JP2020127040A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電気機器は全て半導体装置である。
回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。
トランジスタに適用可能な半導体としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、そ
の他の材料として酸化物半導体が注目されている。
物半導体層を用いたトランジスタが特許文献1に開示されている。
特許文献2、特許文献3に開示されている。
が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体層を用いたトランジスタの低いリー
ク特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献4参照。)。
すると、オン電流、オフ電流、しきい値、S値(サブスレッショルドスイング値)などの
トランジスタの電気特性が悪化する場合がある(特許文献5参照)。一般に、チャネル長
を縮小すると、オン電流は増加するが、一方でオフ電流の増大、しきい値の変動の増大、
S値の増大が起こる。また、チャネル幅のみを縮小すると、オン電流が小さくなる。
的の一つとする。微細化に伴い顕著となる電気特性の悪化を抑制できる構成の半導体装置
を提供することを目的の一つとする。または、集積度の高い半導体装置を提供することを
目的の一つとする。または、オン電流の悪化を低減した半導体装置を提供することを目的
の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。ま
たは、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、電源が遮断
されてもデータが保持される半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、特
性の良い半導体装置を提供することを目的の一つとする。
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
体を間に挟んで設けられる第1のゲート電極と第2のゲート電極と、第1のゲート電極と
第1の半導体との間に設けられる電子捕獲層と、第2のゲート電極と第1の半導体との間
に設けられるゲート絶縁層を有する半導体装置である。
電位より高い状態として、125℃以上450℃以下で1秒以上維持することにより電子
捕獲層に電子を捕獲せしめることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
もよく、第2の半導体は、第1の半導体と第1のゲート電極の間にあり、第3の半導体は
、第1の半導体とゲート絶縁層の間にあってもよい。
いることが好ましい。
タル、アルミニウムシリケートのいずれか一を含む。
ができる。また、微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置
を提供することができる。または、集積度の高い半導体装置を提供することができる。ま
たは、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装
置を提供することができる。または、電源が遮断されてもデータが保持される半導体装置
を提供することができる。
れず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
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ことがある。
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」という用語は、入れ替
えて用いることができるものとする。
ために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
本実施の形態では、半導体層と電子捕獲層とゲート電極とを有する半導体装置の構成およ
び動作原理、および、それを応用した回路について説明する。図1(A)は、半導体層1
01と電子捕獲層102とゲート電極103とゲート絶縁層104とゲート電極105と
を有する半導体装置である。
層102aと第2の絶縁層102bの積層体でもよいし、図1(C)に示されるような、
第1の絶縁層102a、第2の絶縁層102bと第3の絶縁層102cの積層体、あるい
は、さらに多層の絶縁層の積層体でもよい。また、図2に示されるように、絶縁体102
e中に、電気的に絶縁された導電層102dを有してもよい。絶縁体102eは複数の絶
縁層より形成されてもよい。
)に示す。図中、Ecは伝導帯下端、Evは価電子帯上端を示す。図3(A)では、ゲー
ト電極103の電位はソース電極あるいはドレイン電極(いずれも図示せず)の電位と同
じである。
ャップよりも大きく、第1の絶縁層102aの電子親和力は第2の絶縁層102bの電子
親和力よりも小さいものとするが、これに限られない。
の内部に電子捕獲準位106が存在する。ゲート電極103の電位を、ソース電極あるい
はドレイン電極の電位より高くすると、図3(B)に示すようになる。このように、一定
の条件下で、ゲート電極103の電位を、ソース電極あるいはドレイン電極の電位より高
くすることをしきい値適正化処理ともいう。ここで、ゲート電極103の電位は、ソース
電極あるいはドレイン電極より1V以上高くしてもよい。また、ゲート電極103の電位
は、この処理の終了した後にゲート電極105に印加される最高電位よりも低くてもよい
。この処理においては、代表的には、ゲート電極103の電位とソース電極あるいはドレ
イン電極の差は、4V未満とするとよい。
同じであるとよい。この処理において、半導体層101に存在する電子107は、より電
位の高いゲート電極103の方向に移動しようとする。そして、半導体層101からゲー
ト電極103の方向に移動した電子107のいくらかは、電子捕獲準位106に捕獲され
る。
は、いくつかの過程が考えられる。第1は、トンネル効果によるものである。トンネル効
果は、第1の絶縁層102aが薄いほど顕著となる。ただし、この場合、電子捕獲準位1
06に捕獲された電子が、トンネル効果により、再度、半導体層101に戻ってしまうこ
とがある。
が比較的厚い場合でも、トンネル効果(Fowler−Nordheimトンネル効果)
を発現させることもできる。Fowler−Nordheimトンネル効果の場合には、
ゲート電極103と半導体層101の間の電場の自乗に比例してトンネル電流が増加する
。
準位をホッピングしながら、第2の絶縁層102bに到達するものである。これは、Po
ole−Frenkel伝導といわれる伝導機構であり、絶対温度が高いほど、捕獲準位
が浅いほど、電気伝導性が高まる。
である。半導体層101に存在する電子の分布はフェルミ・ディラック分布にしたがい、
一般的には、エネルギーの高い電子の比率は、高温であるほど多くなる。例えば、フェル
ミ面から3電子ボルトだけ高いエネルギーを有する電子の300K(27℃)での密度を
1としたとき、450K(177℃)では、6×1016、600K(327℃)では、
1.5×1025、750K(477℃)では、1.6×1030となる。
る過程は、上記の3つの方法とそれらの組み合わせで生じていると考えられる。特に、第
2の方法、第3の方法は、温度が高いと指数関数的に電流が増大することを示す。
の薄い部分(エネルギーの大きな部分)の電子の密度が高いほど起こりやすいので、温度
が高いことが有利である。
合には、きわめて微弱であることが多いが、長時間の処理により、必要とする量の電子を
電子捕獲準位106に捕獲せしめることができる。この結果、電子捕獲層102は負に帯
電する。
いは、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲー
ト電極103の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表
的には1分以上維持することで、半導体層101からゲート電極103に向かって、必要
とする電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位106に捕獲される。このよう
に電子を捕獲する処理のための温度を、以下、処理温度という。
御できる。電子捕獲準位106に相応の量の電子が捕獲されると、その電荷のために、ゲ
ート電極103の電場が遮蔽され、半導体層101に形成されるチャネルが消失する。
増加率が低下し、やがて、一定の値に収斂する。収斂する値は、ゲート電極103の電位
に依存し、電位が高いほどより多くの電子が捕獲される傾向にあるが、電子捕獲準位10
6の総数を上回ることはない。
められる。そのためには、第1には、第1の絶縁層102aおよび第2の絶縁層102b
の厚さが、トンネル効果が問題とならない程度の厚さであることが好ましい。例えば、物
理的な厚さが1nmより大きいことが好ましい。
下とすることが好ましい。また、半導体装置のチャネル長に比較して、第1の絶縁層10
2a、第2の絶縁層102bが厚すぎると、サブスレショールド値が増加し、オフ特性が
悪化するので、チャネル長は、第1の絶縁層102aと第2の絶縁層102bの酸化シリ
コン換算の厚さ(Equivalent Silicon Oxide Thickne
ss)の4倍以上、代表的には10倍以上であるとよい。なお、いわゆるHigh−K材
料では、酸化シリコン換算の厚さが物理的な厚さよりも小さくなる。
102bの、酸化シリコン換算の厚さは、1nm以上25nm以下とするとよい。
えられる。例えば、電子が、3電子ボルトの障壁を乗り越える確率は、120℃のときは
300℃のときの10万分の1未満である。したがって、300℃で処理の際には障壁を
乗り越えて容易に電子捕獲準位106に捕獲される電子が、120℃で保管時には、障壁
を乗り越えることが困難となり、電子が長期にわたって、電子捕獲準位106に捕獲され
た状態となる。
していることも有効である。この場合には、半導体層101から第1の絶縁層102aお
よび第2の絶縁層102bへのホールの注入がなく、したがって、電子捕獲準位106に
捕獲された電子がホールと結合して消滅することもない。
よい。Poole−Frenkel伝導は、上述のように、材料中の欠陥準位等を電子が
ホッピング伝導するものであり、欠陥準位の多い、あるいは、欠陥準位の深い材料は十分
に電気伝導性が低く、電子捕獲準位106に捕獲された電子を長時間にわたって保持でき
る。
な電圧がかからないように回路設計、材料選定をおこなってもよい。例えば、In−Ga
−Zn系酸化物半導体のように、ホールの有効質量が極めて大きい、あるいは、実質的に
局在化しているような材料では、ゲート電極103の電位が、ソース電極あるいはドレイ
ン電極の電位より高い場合にはチャネルが形成されるが、低い場合には、絶縁体と同様な
