JP5888929B2 - Semiconductor device - Google Patents

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酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using an oxide semiconductor and a manufacturing method thereof.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。   Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

近年、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタはICや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッチング素子として開発が急がれている。金属酸化物は多様に存在しさまざまな用途に用いられている。   In recent years, a technique for forming a thin film transistor (TFT) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. Thin film transistors are widely applied to electronic devices such as ICs and electro-optical devices, and development of switching devices for image display devices is urgently required. Various metal oxides exist and are used in various applications.

金属酸化物の中には半導体特性を示すものがある。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタが既に知られている(特許文献1及び特許文献2)。 Some metal oxides exhibit semiconductor properties. Examples of metal oxides that exhibit semiconductor characteristics include tungsten oxide, tin oxide, indium oxide, and zinc oxide. Thin film transistors that use such metal oxides that exhibit semiconductor characteristics as a channel formation region are already known. (Patent Document 1 and Patent Document 2).

また、特許文献3には、酸化亜鉛、酸化マグネシウム亜鉛、酸化カドミウム亜鉛を半導体として用いることが記載されている。 Patent Document 3 describes that zinc oxide, magnesium zinc oxide, and cadmium zinc oxide are used as semiconductors.

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A 米国特許第6727522号US Pat. No. 6,727,522

本発明の一態様は、トランジスタ、ダイオード等の半導体用途に好適な材料を提供することを課題の一とする。具体的には結晶性の高い酸化物半導体膜を形成する作製方法及びその方法によって得られる材料を提供することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a material suitable for semiconductor use such as a transistor or a diode. Specifically, an object is to provide a manufacturing method for forming an oxide semiconductor film with high crystallinity and a material obtained by the manufacturing method.

また、マザーガラスのような大きな基板や、プラスチック基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことのできる半導体装置及びその作製方法を提供することを課題の一とする。 Another object is to provide a semiconductor device capable of mass production of a highly reliable semiconductor device using a large substrate such as mother glass or a plastic substrate, and a manufacturing method thereof.

本明細書で開示する本発明の一態様は、組成がA1−XZrZn(ただし、Aはインジウム(In)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ネオジム(Nd)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、或いはハフニウム(Hf)で、X=0.001以上0.5以下、Yは0.5以上、Zは0.5以上)で示される酸化物半導体層と、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極層とを有する半導体装置である。 One embodiment of the present invention disclosed in this specification has a composition of A 1-X Zr X Zn Y O Z (where A is indium (In), aluminum (Al), magnesium (Mg), neodymium (Nd), An oxide semiconductor layer represented by cerium (Ce), lanthanum (La), or hafnium (Hf), where X = 0.001 to 0.5, Y is 0.5 or more, and Z is 0.5 or more) The semiconductor device includes a gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer and a gate electrode layer overlapping with the oxide semiconductor layer with the gate insulating layer interposed therebetween.

酸化物半導体層の組成に4族元素の一つであるジルコニウムを含ませることで結晶化しやすい材料とすることができる。 By including zirconium which is one of Group 4 elements in the composition of the oxide semiconductor layer, a material that can be easily crystallized can be obtained.

また、上記ジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料は結晶化しやすい材料とすることができるため、マザーガラスのような大きな基板や、プラスチック基板上に結晶性の高い酸化物半導体層を形成することができる。上記ジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料を用いた酸化物半導体層の成膜後に加熱処理を行って結晶性をさらに向上させることで結晶性の高い酸化物半導体膜を形成する。 In addition, since the oxide semiconductor material containing zirconium can be easily crystallized, an oxide semiconductor layer with high crystallinity can be formed over a large substrate such as mother glass or a plastic substrate. it can. An oxide semiconductor film with high crystallinity is formed by performing heat treatment after the formation of the oxide semiconductor layer using the oxide semiconductor material containing zirconium and further improving crystallinity.

具体的には、少なくともインジウムと亜鉛を含む酸化物半導体材料に、4族元素の一つであるジルコニウムを含ませる。少なくともインジウムと亜鉛を含む酸化物半導体材料にジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料膜(以下、InZrZnO膜(ただしX>0)とも呼ぶ)のエネルギーギャップは、IGZO膜と呼ばれるインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体材料膜(約3.2eV)よりも大きくなる。ジルコニウムは4族元素であり、一つの結合手が酸素を捕らえ、酸素を固定しやすい安定な材料である。 Specifically, an oxide semiconductor material containing at least indium and zinc contains zirconium which is one of group 4 elements. An energy gap of an oxide semiconductor material film in which zirconium is included in an oxide semiconductor material containing at least indium and zinc (hereinafter also referred to as an InZrZnO X film (where X> 0)) has indium, gallium, and IGZO films. It becomes larger than the oxide semiconductor material film containing zinc (about 3.2 eV). Zirconium is a group 4 element, and is a stable material in which one bond captures oxygen and easily fixes oxygen.

なお、本明細書において、「エネルギーギャップ」という用語は、「バンドギャップ」や、「禁制帯幅」と同じ意味で用いている。また、バンドギャップの値は、材料の単膜のエリプソで測定して得られる値を用いる。また、本明細書において、イオン化ポテンシャルの値は、バンドギャップと電子親和力を加算した値である。なお、電子親和力とは真空準位と酸化物半導体の伝導帯とのエネルギー差を表す。 In the present specification, the term “energy gap” is used in the same meaning as “band gap” and “forbidden bandwidth”. As the band gap value, a value obtained by measuring with a single film ellipso of the material is used. In this specification, the value of the ionization potential is a value obtained by adding the band gap and the electron affinity. Note that the electron affinity represents an energy difference between a vacuum level and a conduction band of an oxide semiconductor.

また、上記ジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料の薄膜を用いる場合、成膜直後において、結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成することができる。従って、酸化物半導体膜の成膜後の加熱処理を省略することができるため、量産に適したプロセスと言える。なお、結晶構造を有する酸化物半導体膜は、結晶部分を含み、結晶部分のc軸が向く方向は、酸化物半導体膜の被形成面に垂直な方向、または酸化物半導体膜の表面に垂直な方向であることを特徴の一つとしている。 In the case of using a thin film of an oxide semiconductor material containing zirconium, an oxide semiconductor film having a crystal structure can be formed immediately after film formation. Therefore, the heat treatment after the formation of the oxide semiconductor film can be omitted, which can be said to be a process suitable for mass production. Note that an oxide semiconductor film having a crystal structure includes a crystal part, and the c-axis direction of the crystal part is perpendicular to the formation surface of the oxide semiconductor film or perpendicular to the surface of the oxide semiconductor film. One of the features is the direction.

他の本発明の一態様は、インジウムと、ジルコニウムと、亜鉛とを含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極層とを有する半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is an oxide semiconductor layer containing indium, zirconium, and zinc, a gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, and a gate electrode overlapping with the oxide semiconductor layer with the gate insulating layer interposed therebetween A semiconductor device having a layer.

上記構成において、酸化物半導体層のジルコニウムの含有量は、インジウムの含有量以下である。また、酸化物半導体層のジルコニウムの含有量は、亜鉛の含有量以下である。 In the above structure, the zirconium content in the oxide semiconductor layer is less than or equal to the indium content. In addition, the zirconium content in the oxide semiconductor layer is equal to or less than the zinc content.

具体的には、ジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは原子数比がIn:Zr:Zn=1:1:1、4:1:4、3:2:4、2:1:3、5:1:3、または4:2:3で示される酸化物ターゲットを用いる。 Specifically, when an oxide semiconductor material containing zirconium is formed by a sputtering method, the atomic ratio is preferably In: Zr: Zn = 1: 1: 1, 4: 1: 4, 3: 2. An oxide target of 2: 4, 2: 1: 3, 5: 1: 3, or 4: 2: 3 is used.

また、インジウム、亜鉛、及びジルコニウムを含ませた酸化物半導体材料に錫を含ませてもよく、他の本発明の構成の一つは、インジウムと、ジルコニウムと、亜鉛と、錫とを含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極層とを有する半導体装置である。 Further, tin may be contained in an oxide semiconductor material containing indium, zinc, and zirconium. Another structure of the present invention is an oxide containing indium, zirconium, zinc, and tin. The semiconductor device includes a physical semiconductor layer, a gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, and a gate electrode layer overlapping with the oxide semiconductor layer with the gate insulating layer interposed therebetween.

トランジスタの酸化物半導体層にジルコニウムを含ませることにより、結晶性を高めることができる。酸化物半導体層の結晶性を高めることにより、さらに電気的特性(電界効果移動度やしきい値など)の向上したトランジスタを得ることができる。また、そのトランジスタのオフ電流を極めて小さな値とすることができる。 By including zirconium in the oxide semiconductor layer of the transistor, crystallinity can be improved. By increasing the crystallinity of the oxide semiconductor layer, a transistor with further improved electrical characteristics (such as field-effect mobility and threshold value) can be obtained. In addition, the off-state current of the transistor can be extremely small.

また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことができる。 In addition, a highly reliable semiconductor device can be mass-produced using a large substrate such as mother glass.

(A)は、InZrZnO膜のエネルギーバンド図であり、(B)はIGZO膜のエネルギーバンド図である。(A) is an energy band diagram of an InZrZnO X film, and (B) is an energy band diagram of an IGZO film. (A)は、InZrZnO膜のXRDの結果を示すグラフであり、(B)は、InCeZnO膜のXRDの結果を示すグラフである。(A) is a graph showing the XRD result of the InZrZnO X film, and (B) is a graph showing the XRD result of the InCeZnO X film. 半導体装置の一態様の平面図及び断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様の平面図及び断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一例を示す図。10A and 10B illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一例を示す図。10A and 10B illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の一態様の平面図及び断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様の平面図及び断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。4A and 4B are a cross-sectional view, a plan view, and a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。8A and 8B are a circuit diagram and a perspective view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。10A and 10B are a cross-sectional view and a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 成膜直後のInZrZnO膜の断面TEM写真(200万倍)。Cross-sectional TEM photograph (magnified 2 million times) of InZrZnO X film immediately after film formation. 650℃の加熱処理後のInZrZnO膜の断面TEM写真(200万倍)。The cross-sectional TEM photograph (2 million times) of the InZrZnO X film | membrane after heat processing of 650 degreeC. 成膜直後のInZrZnO膜の断面TEM写真(400万倍)。A cross-sectional TEM photograph (4 million times) of an InZrZnO X film immediately after film formation. 650℃の加熱処理後のInZrZnO膜の断面TEM写真(800万倍)。The cross-sectional TEM photograph (8 million times) of the InZrZnO X film | membrane after heat processing of 650 degreeC.

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、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。また、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、以下に説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described below.

絶縁表面上にトランジスタを作製し、そのトランジスタのチャネル形成領域となる酸化物半導体層として、少なくともインジウムと亜鉛を含む酸化物半導体材料に、ジルコニウムを含ませた膜(InZrZnO膜)を用いる。 A transistor is manufactured over an insulating surface, and a film (InZrZnO X film) containing zirconium in an oxide semiconductor material containing at least indium and zinc is used as an oxide semiconductor layer serving as a channel formation region of the transistor.

トランジスタの構造は、酸化物半導体層上にゲート絶縁層を介してゲート電極層を有するトップゲート構造であってもよいし、ゲート絶縁層を介してゲート電極層上に酸化物半導体層を有するボトムゲート構造であってもよい。 The structure of the transistor may be a top gate structure having a gate electrode layer over a gate insulating layer over an oxide semiconductor layer, or a bottom having an oxide semiconductor layer over a gate electrode layer through a gate insulating layer. It may be a gate structure.

なお、トランジスタはチャネル形成領域が1つ形成されるシングルゲート構造に、特に限定されず、例えば、2つ形成されるダブルゲート構造もしくは3つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された2つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。 Note that the transistor is not particularly limited to a single gate structure in which one channel formation region is formed, and may be, for example, a double gate structure in which two channel formation regions are formed or a triple gate structure in which three channel formation regions are formed. Alternatively, a dual gate type having two gate electrode layers arranged above and below the channel formation region with a gate insulating layer interposed therebetween may be used.

InZrZnO膜は、原子数比がIn:Zr:Zn=1:1:1、4:1:4、3:2:4、2:1:3、5:1:3、または4:2:3で示される酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により形成する。 The InZrZnO X film has an atomic ratio of In: Zr: Zn = 1: 1: 1, 4: 1: 4, 3: 2: 4, 2: 1: 3, 5: 1: 3, or 4: 2: It forms by sputtering method using the oxide target shown by 3. FIG.

本実施の形態では、原子数比がIn:Zr:Zn=1:1:1のターゲットを用いて成膜したInZrZnO膜を用いる。 In this embodiment, an InZrZnO X film formed using a target having an atomic ratio of In: Zr: Zn = 1: 1: 1 is used.

実際にガラス基板上に膜厚100nmのInZrZnO膜を形成したサンプルを作製し、そのサンプルのイオン化ポテンシャルの測定を行い、その結果に基づきエネルギーバンド図を計算した。イオン化ポテンシャルの値は、バンドギャップと電子親和力を加算した値であり、バンドギャップの値は、材料の単膜のエリプソで測定して得られる。図1(A)に示し、比較例としてIGZOのエネルギーバンド図を図1(B)に示す。 A sample in which an InZrZnO X film having a thickness of 100 nm was actually formed on a glass substrate was prepared, the ionization potential of the sample was measured, and an energy band diagram was calculated based on the result. The value of the ionization potential is a value obtained by adding the band gap and the electron affinity, and the band gap value is obtained by measuring with a single film ellipso of the material. As shown in FIG. 1A, an energy band diagram of IGZO is shown in FIG. 1B as a comparative example.

