JP2023014361A - トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
以下では、本発明の一態様である酸化物半導体について、図1乃至図4を用いて説明する。
ここでは、酸化物半導体のキャリア(電子)は、酸素欠損内に取り込まれた水素(VOHまたはHOと呼ぶ場合がある。)によって主に生成されることを、図1を用いて説明する。具体的には、酸化物半導体を成膜した試料に対してHall効果測定および電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)測定を行い、酸素欠損内に取り込まれた水素とキャリア濃度の関係について調査した。
ここでは、酸素欠損の大きさは、酸素原子の大きさよりも小さくなる場合があることについて、計算を用いて説明する。
ここでは、酸素欠損内に取り込まれた窒素はキャリアを生成しないことについて、計算を用いて説明する。
以下では、本発明に係る酸化物半導体に適用可能な金属酸化物について説明する。該金属酸化物に窒素を導入することで、該金属酸化物のキャリア濃度が低い、i型化(真性化)または実質的にi型化された金属酸化物(酸化物半導体)を提供することができる。または、熱に強く、信頼性が高い金属酸化物(酸化物半導体)を提供することができる。
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS(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)、非晶質酸化物半導体などがある。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図5乃至図7を用いて説明する。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図5(A)、図5(B)、および図5(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図5(A)は上面図であり、図5(B)は、図5(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図5(C)は、図5(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。なお、図5(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。
図6には、トランジスタ200を有する半導体装置の一例を示す。図6(A)は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図6(A)において一部の膜は省略されている。また、図6(B)は、図6(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図6(C)は、図6(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。
図7には、トランジスタ200を有する半導体装置の一例を示す。図7(A)は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図7(A)において一部の膜は省略されている。また、図7(B)は、図7(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図7(C)は、図7(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図8乃至図16を用いて説明する。なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。また、先の実施の形態に示した半導体装置の構成と共通する、本実施の形態に示す半導体装置の構成の詳細、および、同符号を付記した構造の詳細は、先の実施の形態の記載を参酌できる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図8(A)、図8(B)、および図8(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図8(A)は上面図であり、図8(B)は、図8(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図8(C)は、図8(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。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。
次に、図8に示す、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図9乃至図16を用いて説明する。また、図9乃至図16において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)にL1-L2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にW1-W2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図17(A)、図17(B)、および図17(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図17(A)は上面図であり、図17(B)は、図17(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図17(C)は、図17(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。なお、図17(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。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図18乃至図26を用いて説明する。なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。また、先の実施の形態に示した半導体装置の構成と共通する、本実施の形態に示す半導体装置の構成の詳細、および、同符号を付記した構造の詳細は、先の実施の形態の記載を参酌できる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図18(A)、図18(B)、および図18(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図18(A)は上面図であり、図18(B)は、図18(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図18(C)は、図18(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。なお、図18(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。
以下では、図18に示す、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図19乃至図26を用いて説明する。また、図19乃至図26において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、各図の(A)に示すL1-L2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、各図の(A)にW1-W2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。図27(A)、図27(B)、および図27(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。図27(A)は上面図であり、図27(B)は、図27(A)に示す一点鎖線L1-L2に対応する断面図であり、図27(C)は、図27(A)に示す一点鎖線W1-W2に対応する断面図である。なお、図27(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。
本実施の形態では、図28および図29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。
図28(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、およびコントロールロジック回路1460を有する。
図29(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(登録商標)(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ場合がある。図29(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(トップゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。
図29(D)乃至(G)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29(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、ゲート(トップ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(登録商標)(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM)と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、図30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。
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、ノート型のコンピュータ、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31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。
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図32に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
Claims (4)
- チャネル形成領域に半導体材料を有するトランジスタであって、
前記半導体材料は、金属元素と、窒素と、セリウム(Ce)と、を含む酸化物であり、
前記金属元素は、インジウム(In)と、元素M(Mはアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)又は錫(Sn))と、亜鉛(Zn)と、であり、
前記窒素は、前記酸化物の酸素欠損内に取り込まれている又は前記金属元素の原子と結合している、トランジスタ。 - 請求項1において、
前記酸化物のキャリア濃度は、5×1017cm-3未満である、トランジスタ。 - 請求項1又は請求項2において、
前記酸化物において、前記窒素の原子数の比率が、1.2atomic%未満である、トランジスタ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記酸化物に対して電子を照射した場合において、
前記電子の累積照射線量が3.6×108e-/nm2以下である場合に、前記酸化物の構造変化が観察されない、トランジスタ。
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