JP5779357B2 - 半導体装置及びその作製方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について、図1乃至図5を参照して説明する。
図1は、半導体装置の構成の一例であり、半導体装置の断面を示す。図1に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するものである。ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料とは異なる材料とすることが望ましい。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とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、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を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料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、オフ電流を十分に低減することを可能とする。
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のトランジスタ160の作製方法について図2および図3を参照して説明し、その後、上部のトランジスタ162の作製方法について図4および図5を参照して説明する。
まず、半導体材料を含む基板100を用意する(図2(A)参照)。半導体材料を含む基板100としては、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基板などを適用することができる。ここでは、半導体材料を含む基板100として、単結晶シリコン基板を用いる場合の一例について示すものとする。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板も含むものとする。つまり、「SOI基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
次に、ゲート電極110、絶縁層128、絶縁層130などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極142a、ソース電極またはドレイン電極142bを形成する(図4(A)参照)。
本実施の形態では、開示する発明の別の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について、図6乃至図13を参照して説明する。なお、本実施の形態では、特に記憶装置として用いることができる半導体装置の構成例について説明する。
図6は、半導体装置の構成の一例である。図6(A)には、半導体装置の断面を、図6(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図6(A)は、図6(B)のA1−A2およびB1−B2における断面に相当する。図6(A)および図6(B)に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ260を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ262を有するものであり、トランジスタ260のゲート電極210と、トランジスタ262のソース電極またはドレイン電極242aとは直接接続されている。ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料とは異なる材料とすることが望ましい。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とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、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を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタ260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262は、オフ電流を十分に低減することにより長時間の電荷保持を可能とする。
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のトランジスタ260の作製方法について図10および図11を参照して説明し、その後、上部のトランジスタ262および容量素子264の作製方法について図12および図13を参照して説明する。
まず、半導体材料を含む基板200を用意し、基板200上に素子分離絶縁層を形成するためのマスクとなる保護層202を形成する(図10(A)参照)。
次に、ゲート電極210、絶縁層228、絶縁層230などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極242a、ソース電極またはドレイン電極242bを形成する(図12(A)参照)。ソース電極またはドレイン電極242a、ソース電極またはドレイン電極242bは、実施の形態1で示したソース電極またはドレイン電極142a、ソース電極またはドレイン電極142bと同様の材料、方法を用いて形成することができる。よって、詳細については、実施の形態1の記載を参酌することができる。
本実施の形態では、開示する発明の別の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について、図14乃至図16を参照して説明する。なお、本実施の形態では、特に記憶装置として用いることができる半導体装置の構成例について説明する。
図14は、本実施の形態にかかる半導体装置の構成の一例である。図14(A)には、半導体装置の断面を、図14(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図14(A)は、図14(B)のC1−C2およびD1−D2における断面に相当する。図14(A)および図14(B)に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ560を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ562を有するものであり、トランジスタ560のゲート電極524aと、トランジスタ562のソース電極またはドレイン電極542aとは直接接続されている。ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料とは異なる半導体材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の材料(シリコンなど)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ560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562は、オフ電流を十分に低減することにより長時間の電荷保持を可能とする。
次に、上記半導体装置の作製に用いられるSOI基板の作製方法の一例について、図15を参照して説明する。
次に、上記のSOI基板を用いた半導体装置の作製方法、特に、トランジスタ560の作製方法について、図16を参照して説明する。なお、図16は、図15に示す方法で作成したSOI基板の一部であって、図14(A)に相当する断面図である。