特性を示す。この場合には、ゲート電極103と半導体層101の間の電場が極めて小さ
くなり、Fowler−Nordheimトンネル効果、あるいは、Poole−Fre
nkel伝導による電子伝導は著しく低下する。
02cの電子親和力を、第2の絶縁層102bの電子親和力よりも小さくし、第3の絶縁
層102cのバンドギャップを、第2の絶縁層102bのバンドギャップよりも大きくす
ると、第2の絶縁層102bの内部、あるいは、他の絶縁層との界面にある電子捕獲準位
に捕獲された電子を保持する上で効果的である。
に厚ければ、電子捕獲準位106に捕獲された電子を保持できる。第3の絶縁層102c
としては、第1の絶縁層102aと同じまたは同様な材料を用いることができる。また、
第2の絶縁層102bと同じ構成元素であるが、電子捕獲準位が十分に少ないものも用い
ることができる。電子捕獲準位の数(密度)は、形成方法によって異なる。
合も、上記と同様な原理によって、導電層102dに電子が捕獲される。図3(C)およ
び図3(D)にその例を示す。図3(C)では、ゲート電極103の電位はソース電極あ
るいはドレイン電極の電位と同じである。
3(D)に示すようになる。半導体層101に存在する電子は、より電位の高いゲート電
極103の方向に移動しようとする。そして、半導体層101からゲート電極103の方
向に移動した電子のいくらかは、導電層102dに捕獲される。すなわち、図2に示され
る半導体装置において、導電層102dは、図1(B)の半導体装置における電子捕獲準
位106と同等の機能を有する。
高くなり、捕獲された電子が他へ移動することを抑制できる。
、それぞれ複数の絶縁層より構成されてもよい。また、同じ構成元素からなるが、形成方
法の異なる複数の絶縁層から構成されてもよい。
例えば、酸化ハフニウム)で構成する場合、第1の絶縁層102aは、化学気相堆積(C
VD)法あるいは原子層堆積(ALD法)で形成し、第2の絶縁層102bは、スパッタ
リング法で形成してもよい。
プラズマCVD(PECVD)法、有機金属CVD(MOCVD)法、減圧CVD(LP
CVD)法などの方法を用いることが出来る。よって、ある絶縁膜と別の絶縁膜とにおい
て、異なるCVD法を用いて、絶縁膜を形成してもよい。
縁層よりも欠陥を多く含み、電子を捕獲する性質が強い。同様な理由から、第2の絶縁層
102bと第3の絶縁層102cを同じ構成元素からなる絶縁層で構成する場合、第2の
絶縁層102bは、スパッタリング法で形成し、第3の絶縁層102cは、CVD法ある
いはALD法で形成してもよい。
うちの1つは、スパッタリング法で形成し、別の1つは、CVD法あるいはALD法で形
成してもよい。
に、半導体層101が、バンドギャップが大きな材料(ワイドバンドギャップ半導体)で
あると、ゲート電極103およびゲート電極105の電位をソース電極の電位と同じとし
たときのソースドレイン間の電流(カットオフ電流(Icut))を大幅に低下させるこ
とができる。
t密度(チャネル幅1μmあたりの電流値)は1zA/μm(1×10−21A/μm)
以下、代表的には、1yA/μm(1×10−24A/μm)以下とできる。
後での、室温でのソース電極ドレイン電極間のチャネル幅1μmあたりの電流(Id)の
ゲート電極105の電位(Vg)依存性を模式的に示したものである。なお、ソース電極
とゲート電極103の電位を0V、ドレイン電極の電位を+1Vとする。1fAより小さ
な電流は、直接は測定できないが、その他の方法で測定した値、サブスレショールド値等
をもとに推定できる。なお、このような測定方法に関しては、参考例を参照するとよい。
獲をおこなった後では、しきい値が増加し(プラス方向に移動し)、Vth2となる。ま
た、この結果、Vg=0での電流密度は、1aA/μm(1×10−18A/μm)以下
、例えば、1zA/μm以上1yA/μm以下となる。
制御する回路を考える。ここで、容量素子111の電極間のリーク電流は無視する。容量
素子111の容量が1fFであり、容量素子111のトランジスタ110側の電位が+1
V、Vdの電位が0Vであるとする。
ャネル幅が0.1μmであると、Icutは約1×10−15A(約1fA)であり、ト
ランジスタ110のこのときの抵抗は約1×1015Ωである。したがって、トランジス
タ110と容量素子111よりなる回路の時定数は約1秒である。すなわち、約1秒で、
容量素子111に蓄積されていた電荷の多くが失われてしまうことを意味する。
ャネル幅が0.1μmであると、Icutは約1×10−24A(約1yA)であり、ト
ランジスタ110のこのときの抵抗は約1×1024Ωである。したがって、トランジス
タ110と容量素子111よりなる回路の時定数は約1×109秒(=約31年)である
。すなわち、10年経過後でも、容量素子111に蓄積されていた電荷の1/3は残って
いることを意味する。
加しなくても、10年間の電荷の保持が可能である。このことは各種記憶装置に用いるこ
とができる。例えば、図5に示すようなメモリセルに用いることもできる。
23からなり、トランジスタ121は、図1(A)に示したように、電子捕獲層102を
有するトランジスタである。回路が形成された後で、上記に示したようなしきい値を増加
させる処理をおこない、Icutを低下させる。なお、図に示すように、電子捕獲層10
2中に電子を有するために、しきい値が変動したトランジスタは、通常のトランジスタと
は異なる記号を用いる。
であれば、読み出しワード線Pn、書き込みワード線Qn、しきい値補正用配線Tn、ビ
ット線Rm、ソース線Smが接続する。なお、すべてのしきい値補正用配線が接続するよ
うな回路配置とすることにより、すべてのしきい値補正用配線の電位は同じ値となるよう
にしてもよい。
みワード線、ソース線、ビット線の電位を0Vとする。そして、メモリセルが形成された
ウェハーあるいはチップを適切な温度に保持し、すべてのしきい値補正用配線の電位を適
切な値(例えば、+3V)として、適切な時間保持する。この結果、しきい値が適切な値
になる。
なるものでもよい。例えば、n行m列のメモリセルであれば、ワード線Qn、しきい値補
正用配線Tn、ビット線Rm、ソース線Snが接続する。しきい値補正の方法は図5(A
)のものと同様にできる。
場合には、その後の通常の使用において、電子捕獲層にさらに電子が追加されることは避
けることが望ましい。例えば、さらなる電子の追加はしきい値のさらなる増加を意味し、
回路の劣化をもたらす。
電極が電子捕獲層をはさんで、半導体層に向き合って存在すると、通常の使用時において
も、電子捕獲層に電子が捕獲される可能性がある。
リセルにおいては、しきい値補正用配線Tnの電位を、ビット線Rmのとりうる最低の電
位以下とすることが望ましい。
ルが完成した後、初期特性を測定し、良品を選別する。ここで、良品の基準は断線等によ
る回復不可能な動作不良に限定するとよい。まだ、しきい値が適正化されていないため、
容量素子の電荷を長時間保持することはできないが、そのことは選別の基準とはならない
。
な量の電子を捕獲させる。この操作は上述のとおりおこなう。ここで、しきい値補正用配
線がすべて接続されているのであれば、チップにパッドを設け、そこを介して電位を供給
することができる。このとき、ゲート電極103の電位と、ソース電極あるいはドレイン
電極のいずれか低い方の電位との差(ゲート電圧)は、1V以上4V未満であり、かつ、
このメモリセルが出荷された後でのゲート電極105とソース電極あるいはドレイン電極
のいずれか低い方の電位との差より低いものとする。
ていることが良品の条件の一つである。この段階では、しきい値に異常のあるチップは不
良品として、再度、電子注入をおこなってもよい。良品は、ダイシング、樹脂封止後、パ
ッケージ化して出荷する。
図1(B)に示す半導体装置において、第1の絶縁層102aと第2の絶縁層102bの
界面においてのみ電子が捕獲される場合、しきい値は、Q/C(ただし、Qは捕獲された
電子の面密度、Cは第1の絶縁層102aの誘電率)だけ増加する。
なることから、ゲート電極103の電位によって、しきい値の増加分を制御することもで
きる。
高くし、温度を150℃乃至250℃、代表的には200℃±20℃とする場合を考える
。電子捕獲層102に電子が捕獲される前の半導体装置のしきい値(第1のしきい値、V
th1)が+1.1Vであったとすると、当初は、半導体層101にチャネルが形成され
ており、電子捕獲層102に電子が捕獲される。その後、電子捕獲層102に捕獲される
電子の量が増加し、チャネルが消失する。この段階で、電子捕獲層102での電子の捕獲
はおこなわれなくなる。
段階でチャネルが消失するので、しきい値が、+1.5Vとなる。あるいは、電子捕獲層
102に捕獲された電子によって、しきい値が、0.4Vだけ高くなったと言える。この
ように電子捕獲層102に捕獲された電子によって変化した後のしきい値を第2のしきい
値(Vth2)という。
値を適切な範囲内に収束させることもできる。例えば、第1のしきい値が+1.2V、+
1.1V、+0.9Vである3つの半導体装置があるとする。これらの半導体装置に、上
記の条件で処理をおこなえば、それぞれの半導体装置のしきい値が+1.5Vを大きく超
えるような電子の捕獲は生じないので、3つの半導体装置とも第2のしきい値を+1.5
V付近とすることができる。この場合、これら3つの半導体装置の電子捕獲層102に捕
獲される電子の量(あるいは電子の面密度等)は異なる。
るので、しきい値適正化処理の時間によっても、しきい値を目的とするものとすることが
できる。
、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、TaおよびWなどの導電層を用いることが
できる。また、ゲート電極103は、上記材料の積層であってもよい。また、ゲート電極
103には、窒素を含んだ導電層を用いてもよい。たとえば、ゲート電極103に窒化チ
タン層上にタングステン層の積層、窒化タングステン層上にタングステン層の積層、窒化
タンタル層上にタングステン層の積層などを用いることができる。
を決定する要因のひとつであり、一般に、仕事関数が小さい材料であると、しきい値が小
さくなる。しかしながら、上述のように、電子捕獲層102に捕獲する電子の量によりし
きい値を調整できるので、ゲート電極103の材料の選択の幅が広がる。
シリコンゲルマニウム以外に、後述する各種酸化物半導体を用いることができる。
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、酸化ネオジムお
よび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。
アルミニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどを一種以上含む絶縁層を用い
ることができる。
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、酸化ネオジムお
