JP5946624B2 - Oxide semiconductor film and semiconductor device - Google Patents

Oxide semiconductor film and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP5946624B2
JP5946624B2 JP2011223214A JP2011223214A JP5946624B2 JP 5946624 B2 JP5946624 B2 JP 5946624B2 JP 2011223214 A JP2011223214 A JP 2011223214A JP 2011223214 A JP2011223214 A JP 2011223214A JP 5946624 B2 JP5946624 B2 JP 5946624B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
transistor
oxide semiconductor
oxide
crystal structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011223214A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013084735A (en
JP2013084735A5 (en
Inventor
山崎 舜平
舜平 山崎
基 中島
基 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2011223214A priority Critical patent/JP5946624B2/en
Publication of JP2013084735A publication Critical patent/JP2013084735A/en
Publication of JP2013084735A5 publication Critical patent/JP2013084735A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5946624B2 publication Critical patent/JP5946624B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Description

酸化物半導体膜及び該酸化物半導体膜を具備する半導体装置に関する。 The present invention relates to an oxide semiconductor film and a semiconductor device including the oxide semiconductor film.

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.

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トランジスタ(薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 A technique for forming a transistor (also referred to as a thin film transistor (TFT)) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、トランジスタの活性層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照)。 For example, a transistor using an amorphous oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as an active layer of the transistor is disclosed (see Patent Document 1).

特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A

トランジスタの活性層に用いることのできる、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)を含む酸化物半導体(以下、IGZO)は、シリコンの半導体よりも広いバンドギャップの特性を有している。しかしながら、IGZOは、酸素欠損により特性が変化するため、酸素を放出しないような酸化物半導体膜への改善が求められている。またIGZOは、バンドギャップがシリコンより広いものの、酸化物半導体膜の絶縁破壊耐圧の向上及び光劣化の抑制のため、さらに広いバンドギャップとすることが求められている。 An oxide semiconductor (hereinafter referred to as IGZO) containing indium (In), gallium (Ga), zinc (Zn), and oxygen (O) that can be used for an active layer of a transistor has a wider band gap than a silicon semiconductor. It has characteristics. However, since characteristics of IGZO change due to oxygen deficiency, improvement to an oxide semiconductor film that does not release oxygen is required. Further, although IGZO has a wider band gap than silicon, it is required to have a wider band gap in order to improve the breakdown voltage of the oxide semiconductor film and to suppress light degradation.

そこで、本発明の一態様は、結晶構造の結合エネルギーをIGZOよりも大きくすることで、酸化物半導体膜内の酸素の結合を安定にし、且つIGZOよりバンドギャップを大きくすることのできる酸化物半導体膜、及び該酸化物半導体膜を具備する半導体装置を提供することを課題の一とする。 Thus, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor that can stabilize a bond of oxygen in an oxide semiconductor film and have a larger band gap than IGZO can be obtained by making the bond energy of a crystal structure larger than that of IGZO. Another object is to provide a film and a semiconductor device including the oxide semiconductor film.

本発明の一態様は、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造の酸化物半導体膜とする。また、当該結晶構造において、ランタンは酸素が6配位した構造とし、インジウムは酸素が5配位した構造とする。酸化物半導体膜の結晶構造中にランタンを用いることで、インジウム、ガリウム、亜鉛及び酸素を有する結晶構造の酸化物半導体膜よりもバンドギャップが大きく、結晶構造の結合エネルギーを大きくした酸化物半導体膜とすることができる。 One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen. In the crystal structure, lanthanum has a structure in which oxygen is 6-coordinated and indium has a structure in which oxygen is 5-coordinated. By using lanthanum in the crystal structure of the oxide semiconductor film, the oxide semiconductor film has a band gap larger than that of the oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, gallium, zinc, and oxygen, and the bond energy of the crystal structure is increased. It can be.

本発明の一態様は、一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)の結晶を含む酸化物半導体膜である。 One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including a crystal of the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number greater than or equal to 1 and less than 2, y is a number greater than or equal to 1 and less than 6). .

本発明の一態様は、酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状に配列した結晶構造を有し、結晶構造の一般式は、InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)である酸化物半導体膜である。 One embodiment of the present invention has a crystal structure in which an indium oxide layer, a lanthanum oxide layer, and a zinc oxide layer are arranged in layers, and the general formula of the crystal structure is In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x Is an oxide semiconductor film having a number of 1 or more and less than 2, and y is a number of 1 or more and less than 6.

本発明の一態様において、酸化ランタン層は、ランタン原子を酸素原子が6配位した構造を有し、酸化インジウム層は、インジウム原子を酸素原子が5配位した構造を有する酸化物半導体膜が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the lanthanum oxide layer has a structure in which oxygen atoms are six-coordinated, and the indium oxide layer is an oxide semiconductor film having a structure in which indium atoms are five-coordinated. preferable.

本発明の一態様において、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を有し、酸化物半導体膜は、一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)で表される結晶を含む膜である半導体装置である。 In one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor film includes an oxide semiconductor film, a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode. The oxide semiconductor film has the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y ( x is a number of 1 or more and less than 2, and y is a number of 1 or more and less than 6).

本発明の一態様において、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を有し、酸化物半導体膜は、酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状に配列した結晶構造を有する膜であり、結晶構造の一般式は、InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)である半導体装置である。 In one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film includes a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode. The oxide semiconductor film includes an indium oxide layer, a lanthanum oxide layer, and a zinc oxide layer arranged in layers. A semiconductor having a general crystal structure, and the general formula of the crystal structure is In x La (2-x) Zn y O 3 + y (where x is a number from 1 to less than 2, y is a number from 1 to less than 6) Device.

本発明の一態様において、酸化ランタン層はランタン原子に酸素原子が6配位した構造であり、酸化インジウム層はインジウム原子に酸素原子が5配位した構造である半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the semiconductor device in which the lanthanum oxide layer has a structure in which oxygen atoms are six-coordinated to lanthanum atoms and the indium oxide layer has a structure in which oxygen atoms are five-coordinated to indium atoms is preferable.

本発明の一態様により、IGZOよりバンドギャップを大きくし、且つ結晶構造の結合エネルギーを大きくした酸化物半導体膜とすることができる。また、該酸化物半導体膜を具備することで絶縁破壊耐圧に優れ、且つ光を照射した際の劣化を低減し、長期間の使用に際しても、しきい値電圧等の電気的特性が変動しにくく、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film having a band gap larger than that of IGZO and a larger bond energy of a crystal structure can be obtained. In addition, by providing the oxide semiconductor film, the dielectric breakdown voltage is excellent, the deterioration when irradiated with light is reduced, and the electrical characteristics such as the threshold voltage hardly change even when used for a long time. A highly reliable semiconductor device can be provided.

酸化物半導体の結晶構造を説明するモデル図。FIG. 10 is a model diagram illustrating a crystal structure of an oxide semiconductor. 酸化物半導体内の原子の結合状態について説明するモデル図。FIG. 6 is a model diagram illustrating a bonding state of atoms in an oxide semiconductor. 酸化物半導体の結晶構造を説明するモデル図。FIG. 10 is a model diagram illustrating a crystal structure of an oxide semiconductor. 酸化物半導体の結晶構造を説明するモデル図。FIG. 10 is a model diagram illustrating a crystal structure of an oxide semiconductor. 酸化物半導体の結晶構造を説明するモデル図。FIG. 10 is a model diagram illustrating a crystal structure of an oxide semiconductor. 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.

以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。従って本実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。 Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different modes, and those skilled in the art can easily understand that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments and examples. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numeral is used in different drawings.

なお、各実施の形態及び実施例の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。 Note that the size, the layer thickness, or the region of each structure illustrated in the drawings and the like in the embodiments and examples is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお本明細書にて用いる第1、第2、第3、乃至第N(Nは2以上の自然数)という用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。 Note that the terms first, second, third to Nth (N is a natural number of 2 or more) used in this specification are given to avoid confusion between components, and are limited numerically. It is not a thing.

(実施の形態1)
本実施の形態では、酸化物半導体膜内に含まれる結晶構造の一例について詳細に説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of a crystal structure included in the oxide semiconductor film will be described in detail.

図1(A)、(B)は、酸化物半導体膜が有するインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造の単位格子についてのモデル図を示したものである。 FIGS. 1A and 1B illustrate model diagrams of a unit cell having a crystal structure including indium, lanthanum, zinc, and oxygen included in an oxide semiconductor film.

なお図1(A)、(B)に示す結晶構造の単位格子についてのモデル図は、密度汎関数理論に基づく平面波―擬ポテンシャル法を用いた第一原理計算により構造が最適化されたものである。図1(A)、(B)に示すように結晶構造の単位格子は、六方晶の層状の結晶構造をとることができる。 The model diagrams for the unit cell of the crystal structure shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B) are obtained by optimizing the structure by first-principles calculation using the plane wave-pseudopotential method based on the density functional theory. is there. As shown in FIGS. 1A and 1B, the unit cell of the crystal structure can take a hexagonal layered crystal structure.

なお、図1(A)に示す、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する単位格子のモデル図は、一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)で結晶構造の組成を表すと、x=1、y=1における結晶構造を表すものである。この場合、インジウム:ランタン:亜鉛の組成比が1:1:1[原子百分率]となり、一般式InLaZnOで表すことができる。なおInLaZnOは、1:1:1[原子百分率]の組成比又はその近傍の組成比である酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により酸化物半導体膜を作製することができる。なお一般式InLa(2−x)Zn3+yにおいて、xは0より大きく2未満の数としてもよいが、ランタンよりもインジウムの割合を大きくしておくことで、電界効果移動度を大きくすることができるため、好適である。 Note that a model diagram of a unit cell including indium, lanthanum, zinc, and oxygen illustrated in FIG. 1A is represented by the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number of 1 or more and less than 2, When y is a number of 1 or more and less than 6, the composition of the crystal structure represents the crystal structure at x = 1 and y = 1. In this case, the composition ratio of indium: lanthanum: zinc is 1: 1: 1 [atomic percentage], which can be represented by the general formula InLaZnO 4 . Note that InLaZnO 4 can form an oxide semiconductor film by a sputtering method using an oxide target having a composition ratio of 1: 1: 1 [atomic percentage] or a composition ratio in the vicinity thereof. Note that in the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y , x may be a number greater than 0 and less than 2, but by increasing the proportion of indium rather than lanthanum, the field-effect mobility is increased. Since it can be enlarged, it is preferable.

