actively conducted. For example, although cost reduction can be achieved to some extent by changing the layout of the memory cell and miniaturizing the element, there is a limit to the size reduction of the memory cell and the miniaturization of the element.

メモリセルのレイアウトに関する工夫として、シリコンを半導体層に用いたトランジスタを3次元的に積層させることでメモリセルの寸法を縮小する構成や、酸化物半導体(Oxide Semiconductor:OS)を半導体層に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタ)を積層させることでメモリセルの寸法を縮小する構成などが開示されている(特許文献1及び特許文献2)。 As a device for the layout of the memory cell, a structure in which transistors each including silicon as a semiconductor layer are three-dimensionally stacked to reduce the size of the memory cell and an oxide semiconductor (OS) is used as a semiconductor layer. There is disclosed a structure in which a size of a memory cell is reduced by stacking transistors (hereinafter, OS transistors) (Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開平11−40772号公報JP-A-11-40772 特開2013−145875号公報JP, 2013-145875, A

本発明の一態様は、大容量のメモリデバイスを低コストで実現することを課題の一とする。または、信頼性の高いメモリデバイスを提供することを課題の一とする。または、新規なメモリデバイスを提供することを課題の一とする。 One object of one embodiment of the present invention is to realize a large-capacity memory device at low cost. Another object is to provide a highly reliable memory device. Another object is to provide a new memory 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抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not prevent the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. Note that problems other than these can be extracted from the description in the specification, drawings, claims, and the like.

本発明の一態様は、基板を準備する工程と、基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する工程と、第1のトランジスタ上に、機能層と、第1のバリア層と、を交互にn回(nは2以上200以下の整数)形成し、機能層と第1のバリア層とが交互にn個積層された積層体を形成する工程と、積層体を複数のエリアに分割するように、積層体の一部エッチングし、複数の積層ブロックを形成する工程と、複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、第2のバリア層を覆い、かつ積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する工程と、積層ブロックと重ならない領域において、絶縁層及び第2のバリア層の一部に、基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する工程と、を有する、半導体装置の製造方法である。ここで、機能層は、第2のトランジスタと、容量を含むように形成され、第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を含むように形成される。 According to one embodiment of the present invention, a step of preparing a substrate, a step of forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region, a functional layer, and a first barrier layer on the first transistor. And n are alternately formed n times (n is an integer of 2 or more and 200 or less) to form a laminated body in which n functional layers and first barrier layers are laminated alternately, and a plurality of laminated bodies are formed. A step of partially etching the laminated body to form a plurality of laminated blocks so as to be divided into areas, a second barrier layer that covers upper surfaces and side surfaces of the plurality of laminated blocks, and a second barrier layer. And a step of forming an insulating layer located between the laminated blocks, and forming a plug electrode embedded in the opening reaching the substrate in a part of the insulating layer and the second barrier layer in a region not overlapping the laminated block. The method of manufacturing a semiconductor device, comprising: Here, the functional layer is formed so as to include the second transistor and the capacitor, and the second transistor is formed so as to include the metal oxide in the channel formation region.

また、上記において、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、容量の一対の電極の一方とが、電気的に接続されるように形成することが好ましい。 In the above, it is preferable that one of the source and the drain of the second transistor and one of the pair of electrodes of the capacitor be electrically connected to each other.

本発明の他の一態様は、基板を準備する工程と、基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する工程と、第1のトランジスタ上に、機能層と、第1のバリア層と、を交互にn回(nは2以上200以下の整数)形成し、機能層と第1のバリア層とが交互にn個積層された積層体を形成する工程と、積層体を複数のエリアに分割するように、積層体の一部エッチングし、複数の積層ブロックを形成する工程と、複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、第2のバリア層を覆い、かつ積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する工程と、積層ブロックと重ならない領域において、絶縁層及び第2のバリア層の一部に、基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。ここで、機能層は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、容量を含むように形成され、第2のトランジスタ及び第3のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を含むように形成される。 According to another embodiment of the present invention, a step of preparing a substrate, a step of forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region, a functional layer over the first transistor, and a first layer A step of alternately forming a barrier layer and n times (n is an integer of 2 or more and 200 or less) to form a laminated body in which n functional layers and first barrier layers are laminated alternately; A step of partially etching the laminated body to form a plurality of laminated blocks so as to be divided into a plurality of areas; a second barrier layer that covers upper surfaces and side surfaces of the plurality of laminated blocks; and a second barrier layer. A step of forming an insulating layer which covers and is located between the laminated blocks, and a plug electrode which is embedded in an opening reaching the substrate in a part of the insulating layer and the second barrier layer in a region which does not overlap the laminated block. And a step of forming a semiconductor device. Here, the functional layer is formed so as to include a second transistor, a third transistor, and a capacitor, and the second transistor and the third transistor are formed so as to include a metal oxide in a channel formation region. To be done.

また、上記において、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、前記第3のトランジスタのゲートとが、電気的に接続されるように形成することが好ましい。 In the above, it is preferable that one of the source and the drain of the second transistor and the gate of the third transistor be formed so as to be electrically connected to each other.

また、上記において、厚さ方向に重なる複数の第2のトランジスタを、ソースまたはドレインの他方が、互いに電気的に接続されるように形成することが好ましい。 Further, in the above, it is preferable that the plurality of second transistors which overlap in the thickness direction be formed so that the other of the source and the drain is electrically connected to each other.

また、本発明の他の一態様は、基板搬入部と、第1の製造ラインと、第2の製造ラインと、第3の製造ラインと、基板搬出部と、第1の搬送経路と、第2の搬送経路と、を有する、半導体装置の製造装置である。基板搬入部は、搬入された基板を一時的に保管する部分である。第1の製造ラインは、基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する機能を有する。第2の製造ラインは、機能層と、第1のバリア層と、を、この順に形成する機能を有する。第3の製造ラインは、複数の積層体を複数のエリアに分割するように、積層体の一部をエッチングし、複数の積層ブロックを形成する機能と、複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、第2のバリア層を覆い、かつ積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する機能と、積層ブロックと重ならない領域において、絶縁層及び第2のバリア層の一部に、基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する機能と、を有する。基板搬出部は、工程が完了した基板を一時的に保管する部分である。また第1の搬送経路は、第2の製造ラインから第3の製造ラインへ基板を搬送する機能を有する。また第2の搬送経路は、第2の製造ラインで工程が完了した基板を、第2の製造ラインへ搬送する機能を有する。 Further, another aspect of the present invention is a substrate loading unit, a first manufacturing line, a second manufacturing line, a third manufacturing line, a substrate unloading unit, a first transfer path, and 2 is a manufacturing device of a semiconductor device. The substrate loading unit is a unit that temporarily stores the loaded substrate. The first manufacturing line has a function of forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region. The second manufacturing line has a function of forming a functional layer and a first barrier layer in this order. The third manufacturing line has a function of etching a part of the laminated body to form a plurality of laminated blocks so as to divide the plurality of laminated bodies into a plurality of areas, and covers the upper surface and the side surface of the plurality of laminated blocks. The function of forming the second barrier layer and the insulating layer that covers the second barrier layer and is located between the stacked blocks and one of the insulating layer and the second barrier layer in a region that does not overlap with the stacked block. A function of forming a plug electrode embedded in the opening reaching the substrate. The board unloading section is a section for temporarily storing the board for which the process has been completed. The first transfer path has a function of transferring the substrate from the second manufacturing line to the third manufacturing line. Further, the second transfer path has a function of transferring the substrate, which has been processed in the second manufacturing line, to the second manufacturing line.

本発明の一態様によれば、大容量のメモリデバイスを低コストで実現できる。または、信頼性の高いメモリデバイスを提供できる。または、新規なメモリデバイスを提供できる。 According to one embodiment of the present invention, a large-capacity memory device can be realized at low cost. Alternatively, a highly reliable memory device can be provided. Alternatively, a new memory 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、必ずしも、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 necessarily have to have all of these effects. Note that effects other than these can be extracted from the description in the specification, drawings, claims, and the like.

(A)製造装置の構成例。(B)半導体装置の製造方法に係るフローチャート。(A) A configuration example of a manufacturing apparatus. (B) The flowchart which concerns on the manufacturing method of a semiconductor device. (A)乃至(E)半導体装置の製造方法を説明する図。6A to 6E are views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. (A)乃至(C)半導体装置の製造方法を説明する図。6A to 6C are views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の構成例。Configuration example of a semiconductor device. (A)(B)半導体装置の構成例。(A) (B) Structural example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例。Configuration example of a semiconductor device. 記憶装置の(A)上面図、(B)断面図。FIG. 3A is a top view of the memory device and FIG. 記憶装置の(A)上面図、(B)断面図。FIG. 3A is a top view of the memory device and FIG. 記憶装置の上面図。FIG. 3 is a top view of a memory device. 記憶装置の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a memory device. 記憶装置の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a memory device. 記憶装置の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a memory device. 記憶装置の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. 記憶装置の作製方法を示す(A)上面図、(B)断面図。FIG. 7A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a memory device. (A)IGZOの結晶構造の分類を説明する図、(B)石英ガラスのXRDスペクトルを説明する図、(C)結晶性IGZOのXRDスペクトルを説明する図。(A) The figure explaining classification of the crystal structure of IGZO, (B) The figure explaining the XRD spectrum of quartz glass, (C) The figure explaining the XRD spectrum of crystalline IGZO. (A)(B)記憶装置の構成例を示すブロック図。3A and 3B are block diagrams illustrating a configuration example of a storage device. (A)乃至(H)記憶装置の構成例を示す回路図。6A to 6H are circuit diagrams illustrating a structural example of a memory device. (A)(B)記憶装置の構成例を示す回路図。7A and 7B are circuit diagrams illustrating a configuration example of a memory device. (A)半導体装置のブロック図。(B)半導体装置の模式図。(A) A block diagram of a semiconductor device. (B) A schematic view of a semiconductor device. 各種の記憶装置を階層ごとに示す図。FIG. 3 is a diagram showing various storage devices layer by layer. (A)(B)電子部品の一例を説明する図。7A and 7B are diagrams illustrating an example of an electronic component. (A)乃至(E)記憶装置の模式図。6A to 6E are schematic views of a storage device. (A)乃至(C)半導体装置の構成例を示すブロック図。4A to 4C are block diagrams illustrating a structural example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す(A)ブロック図、(B)回路図。(C)半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。4A is a block diagram illustrating a structural example of a semiconductor device, and FIG. (C) A timing chart showing an operation example of the semiconductor device. 半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a semiconductor device. (A)半導体装置の構成例を示す回路図。(B)半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。(A) A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. (B) A timing chart showing an operation example of the semiconductor device. 半導体装置を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram showing a semiconductor device. (A)(B)電子部品の例を示す模式図。(A) The schematic diagram which shows the example of (B) electronic component. (A)乃至(F)電子機器を示す図。6A to 6F are diagrams illustrating electronic devices.

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、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that the embodiments can be implemented in many different modes, and that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and the scope thereof. .. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.

なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Note that, in the structure of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated description thereof is omitted. Further, when referring to the same function, the hatch patterns may be the same and may not be given a reference numeral in particular.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成要素の大きさ、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。 Note that in each drawing described in this specification, the size of each component, the layer thickness, or the region is exaggerated for clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to that scale.

なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。 Note that the ordinal numbers such as “first” and “second” in this specification and the like are added to avoid confusion among components, and are not numerically limited.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。 A transistor is a kind of semiconductor element, and can realize amplification of current or voltage, switching operation for controlling conduction or non-conduction, or the like. The transistor in this specification includes an IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) and a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor).

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、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 Further, the functions of the “source” and the “drain” may be switched when a transistor having a different polarity is used or when the direction of current flow is changed in circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be interchanged.

また、本明細書等において、トランジスタのソース、又はドレインのどちらか一方のことを「第1電極」と呼び、ソース、又はドレインの他方を「第2電極」とも呼ぶことがある。なお、ゲートについては「ゲート」又は「ゲート電極」とも呼ぶ。 In this specification and the like, one of a source and a drain of a transistor is referred to as a “first electrode” and the other of the source and the drain is also referred to as a “second electrode”. Note that the gate is also referred to as a “gate” or a “gate electrode”.

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

なお、以下では「上」、「下」などの向きを示す表現は、基本的には図面の向きと合わせて用いるものとする。しかしながら、説明を容易にするためなどの目的で、明細書中の「上」または「下」が意味する向きが、図面とは一致しない場合がある。一例としては、積層体等の積層順(または形成順)などを説明する場合に、図面において当該積層体が設けられる側の面(被形成面、支持面、接着面、平坦面など)が当該積層体よりも上側に位置していても、その向きを下、これとは反対の向きを上、などと表現する場合がある。 In the following, expressions such as “up” and “down” are basically used in combination with the orientation of the drawings. However, for the purpose of facilitating the description, etc., the orientation of “upper” or “lower” in the specification may not match with that in the drawing. As an example, when describing the stacking order (or formation order) of a laminated body or the like, the surface (formation surface, support surface, adhesive surface, flat surface, etc.) on the side where the laminated body is provided in the drawing is Even if it is located above the laminated body, the direction thereof may be expressed as a downward direction, and the opposite direction may be expressed as an upward direction.

なお、本明細書等において、トランジスタのチャネル長方向とは、ソース領域とドレイン領域間を最短距離で結ぶ直線に平行な方向のうちの1つをいう。すなわち、チャネル長方向は、トランジスタがオン状態のときに半導体層を流れる電流の方向のうちの1つに相当する。また、チャネル幅方向とは、当該チャネル長方向に直交する方向をいう。なお、トランジスタの構造や形状によっては、チャネル長方向及びチャネル幅方向は1つに定まらない場合がある。 Note that in this specification and the like, the channel length direction of a transistor refers to one of directions parallel to a straight line connecting a source region and a drain region with the shortest distance. That is, the channel length direction corresponds to one of the directions of current flowing through the semiconductor layer when the transistor is on. Further, the channel width direction means a direction orthogonal to the channel length direction. Note that depending on the structure and shape of the transistor, the channel length direction and the channel width direction may not be defined as one.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」や「絶縁層」という用語は、「導電膜」や「絶縁膜」という用語に相互に交換することが可能な場合がある。 In addition, in this specification and the like, the term “film” and the term “layer” can be interchanged with each other. For example, the terms "conductive layer" and "insulating layer" may be interchangeable with the terms "conductive film" and "insulating film".

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の製造方法、及び半導体装置の製造装置について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a device for manufacturing a semiconductor device will be described.

[概要]
本発明の一態様により製造することのできる半導体装置としては、単結晶シリコンなどの半導体基板上に、複数の回路が積層して設けられる、3次元構造を有する積層デバイスである。例えば、シリコン単結晶基板上に、複数のメモリセルアレイが積層された、メモリデバイスを製造することができる。
[Overview]
A semiconductor device that can be manufactured according to one embodiment of the present invention is a stacked device having a three-dimensional structure in which a plurality of circuits is stacked and provided over a semiconductor substrate of single crystal silicon or the like. For example, a memory device in which a plurality of memory cell arrays are stacked on a silicon single crystal substrate can be manufactured.

半導体基板には、基板の一部をチャネルが形成される半導体層としたトランジスタを形成することが好ましい。これにより、半導体基板に、メモリセルアレイと電気的に接続されるセンスアンプやドライバ回路を設けることができる。半導体基板に形成されるトランジスタは、駆動周波数を極めて高いものとすることができるため、メモリデバイスを高速に駆動することができる。 It is preferable to form a transistor in which a part of the substrate is used as a semiconductor layer in which a channel is formed in the semiconductor substrate. As a result, the semiconductor substrate can be provided with the sense amplifier and the driver circuit electrically connected to the memory cell array. Since the driving frequency of the transistor formed over the semiconductor substrate can be extremely high, the memory device can be driven at high speed.

一方、半導体基板上に積層される複数のメモリセルアレイには、チャネルが形成される半導体層に、酸化物半導体が適用されたトランジスタを適用することが好ましい。酸化物半導体が適用されたトランジスタは、オフ状態におけるリーク電流(オフ電流ともいう)が著しく低いといった特徴を有するため、トランジスタに接続された容量に長期間に亘って電荷を保持することができる。 On the other hand, in a plurality of memory cell arrays stacked over a semiconductor substrate, a transistor in which an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer in which a channel is formed is preferably used. A transistor to which an oxide semiconductor is applied has a feature that leakage current in an off state (also referred to as off current) is extremely low; thus, charge can be held in a capacitor connected to the transistor for a long time.

また、本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板上にトランジスタ及び容量により構成されたメモリセル、またはメモリセルを複数有するメモリセルアレイ含む層(機能層ともいう)と、第1のバリア層とが交互に積層された構成を有する。メモリセルを含む機能層の積層数は例えば2層以上256層以下、好ましくは2層以上200層以下、より好ましくは2層以上128層以下とすることができ、代表的には、2層、4層、5層、8層、10層、12層、16層、24層、32層、64層、100層、128層、または256層などとすることが好ましい。 In addition, a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a memory cell including a transistor and a capacitor over a semiconductor substrate, or a layer including a memory cell array including a plurality of memory cells (also referred to as a functional layer), a first barrier layer, and Have a structure in which they are alternately laminated. The number of stacked functional layers including memory cells can be, for example, 2 layers or more and 256 layers or less, preferably 2 layers or more and 200 layers or less, more preferably 2 layers or more and 128 layers or less. The number of layers is preferably 4, 5, 8, 10, 10, 12, 16, 16, 24, 32, 64, 100, 128, or 256 layers.

第1のバリア層は、水や水素、または酸素の拡散を防ぐ機能を有する。2つの機能層間にバリア層を設けることで、各層に設けられるトランジスタの信頼性を高めることができる。 The first barrier layer has a function of preventing diffusion of water, hydrogen, or oxygen. By providing the barrier layer between the two functional layers, the reliability of the transistor provided in each layer can be improved.

また、機能層とバリア層が積層された積層体は、平面視(基板の被形成面側から見たとき)において、複数のブロック(積層ブロックともいう)に分割されていることが好ましい。複数のブロックは、基板上に1次元的に配列されるか、または2次元マトリクス状に配置されることが好ましい。 Further, the laminated body in which the functional layer and the barrier layer are laminated is preferably divided into a plurality of blocks (also referred to as laminated blocks) in plan view (when viewed from the side where the substrate is formed). The plurality of blocks are preferably arranged one-dimensionally on the substrate or arranged in a two-dimensional matrix.

1つのブロックは、厚さ方向に積層された複数のメモリセル(またはメモリセルアレイ)を有する。各メモリセルアレイは、ブロック内に配置され、各メモリセルを連結させるプラグ電極により、基板に設けられたセンスアンプや駆動回路等と電気的に接続される構成とすることができる。これにより、半導体装置は、ブロック毎にデータの書き込み、読み出しを行うことができる。 One block has a plurality of memory cells (or memory cell arrays) stacked in the thickness direction. Each memory cell array may be arranged in a block, and may be electrically connected to a sense amplifier, a drive circuit, or the like provided on the substrate by a plug electrode that connects the memory cells. As a result, the semiconductor device can write and read data for each block.

また、各ブロックの上面及び側面に接して、第2のバリア層を設けることができる。第2のバリア層は、第1のバリア層と同様に、水、水素、または酸素の拡散を防ぐ機能を有する。これにより、各ブロックが有する機能層は、上面及び側面だけでなく、四方の側面もバリア層に囲まれる構成とすることができるため、極めて信頼性の高い半導体装置を実現することができる。 Further, the second barrier layer can be provided in contact with the top surface and the side surface of each block. Like the first barrier layer, the second barrier layer has a function of preventing diffusion of water, hydrogen, or oxygen. As a result, the functional layer included in each block can have a structure in which not only the upper surface and the side surface but also the four side surfaces are surrounded by the barrier layer, so that a highly reliable semiconductor device can be realized.

また、複数のブロック間を埋めるように、上記第2のバリア層上に絶縁層が設けられている。さらに、ブロックが設けられない領域において、絶縁層上の接続電極と、基板とを電気的に接続するためのプラグ電極を設けることが好ましい。 Further, an insulating layer is provided on the second barrier layer so as to fill the spaces between the plurality of blocks. Further, it is preferable to provide a plug electrode for electrically connecting the connection electrode on the insulating layer and the substrate in the region where the block is not provided.

本発明の一態様の半導体装置の製造方法について説明する。まず、基板を準備する。次いで、基板の一部をチャネルが形成される半導体とするトランジスタ(第1のトランジスタともよぶ)等を形成する。続いて、酸化物半導体が適用されたトランジスタ、及び容量素子等を含む機能層の形成と、第1のバリア層の形成とを、交互に所定の回数だけ繰り返すことで、複数の機能層と、複数の第1のバリア層とが交互に積層された積層体を形成する。続いて、当該積層体を複数のエリアに分割するように、当該積層体の一部をエッチングして、複数の積層ブロックを形成する。その後、各積層ブロックを覆う第2のバリア層と、第2のバリア層上に各積層ブロック間の隙間を埋める絶縁層を形成する。続いて、各積層ブロックの間において、当該絶縁層と第2のバリア層に埋め込まれる第2のプラグ電極を形成する。 A method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described. First, a substrate is prepared. Next, a transistor (also referred to as a first transistor) or the like including a part of the substrate as a semiconductor in which a channel is formed is formed. Subsequently, the formation of a functional layer including a transistor to which an oxide semiconductor is applied, a capacitor, and the like, and the formation of a first barrier layer are alternately repeated a predetermined number of times, so that a plurality of functional layers are formed. A laminated body in which a plurality of first barrier layers are alternately laminated is formed. Then, a part of the stacked body is etched so that the stacked body is divided into a plurality of areas to form a plurality of stacked blocks. After that, a second barrier layer that covers each stacked block and an insulating layer that fills a gap between the stacked blocks are formed over the second barrier layer. Subsequently, a second plug electrode embedded in the insulating layer and the second barrier layer is formed between the stacked blocks.

上記で説明した製造方法によれば、機能層と第1のバリア層を形成する工程を繰り返す回数を異ならせることで、積層数を自由に設定することができる。また、機能層と第1のバリア層とは、同じ工程を繰り返すことで積層できるため、同じ製造ラインを繰り返し利用することができる。これにより、積層デバイスであっても、積層数の数だけ製造ラインを設ける必要は無く、生産設備(製造装置)を簡略化することができるため、半導体装置の製造コストを大幅に削減することができる。 According to the manufacturing method described above, the number of stacked layers can be freely set by making the number of times of repeating the step of forming the functional layer and the first barrier layer different. Further, since the functional layer and the first barrier layer can be laminated by repeating the same process, the same manufacturing line can be repeatedly used. As a result, even in the case of a laminated device, it is not necessary to provide as many manufacturing lines as the number of laminated layers, and the production facility (manufacturing apparatus) can be simplified, so that the manufacturing cost of the semiconductor device can be significantly reduced. it can.

以下では、より具体的な例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, more specific examples will be described with reference to the drawings.

[製造装置の構成例]
図1(A)に、製造装置10のブロック図を示す。製造装置10は、基板搬入部LL1、第1の製造ライン11と、第2の製造ライン12と、第3の製造ライン13と、基板搬出部LL2と、を有する。また、製造装置10は、基板の搬送経路である搬送経路21、搬送経路22、搬送経路23a、搬送経路23b、及び搬送経路24を有する。製造装置10は、基板搬入部LL1から基板を投入し、各製造ラインを経て完成した基板を基板搬出部LL2から搬出することができる。製造装置10は、複数の装置を備える生産設備とも言うことができる。
[Example of configuration of manufacturing equipment]
FIG. 1A shows a block diagram of the manufacturing apparatus 10. The manufacturing apparatus 10 includes a substrate loading unit LL1, a first manufacturing line 11, a second manufacturing line 12, a third manufacturing line 13, and a substrate unloading unit LL2. The manufacturing apparatus 10 also includes a transport path 21, a transport path 22, a transport path 23 a, a transport path 23 b, and a transport path 24, which are the transport paths for the substrate. The manufacturing apparatus 10 can load a substrate from the substrate loading unit LL1 and unload a completed substrate from each manufacturing line from the substrate unloading unit LL2. The manufacturing apparatus 10 can also be called a production facility including a plurality of devices.

基板搬入部LL1は、基板が搬入される部分である。基板搬入部LL1は、搬入された基板を一時的に保管することができる。基板搬入部LL1は、例えばロードロック室を備える構成とすることができる。 The substrate carry-in section LL1 is a portion into which the substrate is carried in. The substrate loading unit LL1 can temporarily store the loaded substrate. The substrate loading unit LL1 can be configured to include, for example, a load lock chamber.

搬送経路21は、基板搬入部LL1から第1の製造ライン11へ基板を搬送する機構を有する。 The transfer path 21 has a mechanism for transferring a substrate from the substrate loading unit LL1 to the first manufacturing line 11.

第1の製造ライン11は、少なくとも基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成するための装置を備える。第1の製造ライン11を経て搬出される基板には、上記第1のトランジスタのほかに、配線、容量、プラグ電極等が形成されうる。例えば基板として、シリコンウェハを用いた場合には、シリコンを半導体層に用いたn型のトランジスタ、p型のトランジスタ、またはその両方を、第1の製造ライン11にて形成することができる。 The first manufacturing line 11 includes a device for forming a first transistor in which at least a part of the substrate serves as a channel formation region. In addition to the first transistor, wirings, capacitors, plug electrodes, etc. may be formed on the substrate carried out through the first manufacturing line 11. For example, when a silicon wafer is used as the substrate, an n-type transistor using silicon as a semiconductor layer, a p-type transistor, or both can be formed in the first manufacturing line 11.

搬送経路22は、第1の製造ライン11から第2の製造ライン12へ基板を搬送する機構を有する。 The transport path 22 has a mechanism for transporting the substrate from the first manufacturing line 11 to the second manufacturing line 12.

第2の製造ライン12は、機能層と、第1のバリア層とを順に形成するための装置を備える。 The second manufacturing line 12 includes a device for sequentially forming the functional layer and the first barrier layer.

機能層は、少なくともチャネルが形成される半導体層に酸化物半導体が適用された第2のトランジスタと、容量と、を有する。また機能層には、そのほかに電極、配線、プラグ電極、絶縁層等が含まれていてもよい。 The functional layer includes at least a second transistor in which an oxide semiconductor is applied to a semiconductor layer in which a channel is formed and a capacitor. Further, the functional layer may further include electrodes, wirings, plug electrodes, insulating layers, and the like.

第1のバリア層は、機能層の上面を覆って形成される。第1のバリア層は、水、水素、または酸素が拡散しにくい絶縁層を含む。第1のバリア層としては、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、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどを含む絶縁膜を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンは、水素に対するバリア性が高いため、封止する材質として好適に用いることができる。また、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などの金属酸化物は、水素を捕獲、及び固着する機能を有する場合があるため好ましい。また、第1のバリア層は、上述した絶縁膜を2層以上積層した構成とすると、バリア性が向上するため好ましい。 The first barrier layer is formed so as to cover the upper surface of the functional layer. The first barrier layer includes an insulating layer in which water, hydrogen, or oxygen does not easily diffuse. As the first barrier layer, an insulating film containing aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, indium gallium zinc oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like is preferably used. In particular, since silicon nitride or silicon nitride oxide has a high barrier property against hydrogen, it can be preferably used as a sealing material. Further, metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, and indium gallium zinc oxide are preferable because they sometimes have a function of trapping and fixing hydrogen. Further, it is preferable that the first barrier layer has a structure in which two or more layers of the above-described insulating films are stacked because the barrier property is improved.

搬送経路23aは、第2の製造ライン12から搬出された基板を、再度第2の製造ライン12に搬送する機構を有する。搬送経路23aを設けることで、第2の製造ライン12により、機能層と第1のバリア層を繰り返し形成し、これらが交互に積層された積層体を形成することができる。 The transfer path 23 a has a mechanism that transfers the substrate carried out from the second manufacturing line 12 to the second manufacturing line 12 again. By providing the transport path 23a, the functional layer and the first barrier layer can be repeatedly formed by the second manufacturing line 12, and a laminated body in which these are laminated alternately can be formed.

搬送経路23bは、第2の製造ライン12から搬出された基板を、第3の製造ライン13に搬送する機構を有する。 The transport path 23b has a mechanism for transporting the substrate carried out from the second manufacturing line 12 to the third manufacturing line 13.

第3の製造ライン13は、以下の工程に係る装置を備える。第3の製造ライン13にて、まず第2の製造ライン12で形成した積層体を、複数のエリアに分割するように、当該積層体の一部をエッチングし、複数の積層ブロックを形成する。続いて、複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、当該第2のバリア層を覆い、且つ積層ブロック間を埋め込む絶縁層とを形成する。続いて、積層ブロックが設けられない部分(例えば積層ブロックの間に位置する領域)において、絶縁層と第2のバリア層に開口を形成し、基板に形成される配線等と電気的に接続するプラグ電極を形成する。 The third manufacturing line 13 includes devices related to the following steps. In the third manufacturing line 13, first, a part of the laminated body is etched so that the laminated body formed in the second manufacturing line 12 is divided into a plurality of areas to form a plurality of laminated blocks. Subsequently, a second barrier layer that covers the top surface and side surfaces of the plurality of stacked blocks and an insulating layer that covers the second barrier layer and fills the space between the stacked blocks are formed. Then, in a portion where the stacked block is not provided (for example, a region located between the stacked blocks), an opening is formed in the insulating layer and the second barrier layer and electrically connected to a wiring or the like formed over the substrate. A plug electrode is formed.

また、第3の製造ライン13は、絶縁層上に、上記で形成したプラグ電極と電気的に接続する接続端子を形成する装置を有していてもよい。 In addition, the third manufacturing line 13 may include a device that forms, on the insulating layer, a connection terminal that is electrically connected to the plug electrode formed above.

搬送経路24は、第3の製造ライン13から搬出された基板を、基板搬出部LL2に搬送する機構を有する。 The transfer path 24 has a mechanism that transfers the substrate carried out from the third manufacturing line 13 to the substrate carrying-out section LL2.

基板搬出部LL2は、基板が搬入される部分である。また基板搬出部LL2は、工程が完了した基板を一時的に保管することができる。基板搬出部LL2は、例えばロードロック室を備える構成とすることができる。 The substrate unloading unit LL2 is a portion into which the substrate is loaded. The substrate unloading unit LL2 can temporarily store the substrate for which the process has been completed. The substrate unloading unit LL2 can be configured to include, for example, a load lock chamber.

ここで、製造装置10が有する第1の製造ライン11、第2の製造ライン12、及び第3の製造ライン13は、目的とする半導体装置の製造工程に必要な種々の装置を備えることができる。代表的には、成膜装置、フォトリソグラフィ装置、エッチング装置、洗浄装置、イオンドーピング装置、熱処理装置、レーザ装置などを備える構成とすることができる。また、第1の製造ライン11、第2の製造ライン12、及び第3の製造ライン13は、製造工程の順に種々の装置が配置される、いわゆるインライン装置を備える構成とすることが好ましい。 Here, the first manufacturing line 11, the second manufacturing line 12, and the third manufacturing line 13 included in the manufacturing apparatus 10 can include various devices necessary for a manufacturing process of a target semiconductor device. .. Typically, a structure including a film forming device, a photolithography device, an etching device, a cleaning device, an ion doping device, a heat treatment device, a laser device, and the like can be employed. Moreover, it is preferable that the first manufacturing line 11, the second manufacturing line 12, and the third manufacturing line 13 include so-called in-line devices in which various devices are arranged in the order of the manufacturing process.

[半導体装置の製造方法例]
以下では、上記製造装置10を用いて半導体装置を製造する方法の一例について、図面を参照して説明する。
[Example of manufacturing method of semiconductor device]
Hereinafter, an example of a method of manufacturing a semiconductor device using the manufacturing apparatus 10 will be described with reference to the drawings.

図1(B)は、製造装置10を用いて半導体装置を製造する方法に係るフローチャートである。また、図2(A)乃至(E)、図3(A)乃至(C)は、半導体装置の製造方法を説明するための斜視概略図である。 FIG. 1B is a flowchart of a method for manufacturing a semiconductor device using the manufacturing apparatus 10. 2A to 2E and FIGS. 3A to 3C are schematic perspective views for explaining the method for manufacturing the semiconductor device.

〔基板投入(ステップS1)〕
まず、製造装置10の基板搬入部LL1に、基板30を搬入する。搬入された基板30は、基板搬入部LL1に一時的に保管されたのち、搬送経路21を介して第1の製造ライン11に送られる。
[Substrate loading (step S1)]
First, the substrate 30 is loaded into the substrate loading unit LL1 of the manufacturing apparatus 10. The loaded substrate 30 is temporarily stored in the substrate loading unit LL1 and then sent to the first manufacturing line 11 via the transport path 21.

ここでは、基板30として、シリコンウェハを用いた場合を例に挙げて説明する。 Here, a case where a silicon wafer is used as the substrate 30 will be described as an example.

〔Si−FET形成工程(ステップS2)〕
第1の製造ライン11では、シリコンを半導体層に適用したトランジスタ(第1のトランジスタ、Si−FET(Field Effect Transistor)ともいう)を形成する。またこれに加えて、配線、電極、容量などを形成することで、基板30に第1のトランジスタを含む様々な回路を形成することができる。例えば記憶装置を製造する場合、当該回路の一例として、書き込み、読み出し動作を制御する駆動回路や、センスアンプ回路などが挙げられる。
[Si-FET forming step (step S2)]
In the first manufacturing line 11, a transistor (first transistor, also referred to as Si-FET (Field Effect Transistor)) in which silicon is applied to a semiconductor layer is formed. In addition to this, by forming wirings, electrodes, capacitors, and the like, various circuits including the first transistor can be formed over the substrate 30. For example, when manufacturing a memory device, examples of the circuit include a driver circuit which controls writing and reading operations, a sense amplifier circuit, and the like.

第1のトランジスタの製造方法は、公知のSi−LSI製造プロセスを援用することができる。例えば、プレーナ型、Fin型、トレンチ型などのトランジスタを作製することができる。また、第1の製造ライン11では、n型のトランジスタ、p型のトランジスタ、またはその両方を製造することができる。n型のトランジスタとp型のトランジスタの両方を用いて回路を構成することで、回路の機能性や性能を高めることができる。 A known Si-LSI manufacturing process can be applied to the manufacturing method of the first transistor. For example, a planar type transistor, a Fin type transistor, a trench type transistor, or the like can be manufactured. In addition, the first manufacturing line 11 can manufacture an n-type transistor, a p-type transistor, or both. By forming a circuit using both an n-type transistor and a p-type transistor, the functionality and performance of the circuit can be improved.

図2(A)では、基板30に、センスアンプ32を含む回路31と、配線33と、接続部34と、を形成する例を示している。回路31は、後に形成されるメモリセル41のデータの読み出しを行う読み出し回路として機能する。なお、基板30には、このほか行ドライバ回路、列ドライバ回路、演算回路、記憶回路など(図示しない)が形成されうる。接続部34は、後に形成されるプラグ56が接続される部分である。配線33は、回路31と電気的に接続される配線であり、例えば後に形成される端子57に供給される信号または電位を、回路31に供給する機能を有する。 FIG. 2A illustrates an example in which the circuit 31 including the sense amplifier 32, the wiring 33, and the connection portion 34 are formed over the substrate 30. The circuit 31 functions as a read circuit which reads data of the memory cell 41 which is formed later. In addition, a row driver circuit, a column driver circuit, an arithmetic circuit, a memory circuit and the like (not shown) may be formed on the substrate 30. The connection portion 34 is a portion to which a plug 56 formed later is connected. The wiring 33 is a wiring electrically connected to the circuit 31 and has a function of supplying a signal or a potential supplied to a terminal 57 formed later to the circuit 31, for example.

続いて、第1の製造ライン11において、回路31等を覆うバリア層39が形成される(図2(B))。バリア層39は、後に形成される機能層40側に、水や水素が拡散することを防ぐ機能を有する。また、基板30に設ける配線や電極に含まれる金属元素(代表的には銅など)の拡散を抑制する機能を有していてもよい。バリア層39は、上述した絶縁膜を一以上含む構成とすることが好ましい。バリア層39は、後述するバリア層51と同様の方法により形成することができる。 Subsequently, in the first manufacturing line 11, the barrier layer 39 that covers the circuit 31 and the like is formed (FIG. 2B). The barrier layer 39 has a function of preventing water or hydrogen from diffusing on the side of the functional layer 40 to be formed later. Further, it may have a function of suppressing diffusion of a metal element (typically, copper or the like) contained in wirings or electrodes provided on the substrate 30. The barrier layer 39 preferably has a structure including one or more of the above-described insulating films. The barrier layer 39 can be formed by a method similar to that of the barrier layer 51 described later.

