JP2024039361A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チャネル領域への水素の侵入を防止する水素トラップ領域を含む半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置は、酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層を覆う、酸化物絶縁層および酸化物半導体層の上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上のゲート電極と、ゲート電極を覆う、ゲート絶縁層およびゲート電極の上の保護絶縁層と、を含み、ゲート絶縁層は、ゲート電極と重畳する第１の領域と、ゲート電極と重畳せず、保護絶縁層と接する第２の領域と、を含み、酸化物絶縁層は、ゲート電極と重畳する第３の領域と、ゲート電極および前記酸化物半導体層と重畳せず、ゲート絶縁層と接する第４の領域と、を含み、酸化物半導体層のソース領域およびドレイン領域ならびに第２の領域は、不純物を含み、第２の領域の水素濃度は、第１の領域の水素濃度よりも大きい。【選択図】図１
Description
本発明の一実施形態は、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置に関する。
近年、アモルファスシリコン、低温ポリシリコン、および単結晶シリコンなどのシリコン半導体に替わり、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置の開発が進められている（例えば、特許文献１～特許文献６参照）。このような酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む半導体装置と同様に、単純な構造かつ低温プロセスで形成することができる。また、酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む半導体装置よりも高い電界効果移動度を有することが知られている。
酸化物半導体では、酸素欠陥に水素がトラップされるとキャリアが生成される。このメカニズムを利用し、半導体装置においては、酸化物半導体層に酸素欠陥を形成し、形成された酸素欠陥に水素を供給することによって、酸化物半導体層に、ソース電極およびドレイン電極と電気的に接続されるチャネル領域よりもキャリア濃度の大きいソース領域およびドレイン領域を形成することができる。一方で、酸化物半導体層のチャネル領域に水素が拡散すると、チャネルとして機能しなくなる。すなわち、チャネル領域への水素の拡散によって、半導体装置の電気特性における閾値電圧が変化するため、閾値電圧のばらつきが増大し、半導体装置の製造歩留まりが低下する。そのため、酸化物半導体層と接する絶縁層として、水素をトラップすることができる過剰酸素を含む酸化物を用い、チャネル領域への水素の侵入を防止する。
しかしながら、過剰酸素を含む酸化物は、電子トラップとして機能するため、このような酸化物を含む半導体装置は、信頼性が著しく低下する。したがって、信頼性を低下させることなく、酸化物半導体層のソース領域およびドレイン領域に水素を供給し、酸化物半導体層のチャネル領域への水素の侵入を防止することができる半導体装置が望まれている。
本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、チャネル領域への水素の侵入を防止する水素トラップ領域を含む半導体装置を提供することを目的の一つとする。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層を覆う、酸化物絶縁層および酸化物半導体層の上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上のゲート電極と、ゲート電極を覆う、ゲート絶縁層およびゲート電極の上の保護絶縁層と、を含み、ゲート絶縁層は、ゲート電極と重畳する第１の領域と、ゲート電極と重畳せず、保護絶縁層と接する第２の領域と、を含み、酸化物絶縁層は、ゲート電極と重畳する第３の領域と、ゲート電極および前記酸化物半導体層と重畳せず、ゲート絶縁層と接する第４の領域と、を含み、酸化物半導体層は、チャネル領域と、チャネル領域よりも大きなキャリア濃度を有するソース領域およびドレイン領域と、を含み、ソース領域、ドレイン領域、および第２の領域は、不純物を含み、第２の領域の水素濃度は、第１の領域の水素濃度よりも大きい。
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の開示はあくまで一例にすぎない。当業者が、発明の主旨を保ちつつ、実施形態の構成を適宜変更することによって容易に想到し得る構成は、当然に本発明の範囲に含有される。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。しかし、図示された形状はあくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
本明細書において、基板から酸化物半導体層に向かう方向を上または上方という。逆に、酸化物半導体層から基板に向かう方向を下または下方という。このように、説明の便宜上、上方または下方という語句を用いて説明するが、例えば、基板と酸化物半導体層との上下関係が図示と逆になるように配置されてもよい。以下の説明で、例えば基板上の酸化物半導体層という表現は、上記のように基板と酸化物半導体層との上下関係を説明しているに過ぎず、基板と酸化物半導体層との間に他の部材が配置されていてもよい。上方または下方は、複数の層が積層された構造における積層順を意味するものであり、半導体装置の上方の画素電極と表現する場合、平面視において、半導体装置と画素電極とが重ならない位置関係であってもよい。一方、半導体装置の鉛直上方の画素電極と表現する場合は、平面視において、半導体装置と画素電極とが重なる位置関係を意味する。
本明細書において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合により、互いに入れ替えることができる。
「表示装置」とは、電気光学層を用いて映像を表示する構造体を指す。例えば、表示装置という用語は、電気光学層を含む表示パネルを指す場合もあり、または表示セルに対して他の光学部材（例えば、偏光部材、バックライト、タッチパネル等）を装着した構造体を指す場合もある。「電気光学層」には、技術的な矛盾が生じない限り、液晶層、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）層、エレクトロクロミック（ＥＣ）層、電気泳動層が含まれ得る。したがって、後述する実施形態について、表示装置として、液晶層を含む液晶表示装置、および有機ＥＬ層を含む有機ＥＬ表示装置を例示して説明するが、本実施形態における構造は、上述した他の電気光学層を含む表示装置へ適用することができる。
本明細書において「αはＡ、ＢまたはＣを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣのいずれかを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣからなる群から選択される一つを含む」、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。
なお、以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。
＜第１実施形態＞
図１～図１５を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えば、表示装置、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）などの集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）、またはメモリ回路などに用いることができる。
図１～図１５を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えば、表示装置、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）などの集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）、またはメモリ回路などに用いることができる。
［１．半導体装置１０の構成］
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な平面図である。具体的には、図１は、図２のＡ－Ａ’線に沿って切断された断面図である。
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な平面図である。具体的には、図１は、図２のＡ－Ａ’線に沿って切断された断面図である。