よび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。
Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Pdなどの導電層を用いる
ことができる。また、導電層102dは、上記材料の積層であってもよい。また、導電層
102dには、窒素を含んだ導電層を用いてもよい。
化亜鉛、In−Zn系酸窒化物、In−Ga系酸窒化物、In−Ga−Zn系酸窒化物等
の窒化物等を用いるとよい。
ン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルを用いるこ
とができる。
型半導体装置と同じである。MOS型半導体装置として用いる場合には、ゲート電極10
3の電位はつねに回路の最低電位とするとよい。
置のソース電極あるいはドレイン電極に接続する配線メタルの形成後、あるいは、前工程
(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工
場出荷前のいずれかの段階でおこなうとよい。いずれの場合にも、その後に125℃以上
の温度に1時間以上さらされないことが好ましい。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について図面を用いて説明する。なお、
以下では、主として、しきい値補正用のゲート電極が基板と半導体層の間に存在するトラ
ンジスタについて説明するが、しきい値補正用のゲート電極と基板の間にと半導体層が存
在するトランジスタであってもよい。
る。図7(A)は上面図であり、図7(A)に示す一点鎖線A−Bの断面が図7(B)、
一点鎖線C−Dの断面が図7(C)に相当する。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図示している。また、一点鎖線A−B方向をチャネル長
方向、一点鎖線C−D方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
ト電極401と、基板400およびゲート電極401上に設けられた、凹部および凸部を
有する下地絶縁層402と、下地絶縁層402の凸部上の酸化物半導体層404aおよび
酸化物半導体層404bと、酸化物半導体層404aおよび酸化物半導体層404b上の
ソース電極406aおよびドレイン電極406bと、下地絶縁層402の凹部、下地絶縁
層402の凸部(または凹部)の側面、酸化物半導体層404aの側面、酸化物半導体層
404bの側面および酸化物半導体層404bの上面、ソース電極406aおよびドレイ
ン電極406bと接する酸化物半導体層404cと、酸化物半導体層404c上のゲート
絶縁層408と、ゲート絶縁層408上で接し、酸化物半導体層404bの上面および側
面に面するゲート電極410と、ソース電極406a、ドレイン電極406b、およびゲ
ート電極410上の酸化物絶縁層412と、を有する。
層402cを有し、実施の形態1で述べた電子捕獲層として機能する。また、酸化物半導
体層404a、酸化物半導体層404b、および酸化物半導体層404cを総称して多層
半導体層404と呼称する。
2bを厚くすることができる。たとえば、誘電率が16の酸化ハフニウムを用いることに
より、誘電率が3.9の酸化シリコンを用いる場合に比べて約4倍厚くすることが可能で
ある。このため、捕獲された電子の流出を防止する上で好ましい。なお、第1の絶縁層4
02a,第3の絶縁層402cの厚さは、いずれも、1nm以上30nm以下、代表的に
は10nm以上20nm以下であり、第2の絶縁層402bの厚さは、1nm以上100
nm以下、代表的には5nm以上20nm以下である。
、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極
)との距離をいう。すなわち、図7(A)では、チャネル長は、酸化物半導体層404b
とゲート電極410とが重なる領域における、ソース電極406aとドレイン電極406
bとの距離となる。チャネル幅とは、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、ソ
ースまたはドレインの幅をいう。すなわち、図7(A)では、チャネル幅は、酸化物半導
体層404bとゲート電極410とが重なる領域における、ソース電極406aまたはド
レイン電極406bの幅をいう。
3の絶縁層402cと第2の絶縁層402bの界面、あるいは、第2の絶縁層402bの
内部に存在する電子捕獲準位に電子を捕獲することができる。このとき、電子捕獲準位に
捕獲される電子の量はゲート電極401の電位により制御できる。
められる。このようなトランジスタの構造を、Surrounded Channel(
S−Channel)構造とよぶ。なお、S−Channel構造では、電流は酸化物半
導体層404bの全体(バルク)を流れる。酸化物半導体層404bの内部を電流が流れ
ることで、界面散乱の影響を受けにくいため、高いオン電流を得ることができる。なお、
酸化物半導体層404bを厚くすると、オン電流を向上させることができる。
後退させながら電極や半導体層等を加工すると電極や半導体層等の端部が丸みを帯びる(
曲面を有する)場合がある。このような構成になることで、酸化物半導体層404b上に
形成されるゲート絶縁層408、ゲート電極410および酸化物絶縁層412の被覆性を
向上させることができる。また、ソース電極406aおよびドレイン電極406bの端部
に生じる恐れのある電界集中を緩和することができ、トランジスタの劣化を抑制すること
ができる。
えば、トランジスタのチャネル長を100nm以下、好ましくは40nm以下、さらに好
ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とし、かつ、トランジスタのチャネ
ル幅を100nm以下、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より
好ましくは20nm以下とする。本発明の一態様に係るトランジスタは、チャネル幅が上
記のように小さくても、S−channel構造を有することでオン電流を高めることが
できる。
基板であってもよい。この場合、トランジスタ450のゲート電極410、ソース電極4
06a、およびドレイン電極406bの少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的
に接続されていてもよい。
半導体層404に酸素を供給する役割を担うことができる。また、上述のように基板40
0が他のデバイスが形成された基板である場合、下地絶縁層402は、層間絶縁層として
の機能も有する。その場合、下地絶縁層402の表面には凹凸が形成されるため、表面が
平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishin
g)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
基板400側から酸化物半導体層404a、酸化物半導体層404b、酸化物半導体層4
04cが積層された構造を有している。また、酸化物半導体層404bは、酸化物半導体
層404aおよび酸化物半導体層404cで取り囲まれている構造となっている。また、
図7(C)に示すようにゲート電極410は、酸化物半導体層404bを電気的に取り囲
む構造になっている。
化物半導体層404cよりも電子親和力(真空準位から伝導帯下端までのエネルギー)が
大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差
(イオン化ポテンシャル)から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差(エネルギ
ーギャップ)を差し引いた値として求めることができる。
成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層40
4bよりも、0.05eV、0.07eV、0.1eV、0.15eVのいずれか以上で
あって、2eV、1eV、0.5eV、0.4eVのいずれか以下の範囲で真空準位に近
い酸化物半導体で形成することが好ましい。
うち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層404bにチャネルが形成さ
れる。すなわち、酸化物半導体層404bとゲート絶縁層408との間に酸化物半導体層
404cが形成されていることよって、トランジスタのチャネルがゲート絶縁層408と
接しない領域に形成される構造となる。
上含んで構成されるため、酸化物半導体層404bと下地絶縁層402が接した場合の界
面と比較して、酸化物半導体層404bと酸化物半導体層404aの界面に界面準位を形
成しにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしき
い値が変動することがある。したがって、酸化物半導体層404aを設けることにより、
トランジスタのしきい値などの電気特性のばらつきを低減することができる。また、当該
トランジスタの信頼性を向上させることができる。
上含んで構成されるため、酸化物半導体層404bとゲート絶縁層408が接した場合の
界面と比較して、酸化物半導体層404bと酸化物半導体層404cとの界面ではキャリ
アの散乱が起こりにくくなる。したがって、酸化物半導体層404cを設けることにより
、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
、Ge、Y、Zr、Sn、La、CeまたはHfを酸化物半導体層404bよりも高い原
子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を1.5倍以上、好
ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合する
ため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化
物半導体層404aおよび酸化物半導体層404cは酸化物半導体層404bよりも酸素
欠損が生じにくいということができる。
少なくともインジウム、亜鉛およびM(Al、Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La
、CeまたはHf等の金属)を含むIn−M−Zn酸化物であるとき、酸化物半導体層4
04aをIn:M:Zn=x1:y1:z1[原子数比]、酸化物半導体層404bをI
n:M:Zn=x2:y2:z2[原子数比]、酸化物半導体層404cをIn:M:Z
n=x3:y3:z3[原子数比]とすると、y1/x1およびy3/x3がy2/x2
よりも大きくなることが好ましい。y1/x1およびy3/x3はy2/x2よりも1.