第1の製造ライン11での工程が完了した基板30は、搬送経路22を介して、第2の製造ライン12へ送られる。 The substrate 30 for which the process in the first manufacturing line 11 has been completed is sent to the second manufacturing line 12 via the transport path 22.

〔OS−FET、容量形成工程(ステップS3)〕
第2の製造ライン12において、バリア層39上に機能層40を形成する(図2(C))。
[OS-FET, capacitance forming step (step S3)]
In the second manufacturing line 12, the functional layer 40 is formed on the barrier layer 39 (FIG. 2C).

図2(C)では、機能層40として、複数のメモリセル41を有する例を示している。メモリセル41は、トランジスタ42と、容量43を有する。トランジスタ42は、チャネルが形成される半導体層に、酸化物半導体が適用されたトランジスタ(第2のトランジスタ、OS(Oxide Semiconductor)−FETともいう)である。メモリセル41は、トランジスタ42を介して容量43に電荷を保持することでデータを記憶することができる。 FIG. 2C shows an example in which the functional layer 40 has a plurality of memory cells 41. The memory cell 41 has a transistor 42 and a capacitor 43. The transistor 42 is a transistor in which an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer in which a channel is formed (also referred to as a second transistor or an OS (Oxide Semiconductor)-FET). The memory cell 41 can store data by holding charge in the capacitor 43 through the transistor 42.

トランジスタ42は、ビット線として機能するプラグ44を介して、基板30に設けられる回路31と電気的に接続する。図2(C)では、2つのメモリセルが、1つのビット線(プラグ44)を共有する例を示している。これにより、より高密度にメモリセルを配置することができるため好ましい。プラグ44は、バリア層39を貫通するように形成される。 The transistor 42 is electrically connected to the circuit 31 provided on the substrate 30 through the plug 44 that functions as a bit line. FIG. 2C shows an example in which two memory cells share one bit line (plug 44). This is preferable since the memory cells can be arranged at a higher density. The plug 44 is formed so as to penetrate the barrier layer 39.

第2の製造ライン12では、トランジスタ42、容量43、及びプラグ44を形成することができる。またこのほかに、配線、電極等を形成することで、メモリセル41を形成することができる。なお、メモリセル41の他にも回路を形成してもよい。 In the second manufacturing line 12, the transistor 42, the capacitor 43, and the plug 44 can be formed. In addition to this, the memory cell 41 can be formed by forming wirings, electrodes, and the like. A circuit may be formed in addition to the memory cell 41.

〔バリア層形成工程(ステップS4)〕
続いて、第2の製造ライン12にて、機能層40上にバリア層51を形成する(図2(D))。
[Barrier Layer Forming Step (Step S4)]
Subsequently, in the second manufacturing line 12, the barrier layer 51 is formed on the functional layer 40 (FIG. 2D).

バリア層51は、上述した絶縁膜を単層で、または積層して形成することができる。バリア層51は、CVD法、ALD法、またはスパッタリング法などの成膜方法により形成することができる。 The barrier layer 51 can be formed as a single layer or a stack of the above-described insulating films. The barrier layer 51 can be formed by a film forming method such as a CVD method, an ALD method, or a sputtering method.

バリア層51に用いる絶縁膜は、成膜条件を適宜設定することにより、膜中の水素濃度を低減することが好ましい。一般に、CVD法やALD法を用いて成膜した膜は、スパッタリング法を用いて成膜した膜よりも被覆性が高い。一方、CVD法またはALD法に用いる化合物ガスは、水素を含む場合が多く、CVD法またはALD法を用いて成膜した膜は、スパッタリング法を用いて成膜した膜よりも水素の含有量が多い。 For the insulating film used for the barrier layer 51, it is preferable to reduce the hydrogen concentration in the film by appropriately setting the film forming conditions. In general, a film formed by a CVD method or an ALD method has higher coverage than a film formed by a sputtering method. On the other hand, the compound gas used for the CVD method or the ALD method often contains hydrogen, and the film formed by the CVD method or the ALD method has a higher hydrogen content than the film formed by the sputtering method. Many.

したがって、例えば機能層40と近接する膜に、膜中の水素濃度が低減された膜(具体的にはスパッタリング法を用いて成膜した膜)を用いるとよい。さらに、不純物の拡散を抑制する膜として、被覆性が高い膜(具体的にはCVD法またはALD法を用いて成膜した膜)を、上記水素濃度が低減された一対の膜で挟む構成とするとよい。また、上記被覆性の高い膜に接して、水素を捕獲、及び固着する機能を有し、且つ水素濃度が低減された膜を配置するとよい。 Therefore, for example, a film with a reduced hydrogen concentration in the film (specifically, a film formed by a sputtering method) is preferably used as a film which is close to the functional layer 40. Further, as a film that suppresses diffusion of impurities, a film having high coverage (specifically, a film formed by using a CVD method or an ALD method) is sandwiched between a pair of films whose hydrogen concentration is reduced. Good to do. Further, a film having a function of capturing and fixing hydrogen and having a reduced hydrogen concentration may be provided in contact with the film having high coverage.

バリア層51を設けることで、2つの機能層40間で水、水素、及び酸素が拡散することを防ぐことができる。バリア層51は、2つの機能層40を分離する分離層として機能するともいえる。 By providing the barrier layer 51, diffusion of water, hydrogen, and oxygen between the two functional layers 40 can be prevented. It can be said that the barrier layer 51 also functions as a separation layer that separates the two functional layers 40.

〔分岐(ステップS5)〕
ここで、第2の製造ライン12での工程の繰り返し数が既定の回数(n回)に達したときは、ステップS6へ移行する。一方、当該繰り返し数がn回未満であるとき、ステップS3へ移行する。ここではまず、後者について説明する。
[Branching (step S5)]
Here, when the number of repetitions of the process in the second manufacturing line 12 reaches the predetermined number (n times), the process proceeds to step S6. On the other hand, when the number of repetitions is less than n, the process proceeds to step S3. Here, first, the latter will be described.

第2の製造ライン12で工程が完了した基板30は、搬送経路23aを介して、再度第2の製造ライン12へ送られる。 The substrate 30 whose process has been completed in the second manufacturing line 12 is sent again to the second manufacturing line 12 via the transfer path 23a.

その後、第2の製造ライン12で上記と同じ工程を経て、バリア層51上に、機能層40と、バリア層51とが積層して形成される。 After that, the functional layer 40 and the barrier layer 51 are laminated and formed on the barrier layer 51 through the same steps as above in the second manufacturing line 12.

図2(E)では、第2の製造ライン12での工程を複数回繰り返した後の斜視概略図を示している。ここでは一例として、機能層40とバリア層51とが交互に6つ積層された様子を示している。 FIG. 2E shows a schematic perspective view after the process in the second manufacturing line 12 is repeated a plurality of times. Here, as an example, a state in which six functional layers 40 and six barrier layers 51 are alternately stacked is shown.

ここで、2つの機能層40の間には、プラグ44と電気的に接続するプラグ45が設けられる。プラグ45は、プラグ44と同様の工程で形成される。複数のプラグ45と、プラグ44が連結した構成が、ビット線として機能する。 Here, a plug 45 that is electrically connected to the plug 44 is provided between the two functional layers 40. The plug 45 is formed in the same process as the plug 44. The configuration in which the plurality of plugs 45 and the plugs 44 are connected functions as a bit line.

〔ブロック化工程(ステップS6)〕
第2の製造ライン12での工程が既定の回数(n回)完了した基板は、搬送経路23bを介して、第3の製造ライン13へ送られる。
[Blocking Step (Step S6)]
The substrate on which the process in the second manufacturing line 12 has been completed a predetermined number of times (n times) is sent to the third manufacturing line 13 via the transfer path 23b.

第3の製造ライン13において、機能層40とバリア層51とが交互に積層された積層体を、複数のエリアに分割するように、積層体の一部をエッチングし、複数の積層ブロック60を形成する(図3(A))。エッチングは、バリア層39の上面が露出するように行うことができる。エッチングは、異方性のドライエッチング法により行うことが好ましい。 In the third manufacturing line 13, a part of the laminated body is etched so that the laminated body in which the functional layers 40 and the barrier layers 51 are alternately laminated is divided into a plurality of areas to form a plurality of laminated blocks 60. Formed (FIG. 3A). The etching can be performed so that the upper surface of the barrier layer 39 is exposed. The etching is preferably performed by an anisotropic dry etching method.

1つの積層ブロック60は、島状の機能層40aと、島状のバリア層51aとが、交互に積層された構成を有している。複数の積層ブロック60は、1次元的に配列させる、または2次元的にマトリクス状に配列させるように、形成することが好ましい。 One laminated block 60 has a configuration in which island-shaped functional layers 40a and island-shaped barrier layers 51a are alternately laminated. It is preferable that the plurality of laminated blocks 60 be formed so as to be arranged one-dimensionally or arranged two-dimensionally in a matrix.

〔ブロック封止工程(ステップS7)〕
続いて、製造ライン13にて、積層ブロック60の上面及び側面、ならびにバリア層39の上面を覆うように、バリア層52を形成する。バリア層52は、バリア層51と同様の条件で形成することができる。バリア層52とバリア層51とを同じ条件で形成することで、用いる成膜ガスなどを共通にできるため、製造コストを削減することができる。
[Block sealing step (step S7)]
Then, in the manufacturing line 13, the barrier layer 52 is formed so as to cover the upper surface and the side surface of the laminated block 60 and the upper surface of the barrier layer 39. The barrier layer 52 can be formed under the same conditions as the barrier layer 51. By forming the barrier layer 52 and the barrier layer 51 under the same conditions, it is possible to use the same film forming gas and the like, so that the manufacturing cost can be reduced.

バリア層52の形成後、積層ブロック60の間を埋めるように、絶縁層55を形成する。絶縁層55は、積層ブロック60上に位置するバリア層52の上面を覆うように設けてもよい。また、絶縁層55の成膜後、その上面を平坦化する処理(平坦化処理)を行なうことが好ましい。平坦化処理としては、代表的にはCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いることができる。 After forming the barrier layer 52, the insulating layer 55 is formed so as to fill the space between the laminated blocks 60. The insulating layer 55 may be provided so as to cover the upper surface of the barrier layer 52 located on the laminated block 60. Further, after the insulating layer 55 is formed, it is preferable to perform a process of planarizing the upper surface (planarizing process). As the flattening treatment, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method can be typically used.

バリア層52を形成することで、積層ブロック60が有する各機能層40aの側面を保護し、当該側面に、絶縁層55から水や水素などの不純物が拡散することを抑制することができる。そのため、信頼性の高い半導体装置を実現できる。また、絶縁層55には、水素の含有量の高い膜を用いることができるため、絶縁層55の成膜方法や材料の選択の幅が広がる。その結果、成膜速度を高めた条件で、絶縁層55を形成することができ、製造コストを低減できるといった副次的な効果を奏する。 By forming the barrier layer 52, the side surface of each functional layer 40a included in the laminated block 60 can be protected, and diffusion of impurities such as water and hydrogen from the insulating layer 55 to the side surface can be suppressed. Therefore, a highly reliable semiconductor device can be realized. In addition, since a film having a high hydrogen content can be used for the insulating layer 55, the range of choices for the method of forming the insulating layer 55 and the material can be expanded. As a result, the insulating layer 55 can be formed under the condition that the film formation rate is increased, and the secondary effect of reducing the manufacturing cost can be obtained.

〔プラグ電極形成工程(ステップS8)〕
続いて、第3の製造ライン13にて、積層ブロック60が設けられていない領域において、絶縁層55、バリア層52、及びバリア層39に、基板30の接続部34に達する開口を形成する。続いて、当該開口を埋めるように導電層を形成することにより、接続部34と電気的に接続するプラグ56を形成することができる(図3(C))。
[Plug Electrode Forming Step (Step S8)]
Then, in the third manufacturing line 13, in the region where the laminated block 60 is not provided, an opening reaching the connection portion 34 of the substrate 30 is formed in the insulating layer 55, the barrier layer 52, and the barrier layer 39. Then, a conductive layer is formed so as to fill the opening, whereby the plug 56 which is electrically connected to the connection portion 34 can be formed (FIG. 3C).

図3(C)では、絶縁層55上に設けられ、プラグ56と電気的に接続する端子57を明示している。端子57は、外部接続端子として機能し、ワイヤーボンディング法などにより、ICパッケージ等が有する電極と電気的に接続することができる。 In FIG. 3C, a terminal 57 provided on the insulating layer 55 and electrically connected to the plug 56 is clearly shown. The terminal 57 functions as an external connection terminal and can be electrically connected to an electrode included in an IC package or the like by a wire bonding method or the like.

なお、図3(C)では、積層ブロック60と重なる領域において、絶縁層55がバリア層52を被覆する構成を示したが、上述の平坦化処理により、バリア層52の上面が露出した状態であってもよい。またこのとき、バリア層52の上面、及び絶縁層55の上面を覆って、さらに絶縁層を設けてもよい。 Although the insulating layer 55 covers the barrier layer 52 in the region overlapping with the stacked block 60 in FIG. 3C, the upper surface of the barrier layer 52 is exposed by the above planarization treatment. It may be. At this time, an insulating layer may be further provided so as to cover the upper surface of the barrier layer 52 and the upper surface of the insulating layer 55.

以上の工程により、製造装置10を用いて積層構造を有する半導体装置を製造することができる。 Through the above steps, a semiconductor device having a laminated structure can be manufactured using the manufacturing apparatus 10.

[半導体装置の構成例]
以下では、製造装置10を用いて作製することのできる半導体装置の構成例について説明する。以下で例示する半導体装置は、記憶装置(メモリ装置)として用いることができる。
[Configuration Example of Semiconductor Device]
Hereinafter, a configuration example of a semiconductor device that can be manufactured using the manufacturing apparatus 10 will be described. The semiconductor device illustrated below can be used as a memory device (memory device).

〔構成例1〕
図4は、半導体装置50の積層構造を分解して示した概略図である。なお、図4では、一部の構成要素(バリア層52等)は明示していない。
[Structure example 1]
FIG. 4 is a schematic diagram showing an exploded view of the laminated structure of the semiconductor device 50. Note that some of the constituent elements (barrier layer 52, etc.) are not shown in FIG.

1つの積層ブロック60には、基板30上に、n個の機能層40aが積層されている。図4では、基板30側から、機能層40a_1、機能層40a_2、及び最も上側に位置する機能層40a_nを示している。また、2つの機能層40aの間には、バリア層51aが設けられている。また、基板30と、機能層40a_1の間には、バリア層39が設けられている。 In one laminated block 60, n functional layers 40a are laminated on the substrate 30. FIG. 4 illustrates the functional layer 40a_1, the functional layer 40a_2, and the uppermost functional layer 40a_n from the substrate 30 side. A barrier layer 51a is provided between the two functional layers 40a. A barrier layer 39 is provided between the substrate 30 and the functional layer 40a_1.

ひとつの機能層40aには、1つ以上のメモリセル41を有する。メモリセル41は、トランジスタ42と、容量43とを有する。トランジスタ42は、ソースまたはドレインの一方がビット線として機能するプラグ44(またはプラグ44及びプラグ45)を介して、回路31と電気的に接続され、他方が容量43の一方の電極と電気的に接続されている。 One functional layer 40a has one or more memory cells 41. The memory cell 41 has a transistor 42 and a capacitor 43. One of the source and the drain of the transistor 42 is electrically connected to the circuit 31 through the plug 44 (or the plug 44 and the plug 45) whose source or drain functions as a bit line, and the other is electrically connected to one electrode of the capacitor 43. It is connected.

メモリセル41へのデータの書き込みは、トランジスタ42をオン状態とし、トランジスタ42を介してビット線の電位に応じて容量43を充電または放電することで行われる。データの保持は、トランジスタ42をオフ状態とすることで行われる。データの読み出しは、トランジスタ42をオン状態としたときのビット線の電位の変化を回路31のセンスアンプで読み出すことで行われる。そのため、半導体装置50は、破壊読出し型の記憶装置として機能する。 Writing data to the memory cell 41 is performed by turning on the transistor 42 and charging or discharging the capacitor 43 through the transistor 42 in accordance with the potential of the bit line. Data is held by turning off the transistor 42. Data is read by reading the change in the potential of the bit line when the transistor 42 is turned on by the sense amplifier of the circuit 31. Therefore, the semiconductor device 50 functions as a destructive read storage device.

また、図4では、2つのメモリセルが1つのビット線を共有する構成を示している。これにより、メモリセルの占有面積を縮小することが可能で、より大容量の記憶装置とすることができる。 Further, FIG. 4 shows a configuration in which two memory cells share one bit line. As a result, the area occupied by the memory cells can be reduced, and a larger-capacity storage device can be obtained.

続いて、積層ブロック60の構成例について、図5(A)、(B)を用いて説明する。図5(A)、(B)は、複数の積層ブロック60の構成を示す概略図である。 Next, an example of the structure of the laminated block 60 will be described with reference to FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams showing the configuration of the plurality of laminated blocks 60.

図5(A)に示すように、1つの積層ブロック60には、複数の機能層40aが積層して設けられている。機能層40aは、複数のメモリセル41が電気的に接続された、メモリセルアレイ65を有する。 As shown in FIG. 5A, one laminated block 60 is provided with a plurality of functional layers 40a laminated. The functional layer 40a has a memory cell array 65 to which a plurality of memory cells 41 are electrically connected.

メモリセルアレイ65は、複数のビット線BL、複数のワード線WL、及び複数の配線CLを有する。メモリセルアレイ65は、ビット線BLを共有する一対のメモリセル41が、ワード線WL方向に複数配列した構成を有する。 The memory cell array 65 has a plurality of bit lines BL, a plurality of word lines WL, and a plurality of wirings CL. The memory cell array 65 has a configuration in which a plurality of pairs of memory cells 41 sharing the bit line BL are arranged in the word line WL direction.

図5(A)に示す構成は、1つの機能層40aに、1つのメモリセルアレイ65が設けられている例である。ここで、1つのメモリセルアレイ65が、ワード線WL方向にm個のメモリセル41を有し、且つ、積層ブロック60に、n個の機能層40aが積層されるとすると、1つの積層ブロック60には、2×m×n個のメモリセル41が設けられる。 The configuration illustrated in FIG. 5A is an example in which one memory cell array 65 is provided in one functional layer 40a. Here, if one memory cell array 65 has m memory cells 41 in the word line WL direction, and n functional layers 40a are stacked on the stacked block 60, one stacked block 60 is formed. Is provided with 2×m×n memory cells 41.

また、図5(B)に示す構成は、1つの機能層40aに、複数のメモリセルアレイ65が設けられる例である。このような構成とすることで、1つの積層ブロック60当たりのデータ量を増やすことができるため、より大容量の記憶装置を実現できる。 The configuration illustrated in FIG. 5B is an example in which a plurality of memory cell arrays 65 is provided in one functional layer 40a. With such a configuration, the amount of data per stacked block 60 can be increased, so that a larger-capacity storage device can be realized.

〔構成例2〕
図6には、半導体装置50aの積層構造を分解して示した概略図を示す。半導体装置50aは、上記図4で例示した半導体装置50とはメモリセルの構成が異なる。
[Structure example 2]
FIG. 6 is a schematic diagram showing an exploded view of the laminated structure of the semiconductor device 50a. The semiconductor device 50a has a memory cell configuration different from that of the semiconductor device 50 illustrated in FIG.

メモリセル41aは、トランジスタ42、容量43に加えて、トランジスタ46を有する。ここでは、ビット線として機能するプラグ44(及びプラグ45)を共有する一対のメモリセル41aが、1つの機能層40aに設けられる例を示している。また、メモリセル41aには、読み出し配線として機能するプラグ47a(またはプラグ47b)が電気的に接続されている。プラグ47a及びプラグ47bは、積層される複数のメモリセル41a、及び回路31と電気的に接続されている。 The memory cell 41a has a transistor 46 in addition to the transistor 42 and the capacitor 43. Here, an example is shown in which a pair of memory cells 41a that share the plug 44 (and the plug 45) that functions as a bit line are provided in one functional layer 40a. A plug 47a (or a plug 47b) that functions as a read wiring is electrically connected to the memory cell 41a. The plug 47a and the plug 47b are electrically connected to the plurality of stacked memory cells 41a and the circuit 31.

トランジスタ42は、ソースまたはドレインの一方がビット線として機能するプラグ44(またはプラグ44及びプラグ45)を介して、回路31と電気的に接続され、他方が容量43の一方の電極と電気的に接続されている。トランジスタ42のソースまたはドレインの他方は、容量43の一方の電極、及びトランジスタ46のゲートと電気的に接続されている。トランジスタ46のソースまたはドレインの一方は、プラグ47a(またはプラグ47b)を介して、回路31と電気的に接続されている。 One of the source and the drain of the transistor 42 is electrically connected to the circuit 31 through the plug 44 (or the plug 44 and the plug 45) whose source or drain functions as a bit line, and the other is electrically connected to one electrode of the capacitor 43. It is connected. The other of the source and the drain of the transistor 42 is electrically connected to one electrode of the capacitor 43 and the gate of the transistor 46. One of a source and a drain of the transistor 46 is electrically connected to the circuit 31 through the plug 47a (or the plug 47b).

メモリセル41aは、トランジスタ46のゲートが接続されるノードに、電位を保持することによりデータを保持することができる。また、トランジスタ46のゲートが接続される電位(すなわちデータ電位)に応じて、トランジスタ46のオン状態が変化するため、トランジスタ46に流れる電流を回路31で検知することで、データを読み出すことができる。すなわちメモリセル41aを有する半導体装置50aは、非破壊読み出し型の記憶装置として機能する。 The memory cell 41a can hold data by holding a potential at a node to which the gate of the transistor 46 is connected. Further, since the on state of the transistor 46 changes in accordance with the potential (that is, the data potential) to which the gate of the transistor 46 is connected, data can be read by detecting the current flowing in the transistor 46 with the circuit 31. .. That is, the semiconductor device 50a having the memory cell 41a functions as a nondestructive read type memory device.

トランジスタ42及びトランジスタ46は、同一の工程を経て作製することができる。そのため、本発明の一態様の製造装置10を用いて、上記で例示した半導体装置50と、半導体装置50aとを、作り分けることが可能となる。なお、トランジスタ42とトランジスタ46を異なる工程により作製することもできる。 The transistor 42 and the transistor 46 can be manufactured through the same process. Therefore, the semiconductor device 50 and the semiconductor device 50a illustrated above can be separately manufactured using the manufacturing apparatus 10 of one embodiment of the present invention. Note that the transistor 42 and the transistor 46 can be manufactured by different steps.

図4及び図6で例示した構成において、トランジスタ42には、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを適用することで、容量43に書き込んだ電位を長期間に亘って保持することができる。またトランジスタ42のオフ状態におけるリーク電流が著しく小さいため、保持期間中のデータ電位がほとんど変化しない。そのため、2値のデータだけではなく、3値以上の多値のデータ、またはアナログデータの書き込み、読み出しを行うことのできる記憶装置を実現することができる。 In the structure illustrated in FIGS. 4 and 6, a transistor including an oxide semiconductor for a semiconductor layer in which a channel is formed is used as the transistor 42, so that the potential written in the capacitor 43 is held for a long time. can do. Further, since the leak current in the off state of the transistor 42 is extremely small, the data potential during the holding period hardly changes. Therefore, it is possible to realize a storage device capable of writing and reading not only binary data but also multivalued data of three or more values or analog data.

ここで、図4及び図6では、同一の回路構成を有する機能層40aを積層する場合の例を示したが、異なる回路構成を有する機能層40aを積層することもできる。例えば、上記製造方法において、第2の製造ライン12が有する露光装置で用いるフォトマスクのみを変更することで、異なるレイアウトパターンを有する機能層40を作り分けることができる。またこのとき、フォトマスク以外の工程を共通にできるため、新たな装置を必要とせず、且つ、露光装置以外の各装置における処理条件の変更を伴うことなく、1つの第2の製造ライン12を繰り返し用いることができる。さらに、フォトマスクの切り替えのみで様々な品種の半導体装置を作製することができるため、同じ設備を用いて低コストで、多品種の製品を少量から生産することが可能となる。 Here, in FIG. 4 and FIG. 6, an example in which the functional layers 40a having the same circuit configuration are laminated is shown, but the functional layers 40a having different circuit configurations may be laminated. For example, in the above manufacturing method, by changing only the photomask used in the exposure apparatus included in the second manufacturing line 12, the functional layers 40 having different layout patterns can be created separately. Further, at this time, since steps other than the photomask can be shared, a new apparatus is not required, and one second manufacturing line 12 can be formed without changing processing conditions in each apparatus other than the exposure apparatus. It can be used repeatedly. Further, since semiconductor devices of various kinds can be manufactured only by switching the photomask, it is possible to produce a large number of kinds of products at a low cost using the same equipment.

上記方法により、2種類以上の機能層40を所望の順に積層することが可能となる。例えば図4で例示したメモリセル41を有する機能層40aと、図6で例示したメモリセル41aを有する機能層40とが積層された半導体装置を製造することもできる。また例えば、基板30上に、セレクタ回路、バッファ回路、またはセンスアンプ回路等を有する機能層が積層され、その上にメモリセル41aを有する機能層40が積層され、さらにその上にメモリセル41を有する機能層40が複数積層された半導体装置を製造することもできる。 By the above method, it is possible to stack two or more kinds of functional layers 40 in a desired order. For example, a semiconductor device in which the functional layer 40a including the memory cell 41 illustrated in FIG. 4 and the functional layer 40 including the memory cell 41a illustrated in FIG. 6 are stacked can be manufactured. Further, for example, a functional layer having a selector circuit, a buffer circuit, a sense amplifier circuit, or the like is stacked on the substrate 30, a functional layer 40 having a memory cell 41a is stacked thereon, and the memory cell 41 is further stacked thereon. It is also possible to manufacture a semiconductor device in which a plurality of the functional layers 40 included therein are stacked.

以上が、製造装置10を用いて作製することのできる半導体装置の構成例についての説明である。 The above is the description of the configuration example of the semiconductor device that can be manufactured using the manufacturing apparatus 10.

本発明の一態様によれば、大容量の記憶装置を、歩留り良く低コストで製造することができる。本発明の一態様によれば、機能層と第1のバリア層を形成する工程を繰り返す回数を異ならせることで、記憶容量の異なる記憶装置を容易に作り分けることができる。そのため製品ごとに製造ラインを設ける必要がなく、低コストで多品種の記憶装置を製造することが可能となる。 According to one embodiment of the present invention, a large-capacity storage device can be manufactured with high yield at low cost. According to one embodiment of the present invention, memory devices having different memory capacities can be easily manufactured by differentiating the number of times of repeating the step of forming the functional layer and the first barrier layer. Therefore, it is not necessary to provide a manufacturing line for each product, and it is possible to manufacture a wide variety of storage devices at low cost.

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

(実施の形態2)
以下では、実施の形態1で例示した製造方法、及び製造装置により製造しうる半導体装置の構成例について説明する。ここでは特に、半導体装置の一例として記憶装置について説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a configuration example of the semiconductor device that can be manufactured by the manufacturing method and the manufacturing apparatus illustrated in the first embodiment will be described. Here, in particular, a memory device will be described as an example of a semiconductor device.

以下で例示するメモリセルは、実施の形態1で例示した、機能層に設けられるメモリセルに対応する。また、以下で例示するメモリセル層は、実施の形態1で例示した機能層に対応する。 The memory cell illustrated below corresponds to the memory cell provided in the functional layer, which is illustrated in Embodiment 1. Further, the memory cell layers exemplified below correspond to the functional layers exemplified in the first embodiment.

<メモリセルの構成例>
図7(A)および図7(B)に、本発明の一態様に係る記憶装置を構成するメモリセル860の構造を示す。図7(A)は、メモリセル860及びその周辺の上面図である。また、図7(B)は、メモリセル860の断面図であり、図7(B)は、図7(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する。図7(B)において、トランジスタ600のチャネル長方向の断面と、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面を示す。なお、図7(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。なお、図7(A)に示す、X方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれが互いに直交または交差する方向である。ここで、X方向およびY方向は基板面に対して平行または概略平行であり、Z方向は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好ましい。
<Example of memory cell configuration>
7A and 7B illustrate a structure of the memory cell 860 included in the memory device according to one embodiment of the present invention. FIG. 7A is a top view of the memory cell 860 and its periphery. 7B is a cross-sectional view of the memory cell 860, and FIG. 7B corresponds to a portion indicated by dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 7A. In FIG. 7B, a cross section in the channel length direction of the transistor 600 and a cross section in the channel width direction of the transistor 700 are shown. Note that in the top view of FIG. 7A, some elements are omitted for clarity of the drawing. Note that the X direction, the Y direction, and the Z direction shown in FIG. 7A are directions orthogonal to or intersecting with each other. Here, it is preferable that the X direction and the Y direction are parallel or substantially parallel to the substrate surface, and the Z direction is perpendicular or substantially vertical to the substrate surface.

本実施の形態に示す、メモリセル860は、トランジスタ600、トランジスタ700、および容量素子655を有する。メモリセル860は、先の実施の形態に示すメモリセル41aと対応しており、トランジスタ600、トランジスタ700、および容量素子655は、それぞれ、先の実施の形態に示す、トランジスタ42、トランジスタ46、容量43と対応する。よって、トランジスタ600のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ700のゲートと、容量素子655の電極の一方は電気的に接続されている。 The memory cell 860 described in this embodiment includes the transistor 600, the transistor 700, and the capacitor 655. The memory cell 860 corresponds to the memory cell 41a described in the above embodiment, and the transistor 600, the transistor 700, and the capacitor 655 respectively correspond to the transistor 42, the transistor 46, and the capacitor described in the above embodiment. Corresponds to 43. Therefore, one of the source and the drain of the transistor 600, the gate of the transistor 700, and one of the electrodes of the capacitor 655 are electrically connected to each other.

図7(A)(B)に示すように、メモリセル860では、絶縁体614上にトランジスタ600およびトランジスタ700が配置され、また、トランジスタ600およびトランジスタ700の一部の上に絶縁体680が配置され、トランジスタ600、トランジスタ700および絶縁体680の上に絶縁体682が配置され、絶縁体682の上に絶縁体685が配置され、絶縁体685の上に容量素子655が配置され、容量素子655の上に絶縁体688が配置される。絶縁体614、絶縁体680、絶縁体682、絶縁体685、および絶縁体688は、層間膜として機能する。 As illustrated in FIGS. 7A and 7B, in the memory cell 860, the transistor 600 and the transistor 700 are provided over the insulator 614 and the insulator 680 is provided over part of the transistor 600 and the transistor 700. The insulator 682 is provided over the transistor 600, the transistor 700, and the insulator 680, the insulator 685 is provided over the insulator 682, the capacitor 655 is provided over the insulator 685, and the capacitor 655 is provided. An insulator 688 is disposed on the above. The insulator 614, the insulator 680, the insulator 682, the insulator 685, and the insulator 688 function as an interlayer film.

ここで、トランジスタ600は、絶縁体614上の絶縁体616と、絶縁体616に埋め込まれるように配置された導電体605(導電体605a、および導電体605b)と、絶縁体616上、および導電体605上の絶縁体622と、絶縁体622上の絶縁体624と、絶縁体624上の酸化物630aと、酸化物630a上の酸化物630bと、酸化物630b上の酸化物643aおよび酸化物643bと、酸化物643a上の導電体642aと、酸化物643b上の導電体642bと、絶縁体624の一部、酸化物630aの側面、酸化物630bの側面、酸化物643aの側面、導電体642aの側面、導電体642aの上面、酸化物643bの側面、導電体642bの側面、および導電体642bの上面とそれぞれ接する絶縁体672と、絶縁体672上の絶縁体673と、酸化物630b上の酸化物630cと、酸化物630c上の絶縁体650と、絶縁体650上に位置し、酸化物630cと重なる導電体660(導電体660a、および導電体660b)と、を有する。また、酸化物630cは、酸化物643aの側面、酸化物643bの側面、導電体642aの側面および導電体642bの側面とそれぞれ接する。ここで、図7(B)に示すように、導電体660の上面は、絶縁体650の上面、酸化物630cの上面、および絶縁体680の上面と略一致して配置される。また、絶縁体682は、導電体660、絶縁体650、酸化物630c、および絶縁体680のそれぞれの上面と接する。 Here, the transistor 600 includes an insulator 616 over an insulator 614, a conductor 605 (a conductor 605a, and a conductor 605b) arranged so as to be embedded in the insulator 616, over the insulator 616, and a conductor. Insulator 622 over body 605, insulator 624 over insulator 622, oxide 630a over insulator 624, oxide 630b over oxide 630a, oxide 643a over oxide 630b, and oxide. 643b, the conductor 642a over the oxide 643a, the conductor 642b over the oxide 643b, part of the insulator 624, the side surface of the oxide 630a, the side surface of the oxide 630b, the side surface of the oxide 643a, the conductor An insulator 672 in contact with the side surface of the conductor 642a, the top surface of the conductor 642a, the side surface of the oxide 643b, the side surface of the conductor 642b, and the top surface of the conductor 642b; the insulator 673 over the insulator 672; Oxide 630c, the insulator 650 over the oxide 630c, and the conductor 660 (the conductor 660a and the conductor 660b) which is located over the insulator 650 and overlaps with the oxide 630c. The oxide 630c is in contact with the side surface of the oxide 643a, the side surface of the oxide 643b, the side surface of the conductor 642a, and the side surface of the conductor 642b, respectively. Here, as shown in FIG. 7B, the top surface of the conductor 660 is arranged to be substantially aligned with the top surface of the insulator 650, the top surface of the oxide 630c, and the top surface of the insulator 680. The insulator 682 is in contact with the top surfaces of the conductor 660, the insulator 650, the oxide 630c, and the insulator 680, respectively.

なお、以下において、酸化物630a、酸化物630b、および酸化物630cをまとめて酸化物630と呼ぶ場合がある。また、酸化物643aと酸化物643bをまとめて酸化物643と呼ぶ場合がある。また、導電体642aと導電体642bをまとめて導電体642と呼ぶ場合がある。 Note that in the following, the oxide 630a, the oxide 630b, and the oxide 630c may be collectively referred to as the oxide 630. The oxide 643a and the oxide 643b may be collectively referred to as the oxide 643. In addition, the conductor 642a and the conductor 642b may be collectively referred to as a conductor 642.

トランジスタ600において、導電体660は、ゲートとして機能し、導電体642aおよび導電体642bは、それぞれソースまたはドレインとして機能する。また、導電体605は、バックゲートとして機能する。トランジスタ600は、ゲートとして機能する導電体660が、絶縁体680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。このように、本実施の形態に係る記憶装置では、位置合わせをせずに、導電体660を導電体642aと導電体642bの間の領域に確実に配置することができる。 In the transistor 600, the conductor 660 functions as a gate, and the conductors 642a and 642b function as a source and a drain, respectively. Further, the conductor 605 functions as a back gate. The transistor 600 is formed in a self-aligned manner so that the conductor 660 functioning as a gate fills the opening formed by the insulator 680 or the like. As described above, in the memory device according to this embodiment, the conductor 660 can be reliably arranged in the region between the conductors 642a and 642b without alignment.

また、トランジスタ700は、絶縁体614上の絶縁体616と、絶縁体616に埋め込まれるように配置された導電体705(導電体705a、および導電体705b)と、絶縁体616上、および導電体705上の絶縁体622と、絶縁体622上の絶縁体624と、絶縁体624上の酸化物730aと、酸化物730a上の酸化物730bと、酸化物730b上の酸化物743aおよび酸化物743bと、酸化物743a上の導電体742aと、酸化物743b上の導電体742bと、絶縁体624の一部、酸化物730aの側面、酸化物730bの側面、酸化物743aの側面、導電体742aの側面、導電体742aの上面、酸化物743bの側面、導電体742bの側面、および導電体742bの上面とそれぞれ接する絶縁体672と、絶縁体672上の絶縁体673と、酸化物730b上の酸化物730cと、酸化物730c上の絶縁体750と、絶縁体750上に位置し、酸化物730cと重なる導電体760(導電体760a、および導電体760b)と、を有する。また、酸化物730cは、酸化物743aの側面、酸化物743bの側面、導電体742aの側面および導電体742bの側面とそれぞれ接する。ここで、図7(B)に示すように、導電体760の上面は、絶縁体750の上面、酸化物730cの上面、および絶縁体680の上面と略一致して配置される。また、絶縁体682は、導電体760、絶縁体750、酸化物730c、および絶縁体680のそれぞれの上面と接する。 In addition, the transistor 700 includes the insulator 616 over the insulator 614, the conductor 705 (the conductor 705a, and the conductor 705b) arranged so as to be embedded in the insulator 616, the insulator 616, and the conductor 705. Insulator 622 over 705, insulator 624 over insulator 622, oxide 730a over insulator 624, oxide 730b over oxide 730a, oxide 743a and oxide 743b over oxide 730b. And a conductor 742a over the oxide 743a, a conductor 742b over the oxide 743b, a part of the insulator 624, a side surface of the oxide 730a, a side surface of the oxide 730b, a side surface of the oxide 743a, and a conductor 742a. Of the conductor 742a, the top surface of the conductor 742a, the side surface of the oxide 743b, the side surface of the conductor 742b, and the top surface of the conductor 742b, an insulator 672 over the insulator 672, and an insulator 673 over the oxide 730b. The oxide 730c, the insulator 750 over the oxide 730c, and the conductor 760 (the conductor 760a and the conductor 760b) which is located over the insulator 750 and overlaps with the oxide 730c are included. The oxide 730c is in contact with the side surface of the oxide 743a, the side surface of the oxide 743b, the side surface of the conductor 742a, and the side surface of the conductor 742b, respectively. Here, as shown in FIG. 7B, the top surface of the conductor 760 is provided to be substantially aligned with the top surface of the insulator 750, the top surface of the oxide 730c, and the top surface of the insulator 680. The insulator 682 is in contact with the top surfaces of the conductor 760, the insulator 750, the oxide 730c, and the insulator 680, respectively.