図１に示すように、半導体装置１０は、基板１００、遮光層１０５、窒化物絶縁層１１０、酸化物絶縁層１２０、酸化物半導体層１４０、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極１６０、保護絶縁層１７０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３を含む。遮光層１０５は、基板１００の上に設けられている。窒化物絶縁層１１０は、遮光層１０５の上面および端面を覆い、基板１００の上に設けられている。酸化物絶縁層１２０は、窒化物絶縁層１１０の上に設けられている。酸化物半導体層１４０は、酸化物絶縁層１２０の上に設けられている。ゲート絶縁層１５０は、酸化物半導体層１４０の上面および端面を覆い、酸化物絶縁層１２０の上に設けられている。ゲート電極１６０は、酸化物半導体層１４０と重畳し、ゲート絶縁層１５０の上に設けられている。保護絶縁層１７０は、ゲート電極１６０の上面および端面を覆い、ゲート絶縁層１５０の上に設けられている。ゲート絶縁層１５０および保護絶縁層１７０には、酸化物半導体層１４０の上面の一部が露出される開口１７１および１７３が設けられている。ソース電極２０１は、保護絶縁層１７０の上および開口１７１の内部に設けられ、酸化物半導体層１４０と接している。同様に、ドレイン電極２０３は、保護絶縁層１７０の上および開口１７３の内部に設けられ、酸化物半導体層１４０と接している。なお、以下では、ソース電極２０１およびドレイン電極２０３を特に区別しない場合、これらを併せてソース・ドレイン電極２００という場合がある。
酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０を基準として、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、およびチャネル領域ＣＨに区分される。すなわち、酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０と重畳するチャネル領域ＣＨ、ならびにゲート電極１６０と重畳しないソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを含む。酸化物半導体層１４０の膜厚方向において、チャネル領域ＣＨの端部は、ゲート電極１６０の端部と一致している。チャネル領域ＣＨは、半導体の性質を有する。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの各々は、導体の性質を有する。そのため、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄのキャリア濃度は、チャネル領域ＣＨのキャリア濃度よりも大きい。ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、それぞれ、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄと接しており、酸化物半導体層１４０と電気的に接続されている。また、酸化物半導体層１４０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
図２に示すように、遮光層１０５およびゲート電極１６０の各々は、Ｄ１方向に一定の幅を有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に延在している。Ｄ１方向において、遮光層１０５の幅は、ゲート電極１６０の幅よりも大きい。チャネル領域ＣＨは、遮光層１０５と完全に重畳している。半導体装置１０において、Ｄ１方向は、酸化物半導体層１４０を介して、ソース電極２０１からドレイン電極２０３へ電流が流れる方向に対応する。そのため、チャネル領域ＣＨのＤ１方向の長さがチャネル長Ｌであり、チャネル領域ＣＨのＤ２方向の幅がチャネル幅Ｗである。
基板１００は、半導体装置１０を構成する各層を支持することができる。基板１００として、例えば、ガラス基板、石英基板、またはサファイア基板などの透光性を有する剛性基板を用いることができる。また、基板として、シリコン基板などの透光性を有しない剛性基板を用いることもできる。また、基板として、ポリイミド樹脂基板、アクリル樹脂基板、シロキサン樹脂基板、またはフッ素樹脂基板などの透光性を有する可撓性基板を用いることができる。基板１００の耐熱性を向上させるために、上記の樹脂基板に不純物を導入してもよい。なお、上述した剛性基板または可撓性基板の上に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜が成膜された基板を、基板１００として用いることもできる。
遮光層１０５は、外光を反射または吸収することができる。上述したように、遮光層１０５は、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨよりも大きい面積を有して設けられているため、チャネル領域ＣＨに入射する外光を遮光することができる。遮光層１０５として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、もしくはタングステン（Ｗ）、またはこれらの合金もしくは化合物などを用いることができる。また、遮光層１０５として、導電性が不要である場合には、必ずしも金属を含まなくてもよい。例えば、遮光層１０５として、黒色樹脂でなるブラックマトリクスを用いることもできる。また、遮光層１０５は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。例えば、遮光層１０５は、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、および青色カラーフィルタの積層構造であってもよい。
窒化物絶縁層１１０は、酸化物半導体層１４０に、基板１００に含まれる不純物（例えば、ナトリウムなど）または外部から侵入する不純物（例えば、水など）が拡散することを防止することができる。窒化物絶縁層１１０として、例えば、シリコンまたはアルミニウムを含む窒化物を用いることができる。具体的には、窒化物絶縁層１１０として、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）、または窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮｘＯｙ）などを用いることができる。窒化物絶縁層１１０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０の各々は、水素トラップ領域を含み、チャネル領域ＣＨへの水素の侵入を抑制することができる。水素トラップ領域の詳細は後述する。酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０の各々として、例えば、シリコンまたはアルミニウムを含む酸化物を用いることができる。具体的には、酸化物絶縁層１２０として、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、または酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯｘＮｙ）などを用いることができる。酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０の各々は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
保護絶縁層１７０は、酸化物半導体層１４０に、外部から侵入する不純物（例えば、水など）が拡散することを防止することができる。また、保護絶縁層１７０は、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄへの水素供給源として機能することができる。保護絶縁層１７０として、例えば、シリコンまたはアルミニウムを含む酸化物または窒化物を用いることができる。具体的には、保護絶縁層１７０として、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、もしくは酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯｘＮｙ）などの酸化物、または窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）、または窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮｘＯｙ）などの窒化物を用いることができる。保護絶縁層１７０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。なお、保護絶縁層１７０が積層構造である場合、保護絶縁層１７０は、酸化物の上に窒化物が積層された積層構造（窒化物／酸化物）であることが好ましい。
ここで、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）および酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯｘＮｙ）は、それぞれ、酸素（Ｏ）よりも少ない比率（ｘ＞ｙ）の窒素（Ｎ）を含有する酸化物である。また、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ）および窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮｘＯｙ）は、窒素よりも少ない比率（ｘ＞ｙ）の酸素を含有する窒化物である。
ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３は、導電性を有する。ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３の各々として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、もしくはビスマス（Ｂｉ）、またはこれらの合金もしくは化合物を用いることができる。ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３の各々は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
酸化物半導体層１４０として、インジウム（Ｉｎ）元素を含む２以上の金属元素を含む酸化物半導体が用いられる。インジウム元素以外の金属元素として、ガリウム（Ｇａ）元素、亜鉛（Ｚｎ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素、ハフニウム（Ｈｆ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ジルコニウム（Ｚｒ）元素、およびランタノイドが用いられる。酸化物半導体層１４０は、アモルファス構造を有していてもよく、多結晶構造を有していてもよい。
酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、酸化物半導体層１４０として、全金属元素に対するインジウム元素の比率が原子比率で５０％以上である酸化物半導体が用いられることが好ましい。インジウム元素の比率が大きくなると、酸化物半導体層１４０が結晶化しやすくなる。また、インジウム元素以外の金属元素として、ガリウム元素を含むことが好ましい。ガリウム元素は、インジウム元素と同じ第１３族元素に属する。そのため、酸化物半導体層１４０の結晶性がガリウム元素によって阻害されることなく、酸化物半導体層１４０は多結晶構造を有する。
酸化物半導体層１４０の詳細な製造方法は後述する半導体装置１０の製造方法において説明するが、酸化物半導体層１４０は、スパッタリング法を用いて形成することができる。スパッタリングによって形成される酸化物半導体層１４０の組成は、スパッタリングターゲットの組成に依存する。酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、スパッタリングターゲットの組成と酸化物半導体層１４０の組成とは略一致する。この場合、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、スパッタリングターゲットの金属元素の組成に基づき特定することができる。また、酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、Ｘ線回折（Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）法を用いて、酸化物半導体膜の組成を特定してもよい。具体的には、ＸＲＤ法から取得された酸化物半導体膜の結晶構造および格子定数に基づき、酸化物半導体膜の金属元素の組成を特定することができる。さらに、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、蛍光Ｘ線分析または電子プローブマイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）分析などを用いて特定することもできる。なお、酸化物半導体層１４０に含まれる酸素元素は、スパッタリングのプロセス条件などにより変化するため、この限りではない。
上述したように、酸化物半導体層１４０は、アモルファス構造を有していてもよく、多結晶構造を有していてもよい。多結晶構造を有する酸化物半導体は、Ｐｏｌｙ－ＯＳ（Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を用いて作製することができる。以下では、アモルファス構造を有する酸化物半導体と区別するとき、多結晶構造を有する酸化物半導体をＰｏｌｙ－ＯＳとして説明する場合がある。
［２．水素トラップ領域の構成］
水素トラップ領域は、酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０に形成される。そこで、図３および図４を参照して、酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０の構成について、さらに説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。具体的には、図３は、図１における領域Ｐを拡大した断面図である。なお、図３に示す領域Ｐは、ドレイン領域Ｄ近傍の領域であるが、ソース領域Ｓ近傍も領域Ｐと同様の構成を有する。
水素トラップ領域は、酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０に形成される。そこで、図３および図４を参照して、酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０の構成について、さらに説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。具体的には、図３は、図１における領域Ｐを拡大した断面図である。なお、図３に示す領域Ｐは、ドレイン領域Ｄ近傍の領域であるが、ソース領域Ｓ近傍も領域Ｐと同様の構成を有する。
ゲート絶縁層１５０は、第１の領域１５０－１および第２の領域１５０－２を含む。第１の領域１５０－１は、ゲート絶縁層１５０の膜厚方向（または、半導体装置１０の平面視）において、ゲート電極１６０と重畳する領域である。換言すると、第１の領域１５０－１は、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨおよびゲート電極１６０に接する領域である。第２の領域１５０－２は、ゲート絶縁層１５０の膜厚方向（または、半導体装置１０の平面視）において、ゲート電極１６０および酸化物半導体層１４０と重畳しない領域である。換言すると、第２の領域１５０－２は、酸化物半導体層１４０のドレイン領域Ｄの外側に位置し、保護絶縁層１７０および酸化物絶縁層１２０と接する領域である。
酸化物絶縁層１２０は、第３の領域１２０－１および第４の領域１２０－２を含む。第３の領域１２０－１は、酸化物絶縁層１２０の膜厚方向（または、半導体装置１０の平面視）において、ゲート電極１６０と重畳する領域である。換言すると、第３の領域１２０－１は、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨと接する領域である。第４の領域１２０－２は、酸化物絶縁層１２０の膜厚方向（または、半導体装置１０の平面視）において、ゲート電極１６０および酸化物半導体層１４０と重畳しない領域である。換言すると、第４の領域１２０－２は、酸化物半導体層１４０のドレイン領域Ｄの外側に位置し、ゲート絶縁層１５０と接する領域である。
第１の領域１５０－１と第３の領域１２０－１とは、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨを介して対向している。また、第２の領域１５０－２と第４の領域１２０－２とは、酸化物半導体層１４０のドレイン領域Ｄの外側において、互いに接している。
詳細は後述するが、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、ゲート電極１６０をマスクとした不純物のイオン注入によって形成される。不純物として、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などが用いられる。イオン注入によって、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄには酸素欠陥が生成される。そして、生成された酸素欠陥に水素がトラップされることにより、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは低抵抗化する。
イオン注入は、ゲート絶縁層１５０を介して行われるため、イオン注入によって、ゲート絶縁層１５０にダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。また、イオン注入によって、酸化物絶縁層１２０にもダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。なお、上述したように、ゲート電極１６０をマスクとして不純物のイオン注入が行われるため、ゲート電極１６０と重畳している領域には不純物が注入されず、ダングリングボンド欠陥ＤＢが生成されない。すなわち、図３に示すように、ゲート電極１６０と重畳する第１の領域１５０－１および第３の領域１２０－１は、ダングリングボンド欠陥ＤＢを含まない。一方、ゲート電極１６０と重畳しない第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２は、ダングリングボンド欠陥ＤＢを含む。例えば、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０として酸化シリコンが用いられるとき、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２には、シリコンのダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。