なお前述の一般式において、インジウム及びランタンの組成比を決める変数xについて、下限を1、上限を2としている。これは本実施の形態の結晶構造のように、酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状をなす結晶構造を保つことのできる組成比として、導出されたものである。例えば、変数xが1より小さければ、インジウムがランタンに比べて少なくなるため、結晶構造を保ちにくくなる。また、変数xが2以上であれば、ランタンがなくなるため、所望の効果が得られなくなる。従って一般式InLa(2−x)Zn3+yにおいて、xは1以上2未満としている。 In the above general formula, the lower limit is 1 and the upper limit is 2 for the variable x that determines the composition ratio of indium and lanthanum. This is derived as a composition ratio capable of maintaining a crystal structure in which the indium oxide layer, the lanthanum oxide layer, and the zinc oxide layer form a layer like the crystal structure of this embodiment. For example, if the variable x is smaller than 1, indium is less than that of lanthanum, which makes it difficult to maintain the crystal structure. Further, if the variable x is 2 or more, the lantern disappears and the desired effect cannot be obtained. Therefore, in the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y , x is 1 or more and less than 2.

なお前述の一般式において、酸化亜鉛の組成比を決める変数yについて、下限を1、上限を6としている。これは本実施の形態の結晶構造のように、酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状をなす結晶構造を保つことのできる組成比として、導出されたものである。例えば、変数yが1より小さければ、インジウム及びランタンに比べて亜鉛が少なくなるため、結晶構造を保ちにくくなる。また、変数yが6以上であれば、インジウム及びランタンに比べて亜鉛が多くなるため、酸化亜鉛が単体で析出しやすくなる。従って一般式InLa(2−x)Zn3+yにおいて、yは1以上6未満としている。 In the above general formula, the lower limit is 1 and the upper limit is 6 for the variable y that determines the composition ratio of zinc oxide. This is derived as a composition ratio capable of maintaining a crystal structure in which the indium oxide layer, the lanthanum oxide layer, and the zinc oxide layer form a layer like the crystal structure of this embodiment. For example, if the variable y is smaller than 1, zinc is less than indium and lanthanum, and thus it is difficult to maintain the crystal structure. Moreover, if the variable y is 6 or more, since zinc is increased as compared with indium and lanthanum, zinc oxide is likely to precipitate alone. Therefore, in the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y , y is 1 or more and less than 6.

なお前述の一般式において、本実施の形態では、酸化物半導体膜を構成する元素の組み合わせとして、インジウム、ランタン、亜鉛、酸素を示しているが、インジウムを他の元素に置きかえることも可能である。その場合、前述の一般式をMLa(2−x)Zn3+yと表すことができる。なお前述の一般式において、Mには3価で、ランタンよりイオン半径の小さい元素が入り、一例としては、アルミニウム、スカンジウム、イットリウム、セリウム、ネオジム、プロメチウム、ガドリウム、ユーロピウム、ルテチウム等を用いればよい。 Note that in this embodiment, in this embodiment, indium, lanthanum, zinc, and oxygen are shown as combinations of elements included in the oxide semiconductor film; however, indium can be replaced with other elements. . In that case, the above-described general formula can be expressed as M x La (2-x) Zn y O 3 + y . In the above general formula, M is an element that is trivalent and has an ion radius smaller than that of lanthanum. For example, aluminum, scandium, yttrium, cerium, neodymium, promethium, gadolinium, europium, lutetium, or the like may be used. .

図1(A)は、横方向をa軸、奥行き方向をb軸、縦方向をc軸とした場合の、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する単位格子のモデル図である。図1(A)に示すように結晶構造の単位格子は、層状の結晶構造をとることができる。該結晶構造の基本骨格は、IGZOの結晶構造と同じである。 FIG. 1A is a model diagram of a unit cell having indium, lanthanum, zinc, and oxygen when the horizontal direction is the a-axis, the depth direction is the b-axis, and the vertical direction is the c-axis. As shown in FIG. 1A, the unit lattice of a crystal structure can take a layered crystal structure. The basic skeleton of the crystal structure is the same as that of IGZO.

図1(A)に示す単位格子のモデル図では、酸化インジウム層(In−O層)、酸化ランタン層(La−O層)及び酸化亜鉛層(Zn−O層)が層状に配列した結晶構造を有する。該結晶構造は、第一原理計算により導出された、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を最適化したものである。 In the model diagram of the unit cell shown in FIG. 1A, a crystal structure in which an indium oxide layer (In—O layer), a lanthanum oxide layer (La—O layer), and a zinc oxide layer (Zn—O layer) are arranged in layers. Have The crystal structure is an optimized crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, derived by first-principles calculation.

なお図1(A)に示す単位格子のモデル図の結晶構造は、言い換えれば、酸化ランタン層の間に、酸化インジウム層及び酸化亜鉛層が挿入された構造ともいえる。一方、IGZOの結晶構造であるホモロガス相の結晶構造は、酸化インジウム層の間に、酸化ガリウム層及び酸化亜鉛層が挿入された構造である。 1A can be said to be a structure in which an indium oxide layer and a zinc oxide layer are inserted between lanthanum oxide layers. On the other hand, the crystal structure of the homologous phase which is a crystal structure of IGZO is a structure in which a gallium oxide layer and a zinc oxide layer are inserted between indium oxide layers.

図1(B)では、図1(A)に示す単位格子のモデル図を、c軸方向から観察した場合の単位格子のモデル図について示したものである。図1(B)に示すように、c軸方向において、該結晶構造のモデル図のインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素といった各原子が配列していることがわかる。 In FIG. 1B, the model diagram of the unit cell shown in FIG. 1A is shown as a model diagram of the unit cell when observed from the c-axis direction. As shown in FIG. 1B, it can be seen that atoms such as indium, lanthanum, zinc, and oxygen in the model diagram of the crystal structure are arranged in the c-axis direction.

なお本実施の形態の構成は、図1(B)に示すように、単位格子のab面の垂直方向にある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構成でもよいし、c軸がab面に対して傾きを有する構成でもよい。c軸がab面に対して傾きを有する場合、ab面に対するc軸の傾きは、85°以上95°以下の範囲が好適である。 Note that, in the structure of this embodiment mode, as shown in FIG. 1B, the metal atoms are layered or the metal atoms and oxygen atoms are viewed in a direction perpendicular to the c-axis perpendicular to the ab plane of the unit cell. The configuration may be a layered arrangement, or the c-axis may be inclined with respect to the ab plane. When the c-axis has an inclination with respect to the ab plane, the inclination of the c-axis with respect to the ab plane is preferably in the range of 85 ° to 95 °.

次いで図2(A)、(B)では、図1(A)で示したインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する単位格子のモデル図におけるランタン原子及びインジウム原子に着目した結晶構造内のモデル図を示す。 Next, in FIGS. 2A and 2B, model diagrams in the crystal structure focusing on lanthanum atoms and indium atoms in the model diagram of the unit cell having indium, lanthanum, zinc, and oxygen shown in FIG. Show.

図2(A)は、図1(A)で示した単位格子のモデル図中のインジウム原子及びインジウム原子周辺の酸素原子に着目して、抜き出して示した結晶構造内のモデル図である。また図2(B)は、図1(A)で示した単位格子のモデル図中のランタン原子及びランタン原子周辺の酸素原子に着目して、抜き出して示した結晶構造内のモデル図である。 FIG. 2A is a model diagram in the crystal structure extracted and focused on the indium atoms and the oxygen atoms around the indium atoms in the model diagram of the unit cell shown in FIG. FIG. 2B is a model diagram in the crystal structure extracted by paying attention to the lanthanum atom and the oxygen atoms around the lanthanum atom in the model diagram of the unit cell shown in FIG.

図2(A)に示すインジウム原子に着目した結晶構造内のモデル図では、インジウム原子に酸素原子が5配位した構造となっている。また図2(B)に示すランタン原子に着目した結晶構造内のモデル図では、ランタン原子に酸素原子が6配位した構造となっている。なお、特に図示しないが亜鉛原子には、酸素原子が4配位した構造となっている。 In the model diagram in the crystal structure focusing on the indium atom shown in FIG. 2A, the indium atom has five oxygen atoms coordinated. In the model diagram in the crystal structure focusing on the lanthanum atom shown in FIG. 2B, the oxygen atom is six-coordinated to the lanthanum atom. Although not particularly illustrated, the zinc atom has a structure in which oxygen atoms are tetracoordinated.

すなわち、図1(A)に示す単位格子のモデル図の結晶構造は、酸素原子が6配位した酸化ランタン層の間に、酸素原子が5配位した酸化インジウム層及び酸素原子が4配位した酸化亜鉛層を有する構造である。一方、IGZOの結晶構造であるホモロガス相の結晶構造は、酸素原子が6配位した酸化インジウム層の間に、酸素原子が5配位した酸化ガリウム層及び酸素原子が4配位した酸化亜鉛層を有する構造である。 In other words, the crystal structure of the model diagram of the unit cell shown in FIG. 1A is that an indium oxide layer in which oxygen atoms are pentacoordinated and a tetracoordinate of oxygen atoms in a lanthanum oxide layer in which oxygen atoms are six coordinated. This structure has a zinc oxide layer. On the other hand, the crystal structure of the homologous phase, which is the crystal structure of IGZO, is that a gallium oxide layer in which oxygen atoms are pentacoordinated and a zinc oxide layer in which oxygen atoms are tetracoordinated between indium oxide layers in which oxygen atoms are six coordinated. It is the structure which has.