また、成膜条件の異なるInZrZnO膜を形成したサンプルを複数作製し、加熱処理の条件の違うサンプルも用意して、それぞれのエネルギーギャップ(Eg)を算出した結果を表1に示す。 In addition, Table 1 shows the results of calculating a plurality of samples in which InZrZnO X films having different film formation conditions are formed, preparing samples having different heat treatment conditions, and calculating the respective energy gaps (Eg).

なお、サンプル1は、基板温度を室温、酸素とアルゴンの混合雰囲気(酸素33%)下でスパッタリング装置により成膜を行ったものである。また、サンプル2は、基板温度を室温、酸素雰囲気(酸素100%)下で成膜を行ったものである。また、サンプル3は、基板温度を200℃、酸素とアルゴンの混合雰囲気(酸素33%)下で成膜を行ったものである。また、サンプル4は、基板温度を200℃、酸素雰囲気(酸素100%)下で成膜を行ったものである。また、サンプル5は、基板温度を300℃、酸素とアルゴンの混合雰囲気(酸素33%)下で成膜を行ったものである。また、サンプル6は、基板温度を300℃、酸素雰囲気(酸素100%)下で成膜を行ったものである。 Sample 1 was formed by sputtering using a sputtering apparatus under a substrate temperature of room temperature and a mixed atmosphere of oxygen and argon (oxygen 33%). Sample 2 is formed by depositing the substrate at room temperature and in an oxygen atmosphere (oxygen 100%). Sample 3 is a film formed at a substrate temperature of 200 ° C. under a mixed atmosphere of oxygen and argon (oxygen 33%). Sample 4 is formed by forming a film at a substrate temperature of 200 ° C. under an oxygen atmosphere (oxygen 100%). Sample 5 is a film formed at a substrate temperature of 300 ° C. under a mixed atmosphere of oxygen and argon (oxygen 33%). Sample 6 is a film formed at a substrate temperature of 300 ° C. under an oxygen atmosphere (oxygen 100%).

また、サンプル全ての成膜は、DC電源装置を有するスパッタ装置を用い、圧力0.4Pa、電源電力200W、基板とターゲットの間の距離(T−S間距離)を130mmとした。 In addition, a sputtering apparatus having a DC power supply device was used for film formation of all the samples, a pressure of 0.4 Pa, a power supply power of 200 W, and a distance between the substrate and the target (T-S distance) was 130 mm.

また、成膜後の加熱処理は、加熱処理なしと、450℃の加熱処理、650℃の加熱処理とし、それぞれを比較した。なお、450℃の加熱は、450℃まで昇温させてから1時間保持させるまでは窒素雰囲気とし、その後ガスを切り替えて酸素雰囲気とし、1時間保持した後、室温まで降温させた。また、650℃の加熱は、650℃まで昇温させてから1時間保持させるまでは窒素雰囲気とし、その後ガスを切り替えて酸素雰囲気とし、1時間保持した後、室温まで降温させた。 In addition, the heat treatment after the film formation was performed without heat treatment, 450 ° C. heat treatment, and 650 ° C. heat treatment. The heating at 450 ° C. was performed in a nitrogen atmosphere until the temperature was raised to 450 ° C. and held for 1 hour, and then the gas was changed to an oxygen atmosphere and held for 1 hour, and then the temperature was lowered to room temperature. Further, the heating at 650 ° C. was performed in a nitrogen atmosphere until the temperature was raised to 650 ° C. and held for 1 hour, and then the gas was changed to an oxygen atmosphere and held for 1 hour, and then the temperature was lowered to room temperature.

表1から、InZrZnO膜のバンドギャップは3.4eV以上3.7eV以下の値であると読み取れる。 From Table 1, it can be read that the band gap of the InZrZnO X film is 3.4 eV or more and 3.7 eV or less.

また、酸素雰囲気(酸素100%)下で成膜を行ったサンプル2、サンプル4、サンプル6に対して、XRD(X−Ray−Diffraction)解析を行った結果を図2(A)に示す。なお、比較例として、原子数比がIn:Ce:Zn=1:1:1のターゲットを用い、InCeZnO膜(だだし、X>0)を酸素雰囲気(酸素100%)下で成膜を行ったサンプルをXRD解析した結果を図2(B)に示す。 In addition, FIG. 2A shows the result of XRD (X-Ray-Diffraction) analysis performed on Sample 2, Sample 4, and Sample 6 that were formed in an oxygen atmosphere (oxygen 100%). As a comparative example, a target having an atomic ratio of In: Ce: Zn = 1: 1: 1 is used, and an InCeZnO X film (where X> 0) is formed in an oxygen atmosphere (oxygen 100%). The result of XRD analysis of the performed sample is shown in FIG.

InZrZnO膜は、InCeZnO膜に比べて結晶性が高く、特に基板温度が室温である場合においても結晶部分があることがXRD解析から確認できる。このことから耐熱温度が100℃程度のプラスチックフィルム上にも結晶性の高いInZrZnO膜を成膜することができると言える。なお、Zrは4族元素であり、同じ4族元素のTiをZrに代えたInTiZnO膜は、650℃の加熱を行っても非晶質構造のままである。従って酸化物半導体に含ませることで酸化物半導体が結晶化しやすくなるZrは予期できない効果、特に室温でも結晶構造を有する膜を得られるという効果があると言える。 The InZrZnO X film has higher crystallinity than the InCeZnO X film, and it can be confirmed from XRD analysis that there is a crystalline portion even when the substrate temperature is room temperature. From this, it can be said that an InZrZnO X film having high crystallinity can be formed on a plastic film having a heat resistant temperature of about 100 ° C. Note that Zr is a Group 4 element, and an InTiZnO X film in which Ti of the same Group 4 element is replaced with Zr remains in an amorphous structure even when heated at 650 ° C. Therefore, it can be said that Zr, which is easy to crystallize an oxide semiconductor when included in an oxide semiconductor, has an unexpected effect, in particular, an effect that a film having a crystal structure can be obtained even at room temperature.

また、図16、図17、図18、及び図19にInZrZnO膜を設けたサンプルの断面のTEM写真を示す。図16は、成膜直後のInZrZnO膜の断面を200万倍で観察した写真であり、図17は650℃の加熱後のInZrZnO膜の断面を200万倍で観察した写真である。また、図18は成膜直後のInZrZnO膜の断面を400万倍で観察した写真であり、図19は650℃の加熱後のInZrZnO膜の断面を800万倍で観察した写真である。 Further, FIGS. 16, 17, 18, and 19 show TEM photographs of cross sections of samples provided with InZrZnO X films. FIG. 16 is a photograph of the cross section of the InZrZnO X film immediately after film formation observed at 2 million times, and FIG. 17 is a photograph of the cross section of the InZrZnO X film after heating at 650 ° C. at 2 million times. 18 is a photograph obtained by observing the cross section of the InZrZnO X film immediately after film formation at 4 million times, and FIG. 19 is a photograph obtained by observing the cross section of the InZrZnO X film after heating at 650 ° C. at 8 million times.

また、XRD解析及び断面TEM写真から、InZrZnO膜は、成膜直後の状態でCAACの状態、或いは多結晶の状態であるといえる。InZrZnO膜は、成膜直後において、結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成することができるため、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための加熱処理を省略することができる。そのため、マザーガラスのような大きな基板やプラスチック基板を用い、量産に適したプロセスとすることができる。プラスチック基板は、基板の厚さを小さくし、ロール状のフィルムとすることで、ロールツゥロール方式でのフィルム上への半導体装置の製造が可能となる。 Further, from the XRD analysis and the cross-sectional TEM photograph, it can be said that the InZrZnO X film is in a CAAC state or a polycrystalline state immediately after the film formation. Since the InZrZnO X film can form an oxide semiconductor film having a crystal structure immediately after film formation, heat treatment for crystallization can be omitted after the oxide semiconductor film is formed. Therefore, a process suitable for mass production can be achieved using a large substrate such as mother glass or a plastic substrate. The plastic substrate can be manufactured as a roll film by reducing the thickness of the substrate to manufacture a semiconductor device on the film by a roll-to-roll method.

ここで、CAAC(C Axis Aligned Crystal)は、c軸が酸化物半導体膜の被形成面または表面に垂直な方向を向き、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している結晶と非晶質の混相構造をいう。なお、この混相構造においてCAAC同士は、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。 Here, CAAC (C Axis Aligned Crystal) is a triangular or hexagonal atomic arrangement in which the c-axis is oriented in a direction perpendicular to the formation surface or surface of the oxide semiconductor film and viewed from the direction perpendicular to the ab plane. And a crystal and amorphous mixed phase structure in which metal atoms are layered or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. In this mixed phase structure, the CAACs may have different a-axis and b-axis directions.

CAAC酸化物半導体(CAAC−OS:C Axis Aligned Crystaline Oxide Semiconductor)膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。結晶の大きさは数nmから数十nm程度と見積もられるが、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質とCAACとの境界は必ずしも明確ではない。また、CAAC−OS膜には結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認されない。CAAC−OS膜が結晶粒界を有さないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくい。 A CAAC oxide semiconductor (CAAC-OS) film is neither completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a crystal-amorphous mixed phase structure. Although the size of a crystal is estimated to be several nanometers to several tens of nanometers, in an observation with a transmission electron microscope (TEM), a boundary between an amorphous material included in a CAAC-OS film and a CAAC is not always clear. is not. In addition, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) is not confirmed in the CAAC-OS film. Since the CAAC-OS film does not have a crystal grain boundary, the electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to decrease.

なお、CAAC−OS膜において、膜中における結晶領域の分布は均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の表面側から結晶成長した場合、CAAC−OS膜の表面の近傍は結晶の占める割合が高くなり、被形成面の近傍は非晶質の占める割合が高くなることがある。 Note that in the CAAC-OS film, the distribution of crystal regions in the film is not necessarily uniform. For example, in the case where crystal growth is performed from the surface side of the CAAC-OS film, the crystal ratio is high in the vicinity of the CAAC-OS film surface, and the amorphous ratio is high in the vicinity of the formation surface. .

CAACにおける結晶部分のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または表面に垂直な方向を向くため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によって、c軸が向く方向が異なることがある。なお、CAACにおける結晶部分のc軸が向く方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面または表面に略垂直な方向となる。 Since the c-axis of the crystal part in the CAAC faces a direction perpendicular to the formation surface or surface of the CAAC-OS film, the c-axis depends on the shape of the CAAC-OS film (the cross-sectional shape of the formation surface or the cross-sectional shape of the surface). The direction of facing may be different. Note that the c-axis direction of the crystal part in the CAAC is substantially perpendicular to the formation surface or the surface when the CAAC-OS film is formed.

CAAC−OS膜を用いることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気特性の変動が低減されるため、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。 With the use of the CAAC-OS film, change in electrical characteristics of the transistor due to irradiation with visible light or ultraviolet light is reduced; thus, a highly reliable transistor can be obtained.

また、トランジスタの酸化物半導体層にジルコニウムを含ませて、結晶性を高めることにより、さらに電気的特性(電界効果移動度やしきい値など)の向上したトランジスタを得ることができる。また、そのトランジスタのオフ電流を極めて小さな値とすることができる。 In addition, by adding zirconium to the oxide semiconductor layer of the transistor to increase crystallinity, a transistor with further improved electrical characteristics (such as field-effect mobility and threshold value) can be obtained. In addition, the off-state current of the transistor can be extremely small.

また、組成がA1−XZrZn(ただし、AはIn、Al、Mg、Nd、Ce、La、或いはHfで、X=0.001以上0.5以下、Yは0.5以上、Zは0.5以上)で示されるターゲットを用いたスパッタリング法により得られる酸化物半導体膜は、含有するジルコニウムによって結晶性が高くなり、プラスチックフィルム上に接してCAAC−OS膜を成膜直後に形成することもできる。また、そのCAAC−OS膜を用いてロールツゥロール方式でトランジスタを作製することもできる。 The composition is A 1-X Zr X Zn Y O Z ( however, A is In, Al, Mg, Nd, Ce, La, or at Hf, X = 0.001 to 0.5, Y is 0. 5 or more, Z is 0.5 or more) The oxide semiconductor film obtained by a sputtering method using a target represented by the above formula has high crystallinity due to zirconium contained therein, and forms a CAAC-OS film in contact with the plastic film. It can also be formed immediately after the film. Further, a transistor can be manufactured by a roll-to-roll method using the CAAC-OS film.

(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一態様を図3乃至図6を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

図3(A)及び図3(B)に半導体装置の例としてトランジスタ420の平面図及び断面図を示す。図3(A)は、トランジスタ420の平面図であり、図3(B)は、図3(A)のX1−Y1における断面図である。なお、図3(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ420の構成要素の一部(例えば、絶縁層407)を省略して図示している。 FIGS. 3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view of a transistor 420 as an example of a semiconductor device. 3A is a plan view of the transistor 420, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line X1-Y1 in FIG. Note that in FIG. 3A, some components (eg, the insulating layer 407) are not illustrated in order to avoid complexity.