第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２のダングリングボンド欠陥ＤＢは、水素をトラップすることができる。すなわち、半導体装置１０では、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２が、水素トラップ領域として機能することができる。そのため、第２の領域１５０－２の水素濃度は、第１の領域１５０－１の水素濃度よりも大きい。同様に、第４の領域１２０－２の水素濃度は、第３の領域１２０－１の水素濃度よりも大きい。
第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２は、イオン注入された不純物を含む。イオン注入は、不純物の濃度プロファイルに基づいて行われ、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２に含まれる不純物の濃度分布は、濃度プロファイルと対応したものとなる。そのため、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２におけるダングリングボンド欠陥の欠陥量は、濃度プロファイルに基づいて制御することができる。
図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０において、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２にイオン注入される不純物の濃度プロファイルを示すグラフである。図４の横軸には、第２の領域１５０－２と第４の領域１２０－２との界面（または、ゲート絶縁層１５０と酸化物絶縁層１２０との界面）を０ｎｍとして、正方向に第４の領域１２０－２の深さ、および負方向に第２の領域１５０－２の深さが示されている。換言すると、正方向は、第４の領域１２０－２における界面からの位置を表し、負方向は、第２の領域１５０－２における界面からの位置を表す。図４には、４つの異なる濃度プロファイル（ａ）～（ｄ）が示されている。
水素トラップ領域が、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨへの水素の侵入を抑制するように機能するためには、所定の欠陥量を有するダングリングボンド欠陥ＤＢを形成する必要がある。また、酸化物半導体層１４０の上方に位置するゲート絶縁層１５０中だけでなく、酸化物半導体層１４０の下方に位置する酸化物絶縁層１２０中にも不純物がイオン注入され、ダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されることが好ましい。すなわち、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０中に、所定の欠陥量を有するダングリングボンド欠陥ＤＢを含む水素トラップ領域を形成することにより、半導体装置１０の電気特性を向上させることができる。
不純物の濃度プロファイルのピークは、第２の領域１５０－２内にあってもよく、第４の領域１２０－２内にあってもよい。図４では、濃度プロファイル（ａ）は第２の領域１５０－２内にピークを有し、濃度プロファイル（ｂ）～（ｄ）は第４の領域１２０－２内にピークを有する。
第４の領域１２０－２において、＋１６ｎｍの位置（すなわち、界面から酸化物絶縁層１２０の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置）における不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上であり（濃度プロファイル（ａ）～（ｄ）参照）、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３である（濃度プロファイル（ａ）～（ｃ）参照）。
また、第４の領域１２０－２において、＋４０ｎｍの位置（すなわち、界面から酸化物絶縁層１２０の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置）における不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上であり、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上であり、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上である。図４に示す濃度プロファイル（ａ）～（ｄ）は、いずれも上記範囲を満たす。
また、第４の領域１２０－２において、０ｎｍから＋４０ｎｍまでの領域（すなわち、界面から酸化物絶縁層１２０の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置までの領域）における不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。好ましくは、第４の領域において、０ｎｍから＋１００ｎｍまでの領域（すなわち、界面から酸化物絶縁層１２０の膜厚方向に１００ｎｍ離れた位置までの領域）における不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。さらに好ましくは、第４の領域において、０ｎｍから＋１５０ｎｍまでの領域（すなわち、界面から酸化物絶縁層１２０の膜厚方向に１５０ｎｍ離れた位置までの領域）における不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。図４に示す濃度プロファイル（ａ）～（ｄ）は、いずれも上記範囲を満たす。なお、酸化物絶縁層１２０の膜厚が１００ｎｍ未満であるとき、上述した範囲が酸化物絶縁層１２０の膜厚を超える場合がある。その場合、酸化物絶縁層１２０と窒化物絶縁層１１０との総膜厚が上述した範囲であればよい。すなわち、窒化物絶縁層１１０中に不純物が注入されていてもよい。但し、窒化物絶縁層１１０中の不純物濃度の最大が１×１０１９／ｃｍ３以下となるようにドーピング条件を調整することが好ましい。
第４の領域１２０－２における不純物の濃度が上記範囲であるとき、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０中に十分な欠陥量を有するダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。すなわち、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０が水素トラップ領域を含み、半導体装置１０の電気特性を向上させることができる。
以上、半導体装置１０の構成について説明したが、上述した半導体装置１０は、いわゆるトップゲート型トランジスタである。半導体装置１０は様々な変形が可能である。例えば、遮光層１０５が導電性を有する場合、半導体装置１０は、遮光層１０５がゲート電極として機能し、窒化物絶縁層１１０および酸化物絶縁層１２０がゲート絶縁層として機能する構成であってもよい。この場合、半導体装置１０は、いわゆるデュアルゲート型トランジスタである。また、遮光層１０５が導電性を有する場合、遮光層１０５はフローティング電極であってもよく、ソース電極２０１と接続されていてもよい。さらに、半導体装置１０は、遮光層１０５を主なゲート電極として機能させる、いわゆるボトムゲート型トランジスタであってもよい。
［３．半導体装置１０の製造方法］
図５～図１３を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示すフローチャートである。図６～図１３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示す模式的な断面図である。
図５～図１３を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示すフローチャートである。図６～図１３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示す模式的な断面図である。
図５に示すように、半導体装置１０の製造方法は、ステップＳ１０１０～ステップＳ１１２０を含む。以下、ステップＳ１０１０～ステップＳ１１２０を順に説明するが、半導体装置１０の製造方法は、ステップの順序が入れ替わる場合がある。また、半導体装置１０の製造方法は、さらなるステップが含まれていてもよい。
ステップＳ１０１０では、基板１００の上に所定のパターンを有する遮光層１０５が形成される（図６参照）。遮光層１０５のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。