図2(A)に示す5配位の金属−酸素間の結合距離は、酸素原子に隣接する原子の種類によるものの、0209nm、0.213nm、0.224nmと見積もることができる。また図2(B)に示す6配位の金属―酸素間の結合距離は、酸素原子に隣接する原子の種類によるものの、0242nm、0.253nmと見積もることができる。すなわち、6配位の金属−酸素間の結合距離は、5配位の金属−酸素間の結合距離よりも大きくなる。これは、金属原子への酸素原子の配位数の増加によって、金属−酸素間の結合が弱まるためである。 The bond distance between the five-coordinate metal and oxygen shown in FIG. 2A can be estimated as 0209 nm, 0.213 nm, and 0.224 nm depending on the type of atoms adjacent to the oxygen atom. 2B can be estimated to be 0242 nm and 0.253 nm although it depends on the type of atoms adjacent to the oxygen atom. That is, the bond distance between the hexacoordinate metal and oxygen is larger than the bond distance between the pentacoordinate metal and oxygen. This is because the bond between the metal and oxygen is weakened by the increase in the coordination number of the oxygen atom to the metal atom.

本実施の形態の構成のように、配位数の異なる金属原子が結晶構造中にある場合、イオン半径の大きい金属を配位数の大きい位置となるようにすることで、結晶構造の結合エネルギーをより増加させることができる。 In the case where metal atoms having different coordination numbers are present in the crystal structure as in the configuration of the present embodiment, the bond energy of the crystal structure is obtained by setting the metal having a large ionic radius to a position having a large coordination number. Can be increased more.

本実施の形態における金属原子のインジウム原子及びランタン原子に着目すると、ランタン原子は、インジウム原子よりイオン半径が大きい。従って、図1(A)、図2(A)及び図2(B)に示すように、ランタン原子に酸素原子が6配位した構造とし、インジウム原子に酸素原子が5配位した構造とすることで、結晶構造の結合エネルギーを増加させることができる。 Focusing on the indium atoms and lanthanum atoms of the metal atoms in this embodiment, the lanthanum atoms have a larger ionic radius than the indium atoms. Accordingly, as shown in FIGS. 1A, 2A, and 2B, a structure in which oxygen atoms are six-coordinated to lanthanum atoms and a structure in which oxygen atoms are five-coordinated to indium atoms is used. Thus, the bond energy of the crystal structure can be increased.

一方で、IGZOの結晶構造であるホモロガス相の結晶構造は、6配位の金属原子であるインジウム原子、5配位の金属原子であるガリウム原子に着目すると、インジウム原子はランタン原子より、またガリウム原子はインジウム原子よりイオン半径が小さい。従って、図1(A)、図2(A)及び図2(B)に示すように、ランタン原子に酸素原子が6配位した構造とし、インジウム原子に酸素原子が5配位した構造とすることで、IGZOの結晶構造であるホモロガス相の結晶構造よりも、結晶構造の結合エネルギーを増加させることができる。 On the other hand, the crystal structure of the homologous phase, which is the crystal structure of IGZO, is focused on indium atoms, which are six-coordinate metal atoms, and gallium atoms, which are five-coordinate metal atoms. Atoms have a smaller ionic radius than indium atoms. Accordingly, as shown in FIGS. 1A, 2A, and 2B, a structure in which oxygen atoms are six-coordinated to lanthanum atoms and a structure in which oxygen atoms are five-coordinated to indium atoms is used. Thus, the bond energy of the crystal structure can be increased as compared with the crystal structure of the homologous phase which is the crystal structure of IGZO.

またランタン原子は電気陰性度がインジウム原子に比べて小さく、結合する酸素との間で電気陰性度の絶対値を大きくすることができる。従ってランタン原子に対して酸素原子を6配位とする構造とすることで、IGZOの結晶構造中の6配位のインジウム原子よりも、クーロン力による金属−酸素間の結合を強くすることができる。またインジウム原子は電気陰性度がガリウム原子に比べて小さく、結合する酸素との間で電気陰性度の絶対値を大きくすることができる。従ってインジウム原子に対して酸素原子を5配位とする構造とすることで、IGZOの結晶構造中の5配位のガリウム原子よりも、クーロン力による金属−酸素間の結合を強くすることができる。金属−酸素間の結合を強くし、酸素の脱離による電荷等のキャリアの生成が抑制することで、本実施の形態で示す酸化物半導体膜を具備するトランジスタ等の半導体装置は、オフ状態でのリーク電流、すなわちオフ電流を低減することができる。 Lanthanum atoms have a smaller electronegativity than indium atoms, and the absolute value of the electronegativity can be increased with the bonded oxygen. Therefore, by adopting a structure in which an oxygen atom is six-coordinated with respect to a lanthanum atom, a bond between metal and oxygen by Coulomb force can be strengthened as compared with a six-coordinate indium atom in the crystal structure of IGZO. . Indium atoms have a smaller electronegativity than gallium atoms, and can increase the absolute value of the electronegativity with the bound oxygen. Therefore, by adopting a structure in which an oxygen atom is pentacoordinated with respect to an indium atom, a metal-oxygen bond by Coulomb force can be strengthened as compared with a pentacoordinate gallium atom in the crystal structure of IGZO. . A semiconductor device such as a transistor including the oxide semiconductor film described in this embodiment is in an off state by strengthening the bond between metal and oxygen and suppressing the generation of carriers such as charges due to desorption of oxygen. Leakage current, that is, off-current can be reduced.

なお図1(A)に示す結晶構造の単位格子についてのモデル図において、構造を密度汎関数理論に基づく平面波―擬ポテンシャル法を用いた第一原理計算により結晶構造を最適化して、状態密度を算出して得られるバンドギャップと、IGZOの結晶構造で同様の手法を用いて状態密度を算出して得られるバンドギャップとを比較すると、図1(A)に示す結晶構造の単位格子についてのモデル図より求められるバンドギャップは、IGZOの結晶構造より求められるバンドギャップよりも大きく見積もることができる。 In the model diagram of the unit cell of the crystal structure shown in FIG. 1A, the structure is optimized by first-principles calculation using a plane wave-pseudopotential method based on the density functional theory, and the state density is calculated. Comparing the calculated band gap with the band gap obtained by calculating the density of states using the same method for the crystal structure of IGZO, a model for the unit cell of the crystal structure shown in FIG. The band gap obtained from the figure can be estimated larger than the band gap obtained from the crystal structure of IGZO.

なお図1(A)で示すインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造は、図3に示すように単位格子301による繰り返しが酸化物半導体膜全体にわたって広がり、酸化物半導体膜全体が結晶構造となるものであってもよい。また、酸化物半導体膜の一部が非晶質化した領域となり、結晶構造を有する領域との混合領域を形成する構造であってもよい。 Note that in the crystal structure including indium, lanthanum, zinc, and oxygen illustrated in FIG. 1A, the repetition by the unit cell 301 extends over the entire oxide semiconductor film as illustrated in FIG. It may be. Alternatively, a structure in which part of the oxide semiconductor film becomes an amorphous region and a mixed region with a region having a crystal structure is formed may be employed.

なお図1乃至図3では、一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)で結晶構造の組成を表すと、x=1、y=1における結晶構造を一例として示したが、他の組成比であってもよい。例えば、x=1.5、y=1とした場合の結晶構造の単位格子を、図1(A)、(B)と同様にして、図4(A)、(B)に示す。この場合、インジウム:ランタン:亜鉛の組成比が3:1:2[原子百分率]となり、一般式In1.5La0.5ZnOで表すことができる。 1 to 3, the composition of the crystal structure is represented by the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number from 1 to 2 and y is a number from 1 to 6). The crystal structure at x = 1 and y = 1 has been shown as an example, but other composition ratios may be used. For example, the unit lattice of the crystal structure when x = 1.5 and y = 1 is shown in FIGS. 4A and 4B in the same manner as FIGS. In this case, the composition ratio of indium: lanthanum: zinc is 3: 1: 2 [atomic percentage], which can be expressed by the general formula In 1.5 La 0.5 ZnO 4 .

なお図4(A)、(B)に示す結晶構造の単位格子についてのモデル図は、密度汎関数理論に基づく平面波―擬ポテンシャル法を用いた第一原理計算により構造が最適化されたものである。図4(A)、(B)に示すように結晶構造の単位格子は、六方晶の層状の結晶構造をとることができる。 The model diagrams for the unit cell of the crystal structure shown in FIGS. 4A and 4B are the structures optimized by the first-principles calculation using the plane wave-pseudopotential method based on the density functional theory. is there. As shown in FIGS. 4A and 4B, the unit lattice of the crystal structure can take a hexagonal layered crystal structure.

また図4(B)では、図4(A)に示す単位格子のモデル図を、c軸方向から観察した場合の単位格子のモデル図について示したものである。図4(B)に示すように、c軸方向において、該結晶構造のモデル図のインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素といった各原子が配列していることがわかる。なお図1(B)と同様に、c軸が傾きを有する構成であってもよい。 FIG. 4B shows the model diagram of the unit cell shown in FIG. 4A when the unit cell model is observed from the c-axis direction. As shown in FIG. 4B, it can be seen that atoms such as indium, lanthanum, zinc, and oxygen in the model diagram of the crystal structure are arranged in the c-axis direction. Note that as in FIG. 1B, the c-axis may have an inclination.

図4(A)に示す単位格子のモデル図においては、c軸に垂直な方向から見て層状に形成される酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が、混在して層状に形成されることとなる。該結晶構造は、第一原理計算により導出された、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を最適化したものである。 In the model diagram of the unit cell shown in FIG. 4A, an indium oxide layer, a lanthanum oxide layer, and a zinc oxide layer that are formed in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis are mixed and formed in layers. It will be. The crystal structure is an optimized crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, derived by first-principles calculation.

図4(A)に示す単位格子のモデル図では、酸化ランタンと酸化インジウムとが混在した層(LaO−InO層)、酸化インジウムと酸化亜鉛とが混在した層(InO−ZnO層)とが積層した結晶構造となる。酸化ランタンと酸化インジウムとが混在した層(LaO−InO層)において、金属原子は酸素原子を6配位とする構造となる。 In the model diagram of the unit cell shown in FIG. 4A, a layer in which lanthanum oxide and indium oxide are mixed (LaO—InO layer) and a layer in which indium oxide and zinc oxide are mixed (InO—ZnO layer) are stacked. The resulting crystal structure. In a layer in which lanthanum oxide and indium oxide are mixed (LaO—InO layer), the metal atom has a structure in which oxygen atoms are six-coordinated.