図3(A)及び図3(B)に示すトランジスタ420は、絶縁表面を有する基板400上に、下地絶縁層436と、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、チャネル長方向の一方の側面においてソース電極層と接し、チャネル長方向の他方の側面においてドレイン電極層と接する酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bの上面と接するゲート絶縁層402と、ゲート絶縁層402を介して酸化物半導体層403上に設けられたゲート電極層401と、ゲート電極層401のチャネル長方向の側面の一方と接する側壁層412aと、ゲート電極層401のチャネル長方向の側面の他方と接する側壁層412bと、を含んで構成される。 A transistor 420 illustrated in FIGS. 3A and 3B includes a base insulating layer 436, a source electrode layer 405a, a drain electrode layer 405b, and one side surface in a channel length direction over a substrate 400 having an insulating surface. An oxide semiconductor layer 403 that is in contact with the source electrode layer and in contact with the drain electrode layer on the other side surface in the channel length direction, and a gate insulating layer 402 that is in contact with the top surfaces of the oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b. A gate electrode layer 401 provided over the oxide semiconductor layer 403 with the gate insulating layer 402 interposed therebetween, a sidewall layer 412a in contact with one of the side surfaces of the gate electrode layer 401 in the channel length direction, and a channel of the gate electrode layer 401 And a side wall layer 412b in contact with the other of the side surfaces in the longitudinal direction.

トランジスタ420において、側壁層412aの少なくとも一部は、ゲート絶縁層402を介してソース電極層405a上に設けられている。また、側壁層412bの少なくとも一部は、ゲート絶縁層402を介してドレイン電極層405b上に設けられている。側壁層412a及び側壁層412bは、導電性材料を含んでいる。よって、側壁層412a及び側壁層412bは、ゲート電極層401の一部として機能することが可能であるため、ゲート絶縁層402を介してソース電極層405a又はドレイン電極層405bと重畳する領域を、実質的にLov領域とすることができる。 In the transistor 420, at least part of the sidewall layer 412 a is provided over the source electrode layer 405 a with the gate insulating layer 402 interposed therebetween. Further, at least a part of the sidewall layer 412b is provided over the drain electrode layer 405b with the gate insulating layer 402 interposed therebetween. The sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b contain a conductive material. Therefore, since the sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b can function as part of the gate electrode layer 401, a region overlapping with the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b with the gate insulating layer 402 interposed therebetween is formed. It can be substantially the Lov region.

また、図3に示すトランジスタ420は、側壁層412a、側壁層412b及びゲート電極層401上に設けられた絶縁層406及び絶縁層407と、絶縁層407上に設けられた配線層435a及び配線層435bを構成要素に含めてもよい。配線層435aは、絶縁層406、絶縁層407及びゲート絶縁層402に設けられた開口を介して、ソース電極層405aと電気的に接続し、配線層435bは、絶縁層406、絶縁層407及びゲート絶縁層402に設けられた開口を介してドレイン電極層405bと電気的に接続している。 3 includes an insulating layer 406 and an insulating layer 407 provided over the sidewall layer 412a, the sidewall layer 412b, and the gate electrode layer 401, and a wiring layer 435a and a wiring layer provided over the insulating layer 407. 435b may be included in the component. The wiring layer 435a is electrically connected to the source electrode layer 405a through openings provided in the insulating layer 406, the insulating layer 407, and the gate insulating layer 402, and the wiring layer 435b includes the insulating layer 406, the insulating layer 407, and It is electrically connected to the drain electrode layer 405b through an opening provided in the gate insulating layer 402.

また、トランジスタ420において導電性材料を含む側壁層を設けない場合、Lov領域の形成のためには線幅の細い酸化物半導体層と線幅の細いゲート電極層との精密なアライメントが要求され、トランジスタの微細化に伴ってその要求精度はより高くなる。しかしながら、本実施の形態で示すトランジスタ420は、ゲート電極層401のチャネル長方向の側面に、導電性材料を含む側壁層412a及び側壁層412bを有するため、該側壁層412a及び側壁層412bと、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bとが重畳する領域も実質的にLov領域として機能することが可能である。したがって、ゲート電極層401を形成する際のアライメントの自由度を向上させることができ、歩留まりよく、オン電流の低下を抑制したトランジスタ420を提供することが可能となる。 In the case where the transistor 420 is not provided with a sidewall layer containing a conductive material, precise alignment between the thin oxide semiconductor layer and the thin gate electrode layer is required to form the Lov region. With the miniaturization of transistors, the required accuracy becomes higher. However, since the transistor 420 described in this embodiment includes the sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b containing a conductive material on the side surface in the channel length direction of the gate electrode layer 401, the sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b; A region where the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b overlaps can also function as a Lov region. Therefore, the degree of alignment freedom in forming the gate electrode layer 401 can be improved, and the transistor 420 with high yield and suppressed reduction in on-state current can be provided.

また、酸化物半導体層403は、実施の形態1に示したInZrZnO膜であり、基板温度が室温であっても成膜直後に結晶部分を有するCAAC−OS膜である。 The oxide semiconductor layer 403 is the InZrZnO X film described in Embodiment 1 and is a CAAC-OS film having a crystal part immediately after deposition even when the substrate temperature is room temperature.

また、図4(A)及び図4(B)に、図3(A)及び図3(B)に示すトランジスタ420とは異なる構成のトランジスタ422の平面図及び断面図を示す。図4(A)は、トランジスタ422の平面図であり、図4(B)は、図4(A)のX2−Y2における断面図である。なお、図4(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ422の構成要素の一部(例えば、絶縁層407)を省略して図示している。 FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of a transistor 422 having a structure different from that of the transistor 420 illustrated in FIGS. 3A and 3B. 4A is a plan view of the transistor 422, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line X2-Y2 in FIG. 4A. Note that in FIG. 4A, some components (eg, the insulating layer 407) of the transistor 422 are omitted in order to avoid complexity.

図4(A)及び図4(B)に示すトランジスタ422と、図3(A)及び図3(B)に示すトランジスタ420との相違点は、酸化物半導体層403の側面の形状である。図4(A)及び図4(B)に示すトランジスタ422においては、酸化物半導体層403は、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bと接する側面において、テーパ形状を有している。酸化物半導体層403の側面をテーパ形状とすることで、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bとなる導電膜を被覆性よく形成することができる。 A difference between the transistor 422 illustrated in FIGS. 4A and 4B and the transistor 420 illustrated in FIGS. 3A and 3B is the shape of the side surface of the oxide semiconductor layer 403. In the transistor 422 illustrated in FIGS. 4A and 4B, the oxide semiconductor layer 403 has a tapered shape on a side surface in contact with the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b. When the side surface of the oxide semiconductor layer 403 is tapered, the conductive film to be the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b can be formed with high coverage.

以下、図5及び図6を用いて、本実施の形態のトランジスタの作製工程の例について説明する。なお、以下では、トランジスタ422の作製工程を例示する。 Hereinafter, an example of a manufacturing process of the transistor of this embodiment will be described with reference to FIGS. Note that a manufacturing process of the transistor 422 is described below as an example.

まず、絶縁表面を有する基板400上に、下地絶縁層436を形成する。 First, the base insulating layer 436 is formed over the substrate 400 having an insulating surface.

絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理工程に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板、プラスチック基板などを用いることができる。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基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板400として用いてもよい。 There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 400 having an insulating surface as long as it has heat resistance high enough to withstand a later heat treatment step. For example, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a plastic substrate, or the like can be used. In addition, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be applied, and a semiconductor element provided on these substrates, The substrate 400 may be used.

また、基板400として、プラスチック基板などの可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。実施の形態1に示した成膜方法を用いれば、成膜時の基板温度が室温であっても、成膜直後に結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成できるため、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジスタ422を直接作製することができ、可撓性を有する半導体装置を実現できる。 Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate such as a plastic substrate as the substrate 400. With the use of the deposition method described in Embodiment 1, an oxide semiconductor film having a crystal structure can be formed immediately after deposition even when the substrate temperature during deposition is room temperature. The transistor 422 including the oxide semiconductor layer 403 can be formed directly, so that a flexible semiconductor device can be realized.

下地絶縁層436は、酸化シリコン膜、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を含む膜から選ばれた、単層又は積層構造とすることができる。但し、下地絶縁層436は、酸化物絶縁膜を含む単層又は積層構造として、該酸化物絶縁膜が後に形成される酸化物半導体層403と接する構造とするのが好ましい。なお、下地絶縁層436は、必ずしも設けなくともよい。 The base insulating layer 436 is formed using a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum oxynitride film, an aluminum nitride oxide film, a hafnium oxide film, a gallium oxide film, or a mixed material thereof. It can be a single layer or a laminated structure selected. Note that the base insulating layer 436 is preferably formed as a single layer or a stacked structure including an oxide insulating film so that the oxide insulating film is in contact with the oxide semiconductor layer 403 to be formed later. Note that the base insulating layer 436 is not necessarily provided.

下地絶縁層436は化学量論的組成比を超える酸素を含む領域(以下、酸素過剰領域とも表記する)を有すると、下地絶縁層436に含まれる過剰な酸素によって、後に形成される酸化物半導体層403の酸素欠損を補填することが可能であるため好ましい。下地絶縁層436が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体層403と接する層において酸素過剰領域を有するのが好ましい。下地絶縁層436に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて下地絶縁層436を成膜すればよい。又は、成膜後の下地絶縁層436に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を注入して、酸素過剰領域を形成しても良い。酸素の注入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。 When the base insulating layer 436 has a region containing oxygen exceeding the stoichiometric composition ratio (hereinafter also referred to as an oxygen-excess region), an oxide semiconductor formed later by excess oxygen contained in the base insulating layer 436 This is preferable because oxygen vacancies in the layer 403 can be filled. In the case where the base insulating layer 436 has a stacked structure, it is preferable that at least a layer in contact with the oxide semiconductor layer 403 have an oxygen-excess region. In order to provide the oxygen-excess region in the base insulating layer 436, for example, the base insulating layer 436 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be injected into the base insulating layer 436 after deposition to form an oxygen-excess region. As an oxygen implantation method, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, a plasma treatment, or the like can be used.

次いで、下地絶縁層436上に酸化物半導体層413を成膜する(図5(A)参照)。酸化物半導体層413の膜厚は、例えば、3nm乃至30nm、好ましくは5nm乃至20nmとする。酸化物半導体層413として、InZrZnO膜を用い、実施の形態1に示した成膜条件で成膜する。成膜時の基板温度は室温以上450℃以下とする。InZrZnO膜は、室温以上450℃以下の基板温度であれば、成膜直後においてCAAC−OS膜である。 Next, an oxide semiconductor layer 413 is formed over the base insulating layer 436 (see FIG. 5A). The thickness of the oxide semiconductor layer 413 is, for example, 3 nm to 30 nm, preferably 5 nm to 20 nm. As the oxide semiconductor layer 413, an InZrZnO X film is used and is formed under the film formation conditions described in Embodiment 1. The substrate temperature during film formation is from room temperature to 450 ° C. The InZrZnO X film is a CAAC-OS film immediately after deposition when the substrate temperature is between room temperature and 450 ° C.

酸化物半導体層413は、InZrZnO膜を用いるため、成膜直後において結晶性酸化物半導体である。さらに結晶性を高めたい場合、成膜直後に行う熱処理の温度は、250℃以上700℃以下、好ましくは、400℃以上、より好ましくは500℃以上、さらに好ましくは550℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼ねることも可能である。 The oxide semiconductor layer 413 is a crystalline oxide semiconductor immediately after deposition because an InZrZnO X film is used. In order to further increase the crystallinity, the temperature of the heat treatment performed immediately after film formation is 250 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, and further preferably 550 ° C. or higher. Note that the heat treatment can also serve as another heat treatment in the manufacturing process.

酸化物半導体層413の成膜方法は、実施の形態1に示したスパッタリング法を用いる。また、酸化物半導体層413は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタリング装置、所謂CPスパッタリング装置(Columner Plasma Sputtering system)を用いて成膜してもよい。 As a method for forming the oxide semiconductor layer 413, the sputtering method described in Embodiment 1 is used. In addition, the oxide semiconductor layer 413 is formed using a sputtering apparatus that performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target, that is, a so-called CP sputtering apparatus (Column Plasma Sputtering system). May be.

酸化物半導体層413を形成する際、できる限り酸化物半導体層413に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。 When the oxide semiconductor layer 413 is formed, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer 413 as much as possible. In order to reduce the hydrogen concentration, for example, when film formation is performed using a sputtering method, impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or a hydride are removed as an atmospheric gas supplied into the processing chamber of the sputtering apparatus. A high-purity rare gas (typically argon), oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen is used as appropriate.

また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層413の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層413に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In addition, the hydrogen concentration of the formed oxide semiconductor layer 413 can be reduced by introducing a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed while removing residual moisture in the deposition chamber. . In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used. The film formation chamber evacuated using a cryopump has a high exhaust capability such as a compound containing hydrogen atoms (more preferably a compound containing carbon atoms) such as hydrogen molecules and water (H 2 O). The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor layer 413 formed in the film chamber can be reduced.

また、基板400を高温に保持した状態で酸化物半導体層413を形成することも、酸化物半導体層413中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板400を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよい。 In addition, forming the oxide semiconductor layer 413 with the substrate 400 kept at a high temperature is also effective in reducing the concentration of impurities that can be contained in the oxide semiconductor layer 413. The temperature for heating the substrate 400 may be 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

酸化物半導体層413に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)、亜鉛(Zn)、及びジルコニウム(Zr)を含む。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のスタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。 An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor layer 413 includes at least indium (In), zinc (Zn), and zirconium (Zr). In addition, it is preferable to include tin (Sn) as a stabilizer for reducing variation in electric characteristics of the transistor including the oxide semiconductor.

また、酸化物半導体層413を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 The sputtering gas used for forming the oxide semiconductor layer 413 is preferably a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed.