ステップＳ１０２０では、遮光層１０５の上に、窒化物絶縁層１１０および酸化物絶縁層１２０が順に形成される（図７参照）。窒化物絶縁層１１０および酸化物絶縁層１２０は、ＣＶＤ法を用いて成膜される。例えば、窒化物絶縁層１１０および酸化物絶縁層１２０として、それぞれ、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜が成膜される。窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とは、同一チャンバー内で反応性ガスを変えることによって連続して成膜することもできる。
後述するステップにおいて、酸化物絶縁層１２０の所定の領域に水素トラップ機能を有するダングリングボンド欠陥が形成される。そのため、酸化物絶縁層１２０は、水素トラップとなる過剰酸素を含む膜でなくてもよく、３５０℃以上で成膜される欠陥の少ない緻密な膜であることが好ましい。酸化物絶縁層１２０が過剰酸素を含む膜である場合、半導体装置１０の信頼性が低下するが、酸化物絶縁層１２０を緻密な膜とすることにより、半導体装置１０の信頼性を向上させることができる。
窒化物絶縁層１１０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。また、酸化物絶縁層１２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
ステップＳ１０３０では、酸化物絶縁層１２０の上に酸化物半導体膜１４５が成膜される（図８参照）。酸化物半導体膜１４５は、スパッタリング法によって成膜される。酸化物半導体膜１４５の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
ステップＳ１０３０における酸化物半導体膜１４５はアモルファスである。Ｐｏｌｙ－ＯＳ技術において、酸化物半導体層１４０が基板面内で均一な多結晶構造を有するためには、成膜後かつ熱処理前の酸化物半導体膜１４５がアモルファスであることが好ましい。そのため、酸化物半導体膜１４５の成膜条件は、成膜直後の酸化物半導体層１４０ができるだけ結晶化しない条件であることが好ましい。スパッタリング法によって酸化物半導体膜１４５が成膜される場合、被成膜対象物（基板１００および基板１００上に形成された層）の温度を１００℃以下、好ましくは８０℃以下、さらに好ましくは５０℃以下に制御しながら酸化物半導体膜１４５が成膜される。また、酸素分圧の低い条件の下で酸化物半導体膜１４５が成膜される。酸素分圧は、２％以上２０％以下であり、好ましくは３％以上１５％以下であり、さらに好ましくは３％以上１０％以下である。
ステップＳ１０４０では、酸化物半導体膜１４５のパターニングが行われる（図９参照）。酸化物半導体膜１４５のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。酸化物半導体膜１４５のエッチングとして、ウェットエッチングが用いられてもよく、ドライエッチングが用いられてもよい。ウェットエッチングでは、酸性のエッチャントを用いてエッチングを行うことができる。エッチャントとして、例えば、シュウ酸、ＰＡＮ、硫酸、過酸化水素水、またはフッ酸を用いることができる。ステップＳ１０４０における酸化物半導体膜１４５はアモルファスであるため、ウェットエッチングにより酸化物半導体膜１４５を容易に所定の形状にパターニングすることができる。
ステップＳ１０５０では、酸化物半導体膜１４５に対して熱処理が行われる。以下、ステップＳ１０５０で行われる熱処理を「ＯＳアニール」という。ＯＳアニールでは、酸化物半導体膜１４５が、所定の到達温度で所定の時間保持される。所定の到達温度は、３００℃以上５００℃以下であり、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下である。また、到達温度での保持時間は、１５分以上１２０分以下であり、好ましくは３０分以上６０分以下である。ＯＳアニールにより、酸化物半導体膜１４５が結晶化され、多結晶構造を有する酸化物半導体層１４０（すなわち、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む酸化物半導体層１４０）が形成される。
ステップＳ１０６０では、酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が成膜される（図１０参照）。ゲート絶縁層１５０は、ＣＶＤ法を用いて成膜される。例えば、ゲート絶縁層１５０として、酸化シリコンが成膜される。ゲート絶縁層１５０の欠陥を低減するため、３５０℃以上の成膜温度でゲート絶縁層１５０を成膜してもよい。ゲート絶縁層１５０の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、さらに好ましくは７０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
ステップＳ１０７０では、酸化物半導体層１４０に対して熱処理が行われる。以下、ステップＳ１０７０で行われる熱処理を「酸化アニール」という。酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が形成されると、酸化物半導体層１４０の上面および側面には多くの酸素欠陥が生成される。酸化物半導体層１４０が酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０によって囲まれた状態で酸化アニールが行われると、酸化物絶縁層１２０およびゲート絶縁層１５０を介して酸化物半導体層１４０に酸素が供給され、酸化物半導体層１４０の酸素欠陥が修復される。
ステップＳ１０８０では、ゲート絶縁層１５０の上に所定のパターンを有するゲート電極１６０が形成される（図１１参照）。ゲート電極１６０は、スパッタリング法または原子層体積法によって成膜され、ゲート電極１６０のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。
ステップＳ１０９０では、酸化物半導体層１４０中にソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが形成される（図１２参照）。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、イオン注入によって形成される。イオン注入は、イオンドーピング装置またはイオン注入装置を用いて行うことができる。具体的には、ゲート電極１６０をマスクとして、ゲート絶縁層１５０を介して酸化物半導体層１４０に不純物が注入される。注入される不純物として、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などが用いられる。ゲート電極１６０と重畳しないソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄでは、イオン注入によって酸素欠陥が生成され、生成された酸素欠陥に水素がトラップされる。これにより、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの抵抗が低下する。一方、ゲート電極１６０と重畳するチャネル領域では、不純物が注入されないため、酸素欠陥が生成されず、チャネル領域ＣＨの抵抗は低下しない。
また、ステップＳ１０９０では、ゲート絶縁層１５０を介して酸化物絶縁層１２０にも不純物が注入される。ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０では、イオン注入によってダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。また、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０は、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などの不純物を含む。
ステップＳ１１００では、ゲート絶縁層１５０およびゲート電極１６０の上に保護絶縁層１７０が形成される（図１３参照）。保護絶縁層１７０は、ＣＶＤ法を用いて成膜される。例えば、保護絶縁層１７０として、酸化シリコン膜および窒化シリコン膜が成膜される。保護絶縁層１７０の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
ここで、図１５および図１６を参照して、ステップＳ１０９０およびステップＳ１１００について、さらに詳細に説明する。図１５および図１６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法において、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２の水素トラップ機能を説明する模式的な断面図である。
図１５に示すように、ステップＳ１０９０が行われると、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０中に、それぞれ、ダングリングボンド欠陥ＤＢを有する第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２が形成される。ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置および欠陥量は、イオン注入のプロセスパラメータ（例えば、ドーズ量、加速電圧、プラズマ電力など）を調整することで制御することができる。ドーズ量は、１×１０１４／ｃｍ２以上であり、好ましくは５×１０１４／ｃｍ２以上であり、さらに好ましくは１×１０１５／ｃｍ２以上であるが、これに限られない。また、加速電圧は、１０ｋｅＶ超であり、好ましくは１５ｋｅＶ以上であり、さらに好ましくは２０ｋｅＶ以上である。第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２では、ダングリングボンド欠陥ＤＢが水素をトラップすることができる。すなわち、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２は、水素トラップ領域として機能することができる。