従って、図4(A)に示す結晶構造を有する酸化物半導体膜においても、図1(A)と同様に、イオン半径の大きい金属原子であるランタン原子を、酸素原子の配位数の大きい位置となるようにすることで、結晶構造の結合エネルギーを増加させることができる。 Accordingly, in the oxide semiconductor film having the crystal structure illustrated in FIG. 4A, as in FIG. 1A, a lanthanum atom which is a metal atom having a large ion radius is located at a position where the coordination number of oxygen atoms is large. By doing so, the bond energy of the crystal structure can be increased.

本実施の形態における金属原子のインジウム原子及びランタン原子に着目すると、ランタン原子は、インジウム原子よりイオン半径が大きい。従って、図4(A)に示すように、ランタン原子及びインジウム原子に酸素原子が6配位した構造とし、インジウム原子に酸素原子が5配位した構造とすることで、図1(A)と同様に、結晶構造の結合エネルギーを増加させることができる。 Focusing on the indium atoms and lanthanum atoms of the metal atoms in this embodiment, the lanthanum atoms have a larger ionic radius than the indium atoms. Therefore, as shown in FIG. 4A, a structure in which oxygen atoms are six-coordinated to lanthanum atoms and indium atoms, and a structure in which oxygen atoms are five-coordinated to indium atoms, Similarly, the bond energy of the crystal structure can be increased.

なお図4(A)で示すインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造は、図5に示すように単位格子501による繰り返しが酸化物半導体膜全体にわたって広がり、酸化物半導体膜全体が結晶構造となるものであってもよい。また、酸化物半導体膜の一部が非晶質化した領域となり、結晶構造を有する領域との混合領域を形成する構造であってもよい。 Note that in the crystal structure including indium, lanthanum, zinc, and oxygen illustrated in FIG. 4A, the repetition of the unit lattice 501 extends over the entire oxide semiconductor film as illustrated in FIG. It may be. Alternatively, a structure in which part of the oxide semiconductor film becomes an amorphous region and a mixed region with a region having a crystal structure is formed may be employed.

以上説明したように、本実施の形態の構成では、ランタンを含む結晶構造の酸化物半導体膜とし、ランタンを酸素が6配位した位置とすることで、IGZOよりも結晶構造の結合エネルギー及びバンドギャップを大きくした酸化物半導体膜とすることができる。 As described above, in the structure of this embodiment, the oxide semiconductor film having a crystal structure including lanthanum is used, and the lanthanum is in a position where oxygen is six-coordinated. An oxide semiconductor film with a wide gap can be obtained.

本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例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 and examples.

(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6乃至図9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6(A)及び図6(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6(A)は、トランジスタ420の平面図であり、図6(B)は、図6(A)のX1−Y1における断面図である。なお、図6(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、絶縁膜407)を省略して図示している。 6A and 6B are a plan view and a cross-sectional view of a transistor 420 as an example of a semiconductor device. 6A is a plan view of the transistor 420, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line X1-Y1 in FIG. 6A. Note that in FIG. 6A, some components of the transistor 420 (eg, the insulating film 407) are omitted in order to avoid complexity.

図6(A)及び図6(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、下地絶縁膜436と、ソース電極405a及びドレイン電極405bと、チャネル長方向の一方の側面においてソース電極と接し、チャネル長方向の他方の側面においてドレイン電極と接する酸化物半導体膜403と、酸化物半導体膜403、ソース電極405a及びドレイン電極405bの上面と接するゲート絶縁膜402と、ゲート絶縁膜402を介して酸化物半導体膜403上に設けられたゲート電極401と、ゲート電極401のチャネル長方向の側面の一方と接する側壁412aと、ゲート電極401のチャネル長方向の側面の他方と接する側壁412bと、を含んで構成される。 A transistor 420 illustrated in FIGS. 6A and 6B includes a base insulating film 436, a source electrode 405a, a drain electrode 405b, and a source on one side surface in a channel length direction over a substrate 400 having an insulating surface. An oxide semiconductor film 403 in contact with the electrode and in contact with the drain electrode on the other side surface in the channel length direction; a gate insulating film 402 in contact with the top surfaces of the oxide semiconductor film 403, the source electrode 405a, and the drain electrode 405b; A gate electrode 401 provided over the oxide semiconductor film 403, a side wall 412a in contact with one of the side surfaces in the channel length direction of the gate electrode 401, and a side wall 412b in contact with the other side surface in the channel length direction of the gate electrode 401. And comprising.

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

また、図6に示すトランジスタ420は、側壁412a、側壁412b及びゲート電極401上に設けられた絶縁膜407と、絶縁膜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、絶縁膜407及びゲート絶縁膜402に設けられた開口を介して、ソース電極405aと電気的に接続し、配線層435bは、絶縁膜407及びゲート絶縁膜402に設けられた開口を介してドレイン電極405bと電気的に接続している。 6 includes as constituent elements an insulating film 407 provided over the sidewall 412a, the sidewall 412b, and the gate electrode 401, and a wiring layer 435a and a wiring layer 435b provided over the insulating film 407. Also good. The wiring layer 435a is electrically connected to the source electrode 405a through an opening provided in the insulating film 407 and the gate insulating film 402, and the wiring layer 435b is an opening provided in the insulating film 407 and the gate insulating film 402. Is electrically connected to the drain electrode 405b.

また、トランジスタ420において導電性材料を含む側壁を設けない場合、Lov領域の形成のためには線幅の細い酸化物半導体膜と線幅の細いゲート電極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401のチャネル長方向の側面に、導電性材料を含む側壁412a及び側壁412bを有するため、該側壁412a及び側壁412bと、ソース電極405a又はドレイン電極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 containing a conductive material, precise alignment between the thin oxide semiconductor film and the thin gate electrode is required to form the Lov region. The required accuracy increases with miniaturization. However, since the transistor 420 described in this embodiment includes the sidewall 412a and the sidewall 412b containing a conductive material on the side surface in the channel length direction of the gate electrode 401, the sidewall 412a and the sidewall 412b and the source electrode 405a or the drain A region where the electrode 405b overlaps can also substantially function as a Lov region. Therefore, the degree of freedom of alignment in forming the gate electrode 401 can be improved, and the transistor 420 with high yield and suppressed reduction in on-state current can be provided.

また、酸化物半導体膜403は、実施の形態1に示した一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)で表すことにできる、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体膜である。該酸化物半導体膜を具備することで、バンドギャップが大きいことによりIGZOより絶縁破壊耐圧に優れ、且つ光を照射した際の劣化が低減された半導体装置とすることができる。また、結晶構造の結合エネルギーを大きくすることにより、長期間の使用に際しても、しきい値電圧等の電気的特性が変動しにくく、信頼性の高い半導体装置とすることができる。 The oxide semiconductor film 403 has the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y (where x is a number greater than or equal to 1 and less than 2, y is a number greater than or equal to 1 and less than 6) described in Embodiment 1. An oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen can be represented. By including the oxide semiconductor film, a semiconductor device that has higher breakdown voltage than IGZO due to a large band gap and reduced deterioration when irradiated with light can be obtained. Further, by increasing the bond energy of the crystal structure, electrical characteristics such as a threshold voltage hardly change even during long-term use, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.

また、図7(A)及び図7(B)に、図6(A)及び図6(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7(A)は、トランジスタ422の平面図であり、図7(B)は、図7(A)のX2−Y2における断面図である。なお、図7(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、絶縁膜407)を省略して図示している。 FIGS. 7A and 7B 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. 6A and 6B. FIG. 7A is a plan view of the transistor 422, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line X2-Y2 in FIG. Note that in FIG. 7A, some components (eg, the insulating film 407) of the transistor 422 are omitted in order to avoid complexity.

図7(A)及び図7(B)に示すトランジスタ422と、図6(A)及び図6(B)に示すトランジスタ420との相違点は、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜403は、ソース電極405a又はドレイン電極405bと接する側面において、テーパ形状を有している。酸化物半導体膜403の側面をテーパ形状とすることで、ソース電極405a及びドレイン電極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. 7A and 7B and the transistor 420 illustrated in FIGS. 6A and 6B is the shape of the side surface of the oxide semiconductor film 403. In the transistor 422 illustrated in FIGS. 4A and 4B, the oxide semiconductor film 403 has a tapered shape on a side surface in contact with the source electrode 405a or the drain electrode 405b. When the side surface of the oxide semiconductor film 403 is tapered, a conductive film to be the source electrode 405a and the drain electrode 405b can be formed with high coverage.

以下、図8及び図9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、下地絶縁膜436を形成する。 First, the base insulating film 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.

下地絶縁膜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、下地絶縁膜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膜403と接する構造とするのが好ましい。なお、下地絶縁膜436は、必ずしも設けなくともよい。 The base insulating film 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 film 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 film 403 to be formed later. Note that the base insulating film 436 is not necessarily provided.

下地絶縁膜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、下地絶縁膜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膜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。下地絶縁膜436が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体膜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。下地絶縁膜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膜436を成膜すればよい。又は、成膜後の下地絶縁膜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 film 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 the excess oxygen contained in the base insulating film 436 This is preferable because oxygen vacancies in the film 403 can be filled. In the case where the base insulating film 436 has a stacked structure, it is preferable that at least a layer in contact with the oxide semiconductor film 403 have an oxygen-excess region. In order to provide the oxygen-excess region in the base insulating film 436, for example, the base insulating film 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 film 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、下地絶縁膜436上に酸化物半導体膜413を成膜する(図8(A)参照)。酸化物半導体膜413の膜厚は、例えば、3nm乃至30nm、好ましくは5nm乃至20nmとする。酸化物半導体膜413は、一般式InLa(2−x)Zn3+y(xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)で表すことにできる、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体の組成比のスパッタリングターゲットを用いて成膜する。成膜時の基板温度は室温以上450℃以下とする。 Next, an oxide semiconductor film 413 is formed over the base insulating film 436 (see FIG. 8A). The thickness of the oxide semiconductor film 413 is, for example, 3 nm to 30 nm, preferably 5 nm to 20 nm. The oxide semiconductor film 413 can be expressed by a general formula, In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number greater than or equal to 1 and less than 2, y is a number greater than or equal to 1 and less than 6,) indium, lanthanum, A film is formed using a sputtering target having a composition ratio of an oxide semiconductor having a crystal structure containing zinc and oxygen. The substrate temperature during film formation is from room temperature to 450 ° C.