酸化物半導体層413の成膜前に、酸化物半導体層413の成膜表面に平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理(例えば、化学的機械研磨法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。 Prior to the formation of the oxide semiconductor layer 413, planarization treatment may be performed on the deposition surface of the oxide semiconductor layer 413. Although it does not specifically limit as planarization processing, Polishing processing (for example, chemical mechanical polishing method), dry etching processing, and plasma processing can be used.

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物半導体層413の成膜表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することができる。 As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma can be performed. Inverse sputtering is a method in which a surface is modified by forming a plasma near the substrate by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere. Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of the argon atmosphere. When reverse sputtering is performed, a powdery substance (also referred to as particles or dust) attached to the deposition surface of the oxide semiconductor layer 413 can be removed.

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物半導体層413の成膜表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。 As the planarization treatment, the polishing treatment, the dry etching treatment, and the plasma treatment may be performed a plurality of times or in combination. In the case where the steps are performed in combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the uneven state of the oxide semiconductor layer 413.

また、酸化物半導体層413に、当該酸化物半導体層413に含まれる過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための熱処理を行うのが好ましい。熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。 The oxide semiconductor layer 413 is preferably subjected to heat treatment for removing (dehydrating or dehydrogenating) excess hydrogen (including water and a hydroxyl group) included in the oxide semiconductor layer 413. The heat treatment temperature is set to be 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower or lower than the strain point of the substrate. The heat treatment can be performed under reduced pressure or a nitrogen atmosphere.

この熱処理によって、n型不純物である水素を酸化物半導体から除去することができる。例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体層413に含まれる水素濃度を、5×1019/cm以下、好ましくは5×1018/cm以下とすることができる。 By this heat treatment, hydrogen which is an n-type impurity can be removed from the oxide semiconductor. For example, the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer 413 after dehydration or dehydrogenation treatment can be 5 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less.

なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体層413の成膜後であればトランジスタ422の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。但し、ゲート絶縁層402又は絶縁層406として酸化アルミニウム膜を用いる場合には、当該酸化アルミニウム膜を形成する前に行うのが好ましい。また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。 Note that heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed at any timing in the manufacturing process of the transistor 422 as long as it is performed after the oxide semiconductor layer 413 is formed. However, in the case where an aluminum oxide film is used as the gate insulating layer 402 or the insulating layer 406, it is preferably performed before the aluminum oxide film is formed. Further, the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed a plurality of times or may be combined with other heat treatment.

なお、下地絶縁層436として酸素を含む下地絶縁層436を設ける場合、脱水化又は脱水素化のための熱処理を酸化物半導体層413の島状への加工前に行うと、下地絶縁層436に含まれる酸素が熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。 Note that in the case where the base insulating layer 436 containing oxygen is provided as the base insulating layer 436, if heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed before the oxide semiconductor layer 413 is processed into an island shape, the base insulating layer 436 is formed. It is preferable because oxygen contained therein can be prevented from being released by heat treatment.

熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 In the heat treatment, it is preferable that water or hydrogen is not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably Is preferably 0.1 ppm or less).

また、熱処理で酸化物半導体層413を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は二窒化酸素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガス又は二窒化酸素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層413を高純度化及び電気的にi型(真性)化することができる。 In addition, after heating the oxide semiconductor layer 413 by heat treatment, a high-purity oxygen gas, a high-purity oxygen dinitride gas, or ultra-dry air ( The moisture content when measured using a CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter is 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less). May be. It is preferable that water, hydrogen, or the like be not contained in the oxygen gas or the oxygen dinitride gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or oxygen dinitride gas introduced into the heat treatment apparatus is 6 N or more, preferably 7 N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or oxygen dinitride gas is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less). It is preferable to do. By supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been simultaneously reduced by the process of removing impurities by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or oxygen dinitride gas, the oxide The semiconductor layer 413 can be highly purified and electrically i-type (intrinsic).

また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して膜中に酸素を供給してもよい。 Alternatively, oxygen (at least including any of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be introduced into the oxide semiconductor layer subjected to dehydration or dehydrogenation treatment to supply oxygen into the film. Good.

脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化、及び電気的にi型(真性)化することができる。高純度化し、電気的にi型(真性)化した酸化物半導体層を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。 By introducing oxygen into the oxide semiconductor layer subjected to dehydration or dehydrogenation treatment and supplying oxygen into the film, the oxide semiconductor layer is highly purified and electrically i-type (intrinsic). can do. A transistor including an oxide semiconductor layer which is highly purified and electrically i-type (intrinsic) has a suppressed variation in electrical characteristics and is electrically stable.

酸素の導入工程は、酸化物半導体層に酸素導入する場合、酸化物半導体層に直接導入してもよいし、後に形成されるゲート絶縁層402や絶縁層406などの他の膜を通過して酸化物半導体層403へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよいが、露出された酸化物半導体層413へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えてプラズマ処理なども用いることができる。 In the step of introducing oxygen, when oxygen is introduced into the oxide semiconductor layer, the oxygen may be introduced directly into the oxide semiconductor layer or through other films such as a gate insulating layer 402 and an insulating layer 406 which are formed later. The oxide semiconductor layer 403 may be introduced. In the case where oxygen is introduced through another film, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like may be used. However, oxygen is directly introduced into the exposed oxide semiconductor layer 413. In addition to the above method, plasma treatment or the like can also be used.

酸化物半導体層への酸素の導入は、酸化物半導体層の成膜後であれば、そのタイミングは特に限定されない。また、酸化物半導体層への酸素の導入は複数回行ってもよい。 The timing of oxygen introduction into the oxide semiconductor layer is not particularly limited as long as it is after the formation of the oxide semiconductor layer. In addition, oxygen may be introduced into the oxide semiconductor layer a plurality of times.

次いで、酸化物半導体層413をフォトリソグラフィ工程により加工して、島状の酸化物半導体層403を形成する。ここで、島状の酸化物半導体層403への加工に用いるマスクは、フォトリソグラフィ法などによって形成されたマスクに、スリミング処理を行って、より微細なパターンを有するマスクとするのが好ましい。 Next, the oxide semiconductor layer 413 is processed by a photolithography process, so that the island-shaped oxide semiconductor layer 403 is formed. Here, a mask used for processing the island-shaped oxide semiconductor layer 403 is preferably a mask having a finer pattern by performing slimming treatment on a mask formed by a photolithography method or the like.

スリミング処理としては、例えば、ラジカル状態の酸素(酸素ラジカル)などを用いるアッシング処理を適用することができる。ただし、スリミング処理はフォトリソグラフィ法などによって形成されたマスクをより微細なパターンに加工できる処理であれば、アッシング処理に限定する必要はない。また、スリミング処理によって形成されるマスクによってトランジスタのチャネル長(L)が決定されることになるため、当該スリミング処理としては制御性の良好な処理を適用することができる。 As the slimming treatment, for example, an ashing treatment using radical oxygen (oxygen radical) or the like can be applied. However, the slimming process need not be limited to the ashing process as long as the mask formed by a photolithography method or the like can be processed into a finer pattern. In addition, since the channel length (L) of the transistor is determined by the mask formed by the slimming process, a process with good controllability can be applied as the slimming process.

スリミング処理の結果、フォトリソグラフィ法などによって形成されたマスクを、露光装置の解像限界以下、好ましくは1/2以下、より好ましくは1/3以下の線幅まで微細化することが可能である。例えば、線幅は、30nm以上2000nm以下、好ましくは50nm以上350nm以下とすることができる。これにより、トランジスタのさらなる微細化を達成することができる。 As a result of the slimming treatment, a mask formed by a photolithography method or the like can be miniaturized to a line width of less than the resolution limit of the exposure apparatus, preferably ½ or less, more preferably 1 / or less. . For example, the line width can be 30 nm to 2000 nm, preferably 50 nm to 350 nm. Thereby, further miniaturization of the transistor can be achieved.

次いで、島状の酸化物半導体層403上に、ソース電極層及びドレイン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜415を成膜する(図5(B)参照)。 Next, a conductive film 415 to be a source electrode layer and a drain electrode layer (including a wiring formed using the same layer) is formed over the island-shaped oxide semiconductor layer 403 (see FIG. 5B). .

導電膜415は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方又は双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜又はそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。又は、導電性の金属酸化物を用いて導電膜415を形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In−SnO、ITOと略記する)、酸化インジウム酸化亜鉛(In−ZnO)又はこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 The conductive film 415 is formed using a material that can withstand heat treatment performed later. For example, a metal film containing an element selected from Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, and W, or a metal nitride film (a titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film) containing the above-described element as a component Etc. can be used. Further, a refractory metal film such as Ti, Mo, W or the like or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) is formed on one or both of the lower side or upper side of the metal film such as Al or Cu. It is good also as a structure which laminated | stacked. Alternatively, the conductive film 415 may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), oxidation Indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO) or a metal oxide material containing silicon oxide can be used.

次に導電膜415に研磨(切削、研削)処理を行い、酸化物半導体層403が露出するように導電膜415の一部を除去する。該研磨処理によって、酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415が除去され、該領域に開口を有する導電膜415aが形成される(図5(C)参照)。研磨(切削、研削)方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を好適に用いることができる。本実施の形態では、CMP処理によって酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415を除去する。 Next, polishing (cutting or grinding) is performed on the conductive film 415, and part of the conductive film 415 is removed so that the oxide semiconductor layer 403 is exposed. By the polishing treatment, the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 is removed, so that a conductive film 415a having an opening in the region is formed (see FIG. 5C). As a polishing (cutting or grinding) method, a chemical mechanical polishing (CMP) process can be suitably used. In this embodiment, the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 is removed by CMP treatment.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b、酸化物半導体層403の表面の平坦性をより向上させることができる。 The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform primary polishing at a low polishing rate after performing primary polishing at a high polishing rate. In this manner, by combining polishing with different polishing rates, planarity of the surfaces of the source electrode layer 405a, the drain electrode layer 405b, and the oxide semiconductor layer 403 can be further improved.

なお、本実施の形態では、酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜405の除去にCMP処理を用いたが、他の研磨(研削、切削)処理を用いてもよい。又は、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。研磨処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜415の材料、膜厚、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。 Note that in this embodiment, CMP treatment is used to remove the conductive film 405 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403; however, other polishing (grinding or cutting) treatment may be used. Alternatively, polishing treatment such as CMP treatment, etching (dry etching, wet etching) treatment, plasma treatment, or the like may be combined. For example, after the CMP treatment, dry etching treatment or plasma treatment (reverse sputtering or the like) may be performed to improve the flatness of the treatment surface. In the case where polishing treatment is combined with etching treatment, plasma treatment, or the like, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the material, film thickness, and surface roughness of the conductive film 415.

なお、本実施の形態においては、導電膜415aの上端部は、酸化物半導体層403の上端部と概略一致している。但し、導電膜415a(又は、導電膜415aを加工して形成されるソース電極層405a及びドレイン電極層405b)の形状は導電膜415を除去する研磨処理の条件によって異なる。例えば、酸化物半導体層403の表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。 Note that in this embodiment, the upper end portion of the conductive film 415 a substantially matches the upper end portion of the oxide semiconductor layer 403. Note that the shape of the conductive film 415a (or the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b formed by processing the conductive film 415a) differs depending on conditions of polishing treatment for removing the conductive film 415. For example, the oxide semiconductor layer 403 may have a shape that recedes from the surface in the film thickness direction.

次いで、導電膜415aをフォトリソグラフィ工程により加工して、ソース電極層405a及びドレイン電極層405b(これと同じ層で形成される配線を含む)を形成する(図5(D)参照)。 Next, the conductive film 415a is processed by a photolithography step, so that a source electrode layer 405a and a drain electrode layer 405b (including a wiring formed using the same layer) are formed (see FIG. 5D).

なお、本実施の形態では、導電膜415を成膜し、研磨処理によって酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415を除去した後に、選択的にエッチング処理してソース電極層405a及びドレイン電極層405bへと加工する方法を示したが、本発明の実施の形態はこれに限られない。成膜後の導電膜415を選択的にエッチング処理して加工したのち、研磨処理によって酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415を除去することで、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成してもよい。但し、研磨処理に先立ってエッチング処理を行う場合には、エッチング処理によって酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415は除去しないものとする。 Note that in this embodiment, the conductive film 415 is formed, and the conductive film 415 in the region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 is removed by polishing treatment, and then selectively etched to be the source electrode layer 405a and the drain. Although the method of processing into the electrode layer 405b has been shown, the embodiment of the present invention is not limited to this. After the deposited conductive film 415 is selectively etched and processed, the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 is removed by polishing, so that the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are removed. May be formed. However, in the case where the etching process is performed prior to the polishing process, the conductive film 415 in the region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 is not removed by the etching process.