5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上とする。このとき、酸化物半
導体層404bにおいて、y2がx2以上であるとトランジスタの電気特性を安定させる
ことができる。ただし、y2がx2の3倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度
が低下してしまうため、y2はx2の3倍未満であることが好ましい。
Mの原子数比率は、InとMの合計を100atomic%としたとき、好ましくはIn
が50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25
atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。また、酸化物半導体層404
bのZnおよびOを除いてのInとMの原子数比率は、InとMの合計を100atom
ic%としたとき、好ましくはInが25atomic%以上、Mが75atomic%
未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが66atomic%未満と
する。
以下、好ましくは3nm以上50nm以下とする。また、酸化物半導体層404bの厚さ
は、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましく
は3nm以上50nm以下とする。また、酸化物半導体層404bは、酸化物半導体層4
04aおよび酸化物半導体層404cより厚い方が好ましい。
ば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。特に
、酸化物半導体層404bにインジウムを含ませると、キャリア移動度が高くなるため好
ましい。
化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にする
ことが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャリア密度が、1×
1017/cm3未満であること、好ましくは1×1015/cm3未満であること、さ
らに好ましくは1×1013/cm3未満であることを指す。
元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密
度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体層中で不純物準位の形成に寄与す
る。当該不純物準位は捕獲となり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。し
たがって、酸化物半導体層404a、酸化物半導体層404b、酸化物半導体層404c
の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
y Ion Mass Spectrometry)分析において、例えば、酸化物半導
体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を
1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満
、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする部分を有していることが
好ましい。また、水素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸
化物半導体層のある領域において、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5
×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以
下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とする部分を有していること
が好ましい。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、
酸化物半導体層のある領域において、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは
5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3
以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする部分を有しているこ
とが好ましい。
半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないため
には、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域
において、シリコン濃度を1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×101
8atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とす
る部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または
、酸化物半導体層のある領域において、炭素濃度を1×1019atoms/cm3未満
、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018at
oms/cm3未満とする部分を有していればよい。
スタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5
V、または、10V程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流
を数yA/μmから数zA/μmにまで低減することが可能となる。
め、上記理由により多層半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジス
タのようにゲート絶縁層と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶
縁層と多層半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起
こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、多
層半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁層から離すことが好ましいといえる。
酸化物半導体層404cの積層構造とすることで、酸化物半導体層404bにチャネルを
形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタ
を形成することができる。
層404aおよび酸化物半導体層404cに相当する層としてエネルギーギャップが3.
5eVであるIn−Ga−Zn酸化物、酸化物半導体層404bに相当する層としてエネ
ルギーギャップが3.15eVであるIn−Ga−Zn酸化物を用い、多層半導体層40
4に相当する積層を作製して行っている。
れぞれ10nmとし、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ(HORIBA JO
BIN YVON社 UT−300)を用いて測定した。また、真空準位と価電子帯上端
のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Phot
oelectron Spectroscopy)装置(PHI社 VersaProb
e)を用いて測定した。
の差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差(電子親和力)から模式的
に示されるバンド構造の一部である。図8(A)は、酸化物半導体層404aおよび酸化
物半導体層404cと接して、酸化シリコン層を設けた場合のバンド図である。ここで、
Evacは真空準位のエネルギー、EcI1およびEcI2は酸化シリコン層の伝導帯下
端のエネルギー、EcS1は酸化物半導体層404aの伝導帯下端のエネルギー、EcS
2は酸化物半導体層404bの伝導帯下端のエネルギー、EcS3は酸化物半導体層40
4cの伝導帯下端のエネルギーである。
導体層404cにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物
半導体層404a、酸化物半導体層404b、酸化物半導体層404cを構成する元素が
共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化
物半導体層404a、酸化物半導体層404b、酸化物半導体層404cは組成が異なる
層の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
続接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するU字型の井
戸構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面に捕獲中心や再結合中心の
ような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、
積層された多層半導体層の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が
失われ、界面でキャリアが捕獲あるいは再結合により消滅してしまう。
れが異なっていてもよい。例えば、EcS3よりもEcS1が高いエネルギーを有する場
合、バンド構造の一部は、図8(B)のように示される。
層404cにIn:Ga:Zn=1:3:2、1:3:3、1:3:4、1:6:4また
は1:9:6(原子数比)、酸化物半導体層404bにIn:Ga:Zn=1:1:1ま
たは3:1:2(原子数比)のIn−Ga−Zn酸化物などを用いることができる。また
、EcS1>EcS3である場合は、酸化物半導体層404aにIn:Ga:Zn=1:
6:4または1:9:6(原子数比)、酸化物半導体層404bにIn:Ga:Zn=1
:1:1または3:1:2(原子数比)、酸化物半導体層404cにIn:Ga:Zn=
1:3:2、1:3:3、1:3:4(原子数比)のIn−Ga−Zn酸化物などを用い
ることができる。
ェル(井戸)となり、多層半導体層404を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸
化物半導体層404bに形成されることがわかる。なお、多層半導体層404は伝導帯下
端のエネルギーが連続的に変化しているため、U字型井戸(U Shape Well)
とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネル
ということもできる。
絶縁層との界面近傍には、不純物や欠陥に起因した捕獲準位が形成され得る。酸化物半導
体層404aおよび酸化物半導体層404cがあることにより、酸化物半導体層404b
と当該捕獲準位とを遠ざけることができる。ただし、EcS1またはEcS3と、EcS
2とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層404bの電子が酸化物半導体層40
4aまたは酸化物半導体層404cを超えて捕獲準位に達することがある。マイナスの電
荷となる電子が捕獲準位に捕獲されることで、トランジスタのしきい値はプラス方向にシ
フトしてしまう。
、EcS2との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー
差は、0.1eV以上が好ましく、0.15eV以上がより好ましい。
、結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジス
タに安定した電気特性を付与することができる。
層への拡散を防ぐために、酸化物半導体層404cは酸化物半導体層404bよりもIn
が少ない組成とすることが好ましい。
ることが好ましい。例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wなどを用いること
ができる。上記材料において、特に酸素と結合し易いTiや、後のプロセス温度が比較的
高くできることなどから、融点の高いWを用いることがより好ましい。なお、酸素と結合
し得る導電材料には、酸素が拡散し得る材料も含まれる。
素と結合し得る導電材料側に拡散する現象が起こる。当該現象は、温度が高いほど顕著に
起こる。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、上記現象に
より、多層半導体層のソース電極またはドレイン電極と接触した近傍の領域に酸素欠損が
発生し、層中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域はn型
化する。したがって、n型化した当該領域はトランジスタのソース領域またはドレイン領
域として作用させることができる。
型化した領域がトランジスタのチャネル長方向に延在することで短絡してしまうことがあ
る。この場合、トランジスタの電気特性には、しきい値のシフトにより、実用的なゲート
電圧でオンオフの制御ができない状態(導通状態)が現れる。そのため、チャネル長が極
短いトランジスタを形成する場合は、ソース電極およびドレイン電極に酸素と結合しやす
い導電材料を用いることが必ずしも好ましいとはいえない場合がある。
よりも酸素と結合しにくい導電材料を用いることが好ましい。当該導電材料としては、例
えば、窒化タンタル、窒化チタン、またはルテニウムを含む材料などを用いることができ
る。なお、当該導電材料を酸化物半導体層404bと接触させる構成として、当該導電材
料と前述した酸素と結合しやすい導電材料を積層してもよい。
ウム、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
ジムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。また、第2の絶縁
層402bには、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、アルミニウムシリケートなどを一
種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、第1の絶縁層402aと第3の絶縁層4
02cの厚さは、1nm以上30nm以下、好ましくは10nm以上20nm以下であり
、第2の絶縁層402bの厚さは、1nm以上20nm以下、好ましくは5nm以上10
nm以下である。
r、Mo、Ru、Ag、TaおよびWなどの導電層を用いることができる。また、ゲート
電極401とゲート電極410は、上記材料の積層であってもよい。また、ゲート電極4
01とゲート電極410には、窒素を含んだ導電層を用いてもよい。たとえば、ゲート電
極401とゲート電極410に窒化チタン層上にタングステン層の積層、窒化タングステ
ン層上にタングステン層の積層、窒化タンタル層上にタングステン層の積層などを用いる
ことができる。
てもよい。当該酸化物絶縁層には、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムおよび酸化タンタルを一種以上含む
絶縁層を用いることができる。また、当該酸化物絶縁層は上記材料の積層であってもよい
。
絶縁層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化物絶縁層をいう。好
ましくは、昇温脱離ガス分光法分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が1.0×
1019atoms/cm3以上である層とする。当該酸化物絶縁層から放出される酸素