酸化物半導体膜413の成膜方法は、スパッタリング法を用いる。また、酸化物半導体膜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 film 413, a sputtering method is used. The oxide semiconductor film 413 is formed using a sputtering apparatus that performs film formation with a plurality of substrate surfaces set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target, ie, a so-called CP sputtering apparatus (Column Plasma Sputtering system). May be.

酸化物半導体膜413を形成する際、できる限り酸化物半導体膜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 film 413 is formed, the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film 413 is preferably reduced 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膜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膜413に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In addition, the hydrogen concentration in the formed oxide semiconductor film 413 can be reduced by introducing a sputtering gas from which hydrogen and moisture have been 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 film 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膜413を形成することも、酸化物半導体膜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 film 413 with the substrate 400 held at a high temperature is also effective in reducing the concentration of impurities that can be contained in the oxide semiconductor film 413. The temperature for heating the substrate 400 may be 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

酸化物半導体膜413に用いる酸化物半導体としては、実施の形態1で示した、インジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体膜を用いる。そのため、バンドギャップが大きいことによりIGZOより絶縁破壊耐圧に優れ、且つ光を照射した際の劣化が低減された半導体装置とすることができる。また、結晶構造の結合エネルギーを大きくすることにより、長期間の使用に際しても、しきい値電圧等の電気的特性が変動しにくく、信頼性の高い半導体装置とすることができる。 As the oxide semiconductor used for the oxide semiconductor film 413, the oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen described in Embodiment 1 is used. Therefore, since the band gap is large, the semiconductor device can have a higher breakdown voltage than IGZO and can have a reduced deterioration when irradiated with light. Further, by increasing the bond energy of the crystal structure, electrical characteristics such as a threshold voltage hardly change even during long-term use, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.

また、酸化物半導体膜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 film 413 is preferably a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed.

酸化物半導体膜413の成膜前に、酸化物半導体膜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 film 413, planarization treatment may be performed on the deposition surface of the oxide semiconductor film 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、酸化物半導体膜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 film 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、酸化物半導体膜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 of performing the combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate in accordance with the uneven state of the oxide semiconductor film 413.

また、酸化物半導体膜413に、当該酸化物半導体膜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 film 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 film 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膜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 film 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、酸化物半導体膜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、ゲート絶縁膜402又は絶縁膜407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 film 413 is formed. However, in the case where an aluminum oxide film is used as the gate insulating film 402 or the insulating film 407, 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、下地絶縁膜436として酸素を含む下地絶縁膜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膜413の島状への加工前に行うと、下地絶縁膜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 film 436 containing oxygen is provided as the base insulating film 436, if heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed before the oxide semiconductor film 413 is processed into an island shape, the base insulating film 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膜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、酸化物半導体膜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。 Further, after the oxide semiconductor film 413 is heated by heat treatment, a high-purity oxygen gas, a high-purity oxygen dinitride gas, or ultra-dry air (in the same furnace while maintaining the heating temperature or gradually cooling from the heating temperature ( 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 film 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膜に、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 film that has been 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膜に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体膜を高純度化、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膜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 film that has been subjected to dehydration or dehydrogenation treatment and supplying oxygen into the film, the oxide semiconductor film is highly purified and electrically i-type (intrinsic). can do. A transistor including an oxide semiconductor film which is highly purified and electrically i-type (intrinsic) is electrically stable because variation in electrical characteristics is suppressed.

酸素の導入工程は、酸化物半導体膜に酸素導入する場合、酸化物半導体膜に直接導入してもよいし、後に形成されるゲート絶縁膜402や絶縁膜407などの他の膜を通過して酸化物半導体膜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膜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 film, the oxygen may be introduced directly into the oxide semiconductor film or through other films such as the gate insulating film 402 and the insulating film 407 which are formed later. Alternatively, the oxide semiconductor film 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 film 413. In addition to the above method, plasma treatment or the like can also be used.

酸化物半導体膜への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後であればよく、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜への酸素の導入は複数回行ってもよい。 The introduction of oxygen into the oxide semiconductor film is not particularly limited as long as it is performed after dehydration or dehydrogenation treatment. Further, oxygen may be introduced into the oxide semiconductor film subjected to the dehydration or dehydrogenation treatment a plurality of times.

次いで、酸化物半導体膜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膜403を形成する。ここで、島状の酸化物半導体膜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 film 413 is processed by a photolithography process, so that the island-shaped oxide semiconductor film 403 is formed. Here, a mask used for processing the island-shaped oxide semiconductor film 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膜403上に、ソース電極及びドレイン電極(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8(B)参照)。 Next, a conductive film 415 to be a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the island-shaped oxide semiconductor film 403 (see FIG. 8B).

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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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8(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膜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 film 403 is exposed. By the polishing treatment, the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor film 403 is removed, so that a conductive film 415a having an opening in the region is formed (see FIG. 8C). 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 film 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405a、ドレイン電極405b、酸化物半導体膜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. By combining polishing with different polishing rates in this manner, the planarity of the surfaces of the source electrode 405a, the drain electrode 405b, and the oxide semiconductor film 403 can be further improved.

なお、本実施の形態では、酸化物半導体膜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 film 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、酸化物半導体膜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405a及びドレイン電極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、酸化物半導体膜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 film 403. Note that the shape of the conductive film 415a (or the source electrode 405a and the drain electrode 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 film 403 may recede in the film thickness direction from the surface.

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405a及びドレイン電極405b(これと同じ層で形成される配線を含む)を形成する(図8(D)参照)。 Next, the conductive film 415a is processed by a photolithography step, so that a source electrode 405a and a drain electrode 405b (including a wiring formed using the same layer) are formed (see FIG. 8D).

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膜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405a及びドレイン電極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膜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405a及びドレイン電極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膜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 a region overlapping with the oxide semiconductor film 403 is removed by polishing treatment, and then selectively etched to be the source electrode 405a and the drain electrode. Although the method of processing to 405b is 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 film 403 is removed by polishing, so that the source electrode 405a and the drain electrode 405b are formed. May be. Note that in the case where the etching process is performed before the polishing process, the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor film 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405a及びドレイン電極405bの形成する際に、酸化物半導体膜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405a及びドレイン電極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, etching is performed using a resist mask in the step of removing the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor film 403 when the source electrode 405a and the drain electrode 405b are formed. Since no treatment is used, precise processing can be performed accurately even when the width of the source electrode 405a and the drain electrode 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、酸化物半導体膜403と重畳する領域の導電膜415を除去することで、酸化物半導体膜403と、ソース電極405a又はドレイン電極405bとが、酸化物半導体膜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。酸化物半導体膜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405a又はドレイン電極405bと接することで、ソース電極405a又はドレイン電極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405aとドレイン電極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。 In addition, by removing the conductive film 415 in a region overlapping with the oxide semiconductor film 403, the oxide semiconductor film 403 and the source electrode 405a or the drain electrode 405b can be formed on a side surface in the channel length direction of the oxide semiconductor film 403. It becomes possible to make the structure which touches. Since the oxide semiconductor film 403 has a small thickness of 3 nm to 30 nm, preferably 5 nm to 20 nm, the contact area with the source electrode 405a or the drain electrode 405b is reduced by contacting the source electrode 405a or the drain electrode 405b on the side surface. 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 405a and the drain electrode 405b can be relaxed, and a short channel effect such as variation in threshold voltage can be suppressed.

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

ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜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 film 402 has a thickness of greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm and can be formed as appropriate using a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like. Alternatively, the gate insulating film 402 may be formed using a sputtering apparatus that performs film formation with a plurality of substrate surfaces set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target, a so-called CP sputtering apparatus.

なお、ゲート絶縁膜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405a、ドレイン電極405b及び酸化物半導体膜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膜402を被覆性よく形成することができる。 Note that as the gate insulating film 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 405a, the drain electrode 405b, and the oxide semiconductor film 403 are planarized by a polishing process, so that the thin gate insulating film 402 is covered. It can be formed with good properties.

ゲート絶縁膜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。ゲート絶縁膜402は、酸化物半導体膜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、ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜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膜402として用いることで、酸化物半導体膜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、ゲート絶縁膜402は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁膜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 film 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 film 402 preferably contains oxygen in a portion in contact with the oxide semiconductor film 403. In particular, the gate insulating film 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 film 402, , SiO 2 + α (where α> 0). In this embodiment, a silicon oxide film with SiO 2 + α (α> 0) is used as the gate insulating film 402. By using this silicon oxide film as the gate insulating film 402, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 403, whereby characteristics can be improved. Further, the gate insulating film 402 is preferably formed in consideration of the size of a transistor to be manufactured and the step coverage with the gate insulating film 402.

また、ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜402は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。 As materials for the gate insulating film 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 film 402 may have a single-layer structure or a stacked structure.

次いで、ゲート絶縁膜402を介して島状の酸化物半導体膜403上にゲート電極401を形成する(図9(A)参照)。ゲート電極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 401 is formed over the island-shaped oxide semiconductor film 403 with the gate insulating film 402 interposed therebetween (see FIG. 9A). The gate electrode 401 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. The material of the gate electrode 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 any of the above elements as a component (nitriding) A titanium film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. Alternatively, 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 as the gate electrode 401. The gate electrode 401 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極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 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 zinc A conductive material such as 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、ゲート絶縁膜402と接するゲート電極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。 As one layer of the gate electrode 401 in contact with the gate insulating film 402, a metal oxide containing nitrogen, specifically, an IGZO film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, or an In— 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 volts), preferably 5.5 eV (electron volts) or more, and when used as a gate electrode, 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401は、ゲート絶縁膜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 401 can be formed by processing a conductive film (not illustrated) provided over the gate insulating film 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401及びゲート絶縁膜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412a及び側壁412bを形成する(図9(B)参照)。 Next, a film including a conductive material is formed over the gate electrode 401 and the gate insulating film 402, and the film including the conductive material is etched to form sidewalls 412a and 412b (see FIG. 9B). .