本実施の形態で示すトランジスタの作製方法では、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bの形成する際に、酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング処理を用いないため、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bのチャネル長方向の幅が微細化されている場合でも精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタ420を歩留まりよく作製することができる。 In the method for manufacturing the transistor described in this embodiment, a resist mask is used in the step of removing the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403 when the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are formed. Therefore, precise processing can be performed accurately even when the width of the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b in the channel length direction is miniaturized. Thus, in the manufacturing process of the semiconductor device, the transistor 420 having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

また、酸化物半導体層403と重畳する領域の導電膜415を除去することで、酸化物半導体層403と、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bとが、酸化物半導体層403のチャネル長方向の側面において接する構成とすることが可能となる。酸化物半導体層403は膜厚が3nm乃至30nm、好ましくは5nm乃至20nmと小さいため、その側面においてソース電極層405a又はドレイン電極層405bと接することで、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bとの接触面積を低減することができ、接触界面におけるコンタクト抵抗を増大させることができる。したがって、トランジスタ422のチャネル長(L)を短くしても、ソース電極層405aとドレイン電極層405bとの電界を緩和して、しきい値電圧の変動などの短チャネル効果を抑制することができる。 Further, by removing the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor layer 403, the oxide semiconductor layer 403 and the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b can be formed in the channel length direction of the oxide semiconductor layer 403. It becomes possible to make it the structure which touches in a side surface. Since the thickness of the oxide semiconductor layer 403 is as small as 3 nm to 30 nm, preferably 5 nm to 20 nm, the oxide semiconductor layer 403 is in contact with the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b on its side surface, so that the oxide semiconductor layer 403 can be connected to the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b. The contact area can be reduced, and the contact resistance at the contact interface can be increased. Therefore, even when the channel length (L) of the transistor 422 is shortened, the electric field between the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b can be reduced, and a short channel effect such as variation in threshold voltage can be suppressed. .

次いで、酸化物半導体層403、ソース電極層405a及びドレイン電極層405b上にゲート絶縁層402を形成する。 Next, the gate insulating layer 402 is formed over the oxide semiconductor layer 403, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b.

ゲート絶縁層402は、1nm以上20nm以下の膜厚で、スパッタリング法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層402は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置、所謂CPスパッタ装置を用いて成膜してもよい。 The gate insulating layer 402 has a thickness of 1 nm to 20 nm and can be formed using a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like as appropriate. Alternatively, the gate insulating layer 402 may be formed using a sputtering apparatus that performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target, a so-called CP sputtering apparatus.

なお、ゲート絶縁層402が厚いほど短チャネル効果が顕著となり、しきい値電圧がマイナス側へシフトしやすい傾向となる。しかしながら、本実施の形態のトランジスタの作製方法においては、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b及び酸化物半導体層403の上面が研磨処理によって平坦化されているため、膜厚の薄いゲート絶縁層402を被覆性よく形成することができる。 Note that as the gate insulating layer 402 is thicker, the short channel effect becomes more prominent, and the threshold voltage tends to easily shift to the negative side. However, in the method for manufacturing the transistor of this embodiment, the top surfaces of the source electrode layer 405a, the drain electrode layer 405b, and the oxide semiconductor layer 403 are planarized by polishing treatment; Can be formed with good coverage.

ゲート絶縁層402の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、又は窒化酸化シリコン等を用いることができる。ゲート絶縁層402は、酸化物半導体層403と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁層402は、膜中(バルク中)に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁層402として、酸化シリコン膜を用いる場合には、SiO2+α(ただし、α>0)とするのが好ましい。本実施の形態では、ゲート絶縁層402として、SiO2+α(ただし、α>0)である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁層402として用いることで、酸化物半導体層403に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、ゲート絶縁層402は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁層402の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。 As a material of the gate insulating layer 402, silicon oxide, gallium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, silicon nitride oxide, or the like can be used. The gate insulating layer 402 preferably contains oxygen in a portion in contact with the oxide semiconductor layer 403. In particular, the gate insulating layer 402 preferably includes oxygen in the film (in the bulk) at least in an amount exceeding the stoichiometric composition ratio. For example, when a silicon oxide film is used as the gate insulating layer 402, , SiO 2 + α (where α> 0). In this embodiment, a silicon oxide film with SiO 2 + α (where α> 0) is used as the gate insulating layer 402. By using this silicon oxide film as the gate insulating layer 402, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor layer 403, whereby characteristics can be improved. Further, the gate insulating layer 402 is preferably formed in consideration of the size of a transistor to be manufactured and the step coverage of the gate insulating layer 402.

また、ゲート絶縁層402の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh−k材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁層402は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。 Further, as a material of the gate insulating layer 402, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSiO x N y (x> 0, The gate leakage current can be reduced by using a high-k material such as y> 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)), or lanthanum oxide. Further, the gate insulating layer 402 may have a single-layer structure or a stacked structure.

次いで、ゲート絶縁層402を介して島状の酸化物半導体層403上にゲート電極層401を形成する(図6(A)参照)。ゲート電極層401は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等により形成することができる。また、ゲート電極層401の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。 Next, the gate electrode layer 401 is formed over the island-shaped oxide semiconductor layer 403 with the gate insulating layer 402 interposed therebetween (see FIG. 6A). The gate electrode layer 401 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. The material of the gate electrode layer 401 is a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above element as a component ( A titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. As the gate electrode layer 401, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide film such as nickel silicide may be used. The gate electrode layer 401 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極層401の材料は、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。 The material of the gate electrode layer 401 is 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 A conductive material such as zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the conductive material and the metal material can be employed.

また、ゲート絶縁層402と接するゲート電極層401の一層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むIGZO膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。 Further, as one layer of the gate electrode layer 401 in contact with the gate insulating layer 402, a metal oxide containing nitrogen, specifically, an IGZO film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, or In containing nitrogen. A -Ga-O film, an In-Zn-O film containing nitrogen, an Sn-O film containing nitrogen, an In-O film containing nitrogen, or a metal nitride film (InN, SnN, or the like) can be used. . These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or more, and when used as a gate electrode layer, the threshold voltage of the electrical characteristics of the transistor can be made positive. In other words, a so-called normally-off switching element can be realized.

なお、ゲート電極層401は、ゲート絶縁層402上に設けられた導電膜(図示しない)を、マスクを用いて加工することによって形成することができる。ここで、加工に用いるマスクは、フォトリソグラフィ法などによって形成されたマスクに、スリミング処理を行って、より微細なパターンを有するマスクとするのが好ましい。 Note that the gate electrode layer 401 can be formed by processing a conductive film (not illustrated) provided over the gate insulating layer 402 using a mask. Here, the mask used for processing is preferably a mask having a finer pattern by performing slimming treatment on a mask formed by a photolithography method or the like.

次にゲート電極層401及びゲート絶縁層402上に導電性材料を含む膜を成膜し、当該導電性材料を含む膜をエッチングして側壁層412a及び側壁層412bを形成する(図6(B)参照)。 Next, a film containing a conductive material is formed over the gate electrode layer 401 and the gate insulating layer 402, and the film containing the conductive material is etched to form sidewall layers 412a and 412b (FIG. 6B). )reference).

側壁層412a及び側壁層412bは、導電性を有していればよく、例えばタングステン、又はチタン等の金属膜、又は、リン、ボロン等の不純物元素を含むシリコン膜等を加工して形成することができる。または、ゲート電極層401及びゲート絶縁層402上に多結晶シリコン膜を成膜し、エッチングによってゲート電極層401に接する側壁層を形成した後、該側壁層にリン、ボロン等の不純物元素をドーピングによって導入した後、活性化のための熱処理を行って導電性を有する側壁層412a及び側壁層412bとしてもよい。 The sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b only have to be conductive, and are formed by processing a metal film such as tungsten or titanium, or a silicon film containing an impurity element such as phosphorus or boron, for example. Can do. Alternatively, after a polycrystalline silicon film is formed over the gate electrode layer 401 and the gate insulating layer 402 and a sidewall layer in contact with the gate electrode layer 401 is formed by etching, an impurity element such as phosphorus or boron is doped into the sidewall layer. After the introduction, the heat treatment for activation may be performed to form the sidewall layer 412a and the sidewall layer 412b having conductivity.

次いで、ゲート絶縁層402、ゲート電極層401、側壁層412a及び側壁層412b上に絶縁層406及び絶縁層407を形成する。 Next, the insulating layer 406 and the insulating layer 407 are formed over the gate insulating layer 402, the gate electrode layer 401, the sidewall layer 412a, and the sidewall layer 412b.

絶縁層406または絶縁層407は、プラズマCVD法、スパッタリング法、または蒸着法等により成膜することができる。絶縁層406または絶縁層407は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜などを用いることができる。 The insulating layer 406 or the insulating layer 407 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, an evaporation method, or the like. As the insulating layer 406 or the insulating layer 407, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a gallium oxide film can be typically used.

また、絶縁層406または絶縁層407として、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜)、または金属窒化物膜(例えば、窒化アルミニウム膜)も用いることができる。 As the insulating layer 406 or the insulating layer 407, an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a magnesium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, or a barium oxide film) or a metal nitride film (eg, an aluminum nitride film) is also used. be able to.

絶縁層406または絶縁層407として、酸化アルミニウム膜を設けることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高く、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層403への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層403からの放出を防止する保護膜として機能するため好ましく適用することができる。 As the insulating layer 406 or the insulating layer 407, an aluminum oxide film is preferably provided. An aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) of preventing both hydrogen and moisture impurities and oxygen from passing through the film, and impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuations during and after the manufacturing process. It can be preferably applied because it functions as a protective film for preventing entry of oxygen into the oxide semiconductor layer 403 and release of oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, from the oxide semiconductor layer 403.

絶縁層407は、スパッタリング法など、絶縁層407に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することが好ましい。 The insulating layer 407 is preferably formed using a method by which an impurity such as water or hydrogen is not mixed into the insulating layer 407 as appropriate, such as a sputtering method.

酸化物半導体層403の成膜時と同様に、絶縁層406または絶縁層407の成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ(クライオポンプなど)を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁層406または絶縁層407に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁層406または絶縁層407の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。 In the same manner as in the formation of the oxide semiconductor layer 403, an adsorption-type vacuum pump (such as a cryopump) is preferably used in order to remove residual moisture in the deposition chamber of the insulating layer 406 or the insulating layer 407. The concentration of impurities contained in the insulating layer 406 or the insulating layer 407 formed in the deposition chamber evacuated using a cryopump can be reduced. Further, as an exhaustion unit for removing moisture remaining in the deposition chamber of the insulating layer 406 or the insulating layer 407, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used.

本実施の形態では、絶縁層406として、ゲート電極層401に接する側から酸化アルミニウム膜を形成し、絶縁層407として酸化シリコン膜を用いるものとする。なお、酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすることによって、トランジスタ420に安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)や、X線反射率測定法(XRR:X−Ray Reflection)によって測定することができる。 In this embodiment, an aluminum oxide film is formed as the insulating layer 406 from the side in contact with the gate electrode layer 401, and a silicon oxide film is used as the insulating layer 407. Note that when the aluminum oxide film has a high density (a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more), stable electrical characteristics can be imparted to the transistor 420. The film density can be measured by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) or X-ray reflectance measurement (XRR: X-Ray Reflection).

なお、絶縁層406として酸化アルミニウム膜を形成する場合、当該酸化アルミニウム膜の形成後に熱処理を行うことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、酸化物半導体層への水(水素を含む)の侵入防止機能及び酸化物半導体層からの酸素の脱離防止機能を有する。よって、酸化物半導体層403及び/またはそれに接する絶縁層が酸素過剰領域を有していると、酸化アルミニウム膜を設けた状態で熱処理を行うことによって、酸化物半導体層の膜中(バルク中)または、絶縁層と酸化物半導体層の界面において、少なくとも1ヶ所、該膜の化学量論比をこえる酸素が存在する領域(酸素過剰領域とも表記する)を設けることができる。 Note that in the case where an aluminum oxide film is formed as the insulating layer 406, heat treatment is preferably performed after the aluminum oxide film is formed. The aluminum oxide film has a function of preventing water (including hydrogen) from entering the oxide semiconductor layer and a function of preventing release of oxygen from the oxide semiconductor layer. Therefore, when the oxide semiconductor layer 403 and / or the insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer 403 has an oxygen-excess region, heat treatment is performed in a state where the aluminum oxide film is provided, so that the oxide semiconductor layer in the oxide semiconductor layer (in the bulk) Alternatively, at an interface between the insulating layer and the oxide semiconductor layer, at least one region where oxygen exceeding the stoichiometric ratio of the film exists (also referred to as an oxygen-excess region) can be provided.

次いで、絶縁層407、絶縁層406及びゲート絶縁層402に、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bに達する開口を形成し、開口に配線層435a及び配線層435bを形成する(図6(C)参照)。配線層435a及び配線層435bを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を形成することができる。 Next, openings reaching the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b are formed in the insulating layer 407, the insulating layer 406, and the gate insulating layer 402, and a wiring layer 435a and a wiring layer 435b are formed in the openings (FIG. 6C). reference). Various circuits can be formed by connecting the wiring layer 435a and the wiring layer 435b to other transistors and elements.

配線層435a及び配線層435bはゲート電極層401、ソース電極層405a、又はドレイン電極層405bと同様の材料及び方法を用いて形成することができ、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、配線層435a、配線層435bに用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(ITO)、酸化インジウム酸化亜鉛(In−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 The wiring layer 435a and the wiring layer 435b can be formed using a material and a method similar to those of the gate electrode layer 401, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b, for example, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, A metal film containing an element selected from Mo and W, or a metal nitride film (a titanium nitride film, a molybdenum nitride film, or a tungsten nitride film) containing the above-described element as a component can be used. Further, a refractory metal film such as Ti, Mo, W or the like or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) is provided on one or both of the lower side or the upper side of a metal film such as Al or Cu. It is good also as a structure which laminated | stacked. Further, the conductive film used for the wiring layer 435a and the wiring layer 435b may be formed using a conductive metal oxide. Examples of the conductive metal oxide include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO). Alternatively, a material in which silicon oxide is included in these metal oxide materials can be used.