保護絶縁層１７０が外部からの不純物の拡散防止の機能を有するためには、保護絶縁層１７０は、３５０℃以上で成膜される欠陥の少ない緻密な膜であることが好ましい。前述のような条件で成膜される保護絶縁層１７０は、通常、多くの水素を含む。また、成膜温度が高いため、保護絶縁層１７０の成膜中において、ゲート絶縁層１５０中に水素が拡散する。そのため、少なくともゲート絶縁層１５０に水素トラップ領域が形成されていないと、ゲート絶縁層１５０を介して、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄだけでなく、チャネル領域ＣＨにまで水素が拡散してしまう。
図１６に示すように、ステップＳ１１００において、ゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０中に、それぞれ、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２が形成されていると、保護絶縁層１７０の成膜において、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２中のダングリングボンド欠陥ＤＢが、保護絶縁層１７０から拡散される水素をトラップする。そのため、ステップＳ１１００において、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨへの水素の侵入を抑制することができる。また、保護絶縁層１７０として、水素を含む緻密な膜を用いることができるため、酸素欠陥を含むソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに十分な量の水素を供給することができる。
以上説明したように、ステップＳ１０９０においてゲート絶縁層１５０および酸化物絶縁層１２０中に水素トラップ領域を形成することにより、ステップＳ１１００以降においてチャネル領域ＣＨへの水素の侵入を抑制することができる。その一方で、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの酸素欠陥に十分な量の水素を供給することができる。したがって、
プロセス起因によるばらつきが低減されるため、半導体装置１０の電気特性のばらつきを抑制することができる。換言すると、半導体装置の製造歩留まりが向上する。
プロセス起因によるばらつきが低減されるため、半導体装置１０の電気特性のばらつきを抑制することができる。換言すると、半導体装置の製造歩留まりが向上する。
再び、図５に戻り、ステップＳ１１１０以降について説明する。
ステップＳ１１１０では、ゲート絶縁層１５０および保護絶縁層１７０に開口１７１および１７３が形成される（図１４参照）。開口１７１および１７３の形成により、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが露出される。
ステップＳ１１２０では、ソース電極２０１が、保護絶縁層１７０の上および開口１７１の内部に形成され、ドレイン電極２０３が、保護絶縁層１７０の上および開口１７３の内部に形成される。ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、同一層として形成される。具体的には、ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、成膜された１つの導電膜をパターニングして形成される。以上のステップにより、図１に示す半導体装置１０が製造される。
以上、半導体装置１０の製造方法について説明したが、半導体装置１０の製造方法はこれに限られない。例えば、保護絶縁層１７０に不純物を注入するステップが含まれていてもよい。ここで、図１７を参照して、保護絶縁層１７０に不純物が注入するステップについて説明する。図１７は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法において、保護絶縁層１７０の水素トラップ機能を説明する模式的な断面図である。
図１７に示すように、保護絶縁層１７０に不純物が注入されると、保護絶縁層１７０にダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。この場合、第２の領域１５０－２および第４の領域１２０－２中のダングリングボンド欠陥ＤＢだけでなく、保護絶縁層１７０中のダングリングボンド欠陥ＤＢにも水素がトラップされる。すなわち、保護絶縁層１７０が水素トラップ機能を有する。そのため、保護絶縁層１７０に含まれる水素を、保護絶縁層１７０中のダングリングボンド欠陥ＤＢがトラップし、ゲート絶縁層１５０に水素が拡散されることを防止することができる。また、保護絶縁層１７０は、外部から保護絶縁層１７０に侵入した水素もトラップすることができる。チャネル領域ＣＨまでの水素の拡散が防止されるので、半導体装置１０の信頼性がさらに向上する。
本実施形態に係る半導体装置１０では、酸化物半導体層１４０の上方のゲート絶縁層１５０および酸化物半導体層１４０の下方の酸化物絶縁層１２０の中に、水素トラップ領域が形成されている。そのため、半導体装置１０では、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨへの水素の侵入を抑制することができる。したがって、チャネル領域ＣＨ中のキャリア濃度を十分低減することができるため、半導体装置１０の電気特性における閾値電圧のばらつきを抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図１８を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａについて説明する。図１８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａの構成を示す模式的な平面図である。なお、半導体装置１０Ａの構成が半導体装置１０の構成と同様であるとき、半導体装置１０Ａの構成の説明を省略する場合がある。
図１８を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａについて説明する。図１８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａの構成を示す模式的な平面図である。なお、半導体装置１０Ａの構成が半導体装置１０の構成と同様であるとき、半導体装置１０Ａの構成の説明を省略する場合がある。
図１８に示すように、半導体装置１０Ａは、遮光層１０５Ａ、酸化物半導体層１４０Ａ、ゲート電極１６０Ａ、ソース電極２０１Ａ、およびドレイン電極２０３Ａを含む。遮光層１０５Ａと酸化物半導体層１４０Ａとの間には、窒化物絶縁層および酸化物絶縁層が形成されている。また、酸化物半導体層１４０Ａとゲート電極１６０Ａとの間にはゲート絶縁層が形成されている。また、ゲート電極１６０Ａとソース電極２０１Ａおよびドレイン電極２０３Ａとの間には保護絶縁層が形成されている。窒化物絶縁層、酸化物絶縁層、ゲート絶縁層、および保護絶縁層は、それぞれ、第１実施形態で説明した窒化物絶縁層１１０、酸化物絶縁層１２０、ゲート絶縁層１５０、および保護絶縁層１７０と同様であるため、これらの説明は省略する。
ゲート絶縁層および保護絶縁層には、開口１７１Ａおよび１７３Ａが設けられている。ソース電極２０１Ａは、開口１７１Ａを介して、酸化物半導体層１４０Ａのソース領域Ｓと電気的に接続されている。同様に、ドレイン電極２０３Ａは、開口１７３Ａを介して、酸化物半導体層１４０Ａのドレイン領域Ｄと電気的に接続されている。酸化物半導体層１４０Ａ上のゲート電極１６０Ａの平面形状はＵ字状である。平面視において、Ｕ字状の内側にソース電極２０１Ａが配置され、Ｕ字状の外側にドレイン電極２０３Ａが配置されている。チャネル領域ＣＨにおいて、ゲート電極１６０Ａの幅がチャネル長Ｌであり、ゲート電極１６０ＡのＵ字状に沿った長さがチャネル幅Ｗである。図１８に示すように、半導体装置１０Ａでは、チャネル長Ｌよりもチャネル幅Ｗを大きくすることができるため、電流を増加させることができる。
半導体装置１０Ａにおいても、ゲート電極１６０Ａをマスクとして、ゲート絶縁層を介して不純物のイオン注入が行われ、ゲート絶縁層および酸化物絶縁層に水素トラップ領域が形成されている。したがって、酸化物半導体層１４０Ａに侵入する水素を抑制することができるため、半導体装置１０Ａでは、電気特性のばらつきが小さい。特に、電気特性における閾値電圧のばらつきを抑制することができる。
作製したサンプルに基づき、半導体装置１０について、さらに詳細に説明する。
［１．イオン注入の有無による違い］
［１－１．実施例サンプルの作製］