側壁412a及び側壁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401及びゲート絶縁膜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401に接する側壁を形成した後、該側壁にリン、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412a及び側壁412bとしてもよい。 The sidewall 412a and the sidewall 412b are only required to have conductivity, and can be 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. . Alternatively, after a polycrystalline silicon film is formed over the gate electrode 401 and the gate insulating film 402 and a sidewall in contact with the gate electrode 401 is formed by etching, an impurity element such as phosphorus or boron is introduced into the sidewall by doping. Alternatively, the sidewall 412a and the sidewall 412b having conductivity may be formed by performing heat treatment for activation.

次いで、ゲート絶縁膜402、ゲート電極401、側壁412a及び側壁412b上に絶縁膜407を形成する。 Next, an insulating film 407 is formed over the gate insulating film 402, the gate electrode 401, the side wall 412a, and the side wall 412b.

絶縁膜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。絶縁膜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 film 407 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, an evaporation method, or the like. As the insulating film 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、絶縁膜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 film 407, an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a magnesium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, a barium oxide film), or a metal nitride film (eg, an aluminum nitride film) can be used.

絶縁膜407は、単層でも積層でもよく、例えば酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜の積層を用いることができる。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膜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膜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い。 The insulating film 407 may be a single layer or a stacked layer. For example, a stacked layer of a silicon oxide film and an aluminum oxide film can be used. 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 is preferable because it functions as a protective film for preventing entry of oxygen into the oxide semiconductor film 403 and release of oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, from the oxide semiconductor film 403.

絶縁膜407は、スパッタリング法など、絶縁膜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 film 407 is preferably formed using a method by which an impurity such as water or hydrogen is not mixed into the insulating film 407 as appropriate, such as a sputtering method.

酸化物半導体膜403の成膜時と同様に、絶縁膜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膜407に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜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。 As in the formation of the oxide semiconductor film 403, in order to remove moisture remaining in the deposition chamber of the insulating film 407, an adsorption-type vacuum pump (such as a cryopump) is preferably used. The concentration of impurities contained in the insulating film 407 formed in the deposition chamber evacuated using a cryopump can be reduced. Further, as an evacuation unit for removing moisture remaining in the deposition chamber of the insulating film 407, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used.

本実施の形態では、絶縁膜407として、ゲート電極401に接する側から酸化アルミニウム膜と酸化シリコン膜の積層構造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, a stacked structure of an aluminum oxide film and a silicon oxide film is used as the insulating film 407 from the side in contact with the gate electrode 401. 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).

次いで、絶縁膜407及びゲート絶縁膜402に、ソース電極405a又はドレイン電極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, an opening reaching the source electrode 405a or the drain electrode 405b is formed in the insulating film 407 and the gate insulating film 402, and a wiring layer 435a and a wiring layer 435b are formed in the openings (see FIG. 6C). 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401、ソース電極405a、又はドレイン電極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、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン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、アルミニウム、銅などの金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン、モリブデン、タングステン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 401, the source electrode 405a, or the drain electrode 405b. For example, aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten A metal film containing an element selected from the above, 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 titanium, molybdenum, or tungsten or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) on one or both of the lower side or upper side of a metal film such as aluminum or copper 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膜403のチャネル長方向の長さを、ゲート電極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、酸化物半導体膜403に不純物領域を設けてもよい。 Note that the length of the island-shaped oxide semiconductor film 403 in the channel length direction is longer than the length of the gate electrode 401 in the channel length direction, so that the degree of freedom of alignment is further improved in order to form the gate electrode 401. Can be made. In this case, an impurity region may be provided in the oxide semiconductor film 403 in order to reduce the channel length of the transistor.

例えば、図10(A)及び図10(B)に示すトランジスタ424、及び図11(A)及び図11(B)に示すトランジスタ426は、ゲート電極401形成後、当該ゲート電極401をマスクとして酸化物半導体膜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, the transistor 424 illustrated in FIGS. 10A and 10B and the transistor 426 illustrated in FIGS. 11A and 11B are oxidized using the gate electrode 401 as a mask after the gate electrode 401 is formed. In this example, impurities are introduced into the physical semiconductor film 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膜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11(A)及び図11(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膜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10(A)は、トランジスタ424の平面図であり、図10(B)は、図10(A)のX3−Y3における断面図である。また、図11(A)は、トランジスタ426の平面図であり、図11(B)は、図11(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 film 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. 11A and 11B has a structure similar to that of the transistor 422, and the oxide semiconductor film 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. 10A is a plan view of the transistor 424, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line X3-Y3 in FIG. 10A. FIG. 11A is a plan view of the transistor 426, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line X4-Y4 in FIG. 11A.

ドーパントは、酸化物半導体膜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 film 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膜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 film 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.

本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例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 and examples.

(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12は、半導体装置の構成の一例である。図12(A)に、半導体装置の断面図を、図12(B)に半導体装置の平面図を、図12(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図12(A)は、図12(B)のC1−C2、及びD1−D2における断面に相当する。 FIG. 12 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 12A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 12B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 12C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 12A corresponds to a cross section taken along lines C1-C2 and D1-D2 in FIG.

図12(A)及び図12(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に示すインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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. 12A and 12B 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 oxide semiconductor film having a crystal structure including indium, lanthanum, zinc, and oxygen, which is 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12(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膜108と、ゲート絶縁膜108上に設けられたゲート電極110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極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やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。 A transistor 160 in FIG. 12A 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 metal compound region 124 in contact with 120, the gate insulating film 108 provided on the channel formation region 116, and the gate electrode 110 provided on the gate insulating film 108 are included. Note that in the drawing, the source electrode and the drain electrode may not be explicitly provided, but for convenience, the state may be referred to as a transistor. In this case, in order to describe the connection relation of the transistors, the source and drain electrodes including the source and drain regions may be expressed. That is, in this specification, the term “source electrode” 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膜106が設けられており、トランジスタ160を覆うように絶縁膜128、及び絶縁膜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110の側面に側壁絶縁膜(サイドウォール絶縁膜)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 film 106 is provided over the substrate 100 so as to surround the transistor 160, and an insulating film 128 and an insulating film 130 are provided so as to cover the transistor 160. Note that in the transistor 160, a sidewall insulating film (sidewall insulating film) may be provided on a side surface of the gate electrode 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、平坦化した絶縁膜128、絶縁膜130を形成し、同時にゲート電極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 film 128 and the insulating film 130, and at the same time, the upper surface of the gate electrode 110 is formed. Expose.

絶縁膜128、絶縁膜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。絶縁膜128、絶縁膜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 film 128 and the insulating film 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 film 128 and the insulating film 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膜128、絶縁膜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 film 128 and the insulating film 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、絶縁膜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 film 130.

絶縁膜130表面において、酸化物半導体膜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(好ましくは絶縁膜130表面の平均面粗さは0.15nm以下)絶縁膜130上に酸化物半導体膜144を形成する。 Planarization treatment is preferably performed on the formation region of the oxide semiconductor film 144 on the surface of the insulating film 130. In this embodiment, the oxide semiconductor film 144 is formed over the insulating film 130 that is sufficiently planarized by polishing treatment (eg, CMP treatment) (preferably the average surface roughness of the surface of the insulating film 130 is 0.15 nm or less). .

図12(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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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膜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. 12A is a transistor in which an oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen is used for an oxide semiconductor film having a channel formation region. Here, it is preferable that the oxide semiconductor film 144 included in the transistor 162 be 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膜144を含む。よって、酸化物半導体膜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 film 144 in contact with the electrode layer 142a or the electrode layer 142b on the side surface in the channel length direction. Accordingly, the resistance of the region where the oxide semiconductor film 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148のチャネル長方向の側面に導電性材料を含む側壁137a、137bを有することで、当該導電性材料を含む側壁137a、137bがゲート絶縁膜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 sidewalls 137a and 137b containing a conductive material on the side surface in the channel length direction of the gate electrode 148, so that the sidewalls 137a and 137b containing the conductive material are interposed in the electrode layer through the gate insulating film 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、層間絶縁膜135、絶縁膜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、絶縁膜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, an interlayer insulating film 135 and an insulating film 150 are provided as a single layer or a stacked layer. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the insulating film 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、ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜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 film 146 provided therebetween, and the electrode layer 142a, the gate insulating film 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148の側面に側壁137a及び側壁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 148 of the transistor 162. Note that in the step of forming the sidewall 137a and the sidewall 137b on the side surface of the gate electrode 148, a sidewall may be provided on the side surface of the conductive layer as well.

絶縁膜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、絶縁膜150、層間絶縁膜135及びゲート絶縁膜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 film 150, a 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 film 150, the interlayer insulating film 135, the gate insulating film 146, and the like.

図12(A)及び図12(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膜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。 12A and 12B, 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 film 144 are formed. 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 with at least part of the gate electrode 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12(A)及び図12(B)に対応する回路構成の一例を図12(C)に示す。 Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 12A and 12B is illustrated in FIG.

図12(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のソース電極またはドレイン電極の一方とは、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のゲート電極と、トランジスタ162のソース電極またはドレイン電極の一方は、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. 12C, the first wiring (1st Line) and the source electrode of the transistor 160 are electrically connected, and the second wiring (2nd Line) and the drain electrode of the transistor 160 are electrically connected. It is connected. In addition, the third wiring (3rd Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 162 are electrically connected, and the fourth wiring (4th Line) and the gate electrode of the transistor 162 are electrically connected to each other. It is connected to the. The gate electrode of the transistor 160 and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 162 are electrically connected to the other electrode of the capacitor 164, and the fifth wiring (5th Line) and the electrode of the capacitor 164 The other of these 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, data can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 160 can be held.

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、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 of the transistor 160 and the capacitor 164. That is, predetermined charge is given to the gate electrode 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, so that the charge given to the gate electrode 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 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 (read potential) is applied to the fifth wiring in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring, the first wiring is changed according to the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 160. The two wirings have different potentials. In general, when the transistor 160 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H in the case where a high level charge is applied to the gate electrode of the transistor 160 is a low level charge applied to the gate electrode of the transistor 160. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. 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 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, that is, a potential lower than V th_H may be supplied to the fifth wiring. Alternatively, a potential at which the transistor 160 is turned on regardless of the state of the gate electrode, 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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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, a transistor with an extremely low off-state current in which an oxide semiconductor film having a crystal structure including indium, lanthanum, zinc, and oxygen is used for the oxide semiconductor film having a channel formation region. Thus, it is possible to retain the stored contents for an extremely long time. 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、ゲート絶縁膜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 there is no problem of deterioration of the gate insulating film. 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.