例えば、配線層435a及び配線層435bとして、モリブデン膜の単層、窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜との積層などを用いることができる。 For example, as the wiring layer 435a and the wiring layer 435b, a single layer of a molybdenum film, a stack of a tantalum nitride film and a copper film, a stack of a tantalum nitride film and a tungsten film, or the like can be used.

以上の工程によって、本実施の形態のトランジスタ422が形成される。 Through the above process, the transistor 422 of this embodiment is formed.

なお、島状の酸化物半導体層403のチャネル長方向の長さを、ゲート電極層401のチャネル長方向の長さよりも長くすることで、ゲート電極層401を形成するためにアライメントの自由度をより向上させることができる。この場合、トランジスタのチャネル長を縮小するために、酸化物半導体層403に不純物領域を設けてもよい。 Note that by making the length of the island-shaped oxide semiconductor layer 403 in the channel length direction longer than the length of the gate electrode layer 401 in the channel length direction, the degree of freedom in alignment is increased in order to form the gate electrode layer 401. It can be improved further. In this case, an impurity region may be provided in the oxide semiconductor layer 403 in order to reduce the channel length of the transistor.

例えば、図7(A)及び図7(B)に示すトランジスタ424、及び図8(A)及び図8(B)に示すトランジスタ426は、ゲート電極層401形成後、当該ゲート電極層401をマスクとして酸化物半導体層403へ不純物を導入して、自己整合的に不純物領域403a及び不純物領域403bを形成した例である。 For example, in the transistor 424 illustrated in FIGS. 7A and 7B and the transistor 426 illustrated in FIGS. 8A and 8B, after the gate electrode layer 401 is formed, the gate electrode layer 401 is masked. In this example, impurities are introduced into the oxide semiconductor layer 403 to form the impurity regions 403a and 403b in a self-aligning manner.

トランジスタ424は、トランジスタ420と同様の構成を有し、トランジスタ424に含まれる酸化物半導体層403が、ドーパントを含む一対の不純物領域(不純物領域403a及び不純物領域403b)と、一対の不純物領域に挟まれたチャネル形成領域403cと、を有する点で、トランジスタ420と相違する。また、図8(A)及び図8(B)に示すトランジスタ426は、トランジスタ422と同様の構成を有し、トランジスタ426に含まれる酸化物半導体層403が、ドーパントを含む一対の不純物領域(不純物領域403a及び不純物領域403b)と、一対の不純物領域に挟まれたチャネル形成領域403cと、を有する点で、トランジスタ422と相違する。なお、図7(A)は、トランジスタ424の平面図であり、図7(B)は、図7(A)のX3−Y3における断面図である。また、図8(A)は、トランジスタ426の平面図であり、図8(B)は、図8(A)のX4−Y4における断面図である。 The transistor 424 has a structure similar to that of the transistor 420, and the oxide semiconductor layer 403 included in the transistor 424 is sandwiched between a pair of impurity regions containing impurities (an impurity region 403a and an impurity region 403b) and a pair of impurity regions. The transistor 420 is different from the transistor 420 in that the channel formation region 403c is provided. A transistor 426 illustrated in FIGS. 8A and 8B has a structure similar to that of the transistor 422, and the oxide semiconductor layer 403 included in the transistor 426 includes a pair of impurity regions (impurities) containing a dopant. The transistor 422 is different from the transistor 422 in that it includes a region 403a and an impurity region 403b) and a channel formation region 403c sandwiched between a pair of impurity regions. Note that FIG. 7A is a plan view of the transistor 424, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line X3-Y3 in FIG. 8A is a plan view of the transistor 426, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line X4-Y4 in FIG. 8A.

ドーパントは、酸化物半導体層403の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 The dopant is an impurity that changes the conductivity of the oxide semiconductor layer 403. As a method for introducing the dopant, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used.

チャネル長方向にチャネル形成領域403cを挟んで一対の不純物領域を含む酸化物半導体層を有することにより、トランジスタ424、426はオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能なトランジスタとすることができる。 With the oxide semiconductor layer including a pair of impurity regions with the channel formation region 403c interposed in the channel length direction, the transistors 424 and 426 have high on-characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), high-speed operation, A transistor capable of high-speed response can be obtained.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a semiconductor device using the transistor described in this specification, capable of holding stored data even when power is not supplied, and having no limit on the number of writing times will be described with reference to drawings. To do.

図9は、半導体装置の構成の一例である。図9(A)に、半導体装置の断面図を、図9(B)に半導体装置の平面図を、図9(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図9(A)は、図9(B)のC1−C2、及びD1−D2における断面に相当する。 FIG. 9 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 9A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 9B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 9C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 9A corresponds to a cross section taken along lines C1-C2 and D1-D2 in FIG. 9B.

図9(A)及び図9(B)に示す半導体装置は、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、本実施の形態では、本実施の形態1に示すInZrZnO膜を用いたトランジスタ162を有するものである。トランジスタ162としては、実施の形態2で示すトランジスタ420の構造を適用する例である。 The semiconductor device illustrated in FIGS. 9A and 9B includes a transistor 160 using a first semiconductor material in a lower portion, a second semiconductor material in an upper portion, and in this embodiment mode, this embodiment mode. The transistor 162 including the InZrZnO X film described in Embodiment 1 is provided. The transistor 162 is an example to which the structure of the transistor 420 described in Embodiment 2 is applied.

ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ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(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、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。 Here, it is desirable that the first semiconductor material and the second semiconductor material have different band gaps. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor including a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can hold charge for a long time due to its characteristics.

なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために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トランジスタ162として用いる他、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。 Note that although all the above transistors are described as n-channel transistors, it goes without saying that p-channel transistors can be used. In addition to using the transistor as described in Embodiment 2 using an oxide semiconductor to hold information as the transistor 162, a specific structure of the semiconductor device such as a material used in the semiconductor device and a structure of the semiconductor device Need not be limited to those shown here.

図9(A)におけるトランジスタ160は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板100に設けられたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むように設けられた不純物領域120と、不純物領域120に接する金属化合物領域124と、チャネル形成領域116上に設けられたゲート絶縁層108と、ゲート絶縁層108上に設けられたゲート電極層110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極層やドレイン電極層を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極層やドレイン電極層と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極層との記載には、ソース領域が含まれうる。 A transistor 160 in FIG. 9A includes a channel formation region 116 provided in a substrate 100 containing a semiconductor material (eg, silicon), an impurity region 120 provided so as to sandwich the channel formation region 116, and an impurity region. The gate electrode layer 110 includes a metal compound region 124 in contact with 120, a gate insulating layer 108 provided over the channel formation region 116, and a gate electrode layer 110 provided over the gate insulating layer 108. Note that in the drawing, the source electrode layer and the drain electrode layer may not be explicitly provided, but for convenience, the transistor may be referred to as a transistor including such a state. In this case, in order to describe a connection relation of the transistors, the source electrode layer and the drain electrode layer may be expressed including the source region and the drain region. That is, in this specification, the term “source electrode layer” can include a source region.

基板100上にはトランジスタ160を囲むように素子分離絶縁層106が設けられており、トランジスタ160を覆うように絶縁層128、及び絶縁層130が設けられている。なお、トランジスタ160において、ゲート電極層110の側面に側壁絶縁層(サイドウォール絶縁層)を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域120としてもよい。 An element isolation insulating layer 106 is provided over the substrate 100 so as to surround the transistor 160, and an insulating layer 128 and an insulating layer 130 are provided so as to cover the transistor 160. Note that in the transistor 160, a sidewall insulating layer (sidewall insulating layer) may be provided on a side surface of the gate electrode layer 110 so that the impurity region 120 includes regions having different impurity concentrations.

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ160は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。本実施の形態では、トランジスタ160を覆うように絶縁膜を2層形成する。但し絶縁膜は、単層としてもよいし、3層以上の積層としてもよい。トランジスタ162および容量素子164の形成前の処理として、トランジスタ160上に形成された絶縁膜にCMP処理を施して、平坦化した絶縁層128、絶縁層130を形成し、同時にゲート電極層110の上面を露出させる。 The transistor 160 using a single crystal semiconductor substrate can operate at high speed. Therefore, information can be read at high speed by using the transistor as a reading transistor. In this embodiment, two insulating films are formed so as to cover the transistor 160. However, the insulating film may be a single layer or a stack of three or more layers. As a process before the formation of the transistor 162 and the capacitor 164, the insulating film formed over the transistor 160 is subjected to CMP to form the planarized insulating layer 128 and the insulating layer 130, and at the same time, the top surface of the gate electrode layer 110. To expose.

絶縁層128、絶縁層130は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層128、絶縁層130は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。 The insulating layer 128 and the insulating layer 130 are typically a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride oxide film, or the like. An inorganic insulating film can be used. The insulating layer 128 and the insulating layer 130 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層128、絶縁層130を形成してもよい。 Alternatively, an organic material such as polyimide, acrylic resin, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. In the case of using an organic material, the insulating layer 128 and the insulating layer 130 may be formed by a wet method such as a spin coating method or a printing method.

なお、本実施の形態において、絶縁膜として窒化シリコン膜、絶縁層130として酸化シリコン膜を用いる。 Note that in this embodiment, a silicon nitride film is used as the insulating film, and a silicon oxide film is used as the insulating layer 130.

絶縁層130表面において、酸化物半導体層144形成領域に、平坦化処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理(例えばCMP処理)により十分に平坦化した(好ましくは絶縁層130表面の平均面粗さは0.15nm以下)絶縁層130上に酸化物半導体層144を形成する。 Planarization treatment is preferably performed on the formation region of the oxide semiconductor layer 144 on the surface of the insulating layer 130. In this embodiment, the oxide semiconductor layer 144 is formed over the insulating layer 130 which is sufficiently planarized by polishing treatment (eg, CMP treatment) (preferably the average surface roughness of the surface of the insulating layer 130 is 0.15 nm or less). .

図9(A)に示すトランジスタ162は、チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ162に含まれる酸化物半導体層144は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ162を得ることができる。 A transistor 162 illustrated in FIG. 9A is a transistor in which an InZrZnO X film is used for an oxide semiconductor layer having a channel formation region. Here, the oxide semiconductor layer 144 included in the transistor 162 is preferably highly purified. With the use of a highly purified oxide semiconductor, the transistor 162 with extremely excellent off characteristics can be obtained.

トランジスタ162は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 Since the transistor 162 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 162. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

トランジスタ162はチャネル長方向の側面において電極層142aまたは電極層142bと接する酸化物半導体層144を含む。よって、酸化物半導体層144と、電極層142a又は電極層142bとが接する領域の抵抗を高めることができるため、ソースとドレイン間の電界を緩和することができる。したがって、トランジスタサイズの縮小に伴う短チャネル効果を抑制することができる。 The transistor 162 includes an oxide semiconductor layer 144 in contact with the electrode layer 142a or the electrode layer 142b on the side surface in the channel length direction. Therefore, the resistance of the region where the oxide semiconductor layer 144 is in contact with the electrode layer 142a or the electrode layer 142b can be increased, so that the electric field between the source and the drain can be reduced. Therefore, the short channel effect accompanying the reduction in transistor size can be suppressed.

また、トランジスタ162は、ゲート電極層148のチャネル長方向の側面に導電性材料を含む側壁層137a、137bを有することで、当該導電性材料を含む側壁層137a、137bがゲート絶縁層146を介して電極層142a又は電極層142bと重畳するため、実質的にLov領域を有するトランジスタとすることができ、トランジスタ162のオン電流の低下を抑制することが可能となる。 In addition, the transistor 162 includes sidewall layers 137a and 137b including a conductive material on a side surface in the channel length direction of the gate electrode layer 148, so that the sidewall layers 137a and 137b including the conductive material are interposed through the gate insulating layer 146. Since the transistor overlaps with the electrode layer 142a or the electrode layer 142b, the transistor can substantially have a Lov region, and a decrease in on-state current of the transistor 162 can be suppressed.

トランジスタ162上には、絶縁層132、層間絶縁膜135、絶縁層150が単層または積層で設けられている。本実施の形態では、絶縁層132及び絶縁層150として、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすることによって、トランジスタ162に安定な電気特性を付与することができる。 Over the transistor 162, the insulating layer 132, the interlayer insulating film 135, and the insulating layer 150 are provided as a single layer or a stacked layer. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the insulating layer 132 and the insulating layer 150. When the aluminum oxide film has a high density (a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more), stable electrical characteristics can be imparted to the transistor 162.

また、ゲート絶縁層146を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層153が設けられており、電極層142aと、ゲート絶縁層146と、導電層153とによって、容量素子164が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは、容量素子164の一方の電極として機能し、導電層153は、容量素子164の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子164を設けない構成とすることもできる。また、容量素子164は、別途、トランジスタ162の上方に設けてもよい。 In addition, a conductive layer 153 is provided in a region overlapping with the electrode layer 142a of the transistor 162 with the gate insulating layer 146 provided therebetween, and the electrode layer 142a, the gate insulating layer 146, and the conductive layer 153 provide capacitance. Element 164 is configured. That is, the electrode layer 142 a of the transistor 162 functions as one electrode of the capacitor 164 and the conductive layer 153 functions as the other electrode of the capacitor 164. Note that in the case where a capacitor is not necessary, the capacitor 164 can be omitted. Further, the capacitor 164 may be separately provided above the transistor 162.