また、以下において、酸化物730a、酸化物730b、および酸化物730cをまとめて酸化物730と呼ぶ場合がある。また、酸化物743aと酸化物743bをまとめて酸化物743と呼ぶ場合がある。また、導電体742aと導電体742bをまとめて導電体742と呼ぶ場合がある。 In the following, the oxide 730a, the oxide 730b, and the oxide 730c may be collectively referred to as the oxide 730. In addition, the oxide 743a and the oxide 743b may be collectively referred to as an oxide 743. Further, the conductor 742a and the conductor 742b may be collectively referred to as a conductor 742.

トランジスタ700において、導電体760は、ゲートとして機能し、導電体742aおよび導電体742bは、それぞれソースまたはドレインとして機能する。また、導電体705は、バックゲートとして機能する。トランジスタ700は、ゲートとして機能する導電体760が、絶縁体680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。このように、本実施の形態に係る記憶装置では、位置合わせをせずに、導電体760を導電体742aと導電体742bの間の領域に確実に配置することができる。 In the transistor 700, the conductor 760 functions as a gate, and the conductors 742a and 742b function as a source and a drain, respectively. In addition, the conductor 705 functions as a back gate. The transistor 700 is formed in a self-aligned manner so that the conductor 760 functioning as a gate fills an opening formed by the insulator 680 or the like. As described above, in the memory device according to this embodiment, the conductor 760 can be reliably arranged in the region between the conductors 742a and 742b without alignment.

ここで、トランジスタ700は、トランジスタ600と同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、トランジスタ700のチャネル長方向の断面は図示されていないが、図7(B)に示すトランジスタ600のチャネル長方向の断面と同様の構造を有する。つまり、断面図において図示されていない、酸化物743と導電体742も、図7(B)に示す、酸化物643と導電体642と同様の構造を有する。なお、トランジスタ600のチャネル幅方向の断面は図示されていないが、図7(B)に示すトランジスタ700のチャネル幅方向の断面と同様の構造を有する。 Here, the transistor 700 is formed in the same layer as the transistor 600 and has a similar structure. Therefore, although a cross section in the channel length direction of the transistor 700 is not illustrated, the transistor 700 has a structure similar to the cross section in the channel length direction of the transistor 600 illustrated in FIG. That is, the oxide 743 and the conductor 742 which are not illustrated in the cross-sectional view also have the same structure as the oxide 643 and the conductor 642 illustrated in FIG. 7B. Note that although a cross section in the channel width direction of the transistor 600 is not illustrated, the transistor 600 has a structure similar to that of the transistor 700 in the channel width direction illustrated in FIG. 7B.

よって、酸化物730は、酸化物630と同様の構成を有し、酸化物630の記載を参酌することができる。導電体705は、導電体605と同様の構成を有し、導電体605の記載を参酌することができる。酸化物743は、酸化物643と同様の構成を有し、酸化物643の記載を参酌することができる。導電体742は、導電体642と同様の構成を有し、導電体642の記載を参酌することができる。絶縁体750は、絶縁体650と同様の構成を有し、絶縁体650の記載を参酌することができる。導電体760は、導電体660と同様の構成を有し、導電体660の記載を参酌することができる。以下において、特段の記載がない限り、上記のようにトランジスタ700の構成は、トランジスタ600の構成の記載を参酌することができる。 Therefore, the oxide 730 has a structure similar to that of the oxide 630, and the description of the oxide 630 can be referred to. The conductor 705 has a structure similar to that of the conductor 605, and the description of the conductor 605 can be referred to. The oxide 743 has a structure similar to that of the oxide 643, and the description of the oxide 643 can be referred to. The conductor 742 has a structure similar to that of the conductor 642, and the description of the conductor 642 can be referred to. The insulator 750 has a structure similar to that of the insulator 650, and the description of the insulator 650 can be referred to. The conductor 760 has a structure similar to that of the conductor 660, and the description of the conductor 660 can be referred to. In the following, for the structure of the transistor 700 as described above, the description of the structure of the transistor 600 can be referred to unless otherwise specified.

ここで、トランジスタ600およびトランジスタ700は、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)を含む酸化物630および酸化物730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。 Here, in the transistor 600 and the transistor 700, the oxide 630 and the oxide 730 including a region where a channel is formed (hereinafter also referred to as a channel formation region) is formed in a metal oxide (hereinafter, an oxide) which functions as an oxide semiconductor. It is also preferable to use).

例えば、酸化物半導体として機能する金属酸化物は、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。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600の非導通状態におけるリーク電流(オフ電流)を極めて小さくすることができる。 For example, as the metal oxide which functions as an oxide semiconductor, 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 having a large energy gap, leakage current (off current) in the non-conduction state of the transistor 600 can be extremely reduced.

酸化物半導体として、例えば、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、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、酸化物半導体として、In−M酸化物、In−Zn酸化物、またはM−Zn酸化物を用いてもよい。 As an oxide semiconductor, for example, an In-M-Zn oxide (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium). , One kind or a plurality of kinds selected from hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and the like are preferably used. In particular, the element M is preferably aluminum, gallium, yttrium, or tin. Alternatively, an In-M oxide, an In-Zn oxide, or an M-Zn oxide may be used as the oxide semiconductor.

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600およびトランジスタ700は、非導通状態におけるリーク電流(オフ電流)が極めて小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、トランジスタ600およびトランジスタ700は、高温環境下でもオフ電流がほとんど増加しない。具体的には室温以上200℃以下の環境温度下でもオフ電流がほとんど増加しない。よって、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の良好な記憶装置を実現できる。 The transistor 600 and the transistor 700 each including an oxide semiconductor for a channel formation region have extremely low leakage current (off-state current) in a non-conduction state, so that a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, the off-state current of the transistors 600 and 700 hardly increases even in a high temperature environment. Specifically, the off-current hardly increases even at an ambient temperature of room temperature or higher and 200° C. or lower. Therefore, the operation is stable even in a high temperature environment, and a highly reliable storage device can be realized.

トランジスタ600のオフ電流が極めて小さいので、容量素子655の容量値を小さく設定することができる。これにより、メモリセル860の占有面積を小さくし、記憶装置の集積化を図ることができる。 Since the off-state current of the transistor 600 is extremely small, the capacitance value of the capacitor 655 can be set small. As a result, the area occupied by the memory cell 860 can be reduced, and the storage device can be integrated.

図7(A)に示すように、導電体742a、導電体660、導電体605、および導電体705は、Y方向に延在していることが好ましい。導電体742aは、選択線として機能する。また、導電体660は、ワード線として機能する。また、導電体605及び導電体705は、それぞれトランジスタ600またはトランジスタ700のバックゲート電位を制御するための配線として機能する。 As shown in FIG. 7A, the conductor 742a, the conductor 660, the conductor 605, and the conductor 705 preferably extend in the Y direction. The conductor 742a functions as a selection line. In addition, the conductor 660 functions as a word line. The conductor 605 and the conductor 705 each function as a wiring for controlling the back gate potential of the transistor 600 or the transistor 700.

容量素子655は、絶縁体685上の導電体646aと、導電体646aを覆う絶縁体686と、導電体656の少なくとも一部と重畳して絶縁体686上に配置される導電体656と、を有する。ここで、導電体646aは、容量素子655の一方の電極として機能し、導電体646bは、容量素子655の他方の電極として機能する。また、絶縁体686は容量素子655の誘電体として機能する。 The capacitor 655 includes a conductor 646a over the insulator 685, an insulator 686 that covers the conductor 646a, and a conductor 656 which overlaps at least part of the conductor 656 and is provided over the insulator 686. Have. Here, the conductor 646a functions as one electrode of the capacitor 655 and the conductor 646b functions as the other electrode of the capacitor 655. The insulator 686 functions as a dielectric of the capacitor 655.

導電体656は、Y方向に延在させ、容量線として機能させることが好ましい。 The conductor 656 preferably extends in the Y direction and functions as a capacitor line.

また、絶縁体622、絶縁体624、絶縁体672、絶縁体673、絶縁体680、絶縁体682、および絶縁体685に開口が形成されており、プラグとして機能する導電体640(導電体640a、導電体640b、導電体640c、および導電体640d)が当該開口に埋め込まれるように設けられる。また、導電体640は、絶縁体685の上面に露出して設けられる。 In addition, openings are formed in the insulator 622, the insulator 624, the insulator 672, the insulator 673, the insulator 680, the insulator 682, and the insulator 685, and the conductor 640 serving as a plug (the conductor 640a, The conductor 640b, the conductor 640c, and the conductor 640d) are provided so as to be embedded in the opening. The conductor 640 is provided so as to be exposed on the upper surface of the insulator 685.

導電体640aは、下面が導電体642aに接し、上面が導電体646aに接する。導電体640cは、下面が導電体760に接し、上面が導電体646aに接する。このようにして、トランジスタ600のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ700のゲートと、容量素子655の電極の一方は電気的に接続される。 The conductor 640a has a lower surface in contact with the conductor 642a and an upper surface in contact with the conductor 646a. The conductor 640c has a lower surface in contact with the conductor 760 and an upper surface in contact with the conductor 646a. In this manner, one of the source and the drain of the transistor 600, the gate of the transistor 700, and one of the electrodes of the capacitor 655 are electrically connected.

導電体640bは、導電体642bの側面に接して設けられる。導電体640bの下方に導電体615および導電体607が設けられ、導電体640bの上方に導電体646bおよび導電体657が設けられる。導電体607は絶縁体614に形成された開口に設けられる。ここで、導電体615は導電体605と同じ層に形成され、同様の構成を有する。また、導電体646bは導電体646aと同じ層に形成され、同様の構成を有する。また、導電体657は絶縁体686および絶縁体688に形成された開口に設けられる。 The conductor 640b is provided in contact with the side surface of the conductor 642b. The conductor 615 and the conductor 607 are provided below the conductor 640b, and the conductor 646b and the conductor 657 are provided above the conductor 640b. The conductor 607 is provided in the opening formed in the insulator 614. Here, the conductor 615 is formed in the same layer as the conductor 605 and has a similar structure. The conductor 646b is formed in the same layer as the conductor 646a and has a similar structure. The conductor 657 is provided in the opening formed in the insulator 686 and the insulator 688.

導電体640bは、導電体607および導電体615によって、下層のメモリセル860の導電体640bと電気的に接続される。また、導電体640bは、導電体646bおよび導電体657によって、上層のメモリセル860の導電体640bと電気的に接続される。このように、導電体607、導電体615、導電体640b、導電体646b、および導電体657はZ方向に延在しており、ビット線として機能する。 The conductor 640b is electrically connected to the conductor 640b of the memory cell 860 in the lower layer by the conductor 607 and the conductor 615. The conductor 640b is electrically connected to the conductor 640b of the memory cell 860 in the upper layer by the conductor 646b and the conductor 657. As described above, the conductor 607, the conductor 615, the conductor 640b, the conductor 646b, and the conductor 657 extend in the Z direction and function as bit lines.

また、断面図に図示していないが、導電体640dは、導電体742bの側面に接して設けられる。また、導電体640dの下方に導電体715が設けられている。導電体607、導電体646b、および導電体657と同様の構造の導電体が設けられており、導電体640dは、上層および下層の導電体640dと電気的に接続される。このように、導電体715および導電体640d等はZ方向に延在しており、上記とは別のビット線として機能する。 Although not shown in the cross-sectional view, the conductor 640d is provided in contact with the side surface of the conductor 742b. A conductor 715 is provided below the conductor 640d. A conductor having a structure similar to that of the conductor 607, the conductor 646b, and the conductor 657 is provided, and the conductor 640d is electrically connected to the upper and lower conductors 640d. Thus, the conductor 715, the conductor 640d, and the like extend in the Z direction and function as a bit line different from the above.

図7(B)に示すように、トランジスタ600とトランジスタ700を同じ層に形成することで、トランジスタ600とトランジスタ700と同じ工程で形成することができるので、記憶装置製造の工程を短縮し、生産性を向上させることができる。 As illustrated in FIG. 7B, by forming the transistor 600 and the transistor 700 in the same layer, the transistor 600 and the transistor 700 can be formed in the same step, so that a process for manufacturing a memory device can be shortened and production can be performed. It is possible to improve the sex.

なお、メモリセル860において、トランジスタ600のチャネル長方向とトランジスタ700のチャネル長方向が平行になるように、トランジスタ600、トランジスタ700および容量素子655を設けているが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。図7等に示すメモリセル860は、記憶装置の構成の一例であり、回路構成や駆動方法に応じて、適切な構造のトランジスタまたは容量素子などを、適宜配置すればよい。 Note that in the memory cell 860, the transistor 600, the transistor 700, and the capacitor 655 are provided so that the channel length direction of the transistor 600 and the channel length direction of the transistor 700 are parallel to each other. Is not limited to this. The memory cell 860 illustrated in FIG. 7 and the like is an example of a structure of a memory device, and a transistor, a capacitor, or the like having an appropriate structure may be arranged as appropriate depending on a circuit structure or a driving method.

[メモリセルの詳細な構成]
以下では、本発明の一態様に係るメモリセル860の詳細な構成について説明する。以下において、トランジスタ700の構成要素は、トランジスタ600の構成要素の記載を参酌できるものとする。
[Detailed configuration of memory cell]
Hereinafter, a detailed structure of the memory cell 860 according to one embodiment of the present invention will be described. In the following, for components of the transistor 700, the description of components of the transistor 600 can be referred to.

図7に示すように、酸化物630は、絶縁体624上の酸化物630aと、酸化物630a上の酸化物630bと、酸化物630b上に配置され、少なくとも一部が酸化物630bの上面に接する酸化物630cと、を有することが好ましい。ここで、酸化物630cの側面は、酸化物643a、酸化物643b、導電体642a、導電体642b、絶縁体672、絶縁体673、および絶縁体680に接して設けられていることが好ましい。 As illustrated in FIG. 7, the oxide 630 is provided over the oxide 630a over the insulator 624, the oxide 630b over the oxide 630a, and the oxide 630b, and at least part of the oxide 630 is over the oxide 630b. And an oxide 630c in contact with the oxide 630c. Here, the side surface of the oxide 630c is preferably provided in contact with the oxide 643a, the oxide 643b, the conductor 642a, the conductor 642b, the insulator 672, the insulator 673, and the insulator 680.

つまり、酸化物630は、酸化物630aと、酸化物630a上の酸化物630bと、酸化物630b上の酸化物630cと、を有する。酸化物630b下に酸化物630aを有することで、酸化物630aよりも下方に形成された構造物から、酸化物630bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物630b上に酸化物630cを有することで、酸化物630cよりも上方に形成された構造物から、酸化物630bへの不純物の拡散を抑制することができる。 That is, the oxide 630 includes the oxide 630a, the oxide 630b over the oxide 630a, and the oxide 630c over the oxide 630b. By including the oxide 630a below the oxide 630b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 630a into the oxide 630b can be suppressed. In addition, by having the oxide 630c over the oxide 630b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 630c into the oxide 630b can be suppressed.

なお、トランジスタ600では、チャネル形成領域と、その近傍において、酸化物630a、酸化物630b、および酸化物630c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630bの単層、酸化物630bと酸化物630aの2層構造、酸化物630bと酸化物630c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。例えば、酸化物630cを2層構造にして、4層の積層構造を設ける構成にしてもよい。 Although the transistor 600 has a structure in which three layers of the oxide 630a, the oxide 630b, and the oxide 630c are stacked in the channel formation region and the vicinity thereof, the present invention is not limited to this. .. For example, a single layer of the oxide 630b, a two-layer structure of the oxide 630b and the oxide 630a, a two-layer structure of the oxide 630b and the oxide 630c, or a stacked structure of four or more layers may be provided. For example, the oxide 630c may have a two-layer structure and a stacked structure of four layers may be provided.

また、酸化物630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630a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630b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630a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630b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630b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630a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630cは、酸化物630aまたは酸化物630b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。なお、酸化物630c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630b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くなってもよい。 Further, the oxide 630 preferably has a stacked-layer structure of oxides in which the atomic ratio of each metal atom is different. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 630a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is higher than the atomic ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 630b. It is preferable. In the metal oxide used for the oxide 630a, the atomic ratio of the element M to In is preferably higher than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 630b. In the metal oxide used for the oxide 630b, the atomic ratio of In to the element M is preferably higher than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 630a. For the oxide 630c, a metal oxide that can be used for the oxide 630a or the oxide 630b can be used. Note that in the metal oxide used for the oxide 630c, the atomic ratio of In to the element M may be higher than that in the metal oxide used for the oxide 630b.

具体的には、酸化物630aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]もしくはその近傍の組成、または1:1:0.5[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。 Specifically, as the oxide 630a, In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof, or 1:1:0.5 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof. The above metal oxide may be used.

また、酸化物630bとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]もしくはその近傍の組成、または1:1:1[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物630bとして、In:Ga:Zn=5:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成、またはIn:Ga:Zn=10:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いてもよい。また、酸化物630bとして、In−Zn酸化物(例えば、In:Zn=2:1[原子数比]もしくはその近傍の組成、In:Zn=5:1[原子数比]もしくはその近傍の組成、またはIn:Zn=10:1[原子数比]もしくはその近傍の組成)を用いてもよい。また、酸化物630bとして、In酸化物を用いてもよい。 As the oxide 630b, a metal oxide having a composition of In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or in the vicinity thereof, or 1:1:1 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof is used. You can use it. In addition, as the oxide 630b, In:Ga:Zn=5:1:3 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof, or In:Ga:Zn=10:1:3 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof is used. You may use the metal oxide of a composition. As the oxide 630b, an In—Zn oxide (for example, In:Zn=2:1 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof, In:Zn=5:1 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof is used. Alternatively, In:Zn=10:1 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof may be used. Alternatively, an In oxide may be used as the oxide 630b.

また、酸化物630cとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比もしくはその近傍の組成]、Ga:Zn=2:1[原子数比]もしくはその近傍の組成、またはGa:Zn=2:5[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物630cに、酸化物630bに用いることのできる材料を適用し、単層または積層で設けてもよい。例えば、酸化物630c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]もしくはその近傍の組成と、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]もしくはその近傍の組成との積層構造、Ga:Zn=2:1[原子数比]もしくはその近傍の組成と、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]もしくはその近傍の組成との積層構造、Ga:Zn=2:5[原子数比]もしくはその近傍の組成と、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]もしくはその近傍の組成との積層構造、酸化ガリウムと、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]もしくはその近傍の組成との積層構造などが挙げられる。 Further, as the oxide 630c, In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio or composition in the vicinity thereof], Ga:Zn=2:1 [atomic ratio] or composition in the vicinity thereof, or Ga: Zn=2:5 [atomic ratio] or a metal oxide having a composition in the vicinity thereof may be used. Alternatively, a material that can be used for the oxide 630b may be applied to the oxide 630c and the oxide 630c may be provided as a single layer or a stacked layer. For example, as a specific example of the case where the oxide 630c has a stacked structure, In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof and In:Ga:Zn=1:3: 4 [atomic ratio] or a laminated structure with a composition near it, Ga:Zn=2:1 [atomic ratio] or a composition near it, and In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] ] Or a laminated structure with a composition in the vicinity thereof, Ga:Zn=2:5 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof, and In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or a vicinity thereof Examples thereof include a laminated structure with a composition, a laminated structure with gallium oxide and In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or a composition in the vicinity thereof.

また、酸化物630b、630cとして、膜中のインジウムの比率を高めることで、トランジスタのオン電流、または電界効果移動度などを高めることができるため、好適である。また、上述した近傍の組成とは、所望の原子数比の±30%の範囲を含む。 Further, as the oxides 630b and 630c, increasing the proportion of indium in the film is preferable because the on-state current, field-effect mobility, or the like of the transistor can be increased. Further, the above-mentioned composition in the vicinity includes a range of ±30% of a desired atomic number ratio.

また、酸化物630bは、結晶性を有していてもよい。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630bからの酸素の引き抜きを抑制することができる。また、加熱処理を行っても、酸化物630b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600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。 In addition, the oxide 630b may have 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 CAAC-OS has a dense structure with few impurities and defects (such as oxygen vacancies) and high crystallinity. Therefore, extraction of oxygen from the oxide 630b by the source electrode or the drain electrode can be suppressed. Further, even if heat treatment is performed, oxygen can be prevented from being extracted from the oxide 630b, so that the transistor 600 is stable against a high temperature (so-called thermal budget) in a manufacturing process.

また、酸化物630cは、絶縁体680を含む層間膜に設けた開口内に設けられることが好ましい。従って、絶縁体650、および導電体660は、酸化物630cを介して、酸化物630b、および酸化物630aの積層構造と重畳する領域を有する。当該構造とすることで、酸化物630cと絶縁体650とを連続成膜により、形成することが可能となるため、酸化物630と絶縁体650との界面を清浄に保つことができる。従って、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600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。 Further, the oxide 630c is preferably provided in the opening provided in the interlayer film including the insulator 680. Therefore, the insulator 650 and the conductor 660 have a region overlapping with the stacked-layer structure of the oxide 630b and the oxide 630a with the oxide 630c interposed therebetween. With such a structure, the oxide 630c and the insulator 650 can be formed by continuous film formation; therefore, the interface between the oxide 630 and the insulator 650 can be kept clean. Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 600 can obtain high on-state current and high frequency characteristics.

酸化物630(例えば、酸化物630b)には、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、酸化物半導体中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 An oxide semiconductor having a low carrier concentration is preferably used for the oxide 630 (eg, the oxide 630b). In the case of reducing the carrier concentration of the oxide semiconductor, the concentration of impurities in the oxide semiconductor may be lowered and the density of defect states may be lowered. In this specification and the like, low impurity concentration and low defect level density are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. Note that examples of impurities in the oxide semiconductor include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon, and the like.

特に、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸化物半導体中に酸素欠損(V:oxygen vacancyともいう)を形成する場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥(以下、VHと呼ぶ場合がある。)はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。 In particular, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen which is bonded to a metal atom to be water, which might cause oxygen deficiency (also referred to as V 2 O 3 ) in the oxide semiconductor. Furthermore, defects containing hydrogen to an oxygen vacancy (hereinafter may be referred to as V O H.) Functions as a donor, sometimes electrons serving as carriers are generated. In addition, part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor which contains a large amount of hydrogen is likely to have normally-on characteristics. Further, hydrogen in the oxide semiconductor is likely to move due to stress such as heat and an electric field; therefore, when a large amount of hydrogen is contained in the oxide semiconductor, reliability of the transistor might be deteriorated.

Hは、酸化物半導体のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。 V OH can function as a donor of an oxide semiconductor. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defect. Therefore, the oxide semiconductor may be evaluated not by the donor concentration but by the carrier concentration. Therefore, in this specification and the like, the carrier concentration which is assumed to be a state where no electric field is applied may be used as a parameter of the oxide semiconductor, instead of the donor concentration. That is, the “carrier concentration” described in this specification and the like can be called the “donor concentration” in some cases.

以上より、酸化物半導体を酸化物630に用いる場合、酸化物630中のVHをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、VHが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること(脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。)と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること(加酸素化処理と記載する場合がある。)が重要である。VHなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル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。 From the above, the case of using an oxide semiconductor in the oxide 630, reduced as much as possible V O H in the oxide 630, it is preferable that the highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic. Thus, the V O H to obtain a sufficiently reduced oxide semiconductor, the moisture in the oxide semiconductor, to remove impurities such as hydrogen (dehydration, may be described as dehydrogenation.) Then, it is important to supply oxygen to the oxide semiconductor to fill oxygen vacancies (sometimes referred to as oxygenation treatment). The V O H oxide semiconductor impurity is sufficiently reduced such by using a channel formation region of the transistor, it is possible to have stable electrical characteristics.

例えば、酸化物630bの二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、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未満とすることができる。水素などの不純物が十分に低減された酸化物630をトランジスタ600のチャネル形成領域に用いることで、ノーマリーオフ特性にすることができ、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させることができる。 For example, the hydrogen concentration of the oxide 630b obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is less than 1×10 20 atoms/cm 3 , and preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 . It can be preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 , and more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 . By using the oxide 630 in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor 600, normally-off characteristics can be obtained, stable electrical characteristics can be obtained, and reliability can be improved. it can.

また、酸化物630に酸化物半導体を用いる場合、チャネル形成領域として機能する領域の酸化物半導体のキャリア濃度は、1×1018cm−3以下であることが好ましく、1×1017cm−3未満であることがより好ましく、1×1016cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1013cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1012cm−3未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域として機能する領域の酸化物半導体のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、1×10−9cm−3とすることができる。 In the case where an oxide semiconductor is used for the oxide 630, the carrier concentration of the oxide semiconductor in the region functioning as a channel formation region is preferably 1×10 18 cm −3 or lower, and 1×10 17 cm −3. Is more preferably less than 1×10 16 cm −3 , further preferably less than 1×10 13 cm −3 , further preferably less than 1×10 12 cm −3. More preferable. Note that there is no particular limitation on the lower limit of the carrier concentration of the oxide semiconductor in the region functioning as a channel formation region, but it can be set to, for example, 1×10 −9 cm −3 .

そこで、絶縁体614、絶縁体622、絶縁体672、絶縁体673、および絶縁体682として、不純物の拡散を抑制する材料(以下、不純物に対するバリア性材料ともいう)を用いて、水素などの不純物が酸化物630に拡散するのを低減することが好ましい。なお、本明細書等において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能(透過性が低いともいう)とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する(ゲッタリングともいう)機能とする。また、本明細書等において、バリア性を有する絶縁膜をバリア絶縁膜と呼ぶ場合がある。 Therefore, as the insulator 614, the insulator 622, the insulator 672, the insulator 673, and the insulator 682, a material that suppresses diffusion of impurities (hereinafter also referred to as a barrier material against impurities) is used and impurities such as hydrogen are used. To reduce diffusion into oxide 630. Note that in this specification and the like, the barrier property refers to a function of suppressing diffusion of a corresponding substance (also referred to as low permeability). Alternatively, the corresponding substance has a function of capturing and fixing (also referred to as gettering). In this specification and the like, an insulating film having a barrier property may be referred to as a barrier insulating film.

例えば、水素、および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料として、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、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどがある。特に、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンは、水素に対するバリア性が高いため、封止する材質として用いることが好ましい。 For example, as a material having a function of suppressing diffusion of hydrogen and oxygen, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, indium gallium zinc oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like can be given. In particular, since silicon nitride or silicon nitride oxide has a high barrier property against hydrogen, it is preferably used as a sealing material.

また、例えば、水素を捕獲、および固着する機能を有する材料として、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、などの金属酸化物がある。 Further, for example, as a material having a function of capturing and fixing hydrogen, there is a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, or indium gallium zinc oxide.

例えば、絶縁体614として、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。これにより、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ600側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体624などに含まれる酸素が、基板側に拡散するのを抑制することができる。 For example, as the insulator 614, aluminum oxide, hafnium oxide, or the like is preferably used. Thus, impurities such as water or hydrogen can be suppressed from diffusing from the substrate side to the transistor 600 side. Alternatively, oxygen contained in the insulator 624 and the like can be suppressed from diffusing to the substrate side.

導電体605は、酸化物630、および導電体660と、重なるように配置する。また、導電体605は、絶縁体616に埋め込まれて設けることが好ましい。 The conductor 605 is arranged so as to overlap with the oxide 630 and the conductor 660. Further, the conductor 605 is preferably provided by being embedded in the insulator 616.

導電体605がゲート電極として機能する場合、導電体605に印加する電位を、導電体660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600のしきい値電圧(Vth)を制御することができる。特に、導電体605に負の電位を印加することにより、トランジスタ600のVthをより大きくし、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605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660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。 In the case where the conductor 605 functions as a gate electrode, the potential applied to the conductor 605 is changed independently without being linked with the potential applied to the conductor 660, so that the threshold voltage (Vth ) Can be controlled. In particular, by applying a negative potential to the conductor 605, Vth of the transistor 600 can be further increased and off-state current can be reduced. Therefore, applying a negative potential to the conductor 605 can reduce the drain current when the potential applied to the conductor 660 is 0 V, as compared to the case where no potential is applied.

なお、導電体605は、図7(A)に示すように、酸化物630の導電体642aおよび導電体642b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7(C)に示すように、導電体605は、酸化物630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630のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体605と、導電体660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605を大きく設けることによって、導電体605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605は、少なくとも導電体642aと、導電体642bとの間に位置する酸化物630と重畳すればよい。 Note that the conductor 605 is preferably larger than a region of the oxide 630 which does not overlap with the conductors 642a and 642b as illustrated in FIG. In particular, as shown in FIG. 7C, the conductor 605 preferably extends in a region outside the end portion of the oxide 630 which intersects with the channel width direction. That is, it is preferable that the conductor 605 and the conductor 660 overlap with each other with the insulator provided outside the side surface of the oxide 630 in the channel width direction. Alternatively, by providing the conductor 605 large, local charging (called charge-up) may be alleviated in a treatment using plasma in a manufacturing process after the formation of the conductor 605. However, one embodiment of the present invention is not limited to this. The conductor 605 may overlap with at least the oxide 630 located between the conductor 642a and the conductor 642b.

また、絶縁体624の底面を基準として、酸化物630aおよび酸化物630bと、導電体660とが、重ならない領域における導電体660の底面の高さは、酸化物630b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。 Further, with respect to the bottom surface of the insulator 624, the height of the bottom surface of the conductor 660 in a region where the oxide 630a and the oxide 630b do not overlap with the conductor 660 is lower than the height of the bottom surface of the oxide 630b. Are preferably arranged in

図に示すように、ゲートとして機能する導電体660は、チャネル形成領域の酸化物630bの側面および上面を酸化物630cおよび絶縁体650を介して覆う構造とすることにより、導電体660から生じる電界を、酸化物630bに生じるチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。従って、トランジスタ600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。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。 As shown in the figure, the conductor 660 functioning as a gate has a structure in which the side surface and the top surface of the oxide 630b in the channel formation region are covered with the oxide 630c and the insulator 650 so that an electric field generated from the conductor 660 is generated. Can easily act on the entire channel formation region generated in the oxide 630b. Therefore, the on-state current of the transistor 600 can be increased and the frequency characteristics can be improved. In this specification, a structure of a transistor in which a channel formation region is electrically surrounded 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605a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605b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605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 605a is preferably a conductor which suppresses permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, titanium, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride can be used. Further, the conductor 605b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component. Although the conductor 605 is illustrated as having two layers, it may have a multilayer structure of three or more layers.

また、絶縁体616、絶縁体680、絶縁体685、および絶縁体688は、絶縁体614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616、絶縁体680、絶縁体685、および絶縁体688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。 Further, the insulator 616, the insulator 680, the insulator 685, and the insulator 688 preferably have lower dielectric constants than the insulator 614. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 616, the insulator 680, the insulator 685, and the insulator 688, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, fluorine-added silicon oxide, carbon-added silicon oxide, carbon, and Nitrogen-added silicon oxide, silicon oxide having holes, or the like may be used as appropriate.

また、絶縁体616、絶縁体680、絶縁体685、および絶縁体688は、水素原子を含まない、または水素原子の含有量が少ない、化合物ガスを用いてCVD法またはALD法により成膜してもよい。 Further, the insulator 616, the insulator 680, the insulator 685, and the insulator 688 are formed by a CVD method or an ALD method using a compound gas which does not contain hydrogen atoms or has a small hydrogen atom content. Good.

上記絶縁膜の成膜では、成膜ガスとして、シリコン原子を含む分子を有するガスが主に用いられる。上記絶縁膜に含まれる水素を低減するには、当該シリコン原子を含む分子に含まれる水素原子が少ないことが好ましく、当該シリコン原子を含む分子が水素原子を含まないことがより好ましい。もちろん、シリコン原子を含む分子を有するガス以外の成膜ガスも、含有される水素原子が少ないことが好ましく、水素原子を含まないことがより好ましい。 In forming the insulating film, a gas having molecules containing silicon atoms is mainly used as a film forming gas. In order to reduce hydrogen contained in the insulating film, the number of hydrogen atoms contained in the molecule containing the silicon atom is preferably small, and the molecule containing the silicon atom is more preferably free of hydrogen atom. Of course, the film-forming gas other than the gas having a molecule containing a silicon atom preferably contains a small number of hydrogen atoms and more preferably does not contain a hydrogen atom.

上記のようなシリコン原子を含む分子をSi−Rで表すと、例えば、官能基Rとして、イソシアネート基(−N=C=O)、シアネート基(−O−C≡N)、シアノ基(−C≡N)、ジアゾ基(=N)、アジド基(−N)、ニトロソ基(−NO)、およびニトロ基(−NO)の少なくとも一つを用いることができる。例えば、1≦x≦3、1≦y≦8、とればよい。このようなシリコン原子を含む分子としては、例えば、テトライソシアネートシラン、テトラシアネートシラン、テトラシアノシラン、ヘキサイソシアネートシラン、オクタイソシアネートシラン等を用いることができる。ここでは、シリコン原子に同じ種類の官能基が結合する分子を例示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。シリコン原子に異なる種類の官能基が結合する構成にしてもよい。 When the molecule containing a silicon atom as described above is represented by Si x —R y , for example, as the functional group R, an isocyanate group (—N═C═O), a cyanate group (—O—C≡N), a cyano group, etc. (-C≡N), diazo group (= N 2), azido group (-N 3), it is possible to use at least one nitroso group (-NO), and a nitro group (-NO 2). For example, 1≦x≦3 and 1≦y≦8 may be satisfied. As such a molecule containing a silicon atom, for example, tetraisocyanate silane, tetracyanate silane, tetracyanosilane, hexaisocyanate silane, octaisocyanate silane, etc. can be used. Here, a molecule in which the same type of functional group is bonded to a silicon atom has been exemplified, but the present embodiment is not limited to this. You may make it the structure which a different kind of functional group couple|bonds with a silicon atom.

また、例えば、官能基Rとしてハロゲン(Cl、Br、I、またはF)を用いる構成にしてもよい。例えば、1≦x≦2、1≦y≦6、とすればよい。このようなシリコン原子を含む分子としては、例えば、テトラクロロシラン(SiCl)、ヘキサクロロジシラン(SiCl)等を用いることができる。塩素を官能基とする例を示したが、塩素以外の、臭素、ヨウ素、フッ素等のハロゲンを官能基として用いてもよい。また、シリコン原子に異なる種類のハロゲンが結合する構成にしてもよい。 Alternatively, for example, halogen (Cl, Br, I, or F) may be used as the functional group R. For example, 1≦x≦2 and 1≦y≦6. As such a molecule containing a silicon atom, for example, tetrachlorosilane (SiCl 4 ) or hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ) can be used. Although an example in which chlorine is used as the functional group is shown, halogen other than chlorine, such as bromine, iodine, or fluorine, may be used as the functional group. Further, a structure in which different kinds of halogens are bonded to silicon atoms may be adopted.

絶縁体622、および絶縁体624は、ゲート絶縁体としての機能を有する。 The insulator 622 and the insulator 624 have a function as a gate insulator.

ここで、酸化物630と接する絶縁体624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624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630に接して設けることにより、酸化物630中の酸素欠損を低減し、トランジスタ600の信頼性を向上させることができる。 Here, it is preferable that the insulator 624 which is in contact with the oxide 630 release oxygen by heating. In the present specification, oxygen released by heating may be referred to as excess oxygen. For example, the insulator 624 may be formed using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like as appropriate. By providing the insulator containing oxygen in contact with the oxide 630, oxygen vacancies in the oxide 630 can be reduced and the reliability of the transistor 600 can be improved.