実施例１および実施例２のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法を用いた半導体装置を作製した。すなわち、実施例１および実施例２では、半導体装置の製造において、ゲート絶縁層１５０を介したホウ素のイオン注入を行った。実施例１の酸化物半導体層は、インジウム元素を含み、全金属元素に対するインジウム元素の原子比率は５０％以上であった。また、酸化物半導体層は、ＯＳアニール前はアモルファス構造を有したが、ＯＳアニール後は結晶化され、多結晶構造を有した。すなわち、実施例１の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。実施例２の酸化物半導体層は、ＯＳアニール後においてもアモルファス構造のＩＧＺＯを含む。
［１－１．実施例サンプルの作製］
実施例１および実施例２のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法を用いた半導体装置を作製した。すなわち、実施例１および実施例２では、半導体装置の製造において、ゲート絶縁層１５０を介したホウ素のイオン注入を行った。実施例１の酸化物半導体層は、インジウム元素を含み、全金属元素に対するインジウム元素の原子比率は５０％以上であった。また、酸化物半導体層は、ＯＳアニール前はアモルファス構造を有したが、ＯＳアニール後は結晶化され、多結晶構造を有した。すなわち、実施例１の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。実施例２の酸化物半導体層は、ＯＳアニール後においてもアモルファス構造のＩＧＺＯを含む。
［１－２．比較例サンプルの作製］
比較例１および比較例２のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法のうち、イオン注入を行わない半導体装置を作製した。比較例１の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。比較例２の酸化物半導体層は、アモルファス構造のＩＧＺＯを含む。
比較例１および比較例２のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法のうち、イオン注入を行わない半導体装置を作製した。比較例１の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。比較例２の酸化物半導体層は、アモルファス構造のＩＧＺＯを含む。
［１－３．電気特性］
図１９は、実施例１および実施例２の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２３は、比較例１および比較例２の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図１９および図２３に示すグラフのそれぞれには、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝４．５μｍ／３．０μｍを有する２６個のサンプルの電気特性が示されている。電気特性を示すグラフの縦軸にはドレイン電流Ｉｄが示され、横軸にはゲート電圧Ｖｇが示されている。各サンプルの電気特性の測定条件は、表１のとおりである。
図１９は、実施例１および実施例２の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２３は、比較例１および比較例２の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図１９および図２３に示すグラフのそれぞれには、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝４．５μｍ／３．０μｍを有する２６個のサンプルの電気特性が示されている。電気特性を示すグラフの縦軸にはドレイン電流Ｉｄが示され、横軸にはゲート電圧Ｖｇが示されている。各サンプルの電気特性の測定条件は、表１のとおりである。
図１９に示すように、実施例１および実施例２のサンプルでは、閾値電圧のばらつきの小さい電気特性が得られた。一方、図２３に示すように、比較例１のサンプルでは、閾値電圧が負側にシフトし、ばらつきの大きい電気特性が得られた。また、比較例２のサンプルでは、ゲート電圧が－１５Ｖ～＋１５Ｖの範囲において閾値電圧を確認することができなかった。
図１９および図２３の結果より、酸化物半導体層が多結晶構造またはアモルファス構造を有するか否かに依らず、ゲート絶縁層を介したイオン注入を行うと、ゲート電圧が０Ｖ近傍において電流が急減に増加するスイッチング性能を示す電気特性が得られる。一方、ゲート絶縁層を介したイオン注入を行わないと、スイッチング性能を示す電気特性が得られない。これは、酸化物半導体層のチャネル領域におけるキャリア濃度が増加したことにより、チャネル領域の絶縁性が低下したためと推測される。実施例１および実施例２のサンプルと異なり、比較例１および比較例２のサンプルでは、ゲート絶縁層および酸化物半導体層に、イオン注入による水素トラップ領域が形成されない。そのため、ゲート絶縁層および酸化物絶縁層を通じて酸化物半導体層のチャネル領域に容易に水素が侵入すると考えられる。侵入した水素は、チャネル領域の酸素欠陥にトラップされてキャリアを生成するため、チャネル領域におけるキャリア濃度が増加する。
［２．イオン注入の条件による違い］
［２－１．実施例サンプルの作製］
実施例３～実施例１４のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法を用いた半導体装置を作製した。実施例３～実施例１４の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。実施例３～実施例８のサンプルは、構造Ａを有する。実施例９～実施例１４のサンプルは、構造Ｂを有する。構造Ａおよび構造Ｂの条件は、表２のとおりである。
［２－１．実施例サンプルの作製］
実施例３～実施例１４のサンプルとして、第１実施形態で説明した製造方法を用いた半導体装置を作製した。実施例３～実施例１４の酸化物半導体層は、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む。実施例３～実施例８のサンプルは、構造Ａを有する。実施例９～実施例１４のサンプルは、構造Ｂを有する。構造Ａおよび構造Ｂの条件は、表２のとおりである。
ゲート絶縁層を介したホウ素のイオン注入の条件は、表３のとおりである。また、各サンプルにおけるホウ素の濃度プロファイルを図２０および図２１に示す。図２０は、実施例３～実施例８の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。図２１は、実施例９～実施例１４の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。なお、図２０および図２１において、グラフの横軸は、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面を０ｎｍとしたときの界面からの距離（酸化物絶縁層側を正方向とし、ゲート絶縁層側を負方向とする。）を表し、グラフの縦軸は、ホウ素の濃度を表している。
実施例３～実施例５のサンプルの濃度プロファイルは、ゲート絶縁層にピークを有する。実施例６～実施例１４のサンプルの濃度プロファイルは、酸化物絶縁層にピークを有する。実施例３～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上である。また、実施例３～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上である。したがって、実施例３～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置までの領域におけるホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。
酸化物絶縁層中のホウ素の濃度について、さらに詳細に説明する。実施例３～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上である。特に、実施例４、実施例５、実施例７、実施例８、実施例１０、実施例１１、実施例１３、および実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、２×１０１９／ｃｍ３以上である。また、実施例３～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上である。特に、実施例４、実施例５、実施例７、実施例８、実施例１３、および実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、２×１０１９／ｃｍ３以上である。また、実施例３～実施例８および実施例１２～実施例１４のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１００ｎｍ離れた位置までの領域におけるホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。特に、実施例６～実施例８では、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１５０ｎｍ離れた位置までの領域におけるホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である。