本実施の形態において、導電層153は、トランジスタ162のゲート電極層148と同一の作製工程によって形成することができる。なお、ゲート電極層148の側面に側壁層137a及び側壁層137bを形成する工程において、導電層の側面にも同様に側壁層を設けてもよい。 In this embodiment, the conductive layer 153 can be formed in the same manufacturing process as the gate electrode layer 148 of the transistor 162. Note that in the step of forming the sidewall layer 137a and the sidewall layer 137b on the side surface of the gate electrode layer 148, a sidewall layer may be provided on the side surface of the conductive layer as well.

絶縁層150上にはトランジスタ162と、他のトランジスタを接続するための配線156が設けられている。配線156は、絶縁層150、層間絶縁膜135、絶縁層132及び及びゲート絶縁層146などに形成された開口に形成された電極層136を介して電極層142bと電気的に接続される。 Over the insulating layer 150, the transistor 162 and a wiring 156 for connecting another transistor are provided. The wiring 156 is electrically connected to the electrode layer 142b through an electrode layer 136 formed in an opening formed in the insulating layer 150, the interlayer insulating film 135, the insulating layer 132, the gate insulating layer 146, and the like.

図9(A)及び図9(B)において、トランジスタ160と、トランジスタ162とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ160のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体層144の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ162及び容量素子164が、トランジスタ160の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子164の導電層153は、トランジスタ160のゲート電極層110と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 9A and 9B, the transistor 160 and the transistor 162 are provided so that at least part of them overlap with each other, and the source region or the drain region of the transistor 160 and the oxide semiconductor layer 144 are overlapped with each other. It is preferable that a part is provided so as to overlap. In addition, the transistor 162 and the capacitor 164 are provided so as to overlap with at least part of the transistor 160. For example, the conductive layer 153 of the capacitor 164 is provided so as to overlap at least partly with the gate electrode layer 110 of the transistor 160. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

なお、電極層142b及び配線156の電気的接続は、電極層136を設けずに電極層142b及び配線156を直接接触させて行ってもよい。また、間に介する電極層は、複数でもよい。 Note that the electrical connection between the electrode layer 142b and the wiring 156 may be performed by directly contacting the electrode layer 142b and the wiring 156 without providing the electrode layer 136. Moreover, a plurality of intervening electrode layers may be provided.

次に、図9(A)及び図9(B)に対応する回路構成の一例を図9(C)に示す。 Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 9A and 9B is illustrated in FIG.

図9(C)において、第1の配線(1st Line)とトランジスタ160のソース電極層とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ160のドレイン電極層とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)とトランジスタ162のソース電極層またはドレイン電極層の一方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ162のゲート電極層とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ160のゲート電極層と、トランジスタ162のソース電極層またはドレイン電極層の一方は、容量素子164の電極の他方と電気的に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子164の電極の他方は電気的に接続されている。 In FIG. 9C, the first wiring (1st Line) and the source electrode layer of the transistor 160 are electrically connected, and the second wiring (2nd Line) and the drain electrode layer of the transistor 160 are electrically connected. Connected. In addition, the third wiring (3rd Line) and one of the source electrode layer and the drain electrode layer of the transistor 162 are electrically connected, and the fourth wiring (4th Line) and the gate electrode layer of the transistor 162 are connected. Are electrically connected. One of a gate electrode layer of the transistor 160 and a source electrode layer or a drain electrode layer of the transistor 162 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 164, and a fifth wiring (5th Line) and a capacitor The other of the 164 electrodes is electrically connected.

図9(C)に示す半導体装置では、トランジスタ160のゲート電極層の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 9C, by using the feature that the potential of the gate electrode layer of the transistor 160 can be held, information can be written, held, and read as follows.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオン状態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、第3の配線の電位が、トランジスタ160のゲート電極層、および容量素子164に与えられる。すなわち、トランジスタ160のゲート電極層には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位にして、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、トランジスタ160のゲート電極層に与えられた電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 162 is turned on, so that the transistor 162 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring is supplied to the gate electrode layer of the transistor 160 and the capacitor 164. That is, predetermined charge is supplied to the gate electrode layer of the transistor 160 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 162 is turned off and the transistor 162 is turned off, whereby the charge given to the gate electrode layer of the transistor 160 is held (held).

トランジスタ162のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ160のゲート電極層の電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 162 is extremely small, the charge of the gate electrode layer of the transistor 160 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ160のゲート電極層に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ160をnチャネル型とすると、トランジスタ160のゲート電極層にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ160のゲート電極層にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ160を「オン状態」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth_HとVth_Lの中間の電位Vとすることにより、トランジスタ160のゲート電極層に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ160は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ160は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring, according to the amount of charge held in the gate electrode layer of the transistor 160, The second wiring takes different potentials. In general, when the transistor 160 is an n-channel transistor, the apparent threshold value V th_H in the case where a high-level charge is applied to the gate electrode layer of the transistor 160 is a low-level charge applied to the gate electrode layer of the transistor 160. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L in the case of Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring necessary for turning on the transistor 160. Therefore, the charge given to the gate electrode layer of the transistor 160 can be determined by setting the potential of the fifth wiring to a potential V 0 that is intermediate between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 160 is turned on when the potential of the fifth wiring is V 0 (> V th_H ). When the low-level charge is supplied , the transistor 160 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring is V 0 (<V th_L ). Therefore, the held information can be read by looking at the potential of the second wiring.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ160が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ160が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, a potential at which the transistor 160 is turned off regardless of the state of the gate electrode layer, that is, a potential lower than V th_H may be supplied to the fifth wiring. Alternatively , a potential that turns on the transistor 160 regardless of the state of the gate electrode layer, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current using an InZrZnO X film for an oxide semiconductor layer having a channel formation region. is there. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。 In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that the problem of deterioration of the gate insulating layer does not occur at all. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。 As described above, a semiconductor device which is miniaturized and highly integrated and has high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態においては、実施の形態2に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態3に示した構成と異なる構成について、図10及び図11を用いて説明を行う。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a semiconductor device which uses the transistor described in Embodiment 2 and can hold stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing operations is described in Embodiment 3. A structure different from the illustrated structure will be described with reference to FIGS.

図10(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図10(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図10(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図10(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。 FIG. 10A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 10B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 10A is described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 10B is described below.

図10(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ162のソース電極層又はドレイン電極層とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極層又はドレイン電極層と容量素子254の第1の端子とは電気的に接続されている。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 10A, the bit line BL and the source or drain electrode layer of the transistor 162 are electrically connected, and the word line WL and the gate electrode layer of the transistor 162 are electrically connected. The source or drain electrode layer of the transistor 162 and the first terminal of the capacitor 254 are electrically connected.

次に、図10(A)に示す半導体装置(メモリセル250)に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。 Next, the case where data is written and held in the semiconductor device (memory cell 250) illustrated in FIG.

まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオン状態となる電位として、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子254の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位として、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、容量素子254の第1の端子の電位が保持される(保持)。 First, the potential of the word line WL is set to a potential at which the transistor 162 is turned on, so that the transistor 162 is turned on. Accordingly, the potential of the bit line BL is supplied to the first terminal of the capacitor 254 (writing). After that, the potential of the first terminal of the capacitor 254 is held (held) by setting the potential of the word line WL to a potential at which the transistor 162 is turned off and the transistor 162 being turned off.

チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたトランジスタ162は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは、容量素子254に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって保持することが可能である。 The transistor 162 using an InZrZnO X film for an oxide semiconductor layer having a channel formation region has a feature of extremely low off-state current. Therefore, when the transistor 162 is turned off, the potential of the first terminal of the capacitor 254 (or the charge accumulated in the capacitor 254) can be held for an extremely long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ162がオン状態となると、浮遊状態であるビット線BLと容量素子254とが導通し、ビット線BLと容量素子254の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電位の変化量は、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは容量素子254に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。 Next, reading of information will be described. When the transistor 162 is turned on, the bit line BL in a floating state and the capacitor 254 are brought into conduction, and charge is redistributed between the bit line BL and the capacitor 254. As a result, the potential of the bit line BL changes. The amount of change in the potential of the bit line BL varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 254 (or the charge accumulated in the capacitor 254).

例えば、容量素子254の第1の端子の電位をV、容量素子254の容量をC、ビット線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル250の状態として、容量素子254の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of the first terminal of the capacitor 254 is V, the capacitor of the capacitor 254 is C, the capacitor component of the bit line BL (hereinafter also referred to as bit line capacitor) is CB, and before the charge is redistributed. When the potential of the bit line BL is VB0, the potential of the bit line BL after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, when the potential of the first terminal of the capacitor 254 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell 250, the potential of the bit line BL when the potential V1 is held. It can be seen that (= CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the bit line BL when the potential V0 is held (= CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)).

そして、ビット線BLの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。 Then, information can be read by comparing the potential of the bit line BL with a predetermined potential.

このように、図10(A)に示す半導体装置は、トランジスタ162のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子254に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 As described above, the semiconductor device illustrated in FIG. 10A can hold charge that is accumulated in the capacitor 254 for a long time because the off-state current of the transistor 162 is extremely small. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

次に、図10(B)に示す半導体装置について、説明を行う。 Next, the semiconductor device illustrated in FIG. 10B is described.

図10(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図10(A)に示したメモリセル250を複数有するメモリセルアレイ251a及び251bを有し、下部に、メモリセルアレイ(メモリセルアレイ251a及び251b)を動作させるために必要な周辺回路253を有する。なお、周辺回路253は、メモリセルアレイ251と電気的に接続されている。 The semiconductor device illustrated in FIG. 10B includes memory cell arrays 251a and 251b each including a plurality of memory cells 250 illustrated in FIG. 10A as memory circuits in the upper portion, and memory cell arrays (memory cell arrays 251a and 251b in the lower portion. The peripheral circuit 253 necessary for operating the device is operated. Note that the peripheral circuit 253 is electrically connected to the memory cell array 251.

図10(B)に示した構成とすることにより、周辺回路253をメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。 With the structure illustrated in FIG. 10B, the peripheral circuit 253 can be provided immediately below the memory cell array 251 (memory cell arrays 251a and 251b), so that the semiconductor device can be downsized.

周辺回路253に設けられるトランジスタは、トランジスタ162とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。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ことが好ましい。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、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能である。 The transistor provided in the peripheral circuit 253 is preferably formed using a semiconductor material different from that of the transistor 162. For example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. Therefore, various transistors (logic circuits, drive circuits, etc.) that require high-speed operation can be suitably realized by the transistors.

なお、図10(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251aと、メモリセルアレイ251b)が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルを積層する構成としても良い。 Note that in the semiconductor device illustrated in FIG. 10B, a structure in which two memory cell arrays 251 (a memory cell array 251a and a memory cell array 251b) are stacked is illustrated; however, the number of stacked memory cells is not limited thereto. . A configuration in which three or more memory cells are stacked may be employed.

次に、図10(A)に示したメモリセル250の具体的な構成について図11を用いて説明を行う。 Next, a specific structure of the memory cell 250 illustrated in FIG. 10A will be described with reference to FIGS.

図11は、メモリセル250の構成の一例である。図11(A)に、メモリセル250の断面図を、図11(B)にメモリセル250の平面図をそれぞれ示す。ここで、図11(A)は、図11(B)のF1−F2、及びG1−G2における断面に相当する。 FIG. 11 shows an example of the configuration of the memory cell 250. FIG. 11A is a cross-sectional view of the memory cell 250, and FIG. 11B is a plan view of the memory cell 250. Here, FIG. 11A corresponds to a cross section taken along lines F1-F2 and G1-G2 in FIG.

図11(A)及び図11(B)に示すトランジスタ162は、実施の形態2で示した構成と同一の構成とすることができる。 The transistor 162 illustrated in FIGS. 11A and 11B can have the same structure as the structure described in Embodiment 2.

ゲート絶縁層146を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層262が設けられており、電極層142aと、ゲート絶縁層146と、導電層262とによって、容量素子254が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは、容量素子254の一方の電極として機能し、導電層262は、容量素子254の他方の電極として機能する。 A conductive layer 262 is provided in a region overlapping with the electrode layer 142 a of the transistor 162 with the gate insulating layer 146 provided therebetween. The capacitor 254 includes the electrode layer 142 a, the gate insulating layer 146, and the conductive layer 262. Is configured. That is, the electrode layer 142 a of the transistor 162 functions as one electrode of the capacitor 254, and the conductive layer 262 functions as the other electrode of the capacitor 254.

トランジスタ162及び容量素子254上には、絶縁層132、層間絶縁膜135及び絶縁層256が単層または積層で設けられている。そして、絶縁層256上にはメモリセル250と、隣接するメモリセル250を接続するための配線260が設けられている。配線260は、絶縁層256、層間絶縁膜135、絶縁層132及びゲート絶縁層146などに形成された開口を介してトランジスタ162の電極層142bと電気的に接続されている。但し、配線260と電極層142bとを直接接続してもよい。なお、配線260は、図10(A)の回路図におけるビット線BLに相当する。 Over the transistor 162 and the capacitor 254, the insulating layer 132, the interlayer insulating film 135, and the insulating layer 256 are provided as a single layer or a stacked layer. On the insulating layer 256, a memory cell 250 and a wiring 260 for connecting the adjacent memory cell 250 are provided. The wiring 260 is electrically connected to the electrode layer 142b of the transistor 162 through an opening formed in the insulating layer 256, the interlayer insulating film 135, the insulating layer 132, the gate insulating layer 146, and the like. However, the wiring 260 and the electrode layer 142b may be directly connected. Note that the wiring 260 corresponds to the bit line BL in the circuit diagram of FIG.

図11(A)及び図11(B)において、トランジスタ162の電極層142bは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極層としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 In FIGS. 11A and 11B, the electrode layer 142b of the transistor 162 can also function as a source electrode layer of a transistor included in an adjacent memory cell. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

図11(A)に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 By employing the planar layout shown in FIG. 11A, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, so that high integration can be achieved.