はゲート絶縁層408を経由して多層半導体層404のチャネル形成領域に拡散させるこ
とができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損が形成された場合において
も酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得るこ
とができる。
の微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、特にチャネル幅
の縮小に直接起因して、オン電流は著しく低下する。
04bのチャネルが形成される領域を覆うように酸化物半導体層404cが形成されてお
り、チャネル形成層とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形
成層とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタ
のオン電流を高くすることができる。
ャリア数の減少により、電界効果移動度の低下が懸念される。しかしながら、本発明の一
態様のトランジスタにおいては、酸化物半導体層に垂直方向からのゲート電界に加えて、
側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層の全体的にゲート電
界が印加させることとなり、電流は酸化物半導体層のバルクを流れる。これによって、高
純度真性化による、電気特性の変動の抑制を達成しつつ、トランジスタの電界効果移動度
の向上を図ることが可能となる。
4a上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物半導体層404bを
三層構造の中間層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せ
て有する。そのため、酸化物半導体層404bは酸化物半導体層404aと酸化物半導体
層404cで取り囲まれた構造(また、ゲート電極410で電気的に取り囲まれた構造)
となり、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値の安定化や、S値を
小さくすることができる。したがって、Icutを下げることができ、消費電力を低減さ
せることができる。また、トランジスタのしきい値が安定化することから、半導体装置の
長期信頼性を向上させることができる。
は、トランジスタ470の上面図および断面図である。図9(A)は上面図であり、図9
(A)に示す一点鎖線A−Bの断面が図9(B)、一点鎖線C−Dの断面が図9(C)に
相当する。なお、図9(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示
している。
、ソース電極406aおよびドレイン電極406bとなる導電層のオーバーエッチングが
なく、下地絶縁層402がエッチングされていない形状となっている。
には、導電層と下地絶縁層402のエッチングでの選択比を大きくすればよい。
物半導体層404cで挟んでいる構成であったがこれに限られず、酸化物半導体層404
aおよび酸化物半導体層404cを有さず酸化物半導体層404bのみがゲート電極に電
気的に取り囲まれている構成としてもよい。
。
本実施の形態では、実施の形態2で説明した図7に示すトランジスタ450の作製方法に
ついて、図10および図11を用いて説明する。
、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、Ta、W、またはこれらを主成分とする合金材料
を用いて、導電層を堆積した後、平坦化およびエッチングしてゲート電極401を形成す
る(図10(A)参照)。導電層は、スパッタリング法やCVD法などにより形成するこ
とができる。
ことができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基
板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI(Silicon On I
nsulator)基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が
設けられたものを用いてもよい。
地絶縁層402を形成する(図10(B)参照)。
オンインプランテーション法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することに
よって、下地絶縁層402から多層半導体層404への酸素の供給をさらに容易にするこ
とができる。
タリング法、CVD法(MOCVD法、ALD法あるいはPECVD法を含む)、真空蒸
着法またはパルスレーザー堆積(PLD法)を用いて形成する(図10(C)参照)。こ
のとき、図示するように下地絶縁層402を若干過度にエッチングしてもよい。下地絶縁
層402を過度にエッチングすることで、後に形成するゲート電極410で酸化物半導体
層404cを覆いやすくすることができる。
酸化物半導体層404b上にハードマスクとなる層(たとえばタングステン層)およびレ
ジストマスクを設け、ハードマスクとなる層をエッチングしてハードマスクを形成し、そ
の後、ハードマスクを除去し、ハードマスクをマスクとして酸化物半導体層404a、酸
化物半導体層404bをエッチングする。その後、レジストマスクを除去する。この時、
エッチングするにつれて徐々にハードマスクが縮小していくため、自然にハードマスクの
端部が丸みを帯び、曲面を有する。これに伴い、酸化物半導体層404bの形状も端部が
丸みを帯び、曲面を有する。このような構成になることで、酸化物半導体層404b上に
形成される、酸化物半導体層404c、ゲート絶縁層408、ゲート電極410、酸化物
絶縁層412の被覆性が向上し、段切れ等の形状不良の発生を防ぐことができる。また、
ソース電極406aおよびドレイン電極406bの端部に生じる恐れのある電界集中を緩
和することができ、トランジスタの劣化を抑制することができる。
する酸化物半導体層404cを含めた積層において連続接合を形成するためには、ロード
ロック室を備えたマルチチャンバー方式の装置(例えばスパッタリング装置)を用いて各
層を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置
における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべ
く、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気(5×10−7
Paから1×10−4Pa程度まで)できること、かつ、基板を100℃以上、好ましく
は500℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラ
ップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しない
ようにしておくことが好ましい。
ッタリングガスの高純度化も必要である。スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやア
ルゴンガスは、露点が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100
℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体層に水分等が取り込まれるこ
とを可能な限り防ぐことができる。
半導体層404cには、実施の形態2で説明した材料を用いることができる。例えば、酸
化物半導体層404aにIn:Ga:Zn=1:3:4または1:3:2[原子数比]の
In−Ga−Zn酸化物、酸化物半導体層404bにIn:Ga:Zn=1:1:1[原
子数比]のIn−Ga−Zn酸化物、酸化物半導体層404cにIn:Ga:Zn=1:
3:4または1:3:2[原子数比]のIn−Ga−Zn酸化物を用いることができる。
て用いることのできる酸化物は、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を
含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物
半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビ
ライザーを含むことが好ましい。
ミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーと
しては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(P
r)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(
Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウ
ム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある
。
、Sn−Zn酸化物、Al−Zn酸化物、Zn−Mg酸化物、Sn−Mg酸化物、In−
Mg酸化物、In−Ga酸化物、In−Ga−Zn酸化物、In−Al−Zn酸化物、I
n−Sn−Zn酸化物、Sn−Ga−Zn酸化物、Al−Ga−Zn酸化物、Sn−Al
−Zn酸化物、In−Hf−Zn酸化物、In−La−Zn酸化物、In−Ce−Zn酸
化物、In−Pr−Zn酸化物、In−Nd−Zn酸化物、In−Sm−Zn酸化物、I
n−Eu−Zn酸化物、In−Gd−Zn酸化物、In−Tb−Zn酸化物、In−Dy
−Zn酸化物、In−Ho−Zn酸化物、In−Er−Zn酸化物、In−Tm−Zn酸
化物、In−Yb−Zn酸化物、In−Lu−Zn酸化物、In−Sn−Ga−Zn酸化
物、In−Hf−Ga−Zn酸化物、In−Al−Ga−Zn酸化物、In−Sn−Al
−Zn酸化物、In−Sn−Hf−Zn酸化物、In−Hf−Al−Zn酸化物を用いる
ことができる。
有する酸化物という意味である。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていても
よい。また、本明細書においては、In−Ga−Zn酸化物で構成した層をIGZO層と
も呼ぶ。
いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、MnおよびCoから選ばれた一つの金属元素また
は複数の金属元素を示す。また、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数
)で表記される材料を用いてもよい。
体層404cは、酸化物半導体層404bよりも電子親和力が小さくなるように材料を選
択する。
リング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリング
法等を用いることができる。特に、形成時に発生するゴミを低減でき、かつ厚さも均一と
できることからDCスパッタリング法を用いることが好ましい。
−Ga−Zn酸化物を用いる場合、In、Ga、Znの原子数比としては、例えば、In
:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=2:2:1、In:Ga:Zn=3:1
:2、In:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=1:3:4、In:Ga:Z
n=1:4:3、In:Ga:Zn=1:5:4、In:Ga:Zn=1:6:6、In
:Ga:Zn=2:1:3、In:Ga:Zn=1:6:4、In:Ga:Zn=1:9
:6、In:Ga:Zn=1:1:4、In:Ga:Zn=1:1:2のいずれかの材料
を用い、酸化物半導体層404aおよび酸化物半導体層404cの電子親和力が酸化物半
導体層404bのものよりも小さくなるようにすればよい。
c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C
=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+
(c−C)2≦r2を満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。
他の酸化物でも同様である。
cよりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のs軌
道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、s軌道の重なり
が強くなるため、InがGaよりも多い組成となる酸化物はInがGaと同等または少な
い組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層404bに
インジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現する
ことができる。
配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、
「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう
。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。
。
単結晶酸化物半導体層とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crys
talline Oxide Semiconductor)層、多結晶酸化物半導体層
、微結晶酸化物半導体層、非晶質酸化物半導体層などをいう。
晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。したがって、CAAC
−OS層に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方
体内に収まる大きさの場合も含まれる。
ron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結
晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CA
AC−OS層は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子
の各層は、CAAC−OS層の層を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸
を反映した形状であり、CAAC−OS層の被形成面または上面と平行に配列する。
M観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列しているこ
とを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られな
い。
いることがわかる。
置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS層
のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に由来するこ
とから、CAAC−OS層の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略
垂直な方向を向いていることが確認できる。
ane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、InGaZnO4の結晶の(110)面に由来する。InGaZnO4の単結晶酸化物
半導体層であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)とし
て試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に由
来するピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS層の場合は、2θを56°
近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行
な方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面TEM観察で確認された層状
に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS層の被形成面また
は上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、CAAC−OS層
の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS層の被形
成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
の結晶部が、CAAC−OS層の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面
近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CAA
C−OS層に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分
的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れ
る場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS層中の一部に、c軸配向性
を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS層は、2θが31°近傍に
ピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体層の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体層を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化
物半導体層から酸素を奪うことで酸化物半導体層の原子配列を乱し、結晶性を低下させる
要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径
(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体層内部に含まれると、酸化物半導体層の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体層に含まれる不純
物は、キャリア捕獲中心やキャリア発生源となる場合がある。
半導体層中の酸素欠損は、キャリア捕獲中心となることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。
実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体層
は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、
当該酸化物半導体層を用いたトランジスタは、しきい値がマイナスとなる電気特性(ノー
マリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真
性である酸化物半導体層は、キャリア捕獲中心が少ない。そのため、当該酸化物半導体層
を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
なお、酸化物半導体層のキャリア捕獲中心に捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く
、欠陥準位密度が高い酸化物半導体層を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる
場合がある。
の変動が小さい。
ない場合がある。微結晶酸化物半導体層に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下
、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm
以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocryst
al)を有する酸化物半導体層を、nc−OS(nanocrystalline Ox
ide Semiconductor)層と呼ぶ。また、nc−OS層は、例えば、TE
Mによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
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層は、異なる
結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、層全体で配向性が見られない。し
たがって、nc−OS層は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体層と区別が付かな
い場合がある。例えば、nc−OS層に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXR
D装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、nc−OS層に対し、結晶部よりも大きいプローブ
径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折(制限視野電子線回折ともいう。
)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS層に
対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径(例えば1nm以上30nm
以下)の電子線を用いる電子線回折(ナノビーム電子線回折ともいう。)を行うと、スポ
ットが観測される。また、nc−OS層に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描く
ように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS層に対
しナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合
がある。
ため、nc−OS層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
nc−OS層は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−O
S層は、CAAC−OS層と比べて欠陥準位密度が高くなる。
AC−OS層のうち、二種以上を有する積層であってもよい。
用い、スパッタリング法によって形成することができる。当該スパッタリング用ターゲッ
トにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面か
ら劈開し、a−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子と
して剥離することがある。この場合、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子は帯
電しているためプラズマ中で凝集せず、結晶状態を維持したまま基板に到達し、CAAC
−OS層を形成することができる。
、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガ
ス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また
、第1の加熱処理の雰囲気は、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以上含む雰囲気で行ってもよい。第1の加熱処理によっ
て、酸化物半導体層404bの結晶性を高め、さらに下地絶縁層402、酸化物半導体層
404aから水素や水などの不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体層40
4bを形成するエッチングの前に第1の加熱工程を行ってもよい。
よびドレイン電極406bとなる第1の導電層を形成する。第1の導電層としては、Al
、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W、またはこれらを主成分とする合金材料を用いるこ
とができる。例えば、スパッタリング法などにより100nmのチタン層を形成する。ま
たCVD法によりタングステン層を形成してもよい。
電極406aおよびドレイン電極406bを形成する(図10(D)参照)。
酸化物半導体層403cを形成する。
理は、第1の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第2の加熱処理により、酸化物
半導体層403cから水素や水などの不純物を除去することができる。また、酸化物半導
体層404aおよび酸化物半導体層404bから、さらに水素や水などの不純物を除去す
ることができる。
図11(A)参照)。絶縁層407は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(
有機金属化学堆積(MOCVD)法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学気相
堆積(PECVD)法を含む)、真空蒸着法またはパルスレーザー堆積(PLD)法など
を用いて形成することができる。
(B)参照)。第2の導電層409としては、Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y
、Zr、Mo、Ru、Ag、Ta、W、またはこれらを主成分とする合金材料を用いるこ
とができる。第2の導電層409は、スパッタリング法やCVD法などにより形成するこ
とができる。また、第2の導電層409としては、窒素を含んだ導電層を用いてもよく、
上記導電層と窒素を含んだ導電層の積層を用いてもよい。
を選択的にエッチングし、ゲート電極410を形成する(図11(C)参照)。なお、図
7(C)に示すように、ゲート電極410は、酸化物半導体層404bを電気的に取り囲
むように形成される。
的にエッチングし、ゲート絶縁層408を形成する。
3cをエッチングし、酸化物半導体層404cを形成する。
ト絶縁層408の上端部はゲート電極410の下端部と一致する。なお、ゲート電極41
0をマスクとしてゲート絶縁層408および酸化物半導体層404cを形成しているがこ
れに限られず、第2の導電層409の形成前にゲート絶縁層408および酸化物半導体層
404cを形成してもよい。
412を形成する(図7(B)、図7(C)参照)。酸化物絶縁層412は、第1の絶縁
層402aと同様の材料、方法を用いて形成することができる。酸化物絶縁層412とし
ては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル、もし
くは窒素を含む酸化物絶縁層を用いるとよい。酸化物絶縁層412は、スパッタリング法
、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、原子層成膜(ALD
)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む)、真空蒸着法またはパルス
レーザー堆積(PLD)法を用いてで形成することができ、多層半導体層404に対し酸
素を供給できるよう過剰に酸素を含む層とすることが好ましい。
で行うことができる。第3の加熱処理により、下地絶縁層402、ゲート絶縁層408、
酸化物絶縁層412から過剰酸素が放出されやすくなり、多層半導体層404の酸素欠損
を低減することができる。
は150℃以上300℃以下の温度で、ゲート電極401の電位をソース電極やドレイン
電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、多層半導体
層404からゲート電極401に向かって、必要とする電子が移動し、そのうちのいくら
かは第2の絶縁層402bの内部あるいは界面にある電子捕獲準位に捕獲される。このよ
うにして、捕獲される電子の量を制御して、しきい値の増加の程度を制御することができ
る。
。
本実施の形態では、プレナー構造のトランジスタについて説明する。
である。図12(A)は上面図であり、図12(A)に示す一点鎖線A−Bの断面が図1
2(B)、一点鎖線C−Dの断面が図12(C)に相当する。なお、図12(A)の上面
図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線A−B方
向をチャネル長方向、一点鎖線C−D方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
402と、下地絶縁層402上の酸化物半導体層404aおよび酸化物半導体層404b
と、酸化物半導体層404aおよび酸化物半導体層404b上のソース電極406aおよ
びドレイン電極406bと、下地絶縁層402、酸化物半導体層404a、酸化物半導体
層404b、ソース電極406aおよびドレイン電極406bと接する酸化物半導体層4
04cと、酸化物半導体層404c上のゲート絶縁層408と、ゲート絶縁層408上の
ゲート電極410と、ソース電極406a、ドレイン電極406b、およびゲート電極4
10上の酸化物絶縁層412と、を有する。また、下地絶縁層402は、第1の絶縁層4
02a、第2の絶縁層402b、第3の絶縁層402cを有し、実施の形態1で述べた電
子捕獲層として機能する。また、酸化物半導体層404a、酸化物半導体層404b、お
よび酸化物半導体層404cを総称して多層半導体層404と呼称する。
ャネル長およびチャネル幅がいずれも、多層半導体層404の厚さの2倍以上、代表的に
は10倍以上ということである。
、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極
)との距離をいう。すなわち、図12(A)では、チャネル長は、酸化物半導体層404
bとゲート電極410とが重なる領域における、ソース電極406aとドレイン電極40
6bとの距離となる。チャネル幅とは、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、
ソースとドレインとが平行に向かい合っている長さをいう。すなわち、図12(A)では
、チャネル幅は、酸化物半導体層404bとゲート電極410とが重なる領域における、
ソース電極406aとドレイン電極406bとが平行に向かい合っている長さをいう。
トランジスタ560の断面図である。トランジスタ550とトランジスタ560の違いは
、ゲート電極401がトランジスタ560は、ソース電極406aとは重なるが、ドレイ
ン電極406bと重ならないことである。このため、ゲート電極401とドレイン電極4
06bとの寄生容量を低減できる。逆に、ゲート電極401を、ドレイン電極406bと
は重なるが、ソース電極406aと重ならないように配置してもよい。
トランジスタ570の断面図である。トランジスタ560とトランジスタ570の違いは
、ゲート電極401が、トランジスタ570は、ソース電極406a、ドレイン電極40
6bのいずれとも重ならないことである。このため、ゲート電極401とソース電極40
6a、ドレイン電極406bとの寄生容量を低減できる。Icutを低減するには、チャ
ネルの一部でもしきい値が高ければよいので、このような構成とすることもできる。
物半導体層404cで挟んでいる構成であったがこれに限られず、酸化物半導体層404
aおよび酸化物半導体層404cを有さず酸化物半導体層404bのみがある構成として