絶縁体624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。 As the insulator 624, specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used. The oxide that desorbs oxygen by heating means that the desorption amount of oxygen molecules is 1.0×10 18 molecules/cm 3 or more, preferably by thermal desorption gas analysis (TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis). Is an oxide film 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. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably 100° C. or higher and 700° C. or lower, or 100° C. or higher and 400° C. or lower.

絶縁体622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600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622は、絶縁体624より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体622、および絶縁体683によって、絶縁体624および酸化物630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600に侵入することを抑制することができる。 The insulator 622 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 600 from the substrate side. For example, the insulator 622 preferably has lower hydrogen permeability than the insulator 624. By surrounding the insulator 624 and the oxide 630 with the insulator 622 and the insulator 683, impurities such as water or hydrogen can be prevented from entering the transistor 600 from the outside.

さらに、絶縁体622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622は、絶縁体624より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体622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630が有する酸素が、絶縁体622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605が、絶縁体624や、酸化物630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 622 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen (e.g., at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (it is difficult for oxygen to permeate). For example, the insulator 622 preferably has lower oxygen permeability than the insulator 624. It is preferable that the insulator 622 have a function of suppressing diffusion of oxygen and impurities because oxygen in the oxide 630 can be prevented from diffusing below the insulator 622. In addition, the conductor 605 can be prevented from reacting with the insulator 624 and oxygen contained in the oxide 630.

絶縁体622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622を形成した場合、絶縁体622は、酸化物630からの酸素の放出や、トランジスタ600の周辺部から酸化物630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 622, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials, may be used. As the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like. When the insulator 622 is formed using such a material, the insulator 622 suppresses release of oxygen from the oxide 630 and mixture of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 600 into the oxide 630. 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, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator and used.

また、絶縁体622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 622 is made 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. As transistors are miniaturized and highly integrated, thinning of the gate insulator may cause problems such as leakage current. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.

なお、絶縁体622、および絶縁体624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 622 and the insulator 624 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

また、酸化物630b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642(導電体642aよび導電体642b)と、の間に酸化物643(酸化物643aおよび酸化物643b)を配置してもよい。導電体642と、酸化物630とが接しない構成となるので、導電体642が、酸化物630の酸素を吸収することを抑制できる。つまり、導電体642の酸化を防止することで、導電体642の導電率の低下を抑制することができる。従って、酸化物643は、導電体642の酸化を抑制する機能を有することが好ましい。 Further, the oxide 643 (the oxide 643a and the oxide 643b) may be provided between the oxide 630b and the conductor 642 (the conductor 642a and the conductor 642b) which functions as a source electrode or a drain electrode. .. Since the conductor 642 and the oxide 630 are not in contact with each other, the conductor 642 can suppress absorption of oxygen in the oxide 630. That is, by preventing the conductor 642 from being oxidized, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the conductor 642. Therefore, the oxide 643 preferably has a function of suppressing oxidation of the conductor 642.

従って、酸化物643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642と酸化物630bとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物643を配置することで、導電体642と、酸化物630b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600の電気特性およびトランジスタ600の信頼性を向上させることができる。 Therefore, the oxide 643 preferably has a function of suppressing permeation of oxygen. By disposing the oxide 643 having a function of suppressing permeation of oxygen between the conductor 642 functioning as a source electrode or a drain electrode and the oxide 630b, electric power between the conductor 642 and the oxide 630b is reduced. It is preferable because the resistance is reduced. With such a structure, electric characteristics of the transistor 600 and reliability of the transistor 600 can be improved.

酸化物643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643は、酸化物630bよりも元素Mの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物643として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物643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643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630b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643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643は、結晶性を有すると好ましい。酸化物643が結晶性を有する場合、酸化物630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643としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物630中の酸素の放出を抑制できる場合がある。 A metal oxide containing the element M may be used as the oxide 643. In particular, the element M is preferably aluminum, gallium, yttrium, or tin. The oxide 643 preferably has a higher concentration of the element M than the oxide 630b. Alternatively, gallium oxide may be used as the oxide 643. Alternatively, as the oxide 643, a metal oxide such as an In-M-Zn oxide may be used. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 643, the atomic ratio of the element M to In is preferably higher than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 630b. The film thickness of the oxide 643 is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 3 nm or less. Further, the oxide 643 preferably has crystallinity. When the oxide 643 has crystallinity, release of oxygen in the oxide 630 can be favorably suppressed. For example, if the oxide 643 has a crystal structure such as a hexagonal crystal, release of oxygen in the oxide 630 can be suppressed in some cases.

なお、酸化物643は必ずしも設けなくてもよい。その場合、導電体642(導電体642a、および導電体642b)と酸化物630とが接することで、酸化物630中の酸素が導電体642へ拡散し、導電体642が酸化する場合がある。導電体642が酸化することで、導電体642の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物630中の酸素が導電体642へ拡散することを、導電体642が酸化物630中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。 Note that the oxide 643 does not necessarily have to be provided. In that case, when the conductor 642 (the conductor 642a and the conductor 642b) is in contact with the oxide 630, oxygen in the oxide 630 may diffuse into the conductor 642 and the conductor 642 may be oxidized. Oxidation of the conductor 642 is likely to reduce the conductivity of the conductor 642. Note that diffusion of oxygen in the oxide 630 into the conductor 642 can be restated as absorption of oxygen in the oxide 630 by the conductor 642.

また、酸化物630中の酸素が導電体642(導電体642a、および導電体642b)へ拡散することで、導電体642aと酸化物630bとの間、および、導電体642bと酸化物630bとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体642よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体642と、当該異層と、酸化物630bとの3層構造は、金属−絶縁体−半導体からなる3層構造とみなすことができ、MIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造と呼ぶ、またはMIS構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。 Further, oxygen in the oxide 630 diffuses into the conductor 642 (the conductor 642a and the conductor 642b), so that the conductor 642a and the oxide 630b are separated from each other and the conductor 642b and the oxide 630b are separated from each other. Different layers may be formed between them. Since the different layer contains more oxygen than the conductor 642, it is estimated that the different layer has an insulating property. At this time, the three-layer structure of the conductor 642, the different layer, and the oxide 630b can be regarded as a three-layer structure including a metal-insulator-semiconductor and a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure. It may be referred to as a diode junction structure mainly including the MIS structure.

なお、上記異層は、導電体642と酸化物630bとの間に形成されることに限られず、例えば、異層が、導電体642と酸化物630cとの間に形成される場合や、導電体642と酸化物630bとの間、および導電体642と酸化物630cとの間に形成される場合がある。 Note that the different layer is not limited to being formed between the conductor 642 and the oxide 630b; for example, when the different layer is formed between the conductor 642 and the oxide 630c, or It may be formed between the body 642 and the oxide 630b and between the conductor 642 and the oxide 630c.

酸化物643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642(導電体642a、および導電体642b)が設けられる。導電体642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。 The conductor 642 (the conductor 642a and the conductor 642b) which functions as a source electrode and a drain electrode is provided over the oxide 643. The thickness of the conductor 642 may be, for example, 1 nm to 50 nm inclusive, preferably 2 nm to 25 nm inclusive.

導電体642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 642, 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 metal element as a component, an alloy in which the above metal elements are combined, or the like. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, or the like is used. It is preferable. Further, 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 difficult to oxidize. A conductive material or a material that maintains conductivity even when absorbing oxygen is preferable.

絶縁体672は、導電体642上面に接して設けられており、バリア絶縁膜として機能することが好ましい。また、絶縁体672上に、バリア絶縁膜として機能する絶縁体673を設けることが好ましい。このような構成にすることで、導電体642による、絶縁体680が有する過剰酸素の吸収を抑制することができる。また、導電体642の酸化を抑制することで、トランジスタ600と配線とのコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。よって、トランジスタ600に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。 The insulator 672 is provided in contact with the top surface of the conductor 642 and preferably functions as a barrier insulating film. Further, an insulator 673 which functions as a barrier insulating film is preferably provided over the insulator 672. With such a structure, absorption of excess oxygen in the insulator 680 by the conductor 642 can be suppressed. Further, by suppressing the oxidation of the conductor 642, an increase in contact resistance between the transistor 600 and the wiring can be suppressed. Therefore, the transistor 600 can have favorable electrical characteristics and reliability.

従って、絶縁体672および絶縁体673は、酸素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672は、絶縁体680よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体672としては、例えば、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。絶縁体673としては、例えば、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いればよい。 Therefore, the insulator 672 and the insulator 673 preferably have a function of suppressing diffusion of oxygen. For example, the insulator 672 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen as compared with the insulator 680. As the insulator 672, for example, an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium may be formed. As the insulator 673, for example, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like may be used.

また、水または水素などの不純物が、絶縁体672および絶縁体673を介して配置されている絶縁体680などからトランジスタ600側に拡散するのを抑制することができる。このように、トランジスタ600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672、および絶縁体673で取り囲む構造とすることが好ましい。 Further, impurities such as water or hydrogen can be suppressed from diffusing from the insulator 680 or the like which is provided with the insulator 672 and the insulator 673 to the transistor 600 side. As described above, the transistor 600 is preferably surrounded by the insulator 672 and the insulator 673 which have a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen.

絶縁体650は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体650は、酸化物630cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体650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 650 functions as a gate insulator. The insulator 650 is preferably arranged in contact with the top surface of the oxide 630c. As the insulator 650, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having holes is used. be able to. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.

絶縁体624と同様に、絶縁体650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650として、酸化物630cの上面に接して設けることにより、酸化物630b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624と同様に、絶縁体650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650の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 Like the insulator 624, the insulator 650 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the insulator 650 in contact with the top surface of the oxide 630c, oxygen can be effectively supplied to the channel formation region of the oxide 630b. Further, similarly to the insulator 624, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 650 is preferably reduced. The thickness of the insulator 650 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体650と導電体660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650から導電体660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650から導電体660への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物630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650の酸素による導電体660の酸化を抑制することができる。 Further, a metal oxide may be provided between the insulator 650 and the conductor 660. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 650 to the conductor 660. By providing the metal oxide which suppresses diffusion of oxygen, diffusion of oxygen from the insulator 650 to the conductor 660 is suppressed. That is, a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 630 can be suppressed. In addition, oxidation of the conductor 660 due to oxygen in the insulator 650 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650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650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。 In addition, the metal oxide may have a function as a part of the gate insulator. Therefore, when silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 650, the metal oxide is preferably a high-k material having a high relative dielectric constant. When the gate insulator has a stacked structure of the insulator 650 and the metal oxide, a stacked structure which is stable to heat and has a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, the gate potential applied during the operation of the transistor can be reduced while maintaining the physical film thickness of the gate insulator. Further, the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator functioning as the 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, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like may be used. it can. In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (a hafnium aluminate), which is an insulator containing an oxide of one or both 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 have a function as a part of the gate. In this case, a conductive material containing oxygen may be provided on the channel formation region side. By providing the 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, it is preferable to use a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed as a conductor functioning as a gate. Alternatively, a conductive material containing the above 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 the metal oxide in which the channel is formed may be captured in some cases. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed in from an outer insulator or the like.

導電体660は、底面および側面が絶縁体650に接して配置される。導電体660は、図7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。 The bottom surface and the side surface of the conductor 660 are arranged in contact with the insulator 650. Although the conductor 660 has a two-layer structure in FIG. 7, it may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.

導電体660a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 660a has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitric oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2, etc.), and copper atoms. It is preferable to use materials. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).

また、導電体660aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体650に含まれる酸素により、導電体660b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 660a has a function of suppressing diffusion of oxygen, oxygen contained in the insulator 650 can prevent the conductor 660b from being oxidized and decreasing in conductivity. As a 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660b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660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660b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。 The conductor 660b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component. Since the conductor 660 also functions as a wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component can be used. The conductor 660b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium or titanium nitride and the above conductive material.

絶縁体680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、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用いることが好ましい。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。また、絶縁体680は、上記の材料が積層された構造でもよく、例えば、スパッタリング法で成膜した酸化シリコンと、その上に積層されたCVD法で成膜された酸化窒化シリコンの積層構造とすればよい。また、さらに上に窒化シリコンを積層してもよい。 For the insulator 680, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having holes is used. It is preferable to use. 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 vacancies is preferable because a region containing oxygen which is released by heating can be easily formed. The insulator 680 may have a structure in which the above materials are stacked, for example, a stacked structure of silicon oxide formed by a sputtering method and silicon oxynitride formed thereover by a CVD method. do it. In addition, silicon nitride may be stacked further thereon.

ここで、絶縁体680は、過剰酸素を有することが好ましい。例えば、絶縁体680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。過剰酸素を含む絶縁体680を酸化物630に接して設けることにより、酸化物630中の酸素欠損を低減し、トランジスタ600の信頼性を向上させることができる。絶縁体680に過剰酸素を含ませるには、例えば、絶縁体682の成膜を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて行えばよい。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体682の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体680に酸素を添加することができる。 Here, the insulator 680 preferably contains excess oxygen. For example, the insulator 680 may be formed using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like as appropriate. By providing the insulator 680 including excess oxygen in contact with the oxide 630, oxygen vacancies in the oxide 630 can be reduced and the reliability of the transistor 600 can be improved. In order to make the insulator 680 contain excess oxygen, for example, the insulator 682 may be formed by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen. By forming the insulator 682 in an atmosphere containing oxygen by a sputtering method, oxygen can be added to the insulator 680 while forming the film.

絶縁体680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680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 680 be reduced. Further, the upper surface of the insulator 680 may be flattened.

絶縁体682は、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体680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。また、絶縁体682は、酸素の透過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682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。例えば、絶縁体682として、酸素に対してバリア性が高い酸化アルミニウムを用いればよい。 The insulator 682 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water or hydrogen from entering the insulator 680 from above. Further, the insulator 682 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses permeation of oxygen. As the insulator 682, for example, an insulator such as aluminum oxide, silicon nitride, or silicon nitride oxide may be used. For example, aluminum oxide having a high barrier property against oxygen may be used as the insulator 682.

図7(B)に示すように、絶縁体682は、酸化物630cに直接接する構造となっている。当該構造とすることで、絶縁体680に含まれる酸素の導電体660への拡散を抑制することができる。従って、絶縁体680に含まれる酸素は、酸化物630cを介して、酸化物630aおよび酸化物630bへ効率よく供給することができるので、酸化物630a中および酸化物630b中の酸素欠損を低減し、トランジスタ600の電気特性および信頼性を向上させることができる。 As shown in FIG. 7B, the insulator 682 has a structure in direct contact with the oxide 630c. With such a structure, diffusion of oxygen contained in the insulator 680 into the conductor 660 can be suppressed. Therefore, oxygen contained in the insulator 680 can be efficiently supplied to the oxide 630a and the oxide 630b through the oxide 630c, so that oxygen vacancies in the oxide 630a and the oxide 630b are reduced. The electrical characteristics and reliability of the transistor 600 can be improved.

また、絶縁体682の上に、層間膜として機能する絶縁体685を設けることが好ましい。絶縁体685は、絶縁体624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。 Further, an insulator 685 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 682. Like the insulator 624 and the like, the insulator 685 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.

導電体640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640は積層構造としてもよい。なお、図7(A)で導電体640は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、導電体640が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。 The conductor 640 is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component. Further, the conductor 640 may have a stacked structure. Although the conductor 640 is circular in a top view in FIG. 7A, the invention is not limited to this. For example, the conductor 640 may have a substantially circular shape such as an ellipse, a polygonal shape such as a quadrangle, or a polygonal shape such as a quadrangle in which the corners are rounded in a top view.

また、導電体640を積層構造とする場合、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、および酸素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680などから拡散する水または水素などの不純物が、導電体640を通じて酸化物630に混入するのをさらに低減することができる。また、絶縁体680に添加された酸素が導電体640に吸収されるのを防ぐことができる。 When the conductor 640 has a stacked structure, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, it is preferable to use tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like. The conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen may be used as a single layer or a stacked layer. By using the conductive material, impurities such as water or hydrogen that diffuse from the insulator 680 or the like can be further reduced from entering the oxide 630 through the conductor 640. In addition, oxygen added to the insulator 680 can be prevented from being absorbed by the conductor 640.

また、導電体640aの上面、および導電体640cの上面に接して導電体646aが配置され、導電体640bの上面に接して導電体646bが配置される。導電体646aおよび導電体646b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646aおよび導電体646b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 646a is arranged in contact with the top surfaces of the conductor 640a and the conductor 640c, and the conductor 646b is arranged in contact with the top surface of the conductor 640b. The conductors 646a and 646b are preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component. Further, the conductors 646a and 646b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium or titanium nitride and the above conductive material. Note that the conductor may be formed so as to be embedded in the opening provided in the insulator.

絶縁体685、導電体646a、および導電体646bを覆って、絶縁体686が設けられる。絶縁体686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、酸化ジルコ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。 An insulator 686 is provided so as to cover the insulator 685, the conductor 646a, and the conductor 646b. The insulator 686 is, 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, hafnium nitride, or oxide. Zirconium or the like may be used, and it can be provided in a laminated or single layer.

例えば、絶縁体686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てもよい。当該構成により、容量素子655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655の静電破壊を抑制することができる。 For example, the insulator 686 may have a stacked-layer structure of a material having high dielectric strength such as silicon oxynitride and a high dielectric constant (high-k) material. With this structure, the capacitor 655 has an insulator with a high dielectric constant (high-k), whereby sufficient capacity can be secured, and an insulator with a large dielectric strength improves the dielectric strength, Electrostatic breakdown of the element 655 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。または、絶縁体686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。例えば、絶縁体686を積層とする場合、酸化ジルコニウムと、酸化アルミニウムと、酸化ジルコニウムと、が順に形成された3層積層や、酸化ジルコニウムと、酸化アルミニウムと、酸化ジルコニウムと、酸化アルミニウムと、が順に形成されて4層積層などを用いれば良い。また、絶縁体686としては、ハフニウムと、ジルコニウムとが含まれる化合物などを用いても良い。半導体装置の微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体、および容量素子に用いる誘電体の薄膜化により、トランジスタや容量素子の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、および容量素子に用いる誘電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、および容量素子の容量の確保が可能となる。 Note that as an insulator of a high dielectric constant (high-k) material (a material having a high relative dielectric constant), gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium, an oxynitride containing aluminum and hafnium, is used. , An oxide containing silicon and hafnium, an oxynitride containing silicon and hafnium, or a nitride containing silicon and hafnium. Alternatively, the insulator 686 is made 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). The insulator including the high-k material may be used in a single layer or a stacked layer. For example, in the case of stacking the insulator 686, a three-layer stack in which zirconium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide is sequentially formed, zirconium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, and aluminum oxide are formed. It may be formed in order and a four-layer stack or the like may be used. As the insulator 686, a compound containing hafnium and zirconium may be used. As semiconductor devices become finer and more highly integrated, problems such as leakage current of transistors and capacitors may occur due to thinning of gate insulators and dielectrics used for capacitors. By using a high-k material for the gate insulator and the insulator functioning as a dielectric used for the capacitor, the gate potential during operation of the transistor can be reduced and the capacitance of the capacitor can be secured while maintaining the physical film thickness. It will be possible.

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, as a material having a high dielectric strength (a material having a low relative dielectric constant), silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, fluorine-added silicon oxide, carbon-added silicon oxide, carbon and nitrogen are used. Examples thereof include added silicon oxide, silicon oxide having holes, or resin.

絶縁体686を介して導電体646aの少なくとも一部と重畳するように導電体656が配置される。導電体656は、導電体646に用いることができる導電体を用いればよい。 A conductor 656 is arranged so as to overlap with at least part of the conductor 646a with the insulator 686 interposed therebetween. As the conductor 656, a conductor that can be used for the conductor 646 may be used.

また、絶縁体686および導電体646bの上に、層間膜として機能する絶縁体688を設けることが好ましい。絶縁体688は、絶縁体624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。 Further, an insulator 688 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 686 and the conductor 646b. Like the insulator 624 and the like, the insulator 688 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.

<<メモリセルの変形例>>
以下では、図8を用いてメモリセルの変形例について説明する。図8(A)は、メモリセル860周辺の上面図である。また、図8(B)は、メモリセル860の断面図であり、図8(B)は、図8(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する。図8(B)において、トランジスタ600のチャネル長方向の断面と、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面を示す。なお、図8(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。なお、図8(A)に示す、X方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれが互いに直交または交差する方向である。ここで、X方向およびY方向は基板面に対して平行または概略平行であり、Z方向は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好ましい。
<<Modification of Memory Cell>>
A modified example of the memory cell will be described below with reference to FIG. FIG. 8A is a top view of the periphery of the memory cell 860. 8B is a cross-sectional view of the memory cell 860, and FIG. 8B corresponds to a portion indicated by dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 8A. In FIG. 8B, a cross section in the channel length direction of the transistor 600 and a cross section in the channel width direction of the transistor 700 are shown. Note that in the top view of FIG. 8A, some elements are omitted for clarity of the drawing. Note that the X direction, the Y direction, and the Z direction shown in FIG. 8A are directions orthogonal to or intersecting with each other. Here, it is preferable that the X direction and the Y direction are parallel or substantially parallel to the substrate surface, and the Z direction is perpendicular or substantially vertical to the substrate surface.

図8に示すメモリセル860は、トランジスタ600およびトランジスタ700の代わりに、トランジスタ690およびトランジスタ790が用いられている点において、図7に示すメモリセル860と異なる。ここで、トランジスタ790は、トランジスタ690と同じ層に形成され、同様の構成を有する。以下において、トランジスタ790の構成要素は、トランジスタ690の構成要素の記載を参酌できるものとする。 The memory cell 860 illustrated in FIG. 8 is different from the memory cell 860 illustrated in FIG. 7 in that a transistor 690 and a transistor 790 are used instead of the transistor 600 and the transistor 700. Here, the transistor 790 is formed in the same layer as the transistor 690 and has a similar structure. In the following, for the components of the transistor 790, the description of the components of the transistor 690 can be referred to.

トランジスタ690は、酸化物630cが、絶縁体680、絶縁体672、絶縁体673、導電体642(導電体642a、導電体642b)、及び酸化物630bに形成された開口部を沿うようにU字状(U−Shape)に形成される点において、トランジスタ600と異なる。 The transistor 690 has a U-shape so that the oxide 630c extends along the openings formed in the insulator 680, the insulator 672, the insulator 673, the conductor 642 (the conductor 642a and the conductor 642b), and the oxide 630b. The transistor 600 is different from the transistor 600 in that it is formed in a U-shape.

例えば、トランジスタのチャネル長を微細化(代表的には5nm以上60nm未満、好ましくは10nm以上30nm以下)した場合に、トランジスタ600が上記の構造を有することで、実効L長を長くすることができる。一例としては、導電体642aと、導電体642bとの間の距離が20nmである場合、実効L長を40nm以上60nm以下と、導電体642aと導電体642bとの間の距離、すなわち最小加工寸法よりも2倍以上3倍以下程度長くすることができる。したがって、図8に示すメモリセル860は、微細化に優れたトランジスタ690、トランジスタ790、および容量素子655を有する構造となる。 For example, when the channel length of a transistor is miniaturized (typically 5 nm or more and less than 60 nm, preferably 10 nm or more and 30 nm or less), the transistor 600 having the above structure can increase the effective L length. .. As an example, when the distance between the conductor 642a and the conductor 642b is 20 nm, the effective L length is 40 nm or more and 60 nm or less, and the distance between the conductor 642a and the conductor 642b, that is, the minimum processing dimension. It is possible to make the length about 2 times or more and about 3 times or less. Therefore, the memory cell 860 illustrated in FIG. 8 has a structure including the transistor 690, the transistor 790, and the capacitor 655 which are excellent in miniaturization.

<<金属酸化物>>
酸化物630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630に適用可能な金属酸化物について説明する。
<< metal oxide >>
As the oxide 630, a metal oxide which functions as an oxide semiconductor is preferably used. The metal oxide applicable to the oxide 630 according to the present invention will be described below.

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、ガリウム、イットリウム、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、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 is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that gallium, yttrium, tin, and the like are contained. Further, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like may be contained.

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 containing indium, the element M, and zinc is considered. Note that the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin. Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten and magnesium. However, as the element M, it may be acceptable to combine a plurality of the aforementioned elements.

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

[金属酸化物の構造]
以下では、OSトランジスタに用いることができる金属酸化物であるCAC−OS(Cloud−Aligned Composite Oxide Semiconductor)、及びCAAC−OS(c−axis Aligned Crystal Oxide Semiconductor)の構成について説明する。
[Structure of metal oxide]
Hereinafter, the configurations of a CAC-OS (Clu-Aligned Composite Oxide Semiconductor) and a CAAC-OS (c-axis Aligned Crystal Oxide Semiconductor) that are metal oxides that can be used for an OS transistor will be described.

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

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

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

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

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

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

また、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、上記とは異なる分類となる場合がある。ここで、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図25(A)を用いて説明を行う。図25(A)は、酸化物半導体、代表的にはIGZO(Inと、Gaと、Znと、を含む金属酸化物)の結晶構造の分類を説明する図である。 Further, when attention is paid to the crystal structure, the oxide semiconductor may be classified differently from the above. Here, classification of crystal structures in an oxide semiconductor will be described with reference to FIG. 25A is a diagram illustrating classification of crystal structures of an oxide semiconductor, typically IGZO (a metal oxide containing In, Ga, and Zn).

図25(A)に示すように、IGZOは、大きく分けてAmorphousと、Crystallineと、Crystalと、に分類される。また、Amorphousの中には、completely amorphousが含まれる。また、Crystallineの中には、CAAC(c−axis aligned crystalline)、nc(nanocrystalline)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)が含まれる。また、Crystalの中には、single crystal、及びpoly crystalが含まれる。 As shown in FIG. 25A, IGZO is roughly classified into Amorphous, Crystalline, and Crystal. Amorphous includes completely amorphous. Moreover, CAAC (c-axis aligned crystal line), nc (nano crystal line), and CAC (Cloud-Aligned Composite) are contained in Crystalline. Moreover, single crystal and poly crystal are included in Crystal.

なお、図25(A)に示す太枠内の構造は、New crystalline phaseに属する構造である。当該構造は、Amorphousと、Crystalとの間の境界領域にある。すなわち、エネルギー的に不安定なAmorphousと、Crystallineとは全く異なる構造と言い換えることができる。 The structure in the thick frame shown in FIG. 25(A) is a structure belonging to the New crystalline phase. The structure is in the boundary region between Amorphous and Crystal. That is, it can be said that the energy-unstable Amorphous and Crystalline are completely different structures.

なお、膜または基板の結晶構造は、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)像を用いて評価することができる。ここで、石英ガラス、及びcrystallineに分類される結晶構造を有するIGZO(結晶性IGZOともいう。)のXRDスペクトルを図25(B)、(C)に示す。また、図25(B)が石英ガラス、図25(C)が結晶性IGZOのXRDスペクトルである。なお、図25(C)に示す結晶性IGZOとしては、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の組成である。また、図25(C)に示す結晶性IGZOとしては、厚さ500nmである。 Note that the crystal structure of the film or the substrate can be evaluated using an X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) image. Here, XRD spectra of quartz glass and IGZO having a crystal structure classified as crystalline (also referred to as crystalline IGZO) are shown in FIGS. 25B and 25C. Further, FIG. 25B is a quartz glass and FIG. 25C is an XRD spectrum of crystalline IGZO. Note that the crystalline IGZO illustrated in FIG. 25C has a composition of In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio]. Further, the crystalline IGZO shown in FIG. 25C has a thickness of 500 nm.

図25(B)の矢印に示すように、石英ガラスは、XRDスペクトルのピークがほぼ対称である。一方で、図25(C)の矢印に示すように、結晶性IGZOは、XRDスペクトルのピークが非対称である。XRDスペクトルのピークが非対称であることは、結晶の存在を明示している。別言すると、XRDスペクトルのピークで左右対称でないと、Amorphousであるとは言えない。 As shown by the arrow in FIG. 25B, the peak of the XRD spectrum of the silica glass is almost symmetrical. On the other hand, as shown by the arrow in FIG. 25C, crystalline IGZO has an asymmetric peak in the XRD spectrum. The asymmetric peak in the XRD spectrum is evidence of the presence of crystals. In other words, unless the peak of the XRD spectrum is symmetrical, it cannot be said to be Amorphous.

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 crystal structure having c-axis orientation and a plurality of nanocrystals connected in the ab plane direction and having strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement is changed between a region where the lattice arrangement is uniform and another region where the lattice arrangement is uniform in the 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、及び七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において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と考えられる。なお、明確な結晶粒界(グレインバウンダリ―)が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶(polycrystal)と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないCAAC−OSは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、CAAC−OSを構成するには、Znを有する構成が好ましい。例えば、In−Zn酸化物、及びIn−Ga−Zn酸化物は、In酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。 The nanocrystal is basically a hexagon, but is not limited to a regular hexagon, and may be a non-regular hexagon. In addition, the strain may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. Note that in the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it is understood that the distortion of the lattice arrangement suppresses the formation of crystal grain boundaries. This is because the CAAC-OS can tolerate strain due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction, the bond distance between atoms changes due to substitution with a metal element, or the like. It is thought to be because. A crystal structure in which a clear grain boundary is confirmed is called a so-called polycrystal. The crystal grain boundaries serve as recombination centers, and carriers are likely to be trapped to cause a decrease in on-state current of the transistor or a decrease in field-effect mobility. Therefore, the CAAC-OS in which clear crystal grain boundaries are not confirmed is one of crystalline oxides having a crystal structure suitable for a semiconductor layer of a transistor. Note that a structure containing Zn is preferable for forming the CAAC-OS. For example, In—Zn oxide and In—Ga—Zn oxide are preferable because they can suppress generation of crystal grain boundaries more than In oxide.

また、CAAC−OSは、インジウム、及び酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、及び酸素を有する層(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。 Further, 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 of the (M,Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as an (In,M,Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can be expressed as an (In,M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、CAAC−OSは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対しても安定である。したがって、OSトランジスタにCAAC−OSを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。 CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, in the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary cannot be confirmed; therefore, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary does not easily occur. In addition, the crystallinity of an oxide semiconductor might be lowered due to entry of impurities, generation of defects, or the like; therefore, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the oxide semiconductor including the CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the oxide semiconductor including the CAAC-OS is highly heat resistant and highly reliable. Further, the CAAC-OS is stable even at a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process. Therefore, when the CAAC-OS is used for the OS transistor, the degree of freedom in the manufacturing process can be increased.

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 of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). Moreover, in the nc-OS, no regularity is found in the crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

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

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures and 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.

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

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

また、トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。 In addition, an oxide semiconductor having a low carrier concentration is preferably used for the transistor. In the case of reducing the carrier concentration of the oxide semiconductor film, the concentration of impurities in the oxide semiconductor film may be lowered and the density of defect states may be lowered. In this specification and the like, low impurity concentration and low defect level density are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.

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

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

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

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

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When the oxide semiconductor contains silicon or carbon which is one of Group 14 elements, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor (the concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) are 2) It is set to be not more than ×10 18 atoms/cm 3 , preferably not more than 2×10 17 atoms/cm 3 .

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

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

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

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル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。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced in a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be given.

<<その他の半導体材料>>
酸化物630に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物630として、バンドギャップを有する半導体材料(ゼロギャップ半導体ではない半導体材料)を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質(原子層物質、2次元材料などともいう。)などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
<<Other semiconductor materials>>
Semiconductor materials that can be used for the oxide 630 are not limited to the above metal oxides. As the oxide 630, a semiconductor material having a band gap (a semiconductor material that is not a zero-gap semiconductor) may be used. For example, a semiconductor of a simple element such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, a layered substance functioning as a semiconductor (also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, or the like) is preferably used as a semiconductor material. In particular, it is preferable to use a layered substance that functions as a semiconductor for the semiconductor material.

ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、2次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、2次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。 Here, in the present specification and the like, the layered substance is a general term for a group of materials having a layered crystal structure. The layered crystal structure is a structure in which layers formed by a covalent bond or an ionic bond are stacked via a bond weaker than the covalent bond or the ionic bond, such as Van der Waals force. The layered material has high electric conductivity in the unit layer, that is, two-dimensional electric conductivity. By using a material which functions as a semiconductor and has high two-dimensional electrical conductivity for the channel formation region, a transistor with high on-state current can be provided.

層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第16族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、13族カルコゲナイドなどが挙げられる。 Layered materials include graphene, silicene, chalcogenides, and the like. A chalcogenide is a compound containing chalcogen. Chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16 and includes oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermolium. Examples of chalcogenides include transition metal chalcogenides and group 13 chalcogenides.

酸化物630として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物630として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン(代表的にはMoS)、セレン化モリブデン(代表的にはMoSe)、モリブデンテルル(代表的にはMoTe)、硫化タングステン(代表的にはWS)、セレン化タングステン(代表的にはWSe)、タングステンテルル(代表的にはWTe)、硫化ハフニウム(代表的にはHfS)、セレン化ハフニウム(代表的にはHfSe)、硫化ジルコニウム(代表的にはZrS)、セレン化ジルコニウム(代表的にはZrSe)などが挙げられる。 As the oxide 630, for example, a transition metal chalcogenide which functions as a semiconductor is preferably used. Specific examples of the transition metal chalcogenide applicable as the oxide 630 include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenide (typically MoSe 2 ), molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ). , Tungsten sulfide (typically WS 2 ), tungsten selenide (typically WSe 2 ), tungsten tellurium (typically WTe 2 ), hafnium sulfide (typically HfS 2 ), hafnium selenide ( representative HFSE 2) the sulfide zirconium (typically ZrS 2 is), the selenide zirconium (typically ZrSe 2), and the like.

<メモリセル配置の構成例>
次に上述のメモリセル860の配置の一例について、図9および図10を用いて説明する。図9および図10に、上記メモリセル860を2×2×2個配置した、メモリセルブロックを示す。図9は、メモリセルブロックの上面図である。また、図10は、メモリセルブロックの断面図であり、図10は、図9にB1−B2の一点鎖線で示す部位に対応する。図10において、トランジスタ600のチャネル長方向の断面と、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面を示す。なお、図9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。なお、図9に示す、X方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれが互いに直交または交差する方向である。ここで、X方向およびY方向は基板面に対して平行または概略平行であり、Z方向は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好ましい。
<Configuration example of memory cell layout>
Next, an example of the arrangement of the above-described memory cell 860 will be described with reference to FIGS. 9 and 10. 9 and 10 show a memory cell block in which 2×2×2 memory cells 860 are arranged. FIG. 9 is a top view of the memory cell block. 10 is a cross-sectional view of the memory cell block, and FIG. 10 corresponds to a portion shown by a dashed line B1-B2 in FIG. In FIG. 10, a cross section in the channel length direction of the transistor 600 and a cross section in the channel width direction of the transistor 700 are shown. In the top view of FIG. 9, some elements are omitted for the sake of clarity. The X direction, the Y direction, and the Z direction shown in FIG. 9 are directions orthogonal to or intersecting with each other. Here, it is preferable that the X direction and the Y direction are parallel or substantially parallel to the substrate surface, and the Z direction is perpendicular or substantially vertical to the substrate surface.

図9および図4に示すメモリセルブロックにおいて、メモリセル860_1のX方向に隣接してメモリセル860_2が配置される。また、メモリセル860_1、およびメモリセル860_2のY方向に隣接してメモリセル860_3、およびメモリセル860_4が配置される。また、メモリセル860_1、およびメモリセル860_2のZ方向に隣接してメモリセル860_5、およびメモリセル860_6が配置される。 In the memory cell block shown in FIGS. 9 and 4, memory cell 860_2 is arranged adjacent to memory cell 860_1 in the X direction. Further, the memory cell 860_1 and the memory cell 860_2 are arranged adjacent to the memory cell 860_1 in the Y direction. Further, the memory cell 860_1 and the memory cell 860_2 are arranged adjacent to each other in the Z direction, and the memory cell 860_5 and the memory cell 860_6 are arranged.

図9および図10に示すように、メモリセル860_1とメモリセル860_2は、それぞれの構成要素を線対称に配置することができる。このとき、導電体640bの側面が、メモリセル860_1の導電体642bおよび、メモリセル860_2の導電体642bと、接することが好ましい。つまり、ビット線として機能する、導電体607、導電体615、導電体640b、導電体646b、および導電体657が、メモリセル860_1のトランジスタ600のソースおよびドレインの一方と、メモリセル860_2のトランジスタ600のソースおよびドレインの一方と、電気的に接続されることが好ましい。このように、メモリセル860_1とメモリセル860_2に接続する配線を共通化することで、メモリセルの占有面積をさらに縮小することができる。 As shown in FIGS. 9 and 10, in the memory cell 860_1 and the memory cell 860_2, respective constituent elements can be arranged in line symmetry. At this time, the side surface of the conductor 640b is preferably in contact with the conductor 642b of the memory cell 860_1 and the conductor 642b of the memory cell 860_2. That is, the conductor 607, the conductor 615, the conductor 640b, the conductor 646b, and the conductor 657 which function as a bit line are formed as one of the source and the drain of the transistor 600 of the memory cell 860_1 and the transistor 600 of the memory cell 860_2. It is preferable to be electrically connected to one of the source and the drain. As described above, by sharing the wirings connected to the memory cells 860_1 and 860_2, the area occupied by the memory cells can be further reduced.