［２－２．比較例サンプルの作製］
比較例３～比較例８のサンプルとして、実施例３～実施例１４と異なるイオン注入の条件で半導体装置を作製した。比較例３～比較例８のサンプルの構造およびイオン注入の条件は、表４のとおりである。また、各サンプルにおけるホウ素の濃度プロファイルを図２４および図２５に示す。図２４は、比較例３～比較例５の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。図２５は、比較例６～比較例８の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。なお、図２４および図２５において、グラフの横軸は、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面を０ｎｍとしたときの界面からの距離（酸化物絶縁層側を正方向とし、ゲート絶縁層側を負方向とする。）を表し、グラフの縦軸は、ホウ素の濃度を表している。
比較例３～比較例８のサンプルとして、実施例３～実施例１４と異なるイオン注入の条件で半導体装置を作製した。比較例３～比較例８のサンプルの構造およびイオン注入の条件は、表４のとおりである。また、各サンプルにおけるホウ素の濃度プロファイルを図２４および図２５に示す。図２４は、比較例３～比較例５の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。図２５は、比較例６～比較例８の半導体装置の作製において行われるイオン注入のホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。なお、図２４および図２５において、グラフの横軸は、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面を０ｎｍとしたときの界面からの距離（酸化物絶縁層側を正方向とし、ゲート絶縁層側を負方向とする。）を表し、グラフの縦軸は、ホウ素の濃度を表している。
比較例３～比較例８のサンプルの濃度プロファイルは、ゲート絶縁層にピークを有する。比較例３～比較例５のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１８／ｃｍ３未満である。比較例６～比較例８のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３未満である。また、比較例３～比較例８のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における酸化物絶縁層中のホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３未満である。したがって、比較例３～比較例８のサンプルでは、ゲート絶縁層と酸化物絶縁層との界面から酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置までの領域におけるホウ素の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上ではない。
［２－３．電気特性］
図２２は、実施例３～実施例１４の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２６は、比較例３～比較例８の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２２および図２６に示すグラフのそれぞれには、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝４．５μｍ／３．０μｍを有する２６個のサンプルの電気特性が示されている。各サンプルの電気特性の測定条件は、表１に示した条件と同様である。
図２２は、実施例３～実施例１４の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２６は、比較例３～比較例８の半導体装置の電気特性を示すグラフである。図２２および図２６に示すグラフのそれぞれには、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝４．５μｍ／３．０μｍを有する２６個のサンプルの電気特性が示されている。各サンプルの電気特性の測定条件は、表１に示した条件と同様である。
図２２に示すように、実施例３～実施例１４のサンプルでは、閾値電圧のばらつきの小さいトランジスタ特性が得られた。一方、図２６に示すように、比較例３～比較例８のサンプルでは、閾値電圧が負側にシフトし、ばらつきの大きい電気特性が得られた。
図２２および図２６の結果より、ゲート絶縁層を介したイオン注入を行うとき、ゲート絶縁層だけでなく、酸化物絶縁層のある程度の深さにまでホウ素を注入することにより、半導体装置の閾値電圧のばらつきが抑制できることがわかる。実施例３～実施例１４のサンプルは、比較例３～比較例８のサンプルよりも、酸化物絶縁層の深くまで水素トラップ領域が形成されている。そのため、酸化物絶縁層を通じて酸化物半導体層のチャネル領域へ侵入する水素が抑制されたと考えられる。
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除、もしくは設計変更を行ったもの、または工程の追加、省略、もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
１０、１０Ａ：半導体装置、 １００：基板、 １０５、１０５Ａ：遮光層、 １１０：窒化物絶縁層、 １２０：酸化物絶縁層、 １２０－１：第３の領域、 １２０－２：第４の領域、 １４０、１４０Ａ：酸化物半導体層、 １４５：酸化物半導体膜、 １５０：ゲート絶縁層、 １５０－１：第１の領域、 １５０－２：第２の領域、 １６０、１６０Ａ：ゲート電極、 １７０：保護絶縁層、 １７１、１７１Ａ：開口、 １７３、１７３Ａ：開口、 ２００：ソース・ドレイン電極、 ２０１、２０１Ａ：ソース電極、 ２０３、２０３Ａ：ドレイン電極
Claims (11)
- 酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を覆う、前記酸化物絶縁層および前記酸化物半導体層の上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上のゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う、前記ゲート絶縁層および前記ゲート電極の上の保護絶縁層と、を含み、
前記ゲート絶縁層は、
前記ゲート電極と重畳する第１の領域と、
前記ゲート電極と重畳せず、前記保護絶縁層と接する第２の領域と、を含み、
前記酸化物絶縁層は、
前記ゲート電極と重畳する第３の領域と、
前記ゲート電極および前記酸化物半導体層と重畳せず、前記ゲート絶縁層と接する第４の領域と、を含み、
前記酸化物半導体層は、
チャネル領域と、
前記チャネル領域よりも大きなキャリア濃度を有するソース領域およびドレイン領域と、を含み、
前記ソース領域、前記ドレイン領域、および第２の領域の各々は、不純物を含み、
前記第２の領域の水素濃度は、前記第１の領域の水素濃度よりも大きい、半導体装置。 - 前記第４の領域は、前記不純物を含み、
前記第４の領域の水素濃度は、前記第３の領域の水素濃度よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における前記不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に１６ｎｍ離れた位置における前記不純物の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における前記不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における前記不純物の濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置における前記不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に４０ｎｍ離れた位置までの領域における前記不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に１００ｎｍ離れた位置までの領域における前記不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第４の領域において、前記ゲート絶縁層との界面から前記酸化物絶縁層の膜厚方向に１５０ｎｍ離れた位置までの領域における前記不純物の濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上である、請求項２に記載の半導体装置。
- 前記不純物は、ホウ素、リン、アルゴン、および窒素からなる群から選択される１つである、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
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