もよい。あるいは、酸化物半導体層404a、酸化物半導体層404b、酸化物半導体層
404cのいずれか1つあるいいは2つだけで構成されてもよい。
。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について、図面
を参照して説明する。
導体装置の断面図をそれぞれ示す。図14(C)、図14(D)はそれぞれ、左側にトラ
ンジスタ450のチャネル長方向の断面図を示し、右側にチャネル幅方向の断面図を示し
ている。また回路図には、酸化物半導体が適用されたトランジスタであることを明示する
ために、「OS」の記載を付している。
ンジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタを有する。ここ
では、第2の半導体材料を用いたトランジスタとして、実施の形態2で例示したトランジ
スタ450を適用した例について説明する。
望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン、ゲル
マニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等など)とし、第
2の半導体材料を実施の形態2で説明した酸化物半導体とすることができる。酸化物半導
体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である
。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。
るが、nチャネル型のトランジスタを用いて異なる回路を構成できることは言うまでもな
い。また、酸化物半導体を用いた実施の形態2に示すようなトランジスタを用いる他は、
半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここ
で示すものに限定する必要はない。
とnチャネル型のトランジスタを直列に接続し、且つ、それぞれのゲートを接続した、い
わゆるCMOS回路の構成例について示している。
ため、回路の高速動作が可能となる。
トランジスタ450が設けられている。また、トランジスタ2200とトランジスタ45
0の間には複数の配線2202が設けられている。また各種絶縁層に埋め込まれた複数の
プラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続され
ている。また、トランジスタ450を覆う絶縁層2204と、絶縁層2204上に配線2
205と、トランジスタの一対の電極と同一の導電層を加工して形成された配線2206
と、が設けられている。
り高密度に複数の回路を配置することができる。
2200のソースまたはドレインの一方が配線2202やプラグ2203によって電気的
に接続されている。また、トランジスタ450のゲートは、配線2205、配線2206
、プラグ2203および配線2202などを経由して、トランジスタ2200のゲートと
電気的に接続されている。
め込むための開口部が設けられ、トランジスタ450のゲートとプラグ2203とが接す
る構成となっている。このような構成とすることで回路の集積化が容易であるのに加え、
図14(C)に示す構成と比較して経由する配線やプラグの数や長さを低減できるため、
回路をより高速に動作させることができる。
ジスタ2200の電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することが
できる。例えば図14(B)に示すように、それぞれのトランジスタのソースとドレイン
を接続した回路構成とすることにより、いわゆるアナログスイッチとして機能させること
ができる。
機能を有する半導体装置を作製することができる。
の電極がトランジスタ640の一方のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ6
40は、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線672に、ソースまたは
ドレインの他方がトランジスタ656のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され
ている。トランジスタ656は、一方のゲートがゲート信号線659に、ソースまたはド
レインの他方がフォトセンサ出力信号線671に電気的に接続されている。また、トラン
ジスタ640の他方のゲート(バックゲート)およびトランジスタ656の他方のゲート
(バックゲート)は接地線673に接続される。
型の導電型を有する)半導体層と、n型の導電型を有する半導体層を積層するpin型の
フォトダイオードを適用することができる。
ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際に、バックライトなどの光源を用い
ることができる。
一例を示した、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタを用いることができる
。図15では、トランジスタ640およびトランジスタ656が、酸化物半導体を含むこ
とを明確に判明できるよう、トランジスタの記号に「OS」と付記している。
ジスタであり、酸化物半導体層をゲート電極によって電気的に囲い込む構成を有すること
が好ましい。また、端部が丸みを帯び、曲面を有する酸化物半導体層を用いたトランジス
タであると、酸化物半導体層上に形成される層の被覆性を向上させることができる。また
、ソース電極およびドレイン電極の端部に生じる恐れのある電界集中を緩和することがで
き、トランジスタの劣化を抑制することができる。よって、トランジスタ640およびト
ランジスタ656は、電気的特性変動が抑制された電気的に安定なトランジスタである。
該トランジスタを含むことで、図15で示すイメージセンサ機能を有する半導体装置とし
て信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
。
本実施の形態では、少なくとも先の実施の形態で説明したトランジスタを用いることがで
き、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
の構成を示すブロック図である。
ic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラク
ションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ
1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1
198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェ
ース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基
板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は
、別チップに設けてもよい。もちろん、図16に示すCPUは、その構成を簡略化して示
した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例え
ば、図16に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含
み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算
回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64
ビットなどとすることができる。
デコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタ
ラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ
1195に入力される。
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行う。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するた
めの信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム
実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状
態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレ
スを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、および
レジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号
CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記
各種回路に供給する。
1196のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることができ
る。あるいは、キャッシュメモリに用いてもよい。
指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ11
96が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量
素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が
選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる
。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換え
が行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる
。
記憶素子700は、電源遮断で記憶データが揮発する回路701と、電源遮断で記憶デー
タが揮発しない回路702と、スイッチ703と、スイッチ704と、論理素子706と
、容量素子707と、選択機能を有する回路720と、を有する。回路702は、容量素
子708と、トランジスタ709と、トランジスタ710と、を有する。なお、記憶素子
700は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさら
に有していても良い。
。記憶素子700への電源電圧の供給が停止した際、回路702のトランジスタ709の
両方のゲート(第1ゲートおよび第2ゲート)には接地電位(GND)が入力される構成
とする。例えば、トランジスタ709のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成と
する。実施の形態1で説明したように、電子捕獲層に電子を捕獲せしめることでしきい値
が増大したトランジスタ709は、Icutがきわめて低く、容量素子708に蓄積され
た電荷が長期間保持される。
成され、スイッチ704は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトラン
ジスタ714を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ703の第1の端子はトラン
ジスタ713のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ703の第2の端子はトラン
ジスタ713のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ703はトランジスタ713
のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または
非導通(つまり、トランジスタ713のオン状態またはオフ状態)が選択される。スイッ
チ704の第1の端子はトランジスタ714のソースとドレインの一方に対応し、スイッ
チ704の第2の端子はトランジスタ714のソースとドレインの他方に対応し、スイッ
チ704はトランジスタ714のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子
と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ714のオン状態またはオ
フ状態)が選択される。
一方、およびトランジスタ710のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノ
ードM2とする。トランジスタ710のソースとドレインの一方は、低電位電源を供給す
ることのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ703の
第1の端子(トランジスタ713のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。ス
イッチ703の第2の端子(トランジスタ713のソースとドレインの他方)はスイッチ
704の第1の端子(トランジスタ714のソースとドレインの一方)と電気的に接続さ
れる。スイッチ704の第2の端子(トランジスタ714のソースとドレインの他方)は
電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ703の第
2の端子(トランジスタ713のソースとドレインの他方)と、スイッチ704の第1の
端子(トランジスタ714のソースとドレインの一方)と、論理素子706の入力端子と
、容量素子707の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部
分をノードM1とする。容量素子707の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力
される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(V
DD等)が入力される構成とすることができる。容量素子707の一対の電極のうちの他
方は、低電位電源を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される
。容量素子708の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすること
ができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される
構成とすることができる。容量素子708の一対の電極のうちの他方は、低電位電源を供
給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。
的に利用することによって省略することも可能である。
。なお、トランジスタ709の第2ゲート(第2のゲート電極)の電位は、GNDに保持
される。スイッチ703およびスイッチ704は、制御信号WEとは異なる制御信号RD
によって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のス
イッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第
2の端子の間は非導通状態となる。
応する信号が入力される。図17では、回路701から出力された信号が、トランジスタ
709のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ703の第2の端子
(トランジスタ713のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子70
6によってその論理値が反転された反転信号となり、回路720を介して回路701に入
力される。
ンの他方)から出力される信号は、論理素子706および回路720を介して回路701