また、図10に示すように、ビット線として機能する、導電体607、導電体615、導電体640b、導電体646b、および導電体657は、上層に配置される、メモリセル860_5およびメモリセル860_6のトランジスタ600とも電気的に接続される。なお、図10に示すように、メモリセル860_1およびメモリセル860_2の導電体657は、メモリセル860_5およびメモリセル860_6の導電体607に相当する。このようにして、Z方向にビット線を延在させることができる。また、断面図で図示してはいないが、導電体640dなどを含むビット線も同様にZ方向に延在させることができる。 In addition, as illustrated in FIG. 10, the conductor 607, the conductor 615, the conductor 640b, the conductor 646b, and the conductor 657 which function as bit lines are arranged in the upper layer, and the memory cell 860_5 and the memory cell 860_6 are provided. The transistor 600 is also electrically connected. Note that as illustrated in FIG. 10, the conductor 657 of the memory cell 860_1 and the memory cell 860_2 corresponds to the conductor 607 of the memory cell 860_5 and the memory cell 860_6. In this way, the bit line can be extended in the Z direction. Although not shown in the sectional view, the bit line including the conductor 640d and the like can be similarly extended in the Z direction.

また、図9に示すように、メモリセル860_1の導電体660は、メモリセル860_3に延在して設けられている。このようにしてワード線をY方向に延在させることができる。また、図9に示すように、メモリセル860_1の導電体742aは、メモリセル860_3に延在して設けられている。このようにして選択線をY方向に延在させることができる。なお、選択線は、X方向に隣接するメモリセル860と共通化してもよい。また、図9に示すように、メモリセル860_1の導電体605は、メモリセル860_3に延在して設けられている。このようにして配線をY方向に延在させることができる。また、図9に示すように、メモリセル860_1の導電体705は、メモリセル860_3に延在して設けられている。このようにして配線をY方向に延在させることができる。 Further, as shown in FIG. 9, the conductor 660 of the memory cell 860_1 is provided so as to extend to the memory cell 860_3. In this way, the word line can be extended in the Y direction. Further, as shown in FIG. 9, the conductor 742a of the memory cell 860_1 is provided so as to extend to the memory cell 860_3. In this way, the selection line can be extended in the Y direction. Note that the selection line may be shared by the memory cells 860 adjacent in the X direction. Further, as shown in FIG. 9, the conductor 605 of the memory cell 860_1 is provided so as to extend to the memory cell 860_3. In this way, the wiring can be extended in the Y direction. Further, as illustrated in FIG. 9, the conductor 705 of the memory cell 860_1 is provided so as to extend to the memory cell 860_3. In this way, the wiring can be extended in the Y direction.

なお、図9では、導電体660に重ねて酸化物630cを延在させる構成にしているが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、酸化物630cをメモリセル860ごとにパターン形成して、酸化物630cをトランジスタ600ごとに離隔して設ける構成にしてもよい。また、例えば、酸化物630cを2層の積層構造にする場合、酸化物630cの上層および下層のいずれか一方を、トランジスタ600ごとに離隔して設ける構成にしてもよい。 Note that although the structure in which the oxide 630c is extended to overlap with the conductor 660 in FIG. 9 is not limited to this, the memory device described in this embodiment is limited to this. For example, the oxide 630c may be patterned for each memory cell 860, and the oxide 630c may be provided separately for each transistor 600. In the case where the oxide 630c has a two-layer stacked structure, for example, either the upper layer or the lower layer of the oxide 630c may be provided separately for each transistor 600.

なお、ここではメモリセルとして、トランジスタ600と、トランジスタ700の2つのトランジスタを有する例を示したがこれに限られない。例えば図4及び図5に示すように、メモリセルが1つのトランジスタと1つの容量を有する構成とする場合には、図11に示すように、図11におけるトランジスタ700を有さない構成とすることができる。図11に示す構成は、図10に示す構成と同一の作製方法により作製することができる。 Note that although an example in which the memory cell includes two transistors, the transistor 600 and the transistor 700, is shown here, the present invention is not limited to this. For example, when the memory cell has one transistor and one capacitor as shown in FIGS. 4 and 5, the transistor 700 in FIG. 11 should not be provided as shown in FIG. You can The structure shown in FIG. 11 can be manufactured by the same manufacturing method as the structure shown in FIG.

<記憶装置の構成例>
次に、上述のメモリセル860を積層させた記憶装置の一例について、図12を用いて説明する。図12は、シリコン層871の上に、メモリセル860を含むメモリセル層870が複数積層された、記憶装置の断面図である。図12に示す記憶装置は、図6に示す半導体装置50aに対応しており、シリコン層871は基板30に対応し、メモリセル層870は機能層40aに対応する。
<Structure example of storage device>
Next, an example of a memory device in which the above memory cells 860 are stacked will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of a memory device in which a plurality of memory cell layers 870 including memory cells 860 are stacked over a silicon layer 871. The memory device shown in FIG. 12 corresponds to the semiconductor device 50a shown in FIG. 6, the silicon layer 871 corresponds to the substrate 30, and the memory cell layer 870 corresponds to the functional layer 40a.

まず、シリコン層871について説明する。シリコン層871には複数のトランジスタ800が設けられている。 First, the silicon layer 871 will be described. A plurality of transistors 800 are provided in the silicon layer 871.

トランジスタ800は、基板811上に設けられ、ゲートとして機能する導電体816、ゲート絶縁体として機能する絶縁体815、基板811の一部からなる半導体領域813、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814a、および低抵抗領域814bを有する。トランジスタ800は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 The transistor 800 is provided over the substrate 811, and includes a conductor 816 which functions as a gate, an insulator 815 which functions as a gate insulator, a semiconductor region 813 which is a part of the substrate 811, and a low region which functions as a source region or a drain region. It has a resistance region 814a and a low resistance region 814b. The transistor 800 may be either a p-channel type or an n-channel type.

ここで、図12に示すトランジスタ800はチャネルが形成される半導体領域813(基板811の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域813の側面および上面を、絶縁体815を介して、導電体816が覆うように設けられている。なお、導電体816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800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 800 illustrated in FIG. 12, a semiconductor region 813 (a part of the substrate 811) in which a channel is formed has a convex shape. In addition, the conductor 816 is provided so as to cover the side surface and the upper surface of the semiconductor region 813 with the insulator 815 interposed therebetween. Note that the conductor 816 may be formed using a material whose work function is adjusted. Such a transistor 800 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator which functions as a mask for forming the protrusion may be provided in contact with the top of the protrusion. Further, although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is shown here, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

なお、図12に示すトランジスタ800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 800 illustrated in FIGS. 12A and 12B is an example, and the structure thereof is not limited, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.

また、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。 Further, a wiring layer provided with an interlayer film, a wiring, a plug and the like may be provided between each structure. Further, a plurality of wiring layers can be provided according to the design. Here, the conductor having a function as a plug or a wiring may have a plurality of structures collectively given the same reference numeral. Further, in this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, part of the conductor may function as a wiring, and part of the conductor may function as a plug.

例えば、トランジスタ800上には、層間膜として、絶縁体820、絶縁体822、絶縁体824、および絶縁体826が順に積層して設けられている。また、絶縁体820、絶縁体822、絶縁体824、および絶縁体826には、プラグまたは配線として機能する導電体828、および導電体830等が埋め込まれている。 For example, an insulator 820, an insulator 822, an insulator 824, and an insulator 826 are sequentially stacked over the transistor 800 as interlayer films. Further, in the insulator 820, the insulator 822, the insulator 824, and the insulator 826, a conductor 828 which functions as a plug or a wiring, a conductor 830, and the like are embedded.

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822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 822 may be planarized by a planarization treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to enhance planarity.

絶縁体826、および導電体830上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体850、絶縁体852、及び絶縁体854が順に積層して設けられている。また、絶縁体850、絶縁体852、及び絶縁体854には、導電体856が形成されている。導電体856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 826 and the conductor 830. For example, in FIG. 12, an insulator 850, an insulator 852, and an insulator 854 are sequentially stacked and provided. A conductor 856 is formed over the insulator 850, the insulator 852, and the insulator 854. The conductor 856 functions as a plug or a wiring.

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。 As an insulator that can be used as the interlayer film, an insulating oxide, a nitride, an oxynitride, a nitride oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, a metal nitride oxide, or the like can be given.

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 the insulator functioning as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, the material should be selected according to the function of the insulator.

例えば、絶縁体820、絶縁体822、絶縁体826、絶縁体852、および絶縁体854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 820, the insulator 822, the insulator 826, the insulator 852, the insulator 854, and the like preferably include insulators having a low relative dielectric constant. For example, the insulator may include silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having holes, or a resin. preferable. Alternatively, the insulator is silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having holes. And a laminated structure of a resin. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, by combining with a resin, a laminated structure having thermal stability and a low relative dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic and the like.

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824および絶縁体850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 permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, for the insulator 824, the insulator 850, and the like, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.

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 the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. The insulator containing lanthanum, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or as a stacked layer. Specifically, as an insulator having a function of suppressing permeation 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, indium. It is possible to use a material containing at least one metal element selected from ruthenium and ruthenium. Alternatively, a semiconductor having high electric conductivity, which is typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.

例えば、導電体828、導電体830、および導電体856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 828, the conductor 830, the conductor 856, and the like, a single layer of a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material formed of the above materials can be used. Alternatively, they can be stacked and used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.

シリコン層871の上に、絶縁体611および絶縁体612が配置され、絶縁体611および絶縁体612の上に、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_n(nは2以上の自然数)が積層される。なお、上記nの値については、特に限定は無いが2以上200以下、好ましくは2以上100以下、さらに好ましくは、2以上10以下である。例えば、1≦n≦10、好ましくは1≦n≦50、より好ましくは1≦n≦100とすればよい。) The insulator 611 and the insulator 612 are provided over the silicon layer 871, and the memory cell layers 870_1 to 870_n (n is a natural number of 2 or more) are stacked over the insulator 611 and the insulator 612. .. The value of n is not particularly limited, but is 2 or more and 200 or less, preferably 2 or more and 100 or less, and more preferably 2 or more and 10 or less. For example, 1≦n≦10, preferably 1≦n≦50, and more preferably 1≦n≦100. )

各メモリセル層870においては、図9と同様に、メモリセル860および各種配線がマトリクス状に配置されている。また、積層方向に隣接する各メモリセル層870は、図10で示したように、ビット線などの配線で電気的に接続されている。 In each memory cell layer 870, memory cells 860 and various wirings are arranged in a matrix, as in FIG. Further, as shown in FIG. 10, the memory cell layers 870 adjacent to each other in the stacking direction are electrically connected by wiring such as bit lines.

また、図12に示すように、最下層のメモリセル層870_1において、絶縁体611および絶縁体612に埋め込まれるように、導電体607が配置されている。導電体607は、導電体856と同じ層に設けられた導電体857と接している。このようにして、メモリセル860に接続されたビット線は、導電体857を介して、読み書き回路に接続される。 Further, as shown in FIG. 12, in the lowermost memory cell layer 870_1, the conductor 607 is arranged so as to be embedded in the insulator 611 and the insulator 612. The conductor 607 is in contact with the conductor 857 provided in the same layer as the conductor 856. In this way, the bit line connected to the memory cell 860 is connected to the read/write circuit through the conductor 857.

また、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nは、絶縁体611、絶縁体612、絶縁体687、絶縁体683、および絶縁体684によって、封止された構造であることが好ましい。ここで、シリコン層871の上に絶縁体611が配置され、絶縁体611の上に絶縁体612が配置される。絶縁体612の上にメモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nが配置されており、絶縁体612も、上面視において、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nと同じパターンに形成されている。絶縁体611の上面、絶縁体612の側面、およびメモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nの側面に接して絶縁体687が配置される。つまり、絶縁体687は、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nに対してサイドウォール状に形成される。絶縁体611、絶縁体687、およびメモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nを覆って絶縁体683が配置される。さらに、絶縁体683を覆って絶縁体684が配置される。 Further, the memory cell layers 870_1 to 870_n preferably have a structure in which the insulator 611, the insulator 612, the insulator 687, the insulator 683, and the insulator 684 are sealed. Here, the insulator 611 is provided over the silicon layer 871 and the insulator 612 is provided over the insulator 611. The memory cell layers 870_1 to 870_n are provided over the insulator 612, and the insulator 612 is also formed in the same pattern as the memory cell layers 870_1 to 870_n in a top view. The insulator 687 is provided in contact with the top surface of the insulator 611, the side surface of the insulator 612, and the side surfaces of the memory cell layers 870_1 to 870_n. That is, the insulator 687 is formed in a sidewall shape with respect to the memory cell layers 870_1 to 870_n. The insulator 683 is provided so as to cover the insulator 611, the insulator 687, and the memory cell layers 870_1 to 870_n. Further, an insulator 684 is arranged so as to cover the insulator 683.

絶縁体611、絶縁体612、絶縁体687、絶縁体683、および絶縁体684は、絶縁体682などと同様に、バリア性材料を用いることが好ましい。 As with the insulator 682, the insulator 611, the insulator 612, the insulator 687, the insulator 683, and the insulator 684 are preferably formed using a barrier material.

ここで、各メモリセル層870は、絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682によって封止されている。絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682には、同じ材料を用いることが好ましい。また、絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682の成膜方法は、同じ条件を用いて成膜することが好ましい。膜質が等しい絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682が接することで、密閉性が高い封止構造とすることができる。 Here, each memory cell layer 870 is sealed with an insulator 614, an insulator 687, and an insulator 682. The same material is preferably used for the insulator 614, the insulator 687, and the insulator 682. The insulators 614, 687, and 682 are preferably formed under the same conditions. When the insulator 614, the insulator 687, and the insulator 682 having the same film quality are in contact with each other, a sealed structure with high airtightness can be obtained.

また、絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682には、水素を捕獲、および固着する機能を有する材料を用いることが好ましい。具体的には、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などの金属酸化物を用いることができる。 Further, for the insulator 614, the insulator 687, and the insulator 682, it is preferable to use a material having a function of capturing and fixing hydrogen. Specifically, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, or indium gallium zinc oxide can be used.

封止構造を形成する絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682は、絶縁体680に接して設けられる。従って、絶縁体680中に混入した水素を捕獲、および固着することで、メモリセル860が有する酸化物半導体の水素濃度を低減することができる。 The insulator 614, the insulator 687, and the insulator 682 which form the sealing structure are provided in contact with the insulator 680. Therefore, by capturing and fixing hydrogen which is mixed in the insulator 680, the hydrogen concentration of the oxide semiconductor included in the memory cell 860 can be reduced.

また、メモリセル層870を封止する構造である絶縁体614、絶縁体687、および絶縁体682は、絶縁体611、絶縁体612、絶縁体683によってさらに覆われている。例えば、図12に示すように、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nの外側で、絶縁体611と絶縁体683とが接することで、2重目の封止構造を形成する。 Further, the insulator 614, the insulator 687, and the insulator 682 which are structures for sealing the memory cell layer 870 are further covered with the insulator 611, the insulator 612, and the insulator 683. For example, as illustrated in FIG. 12, the insulator 611 and the insulator 683 are in contact with each other outside the memory cell layers 870_1 to 870_n, so that a second sealing structure is formed.

ここで、絶縁体611、絶縁体612と絶縁体683には、水素、および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンは、水素に対するバリア性が高いため、封止する材質として用いることが好ましい。 Here, for the insulator 611, the insulator 612, and the insulator 683, it is preferable to use a material having a function of suppressing diffusion of hydrogen and oxygen. In particular, since silicon nitride or silicon nitride oxide has a high barrier property against hydrogen, it is preferably used as a sealing material.

また、トランジスタ600の上方を被覆する絶縁体683の上方に、被覆性が高い絶縁体684を設けることが好ましい。なお、絶縁体684は、絶縁体612および絶縁体683と同じ材料を用いることが好ましい。 Further, an insulator 684 having high coverage is preferably provided above the insulator 683 which covers the transistor 600. Note that the insulator 684 is preferably formed using the same material as the insulator 612 and the insulator 683.

例えば、絶縁体612、絶縁体683は、スパッタリング法を用いて成膜することで、膜中の水素濃度が比較的低い膜により封止構造を設けることができる。 For example, the insulator 612 and the insulator 683 can be formed by a sputtering method, so that the sealing structure can be provided with a film having a relatively low hydrogen concentration in the film.

一方、スパッタリング法を用いて成膜した膜は、比較的被覆性が低い。そこで、絶縁体611、および絶縁体684を、被覆性が高いCVD法などを用いて成膜することで、より密閉性を高めることができる。 On the other hand, the film formed by the sputtering method has relatively low coverage. Therefore, by forming the insulator 611 and the insulator 684 by a CVD method or the like having high coverage, the airtightness can be further improved.

従って、絶縁体612および絶縁体683は、絶縁体611と絶縁体684よりも水素濃度が低いことが好ましい。 Therefore, the insulator 612 and the insulator 683 preferably have lower hydrogen concentration than the insulator 611 and the insulator 684.

以上のようにして、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nを、バリア絶縁膜を用いて封止することで、各メモリセル860に含まれる酸化物半導体に拡散する水素を低減することができるので、信頼性の高い記憶装置を提供することができる。 As described above, by sealing the memory cell layers 870_1 to 870_n with the barrier insulating film, hydrogen diffused into the oxide semiconductor included in each memory cell 860 can be reduced. Therefore, a highly reliable storage device can be provided.

なお、好ましくは、絶縁体611、絶縁体612、絶縁体614、絶縁体682、絶縁体687、絶縁体683、および絶縁体684は、酸素に対するバリア性を有する材料を用いてもよい。上記封止構造が、酸素に対するバリア性を有することで、絶縁体680が有する過剰酸素の外方拡散を抑制し、効率的にトランジスタ600へと供給することができる。 Note that preferably, the insulator 611, the insulator 612, the insulator 614, the insulator 682, the insulator 687, the insulator 683, and the insulator 684 may be formed using a material having a barrier property against oxygen. Since the sealing structure has a barrier property against oxygen, outflow of excess oxygen in the insulator 680 can be suppressed and the oxygen can be efficiently supplied to the transistor 600.

また、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_n、および絶縁体684などを埋め込むように絶縁体674が設けられることが好ましい。絶縁体674は、絶縁体680に用いることができる絶縁体を用いればよい。図12に示すように、絶縁体674と絶縁体684は、上面の高さが概略一致することが好ましい。 In addition, the insulator 674 is preferably provided so as to fill the memory cell layers 870_1 to 870_n, the insulator 684, and the like. As the insulator 674, an insulator that can be used for the insulator 680 may be used. As shown in FIG. 12, it is preferable that the heights of the upper surfaces of the insulator 674 and the insulator 684 are substantially the same.

また、図12に示すように、絶縁体674、絶縁体684、絶縁体683、および絶縁体611に開口を設け、当該開口に導電体876を配置してもよい。導電体876は、下面が導電体856に接する。導電体876の上面に接して配線として機能する導電体878を設ければよい。また、メモリセル層870_n、絶縁体674、および導電体878を覆って、層間膜として機能する絶縁体689を設けることが好ましい。このような構造にすることで、メモリセル層870を介さず、上層の配線(導電体878)とシリコン層871の回路を電気的に接続することができる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 12, an opening may be provided in the insulator 674, the insulator 684, the insulator 683, and the insulator 611, and the conductor 876 may be provided in the opening. The lower surface of the conductor 876 is in contact with the conductor 856. A conductor 878 which functions as a wiring may be provided in contact with the top surface of the conductor 876. Further, an insulator 689 which functions as an interlayer film is preferably provided to cover the memory cell layer 870_n, the insulator 674, and the conductor 878. With such a structure, the wiring of the upper layer (the conductor 878) and the circuit of the silicon layer 871 can be electrically connected without the memory cell layer 870.

なお、図12では、メモリセル層870_1乃至メモリセル層870_nを絶縁体611、絶縁体612、絶縁体687、絶縁体683、および絶縁体684で一括して封止する構成を示したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。たとえば、図13に示すように、各メモリセル層870が絶縁体611、絶縁体612、絶縁体687、絶縁体683、および絶縁体684で封止される構成にしてもよい。ここで、絶縁体614の下に絶縁体612および絶縁体611が配置される。 Note that FIG. 12 illustrates a structure in which the memory cell layers 870_1 to 870_n are collectively sealed with the insulator 611, the insulator 612, the insulator 687, the insulator 683, and the insulator 684. The storage device according to the embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 13, each memory cell layer 870 may be sealed with an insulator 611, an insulator 612, an insulator 687, an insulator 683, and an insulator 684. Here, the insulator 612 and the insulator 611 are arranged below the insulator 614.

絶縁体680、絶縁体673、絶縁体672、絶縁体624、絶縁体622、絶縁体616、および絶縁体614の側面に接して絶縁体687が配置される。絶縁体680および絶縁体687を覆って、絶縁体683が設けられ、絶縁体683の上に絶縁体684が配置される。この場合、絶縁体682より上に設けられる、容量素子655および絶縁体688は、絶縁体684の上に配置すればよい。 The insulator 687 is provided in contact with side surfaces of the insulator 680, the insulator 673, the insulator 672, the insulator 624, the insulator 622, the insulator 616, and the insulator 614. An insulator 683 is provided so as to cover the insulator 680 and the insulator 687, and the insulator 684 is provided over the insulator 683. In that case, the capacitor 655 and the insulator 688 which are provided above the insulator 682 may be provided over the insulator 684.

<メモリセルの作製方法>
次に、図7に示す、記憶装置が有するメモリセル860について、作製方法を図14乃至図24を用いて説明する。以下において、トランジスタ700の構成要素、およびその作製方法等は、トランジスタ600の構成要素、およびその作製方法等の記載を参酌できるものとする。
<Method of manufacturing memory cell>
Next, a manufacturing method of the memory cell 860 included in the memory device illustrated in FIG. 7 is described with reference to FIGS. In the following, the description of the components of the transistor 600, the manufacturing method thereof, and the like can be referred to for the components of the transistor 700, the manufacturing method thereof, and the like.

図14(A)乃至図24(B)において、各図の(A)はメモリセル860の上面図を示す。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600のチャネル長方向の断面図と、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面図を示す。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。また、図7(A)に示す、X方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれが互いに直交または交差する方向である。ここで、X方向およびY方向は基板面に対して平行または概略平行であり、Z方向は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好ましい。 14A to 24B, (A) of each drawing shows a top view of the memory cell 860. Further, (B) in each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by dashed-dotted line A1-A2 in (A), and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 600 and a channel width direction of the transistor 700. A sectional view is shown. In addition, in the top view of (A) of each drawing, some elements are omitted for clarity of the drawing. Further, the X direction, the Y direction, and the Z direction shown in FIG. 7A are directions orthogonal to or intersecting with each other. Here, it is preferable that the X direction and the Y direction are parallel or substantially parallel to the substrate surface, and the Z direction is perpendicular or substantially vertical to the substrate surface.

まず、絶縁体614を成膜する。絶縁体614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, the insulator 614 is formed. The insulator 614 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法、有機金属CVD法に分けることができる。また、成膜時の圧力によって、大気圧下で成膜を行なう常圧CVD(APCVD:Atmospheric Pressure CVD)法、大気圧より低い減圧状態で成膜を行う減圧CVD(LPCVD:Low Pressure CVD)法、に分けることができる。 The CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method that uses plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method that uses heat, an optical CVD method that uses light, and the like. Further, it can be classified into a metal CVD method and an organometallic CVD method depending on the raw material gas used. Further, depending on the pressure at the time of film formation, atmospheric pressure CVD (APCVD: Atmospheric Pressure CVD) method for forming a film under atmospheric pressure, and low pressure CVD (LPCVD: Low Pressure CVD) method for forming a film under a reduced pressure lower than atmospheric pressure. , Can be divided into

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。 The plasma CVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. Further, the thermal CVD method is a film forming method which can reduce plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (a transistor, a capacitor, or the like) included in a semiconductor device might be charged up by receiving electric charge from plasma. At this time, the accumulated charges may damage wirings, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of the 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, plasma damage does not occur during film formation, so that a film with few defects can be obtained.

また、ALD法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ALD(Thermal ALD)法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるPEALD(Plasma Enhanced ALD)法などを用いることができる。 Further, as the ALD method, a thermal ALD (Thermal ALD) method in which the reaction of the precursor and the reactant is performed only with thermal energy, a PEALD (Plasma Enhanced ALD) method using a plasma-excited reactant, and the like can be used.

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。PEALD法では、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。 The ALD method utilizes the self-controllability that is the property of atoms, and it is possible to deposit atoms one by one, so it is possible to form extremely thin films, to form films with a high aspect ratio, pinholes, etc. It is possible to form a film with few defects, to form a film with excellent coverage, and to form a film at a low temperature. In the PEALD method, the use of plasma may be preferable because it enables film formation at a lower temperature. Note that some precursors used in the ALD method include impurities such as carbon. Therefore, the film formed by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon as compared with the film formed by another film formation method. Note that the amount of impurities can be quantified by 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 film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed, unlike a film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, the film forming method is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, since the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, it is suitable for coating the surface of the opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively low film forming rate, it may be preferable to use it in combination with another film forming method such as a CVD method having a high film forming 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 rate 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 the flow rate ratio of the 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 rate ratio of the raw material gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow rate of the source gas, the time required for transfer and pressure adjustment is shorter than the case where film formation is performed using multiple film formation chambers. can do. Therefore, it may be possible to improve the productivity of the semiconductor device.

本実施の形態では、絶縁体614として、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。 In this embodiment, as the insulator 614, aluminum oxide is deposited by a sputtering method.

この後の工程にて絶縁体614上に、トランジスタ600を形成するが、トランジスタ600に近接する膜は、水素濃度が比較的低いことが好ましく、水素濃度が比較的高い膜は、トランジスタ600から遠隔して配置することが好ましい。 Although the transistor 600 is formed over the insulator 614 in a subsequent step, a film in the vicinity of the transistor 600 preferably has relatively low hydrogen concentration, and a film having relatively high hydrogen concentration is remote from the transistor 600. It is preferable to arrange them.

次に、絶縁体614に開口を形成し、当該開口に埋め込むように導電体607を形成する。導電体607の形成については、後述する導電体605の形成方法を参酌することができる。また、図示していないが、導電体607と並行して、後の工程で導電体715を重畳する導電体を形成することができる。 Next, an opening is formed in the insulator 614 and the conductor 607 is formed so as to be embedded in the opening. Regarding the formation of the conductor 607, the method for forming the conductor 605 described later can be referred to. Although not illustrated, a conductor which overlaps with the conductor 715 can be formed in parallel with the conductor 607 in a later step.

次に、絶縁体614、および導電体607上に絶縁体616を成膜する。絶縁体616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616として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いる。また、絶縁体616は、上述の水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体616の水素濃度を低減することができる。 Next, the insulator 616 is formed over the insulator 614 and the conductor 607. The insulator 616 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, silicon oxide or silicon oxynitride is used as the insulator 616. In addition, the insulator 616 is preferably formed by a film formation method using the above-described gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. Accordingly, the hydrogen concentration of the insulator 616 can be reduced.

次に、絶縁体616に絶縁体614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614は、絶縁体616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616に酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体614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 614 is formed in the insulator 616. The openings include, for example, grooves and slits. In addition, the area where the opening is formed may be referred to as an opening. The opening may be formed by wet etching, but dry etching is preferable for fine processing. Further, as the insulator 614, it is preferable to select an insulator which functions as an etching stopper film when the insulator 616 is etched to form a groove. For example, when a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is used for the insulator 616 which forms the groove, the insulator 614 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605a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605a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 forming the opening, a conductive film to be the conductor 605a is formed. The conductive film preferably contains a conductor having a function of suppressing permeation 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 605a 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605aとなる導電膜を多層構造とする。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605bの下層に用いることにより、後述する導電体605bとなる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605aから外に拡散するのを防ぐことができる。 In this embodiment, the conductive film to be the conductor 605a has a multilayer structure. First, tantalum nitride is formed into a film by a sputtering method, and titanium nitride is laminated on the tantalum nitride. By using such a metal nitride in the lower layer of the conductor 605b, even if a metal such as copper that easily diffuses is used as a conductive film to be the conductor 605b described later, the metal diffuses out of the conductor 605a. Can be prevented.

次に、導電体605bとなる導電膜を成膜する。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605bとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。 Next, a conductive film to be the conductor 605b 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 mode, a low-resistance conductive material such as copper is formed as the conductive film to be the conductor 605b.

次に、CMP処理(Chemical Mechanical Polishing)を行うことで、導電体605aとなる導電膜、ならびに導電体605bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体616を露出する。その結果、開口部のみに、導電体605a及び導電体605bが残存する。これにより、上面が平坦な、導電体605を形成することができる。なお、当該CMP処理により、絶縁体616の一部が除去される場合がある(図14参照)。 Next, CMP treatment (Chemical Mechanical Polishing) is performed to remove a part of the conductive film to be the conductor 605a and the conductive film to be the conductor 605b, so that the insulator 616 is exposed. As a result, the conductors 605a and 605b remain only in the openings. Accordingly, the conductor 605 whose top surface is flat can be formed. Note that part of the insulator 616 may be removed by the CMP treatment (see FIG. 14).

ここで、導電体605と並行して、導電体615、導電体705、および導電体715も形成することができる。図14(A)に示すように、導電体605および導電体705は、Y方向に延在して形成すればよい。また、導電体615は、導電体607の少なくとも一部と重畳するように形成する。図視していないが、導電体715も導電体615と同様に形成する。 Here, the conductor 615, the conductor 705, and the conductor 715 can be formed in parallel with the conductor 605. As shown in FIG. 14A, the conductor 605 and the conductor 705 may be formed to extend in the Y direction. The conductor 615 is formed so as to overlap with at least part of the conductor 607. Although not shown, the conductor 715 is formed similarly to the conductor 615.

なお、上記においては、導電体605を絶縁体616の開口に埋め込むように形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体614上に導電体605を形成し、導電体605上に絶縁体616を成膜し、絶縁体616にCMP処理を行うことで、絶縁体616の一部を除去し、導電体605の表面を露出させてもよい。 Although the conductor 605 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 616 in the above, the present embodiment is not limited to this. For example, the conductor 605 is formed over the insulator 614, the insulator 616 is formed over the conductor 605, and the insulator 616 is subjected to CMP treatment, whereby part of the insulator 616 is removed and the conductor 605 is removed. The surface of 605 may be exposed.

次に、絶縁体616、導電体605、導電体615、導電体705、および導電体715上に絶縁体622を成膜する。絶縁体622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 622 is formed over the insulator 616, the conductor 605, the conductor 615, the conductor 705, and the conductor 715. The insulator 622 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

絶縁体622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622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600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622を通じてトランジスタ600の内側へ拡散することが抑制され、酸化物630中の酸素欠損の生成を抑制することができる。 As the insulator 622, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed. As the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. An insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium has a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. When the insulator 622 has a barrier property against hydrogen and water, hydrogen and water contained in the structure provided around the transistor 600 are prevented from diffusing into the transistor 600 through the insulator 622. The generation of oxygen vacancies in the oxide 630 can be suppressed.

次に、絶縁体622上に絶縁体624を成膜する。絶縁体624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624として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いる。また、絶縁体624は、上述の水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体624の水素濃度を低減することができる。絶縁体624は、後の工程で酸化物630aと接する絶縁体624となるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。 Next, the insulator 624 is formed over the insulator 622. The insulator 624 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, silicon oxide or silicon oxynitride is used as the insulator 624. Further, the insulator 624 is preferably formed by a film formation method using the above-described gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. Accordingly, the hydrogen concentration of the insulator 624 can be reduced. Since the insulator 624 becomes the insulator 624 which is in contact with the oxide 630a in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration be reduced in this manner.

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 250 °C to 650 °C inclusive, preferably 300 °C to 500 °C inclusive, and more preferably 320 °C to 450 °C inclusive. 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 higher, 1% or higher, or 10% or higher. The heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in a nitrogen or inert gas atmosphere and then in an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order 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、絶縁体624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 a treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, a treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour is continuously performed in an oxygen atmosphere. By the heat treatment, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 624 can be removed.

また、加熱処理は、絶縁体622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 622 is formed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.

ここで、絶縁体624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などの高周波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体624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、絶縁体624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 insulator 624, plasma treatment containing oxygen may be performed under reduced pressure. For the plasma treatment containing oxygen, it is preferable to use an apparatus having a power source for generating high-density plasma using microwaves, for example. Alternatively, a power source for applying a high frequency wave such as RF may be provided on the substrate side. By using high-density plasma, high-density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, oxygen radicals generated by high-density plasma can be efficiently introduced into the insulator 624. it can. Alternatively, plasma treatment containing an inert gas may be performed using this apparatus, and then plasma treatment containing oxygen may be performed to supplement desorbed oxygen. Note that impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 624 can be removed by appropriately selecting the conditions of the plasma treatment. In that case, heat treatment may not be performed.

ここで、絶縁体624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体624に達するまで、CMPを行ってもよい。当該CMPを行うことで絶縁体624表面の平坦化および絶縁体624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体624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、絶縁体624の一部が研磨されて、絶縁体624の膜厚が薄くなることがあるが、絶縁体624の成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁体624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、絶縁体624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、絶縁体624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 insulator 624 by, for example, a sputtering method, and CMP may be performed until the aluminum oxide reaches the insulator 624. By performing the CMP, the surface of the insulator 624 can be planarized and the surface of the insulator 624 can be smoothed. By arranging the aluminum oxide on the insulator 624 and performing CMP, the end point of CMP can be easily detected. Further, although part of the insulator 624 is polished by CMP and the thickness of the insulator 624 may be reduced, the thickness may be adjusted when the insulator 624 is formed. By planarizing and smoothing the surface of the insulator 624, deterioration in coverage of an oxide film to be formed later can be prevented in some cases and reduction in yield of semiconductor devices can be prevented. In addition, oxygen can be added to the insulator 624 by depositing aluminum oxide over the insulator 624 by a sputtering method, which is preferable.

次に、絶縁体624上に、酸化膜630A、酸化膜630Bを順に成膜する(図14参照)。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630A、および酸化膜630B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630Aと酸化膜630Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。 Next, an oxide film 630A and an oxide film 630B are sequentially formed over the insulator 624 (see FIG. 14). The oxide film is preferably formed continuously without being exposed to the atmospheric environment. By forming the film without exposing it to the atmosphere, impurities or moisture from the atmospheric environment can be prevented from adhering to the oxide film 630A and the oxide film 630B, and the vicinity of the interface between the oxide film 630A and the oxide film 630B can be prevented. Can be kept clean.

酸化膜630Aおよび、酸化膜630B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 film 630A and the oxide film 630B 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630A、および酸化膜630B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, when the oxide film 630A and the oxide film 630B 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 formed oxide film can be increased. When the above oxide film is formed by the sputtering method, the above In-M-Zn oxide target can be used.

特に、酸化膜630A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624に供給される場合がある。したがって、酸化膜630A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, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 624 when the oxide film 630A is formed. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 630A may be 70% or higher, preferably 80% or higher, more preferably 100%.

また、酸化膜630B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。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜630B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、30%を超えて100%以下、好ましくは70%以上100%以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰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、比較的高い信頼性が得られる。 In the case where the oxide film 630B is formed by a sputtering method, when the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 1% to 30% inclusive, preferably 5% to 20% inclusive, an oxygen-deficient oxide semiconductor is obtained. It is formed. A transistor including an oxygen-deficient oxide semiconductor in a channel formation region can have relatively high field-effect mobility. In addition, the crystallinity of the oxide film can be improved by forming the film while heating the substrate. However, one embodiment of the present invention is not limited to this. In the case where the oxide film 630B is formed by a sputtering method, if the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is greater than 30% and 100% or less, preferably 70% or more and 100% or less, the oxygen-excess oxide semiconductor is formed. Is formed. A transistor including an oxygen-excess oxide semiconductor in a channel formation region has relatively high reliability.

本実施の形態では、酸化膜630A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630B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630に求める特性に合わせて形成するとよい。 In this embodiment, as the oxide film 630A, In:Ga:Zn=1:1:0.5 [atomic ratio] (2:2:1 [atomic ratio]) or 1:3 by a sputtering method. : 4 [atomic ratio] is used to form a film. Further, the oxide film 630B 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 630 by appropriately selecting film formation conditions and 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630A、および酸化膜630B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 heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, impurities such as water and hydrogen in the oxide films 630A and 630B can be removed. In this embodiment mode, after a treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, a treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour is continuously performed in an oxygen atmosphere.