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の応用例について、図17を参照して説明する。ここでは、記憶装置の一例について説明する。なお、回路図においては、酸化物半導体を用いたトランジスタであることを示すために、OSの符号を併せて付す場合がある。
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の応用例について、図18および図19を用いて説明する。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合について、図20を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯情報端末(携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)などの電子機器に、上述の半導体装置を適用する場合について説明する。
102 保護層
104 半導体領域
106 素子分離絶縁層
108 ゲート絶縁層
110 ゲート電極
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
122 金属層
124 金属化合物領域
128 絶縁層
130 絶縁層
142a ソース電極またはドレイン電極
142b ソース電極またはドレイン電極
144 酸化物半導体層
143a 絶縁層
143b 絶縁層
146 ゲート絶縁層
148a ゲート電極
150 絶縁層
152 絶縁層
156 配線
160 トランジスタ
162 トランジスタ
200 基板
202 保護層
204 半導体領域
206 素子分離絶縁層
208 ゲート絶縁層
210 ゲート電極
216 チャネル形成領域
220 不純物領域
222 金属層
224 金属化合物領域
228 絶縁層
230 絶縁層
242a ソース電極またはドレイン電極
242b ソース電極またはドレイン電極
244 酸化物半導体層
243a 絶縁層
243b 絶縁層
246 ゲート絶縁層
248a ゲート電極
248b 電極
250 絶縁層
252 絶縁層
254 電極
256 配線
260 トランジスタ
262 トランジスタ
264 容量素子
272 トランジスタ
274 容量素子
282 トランジスタ
284 容量素子
292 トランジスタ
294 容量素子
500 ベース基板
502 窒素含有層
510 単結晶半導体基板
512 酸化膜
514 脆化領域
516 単結晶半導体層
518 単結晶半導体層
520 半導体層
522 絶縁層
522a ゲート絶縁層
524 導電層
524a ゲート電極
526 チャネル形成領域
528 不純物領域
532 絶縁層
534 絶縁層
542a ソース電極またはドレイン電極
542b ソース電極またはドレイン電極
543a 絶縁層
543b 絶縁層
544 酸化物半導体層
546 ゲート絶縁層
548a ゲート電極
548b 電極
550 絶縁層
552 絶縁層
554 電極
556 配線
560 トランジスタ
562 トランジスタ
564 容量素子
601 筐体
602 筐体
603 表示部
604 キーボード
611 本体
612 スタイラス
613 表示部
614 操作ボタン
615 外部インターフェイス
620 電子書籍
621 筐体
623 筐体
625 表示部
627 表示部
631 電源
633 操作キー
635 スピーカー
637 軸部
640 筐体
641 筐体
642 表示パネル
643 スピーカー
644 マイクロフォン
645 操作キー
646 ポインティングデバイス
647 カメラ用レンズ
648 外部接続端子
649 太陽電池セル
650 外部メモリスロット
661 本体
663 接眼部
664 操作スイッチ
665 表示部
666 バッテリー
667 表示部
670 テレビジョン装置
671 筐体
673 表示部
675 スタンド
680 リモコン操作機
700 トランジスタ
710 トランジスタ
720 容量素子
750 メモリセル
Claims (4)
- 第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタ上の絶縁層と、
前記絶縁層上の第2のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタは、
第1のチャネル形成領域と、
前記第1のチャネル形成領域上の第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層上で、前記第1のチャネル形成領域と重畳する領域を有する第1のゲート電極と、
前記第1のチャネル形成領域と電気的に接続された第1のソース電極と、
前記第1のチャネル形成領域と電気的に接続された第1のドレイン電極と、を有し、
前記第2のトランジスタは、
前記絶縁層の上面に接する領域を有し、酸化物半導体を含む第2のチャネル形成領域と、
前記第2のチャネル形成領域と電気的に接続された第2のソース電極と、
前記第2のチャネル形成領域と電気的に接続された第2のドレイン電極と、
第2のゲート絶縁層を介して前記第2のチャネル形成領域と重畳する領域を有する第2のゲート電極と、を有し、
前記第1のゲート電極の上面は露出された領域を有し、
前記露出された領域は、前記絶縁層の上面と同一面であり、
前記第1のゲート電極の上面は、前記第2のソース電極または前記第2のドレイン電極と接する領域を有し、
前記第1のチャネル形成領域は、前記第2のチャネル形成領域と異なる半導体材料を含んでおり、
前記絶縁層は、二乗平均平方根粗さが1nm以下の表面を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1のトランジスタは、前記第1のチャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 第1のトランジスタを形成し、
前記第1のトランジスタ上に絶縁層を形成し、
CMP処理を行って前記絶縁層を平坦化し、
前記絶縁層上に第2のトランジスタを形成し、
前記第1のトランジスタは、第1のチャネル形成領域と、前記第1のチャネル形成領域上の第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層上に設けられ、且つ前記第1のチャネル形成領域と重畳する領域を有する第1のゲート電極と、前記第1のチャネル形成領域と電気的に接続された第1のソース電極と、前記第1のチャネル形成領域と電気的に接続された第1のドレイン電極と、を有し、
前記第2のトランジスタは、前記絶縁層の上面に接する領域を有し、且つ酸化物半導体を含む第2のチャネル形成領域と、前記第2のチャネル形成領域と電気的に接続された第2のソース電極と、前記第2のチャネル形成領域と電気的に接続された第2のドレイン電極と、第2のゲート絶縁層を介して前記第2のチャネル形成領域と重畳する領域を有する第2のゲート電極と、を有し、
前記平坦化において、前記第1のゲート電極の上面は露出されて、前記絶縁層表面と同一面となっており、
前記第2のソース電極または前記第2のドレイン電極は、前記第1のゲート電極の上面と接する領域を有し、
前記第1のチャネル形成領域は、前記第2のチャネル形成領域と異なる半導体材料を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項3において、
前記平坦化後、前記絶縁層の表面の二乗平均平方根粗さは、1nm以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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