に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ703の第2の端子(トランジス
タ713のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられるこ
となく、回路701に入力されてもよい。例えば、回路701内に、入力端子から入力さ
れた信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ703
の第2の端子(トランジスタ713のソースとドレインの他方)から出力される信号を当
該ノードに入力することができる。
とができる。第1ゲートには制御信号WEを入力し、第2ゲートには回路で最低の電位(
例えばGND)を入力すればよい。
709以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190に
チャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリ
コン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子70
0に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジス
タとすることもできる。または、記憶素子700は、トランジスタ709以外にも、チャ
ネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジス
タは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトラ
ンジスタとすることもできる。
た、論理素子706としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いること
ができる。
、回路701に記憶されていたデータを、回路702に設けられた容量素子708によっ
て保持することができる。
例えば、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有
するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。その
ため、当該トランジスタをトランジスタ709として用いることによって、記憶素子70
0に電源電圧が供給されない間も容量素子708に保持された信号は長期間にわたり保た
れる。こうして、記憶素子700は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を
保持することが可能である。
行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路701が元のデ
ータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
0のゲートに入力される。そのため、記憶素子700への電源電圧の供給が再開された後
、容量素子708によって保持された信号を、トランジスタ710の状態(オン状態、ま
たはオフ状態)に変換して、回路702から読み出すことができる。それ故、容量素子7
08に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出す
ことが可能である。
憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐこと
ができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰す
ることができる。よって、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、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑
えることができる。
0は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI
、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF−
ID(Radio Frequency Identification)にも応用可能
である。
ができる。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、デ
ジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ
)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレ
イヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い
機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図18に示す。
504、マイクロフォン505、スピーカー506、操作キー507、スタイラス508
等を有する。なお、図18(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部503と表示
部504とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない
。
13、第2表示部514、接続部515、操作キー516等を有する。第1表示部513
は第1筐体511に設けられており、第2表示部514は第2筐体512に設けられてい
る。そして、第1筐体511と第2筐体512とは、接続部515により接続されており
、第1筐体511と第2筐体512の間の角度は、接続部515により変更が可能である
。第1表示部513における映像を、接続部515における第1筐体511と第2筐体5
12との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部513およ
び第2表示部514の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装
置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパ
ネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォ
トセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加すること
ができる。
ーボード523、ポインティングデバイス524等を有する。
3等を有する。
操作キー544、レンズ545、接続部546等を有する。操作キー544およびレンズ
545は第1筐体541に設けられており、表示部543は第2筐体542に設けられて
いる。そして、第1筐体541と第2筐体542とは、接続部546により接続されてお
り、第1筐体541と第2筐体542の間の角度は、接続部546により変更が可能であ
る。表示部543における映像を、接続部546における第1筐体541と第2筐体54
2との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
イト554等を有する。
ができる。
、トランジスタを作製してオフ電流を求めた結果について説明する。使用した参考例トラ
ンジスタの構造は図7、図9、図10に示す、トランジスタ450と同様の構成である。
ただし、参考例トランジスタは、ゲート絶縁層に電子捕獲層としての機能がない。
)層を形成した。酸化窒化シリコン層は、スパッタリング法によりアルゴンおよび酸素(
アルゴン:酸素=25sccm:25sccm)混合雰囲気下において、圧力0.4Pa
、電源電力(電源出力)5.0kWを印加し、シリコン基板とターゲットとの間の距離を
60mm、基板温度100℃の条件によって形成した。
nmの酸化物半導体層を積層して形成した。形成条件は、第1の酸化物半導体層はIn:
Ga:Zn=1:3:2(原子数比)の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によ
りアルゴンおよび酸素(アルゴン:酸素=30sccm:15sccm)混合雰囲気下に
おいて、圧力0.4Pa、電源電力0.5kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を
60mm、基板温度200℃として形成し、第2の酸化物半導体層はIn:Ga:Zn=
1:1:1(原子数比)の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンお
よび酸素(アルゴン:酸素=30sccm:15sccm)混合雰囲気下において、圧力
0.4Pa、電源電力0.5kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基
板温度300℃として形成した。なお、第1の酸化物半導体層および第2の酸化物半導体
層は、大気曝露せずに連続形成を行った。
雰囲気下、450℃で行った。
vely Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法により、
三塩化ホウ素および塩素(BCl3:Cl2=60sccm:20sccm)雰囲気下、
電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.9Paにおいてエッチングして島状
の第1の酸化物半導体層および第2の酸化物半導体層に加工した。
イン電極となるタングステン層を厚さ100nm形成した。形成条件は、タングステンタ
ーゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴン(Ar=80sccm)雰囲気下にお
いて、圧力0.8Pa、電源電力(電源出力)1.0kWを印加し、シリコン基板とター
ゲットとの間の距離を60mm、基板温度230℃の条件によって形成した。
は、ICPエッチング法により、四弗化炭素、塩素および酸素(CF4:Cl2:O2=
45sccm:45sccm:55sccm)混合雰囲気下、電源電力3000W、バイ
アス電力110W、圧力0.67Paにて第1のエッチングを行い、その後、酸素(O2
=100sccm)雰囲気下、電源電力2000W、バイアス電力0W、圧力3.0Pa
にて第2のエッチングを行い、さらにその後、四弗化炭素、塩素および酸素(CF4:C
l2:O2=45sccm:45sccm:55sccm)混合雰囲気下、電源電力30
00W、バイアス電力110W、圧力0.67Paにて第3のエッチングを行い、ソース
電極およびドレイン電極を形成した。
化物半導体層を形成した。形成条件は、In:Ga:Zn=1:3:2(原子数比)の酸
化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素(アルゴン:酸素=
30sccm:15sccm)混合雰囲気下において、圧力0.4Pa、電源電力0.5
kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基板温度200℃とした。
シリコン層を、シランおよび一酸化二窒素(SiH4:N2O=1sccm:800sc
cm)混合雰囲気下、圧力200Pa、電源電力150kWを印加し、ターゲットと基板
の間の距離を28mm、基板温度350℃として形成した。
リング法により形成した。窒化チタン層の形成条件は、スパッタリング法により窒素(窒
素=50sccm)雰囲気下において、圧力0.2Pa、電源電力12kWを印加し、タ
ーゲットと基板の間の距離を400mm、基板温度25℃とした。タングステン層の形成
条件は、スパッタリング法によりアルゴン(Ar=100sccm)雰囲気下において、
圧力2.0Pa、電源電力1kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基
板温度230℃とした。
ングステン層の積層をエッチングした。エッチング条件は、塩素、四弗化炭素および酸素
(Cl2:CF4:O2=45sccm:55sccm:55sccm)混合雰囲気下、
電源電力3000W、バイアス電力110W、圧力0.67Paにおいて第1のエッチン
グを行い、第1のエッチングの後に塩素および三塩化ホウ素(Cl2:BCl3=50s
ccm:150sccm)混合雰囲気下、電源電力1000W、バイアス電力50W、圧
力0.67Paにおいて第2のエッチングを行い、ゲート電極を形成した。
し、その上に、厚さ150nmの酸化窒化シリコン層をCVD法により形成した。
50nm、チャネル幅は40nmであった。
は測定できないため、作製した参考例トランジスタを並列に25万個並べて接続し、実質
的なチャネル幅が10mm(40nm×25万)のトランジスタを作製してIcut密度
を求めた。
0VのときのId−Vg特性を示す。図19に示すようにオフ電流は10−13A以下(
つまり、オフ電流密度は、10−17A/μm以下)であることが確認された。
102 電子捕獲層
102a 第1の絶縁層
102b 第2の絶縁層
102c 第3の絶縁層
102d 導電層
102e 絶縁体
103 ゲート電極
104 ゲート絶縁層
105 ゲート電極
106 電子捕獲準位
107 電子
108 曲線
109 曲線
110 トランジスタ
111 容量素子
121 トランジスタ
122 トランジスタ
123 容量素子
124 トランジスタ
125 容量素子
400 基板
401 ゲート電極
402 下地絶縁層
402a 第1の絶縁層
402b 第2の絶縁層
402c 第3の絶縁層
403c 酸化物半導体層
404 多層半導体層
404a 酸化物半導体層
404b 酸化物半導体層
404c 酸化物半導体層
406a ソース電極
406b ドレイン電極
407 絶縁層
408 ゲート絶縁層
409 導電層
410 ゲート電極
412 酸化物絶縁層
450 トランジスタ
470 トランジスタ
501 筐体
502 筐体
503 表示部
504 表示部
505 マイクロフォン
506 スピーカー
507 操作キー
508 スタイラス
511 筐体
512 筐体
513 表示部
514 表示部
515 接続部
516 操作キー
521 筐体
522 表示部
523 キーボード
524 ポインティングデバイス
531 筐体
532 冷蔵室用扉
533 冷凍室用扉
541 筐体
542 筐体
543 表示部
544 操作キー
545 レンズ
546 接続部
550 トランジスタ
551 車体
552 車輪
553 ダッシュボード
554 ライト
560 トランジスタ
570 トランジスタ
602 フォトダイオード
640 トランジスタ
656 トランジスタ
658 フォトダイオードリセット信号
659 ゲート信号線
671 フォトセンサ出力信号線
672 フォトセンサ基準信号線
673 接地線
700 記憶素子
701 回路
702 回路
703 スイッチ
704 スイッチ
706 論理素子
707 容量素子
708 容量素子
709 トランジスタ
710 トランジスタ
713 トランジスタ
714 トランジスタ
720 回路
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
2200 トランジスタ
2201 絶縁層
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁層
2205 配線
2206 配線
Claims (1)
- ゲート電極と、
酸化物半導体層と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間の絶縁層と、
ソース電極と、
ドレイン電極と、を有し、
トランジスタのチャネル長方向において、前記酸化物半導体層の上面は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と接する領域を有し、
前記絶縁層は、酸化ハフニウムを有する半導体装置。
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