次に、酸化膜630B上に酸化膜643Aを成膜する(図14参照)。酸化膜643A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643Aは、Inに対するGaの原子数比が、酸化膜630B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643A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。 Next, an oxide film 643A is formed over the oxide film 630B (see FIG. 14). The oxide film 643A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. The oxide film 643A preferably has an atomic ratio of Ga to In larger than that of Ga in the oxide film 630B. In this embodiment, the oxide film 643A is formed by a sputtering method using a target of In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio].

次に、酸化膜643A上に導電膜642Aを成膜する(図14参照)。導電膜642A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 642A is formed over the oxide film 643A (see FIG. 14). The conductive film 642A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜630A、酸化膜630B、酸化膜643A、および導電膜642Aを島状に加工して、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bを形成する(図15参照)。ここで、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bは、少なくとも一部が導電体605と重なるように形成する。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。なお、当該工程において、絶縁体624の酸化物630a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 630A, the oxide film 630B, the oxide film 643A, and the conductive film 642A are processed into an island shape by a lithography method to form the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer. 642B is formed (see FIG. 15). Here, the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B are formed so that at least part of them overlaps with the conductor 605. In addition, a dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing. Note that in this step, the thickness of a region of the insulator 624 which does not overlap with the oxide 630a may be thin.

また、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bの形成と同時に、酸化物730a、酸化物730b、酸化物層743B、および導電体層742Bを形成する(図15参照)。ここで、酸化物730a、酸化物730b、酸化物層743B、および導電体層742Bは、少なくとも一部が導電体705と重なるように形成する。また、図15(A)に示すように、導電体層742Bの一部がY方向に延在して形成されるようにすればよい。 Further, at the same time as the formation of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B, the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide layer 743B, and the conductor layer 742B are formed (see FIG. 15). ). Here, the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide layer 743B, and the conductor layer 742B are formed so that at least part of them overlaps with the conductor 705. Further, as shown in FIG. 15A, part of the conductor layer 742B may be formed to extend in the Y direction.

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, the resist is exposed through a mask. Next, the exposed region is removed or left with a developing solution to form a resist mask. Next, the conductor, the semiconductor, the insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask. For example, the 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. Alternatively, an immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens for exposure. Further, an electron beam or an ion beam may be used instead of the above-mentioned light. If an electron beam or an ion beam is used, no mask is needed. Note that the resist mask can be removed by performing dry etching treatment such as ashing, performing wet etching treatment, performing wet etching treatment after dry etching treatment, or performing dry etching treatment after wet etching treatment.

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、導電膜642A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。導電膜642Aなどのエッチングは、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。導電膜642Aなど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。 A hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. When a hard mask is used, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the conductive film 642A, a resist mask is formed thereover, and the hard mask material is etched to form a hard mask having a desired shape. can do. Etching of the conductive film 642A or the like 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 etching. After etching the conductive film 642A or the like, 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 device, a capacitively coupled plasma (CCP) etching device having parallel plate electrodes can be used. The capacitively coupled plasma etching apparatus having the parallel plate type electrodes may have a configuration in which a high frequency power source is applied to one of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a plurality of different high frequency power supplies may be applied to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a high frequency power source having the same frequency may be applied to each of the parallel plate electrodes. Alternatively, a configuration may be adopted in which high frequency power supplies having different frequencies are applied to the parallel plate electrodes. Alternatively, a dry etching device having a high-density plasma source can be used. As the dry etching apparatus having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus or the like can be used.

また、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bの側面は、絶縁体622の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bの側面が、絶縁体622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600を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。ただし、これに限られず、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bの側面と絶縁体622の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。なお、酸化物730a、酸化物730b、酸化物層743B、および導電体層742Bの側面も、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、および導電体層642Bの側面と同様に加工される。 Further, the side surfaces of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B are preferably substantially perpendicular to the top surface of the insulator 622. Since the side surfaces of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B are substantially perpendicular to the top surface of the insulator 622, the area of the transistor 600 can be reduced when the plurality of transistors 600 are provided. Higher density is possible. However, the invention is not limited to this, and the angle formed between the side surfaces of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B and the top surface of the insulator 622 may be a low angle. Note that the side surfaces of the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide layer 743B, and the conductor layer 742B are processed similarly to the side surfaces of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, and the conductor layer 642B. ..

次に、絶縁体624、酸化物630a、酸化物630b、酸化物層643B、導電体層642B、酸化物730a、酸化物730b、酸化物層743B、および導電体層742B上に、絶縁体672を成膜する(図16参照)。絶縁体672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672として、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。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で、絶縁体624へ酸素を注入することができる。 Next, the insulator 672 is formed over the insulator 624, the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide layer 643B, the conductor layer 642B, the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide layer 743B, and the conductor layer 742B. A film is formed (see FIG. 16). The insulator 672 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 insulator 672, aluminum oxide is formed by a sputtering method. Oxygen can be injected into the insulator 624 by forming aluminum oxide by a sputtering method.

次に、絶縁体672上に絶縁体673を成膜する。絶縁体673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673として、スパッタリング法によって、窒化シリコンを成膜する(図16参照)。 Next, the insulator 673 is formed over the insulator 672. The insulator 673 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, a silicon nitride film is formed as the insulator 673 by a sputtering method (see FIG. 16).

次に、絶縁体680となる絶縁膜を成膜する。絶縁体680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。例えば、絶縁体680として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜し、その上にPEALD法またはサーマルALD法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。また、絶縁体680となる絶縁膜は、上述の水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体680の水素濃度を低減することができる。 Next, an insulating film to be the insulator 680 is formed. The insulating film to be the insulator 680 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, as the insulator 680, a silicon oxide film may be formed by a sputtering method and a silicon oxide film may be formed thereover by a PEALD method or a thermal ALD method. Further, the insulating film to be the insulator 680 is preferably formed by a film formation method using the above-described gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. Accordingly, the hydrogen concentration of the insulator 680 can be reduced.

次に、絶縁体680にCMP処理を行い、上面が平坦な絶縁体680を形成する(図17参照)。なお、絶縁体624と同様に、絶縁体680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体680に達するまで、CMPを行ってもよい。 Next, the insulator 680 is subjected to CMP treatment to form the insulator 680 whose top surface is flat (see FIG. 17). Note that similarly to the insulator 624, aluminum oxide may be formed over the insulator 680 by, for example, a sputtering method, and CMP may be performed until the aluminum oxide reaches the insulator 680.

次に、絶縁体680の一部、絶縁体673の一部、絶縁体672の一部、導電体層642Bの一部、および酸化物層643Bの一部を加工して、酸化物630bに達する開口を形成する(図18参照)。該開口は、導電体605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、導電体642a、導電体642b、酸化物643a、および酸化物643bを形成する。後述する工程において、導電体660をY方向に延在して形成できるように、図19に示すように、当該開口はY方向に延在して形成すればよい。 Next, part of the insulator 680, part of the insulator 673, part of the insulator 672, part of the conductor layer 642B, and part of the oxide layer 643B are processed to reach the oxide 630b. An opening is formed (see FIG. 18). The opening is preferably formed so as to overlap with the conductor 605. The conductor 642a, the conductor 642b, the oxide 643a, and the oxide 643b are formed by forming the opening. As shown in FIG. 19, the opening may be formed to extend in the Y direction so that the conductor 660 can be formed to extend in the Y direction in a step described later.

また、同時に、絶縁体680の他の一部、絶縁体673の他の一部、絶縁体672の他の一部、導電体層742Bの一部、および酸化物層743Bの一部を加工して、酸化物730bに達する開口を形成する(図18参照)。該開口は、導電体705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、導電体742a、導電体742b、酸化物743a、および酸化物743bを形成する。 At the same time, another part of the insulator 680, another part of the insulator 673, another part of the insulator 672, a part of the conductor layer 742B, and a part of the oxide layer 743B are processed. Forming an opening reaching the oxide 730b (see FIG. 18). The opening is preferably formed so as to overlap with the conductor 705. By forming the opening, the conductor 742a, the conductor 742b, the oxide 743a, and the oxide 743b are formed.

絶縁体680の一部、絶縁体673の一部、絶縁体672の一部、酸化物層643Bの一部、および導電体層642Bの一部の加工は、ドライエッチング法、または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。また、当該加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体680の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁体673の一部をウェットエッチング法で加工し、絶縁体672をドライエッチング法で加工し、酸化物層643B、および導電体層642Bの一部をドライエッチング法で加工してもよい。なお、上記の加工については、導電体層742B、および酸化物層743Bについても同様である。 The etching of part of the insulator 680, part of the insulator 673, part of the insulator 672, part of the oxide layer 643B, and part of the conductor layer 642B is performed by a dry etching method or a wet etching method. Can be used. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing. Further, the processing may be performed under different conditions. For example, part of the insulator 680 is processed by dry etching, part of the insulator 673 is processed by wet etching, the insulator 672 is processed by dry etching, and the oxide layer 643B and the conductor layer are processed. A part of 642B may be processed by a dry etching method. Note that the above processing is the same for the conductor layer 742B and the oxide layer 743B.

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630a、酸化物630b、酸化物730a、および酸化物730b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。 Impurities resulting from the etching gas or the like may be attached or diffused to the surface or inside of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 730a, and the oxide 730b by performing the above-described treatment such as dry etching. .. Examples of 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、または加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 or the like, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleaning may be performed in appropriate combination.

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, cleaning treatment may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, ammonia water, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed.

これまでドライエッチングなどの加工、または上述の洗浄処理によって、酸化物630bの酸化物643a、および酸化物643bと重ならない領域の膜厚が、酸化物630bの酸化物643a、および酸化物643bと重なる領域の膜厚より薄くなることがある(図18参照)。また、同様に、酸化物730bの酸化物743a、および酸化物743bと重ならない領域の膜厚が、酸化物730bの酸化物743a、および酸化物743bと重なる領域の膜厚より薄くなることがある。 The thickness of a region of the oxide 630b which does not overlap with the oxide 643a and the oxide 643b overlaps with the oxide 643a and the oxide 643b by a process such as dry etching or the above-described cleaning treatment. It may be thinner than the film thickness of the region (see FIG. 18). Similarly, the oxide 743a of the oxide 730b and a region of the oxide 730b which does not overlap with the oxide 743b may have a smaller thickness than the oxide 743a and a region of the oxide 730b which overlaps with the oxide 743b. ..

上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、例えば、100℃以上450℃以下、より好ましくは350℃以上400℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物630a、酸化物630b、酸化物730a、および酸化物730bに酸素を供給して、酸素欠損Vの低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 A heat treatment may be performed after the etching or the cleaning. The heat treatment may be performed at 100 °C to 450 °C inclusive, more preferably 350 °C to 400 °C inclusive, for example. Note that the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing an oxidizing gas in an amount of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. For example, the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere. Accordingly, oxygen can be supplied to the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 730a, and the oxide 730b to reduce oxygen vacancy V O. The heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, after the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, the heat treatment may be continuously performed in a nitrogen atmosphere without being exposed to the air.

次に、酸化膜630Cを成膜する(図19参照)。酸化膜630Cの成膜前に加熱処理を行っても良く、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜630Cを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物630b、酸化物730bの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物630a、酸化物630b、酸化物730a、および酸化物730b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。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、加熱処理の温度を200℃とし、減圧下で行う。 Next, an oxide film 630C is formed (see FIG. 19). A heat treatment may be performed before the oxide film 630C is formed, and the heat treatment is preferably performed under reduced pressure and the oxide film 630C is continuously formed without being exposed to the air. Further, the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen. By performing such a treatment, moisture and hydrogen adsorbed on the surfaces of the oxide 630b and the oxide 730b are removed, and further, the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 730a, and the oxide 730b are removed. The water concentration and hydrogen concentration can be reduced. The temperature of the heat treatment is preferably 100° C. or higher and 400° C. or lower, and more preferably 150° C. or higher and 350° C. or lower. In this embodiment mode, heat treatment is performed at a temperature of 200° C. under reduced pressure.

ここで、酸化膜630Cは、少なくとも酸化物630bの上面の一部、酸化物643の側面の一部、導電体642の側面の一部、酸化物730bの上面の一部、酸化物743の側面の一部、導電体742の側面の一部、絶縁体672の側面の一部、絶縁体673の側面の一部、および絶縁体680の側面の一部と接するように設けられることが好ましい。導電体642は、酸化物643、絶縁体672、絶縁体673、および酸化膜630Cに囲まれることで、以降の工程において導電体642の酸化による導電率の低下を抑制することができる。また同様に、導電体742も、酸化物743、絶縁体672、絶縁体673、および酸化膜630Cに囲まれることで、以降の工程において導電体742の酸化による導電率の低下を抑制することができる。 Here, the oxide film 630C includes at least part of the upper surface of the oxide 630b, part of the side surface of the oxide 643, part of the side surface of the conductor 642, part of the upper surface of the oxide 730b, and side surface of the oxide 743. Is preferably provided so as to be in contact with part of the side surface of the conductor 742, part of the side surface of the insulator 672, part of the side surface of the insulator 673, and part of the side surface of the insulator 680. Since the conductor 642 is surrounded by the oxide 643, the insulator 672, the insulator 673, and the oxide film 630C, reduction in conductivity due to oxidation of the conductor 642 in subsequent steps can be suppressed. Similarly, the conductor 742 is also surrounded by the oxide 743, the insulator 672, the insulator 673, and the oxide film 630C, so that a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 742 can be suppressed in subsequent steps. it can.

酸化膜630C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630Cとして、Inに対するGaの原子数比が、酸化膜630B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630C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。なお、酸化膜630Cとして、Gaに対するInの原子数比が、酸化膜630BのGaに対するInの原子数比より大きいものを用いてもよい。この場合、酸化膜630Cとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=5:1:3[原子数比]またはIn:Ga:Zn=10:1:3[原子数比]のターゲットを用いて成膜すればよい。 The oxide film 630C 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 630C, the atomic ratio of Ga to In is preferably higher than the atomic ratio of Ga to In of the oxide film 630B. In this embodiment, the oxide film 630C is formed by a sputtering method using a target of In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio]. Note that as the oxide film 630C, a film in which the atomic ratio of In to Ga is higher than that of In in the oxide film 630B to Ga may be used. In this case, as the oxide film 630C, a target of In:Ga:Zn=5:1:3 [atomic ratio] or In:Ga:Zn=10:1:3 [atomic ratio] is used by a sputtering method. A film may be formed.

なお、酸化膜630C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 630C may be a stacked layer. For example, a film is formed by a sputtering method using a target of In:Ga:Zn=4:2:4.1 [atomic ratio], and In:Ga:Zn=1:3:4 [atoms] are continuously formed. A film ratio may be used for the target formation.

酸化膜630C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730a、酸化物730b、酸化物630a、および酸化物630bに供給される場合がある。または、酸化膜630C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680に供給される場合がある。したがって、酸化膜630C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。 At the time of forming the oxide film 630C, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide 630a, and the oxide 630b. Alternatively, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 680 when the oxide film 630C is formed. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 630C may be 70% or higher, preferably 80% or higher, more preferably 100%.

次に、加熱処理を行っても良い。また、当該加熱処理を減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して、絶縁膜650Aの成膜を行ってもよい。当該加熱処理を行うことによって、酸化膜630C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630a、酸化物630b、酸化物730a、酸化物730b、および酸化膜630C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。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、加熱処理の温度を200℃とする。 Next, heat treatment may be performed. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure, and the insulating film 650A may be continuously formed without being exposed to the air. By performing the heat treatment, moisture and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide film 630C or the like is removed, and the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 730a, the oxide 730b, and the oxide film 630C are removed. It is possible to reduce the water concentration and the hydrogen concentration of. The temperature of the heat treatment is preferably 100°C or higher and 400°C or lower. In this embodiment mode, the temperature of the heat treatment is 200° C.

次に、酸化膜630C上に絶縁膜650Aを成膜する(図19参照)。絶縁膜650A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。また、絶縁膜650Aは、上述の水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜650Aの水素濃度を低減することができる。絶縁膜650Aは、後の工程で酸化物630cと接する絶縁体650、および酸化物730cと接する絶縁体750となるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。 Next, an insulating film 650A is formed on the oxide film 630C (see FIG. 19). The insulating film 650A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In addition, the insulating film 650A is preferably formed by a film formation method using the above-described gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. Accordingly, the hydrogen concentration of the insulating film 650A can be reduced. Since the insulating film 650A serves as the insulator 650 which is in contact with the oxide 630c and the insulator 750 which is in contact with the oxide 730c in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration be reduced in this manner.

次に、マイクロ波、またはRF等の高周波を照射してもよい。照射されたマイクロ波、またはRF等の高周波は絶縁体680、酸化物630b、酸化物630a、酸化物730b、および酸化物730a中に浸透して、これらの中の水素を除去する。特に、酸化物630a、酸化物630b、酸化物730b、および酸化物730aにおいては、VoHの結合が切断される反応が起き、脱水素化されることになる。このとき発生した水素の一部は、酸化物630、酸化物730、および絶縁体680から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体642または導電体742にゲッタリングされる場合がある。このように、マイクロ波、またはRF等の高周波を照射することで、絶縁体680、酸化物630b、酸化物630a、酸化物730b、および酸化物730a中の水素濃度を低減することができる。 Next, microwaves or high frequencies such as RF may be applied. Irradiated microwaves or high frequencies such as RF penetrate into the insulator 680, the oxide 630b, the oxide 630a, the oxide 730b, and the oxide 730a, and remove hydrogen in these. In particular, in the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 730b, and the oxide 730a, a reaction in which a VoH bond is broken occurs and dehydrogenation occurs. Part of the hydrogen generated at this time may be removed from the oxide 630, the oxide 730, and the insulator 680. Further, part of hydrogen may be gettered to the conductor 642 or the conductor 742 in some cases. Thus, by irradiation with microwaves or high frequencies such as RF, the hydrogen concentration in the insulator 680, the oxide 630b, the oxide 630a, the oxide 730b, and the oxide 730a can be reduced.

また、マイクロ波、またはRF等の高周波によって酸素ガスをプラズマ化し、酸素ラジカルを形成してもよい。つまり、絶縁体680、酸化物630b、酸化物630a、酸化物730b、および酸化物730aに酸素を有する雰囲気でプラズマ処理を行ってもよい。このような処理を以下において、酸素プラズマ処理という場合がある。また、形成した酸素ラジカルによって、絶縁体680、酸化物630b、酸化物630a、酸化物730b、および酸化物730a中に酸素を供給することができる。また、絶縁体680、酸化物630b、酸化物630a、酸化物730b、および酸化物730aに酸素を有する雰囲気でプラズマ処理を行う場合、酸化物630および酸化物730にマイクロ波、またはRF等の高周波が照射されにくい構成にしてもよい。 Alternatively, oxygen radicals may be formed by converting oxygen gas into plasma by microwaves or high frequencies such as RF. That is, plasma treatment may be performed in an atmosphere in which the insulator 680, the oxide 630b, the oxide 630a, the oxide 730b, and the oxide 730a contain oxygen. Hereinafter, such a process may be referred to as an oxygen plasma process. The formed oxygen radicals can supply oxygen to the insulator 680, the oxide 630b, the oxide 630a, the oxide 730b, and the oxide 730a. In the case where plasma treatment is performed on the insulator 680, the oxide 630b, the oxide 630a, the oxide 730b, and the oxide 730a in an atmosphere containing oxygen, the oxide 630 and the oxide 730 are irradiated with microwaves or high-frequency waves such as RF. The structure may be such that is difficult to be irradiated with.

なお、酸素プラズマ処理は、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、マイクロ波処理装置を用いることが好ましい。また、マイクロ波処理装置は基板側にRF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る。また、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イオンを、効率よく絶縁体680、酸化物630、および酸化物730中に導くことができる。また、上記酸素プラズマ処理は、減圧下で行うことが好ましく、圧力を60Pa以上、好ましくは133Pa以上、より好ましくは200Pa以上、さらに好ましくは400Pa以上とすればよい。また、酸素流量比(O/O+Ar)が50%以下、好ましくは10%以上30%以下で行うとよい。また、処理温度は、例えば400℃程度で行えばよい。また、酸素プラズマ処理を行った後に、外気に曝すことなく、連続して熱処理を行ってもよい。 For the oxygen plasma treatment, it is preferable to use a microwave treatment apparatus having a power source for generating high-density plasma using microwaves, for example. Further, the microwave processing apparatus may have a power source for applying RF to the substrate side. By using high density plasma, high density oxygen radicals can be generated. By applying RF to the substrate side, oxygen ions generated by high-density plasma can be efficiently introduced into the insulator 680, the oxide 630, and the oxide 730. The oxygen plasma treatment is preferably performed under reduced pressure, and the pressure may be 60 Pa or higher, preferably 133 Pa or higher, more preferably 200 Pa or higher, still more preferably 400 Pa or higher. The oxygen flow rate ratio (O 2 /O 2 +Ar) is 50% or less, preferably 10% or more and 30% or less. Further, the processing temperature may be about 400° C., for example. Further, after the oxygen plasma treatment is performed, the heat treatment may be continuously performed without being exposed to the outside air.

次に、導電膜660A(導電膜660Aaおよび導電膜660Ab)を成膜する(図20参照)。導電膜660Aaおよび導電膜660Ab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660Aaを成膜し、CVD法を用いて導電膜660Abを成膜する。 Next, the conductive film 660A (the conductive film 660Aa and the conductive film 660Ab) is formed (see FIG. 20). The conductive film 660Aa and the conductive film 660Ab 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 the CVD method. In this embodiment mode, the conductive film 660Aa is formed by an ALD method and the conductive film 660Ab is formed by a CVD method.

次に、CMP処理によって、酸化膜630C、絶縁膜650A、導電膜660Aaおよび導電膜660Abを絶縁体680が露出するまで研磨することによって、酸化物630c、絶縁体650、導電体660(導電体660aおよび導電体660b)、酸化物730c、絶縁体750および導電体760(導電体660aおよび導電体660b)を形成する(図21参照)。このようにして、トランジスタ600とトランジスタ700を同じ工程で形成することができる。これにより、本実施の形態に係る記憶装置の製造工程を短縮し、生産性の向上を図ることができる。 Next, the oxide film 630C, the insulating film 650A, the conductive film 660Aa, and the conductive film 660Ab are polished by CMP treatment until the insulator 680 is exposed, so that the oxide 630c, the insulator 650, and the conductor 660 (the conductor 660a Then, the conductor 660b), the oxide 730c, the insulator 750, and the conductor 760 (the conductor 660a and the conductor 660b) are formed (see FIG. 21). In this manner, the transistor 600 and the transistor 700 can be formed in the same step. Thus, the manufacturing process of the memory device according to this embodiment can be shortened and productivity can be improved.

次に、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650、絶縁体750および絶縁体680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。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体682の成膜を行ってもよい。 Next, heat treatment may be performed. In this embodiment mode, the treatment is performed at a temperature of 400° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. By the heat treatment, moisture concentration and hydrogen concentration in the insulator 650, the insulator 750, and the insulator 680 can be reduced. Note that after the above heat treatment, the insulator 682 may be continuously formed without being exposed to the air.

次に、導電体660上、酸化物630c上、絶縁体650上、導電体760上、酸化物730c上、絶縁体750上、および絶縁体680上に、絶縁体682を形成する(図22参照)。絶縁体682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682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。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体682の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体680に酸素を添加することができる。このとき、基板加熱を行いながら、絶縁体682を成膜することが好ましい。また、導電体660および導電体760の上面に接して、絶縁体682を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体680が有する酸素が導電体660および導電体760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。 Next, the insulator 682 is formed over the conductor 660, the oxide 630c, the insulator 650, the conductor 760, the oxide 730c, the insulator 750, and the insulator 680 (see FIG. 22). ). The insulator 682 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 682, for example, aluminum oxide is preferably formed by a sputtering method. By forming the insulator 682 in an atmosphere containing oxygen by a sputtering method, oxygen can be added to the insulator 680 while forming the film. At this time, it is preferable to form the insulator 682 while heating the substrate. By forming the insulator 682 in contact with the top surfaces of the conductor 660 and the conductor 760, oxygen contained in the insulator 680 is absorbed by the conductor 660 and the conductor 760 in the heat treatment performed later. Is preferable because it can be suppressed.

次に、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。当該加熱処理によって、絶縁体682の成膜によって添加された酸素を絶縁体680へ拡散させ、さらに酸化物630cを介して、酸化物630a、および酸化物630bへ供給することができる。このように、酸化物630に加酸素化処理を行うことで、酸化物630(酸化物630b)中の酸素欠損を酸素により修復させる。 Next, heat treatment may be performed. In this embodiment mode, the treatment is performed at a temperature of 400° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. By the heat treatment, oxygen added by forming the insulator 682 can be diffused into the insulator 680 and further supplied to the oxide 630a and the oxide 630b through the oxide 630c. In this manner, by performing oxygenation treatment on the oxide 630, oxygen vacancies in the oxide 630 (oxide 630b) are repaired by oxygen.

さらに、酸化物630中に残存した水素は、絶縁体680を介して、絶縁体682に拡散し、絶縁体682に捕獲、または固着する場合がある。つまり、酸化物630中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してVHが形成されるのを抑制することができる。なお、当該加熱処理は、絶縁体682の成膜後に限らず、さらに後の工程で行ってもよい。 Further, hydrogen remaining in the oxide 630 may diffuse to the insulator 682 through the insulator 680 and be captured or fixed to the insulator 682. That is, it is possible to suppress hydrogen that remained in the oxide 630 that recombine V O H is formed by oxygen vacancies. Note that the heat treatment is not limited to after the insulator 682 is formed, and may be performed in a later step.

次に、絶縁体682上に絶縁体685を成膜する(図23参照)。絶縁体685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 685 is formed over the insulator 682 (see FIG. 23). The insulator 685 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622、絶縁体624、絶縁体672、絶縁体673、絶縁体680、絶縁体682、および絶縁体685に、導電体642a、導電体615、導電体760、および導電体715に達する開口を、を形成する(図23参照)。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。なお、図23(A)で当該開口の形状は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、当該開口が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。 Next, for the insulator 622, the insulator 624, the insulator 672, the insulator 673, the insulator 680, the insulator 682, and the insulator 685, and for the conductor 642a, the conductor 615, the conductor 760, and the conductor 715. An opening is formed (see FIG. 23). The opening may be formed by using a lithography method. Note that although the shape of the opening is circular in a top view in FIG. 23A, the shape is not limited to this. For example, the opening may have a substantially circular shape such as an ellipse, a polygonal shape such as a quadrangle, or a polygonal shape such as a quadrangle with rounded corners in a top view.

また、図23(A)に示すように、導電体615に達する開口は、酸化物630a、酸化物630b、酸化物643b、および導電体642bの一部を除去して形成してもよい。同様に、導電体715に達する開口は、酸化物730a、酸化物730b、酸化物743b、および導電体742bの一部を除去して形成してもよい。 Alternatively, as illustrated in FIG. 23A, the opening reaching the conductor 615 may be formed by removing part of the oxide 630a, the oxide 630b, the oxide 643b, and the conductor 642b. Similarly, the opening reaching the conductor 715 may be formed by removing part of the oxide 730a, the oxide 730b, the oxide 743b, and the conductor 742b.

次に、導電体640a乃至導電体640dとなる導電膜を成膜する。導電体640a乃至導電体640d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640a乃至導電体640d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。
次に、CMP処理を行うことで、導電体640a乃至導電体640dとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体685の上面を露出する。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640a乃至導電体640dを形成することができる(図23参照)。なお、当該CMP処理により、絶縁体685の上面の一部が除去される場合がある。
Next, a conductive film to be the conductors 640a to 640d is formed. The conductive films to be the conductors 640a to 640d preferably have a stacked-layer structure including a conductor having a function of suppressing permeation of impurities such as water and hydrogen. For example, a stacked layer of tantalum nitride, titanium nitride, or the like and tungsten, molybdenum, copper, or the like can be used. The conductive films to be the conductors 640a to 640d can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
Next, by CMP treatment, part of the conductive film to be the conductors 640a to 640d is removed and the upper surface of the insulator 685 is exposed. As a result, the conductors 640a to 640d whose top surfaces are flat can be formed by leaving the conductive film only in the openings (see FIG. 23). Note that part of the upper surface of the insulator 685 may be removed by the CMP treatment.

次に、導電体646aおよび導電体646bとなる導電膜を成膜する。導電体646aおよび導電体646b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 646a and the conductor 646b is formed. The conductive films to be the conductors 646a and 646b 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646aおよび導電体646b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640aおよび導電体640cの上面と接する導電体646a、および導電体640bの上面と接する導電体646bを形成する(図24参照)。この時、導電体646aおよび導電体646bと、絶縁体685とが重ならない領域の絶縁体685の一部が除去されることがある。ここで、図示してはいないが、導電体646bと同様の構造で、導電体640dの上面と接する導電体も形成する。 Next, the conductive films to be the conductors 646a and 646b are processed by a lithography method to form the conductors 646a in contact with the top surfaces of the conductors 640a and 640c and the conductor 646b in contact with the top surfaces of the conductors 640b. (See Figure 24). At this time, part of the insulator 685 in a region where the conductor 646a and the conductor 646b do not overlap with the insulator 685 may be removed. Here, although not shown, a conductor having a structure similar to that of the conductor 646b and in contact with the top surface of the conductor 640d is also formed.

次に、導電体646上、および絶縁体684上に、絶縁体686を成膜する(図24参照)。絶縁体686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686は少なくとも導電体646aを覆うことが好ましい。 Next, the insulator 686 is formed over the conductor 646 and the insulator 684 (see FIG. 24). The insulator 686 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. The insulator 686 preferably covers at least the conductor 646a.

次に、絶縁体686上に、導電体656となる導電膜を成膜する。導電体656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 656 is formed over the insulator 686. The conductive film to be the conductor 656 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656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646aの少なくとも一部と重畳する、導電体656を形成する(図24参照)。このようにして容量素子655を形成することができる。 Next, the conductive film to be the conductor 656 is processed by a lithography method to form the conductor 656 which overlaps with at least part of the conductor 646a (see FIG. 24). In this way, the capacitor 655 can be formed.

次に、導電体656上、および絶縁体686上に、絶縁体688を成膜する(図7参照)。絶縁体688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688は、例えば、CVD法を用いて酸化窒化シリコンを成膜すればよい。 Next, the insulator 688 is formed over the conductor 656 and the insulator 686 (see FIG. 7). The insulator 688 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For the insulator 688, silicon oxynitride may be formed by a CVD method, for example.

次に、絶縁体686および絶縁体688に、導電体646bに達する開口を形成し、当該開口に埋め込まれるように導電体657を形成する(図7参照)。導電体657の形成は、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7に示すように、導電体607、導電体615、導電体640b、導電体646b、および導電体657は、z方向に延在する配線として機能する。また、導電体657と同時に、導電体640dに電気的に接続される導電体が形成される。当該導電体と、導電体715、導電体640dなどを含んでz方向に延在する配線として機能する。 Next, an opening reaching the conductor 646b is formed in the insulator 686 and the insulator 688, and a conductor 657 is formed so as to be embedded in the opening (see FIG. 7). The conductor 657 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As shown in FIG. 7, the conductor 607, the conductor 615, the conductor 640b, the conductor 646b, and the conductor 657 function as wirings extending in the z direction. In addition, at the same time as the conductor 657, a conductor electrically connected to the conductor 640d is formed. It functions as a wiring including the conductor, the conductor 715, the conductor 640d, and the like and extending in the z direction.

以上により、図7に示す、トランジスタ600、トランジスタ700、および容量素子655を有する半導体装置を作製することができる。図14乃至図24に示すように、本実施の形態に示すメモリセルの作製方法を用いることで、メモリセル860、およびメモリセル860を複数積層させた記憶装置を作製することができる。 Through the above steps, the semiconductor device including the transistor 600, the transistor 700, and the capacitor 655 illustrated in FIG. 7 can be manufactured. As shown in FIGS. 14 to 24, by using the method for manufacturing a memory cell described in this embodiment, a memory cell 860 and a memory device in which a plurality of memory cells 860 are stacked can be manufactured.

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

(実施の形態3)
本実施の形態では、図26および図27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 also referred to as an OS transistor) and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied with reference to FIGS. A storage device (hereinafter, sometimes referred to as an OS memory device) that is installed will be described. An OS memory device is a storage device including at least a capacitor and an OS transistor that controls charge and discharge of the capacitor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent retention characteristics and can function as a nonvolatile memory.

<記憶装置の構成例>
図26(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。
<Structure example of storage device>
FIG. 26A shows an example of the structure of the OS memory device. The memory 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 has, for example, a column decoder, a precharge circuit, a sense amplifier, a writing circuit, and the like. The precharge circuit has a function of precharging the wiring. The sense amplifier has a function of amplifying the data signal read from the memory cell. Note that the 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 the data signal RDATA via the output circuit 1440. The row circuit 1420 has a row decoder, a word line driver circuit, and the like, for example, 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 memory device 1400 as power supply voltages. Further, a control signal (CE, WE, RE), an address signal ADDR, and a data signal WDATA are externally input to the memory device 1400. The address signal ADDR is input to the row decoder and the column decoder, and WDATA is input to the 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 the row decoder and the 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 necessary.

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 arranged in a matrix and a plurality of wirings. Note that the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the row circuit 1420 is determined by the structure of the memory cells MC, the number of memory cells MC in one column, and the like. The number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the column circuit 1430 is determined by the configuration of the memory cell MC, the number of memory cells MC in one row, and the like.

なお、図26(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26(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 although FIG. 26A shows an example in which the peripheral circuit 1411 and the memory cell array 1470 are formed in the same plane, this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 26B, a memory cell array 1470 may be provided so as to overlap part of the peripheral circuit 1411. For example, a sense amplifier may be provided so as to overlap under the memory cell array 1470.

図27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. 27 shows a configuration example of a memory cell applicable to the above memory cell MC.

[DOSRAM]
図27(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27(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]
27A to 27C each show a circuit configuration example of a DRAM memory cell. In this specification and the like, a DRAM including a 1-OS transistor 1-capacitive element memory cell may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). A memory cell 1471 illustrated in FIG. 27A includes a transistor M1 and a capacitor CA. Note that the transistor M1 has a gate (sometimes referred to as 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。 The first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitor CA, the second terminal of the transistor M1 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M1 is connected. 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 to apply a low-level potential to the wiring CAL at the time of writing and reading data. 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27(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27(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, in the memory cell MC, like the memory cell 1472 illustrated in FIG. 27B, the back gate of the transistor M1 may be connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL. Alternatively, for example, the memory cell MC may be a memory cell including a transistor having a single-gate structure, that is, a transistor M1 having no back gate, like the memory cell 1473 illustrated in FIG.

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。 By using an OS transistor as the transistor M1, the leak current of the transistor M1 can be made extremely low. That is, since the written data can be held for a long time by the transistor M1, 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-level 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。 Further, in the DOSRAM, if the sense amplifier is provided so as to overlap under the memory cell array 1470 as described above, 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.

ここで、周辺回路1411上にメモリセルアレイ1470を設け、メモリセルアレイ1470に複数のメモリセル1471が設けられた、記憶装置1400の例を図28(A)に示す。 Here, FIG. 28A illustrates an example of a memory device 1400 in which a memory cell array 1470 is provided over the peripheral circuit 1411 and a plurality of memory cells 1471 is provided in the memory cell array 1470.

メモリセルアレイ1470において、複数のメモリセル1471は行列状に配置され、配線WOL、配線BGLなどもメモリセルアレイ1470において、行方向または列方向に延伸される。配線BILは周辺回路1411に設けられた列回路1430に接続され、メモリセルアレイ1470は配線BILを介してセンスアンプなどに電気的に接続される。 In the memory cell array 1470, the plurality of memory cells 1471 are arranged in matrix, and the wiring WOL, the wiring BGL, and the like are also extended in the row direction or the column direction in the memory cell array 1470. The wiring BIL is connected to a column circuit 1430 provided in the peripheral circuit 1411, and the memory cell array 1470 is electrically connected to a sense amplifier or the like through the wiring BIL.

メモリセルアレイ1470は、OSトランジスタを含んでおり、図27に示すように、メモリセルアレイ1470の上面、側面、および下面が、複数の絶縁体によって、封止されることが好ましい。 The memory cell array 1470 includes an OS transistor, and as shown in FIG. 27, the upper surface, the side surface, and the lower surface of the memory cell array 1470 are preferably sealed with a plurality of insulators.