以上のように、多層に形成された複数のメモリセルは、チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたトランジスタにより形成されている。チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 As described above, the plurality of memory cells formed in multiple layers is formed using a transistor in which an InZrZnO X film is used for an oxide semiconductor layer having a channel formation region. A transistor in which an InZrZnO X film is used for an oxide semiconductor layer having a channel formation region has low off-state current; thus, by using this transistor, stored data can be held for a long time. That is, the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced.

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ(換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、チャネル形成領域を有する酸化物半導体層にInZrZnO膜を用いたトランジスタ(より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。 In this manner, a peripheral circuit using a transistor using a material other than an oxide semiconductor (in other words, a transistor capable of sufficiently high-speed operation) and an InZrZnO X film for an oxide semiconductor layer having a channel formation region are used. By integrally including a memory circuit using a transistor (a transistor with a sufficiently small off-state current in a broader sense), a semiconductor device having characteristics that have never existed can be realized. Further, the peripheral circuit and the memory circuit have a stacked structure, whereby the semiconductor device can be integrated.

以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。 As described above, a semiconductor device which is miniaturized and highly integrated and has high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態3、及び実施の形態4で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図12乃至図15を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of Embodiments 3 and 4 is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS. .

携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。 In portable devices such as mobile phones, smartphones, and electronic books, SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data. The reason why SRAM or DRAM is used is that the flash memory has a slow response and is not suitable for image processing. On the other hand, when SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data, it has the following characteristics.

通常のSRAMは、図12(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ801〜806の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダー808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ804とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし1つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常100〜150Fである。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。 In a normal SRAM, as shown in FIG. 12A, one memory cell is composed of six transistors 801 to 806, which are driven by an X decoder 807 and a Y decoder 808. The transistors 803 and 805 and the transistors 804 and 806 form an inverter and can be driven at high speed. However, since one memory cell is composed of 6 transistors, there is a disadvantage that the cell area is large. When the minimum dimension of the design rule is F, the SRAM memory cell area is normally 100 to 150 F 2 . For this reason, SRAM has the highest unit price per bit among various memories.

それに対して、DRAMはメモリセルが図12(B)に示すようにトランジスタ811、保持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて駆動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。DRAMのメモリセル面積は通常10F以下である。ただし、DRAMは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。 On the other hand, in the DRAM, a memory cell includes a transistor 811 and a storage capacitor 812 as shown in FIG. 12B, and is driven by an X decoder 813 and a Y decoder 814. One cell has a structure of one transistor and one capacitor, and the area is small. The memory cell area of a DRAM is usually 10F 2 or less. However, the DRAM always needs refreshing and consumes power even when rewriting is not performed.

しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、10F前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力が低減することができる。 However, the memory cell area of the semiconductor device described in the above embodiment is around 10F 2 and frequent refreshing is not necessary. Therefore, the memory cell area can be reduced and the power consumption can be reduced.

図13に携帯機器のブロック図を示す。図13に示す携帯機器はRF回路901、アナログベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス(IF)909を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に実施の形態3または実施の形態4で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 FIG. 13 shows a block diagram of a portable device. 13 includes an RF circuit 901, an analog baseband circuit 902, a digital baseband circuit 903, a battery 904, a power supply circuit 905, an application processor 906, a flash memory 910, a display controller 911, a memory circuit 912, a display 913, and a touch. A sensor 919, an audio circuit 917, a keyboard 918, and the like are included. The display 913 includes a display unit 914, a source driver 915, and a gate driver 916. The application processor 906 includes a CPU 907, a DSP 908, and an interface (IF) 909. In general, the memory circuit 912 is configured by SRAM or DRAM, and by adopting the semiconductor device described in Embodiment 3 or 4 in this portion, writing and reading of information is performed at high speed and long-term storage is performed. Holding is possible, and power consumption can be sufficiently reduced.

図14に、ディスプレイのメモリ回路950に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図14に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイッチ954、スイッチ955およびメモリコントローラ951により構成されている。また、メモリ回路は、画像データ(入力画像データ)からの信号線、メモリ952、及びメモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、及び制御を行うディスプレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表示するディスプレイ957が接続されている。 FIG. 14 shows an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the memory circuit 950 of the display. A memory circuit 950 illustrated in FIG. 14 includes a memory 952, a memory 953, a switch 954, a switch 955, and a memory controller 951. The memory circuit reads a signal line from image data (input image data), a memory 952, and data (stored image data) stored in the memory 953, and a display controller 956 that performs control and a display controller 956 A display 957 for displaying by the signal is connected.

まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ(図示しない)によって、形成される(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ954を介してメモリ952に記憶される。そしてメモリ952に記憶された画像データ(記憶画像データA)は、スイッチ955、及びディスプレイコントローラ956を介してディスプレイ957に送られ、表示される。 First, certain image data is formed by an application processor (not shown) (input image data A). The input image data A is stored in the memory 952 via the switch 954. The image data (stored image data A) stored in the memory 952 is sent to the display 957 via the switch 955 and the display controller 956 and displayed.

入力画像データAに変更が無い場合、記憶画像データAは、通常30〜60Hz程度の周期でメモリ952からスイッチ955を介して、ディスプレイコントローラ956から読み出される。 When there is no change in the input image data A, the stored image data A is normally read from the display controller 956 from the memory 952 via the switch 955 at a cycle of about 30 to 60 Hz.

次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき(すなわち、入力画像データAに変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データB)を形成する。入力画像データBはスイッチ954を介してメモリ953に記憶される。この間も定期的にメモリ952からスイッチ955を介して記憶画像データAは読み出されている。メモリ953に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し終わると、ディスプレイ957の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、スイッチ955、及びディスプレイコントローラ956を介して、ディスプレイ957に記憶画像データBが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ952に記憶されるまで継続される。 Next, for example, when the user performs an operation of rewriting the screen (that is, when the input image data A is changed), the application processor forms new image data (input image data B). The input image data B is stored in the memory 953 via the switch 954. During this time, stored image data A is periodically read from the memory 952 via the switch 955. When new image data (stored image data B) is stored in the memory 953, the stored image data B is read from the next frame of the display 957, and is stored in the display 957 via the switch 955 and the display controller 956. The stored image data B is sent and displayed. This reading is continued until new image data is stored in the memory 952 next time.

このようにメモリ952及びメモリ953は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ957の表示をおこなう。なお、メモリ952及びメモリ953はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを分割して使用してもよい。実施の形態3または実施の形態4で説明した半導体装置をメモリ952及びメモリ953に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 As described above, the memory 952 and the memory 953 display the display 957 by alternately writing image data and reading image data. Note that the memory 952 and the memory 953 are not limited to different memories, and one memory may be divided and used. By employing the semiconductor device described in Embodiment 3 or 4 for the memory 952 and the memory 953, information can be written and read at high speed, data can be stored for a long time, and power consumption can be sufficiently high. Can be reduced.

図15に電子書籍のブロック図を示す。図15はバッテリー1001、電源回路1002、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、ディスプレイコントローラ1010によって構成される。 FIG. 15 is a block diagram of an electronic book. 15 includes a battery 1001, a power supply circuit 1002, a microprocessor 1003, a flash memory 1004, an audio circuit 1005, a keyboard 1006, a memory circuit 1007, a touch panel 1008, a display 1009, and a display controller 1010.

ここでは、図15のメモリ回路1007に実施の形態3または実施の形態4で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路1007の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、実施の形態3または実施の形態4で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 Here, the semiconductor device described in Embodiment 3 or 4 can be used for the memory circuit 1007 in FIG. The role of the memory circuit 1007 has a function of temporarily holding the contents of a book. An example of a function is when a user uses a highlight function. When a user is reading an electronic book, the user may want to mark a specific part. This marking function is called a highlight function, and is to show the difference from the surroundings by changing the display color, underlining, making the character thicker, or changing the font of the character. This is a function for storing and holding information on a location designated by the user. When this information is stored for a long time, it may be copied to the flash memory 1004. Even in such a case, by using the semiconductor device described in Embodiment 3 or 4, information writing and reading can be performed at high speed, long-term storage can be performed, and power consumption is sufficient. Can be reduced.

以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、実施の形態3または実施の形態4に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。 As described above, the portable device described in this embodiment includes the semiconductor device according to Embodiment 3 or Embodiment 4. This realizes a portable device that can read data at high speed, can store data for a long period of time, and has low power consumption.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

100 基板
106 素子分離絶縁層
108 ゲート絶縁層
110 ゲート電極層
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
124 金属化合物領域
128 絶縁層
130 絶縁層
132 絶縁層
135 層間絶縁膜
136 電極層
137a 側壁層
137b 側壁層
142a 電極層
142b 電極層
144 酸化物半導体層
146 ゲート絶縁層
148 ゲート電極層
150 絶縁層
153 導電層
156 配線
160 トランジスタ
162 トランジスタ
164 容量素子
250 メモリセル
251 メモリセルアレイ
251a メモリセルアレイ
251b メモリセルアレイ
253 周辺回路
254 容量素子
256 絶縁層
260 配線
262 導電層
400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁層
403 酸化物半導体層
403a 不純物領域
403b 不純物領域
403c チャネル形成領域
405 導電膜
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
406 絶縁層
407 絶縁層
412a 側壁層
412b 側壁層
413 酸化物半導体層
415 導電膜
415a 導電膜
420 トランジスタ
422 トランジスタ
424 トランジスタ
426 トランジスタ
435a 配線層
435b 配線層
436 下地絶縁層
801 トランジスタ
803 トランジスタ
804 トランジスタ
805 トランジスタ
806 トランジスタ
807 Xデコーダー
808 Yデコーダー
811 トランジスタ
812 保持容量
813 Xデコーダー
814 Yデコーダー
901 RF回路
902 アナログベースバンド回路
903 デジタルベースバンド回路
904 バッテリー
905 電源回路
906 アプリケーションプロセッサ
907 CPU
908 DSP
909 インターフェイス
910 フラッシュメモリ
911 ディスプレイコントローラ
912 メモリ回路
913 ディスプレイ
914 表示部
915 ソースドライバ
916 ゲートドライバ
917 音声回路
918 キーボード
919 タッチセンサ
950 メモリ回路
951 メモリコントローラ
952 メモリ
953 メモリ
954 スイッチ
955 スイッチ
956 ディスプレイコントローラ
957 ディスプレイ
1001 バッテリー
1002 電源回路
1003 マイクロプロセッサ
1004 フラッシュメモリ
1005 音声回路
1006 キーボード
1007 メモリ回路
1008 タッチパネル
1009 ディスプレイ
1010 ディスプレイコントローラ
100 substrate 106 element isolation insulating layer 108 gate insulating layer 110 gate electrode layer 116 channel formation region 120 impurity region 124 metal compound region 128 insulating layer 130 insulating layer 132 insulating layer 135 interlayer insulating film 136 electrode layer 137a side wall layer 137b side wall layer 142a electrode Layer 142b electrode layer 144 oxide semiconductor layer 146 gate insulating layer 148 gate electrode layer 150 insulating layer 153 conductive layer 156 wiring 160 transistor 162 transistor 164 capacitor 250 memory cell 251 memory cell array 251a memory cell array 251b memory cell array 253 peripheral circuit 254 capacitor 256 Insulating layer 260 Wiring 262 Conductive layer 400 Substrate 401 Gate electrode layer 402 Gate insulating layer 403 Oxide semiconductor layer 403a Impurity region 403b Impurity region 403 c channel formation region 405 conductive film 405a source electrode layer 405b drain electrode layer 406 insulating layer 407 insulating layer 412a sidewall layer 412b sidewall layer 413 oxide semiconductor layer 415 conductive film 415a conductive film 420 transistor 422 transistor 424 transistor 426 transistor 435a wiring layer 435b Wiring layer 436 Base insulating layer 801 Transistor 803 Transistor 804 Transistor 805 Transistor 806 Transistor 807 X decoder 808 Y decoder 811 Transistor 812 Storage capacitor 813 X decoder 814 Y decoder 901 RF circuit 902 Analog baseband circuit 903 Digital baseband circuit 904 Battery 905 Power supply Circuit 906 Application processor 907 CPU
908 DSP
909 Interface 910 Flash memory 911 Display controller 912 Memory circuit 913 Display 914 Display unit 915 Source driver 916 Gate driver 917 Audio circuit 918 Keyboard 919 Touch sensor 950 Memory circuit 951 Memory controller 952 Memory 953 Memory 954 Switch 955 Switch 956 Display controller 957 Display 1001 Battery 1002 Power supply circuit 1003 Microprocessor 1004 Flash memory 1005 Audio circuit 1006 Keyboard 1007 Memory circuit 1008 Touch panel 1009 Display 1010 Display controller

Claims (2)

インジウムと、ジルコニウムと、亜鉛とを含む酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重なるゲート電極層とを有し、
前記酸化物半導体層は、c軸が表面に対して垂直方向に沿うように配向された結晶を有することを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor layer containing indium, zirconium, and zinc;
A gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer;
Have a said oxide semiconductor layer overlapping with the gate electrode layer through the gate insulating layer,
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor layer has a crystal oriented such that a c-axis is along a direction perpendicular to the surface.
請求項1において、In claim 1,
前記酸化物半導体層は、成膜直後に前記c軸が表面に対して垂直方向に沿うように配向された結晶を有することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor layer has a crystal oriented so that the c-axis is perpendicular to the surface immediately after film formation.
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