本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例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 and examples.

(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13及び図14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13(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図13(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図13(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図13(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。 FIG. 13A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 13B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 13A is described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 13B is described below.

図13(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のソース電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極又はドレイン電極と容量素子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. 13A, the bit line BL and the source or drain electrode of the transistor 162 are electrically connected, the word line WL and the gate electrode of the transistor 162 are electrically connected, and the transistor 162 The source electrode or the drain electrode of the capacitor and the first terminal of the capacitor 254 are electrically connected.

次に、図13(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. 13A is described.

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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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 including an oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen for the oxide semiconductor film 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13(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. 13A 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13(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. 13B is described.

図13(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図13(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。 A semiconductor device illustrated in FIG. 13B includes memory cell arrays 251a and 251b each including a plurality of memory cells 250 illustrated in FIG. 13A as a memory circuit in an upper portion, and memory cell arrays (memory cell arrays 251a and 251b) in a 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13(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. 13B, 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13(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 the semiconductor device illustrated in FIG. 13B illustrates a structure in which two memory cell arrays 251 (a memory cell array 251a and a memory cell array 251b) are stacked; 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13(A)に示したメモリセル250の具体的な構成について図14を用いて説明を行う。 Next, a specific structure of the memory cell 250 illustrated in FIG. 13A is described with reference to FIGS.

図14は、メモリセル250の構成の一例である。図14(A)に、メモリセル250の断面図を、図14(B)にメモリセル250の平面図をそれぞれ示す。ここで、図14(A)は、図14(B)のF1−F2、及びG1−G2における断面に相当する。 FIG. 14 shows an example of the configuration of the memory cell 250. 14A shows a cross-sectional view of the memory cell 250, and FIG. 14B shows a plan view of the memory cell 250. Here, FIG. 14A corresponds to a cross section taken along lines F1-F2 and G1-G2 in FIG.

図14(A)及び図14(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. 14A and 14B can have the same structure as the structure described in Embodiment 2.

ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜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 film 146 provided therebetween, and the capacitor 254 includes the electrode layer 142 a, the gate insulating film 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、層間絶縁膜135及び絶縁膜256が単層または積層で設けられている。そして、絶縁膜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、絶縁膜256、層間絶縁膜135及びゲート絶縁膜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14(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, an interlayer insulating film 135 and an insulating film 256 are provided as a single layer or a stacked layer. A memory cell 250 and a wiring 260 for connecting the adjacent memory cells 250 are provided on the insulating film 256. The wiring 260 is electrically connected to the electrode layer 142b of the transistor 162 through an opening formed in the insulating film 256, the interlayer insulating film 135, the gate insulating film 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14(A)及び図14(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。 14A and 14B, the electrode layer 142b of the transistor 162 can also function as a source electrode 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14(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 adopting the planar layout shown in FIG. 14A, 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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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, a plurality of memory cells formed in multiple layers is formed using a transistor in which an oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen is used for an oxide semiconductor film having a channel formation region. ing. Transistors using an oxide semiconductor film having a crystal structure containing indium, lanthanum, zinc, and oxygen for the oxide semiconductor film having a channel formation region have low off-state current. Is possible. 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膜にインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造を有する酸化物半導体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 oxide semiconductor film including a channel formation region with indium, lanthanum, zinc, and A semiconductor having unprecedented characteristics by being integrally provided with a memory circuit using a transistor (a transistor with a sufficiently small off-state current in a broad sense) using an oxide semiconductor film having a crystal structure containing oxygen An apparatus 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、他の実施の形態及び実施例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 and examples.

(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15乃至図18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15(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 an ordinary SRAM, as shown in FIG. 15A, one memory cell includes 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15(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. 15B, 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16に携帯機器のブロック図を示す。図16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. 16 shows a block diagram of a portable device. 16 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17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17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. 17 illustrates 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. 17 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18に電子書籍のブロック図を示す。図18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. 18 is a block diagram of an electronic book. 18 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18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.

本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例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 and examples.

本実施例では、実施の形態1で説明した、本発明の一形態におけるランタン原子を用いることにより、IGZOの結晶構造の結合エネルギーに比べて結合エネルギーが増加することを第1原理計算により算出した。 In this example, by using the lanthanum atom in one embodiment of the present invention described in Embodiment Mode 1, it was calculated by the first principle calculation that the binding energy was increased as compared with the binding energy of the crystal structure of IGZO. .

結合エネルギー(Ebinding)は、結合エネルギーを結晶構造の持つ全結合の解離エネルギーの総和とする場合、以下の式(1)から算出される。 The bond energy (E binding ) is calculated from the following equation (1), where the bond energy is the sum of the dissociation energies of all bonds in the crystal structure.

binding=ΣE(atom)―E(total) (1) E binding = ΣE (atom) −E (total) (1)

式(1)において、E(atom)は結晶構造中に存在する各原子のエネルギー、E(total)は結晶のエネルギーを表す。すなわち式(1)より、結合エネルギーが大きいほど、その結晶構造は安定である。結晶構造が安定となることで、金属−酸素間の結合を強くし、酸素の脱離を抑制することができる。 In formula (1), E (atom) represents the energy of each atom present in the crystal structure, and E (total) represents the energy of the crystal. That is, from the formula (1), the larger the binding energy, the more stable the crystal structure. By stabilizing the crystal structure, the bond between metal and oxygen can be strengthened, and desorption of oxygen can be suppressed.

計算には密度汎関数法のプログラムであるCASTEPを用いた。密度汎関数の方法として平面波基底擬ポテンシャル法を用い、汎関数はGGA―PBEを用いた。カットオフエネルギーは380eVを用いた。k点のグリッド数は9×9×3とした。 CASTEP, which is a density functional method program, was used for the calculation. The plane wave basis pseudopotential method was used as the density functional method, and GGA-PBE was used as the functional. The cut-off energy was 380 eV. The number of grids at k points was 9 × 9 × 3.

結合エネルギーの算出に用いる結晶構造は、IGZOの結晶構造(InGaZnO:モデル名、InGaZO)では、対称性R−3(国際番号:148)の単位セル構造を用いた。またインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造において、ランタン原子を酸素原子が5配位の位置とした結晶構造(InLaZnO:モデル名、InLaZO)では、上記IGZOの結晶構造におけるガリウム原子の位置の原子をランタン原子に置き換えたものを用いた。またインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造において、ランタン原子を酸素原子が6配位の位置とした結晶構造(InLaZnO:モデル名、LaInZO)では、IGZOの結晶構造におけるインジウム原子の位置の原子をランタン原子に、ガリウム原子の位置の原子をインジウム原子に置き換えたものを用いた。 As the crystal structure used for calculating the binding energy, a unit cell structure of symmetry R-3 (international number: 148) was used in the crystal structure of IGZO (InGaZnO 4 : model name, InGaZO). In the crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, the position of the gallium atom in the crystal structure of the IGZO in the crystal structure in which the lanthanum atom is a five-coordinate position of the oxygen atom (InLaZnO 4 : model name, InLaZO). The one in which the atom in was replaced with a lanthanum atom was used. In the crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, the crystal structure in which the lanthanum atom has a six-coordinate position of the lanthanum atom (InLaZnO 4 : model name, LaInZO), the position of the indium atom in the crystal structure of IGZO An atom in which the atom was replaced with a lanthanum atom and the atom at the position of the gallium atom was replaced with an indium atom was used.

以下の表1に、それぞれの結合エネルギーEbindingの値を示す。 Table 1 below shows the values of the respective binding energies E binding .

表1の値から、IGZOの結晶構造におけるガリウム原子をランタン原子に置き換えることで、結合エネルギーを大きくすることができ、結晶構造を安定にできることが分かった。また、ランタン原子を酸素原子が6配位の位置とした結晶構造であるモデル名LaInZOの結晶構造が、ランタン原子を酸素原子が5配位の位置とした結晶構造であるモデル名InLaZOの結晶構造よりも、結合エネルギーが大きく、結晶構造を安定にできることが分かった。 From the values in Table 1, it was found that by replacing the gallium atom in the crystal structure of IGZO with a lanthanum atom, the binding energy can be increased and the crystal structure can be stabilized. The crystal structure of the model name LaInZO, which has a crystal structure in which the lanthanum atom is in the 6-coordinate position, and the crystal structure of model name InLaZO, in which the lanthanum atom is the crystal structure in which the oxygen atom is in the 5-coordinate position. It was found that the bond energy is larger than that of the crystal structure and the crystal structure can be stabilized.

本実施例では、密度汎関数理論に基づく平面波―擬ポテンシャル法を用いた第一原理計算により構造最適化を行い、最適化された結晶構造に対してエネルギー状態密度を計算した。 In this example, structure optimization was performed by first-principles calculation using a plane wave-pseudopotential method based on density functional theory, and the energy state density was calculated for the optimized crystal structure.

計算プログラムには第一原理計算ソフトCASTEPを用いた。汎関数はGGA−PBEを、擬ポテンシャルはUltrasoftをそれぞれ用いた。カットオフエネルギーは380eV、k点の数は構造最適化では4×4×1、状態密度計算では5×5×3とした。 First-principles calculation software CASTEP was used as the calculation program. The functional used was GGA-PBE, and the pseudopotential used Ultrasoft. The cut-off energy was 380 eV, the number of k points was 4 × 4 × 1 for structure optimization, and 5 × 5 × 3 for state density calculation.