また、図28(B)に示すように、複数のメモリセルアレイ1470_1乃至メモリセルアレイ1470_nを積層する構造にしてもよい。各メモリセルアレイ1470の構造は、図27(A)に示す構造とほぼ同様だが、配線BILによって、列回路1430と各メモリセルアレイ1470のメモリセル1471が接続される。また、配線BILは、図32に示したように、メモリセルアレイ1470_1乃至メモリセルアレイ1470_nを、複数または単数の導電体で貫通して形成してもよい。 Alternatively, as illustrated in FIG. 28B, a structure in which a plurality of memory cell arrays 1470_1 to 1470_n are stacked may be employed. The structure of each memory cell array 1470 is almost the same as the structure shown in FIG. 27A, but the column circuit 1430 and the memory cell 1471 of each memory cell array 1470 are connected by the wiring BIL. Further, the wiring BIL may be formed by penetrating the memory cell arrays 1470_1 to 1470_n with a plurality of or a single conductor as illustrated in FIG.

[NOSRAM]
図27(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27(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]
27D to 27H each show a circuit configuration example of a gain cell type memory cell having two transistors and one capacitor. A memory cell 1474 illustrated in FIG. 27D includes a transistor M2, a transistor M3, and a capacitor CB. Note that the transistor M2 has a front gate (may be simply referred to as a gate) and a back gate. In this specification and the like, a memory device including a gain cell type memory cell in which an OS transistor is used 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 the first terminal of the capacitor CB, a second terminal of the transistor M2 is connected to the wiring WBL, a gate of the transistor M2 is connected to the 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. The first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitive element 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 to apply a low-level potential to the wiring CAL during data writing, during data retention, and during 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27(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27(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27(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。 The memory cell MC is not limited to the memory cell 1474, and the circuit configuration can be changed as appropriate. For example, in the memory cell MC, like the memory cell 1475 illustrated in FIG. 27E, the back gate of the transistor M2 may be connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL. Alternatively, for example, the memory cell MC may be a memory cell including a transistor having a single-gate structure, that is, a transistor M2 having no back gate, like the memory cell 1476 illustrated in FIG. Alternatively, for example, the memory cell MC may have a structure in which the wiring WBL and the wiring RBL are combined into one wiring BIL as in the memory cell 1477 illustrated in FIG.

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。 By using an OS transistor as the transistor M2, the leak current of the transistor M2 can be made 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 leak current is extremely low, multi-level data or analog data can be held in the memory cell 1474. The same applies to the 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, also referred to as 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 that functions as a read transistor. Further, by using a Si transistor for the transistor M3, the transistor M2 can be stacked 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. When OS transistors are used for the transistors M2 and M3, the memory cell array 1470 can be configured using only n-type transistors.

また、図27(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27(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。 In addition, FIG. 27H illustrates an example of a gain cell type memory cell including three transistors and one capacitor. A memory cell 1478 illustrated in FIG. 27H includes transistors M4 to M6 and a capacitor CC. The capacitive element 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 which gives 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。 The transistors M5 and M6 may be n-channel Si transistors or p-channel Si transistors, respectively. Alternatively, the transistors M4 to M6 may be OS transistors. In this case, the memory cell array 1470 can be configured using only n-type transistors.

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。 By using an OS transistor as the transistor M4, the leak current of the transistor M4 can be made 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 shown in this embodiment are not limited to the above. The 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.

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、図29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 mode, an example of a chip 1200 in which a semiconductor device of the present invention is mounted is shown with reference to FIGS. A plurality of circuits (systems) are mounted on the chip 1200. The technique of integrating a plurality of circuits (systems) on one chip in this way may be referred to as a system on chip (SoC).

図29(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. 29A, a chip 1200 includes a CPU (Central Processing Unit) 1211, a GPU (Graphics Processing Unit) 1212, one or more analog arithmetic units 1213, one or more memory controllers 1214, one or more. Interface 1215, one or more 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29(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。 Bumps (not shown) are provided on the chip 1200, and are connected to a first surface of a printed circuit board (Printed Circuit Board: PCB) 1201 as shown in FIG. 29B. Further, a plurality of bumps 1202 are provided on the back surface of the first surface of the PCB 1201 and are connected to the mother board 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 a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222. For example, the DOSRAM described in any of the above embodiments can be used as the DRAM 1221. Further, for example, the NOSRAM described in the above embodiment can be used as 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. In addition, 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-mentioned NOSRAM or DOSRAM can be used. Further, the GPU 1212 is suitable for parallel calculation of a large number of data, and can be used for image processing and product-sum calculation. By providing the GPU 1212 with an image processing circuit using the oxide semiconductor of the present invention or a product-sum operation circuit, 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。 Since the CPU 1211 and the GPU 1212 are provided in the same chip, the 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 included in the CPU 1211 and the GPU 1212, Further, after the calculation in 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 calculation unit 1213 includes one or both of an A/D (analog/digital) conversion circuit and a D/A (digital/analog) conversion circuit. Further, the analog-calculation unit 1213 may be provided with the product-sum calculation circuit.

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 has 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 externally connected devices such as a display device, a speaker, a microphone, a camera, and a controller. The controller includes a mouse, a keyboard, a game controller, and the like. As such an interface, USB (Universal Serial Bus), HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface), or the like can be used.

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 has a network circuit such as a LAN (Local Area Network). In addition, a circuit for network security may be included.

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 above circuit (system) can be formed in the chip 1200 by the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip 1200 increases, it is not necessary to increase the manufacturing process, 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 called 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, its size can be reduced. Moreover, since it is excellent in image processing, it is suitable for use in portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, portable (carry-out) game machines, and the like. In addition, a product-sum operation circuit using the GPU 1212 allows deep neural networks (DNN), convolutional neural networks (CNN), recurrent neural networks (RNN), self-encoders, deep Boltzmann machines (DBM), deep belief networks ( Since it is possible to execute operations such as DBN), the chip 1200 can be used as an AI chip or the GPU module 1204 can be used as an AI system module.

一般に、コンピュータなどの半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置(メモリ)が用いられる。図30に、各種の記憶装置を階層ごとに示す。上層に位置する記憶装置ほど速いアクセス速度が求められ、下層に位置する記憶装置ほど大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。図30では、最上層から順に、CPUなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリ、SRAM(Static Random Access Memory)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、3D NANDメモリを示している。 Generally, in a semiconductor device such as a computer, various storage devices (memory) are used according to the application. FIG. 30 shows various storage devices layer by layer. A storage device located in the upper layer is required to have a high access speed, and a storage device located in the lower layer is required to have a large storage capacity and a high recording density. In FIG. 30, a memory, an SRAM (Static Random Access Memory), a DRAM (Dynamic Random Access Memory), and a 3D NAND memory, which are mixedly mounted as a register in an arithmetic processing device such as a CPU, are shown in order from the top layer.

CPUなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存などに用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、記憶容量よりも速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報などを保持する機能も有する。 A memory that is mixedly mounted as a register in an arithmetic processing device such as a CPU is used for temporary storage of arithmetic results, and thus is frequently accessed from the arithmetic processing device. Therefore, an operation speed faster than the storage capacity is required. The register also has a function of holding setting information of the arithmetic processing unit.

SRAMは、例えばキャッシュに用いられる。キャッシュは、メインメモリに保持されている情報の一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータをキャッシュに複製しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。 The SRAM is used for a cache, for example. The cache has a function of copying a part of the information held in the main memory and holding it. By copying frequently used data in the cache, the access speed to the data can be increased.

DRAMは、例えばメインメモリに用いられる。メインメモリは、ストレージから読み出されたプログラムやデータを保持する機能を有する。DRAMの記録密度は、おおよそ0.1乃至0.3Gbit/mmである。 The DRAM is used as, for example, a main memory. The main memory has a function of holding a program or data read from the storage. The recording density of DRAM is about 0.1 to 0.3 Gbit/mm 2 .

3D NANDメモリは、例えばストレージに用いられる。ストレージは、長期保存が必要なデータや、演算処理装置で使用する各種のプログラムなどを保持する機能を有する。よって、ストレージには動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。ストレージに用いられる記憶装置の記録密度は、おおよそ0.6乃至6.0Gbit/mmである。 The 3D NAND memory is used for storage, for example. The storage has a function of holding data that needs to be stored for a long time, various programs used in the arithmetic processing device, and the like. Therefore, the storage is required to have a storage capacity larger than the operating speed and a high recording density. The storage density of the storage device used for storage is approximately 0.6 to 6.0 Gbit/mm 2 .

本発明の一態様の記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である。本発明の一態様の記憶装置は、キャッシュが位置する階層とメインメモリが位置する階層の双方を含む境界領域901に位置する記憶装置として好適に用いることができる。また、本発明の一態様の記憶装置は、メインメモリが位置する階層とストレージが位置する階層の双方を含む境界領域902に位置する記憶装置として好適に用いることができる。 The storage device of one embodiment of the present invention has high operation speed and can hold data for a long time. The storage device of one embodiment of the present invention can be preferably used as a storage device located in a boundary area 901 including both a hierarchy where a cache is located and a hierarchy where a main memory is located. Further, the storage device of one embodiment of the present invention can be favorably used as a storage device located in the boundary area 902 including both the hierarchy where the main memory is located and the hierarchy where the storage is located.

本発明の一態様の記憶装置は、サーバ、ノートPC、スマートフォン、ゲーム機、イメージセンサ、IoT(Internet of Things)、ヘルスケアなどに用いる記憶装置として好適に用いることができる。 The storage device of one embodiment of the present invention can be favorably used as a storage device used for servers, notebook PCs, smartphones, game machines, image sensors, IoT (Internet of Things), healthcare, and the like.

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

(実施の形態5)
本実施の形態は、本発明の一態様の記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
(Embodiment 5)
This embodiment shows an example of an electronic component and an electronic device in which the storage device of one embodiment of the present invention is incorporated.

<電子部品>
まず、記憶装置が組み込まれた電子部品の例を、図31(A)および(B)を用いて説明を行う。
<Electronic parts>
First, an example of an electronic component in which a memory device is incorporated will be described with reference to FIGS.

図31(A)に電子部品500および電子部品500が実装された基板(実装基板504)の斜視図を示す。図31(A)に示す電子部品500は、モールド511内に記憶装置550を有している。 FIG. 31A shows a perspective view of the electronic component 500 and a substrate (mounting substrate 504) on which the electronic component 500 is mounted. The electronic component 500 illustrated in FIG. 31A includes a memory device 550 in a mold 511.

図31(A)は、電子部品500の内部を示すために、一部を省略している。電子部品500は、モールド511の外側にランド512を有する。ランド512は電極パッド513と電気的に接続され、電極パッド513は記憶装置550とワイヤ514によって電気的に接続されている。電子部品500は、例えばプリント基板502に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板502上で電気的に接続されることで実装基板504が完成する。 In FIG. 31A, a part of the electronic component 500 is omitted to show the inside. The electronic component 500 has a land 512 outside the mold 511. The land 512 is electrically connected to the electrode pad 513, and the electrode pad 513 is electrically connected to the memory device 550 by the wire 514. The electronic component 500 is mounted on the printed board 502, for example. The mounting board 504 is completed by combining a plurality of such electronic components and electrically connecting them to each other on the printed board 502.

記憶装置550は、基板551と、基板551上に複数のメモリセルを有する機能層が積層された記憶回路層552と、を有する。 The memory device 550 includes a substrate 551 and a memory circuit layer 552 in which a functional layer having a plurality of memory cells is stacked over the substrate 551.

図31(B)に電子部品530の斜視図を示す。電子部品530は、SiP(System in package)またはMCM(Multi Chip Module)の一例である。電子部品530は、パッケージ基板532(プリント基板)上にインターポーザ531が設けられ、インターポーザ531上に半導体装置535、および複数の記憶装置550が設けられている。 FIG. 31B shows a perspective view of the electronic component 530. The electronic component 530 is an example of SiP (System in package) or MCM (Multi Chip Module). In the electronic component 530, an interposer 531 is provided on a package board 532 (printed board), and a semiconductor device 535 and a plurality of storage devices 550 are provided on the interposer 531.

電子部品530では、記憶装置550を広帯域メモリ(HBM:High Bandwidth Memory)として用いる例を示している。また、半導体装置535は、CPU、GPU、FPGAなどの集積回路(半導体装置)を用いることができる。 In the electronic component 530, an example in which the storage device 550 is used as a wide band memory (HBM: High Bandwidth Memory) is shown. Further, as the semiconductor device 535, an integrated circuit (semiconductor device) such as a CPU, a GPU, or an FPGA can be used.

パッケージ基板532は、セラミック基板、プラスチック基板、またはガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ531は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。 As the package substrate 532, a ceramic substrate, a plastic substrate, a glass epoxy substrate, or the like can be used. As the interposer 531, a silicon interposer, a resin interposer, or the like can be used.

インターポーザ531は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ531は、インターポーザ531上に設けられた集積回路をパッケージ基板532に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ531に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板532を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、TSV(Through Silicon Via)を用いることも出来る。 The interposer 531 has a plurality of wirings and has a function of electrically connecting a plurality of integrated circuits having different terminal pitches. The plurality of wirings are provided in a single layer or a multilayer. In addition, the interposer 531 has a function of electrically connecting an integrated circuit provided over the interposer 531 to an electrode provided over the package substrate 532. From these things, an interposer may be called a "redistribution board" or an "intermediate board." In addition, a through electrode may be provided in the interposer 531 and the integrated circuit and the package substrate 532 may be electrically connected using the through electrode. Further, in the silicon interposer, TSV (Through Silicon Via) can be used as the through electrode.

インターポーザ531としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。 It is preferable to use a silicon interposer as the interposer 531. Since the silicon interposer does not require an active element, it can be manufactured at a lower cost than an integrated circuit. On the other hand, since the wiring of the silicon interposer can be formed by a semiconductor process, it is easy to form fine wiring, which is difficult with the resin interposer.

HBMでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、HBMを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、HBMを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 In the HBM, it is necessary to connect many wirings in order to realize a wide memory bandwidth. Therefore, the interposer on which the HBM is mounted is required to have fine and high-density wiring. Therefore, it is preferable to use the silicon interposer as the interposer for mounting the HBM.

また、シリコンインターポーザを用いたSiPやMCMなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する2.5Dパッケージ(2.5次元実装)では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 Further, in SiP or MCM using a silicon interposer, the reliability is less likely to decrease due to the difference in expansion coefficient between the integrated circuit and the interposer. Further, since the silicon interposer has a high surface flatness, a defective connection between the integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer is unlikely to occur. In particular, in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which a plurality of integrated circuits are arranged side by side on the interposer, it is preferable to use the silicon interposer.

また、電子部品530と重ねてヒートシンク(放熱板)を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ531上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品530では、記憶装置550と半導体装置535の高さを揃えることが好ましい。 Further, a heat sink (heat dissipation plate) may be provided so as to overlap the electronic component 530. When a heat sink is provided, it is preferable that the heights of the integrated circuits provided on the interposer 531 be uniform. For example, in the electronic component 530 described in this embodiment, it is preferable that the memory device 550 and the semiconductor device 535 have the same height.

電子部品530を他の基板に実装するため、パッケージ基板532の底部に電極533を設けてもよい。図31(B)では、電極533を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板532の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、BGA(Ball Grid Array)実装を実現できる。また、電極533を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板532の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、PGA(Pin Grid Array)実装を実現できる。 An electrode 533 may be provided on the bottom of the package substrate 532 to mount the electronic component 530 on another substrate. FIG. 31B shows an example in which the electrode 533 is formed of a solder ball. By providing solder balls in a matrix on the bottom of the package substrate 532, BGA (Ball Grid Array) mounting can be realized. Alternatively, the electrode 533 may be formed of a conductive pin. By providing conductive pins in a matrix on the bottom of the package substrate 532, PGA (Pin Grid Array) mounting can be realized.

電子部品530は、BGAおよびPGAに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、SPGA(Staggered Pin Grid Array)、LGA(Land Grid Array)、QFP(Quad Flat Package)、QFJ(Quad Flat J−leaded package)、またはQFN(Quad Flat Non−leaded package)などの実装方法を用いることができる。 The electronic component 530 can be mounted on another board using various mounting methods other than BGA and PGA. For example, a method such as SPGA (Staggered Pin Grid Array), LGA (Land Grid Array), QFP (Quad Flat Package), QFJ (Quad Flat J-leaded package), or QFN (Quad-on-lead) method is used. be able to.

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

(実施の形態6)
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32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 6)
In this embodiment, an application example of a memory device including the semiconductor device described in any of the above embodiments will be described. The semiconductor device described in any of the above embodiments is, for example, a storage device of various electronic devices (eg, information terminals, computers, smartphones, electronic book terminals, digital cameras (including video cameras), recording/playback devices, navigation systems, 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 removable storage devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, an SSD (solid state drive), and the like. FIG. 32 schematically shows some configuration examples of the removable storage device. For example, the semiconductor device described in the above embodiment is processed into a packaged memory chip and used for various storage devices and removable memories.

図32(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. 32A is a schematic diagram of a USB memory. The USB memory 1100 has a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a substrate 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 any of the above embodiments can be incorporated in the memory chip 1105 or the like of the substrate 1104.

図32(B)はSDカードの外観の模式図であり、図32(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。 32B is a schematic diagram of the external appearance of the SD card, and FIG. 32C 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 surface side of the substrate 1113, the capacity of the SD card 1110 can be increased. In addition, a wireless chip having a wireless communication function may be provided over the substrate 1113. As a result, the data in the memory chip 1114 can be read and written by wireless communication between the host device and the SD card 1110. The semiconductor device described in any of the above embodiments can be incorporated in the memory chip 1114 of the substrate 1113 or the like.

図32(D)はSSDの外観の模式図であり、図32(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. 32D is a schematic diagram of the external appearance of the SSD, and FIG. 32E is a schematic diagram of the internal structure of the SSD. The SSD 1150 has a housing 1151, a connector 1152, and a board 1153. The substrate 1153 is housed in the housing 1151. For example, the memory chip 1154, the memory chip 1155, and the 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 any of the above embodiments can be incorporated in the memory chip 1154 of the substrate 1153 or the like.

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

(実施の形態7)
本実施の形態では、図33から図36を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)について説明する。本実施の形態のFPGAは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにOSメモリが適用されている。ここでは、このようなFPGAを「OS−FPGA」と呼ぶ。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an FPGA (field programmable gate array) will be described as an example of a semiconductor device to which an OS transistor and a capacitor are applied, which is one embodiment of the present invention, with reference to FIGS. .. In the FPGA of this embodiment, the OS memory is applied to the configuration memory and the register. Here, such an FPGA is referred to as an "OS-FPGA".

<<OS−FPGA>>
図33(A)にOS−FPGAの構成例を示す。図33(A)に示すOS−FPGA3110は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替えとPLE毎の細粒度パワーゲーティングを実行するNOFF(ノーマリーオフ)コンピューティングが可能である。OS−FPGA3110は、コントローラ(Controller)3111、ワードドライバ(Word driver)3112、データドライバ(Data driver)3113、プログラマブルエリア(Programmable area)3115を有する。
<<OS-FPGA>>
FIG. 33A shows a configuration example of the OS-FPGA. The OS-FPGA 3110 illustrated in FIG. 33A is capable of NOFF (normally off) computing that executes context switching with a multi-context structure and fine-grain power gating for each PLE. The OS-FPGA 3110 has a controller (Controller) 3111, a word driver (Word driver) 3112, a data driver (Data driver) 3113, and a programmable area (Programmable area) 3115.

プログラマブルエリア3115は、2個の入出力ブロック(IOB)3117、コア3119を有する。IOB3117は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア3119は、複数のロジックアレイブロック(LAB)3120、複数のスイッチアレイブロック(SAB)3130を有する。LAB3120は複数のPLE3121を有する。図33(B)には、LAB3120を5個のPLE3121で構成する例を示す。図33(C)に示すようにSAB3130はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック(SB)3131を有する。LAB3120は自身の入力端子と、SAB3130を介して4(上下左右)方向のLAB3120に接続される。 The programmable area 3115 has two input/output blocks (IOB) 3117 and a core 3119. The IOB 3117 has a plurality of programmable input/output circuits. The core 3119 has a plurality of logic array blocks (LAB) 3120 and a plurality of switch array blocks (SAB) 3130. The LAB 3120 has a plurality of PLEs 3121. FIG. 33B shows an example in which the LAB 3120 is composed of five PLEs 3121. As shown in FIG. 33C, the SAB 3130 has a plurality of switch blocks (SB) 3131 arranged in an array. The LAB 3120 is connected to its own input terminal and the LAB 3120 in four (up, down, left and right) directions via the SAB 3130.

図34(A)乃至図34(C)を参照して、SB3131について説明する。図34(A)に示すSB3131には、data、datab、信号context[1:0]、word[1:0]が入力される。data、databはコンフィギュレーションデータであり、dataとdatabは論理が相補的な関係にある。OS−FPGA3110のコンテキスト数は2であり、信号context[1:0]はコンテキスト選択信号である。信号word[1:0]はワード線選択信号であり、信号word[1:0]が入力される配線がそれぞれワード線である。 The SB 3131 will be described with reference to FIGS. 34A to 34C. Data SB, datab, signals context[1:0], and word[1:0] are input to the SB3131 illustrated in FIG. data and datab are configuration data, and data and datab have a complementary logic relationship. The number of contexts of the OS-FPGA 3110 is 2, and the signal context[1:0] is a context selection signal. The signal word[1:0] is a word line selection signal, and the wirings to which the signal word[1:0] is input are word lines.

SB3131は、PRS(プログラマブルルーティングスイッチ)3133[0]、3133[1]を有する。PRS3133[0]、3133[1]は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ(CM)を有する。なお、PRS3133[0]とPRS3133[1]とを区別しない場合、PRS3133と呼ぶ。他の要素についても同様である。 The SB 3131 has PRSs (Programmable Routing Switches) 3133[0] and 3133[1]. The PRSs 3133[0] and 3133[1] have a configuration memory (CM) capable of storing complementary data. Note that when PRS3133[0] and PRS3133[1] are not distinguished, they are referred to as PRS3133. The same applies to other elements.

図34(B)にPRS3133[0]の回路構成例を示す。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは同じ回路構成を有する。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号context[0]、信号word[0]はPRS3133[0]に入力され、信号context[1]、word[1]はPRS3133[1]に入力される。例えば、SB3131において、信号context[0]が“H”になることで、PRS3133[0]がアクティブになる。 FIG. 34B shows a circuit configuration example of the PRS3133[0]. The PRS3133[0] and PRS3133[1] have the same circuit configuration. The PRS3133[0] and PRS3133[1] are different in the input context selection signal and word line selection signal. The signal context[0] and the signal word[0] are input to the PRS3133[0], and the signals context[1] and word[1] are input to the PRS3133[1]. For example, in SB3131, the signal context[0] becomes “H”, and thus PRS3133[0] becomes active.

PRS3133[0]は、CM3135、SiトランジスタM31を有する。SiトランジスタM31は、CM3135により制御されるパストランジスタである。CM3135は、メモリ回路3137、3137Bを有する。メモリ回路3137、3137Bは同じ回路構成である。メモリ回路3137は、容量素子C31、OSトランジスタMO31、MO32を有する。メモリ回路3137Bは、容量素子CB31、OSトランジスタMOB31、MOB32を有する。 The PRS3133[0] has a CM3135 and a Si transistor M31. The Si transistor M31 is a pass transistor controlled by the CM3135. The CM 3135 has memory circuits 3137 and 3137B. The memory circuits 3137 and 3137B have the same circuit configuration. The memory circuit 3137 includes a capacitor C31 and OS transistors MO31 and MO32. The memory circuit 3137B includes a capacitor CB31 and OS transistors MOB31 and MOB32.

上記実施の形態に示す半導体装置をSAB3130に用いる場合、OSトランジスタMO31、MOB31として上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。これにより、OSトランジスタMO31、MOB31のオフ電流を小さくすることができるので、コンフィギュレーションデータを長期間保持することができる。また、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the SAB3130, the transistors described in any of the above embodiments can be used as the OS transistors MO31 and MOB31. As a result, the off currents of the OS transistors MO31 and MOB31 can be reduced, so that the configuration data can be retained for a long time. Further, since the area occupied by a pair of the transistor and the capacitive element in top view can be reduced, the semiconductor device according to this embodiment can be highly integrated.

OSトランジスタMO31、MO32、MOB31、MOB32はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。 The OS transistors MO31, MO32, MOB31, MOB32 have back gates, and these back gates are electrically connected to power supply lines that supply fixed voltages.

SiトランジスタM31のゲートがノードN31であり、OSトランジスタMO32のゲートがノードN32であり、OSトランジスタMOB32のゲートがノードNB32である。ノードN32、NB32はCM3135の電荷保持ノードである。OSトランジスタMO32はノードN31と信号context[0]用の信号線との間の導通状態を制御する。OSトランジスタMOB32はノードN31と低電位電源線VSSとの間の導通状態を制御する。 The gate of the Si transistor M31 is the node N31, the gate of the OS transistor MO32 is the node N32, and the gate of the OS transistor MOB32 is the node NB32. The nodes N32 and NB32 are charge holding nodes of the CM3135. The OS transistor MO32 controls the conduction state between the node N31 and the signal line for the signal context[0]. The OS transistor MOB32 controls the conduction state between the node N31 and the low potential power supply line VSS.

メモリ回路3137、3137Bが保持するデータは相補的な関係にある。したがって、OSトランジスタMO32またはMOB32の何れか一方が導通する。 The data held by the memory circuits 3137 and 3137B have a complementary relationship. Therefore, one of the OS transistor MO32 and MOB32 becomes conductive.

図34(C)を参照して、PRS3133[0]の動作例を説明する。PRS3133[0]にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、PRS3133[0]のノードN32は“H”であり、ノードNB32は“L”である。 An operation example of the PRS3133[0] will be described with reference to FIG. The configuration data is already written in the PRS3133[0], the node N32 of the PRS3133[0] is "H", and the node NB32 is "L".

信号context[0]が“L”である間はPRS3133[0]は非アクティブである。この期間に、PRS3133[0]の入力端子が“H”に遷移しても、SiトランジスタM31のゲートは“L”が維持され、PRS3133[0]の出力端子も“L”が維持される。 PRS3133[0] is inactive while the signal context[0] is "L". During this period, even if the input terminal of the PRS3133[0] is changed to "H", the gate of the Si transistor M31 is maintained at "L" and the output terminal of the PRS3133[0] is also maintained at "L".

信号context[0]が“H”である間はPRS3133[0]はアクティブである。信号context[0]が“H”に遷移すると、CM3135が記憶するコンフィギュレーションデータによって、SiトランジスタM31のゲートは“H”に遷移する。 The PRS3133[0] is active while the signal context[0] is “H”. When the signal context[0] transitions to “H”, the gate of the Si transistor M31 transitions to “H” according to the configuration data stored in the CM 3135.

PRS3133[0]がアクティブである期間に、入力端子が“H”に遷移すると、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32がソースフォロアであるために、ブースティング(boosting)によってSiトランジスタM31のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32は駆動能力を失い、SiトランジスタM31のゲートは浮遊状態となる。 When the input terminal transitions to “H” while PRS3133 [0] is active, the gate voltage of the Si transistor M31 rises due to boosting because the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 is a source follower. To do. As a result, the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 loses its drivability, and the gate of the Si transistor M31 becomes floating.

マルチコンテキスト機能を備えるPRS3133において、CM3135はマルチプレクサの機能を併せ持つ。 In the PRS3133 having a multi-context function, the CM 3135 also has a multiplexer function.

図35にPLE3121の構成例を示す。PLE3121はLUT(ルックアップテーブル)ブロック(LUT block)3123、レジスタブロック3124、セレクタ3125、CM3126を有する。LUTブロック3123は、入力inA−inDに従って内部のデータを選択し、出力する構成である。セレクタ3125は、CM3126が格納するコンフィギュレーションデータに従って、LUTブロック3123の出力またはレジスタブロック3124の出力を選択する。 FIG. 35 shows a configuration example of the PLE3121. The PLE 3121 has an LUT (look-up table) block (LUT block) 3123, a register block 3124, a selector 3125, and a CM 3126. The LUT block 3123 is configured to select internal data according to the input inA-inD and output it. The selector 3125 selects the output of the LUT block 3123 or the output of the register block 3124 according to the configuration data stored in the CM 3126.

PLE3121は、パワースイッチ3127を介して電圧VDD用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ3127のオンオフは、CM3128が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各PLE3121にパワースイッチ3127を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないPLE3121をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。 The PLE 3121 is electrically connected to the power supply line for the voltage VDD via the power switch 3127. ON/OFF of the power switch 3127 is set by the configuration data stored in the CM 3128. By providing the power switch 3127 in each PLE3121, fine grain power gating is possible. With the fine-grain power gating function, the PLE 3121 that is not used after the context switching can be power-gated, so that the standby power can be effectively reduced.

NOFFコンピューティングを実現するため、レジスタブロック3124は、不揮発性レジスタで構成される。PLE3121内の不揮発性レジスタはOSメモリを備えるフリップフロップ(以下[OS−FF]と呼ぶ)である。 To implement NOFF computing, register block 3124 is composed of non-volatile registers. The non-volatile register in the PLE3121 is a flip-flop (hereinafter referred to as [OS-FF]) including an OS memory.

レジスタブロック3124は、OS−FF3140[1]3140[2]を有する。信号user_res、load、storeがOS−FF3140[1]、3140[2]に入力される。クロック信号CLK1はOS−FF3140[1]に入力され、クロック信号CLK2はOS−FF3140[2]に入力される。図36(A)にOS−FF3140の構成例を示す。 The register block 3124 has an OS-FF 3140[1] 3140[2]. The signals user_res, load, and store are input to the OS-FFs 3140[1] and 3140[2]. The clock signal CLK1 is input to the OS-FF 3140[1], and the clock signal CLK2 is input to the OS-FF 3140[2]. FIG. 36A shows a configuration example of the OS-FF 3140.

OS−FF3140は、FF3141、シャドウレジスタ3142を有する。FF3141は、ノードCK、R、D、Q、QBを有する。ノードCKにはクロック信号が入力される。ノードRには信号user_resが入力される。信号user_resはリセット信号である。ノードDはデータ入力ノードであり、ノードQはデータ出力ノードである。ノードQとノードQBとは論理が相補関係にある。 The OS-FF 3140 has an FF 3141 and a shadow register 3142. The FF 3141 has nodes CK, R, D, Q and QB. A clock signal is input to the node CK. The signal user_res is input to the node R. The signal user_res is a reset signal. Node D is a data input node and node Q is a data output node. The logics of the node Q and the node QB are complementary to each other.

シャドウレジスタ3142は、FF3141のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ3142は、信号storeに従いノードQ、QBのデータをそれぞれバックアップし、また、信号loadに従い、バックアップしたデータをノードQ、QBに書き戻す。 The shadow register 3142 functions as a backup circuit for the FF 3141. The shadow register 3142 backs up the data of the nodes Q and QB according to the signal store, and writes the backed up data to the nodes Q and QB according to the signal load.

シャドウレジスタ3142は、インバータ回路3188、3189、SiトランジスタM37、MB37、メモリ回路3143、3143Bを有する。メモリ回路3143、3143Bは、PRS3133のメモリ回路3137と同じ回路構成である。メモリ回路3143は容量素子C36、OSトランジスタMO35、MO36を有する。メモリ回路3143Bは容量素子CB36、OSトランジスタMOB35、OSトランジスタMOB36を有する。ノードN36、NB36はOSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB36のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードN37、NB37は、SiトランジスタM37、MB37のゲートである。 The shadow register 3142 has inverter circuits 3188 and 3189, Si transistors M37 and MB37, and memory circuits 3143 and 3143B. The memory circuits 3143 and 3143B have the same circuit configuration as the memory circuit 3137 of the PRS 3133. The memory circuit 3143 includes a capacitor C36 and OS transistors MO35 and MO36. The memory circuit 3143B includes a capacitor CB36, an OS transistor MOB35, and an OS transistor MOB36. The nodes N36 and NB36 are gates of the OS transistor MO36 and OS transistor MOB36, respectively, and are charge retention nodes. The nodes N37 and NB37 are the gates of the Si transistors M37 and MB37.

上記実施の形態に示す半導体装置をLAB3120に用いる場合、OSトランジスタMO35、MOB35として上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。これにより、OSトランジスタMO35、MOB35のオフ電流を小さくすることができるので、OS−FFにおいて、バックアップしたデータを長期間保持することができる。また、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the LAB 3120, the transistors described in any of the above embodiments can be used as the OS transistors MO35 and MOB35. As a result, the off currents of the OS transistors MO35 and MOB35 can be reduced, so that the OS-FF can hold the backed up data for a long period of time. Further, since the area occupied by a pair of the transistor and the capacitive element in top view can be reduced, the semiconductor device according to this embodiment can be highly integrated.

OSトランジスタMO35、MO36、MOB35、MOB36はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。 The OS transistors MO35, MO36, MOB35, MOB36 have back gates, and these back gates are electrically connected to power supply lines that supply a fixed voltage.

図36(B)を参照して、OS−FF3140の動作方法例を説明する。 An example of an operation method of the OS-FF 3140 will be described with reference to FIG.

(バックアップ(Backup))
“H”の信号storeがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はFF3141のデータをバックアップする。ノードN36は、ノードQのデータが書き込まれることで、“L”となり、ノードNB36は、ノードQBのデータが書き込まれることで、“H”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ3127をオフにする。FF3141のノードQ、QBのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ3142はバックアップしたデータを保持する。
(Backup)
When the “H” signal store is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 backs up the data in the FF 3141. The node N36 becomes "L" when the data of the node Q is written, and the node NB36 becomes "H" when the data of the node QB is written. Then, power gating is executed and the power switch 3127 is turned off. Although the data in the nodes Q and QB of the FF 3141 is lost, the shadow register 3142 retains the backed up data even when the power is off.

(リカバリ(Recovery))
パワースイッチ3127をオンにし、PLE3121に電源を供給する。しかる後、“H”の信号loadがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はバックアップしているデータをFF3141に書き戻す。ノードN36は“L”であるので、ノードN37は“L”が維持され、ノードNB36は“H”であるので、ノードNB37は“H”となる。よって、ノードQは“H”になり、ノードQBは“L”になる。つまり、OS−FF3140はバックアップ動作時の状態に復帰する。
(Recovery)
The power switch 3127 is turned on to supply power to the PLE3121. After that, when the "H" signal load is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 writes the backed up data back to the FF 3141. Since the node N36 is "L", the node N37 is maintained at "L" and the node NB36 is "H", so that the node NB37 is "H". Therefore, the node Q becomes "H" and the node QB becomes "L". That is, the OS-FF 3140 returns to the state at the time of backup operation.

細粒度パワーゲーティングと、OS−FF3140のバックアップ/リカバリ動作とを組み合わせることで、OS−FPGA3110の消費電力を効果的に低減できる。 By combining the fine grain power gating and the backup/recovery operation of the OS-FF 3140, the power consumption of the OS-FPGA 3110 can be effectively reduced.

メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。OSトランジスタを用いたOSメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、OSメモリを搭載することで、信頼性の高いOS−FPGA3110を提供することができる。 An error that can occur in the memory circuit is a soft error due to the incidence of radiation. A soft error is a secondary universe that occurs when α-rays emitted from the materials that make up memory and packages, and the primary cosmic rays that enter the atmosphere from the universe react with the atomic nuclei in the atmosphere. This is a phenomenon in which malfunction occurs such as inversion of data held in a memory due to irradiation of a transistor with linear neutrons or the like to generate electron-hole pairs. An OS memory using an OS transistor has high soft error resistance. Therefore, by mounting an OS memory, a highly reliable OS-FPGA 3110 can be provided.

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

(実施の形態8)
本実施の形態においては、上述した記憶装置など、本発明の一態様に係る半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, an example of a CPU including a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, such as the above memory device, will be described.

<CPUの構成>
図37に示す半導体装置6400は、CPUコア6401、パワーマネージメントユニット6421および周辺回路6422を有する。パワーマネージメントユニット6421は、パワーコントローラ(Power Controller)6402、およびパワースイッチ(Power Switch)6403を有する。周辺回路6422は、キャッシュメモリを有するキャッシュ(Cache)6404、バスインターフェース(BUS I/F)6405、及びデバッグインターフェース(Debug I/F)6406を有する。CPUコア6401は、データバス6423、制御装置(Control Unit)6407、PC(プログラムカウンタ)6408、パイプラインレジスタ(Pipeline Register)6409、パイプラインレジスタ(Pipeline Register)6410、ALU(Arithmetic logic unit)6411、及びレジスタファイル(Register File)6412を有する。CPUコア6401と、キャッシュ6404等の周辺回路6422とのデータのやり取りは、データバス6423を介して行われる。
<CPU configuration>
A semiconductor device 6400 shown in FIG. 37 includes a CPU core 6401, a power management unit 6421, and a peripheral circuit 6422. The power management unit 6421 has a power controller (Power Controller) 6402 and a power switch (Power Switch) 6403. The peripheral circuit 6422 includes a cache 6404 having a cache memory, a bus interface (BUS I/F) 6405, and a debug interface (Debug I/F) 6406. The CPU core 6401 includes a data bus 6423, a control unit (Control Unit) 6407, a PC (program counter) 6408, a pipeline register (Pipeline Register) 6409, a pipeline register (Pipeline Register) 6410, and an ALU (Arithmetic Logic Unit) 6411. And a register file (Register File) 6412. Data is exchanged between the CPU core 6401 and the peripheral circuit 6422 such as the cache 6404 via the data bus 6423.

上記実施の形態に示す半導体装置は、パワーコントローラ6402、制御装置6407をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。これにより、消費電力低減することが可能な半導体装置6400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置6400を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置6400を提供できる。 The semiconductor device described in the above embodiment can be applied to many logic circuits including the power controller 6402 and the control device 6407. Accordingly, the semiconductor device 6400 capable of reducing power consumption can be provided. Further, the semiconductor device 6400 capable of improving the operation speed can be provided. Further, a semiconductor device 6400 capable of reducing fluctuations in power supply voltage can be provided.

また、pチャネル型Siトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタと、半導体装置6400に適用することが好ましい。これにより、小型の半導体装置6400を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置6400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置6400を提供できる。特に、Siトランジスタはpチャネル型のみとすることで、半導体装置の製造コストを低く抑えることができる。 In addition, it is preferably applied to the p-channel Si transistor, the transistor including the oxide semiconductor described in any of the above embodiments in a channel formation region, and the semiconductor device 6400. Accordingly, a small semiconductor device 6400 can be provided. Further, a semiconductor device 6400 capable of reducing power consumption can be provided. Further, the semiconductor device 6400 capable of improving the operation speed can be provided. In particular, by using only p-channel type Si transistors, the manufacturing cost of the semiconductor device can be kept low.

制御装置6407は、PC6408、パイプラインレジスタ6409、パイプラインレジスタ6410、ALU6411、レジスタファイル6412、キャッシュ6404、バスインターフェース6405、デバッグインターフェース6406、及びパワーコントローラ6402の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。 The control device 6407 controls the operations of the PC 6408, the pipeline register 6409, the pipeline register 6410, the ALU 6411, the register file 6412, the cache 6404, the bus interface 6405, the debug interface 6406, and the power controller 6402, thereby inputting. It has a function of decoding and executing an instruction included in a program such as a generated application.

ALU6411は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。 The ALU 6411 has a function of performing various arithmetic processes such as four arithmetic operations and logical operations.

キャッシュ6404は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。PC6408は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図37では図示していないが、キャッシュ6404には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。 The cache 6404 has a function of temporarily storing frequently used data. The PC 6408 is a register having a function of storing an address of an instruction to be executed next. Although not shown in FIG. 37, the cache 6404 is provided with a cache controller that controls the operation of the cache memory.

パイプラインレジスタ6409は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 The pipeline register 6409 is a register having a function of temporarily storing instruction data.

レジスタファイル6412は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはALU6411の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。 The register file 6412 has a plurality of registers including general-purpose registers, and can store data read from the main memory, data obtained as a result of arithmetic processing of the ALU 6411, or the like.

パイプラインレジスタ6410は、ALU6411の演算処理に利用するデータ、またはALU6411の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 The pipeline register 6410 is a register having a function of temporarily storing data used for arithmetic processing of the ALU 6411, data obtained as a result of arithmetic processing of the ALU 6411, and the like.

バスインターフェース6405は、半導体装置6400と半導体装置6400の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース6406は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置6400に入力するための信号の経路としての機能を有する。 The bus interface 6405 has a function as a data path between the semiconductor device 6400 and various devices outside the semiconductor device 6400. The debug interface 6406 has a function as a signal path for inputting a command for controlling debugging to the semiconductor device 6400.

パワースイッチ6403は、半導体装置6400が有する、パワーコントローラ6402以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ6403によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ6402はパワースイッチ6403の動作を制御する機能を有する。 The power switch 6403 has a function of controlling supply of power supply voltage to various circuits of the semiconductor device 6400 other than the power controller 6402. The various circuits described above belong to several power domains, and the various circuits belonging to the same power domain are controlled by the power switch 6403 to be supplied with the power supply voltage. Further, the power controller 6402 has a function of controlling the operation of the power switch 6403.

上記構成を有する半導体装置6400は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。 The semiconductor device 6400 having the above structure can perform power gating. The flow of the power gating operation will be described with an example.

まず、CPUコア6401が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ6402のレジスタに設定する。次いで、CPUコア6401からパワーコントローラ6402へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置6400内に含まれる各種レジスタとキャッシュ6404が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置6400が有するパワーコントローラ6402以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ6403により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ6402に入力されることで、半導体装置6400が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ6402にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ6404が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置6407における命令の実行が再開される。 First, the CPU core 6401 sets the timing of stopping the supply of the power supply voltage in the register of the power controller 6402. Next, the CPU core 6401 sends an instruction to start power gating to the power controller 6402. Next, the various registers and the cache 6404 included in the semiconductor device 6400 start saving data. Next, the power switch 6403 stops the supply of the power supply voltage to various circuits other than the power controller 6402 included in the semiconductor device 6400. Next, an interrupt signal is input to the power controller 6402, so that supply of power supply voltage to various circuits included in the semiconductor device 6400 is started. Note that a counter may be provided in the power controller 6402 and the timing at which the supply of the power supply voltage is started may be determined using the counter regardless of the input of the interrupt signal. Next, the various registers and the cache 6404 start data recovery. Execution of the instructions in controller 6407 is then resumed.

このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。 Such power gating can be performed in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits included in the processor. Further, the power supply can be stopped even in a short time. Therefore, it is possible to reduce the power consumption with a finer granularity spatially or temporally.

パワーゲーティングを行う場合、CPUコア6401や周辺回路6422が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。 When power gating is performed, it is preferable that information held by the CPU core 6401 and the peripheral circuit 6422 can be saved in a short time. By doing so, the power can be turned on and off in a short period of time, and the effect of power saving becomes large.

CPUコア6401や周辺回路6422が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ)。また、SRAM回路が回路内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なSRAM回路と呼ぶ)。バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAM回路は、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAM回路は長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAM回路は短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。 In order to save the information held by the CPU core 6401 and the peripheral circuit 6422 in a short period of time, it is preferable that the flip-flop circuit can save data in the circuit (referred to as a flip-flop circuit that can be backed up). Further, it is preferable that the SRAM circuit can save data in the circuit (referred to as a back-upable SRAM circuit). The flip-flop circuit or SRAM circuit that can be backed up preferably includes a transistor including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region. As a result, since the transistor has a low off-state current, the flip-flop circuit or the SRAM circuit that can be backed up can hold data for a long time without power supply. Further, since the transistor has a high switching speed, a flip-flop circuit or an SRAM circuit that can be backed up may be able to save and restore data in a short period of time.

バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図38を用いて説明する。 An example of a flip-flop circuit that can be backed up will be described with reference to FIG.

図38に示す半導体装置6500は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置6500は、第1の記憶回路6501と、第2の記憶回路6502と、第3の記憶回路6503と、読み出し回路6504と、を有する。半導体装置6500には、電位V1と電位V2の電位差が、電源電圧として供給される。電位V1と電位V2は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位V1がローレベル、電位V2がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置6500の構成例について説明するものとする。 A semiconductor device 6500 illustrated in FIG. 38 is an example of a flip-flop circuit that can be backed up. The semiconductor device 6500 includes a first memory circuit 6501, a second memory circuit 6502, a third memory circuit 6503, and a reading circuit 6504. The potential difference between the potential V1 and the potential V2 is supplied to the semiconductor device 6500 as a power supply voltage. One of the potential V1 and the potential V2 has a high level, and the other has a low level. Hereinafter, an example of the structure of the semiconductor device 6500 will be described by taking the case where the potential V1 is low level and the potential V2 is high level as an example.

第1の記憶回路6501は、半導体装置6500に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Dが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置6500に電源電圧が供給されている期間において、第1の記憶回路6501からは、保持されているデータを含む信号Qが出力される。一方、第1の記憶回路6501は、半導体装置6500に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第1の記憶回路6501は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。 The first memory circuit 6501 has a function of holding the data when the signal D including data is input during a period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 6500. Then, during the period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 6500, the first memory circuit 6501 outputs the signal Q including the held data. On the other hand, the first memory circuit 6501 cannot hold data while the semiconductor device 6500 is not supplied with power supply voltage. That is, the first memory circuit 6501 can be referred to as a volatile memory circuit.

第2の記憶回路6502は、第1の記憶回路6501に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する)機能を有する。第3の記憶回路6503は、第2の記憶回路6502に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する)機能を有する。読み出し回路6504は、第2の記憶回路6502または第3の記憶回路6503に保持されたデータを読み出して第1の記憶回路6501に記憶する(あるいは復帰する)機能を有する。 The second memory circuit 6502 has a function of reading and storing (or saving) the data held in the first memory circuit 6501. The third memory circuit 6503 has a function of reading and storing (or saving) the data held in the second memory circuit 6502. The reading circuit 6504 has a function of reading data held in the second memory circuit 6502 or the third memory circuit 6503 and storing (or restoring) the data in the first memory circuit 6501.

特に、第3の記憶回路6503は、半導体装置6500に電源電圧が供給されてない期間においても、第2の記憶回路6502に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する)機能を有する。 In particular, the third memory circuit 6503 has a function of reading and storing (or saving) the data held in the second memory circuit 6502 even when the semiconductor device 6500 is not supplied with power supply voltage. ..

図38に示すように、第2の記憶回路6502はトランジスタ6512と容量素子6519とを有する。第3の記憶回路6503はトランジスタ6513と、トランジスタ6515と、容量素子6520とを有する。読み出し回路6504はトランジスタ6510と、トランジスタ6518と、トランジスタ6509と、トランジスタ6517と、を有する。 As shown in FIG. 38, the second memory circuit 6502 includes a transistor 6512 and a capacitor 6519. The third memory circuit 6503 includes a transistor 6513, a transistor 6515, and a capacitor 6520. The reading circuit 6504 includes a transistor 6510, a transistor 6518, a transistor 6509, and a transistor 6517.

トランジスタ6512は、第1の記憶回路6501に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子6519に充放電する機能を有する。トランジスタ6512は、第1の記憶回路6501に保持されているデータに応じた電荷を容量素子6519に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ6512が、結晶性を有するシリコン(好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン)をチャネル形成領域に含むことが望ましい。 The transistor 6512 has a function of charging and discharging the capacitor 6519 with charge corresponding to data stored in the first memory circuit 6501. It is preferable that the transistor 6512 be able to charge and discharge the charge corresponding to the data held in the first memory circuit 6501 with respect to the capacitor 6519 at high speed. Specifically, the transistor 6512 preferably contains crystalline silicon (preferably polycrystalline silicon, more preferably single crystal silicon) in the channel formation region.

トランジスタ6513は、容量素子6519に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ6515は、トランジスタ6513が導通状態であるときに、配線6544の電位に応じた電荷を容量素子6520に充放電する機能を有する。トランジスタ6515は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ6515が、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むことが望ましい。 The conductive state or the non-conductive state of the transistor 6513 is selected in accordance with the charge held in the capacitor 6519. The transistor 6515 has a function of charging and discharging the capacitor 6520 with electric charge according to the potential of the wiring 6544 when the transistor 6513 is on. The off-state current of the transistor 6515 is preferably extremely low. Specifically, the transistor 6515 preferably contains an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in the channel formation region.

各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ6512のソース及びドレインの一方は、第1の記憶回路6501に接続されている。トランジスタ6512のソース及びドレインの他方は、容量素子6519の一方の電極、トランジスタ6513のゲート、及びトランジスタ6518のゲートに接続されている。容量素子6519の他方の電極は、配線6542に接続されている。トランジスタ6513のソース及びドレインの一方は、配線6544に接続されている。トランジスタ6513のソース及びドレインの他方は、トランジスタ6515のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ6515のソース及びドレインの他方は、容量素子6520の一方の電極、及びトランジスタ6510のゲートに接続されている。容量素子6520の他方の電極は、配線6543に接続されている。トランジスタ6510のソース及びドレインの一方は、配線6541に接続されている。トランジスタ6510のソース及びドレインの他方は、トランジスタ6518のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ6518のソース及びドレインの他方は、トランジスタ6509のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ6509のソース及びドレインの他方は、トランジスタ6517のソース及びドレインの一方、及び第1の記憶回路6501に接続されている。トランジスタ6517のソース及びドレインの他方は、配線6540に接続されている。また、図38においては、トランジスタ6509のゲートは、トランジスタ6517のゲートと接続されているが、トランジスタ6509のゲートは、必ずしもトランジスタ6517のゲートと接続されていなくてもよい。 Specifically, the connection relation of each element is described. One of a source and a drain of the transistor 6512 is connected to the first memory circuit 6501. The other of the source and the drain of the transistor 6512 is connected to one electrode of the capacitor 6519, the gate of the transistor 6513, and the gate of the transistor 6518. The other electrode of the capacitor 6519 is connected to the wiring 6542. One of a source and a drain of the transistor 6513 is connected to the wiring 6544. The other of the source and the drain of the transistor 6513 is connected to one of the source and the drain of the transistor 6515. The other of the source and the drain of the transistor 6515 is connected to one electrode of the capacitor 6520 and the gate of the transistor 6510. The other electrode of the capacitor 6520 is connected to the wiring 6543. One of a source and a drain of the transistor 6510 is connected to the wiring 6541. The other of the source and the drain of the transistor 6510 is connected to one of the source and the drain of the transistor 6518. The other of the source and the drain of the transistor 6518 is connected to one of the source and the drain of the transistor 6509. The other of the source and the drain of the transistor 6509 is connected to one of the source and the drain of the transistor 6517 and the first memory circuit 6501. The other of the source and the drain of the transistor 6517 is connected to the wiring 6540. Although the gate of the transistor 6509 is connected to the gate of the transistor 6517 in FIG. 38, the gate of the transistor 6509 does not necessarily have to be connected to the gate of the transistor 6517.

トランジスタ6515に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ6515のオフ電流が小さいために、半導体装置6500は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ6515のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置6500は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。 The transistor illustrated in the above embodiment can be applied to the transistor 6515. Since the off-state current of the transistor 6515 is small, the semiconductor device 6500 can hold data without power supply for a long time. Since the switching characteristic of the transistor 6515 is favorable, the semiconductor device 6500 can perform high-speed backup and recovery.

(実施の形態9)
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置が組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
(Embodiment 9)
This embodiment shows an example of an electronic component and an electronic device in which the memory device described in the above embodiment is incorporated.

<電子部品>
まず、上記実施の形態に示す記憶装置が組み込まれた電子部品の例を、図39(A)、(B)を用いて説明を行う。
<Electronic parts>
First, an example of an electronic component in which the memory device described in any of the above embodiments is incorporated will be described with reference to FIGS.

図39(A)に示す電子部品7000はICチップであり、リード及び回路部を有する。電子部品7000は、例えばプリント基板7002に実装される。このようなICチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板7002上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板7004)が完成する。 An electronic component 7000 shown in FIG. 39A is an IC chip and has leads and a circuit portion. The electronic component 7000 is mounted on the printed circuit board 7002, for example. A plurality of such IC chips are combined and electrically connected to each other on the printed board 7002 to complete a board (mounting board 7004) on which electronic components are mounted.

電子部品7000の回路部は、基板7031、層7032、層7033の積層でなる。 The circuit portion of the electronic component 7000 is formed by stacking a substrate 7031, a layer 7032, and a layer 7033.

基板7031として、上記実施の形態に示す基板に用いることが可能な材料を適用すればよい。また、基板7031としてシリコンなどの半導体基板を用いた場合、基板7031に集積回路を形成し、その上にOSトランジスタを有する層7032を形成してもよい。 As the substrate 7031, a material that can be used for the substrate described in any of the above embodiments may be used. When a semiconductor substrate such as silicon is used as the substrate 7031, an integrated circuit may be formed over the substrate 7031 and the layer 7032 having an OS transistor may be formed thereover.

層7032は、上記実施の形態に示すOSトランジスタを有する。例えば、CPUなどの制御回路を層7032に設けることができる。 The layer 7032 includes the OS transistor described in any of the above embodiments. For example, a control circuit such as a CPU can be provided in the layer 7032.

層7033はメモリを有する。当該メモリとして、例えば、NOSRAM、DOSRAM(登録商標)などのOSトランジスタを用いたメモリ(以下、OSメモリと呼ぶ)を用いることができる。また、NOSRAMとして上記実施の形態に示す記憶装置を用いることができる。 Layer 7033 has memory. As the memory, for example, a memory using an OS transistor such as NOSRAM or DOSRAM (registered trademark) (hereinafter referred to as an OS memory) can be used. Further, the memory device described in any of the above embodiments can be used as the NOSRAM.

OSメモリは、他の半導体素子に積層させて設けることができるため、電子部品7000を小型化することができる。また、OSメモリはデータを書き換える際の消費電力が小さく、電子部品7000の消費電力を低減させることができる。 Since the OS memory can be stacked and provided on another semiconductor element, the electronic component 7000 can be downsized. Further, the OS memory consumes less power when rewriting data, and thus the power consumption of the electronic component 7000 can be reduced.

上記OSメモリは、層7033ではなく、層7032に設けてもよい。そうすることで、ICチップの製造工程を短縮することができる。 The OS memory may be provided in the layer 7032 instead of the layer 7033. By doing so, the manufacturing process of the IC chip can be shortened.

層7033はOSメモリ以外に、ReRAM(Resistive Random Access Memory)、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、PRAM(Phase change RAM)、FeRAM(Ferroelectric RAM)などのメモリを設けてもよい。 In addition to the OS memory, the layer 7033 may be provided with ReRAM (Resistive Random Access Memory), MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), PRAM (Phase change RAM), FeRAM (FerRAM), or the like.

図39(A)では、電子部品7000のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。 In FIG. 39A, QFP (Quad Flat Package) is applied to the package of the electronic component 7000, but the form of the package is not limited to this.

図39(B)は、電子部品7400の模式図である。電子部品7400はカメラモジュールであり、イメージセンサチップ7451を内蔵している。電子部品7400は、イメージセンサチップ7451を固定するパッケージ基板7411、レンズカバー7421、およびレンズ7435等を有する。また、パッケージ基板7411およびイメージセンサチップ7451の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ7490も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。ランド7441は電極パッド7461と電気的に接続され、電極パッド7461はイメージセンサチップ7451またはICチップ7490とワイヤ7471によって電気的に接続されている。図39(B)は、電子部品7400の内部を示すために、レンズカバー7421およびレンズ7435の一部を省略して図示している。 FIG. 39B is a schematic diagram of the electronic component 7400. The electronic component 7400 is a camera module and incorporates an image sensor chip 7451. The electronic component 7400 includes a package substrate 7411 that fixes the image sensor chip 7451, a lens cover 7421, a lens 7435, and the like. Further, an IC chip 7490 having functions such as a driver circuit and a signal converter circuit of an imaging device is provided between the package substrate 7411 and the image sensor chip 7451 and has a structure as a SiP (System in package). There is. The land 7441 is electrically connected to the electrode pad 7461, and the electrode pad 7461 is electrically connected to the image sensor chip 7451 or the IC chip 7490 by the wire 7471. In FIG. 39B, part of the lens cover 7421 and the lens 7435 are omitted in order to show the inside of the electronic component 7400.

イメージセンサチップ7451の回路部は、基板7031、層7032、層7033、層7034の積層でなる。 The circuit portion of the image sensor chip 7451 is formed by stacking a substrate 7031, a layer 7032, a layer 7033, and a layer 7034.

基板7031、層7032および層7033の詳細は、上述の電子部品7000の記載を参照すればよい。 For details of the substrate 7031, the layer 7032, and the layer 7033, the above description of the electronic component 7000 may be referred to.

層7034は受光素子を有する。当該受光素子として、例えば、セレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードなどを用いることができる。セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高く、高感度の光センサを実現することができる。 The layer 7034 has a light receiving element. As the light receiving element, for example, a pn junction type photodiode having a selenium-based material as a photoelectric conversion layer can be used. A photoelectric conversion element using a selenium-based material has a high external quantum efficiency with respect to visible light and can realize a highly sensitive optical sensor.

セレン系材料はp型半導体として用いることができる。セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。 The selenium-based material can be used as a p-type semiconductor. Examples of the selenium-based material include crystalline selenium such as single crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, a compound of copper, indium and selenium (CIS), or a compound of copper, indium, gallium and selenium (CIGS). Can be used.

上記pn接合型フォトダイオードのn型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。 The n-type semiconductor of the pn junction photodiode is preferably formed of a material having a wide band gap and a property of transmitting visible light. For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, or an oxide in which they are mixed can be used.

また、層7034が有する受光素子として、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の用いたpn接合型フォトダイオードを用いてもよい。また、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の間にi型シリコン半導体層を設けたpin接合型フォトダイオードであってもよい。 As the light-receiving element included in the layer 7034, a pn junction photodiode including a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor may be used. Further, it may be a pin junction type photodiode in which an i-type silicon semiconductor layer is provided between a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor.

上記シリコンを用いたフォトダイオードは単結晶シリコンを用いて形成することができる。このとき、層7033と層7034とは、貼り合わせ工程を用いて電気的な接合を得ることが好ましい。また、上記シリコンを用いたフォトダイオードは、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの薄膜を用いて形成することもできる。 The photodiode using silicon can be formed using single crystal silicon. At this time, it is preferable that the layer 7033 and the layer 7034 be electrically connected to each other by a bonding step. Further, the photodiode using silicon can also be formed using a thin film of amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or the like.

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

(実施の形態10)
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40を用いて説明する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, specific examples of electronic devices which 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40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. 40 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 devices 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 television device, a desktop or notebook personal computer, a monitor for a computer, a digital signage (digital signboard), and a relatively large game machine such as a pachinko machine. In addition to electronic devices including screens, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, personal digital assistants, sound reproduction devices, and the like can be given. By providing the electronic device with the integrated circuit or the chip of one embodiment of the present invention, 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 the signal with the antenna, images, information, and the like can be displayed on the display portion. When the electronic device has an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for contactless 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 according to one embodiment of the present invention includes a sensor (force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, voice, time, hardness, electric field, current, (Including the function of measuring voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor or infrared rays).

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40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), wireless communication It can have a function, a function of reading a program or data recorded in a recording medium, and the like. FIG. 40 shows examples of electronic devices.

[携帯電話]
図40(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]
In FIG. 40A, a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal is illustrated. The information terminal 5500 includes a housing 5510 and a display portion 5511. A touch panel is provided in the display portion 5511 and a button is provided in the housing 5510 as an input interface.

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 utilizing artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention. As an application using artificial intelligence, for example, an application for recognizing a conversation and displaying the content of the conversation on the display unit 5511, a character input by a user on a touch panel included in the display unit 5511, a figure, etc. are recognized, An application displayed on the display portion 5511, an application for biometric authentication such as a fingerprint or a voiceprint, and the like can be given.

[情報端末1]
図40(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. 40B shows a desktop information terminal 5300. The desktop information terminal 5300 has 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 above-described information terminal 5500. Examples of applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, and menu automatic generation software. Further, by using the desktop information terminal 5300, 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40(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, although the smartphone and the desktop information terminal are illustrated as examples of the electronic device in FIGS. 40A and 40B, respectively, 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, a workstation, and the like.

[宇宙用途]
本発明の一態様の半導体装置は、宇宙用途の装置にも適用することができる。例えば、図40(C)は、人工衛星5800を示している。人工衛星5800は、機体5801と、ソーラーパネル5802と、を有する。人工衛星5800の機体5801内に、本発明の一態様の半導体装置を使用することができる。なお、本発明の一態様の半導体装置は、ソーラーパネル5802から供給される電力が少ない状況(例えば、ソーラーパネルに太陽が当たらない状況)においても、低消費電力であるため駆動できる場合がある。また、宇宙空間においては、太陽光が当たった領域においては、機体5801内に設けられる電子機器や半導体装置などは、200℃以上の高温環境下に曝される場合がある。本発明の一態様の半導体装置は、高温環境下においても、高い信頼性を有するため、好適に用いることができる。
[Space applications]
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to a device for space application. For example, FIG. 40C illustrates an artificial satellite 5800. The artificial satellite 5800 has a body 5801 and a solar panel 5802. The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used in the body 5801 of the artificial satellite 5800. Note that the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be driven even in a situation where power supplied from the solar panel 5802 is low (e.g., a situation where the sun does not hit the solar panel) because of low power consumption. Further, in outer space, in a region exposed to sunlight, an electronic device, a semiconductor device, or the like provided in the body 5801 may be exposed to a high temperature environment of 200° C. or higher. The semiconductor device of one embodiment of the present invention has high reliability even in a high temperature environment, and thus can be preferably used.

[ゲーム機]
図40(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. 40D illustrates a portable game machine 5200 which is an example of a game machine. The portable game machine has a housing 5201, a display portion 5202, buttons 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. Further, low power consumption can reduce heat generation from the circuit, and thus can reduce the influence of heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules.

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 mobile game machine 5200, the mobile 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, expressions such as the progress of the game, the behavior of creatures appearing in the game, and the phenomena occurring in the game are determined by the program included in the game. However, by applying artificial intelligence to the portable game machine 5200, It enables expressions that are not limited to game programs. For example, it is possible to express that the content that the player asks, the progress of the game, the time, and the behavior of the person who appears 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。 Further, when a plurality of players play a necessary game on the portable game machine 5200, an artificial intelligence can configure a game player in an anthropomorphic manner. You can play games.

図40(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。 Although a portable game machine is illustrated as an example of a game machine in FIG. 40D, 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 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 (game center, amusement park, etc.), or a sports facility is installed. There are pitching machines 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 that is a moving object and around a driver's seat of the automobile.

図40(E1)は移動体の一例である自動車5700を示し、図40(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40(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. 40E1 illustrates an automobile 5700 which is an example of a moving object, and FIG. 40E2 is a diagram illustrating a windshield and its surroundings in the interior of the automobile. FIG. 40E2 illustrates the display panel 5701, the display panel 5702, and the display panel 5703 attached to the dashboard, and the display panel 5704 attached to the 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、燃料計、ギア状態、空調の設定などを表示することで、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 by displaying a speedometer, a tachometer, a mileage, a fuel gauge, a gear state, an air conditioning setting, and the like. Further, the display items and layout displayed on the display panel can be appropriately changed according to the preference of the user, and the designability can be improved. The display panels 5701 to 5703 can also be used as a lighting device.

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 projecting an image from an imaging device (not shown) provided in the automobile 5700 on the display panel 5704, the field of view (blind spot) blocked by the pillars can be complemented. That is, by displaying an image from an imaging device provided outside the automobile 5700, a blind spot can be compensated and safety can be improved. Further, by displaying an image that complements the invisible portion, it is possible to confirm the safety more naturally and comfortably. The display panel 5704 can also 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 can be used for an automatic driving system of the automobile 5700, for example. In addition, the chip can be used in a system that performs road guidance, risk prediction, and the like. Information such as road guidance and risk prediction may be displayed on the display panels 5701 to 5704.

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, an automobile is described as an example of the moving body, but the moving body is not limited to the automobile. For example, as the moving object, a train, a monorail, a ship, a flying object (a helicopter, an unmanned aerial vehicle (drone), an airplane, a rocket), or the like can be given, and the chip of one embodiment of the present invention is applied to these moving objects. Thus, a system using artificial intelligence can be added.

[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。
[Broadcast system]
The GPU or chip of one embodiment of the present invention can be applied to a broadcasting system.

図40(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40(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. 40(F) schematically shows data transmission in the broadcasting system. Specifically, FIG. 40F illustrates a path in which a radio wave (broadcast signal) transmitted from the broadcasting station 5680 reaches a television receiver (TV) 5600 in each home. The TV 5600 includes a receiving device (not shown), and the broadcast signal received by the antenna 5650 is transmitted to the TV 5600 via the receiving device.

図40(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。 In FIG. 40F, the antenna 5650 is a UHF (Ultra High Frequency) antenna, 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40(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, the terrestrial TV broadcast can be viewed on the TV 5600 by receiving the radio wave 5675B through the antenna 5650. Note that the broadcasting system is not limited to the terrestrial broadcasting shown in FIG. 40F, but may be satellite broadcasting using an artificial satellite, 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 broadcasting system described above may be a broadcasting system using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention. When the broadcast data is transmitted from the broadcasting station 5680 to the TV 5600 in each home, the broadcast data is compressed by the encoder, and 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, it is possible to recognize a display pattern included in a display image in motion compensation prediction, which is one of the encoder compression methods. 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 the TV 5600 having a high resolution, an image interpolation process such as up-conversion can be performed when the broadcast data is restored 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 broadcasting 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, the TV 5600 may be provided with a recording device having artificial intelligence. With such a configuration, the program can be automatically recorded by allowing the recording device to learn the user's preference by artificial intelligence.

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, a function of the electronic device, an application example of artificial intelligence, effects thereof, and the like can be combined as appropriate with description of other electronic devices.

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

10:製造装置、11:第1の製造ライン、12:第2の製造ライン、13:第3の製造ライン、21、22、23a、23b、24:搬送経路、30:基板、31:回路、32:センスアンプ、33:配線、34:接続部、39:バリア層、40、40a、40a_n、40a_1、40a_2:機能層、41、41a:メモリセル、42、46:トランジスタ、43:容量、44、45、47a、47b:プラグ、50、50a:半導体装置、51、51a、52:バリア層、55:絶縁層、56:プラグ、57:端子、60:積層ブロック、65:メモリセルアレイ 10: Manufacturing apparatus, 11: First manufacturing line, 12: Second manufacturing line, 13: Third manufacturing line, 21, 22, 23a, 23b, 24: Conveyance route, 30: Substrate, 31: Circuit, 32: sense amplifier, 33: wiring, 34: connection part, 39: barrier layer, 40, 40a, 40a_n, 40a_1, 40a_2: functional layer, 41, 41a: memory cell, 42, 46: transistor, 43: capacitance, 44 , 45, 47a, 47b: plug, 50, 50a: semiconductor device, 51, 51a, 52: barrier layer, 55: insulating layer, 56: plug, 57: terminal, 60: laminated block, 65: memory cell array

Claims (6)

基板を準備する工程と、
前記基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する工程と、
前記第1のトランジスタ上に、機能層と、第1のバリア層と、を交互にn回(nは2以上200以下の整数)形成し、前記機能層と前記第1のバリア層とが交互にn個積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体を複数のエリアに分割するように、前記積層体の一部エッチングし、複数の積層ブロックを形成する工程と、
前記複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、前記第2のバリア層を覆い、かつ前記積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する工程と、
前記積層ブロックと重ならない領域において、前記絶縁層及び前記第2のバリア層の一部に、前記基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する工程と、を有し、
前記機能層は、第2のトランジスタと、容量を含み、
前記第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を含む、
半導体装置の製造方法。
A step of preparing a substrate,
Forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region;
A functional layer and a first barrier layer are alternately formed n times (n is an integer of 2 or more and 200 or less) on the first transistor, and the functional layer and the first barrier layer are alternately formed. Forming a laminated body in which n pieces are laminated in
A step of forming a plurality of laminated blocks by partially etching the laminated body so as to divide the laminated body into a plurality of areas;
Forming a second barrier layer that covers upper and side surfaces of the plurality of laminated blocks; and an insulating layer that covers the second barrier layer and is located between the laminated blocks,
Forming a plug electrode embedded in an opening reaching the substrate in a part of the insulating layer and the second barrier layer in a region that does not overlap with the stacked block,
The functional layer includes a second transistor and a capacitor,
The second transistor includes a metal oxide in a channel formation region,
Method of manufacturing semiconductor device.
請求項1において、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、前記容量の一対の電極の一方とは、電気的に接続される、
半導体装置の製造方法。
In claim 1,
One of a source and a drain of the second transistor and one of a pair of electrodes of the capacitor are electrically connected.
Method of manufacturing semiconductor device.
基板を準備する工程と、
前記基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する工程と、
前記第1のトランジスタ上に、機能層と、第1のバリア層と、を交互にn回(nは2以上200以下の整数)形成し、前記機能層と前記第1のバリア層とが交互にn個積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体を複数のエリアに分割するように、前記積層体の一部エッチングし、複数の積層ブロックを形成する工程と、
前記複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、前記第2のバリア層を覆い、かつ前記積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する工程と、
前記積層ブロックと重ならない領域において、前記絶縁層及び前記第2のバリア層の一部に、前記基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する工程と、を有し、
前記機能層は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、容量を含み、
前記第2のトランジスタ及び前記第3のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を含む、
半導体装置の製造方法。
A step of preparing a substrate,
Forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region;
A functional layer and a first barrier layer are alternately formed n times (n is an integer of 2 or more and 200 or less) on the first transistor, and the functional layer and the first barrier layer are alternately formed. Forming a laminated body in which n pieces are laminated in
A step of forming a plurality of laminated blocks by partially etching the laminated body so as to divide the laminated body into a plurality of areas;
Forming a second barrier layer that covers upper and side surfaces of the plurality of laminated blocks; and an insulating layer that covers the second barrier layer and is located between the laminated blocks,
Forming a plug electrode embedded in an opening reaching the substrate in a part of the insulating layer and the second barrier layer in a region that does not overlap with the stacked block,
The functional layer includes a second transistor, a third transistor, and a capacitor,
The second transistor and the third transistor include a metal oxide in a channel formation region,
Method of manufacturing semiconductor device.
請求項3において、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、前記第3のトランジスタのゲートとは、電気的に接続される、
半導体装置の製造方法。
In claim 3,
One of a source and a drain of the second transistor and a gate of the third transistor are electrically connected.
Method of manufacturing semiconductor device.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
厚さ方向に重なる複数の前記第2のトランジスタは、ソースまたはドレインの他方が、互いに電気的に接続されるように形成される、
半導体装置の製造方法。
In any one of Claim 1 thru|or Claim 4,
The plurality of second transistors overlapping in the thickness direction are formed such that the other of the source and the drain is electrically connected to each other.
Method of manufacturing semiconductor device.
基板搬入部と、第1の製造ラインと、第2の製造ラインと、第3の製造ラインと、基板搬出部と、第1の搬送経路と、第2の搬送経路と、を有する、半導体装置の製造装置であって、
前記基板搬入部は、搬入された基板を一時的に保管する部分であり、
前記第1の製造ラインは、前記基板の一部がチャネル形成領域となる第1のトランジスタを形成する機能を有し、
前記第2の製造ラインは、機能層と、第1のバリア層と、を、この順に形成する機能を有し、
前記第3の製造ラインは、複数の積層体を複数のエリアに分割するように、前記積層体の一部をエッチングし、複数の積層ブロックを形成する機能と、前記複数の積層ブロックの上面及び側面を覆う第2のバリア層と、前記第2のバリア層を覆い、かつ前記積層ブロック間に位置する絶縁層と、を形成する機能と、前記積層ブロックと重ならない領域において、前記絶縁層及び前記第2のバリア層の一部に、前記基板に達する開口内に埋め込まれるプラグ電極を形成する機能と、を有し、
前記基板搬出部は、工程が完了した前記基板を一時的に保管する部分であり、
前記第1の搬送経路は、前記第2の製造ラインから前記第3の製造ラインへ前記基板を搬送する機能を有し、
前記第2の搬送経路は、前記第2の製造ラインで工程が完了した前記基板を、前記第2の製造ラインへ搬送する機能を有する、
半導体装置の製造装置。
A semiconductor device having a substrate loading section, a first manufacturing line, a second manufacturing line, a third manufacturing line, a substrate unloading section, a first transfer path, and a second transfer path. Manufacturing equipment of
The substrate carry-in unit is a portion for temporarily storing the carried-in substrate,
The first manufacturing line has a function of forming a first transistor in which a part of the substrate serves as a channel formation region,
The second manufacturing line has a function of forming a functional layer and a first barrier layer in this order,
The third manufacturing line has a function of etching a part of the laminated body to form a plurality of laminated blocks so as to divide the plurality of laminated bodies into a plurality of areas, and a top surface of the plurality of laminated blocks. A function of forming a second barrier layer that covers a side surface and an insulating layer that covers the second barrier layer and is located between the stacked blocks, and the insulating layer and the insulating layer in a region that does not overlap with the stacked block. A function of forming a plug electrode embedded in an opening reaching the substrate in a part of the second barrier layer,
The substrate unloading unit is a part for temporarily storing the substrate for which the process has been completed,
The first transfer path has a function of transferring the substrate from the second manufacturing line to the third manufacturing line,
The second transport path has a function of transporting the substrate, which has been processed in the second manufacturing line, to the second manufacturing line.
Semiconductor device manufacturing equipment.
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