結晶構造の最適化に用いる結晶構造は、IGZOの結晶構造(InGaZnO:モデル名、InGaZO)では、対称性R−3(国際番号:148)の単位格子をa軸方向及びb軸方向にそれぞれ2倍した結晶構造を用いた。またインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造において、ランタン原子を酸素原子が5配位の位置とした結晶構造(InLaZnO:モデル名、InLaZO)では、上記IGZOの結晶構造におけるガリウム原子の位置の原子をランタン原子に置き換えたものを用いた。またインジウム、ランタン、亜鉛及び酸素を有する結晶構造において、ランタン原子を酸素原子が6配位の位置とした結晶構造(InLaZnO:モデル名、LaInZO)では、IGZOの結晶構造におけるインジウム原子の位置の原子をランタン原子に、ガリウム原子の位置の原子をインジウム原子に置き換えたものを用いた。 The crystal structure used for the optimization of the crystal structure is the IGZO crystal structure (InGaZnO 4 : model name, InGaZO), and the unit cell of symmetry R-3 (international number: 148) is arranged in the a-axis direction and the b-axis direction, respectively. A doubled crystal structure was used. In the crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, the position of the gallium atom in the crystal structure of the IGZO in the crystal structure in which the lanthanum atom is a five-coordinate position of the oxygen atom (InLaZnO 4 : model name, InLaZO). The one in which the atom in was replaced with a lanthanum atom was used. In the crystal structure having indium, lanthanum, zinc, and oxygen, the crystal structure in which the lanthanum atom has a six-coordinate position of the lanthanum atom (InLaZnO 4 : model name, LaInZO), the position of the indium atom in the crystal structure of IGZO An atom in which the atom was replaced with a lanthanum atom and the atom at the position of the gallium atom was replaced with an indium atom was used.

最適化されたいずれの構造もバンドギャップを有しているので、絶縁体または半導体的な状態密度を有することが分かる。そこで、状態密度からバンドギャップを算出した。以下の表2に、それぞれのバンドギャップの値を示す。 It can be seen that any of the optimized structures has a band gap and thus has an insulator or semiconductor density of states. Therefore, the band gap was calculated from the density of states. Table 2 below shows the respective band gap values.

なお、密度汎関数法ではバンドギャップが小さく見積もられる傾向があり、実際のIGZO結晶のバンドギャップは3.2eV程度と、表2に示すバンドギャップよりも大きい。 In the density functional method, the band gap tends to be estimated to be small, and the actual band gap of the IGZO crystal is about 3.2 eV, which is larger than the band gap shown in Table 2.

表2の値から、IGZOの結晶構造におけるガリウム原子をランタン原子に置き換えることで、バンドギャップを大きくできることが分かった。また、ランタン原子を酸素原子が6配位の位置とした結晶構造であるモデル名LaInZOの結晶構造は、ランタン原子を酸素原子が5配位の位置とした結晶構造であるモデル名InLaZOの結晶構造よりも、バンドギャップを大きくできることが分かった。 From the values in Table 2, it was found that the band gap could be increased by replacing gallium atoms in the crystal structure of IGZO with lanthanum atoms. The crystal structure of model name LaInZO, which has a crystal structure in which the lanthanum atom has a six-coordinate position, is the crystal structure of model name InLaZO, which has a crystal structure in which the lanthanum atom has a five-coordinate position. It was found that the band gap can be increased.

本実施例は、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 example can be implemented in combination with any of the structures described in the other embodiments as appropriate.

301 単位格子
501 単位格子
100 基板
106 素子分離絶縁膜
108 ゲート絶縁膜
110 ゲート電極
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
124 金属化合物領域
128 絶縁膜
130 絶縁膜
135 層間絶縁膜
136 電極層
137a 側壁
137b 側壁
142a 電極層
142b 電極層
144 酸化物半導体膜
146 ゲート絶縁膜
148 ゲート電極
150 絶縁膜
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 絶縁膜
260 配線
262 導電層
400 基板
401 ゲート電極
402 ゲート絶縁膜
403 酸化物半導体膜
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
405b ドレイン電極
407 絶縁膜
412a 側壁
412b 側壁
413 酸化物半導体膜
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 下地絶縁膜
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
301 Unit lattice 501 Unit lattice 100 Substrate 106 Element isolation insulating film 108 Gate insulating film 110 Gate electrode 116 Channel formation region 120 Impurity region 124 Metal compound region 128 Insulating film 130 Insulating film 135 Interlayer insulating film 136 Electrode layer 137a Side wall 137b Side wall 142a Electrode Layer 142b electrode layer 144 oxide semiconductor film 146 gate insulating film 148 gate electrode 150 insulating film 153 conductive layer 156 wiring 160 transistor 162 transistor 164 capacitor element 250 memory cell 251 memory cell array 251a memory cell array 251b memory cell array 253 peripheral circuit 254 capacitor element 256 Insulating film 260 Wiring 262 Conductive layer 400 Substrate 401 Gate electrode 402 Gate insulating film 403 Oxide semiconductor film 403a Impurity region 403b Impurity region 403c channel formation region 405 conductive film 405a source electrode 405b drain electrode 407 insulating film 412a side wall 412b side wall 413 oxide semiconductor film 415 conductive film 415a conductive film 420 transistor 422 transistor 424 transistor 426 transistor 435a wiring layer 435b wiring layer 436 base insulating film 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 (6)

一般式In La (2−x) Zn 3+y (xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)の結晶を含む酸化物半導体膜。 An oxide semiconductor film including a crystal of the general formula In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number greater than or equal to 1 and less than 2, y is a number greater than or equal to 1 and less than 6.) 酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状に配列した結晶構造を有し、
前記結晶構造の一般式は、In La (2−x) Zn 3+y (xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)である酸化物半導体膜。
Indium oxide layer, the crystal structure of lanthanum oxide layer and zinc oxide layer is arranged in a layered possess,
An oxide semiconductor film in which a general formula of the crystal structure is In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number of 1 to less than 2, y is a number of 1 to less than 6) .
請求項2において、
前記酸化ランタン層は、ランタン原子が酸素原子を6配位した構造を有し、
前記酸化インジウム層は、インジウム原子が酸素原子を5配位した構造を有する酸化物半導体膜。
In claim 2,
The lanthanum oxide layer has a structure in which a lanthanum atom has six coordinated oxygen atoms,
The indium oxide layer is an oxide semiconductor film having a structure in which indium atoms are coordinated with five oxygen atoms.
酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を有し、
前記酸化物半導体膜は、一般式In La (2−x) Zn 3+y (xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)の結晶を含む半導体装置。
An oxide semiconductor film, a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode;
The oxide semiconductor film includes a crystal having a general formula of In x La (2-x) Zn y O 3 + y (where x is a number greater than or equal to 1 and less than 2, y is a number greater than or equal to 1 and less than 6) .
酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を有し、
前記酸化物半導体膜は、酸化インジウム層、酸化ランタン層及び酸化亜鉛層が層状に配列した結晶構造を有し、
前記結晶構造の一般式は、In La (2−x) Zn 3+y (xは1以上2未満の数、yは1以上6未満の数)である半導体装置。
An oxide semiconductor film, a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode;
The oxide semiconductor film, an indium layer oxide, the crystal structure of lanthanum oxide layer and zinc oxide layer is arranged in a layered possess,
The general formula of the crystal structure is a semiconductor device in which In x La (2-x) Zn y O 3 + y (x is a number from 1 to less than 2, y is a number from 1 to less than 6) .
請求項5において、
前記酸化ランタン層は、ランタン原子が酸素原子を6配位した構造を有し、
前記酸化インジウム層は、インジウム原子を酸素原子が5配位した構造を有する半導体装置。
In claim 5,
The lanthanum oxide layer has a structure in which a lanthanum atom has six coordinated oxygen atoms,
The indium oxide layer is a semiconductor device having a structure in which indium atoms are coordinated by five oxygen atoms.
JP2011223214A 2011-10-07 2011-10-07 Oxide semiconductor film and semiconductor device Active JP5946624B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011223214A JP5946624B2 (en) 2011-10-07 2011-10-07 Oxide semiconductor film and semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011223214A JP5946624B2 (en) 2011-10-07 2011-10-07 Oxide semiconductor film and semiconductor device

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2013084735A JP2013084735A (en) 2013-05-09
JP2013084735A5 JP2013084735A5 (en) 2014-10-16
JP5946624B2 true JP5946624B2 (en) 2016-07-06

Family

ID=48529645

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011223214A Active JP5946624B2 (en) 2011-10-07 2011-10-07 Oxide semiconductor film and semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5946624B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9349751B2 (en) 2013-12-12 2016-05-24 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device
WO2016125049A1 (en) * 2015-02-02 2016-08-11 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Oxide and manufacturing method thereof
WO2017149413A1 (en) 2016-03-04 2017-09-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
KR20230019215A (en) 2016-05-19 2023-02-07 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Composite oxide semiconductor and transistor
TWI689096B (en) * 2018-08-24 2020-03-21 友達光電股份有限公司 Metal oxide crystalline structure, and display panel circuit structure and thin film transistor having the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008139860A1 (en) * 2007-05-07 2008-11-20 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Semiconductor thin film, semiconductor thin film manufacturing method and semiconductor element
WO2009093625A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-30 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Field-effect transistor, method for manufacturing field-effect transistor, display device using field-effect transistor, and semiconductor device
JP5438011B2 (en) * 2008-08-27 2014-03-12 出光興産株式会社 Sputtering target and oxide semiconductor thin film comprising the same
JP2010165922A (en) * 2009-01-16 2010-07-29 Idemitsu Kosan Co Ltd Field effect transistor, method for manufacturing field effect transistor and method for manufacturing semiconductor element
KR101810383B1 (en) * 2009-09-24 2017-12-19 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Oxide semiconductor film and semiconductor device
EP2486594B1 (en) * 2009-10-08 2017-10-25 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Oxide semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013084735A (en) 2013-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7467704B2 (en) Semiconductor Device
JP7049504B2 (en) Semiconductor device
KR102194754B1 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6140551B2 (en) Semiconductor device
JP6184698B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP6068992B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2020031219A (en) Semiconductor device
JP6026839B2 (en) Semiconductor device
JP6022880B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6310594B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
KR102038846B1 (en) Semicondutor device
JP6034125B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6050662B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6126357B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP5946624B2 (en) Oxide semiconductor film and semiconductor device
JP6049479B2 (en) Semiconductor device
JP6063117B2 (en) Semiconductor device
JP5948037B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP6553693B2 (en) Semiconductor device
JP5888929B2 (en) Semiconductor device
JP6088852B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140903

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140903

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150813

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150818

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20151009

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160510

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160601

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5946624

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250